ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОХЛАДИТЕЛЕЙ В СУБЛИМАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты эксергетического анализа холодильной машины ХМФУУ-80 с эффективными теплообменными аппаратами. В конденсаторе и испарителе теплообмен интенсифицировался за счет применения труб с кольцевыми канавками. Эффективные теплообменные аппараты повысили эксергетический КПД охладителя на 10 %. Сравнены энергетические характеристики ХМФУУ-80 с другими машинами. Потери эксергии в машине ХМФУУ-80 с эффективными теплообменными аппаратами сократились: в испарителе с 29% на 2,25%; в конденсаторе с 20% на 16,59%. Рекомендована методика расчета для определения КПД теплообменных аппаратов. Формулу можно применить в теплообменных аппаратах, где значения различных потерь эксергии соизмеримы, и средняя температура в аппарате ниже температуры окружающей среды.

ABSTRACT

The outcomes of the exergetic analysis of a refrigerating machinery ХМФУУ-80 with effective heat-transport vehicles are adduced. In the condenser and evaporator the heat change was intensified at the expense of applying tubes with circular slots. The effective heat-transport vehicles have increased exergetic efficiency of the chiller on 10 %. The power characteristics ХМФУУ-80 to other machines are compared. Exergy losses in the ХМФУУ-80 machine with efficient heat exchangers have been reduced: in the evaporator from 29% to 2.25%; in the condenser from 20% to 16.59%. A calculation method for determining the efficiency of heat exchangers is recommended. This formula can be applied to heat exchangers where the values ​​of various exergy losses are comparable and the average temperature in the unit is lower than the ambient temperature.

Ключевые слова: Гидравлическое сопротивление; теплообмен; холодильная машина; эксергетический КПД; эффективная поверхность.

Keywords: Hydraulic resistance; heat transfer; refrigeration machine; exergy efficiency; effective surface.

Введение. Сублимационная сушка занимает определенную нишу в области пищевых, химических и микробиологических производств, так как объединяет в себе достоинства процессов сушки и холодильной обработки. Сублимационные установки широко применяются для консервирования кофе, растворимых соков, составляющих крови и кровезаменителей, гормональных и ферментных препаратов, биологических удобрений и других термолобильных материалов.

Вот почему актуальными задачами являются разработка энергосберегающих технологий сублимационного консервирования и создание нового оборудования для реализации технологических процессов.

Целью работы является повышение эффективности холодильной машины. Известны методы, позволяющие достигать указанную цель: реализация циклов, позволяющих сократить основной вид внутренних потерь – потери при дросселировании [1–3]; замена однокомпонентных рабочих веществ на двух- и многокомпонентные зеотропные смеси [4–5]; введение небольшой вспомогательной холодильной установки с циклом на смеси с переменной температурой кипения [6–7]. В данной статье предлагается один из способов энергосбережения, заключающийся в применении эффективных теплообменных аппаратов в холодильных машинах. В теплообменных аппаратах исследованной холодильной машины ХМФУУ-80 трубы с гладкой поверхностью заводского изготовления были заменены трубами двухмерной шероховатости. Задачей данной работы является изучение характеристик эффективной машины.

Метод исследования. Сравнение охлаждающих машин по энергетическим показателям проведено эксергетическими показателями и в конечном счете эксергетическим КПД. При расчете эксергетических КПД холодильных машин было принято значение адиабатных КПД компрессоров в диапазоне 0,76-0,8. Методика анализа цикла парокомпрессионной холодильной машины дана в [8].

Коэффициенты полезного действия пластинчатых теплообменных аппаратов – испарителя и конденсатора определили отношением эксергии, отводимой из системы , к подведенной эксергии  [9]:

.                                 (1)

Определим выражения для расчета составляющих потерь эксергии от конечной разности температур

                                                   (2)

от гидравлического сопротивления в теплообменнике

                                             (3)

от теплообмена с окружающей средой

.                                                               (4)

Подставив выражения (2), (3) и (4) в уравнение (1), получим формулу для расчета :

.  (5)

В формулах:  – масса машины, кг;  – эксергетическая мощность, Вт; , ,  – теплоемкость, давление горячего (холодного) потока и падение давления; ,  и  – начальная, конечная температуры горячего (холодного) потока и температура окружающей среды;  – газовая постоянная;  – средняя эксергетическая температура изоляции теплообменного аппарата;  – удельная тепловая нагрузка теплообменника.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ работы холодильной машины с базовыми теплообменными аппаратами показывает, что большие потери эксергии происходят в конденсаторе и испарителе. Это говорит о том, что в первую очередь надо стремится сокращать эти потери. Но в некоторых областях температуры кипения хладагента потери эксергии при дросселировании сравнимы с потерями в испарителе. В этих случаях целесообразно применять циклы холодильных машин с двукратным дросселированием жидкого хладагента и отбором газа при промежуточном давлении и др.

Применение труб с эффективными поверхностями теплообмена, рассмотренные в [10÷12], привело к возрастанию эксергетического КПД холодильной машины до 10%.

На рис. 1 в координатах ,  представлены энергетические показатели холодильной машины ХМФУУ-80 с эффективным испарителем и для сравнения с другими даны показатели российских машин умеренного холода. Лучшая по энергетическим характеристикам аммиачная машина ХМ-АУ45/А2 имеет максимальный эксергетический коэффициент полезного действия КПД  при температуре кипения аммиака ^оС. Машина ХМФУУ-80 в диапазоне  ^оС работает не в оптимальном для нее режиме. Максимальный КПД может быть достигнут при  ^оС. Поэтому рассматриваемую холодильную машину рекомендуем для работы в диапазоне  ^oC. Наряду с энергетическими характеристиками большое влияние на показатели холодильных машин оказывают и весовые характеристики [13]. Связка энергетических и весовых показателей позволяет не только оценить эффективность отдельных машин, но даёт также возможность научно обоснованно планировать расход энергии, металла, трудозатраты независимо от номенклатуры машин. Значение имеет только общее количество продукции выраженное в эксергетических единицах.

