Расчет теплонасосной установки
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ"
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
Кафедра "Промышленная теплоэнергетика"
Курсовая работа
Расчет теплонасосной установки
Преподаватель: В.К. Кривошеенко
Студент: В.Л. Карманов
гр. ПТЭ 51
Нижний Тагил
2013 г.
Оглавление
насос термодинамический конденсатор компрессор
Введение
. Исходные данные
. Расчет
.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом
.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке
.3 Выбор конденсатора и компрессора
Выводы
Библиографический список
1. Введение
История тепловых насосов
Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например: окружающей среды, сбросной теплоты после технологических процессов в промышленных установках, геотермальных вод и т.д.
Патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах XX века, когда в Англии была создана первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.
Толчок к развитию системы ТН получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития системы ТН устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий тепловые насосы стали доступны многим людям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.
Применение тепловых насосов в мире
На сегодняшний день тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. ТН устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах.
К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют:
В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой + 8° С.
В Германии предусмотрена дотация государства на установку геотермальных тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
Принцип действия теплового насоса
Насос включает в себя следующие основные составляющие:
·два теплообменника (радиаторов) - холодный (испаритель) и горячий (конденсатор) (в нашем случае холодный слева, а горячий справа);
·компрессор;
·дросселирующее устройство;
·хладагент (в качестве хладагента может быть использован любой газ, имеющий разумное значение давлений насыщенных паров при интересующих нас температурах; обычно это разные марки фреонов или пропан - бутановые смеси.
Рис.1. Принципиальная схема компрессионного идеального теплового насоса (а) и его цикл в Т-S ? диаграмме (б), К ? конденсатор; И ? испаритель; КМ ? компрессор; ДВ ? дроссельный клапан
На рис.1б изображен круговой процесс идеальной компрессорной теплонасосной установки в T-S- диаграмме, на которой 1- 2 - изоэнтропное сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; 2 -3 - изобарно - изотермическая конденсация Р.Т.; 3 - 4 ? изоэнтальпийное расширение в дроссельном клапане или в детандере Р.Т. до давления в испарителе; 4-1 - изобарно - изотермическое кипение (испарение) Р.Т. в испарителе.
Газ сжат до давления Р1 и попадая на холодные трубки, малая часть его быстро конденсируется на них, отдавая теплоту конденсации, и нагревая их до температуры точки росы для данного давления. После этого основная часть без препятствий попадает в "горячий" теплообменник, в котором обменивается теплом со средой, имеющей температуру ниже точки росы, опять же, для данного давления. Газ при этом конденсируется весь, отдавая тепло среде. В данном случае давление не будет падать, так как компрессор постоянно подгоняет новые порции газа, компенсируя сконденсированную часть. Далее жидкий хладагент вытесняется через дросселирующее устройство в область низкого давления, причем опять малая часть быстро испаряется, охлаждая трубки и остальную часть до температуры ниже температуры кипения для этого давления. Оставшаяся жидкость испаряется в "холодном" теплообменнике, забирая тепло и, соответственно, охлаждая среду, имеющую температуру несколько выше, чем температура кипения для этого давления - давление при этом не растет, так как постоянно газ откачивается компрессором.
Таким образом, весь процесс идет за счет разницы давлений, обеспечиваемой компрессором и дросселирующим устройством.
1. Исходные данные
Вариант №20.
Низкотемпературным источником в рассчитываемой ТНУ является оборотная вода от водяного теплообменника газохода установки "печь - ковш" конверторного производства ОАО "НТМК". После теплообменника вода имеет температуру Т = 328оК и направляется в цеховые градирни для охлаждения и повторного использования, т. е. мы имеем сбросовую теплоту, которую используем в ТНУ для нагрева холодной питьевой воды для нужд горячего водоснабжения конверторного цеха. Температура холодной питьевой воды составляет Тх.и.= 288оК и после нагрева в конденсаторе Т = 338оК. В качестве Р. Т. в ТНУ применяется фреон - 12, его химическая формула CF2CI2 (дифтордихлорметан) и имеет обозначение по международному стандарту ISO 817 - 74. R - 12.
2. Расчет
Расчет ТНУ сводится к определению:
- энергозатрат;
коэффициента преобразования энергии;
коэффициента полезного действия ТНУ;
массового расхода хладоагента;
количества нагреваемой воды для горячего водоснабжения;
удельного расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты в ТНУ.
удельного расхода топлива на выработку теплоты на ТЭЦ.
.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом
Тот факт, что воду необходимо нагревать от Тґв = 288 єК позволяет не только охладить пар Р.Т. 2 - 2ґґ (см. рис.2) и сконденсировать его по линии 2 - 3 но и охладить жидкий фреон по линии 3 - 3ґ отдавая теплоту нагреваемой воде, т.е. потребителю. Для этого в конденсаторе - теплообменнике организовано противоточное движение нагреваемой воды и греющего пара фреона.
Образовавшийся в теплообменнике жидкий фреон переохлаждается от температуры насыщения Ts = 363oК при Р = 2,3 МПа до температуры 293оК при давлении Р = 0,6 МПа.
