Термодинамический анализ технических систем.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 8

На основе результатов термодинамического анализа отдельных процессов ведется следующий шаг – анализ термодинамической системы в целом.

Он может проводиться для следующих целей:

Первая цель состоит в том, чтобы получить “разрез”, рентгеновский снимок, технической системы с точки зрения анализа происходящих в ней энергетических превращений. Полученная при этом информация в виде распределения и характеристики потерь, значения КПД отдельных частей и системы в целом, относительного веса каждой части, характеристики связи между ними, взаимодействия системы со средой и т. д., может служить основой для дальнейшей работы по усовершенствованию системы и сопоставлению ее с другими системами, предназначенными для тех же или аналогичных целей.

Вторая цель заключается в оптимизации тех или иных параметров для того, чтобы получить наибольшую возможную термодинамическую эффективность системы, т. е. максимальный эксергетический КПД.

Такая термодинамическая оптимизация, основанная на варьировании исходных параметров, в ряде случаев может дать существенный практический эффект.

Вместе с тем необходимо учитывать, что, в конечном счете, для практики решающей является оценка, получаемая при экономической оптимизации.

Результаты термодинамической и экономической оптимизации в общем случае не совпадают.

Система, весьма эффективная термодинамически, может оказаться экономически далекой от оптимума. Это объясняется сложным характером зависимости между экономическими и термодинамическими величинами.

Однако простые системы или сравнительно независимые элементы сложных систем характеризуются более простыми зависимостями между экономическими и термодинамическими показателями, при которых в определенном интервале параметров повышение КПД вызывает одновременно улучшение и экономических показателей.

Непременным условием, определяющем возможность существования таких простых связей, является относительная стабильность постоянных затрат при существенном изменении энергетических затрат.

Такая картина будет наблюдаться и тогда, когда постоянные затраты имеют вообще относительно малое значение и их изменение при оптимизации не сказывается на характере зависимости между КПД и общими затратами на единицу продукта.

Примерами сравнительно простых систем, удовлетворяющих этим условиям, могут служить холодильные и теплонасосные установки, компрессорные или детандерные машины.

Задачи полного термодинамического анализа систем и их оптимизации требуют в каждом случае специального рассмотрения и очень сложны в выполнении.

Поэтому мы рассмотрим только некоторые примеры эксергетического анализа технических систем.

Компрессионная паровая холодильная машина

Рис.14.1. Схема одноступенчатой аммиачной холодильной машины

I – компрессор, II – конденсатор, III – регулирующий вентиль, IV – охладитель жидкости, V – испаритель, VI – камера охлаждения, VII -рассольный насос/

Цель расчёта: определить потери в элементах системы, построить эксергетическую диаграмму, определить эксергетический КПД каждого элемента, эксергетический КПД системы в целом.

Исходные данные:

Температура в камере – t_хк;

Температура окружающей среды – t_ос;

Холодопроизводительность – Q_он;

Температура кипения – t₀;

КПД компрессора – η_к;

КПД двигателя компрессора – η_дк;

Мощность привода – N;

Мощность насоса, перекачивающего рассол – N_н;

КПД насоса – η_н;

Принцип действия установки: хладагент поступает в испаритель V, где, забирая тепло у рассола, кипит, затем пар поступает в компрессор I, сжимается и его температура возрастает до температуры выше Т₀. В конденсаторе II пар конденсируется, в регулирующем вентиле III дросселируется до состояния парожидкостной смеси. Парожидкостная смесь в отделителе жидкости IV разделяется на пар, который идет в компрессор, и жидкость, которая поступает в испаритель I. Рассол, охлаждаясь в испарителе V, поступает в холодильную камеру VI. В ней рассол забирает тепло от охлаждаемой среды и через насос VII вновь поступает в испаритель V.

Цикл холодильной машины в координатах e-i представлен на рис.14.2.

Рис.14.2. Цикл аммиачной холодильной установки в е,i - диаграмме

При построении цикла использовали исходные данные:

температура кипения холодильного агента t₀ = t_хк – (2...5 )⁰С, температура конденсации t_к = t_ос + (5…10 ) ⁰С.

Процесс 1 – 2 – сжатие в компрессоре. Удельная внутренняя работа – l_к = i₂ – i₁, при этом эксергия аммиака возрастает на величину Δе_{2 – 1}, а потеря в компрессоре на 1 кг аммиака составит:

– Δe_{2 –1}.

Процесс в конденсаторе сопровождается отводом тепла q_к = i₂ – i₃ и соответствующим уменьшением эксергии Ñe_{2 – 3}, которая полностью теряется. Наибольшая часть потери эксергии связана с охлаждением аммиака от температуры Т₂ до температуры конденсации. Эта техническая потеря был бы существенно меньше в идеальном адиабатном компрессоре при сжатии пара по линии S=idem

Процесс дросселирования 3 – 4 приводит к понижению температуры: при этом теряется эксергия Ñe_{3 – 4}.

Наконец, в процессе 4 – 1, протекающем при Т_и, аммиак испаряется и его энтальпия возрастает на величину q_и = i₁– i₄, равную удельной холодопроизводительности. Одновременно аммиак отдает эксергию е₄ – е₁, равную эксергетической производительности е_q, и цикл замыкается.

Величины энтальпии и эксергии аммиака, необходимые для расчета цикла и составления эксергетического баланса, сняты с е – i диаграммы. Уровень начала отсчета выбран таким образом, чтобы в т. 1 эксергия была минимальна, е = 0. Такой прием вполне обоснован, поскольку все величины считаются по разности значений эксергии.

Расчетом цикла в тепловой диаграмме определяются параметры характерных точек (расход, давление, температура).

В ходе расчёта определяются:

- расход аммиака в системе, кг/с;

-расход воды, поступающей в конденсатор, кг/с; - расход рассола, проходящего через испаритель, кг/с.

Эксергетические потери в элементах холодильной установки, по которым строится диаграмма потоков эксергии, определяются по формулам:

- потери в компрессоре , где , , кДж/кг;

- потери в конденсаторе , где ;

- потери в дросселе , где ;

─ потери в испарителе , где D_и – внешняя потеря, возникающая при передаче эксергетической холодопроизводительности рассолу, связанная с разностью температур между кипящим аммиаком и рассолом;

─ потеря вследствие теплопритока к рассолу невелика, обычно в расчёте не учитывается;

─ потери в холодильной камере ,

связанные с разностью температур воздуха камеры и рассола.

По полученным значениям строится эксергетическая диаграмма.

--------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

---------------------------------------------------------------------------

Рис. 14.3. Эксергетическая диаграмма холодильной машины

Конечным этапом анализа холодильной машины является определение КПД элементов, а также всей системы в целом, после которого делается вывод о степени их термодинамического совершенства .

- КПД компрессора

- КПД конденсатора

Эксергетический КПД конденсатора имеет физический смысл, когда тепло конденсации, не просто отводится в окружающую среду, а используется как вторичный энергоресурс.

- КПД дросселя

- КПД испарителя η_и= Е_q / N 100%

- эксергетический КПД установки определяется с учётом потерь, связанных с использованием рассола и мощности двигателя рассольного насоса;

- Численное значение КПД определяется как результат построения эксергетической диараммы.

Анализ эксергетической диаграммы позволяет сравнить потери в каждом элементе и в установке в целом, оценить их термодинамическое совершенство путём сравнения с лучшими конструкциями и системами.

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 573; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78

Мы поможем в написании ваших работ!