Рисунок1. КПД холодильных установок в зависимости от температур кипения хладагента 1 – РАС 24-А; 2 – ХМ-АУ45/А2; 3 – ХМ-АУУ90/А; 4 – ХМ-АВ22/А1

Весовая характеристика оценивается величиной. В таблице 1 представлены энергетические и весовые характеристики холодильных машин при наихудших температурных условиях эксплуатации. В этих условиях по величине холодопроизводительности наилучшей представляется ХМ-АУУ90/А, но она самая энергоемкая () и дорогая (или металлоемкая ). Массо-габаритные данные взяты из каталогов заводов-изготовителей, а эффективность подсчитана по формуле (5).

При почти одинаковых КПД для машины ХМ-АУ 45/А2 весовая характеристика , для ХМФУУ-80  (рис. 1). Поэтому, они по обе показателям являются оптимальными. Высокий КПД охладителя ХМФУУ-80 объясняется сравнительно малыми потерями эксергии в испарителях и конденсаторах, которые изготовлены из труб с кольцевыми диафрагмами. В рассматриваемых охладителях применены конструкции горизонтальных кожухотрубчатых аппаратов.

Таблица 1.

Характеристики холодильных машин

Заключение. Проведенный термодинамический анализ холодильных машин и их элементов позволяет сделать следующие выводы:

1. В условиях Центральной Азии из числа анализированных холодильных машин оптимальной является охладитель ХМФУУ-80. Это вызвано применением эффективных теплообменных аппаратов. Так, в испарителе и конденсаторе с накатанными трубами потеря эксергии составляет 2,25 и 16,59% подведенной к машине эксергии, а в испарителе и конденсаторе с гладкими трубами – 29 и 20% соответственно. Определены оптимальные области работы машины ХМФУУ-80.

2. Для теплообменных аппаратов КПД можно определить по предложенной формуле (5). Она применима для теплообменных процессов, проходящих при соизмеримых значениях потерь эксергии от конечных разностей температур и гидравлического сопротивления, и при .

Список литературы:

1. Cheng Y., Zhang L., Dong X., Zhang D. An application study on the auto-cascade refrigeration cycle of breakthrough of fixed ingredient-proportion of refrigerant // Proc. of the 3 rd Asian Conference on Refrigeration and Air-conditioning. Gyeongju, Korea. May 21-23, 2006. Vol. 1. pp. 23-27.
2. Lei Z., Zaheeruddin M. Dynamic simulation of a water chiller refrigeration system with a suction-line heat exchanger // Proc. of the 3 rd Asian Conference on Refrigeration and Air-conditioning. Gyeongju, Korea. May 21-23, 2006. Vol. 1. pp. 73-76.
3. Li Z., Li D., Wang X., Zhang G., Lin J. Dynamic performance test and optimization of water-cooling chiller // Proc. of the 3 rd Asian Conference on Refrigeration and Air-conditioning. Gyeongju, Korea. May 21-23, 2006. Vol. 1. pp. 81-85.
4. Belozerov G.A., Mednikova N.M., Pythenko V.P., Serova E.N. Cascade type refrigeration systems working on CO₂/NH₃ for technological processes of products freezing and storage // IIR Ammonia Conf., Ohrid, 2007.
5. Gebhardt H. 2000-2004 Renaissance of CO₂ as Refrigerant for Industrial Refrigeration Systems // IIR – AIRAH Sydney, 28 July 2004.
6. Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В., Эглит А.Я. Расчет величины эффективной холодопроизводительности холодильной системы, использующей охлаждающий эффект небосвода // Вестник МАХ. – Москва, 2014. №3. С.35-40.
7. Minea V. Power generation with geothermal energy and industrial waste heat // Proceedings of EPE Conference. Polytechnic University, Iasi, Romania. Volume LII, pp. 1269 – 1276. 2006.
8. Закиров С.Г., Назиров Ш.Х., Алиев Б.А. Термодинамический анализ холодильной установки и составляющих ее элементов. Узбекский журнал Проблемы информатики и энергетики №4, 2000 г., С. 53-57.
9. Закиров С.Г., Каримов К.Ф. Интенсификация теплообмена в каналах при течении вязких жидкостей. Доклады Академии наук Республики Узбекистан, №7, 1997 г., С.32-35.
10. Karimov K.F. Heat transfer calculation upon condensation of freon-oil mixture in the pipe with circular grooves // Proceedings of The 3rd Asian Conference on Refrigeration and Air-conditioning. Vol.1May 21-23, 2006, Gyeongju, Korea.
11. Zakirov S.G., Karimov K.F. The Choice of Heat-Exchange Devices With Tubes Having Ring Turbulizers on Base Exergy Analysis. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering website: www.ijetae.com (ISSN 2250-2459, ISO 9001:2008 certified journal, volume 6, Issue 5, May 2016).
12. Закиров С.Г., Каримов К.Ф., Рахматуллаева Ш. Анализ холодильных машин на диоксиде углерода. Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы внедрения инновационной техники и технологий на предприятиях по производству строительных материалов, химической промышленности и в смежных отраслях». Фергана. 24-25 мая 2019 года. 2-том. С.14-15.
13. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М., 1973.