В результате процесс дросселирования 3ґ - 4ґ протекает с меньшими эксергетическими потерями по сравнению с 3 - 4. После дросселирования получается более влажный пар (x = 0,05) (точка 4ґ), который забирает от низкотемпературного источника теплоту большую, чем при дросселировании без охлаждения (3 - 4). Соответственно и потребителю каждый килограмм фреона передает большее количество теплоты
Для определения основных параметров Р. Т. воспользуемся таблицами и Т - S диаграммой. Все контрольные параметры занесем в таблицу 1.
Таблица 1. Контрольные параметры ТНУ
Точки диаграммы и процессІ, кДж/кгЅ, кДж/кг·оСt, єКР, МПа4ґ- после изоэнтальпийного дросселирования4004,002730,34ґ - 1 - изобарно- изотермическое расширение в испарителе5524,562730,31-2 - адиабатическое сжатие в компрессоре5984,583732,31-2ґ - изоэнтропное сжатие в компрессоре ( идеальное)5894,563632,31-2ґґ- изобарное охлаждение газа в конденсаторе5794,533532,32ґґ- 3 - конденсация Р.Т. изотермический процесс4834,263532,33-3ґ- глубокое охлаждение жидкого Р.Т. в конденсаторе4194,072930,63ґ-4 ґ - изоэнтальпийное дросселирование Р.Т. в дроссельном клапане4004,002730,3
2.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке
Для проведения расчета энергозатрат используем данные табл.1.
Удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела:
в = ( h2ґ - h1) / ?і,
где:
h2ґ - h1 - разность энтальпий при изоэнтропном сжатии;
- ?і - внутренний относительный (индикаторный, адиабатный) КПД компрессора. Для предварительных расчетов можно принимать ?і = 0,75 ч 0,85. Принимаем 0,8.
lв = ( 589-552) / 0,8 = 29,6 кДж/кг.
Удельная затрата электрической энергии на привод компрессора:
= lв/?эм
где:
?эм - электромеханический КПД компрессора (в среднем ?эм = 0,9 ч 0,95).Принимаем 0,93;в - удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.
l = 29,6 / 0,93 = 32 кДж/кг.
Удельное количество теплоты, подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела:
q0 = h1 - h4
где:-h4 - разность энтальпий при изобарно-изотермическом расширении в испарителе, кДж/кг.
qо = 552 - 400 = 152 кДж/кг.
Удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела:
qк = h2 - h3
где:-h2 - разность энтальпий при изотермическом расширении в конденсаторе, кДж/кг.
к = 598 - 419= 179 кДж/кг.
Удельный расход электрической энергии на единицу теплоты повышенного потенциала отводимой из конденсатора:
э = l / qк
где:
l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг;к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.
э = 32/ 179 = 0,18 кДж/кг.
Коэффициент преобразования энергии:
? = qк / l
где:
qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;
l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг
µ= 179 / 32 = 5,59
Коэффициент полезного действия ТНУ:
где:
Тв и Тн - верхний и нижний температурные уровни, К;
qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;- удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.
? = ( 1 - 306/353)*5,59 = 0,73
Массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке:
= Qв / qк
где:в - расчетная тепловая мощность ТНУ, кДж/с;
qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.
G = 420 / 179 = 2,35 кг/с.
Мощность электропривода компрессора, кВт:
к = Gl
где:
G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;- удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.
Nк = 2,35 *32 = 75,2 кВт.
Расчетная тепловая нагрузка испарителя, кДж/с:
Qо = G qо
где:
G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;
q0 - удельное количество теплоты подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.
Qо = 2,35*152 = 357,2 кДж/с.
Тепловая нагрузка конденсатора:
к=G*qк
где:
G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;
qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.
к = 2,35*179= 420,65кДж/с.
Количество тепла, полученного в конденсаторе:
гвс = Qк*G*0,95 / iгвс ,
где:
Qк - тепловая нагрузка конденсатора, кДж/с;
qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;
0,95 - коэффициент, учитывающий потери теплоты конденсатором в окружающую среду (потери составляют 5%);гвс - теплосодержание воды при ?Тср=85-15=65єС.
Gгвс = 250*1,47*0,95/179,8 = 1,94 кг/с.
где: 272,4 - теплосодержание воды при средней температуре, кДж/кг. И теплоемкости воды Св =4,19 кДж / кг град
Расчет расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты с помощью ТНУ:
Где a ? 34,1кг/ГДж;
- ?к ? КПД выработки электроэнергии на КЭС, в среднем 0,32 ч 0,34. Принимаем 0,32;
- ?с.н. ? коэффициент собственных нужд КЭС, обычно 0,04 ? 0,06. Принимаем 0,04;
-?э.с. ? КПД электрической сети, 0,94 ч 0,96. Принимаем 0,94
µ - коэффициент преобразования энергии.
bтну = 34,1/ (0,32*5,59*(1 - 0,04)*0,94 = 21 кг/ГДж.
Расчет удельного расхода условного топлива на выработку теплоты на ТЭЦ:
где: - 34,1 - количество условного топлива ,кг, при сжигании которого выделяется 1 ГДж теплоты;
?к.с. ? КПД котельных, ?к.с. = 0,88 ч 0,92.Принимаем 0,91.
bт = 34,1 / 0,91 = 37,5 кг / ГДж
По результатам вычислений bтну, bт, следовательно, экономичнее применять ТНУ для выработки тепла при средних тепловых нагрузках. При этом, нужно заметить, что принятый КПД ТЭЦ больше КПД районных и местных отопительных котельных.
Определяем общее количество теплоты, подведенное в испаритель:
= 0,86*iх.т
где: 0,86 - перевод кДж / с в кВт;
iх.т. - теплосодержание холодного теплоисточника подведенного в испаритель, кДж/кг.
Q0 = 0,86*400=344 кВт
После определения числовых значений Qo и используя значение q, определяем площадь передающей поверхности F:
F = Qо ? q,
где: q - плотности теплового потока который должен быть в пределах q = 4ч 5 кВт/м2.
= 344/5= 68,8 м2
По определенной величине F выбираем испаритель.
Для нашей ТНУ выбираем испаритель ИТР-70 с площадью передающей поверхности 70/21,0 м2
Параметры горизонтального кожухотрубного фреонового испарителя затопленного типа ИТР -70 приведены в табл.2
Таблица 2
МаркаПлощадь передающей поверхности, м2Диаметр кожуха, ммДлина кожуха, мм Число трубЧисло горизонтальных рядов трубМасса, кгИТР-7070/21,05302240249181250
Кожухотрубные испарители затопленного типа обладают некоторыми преимуществами по сравнению с аппаратами других типов. К ним относятся: закрытая система циркуляции хладоносителя, обеспечивающая меньшую его аэрацию и в, следствии этого меньшую коррозию оборудования; большая компактность, относительно высокая тепловая эффективность и др. Серьезным недостатком кожухотрубных испарителей является опасность замерзания в трубах хладоносителя при прекращении его циркуляции.
В кожухотрубных испарителях низкопотенциальный теплоноситель охлаждается при движении внутри труб, а Р.Т. кипит на их наружной поверхности. Трубы в испарителе находятся в пучке и расположены по вершинам равностороннего треугольника.
2.3 Выбор конденсатора и компрессора
В практике нашло широкое применение использование агрегатных установок. Под компрессорно-конденсатным агрегатом понимается объединение компрессора с конденсатором, это определяет компактность и экономичность ТНУ. По расчетной мощности компрессора N = 75,2 кВт определяем агрегат с компрессором П 110 и конденсатором КФ-130.
Таблица 3
ТипоразмерУсловные обозначенияХолодильная мощность Qо, кДж / сКомпрессорМощность Электро-двигателя, кВтКонденсатортипплощадь поверхности, м2МКТ 110-2-1М97-215П 11075КФ-130108
Таблица 4. Результаты расчета теплонасосной установки
испарительконденсаторекомпрессорlв ,кДж/кгl ,кДж/кгqо ,кДж/кгqк ,кДж/кгэ , ,кДж/кгµ?тнуGр.т. ,кг/сGгвс ,кг /сNк ,кВтQо ,кДж/ сQк ,кДж/с??bтну,ТУТbтэц, ТУТИТР - 70КФ 130- П 11029,6321521790,185,590,732,353,4575,2357,24210,82137,5
Выводы
Разработка технологий тепловых насосов успешно объединяет экономичность, экологическую безопасность. Тепловые насосы используют энергию, постоянно присутствующую в воздухе, воде и верхних слоях земли, они преобразуют ее в тепло для отопления, в котором остро нуждается человек. Положительным моментом в данном способе получения полезного тепла является то, что мы используем окружающую среду, не нанося ее вреда.
В курсовом проекте выбрано следующее оборудование для теплонасосной установки: испаритель ИТР - 70, конденсатор КФ 130, компрессор П 110.
Библиографический список
насос термодинамический конденсатор компрессор
1.Архаров А.М. Теория и расчет криогенных систем : учеб. для вузов по специальности "Криогенная техника" /А. М. Архаров, И. В. Марфенина, Е. И. Микулин. ? М.: Машиностроение, 1978. ? 416с.: ил. + 1 вкл.
2.Баскаков А.П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие /А.П. Баскаков. ? Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ ? УПИ, 2004. 87с.
.Бараненко А.В. Холодильные машины: учеб. для втузов специальности "Техника и физика низких температур" /А.В. Бараненко Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, И.А. Скакун, Л.С. Тимофеевский; Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. ? СПб.: Политехника, 1997.? 992с.: ил.
.Григорьев В.А. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник /Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина ? 2-е изд.,перераб. ? М.: Энергоатомиздат, 1991. ? 1991. ? 588с.: ил. ? (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).
.Пластилин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. Учебн. пособие для студентов вузов /П.И. Пластилин ? ВО "Агропромиздат",1987. ? 271с.: ил.
.Фотин Б.С. Поршневые компрессоры: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Холодильные и компрессорные машины и установки" / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий: Под. общ. ред. Б.С. Фотина. ? Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. ? 372с.: ил
Больше работ по теме:
Предмет: Физика
Тип работы: Курсовая работа (т)
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