Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

METHOD OF EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF THE COOLING SYSTEM

Lysyakov A.I. 1 Saraykin M.N. 1 Kurgunov M.A. 1 Glukhov S.N. 1
1 National Research Mordovia State University
Большинство известных методов оценки технико-экономических параметров работы установок холодоснабжения сводятся к определению и сравнению мгновенных значений холодильных коэффициентов и удельной холодопроизводительности без учета изменения внешних параметров окружающей среды в период эксплуатации. В статье приводится методика оценки параметров работы системы холодоснабжения в реальных условиях. Для апробации методики выявлены наиболее распространенные методы регулирования производительности систем холодоснабжения: регулирование давления конденсации и метод пусков-остановок компрессора. Для сравнения методов регулирования по предлагаемой нами методике использовали в качестве примера аммиачную холодильную установку холодопроизводительностью 10 кВт, расположенную в г. Саранске. Для обоих методов регулирования построены термодинамические циклы в lgP-h диаграммах с учетом изменения условий окружающей среды, произведен расчет параметров работы установки: удельная холодопроизводительность цикла; удельная работа сжатия компрессора; удельная тепловая нагрузка на конденсатор; масса циркулирующего хладагента; холодильный коэффициент цикла; электрическая мощность компрессора и др. В результате произведенного расчета построены графики потребления электрической энергии в период эксплуатации, а также определена величина экономического эффекта. Предложенная методика позволяет достаточно точно определить величину затрат электрической энергии системой холодоснабжения.
Most of the known methods for evaluating the technical and economic parameters of refrigeration supply systems are reduced to determining and comparing instantaneous values of refrigeration coefficients and specific cooling capacity without taking into account changes in external environmental parameters during the operation period. The article provides a methodology for assessing the parameters of the cooling system in real conditions. To test the methodology, the most common methods for regulating the performance of refrigeration systems are identified: condensation pressure control and compressor start-stop method. To compare the methods of regulation according to the method proposed by us, we used as an example an ammonia refrigeration unit with a cooling capacity of 10 kW, located in Saransk. For both methods of regulation, thermodynamic cycles were constructed in lgP-h diagrams taking into account changes in environmental conditions, the installation parameters of the plant were calculated: specific cooling capacity of the cycle; specific work of compression of the compressor; specific thermal load on the condenser; mass of circulating refrigerant; cycle cooling coefficient; electric power of the compressor, etc. As a result of the calculation, graphs of the consumption of electric energy during operation were constructed, and the magnitude of the economic effect was also determined. The proposed method allows you to accurately determine the amount of electrical energy costs of the cooling system.
methods
cooling system
technical and economic parameters
regulation production
thermodynamic diagram

Выбор холодильного оборудования осуществляют по требуемым максимальным нагрузкам работы. При этом, в зависимости от температуры наружного воздуха, объемов охлаждаемой продукции, режимов работы предприятий и др., значительное время холодильные установки работают в широком диапазоне колебаний нагрузок. Поэтому для поддержания требуемых параметров работы (холодопроизводительность, температура испарения и др.) широко применяются различные системы регулирования. При выборе метода регулирования уточняют ряд критериев: характеристика регулирования; величина энергопотребления; стоимость выбранного решения; характеристики работы компрессора и холодильной системы. Все известные методы имеют преимущества и недостатки в различных условиях работы. Поэтому перед реализацией системы регулирования производят оценку технико-экономических параметров внедрения. Большинство известных методов оценки [1–3] сводятся к определению и сравнению мгновенных значений холодильных коэффициентов и удельной холодопроизводительности, без учета изменения внешних параметров окружающей среды в период работы. На современном этапе развития энергосбережения этого недостаточно, поэтому методики [4, 5], направленные на анализ методов регулирования с оценкой работы в течение характерного периода, получают всё большее распространение.

Цель данной статьи – разработать методику оценки технико-экономических параметров работы системы холодоснабжения и сравнить основные методы регулирования холодопроизводительности.

В ходе анализа выявлены наиболее распространенные методы регулирования производительности систем холодоснабжения [6, 7]:

– регулирование давления конденсации;

– метод пусков и остановок компрессора.

Первый метод подразумевает установку двух датчиков: один для преобразования давления на линии нагнетания компрессора (данное давление соответствует определенной температуре конденсации), другой для измерения температуры окружающей среды. Регулирование происходит по разности значений данных температур. Система сохраняет заданную разность между показаниями датчиков, поддерживая минимально возможное энергопотребление компрессорами.

Метод пусков и остановок компрессора не требует установки сложного регулирующего оборудования. Но частые пуски и остановки в режимах малой нагрузки существенно снижают срок службы компрессоров, а также вследствие достижения максимального давления конденсации во всех режимах снижается и эффективность работы.

Каждый из этих методов регулирования имеет достоинства и недостатки, выбор оптимального метода для конкретной холодильной установки осуществляют на основании всех критериев, в первую очередь на экономическую составляющую данного метода. Далее сравним два метода регулирования по предлагаемой нами методике, в качестве примера используем аммиачную холодильную установку холодопроизводительностью 10 кВт, расположенную в г. Саранске [8, 9]. Для данного региона соответствуют следующие параметры окружающей среды: абсолютная максимальная температура воздуха 29 °С, средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца 24,9 °С, средняя месячная температура наиболее теплого месяца 19,2 °С, средняя месячная температура наиболее холодного месяца 11,6 °С.

Расчет цикла берёт свое начало с определения температуры воды перед конденсатором:

lisik01.wmf °С,

где Δtв = 2÷4 °С – изменение температуры воды в конденсаторе;

ηгр = 0,35÷0,45 – КПД агрегата, охлаждающего воду;

tн – температура мокрого термометра, °С.

lisik02.wmf °С.

Температура мокрого термометра находится из графической зависимости «энтальпия – влагосодержание», а также из средней температуры окружающей среды самого теплого месяца tн.р и относительной влажности φн по формуле

tн.р = tср.м + 0,25?tа.м, °С,

где tср.м. – средняя температура самого теплого месяца, °С.

tн.р = 19,2 + 0,25?39 = 29 °С.

Температура воды на выходе из конденсатора находится по формуле

lisik03.wmf °С,

lisik04.wmf °С.

Средняя температура воды в конденсаторе определяется как среднеарифметическое значение

lisik05.wmf °С,

lisik06.wmf °С.

Температура конденсации находится в виде

lisik07.wmf °С,

где Δt = 4÷6 °С.

tк = 28 + 5 = 33 °С.

Температура аммиака перед испарителем будет равна

lisik08.wmf °С,

где lisik09.wmf – температура после испарителя, °С.

lisik10.wmf °С.

Средняя температура аммиака в испарителе находится по формуле

lisik11.wmf °С,

lisik12.wmf °С.

Температура вскипания аммиака рассчитывается как

lisik13.wmf °С,

t0 = 1 – 5 = –4 °С.

Температура всасывания находится по формуле

tвс = t0 + Δtвс, °С,

где Δtвс = 5÷10 °С – для аммиачных Δtвс = 10÷45 °С – для фреоновых машин.

Δtвс = –4 + 8 = 4 °С.

Температура переохлаждения перед регулирующим вентилем определяется, по формуле

tп = tк – Δtр.т, °С,

где Δtр.т = 3 – 5 °С – необходимая разность температур между рабочим веществом в конденсаторе и окружающей средой для осуществления внешнего теплообмена.

tп = 33 – 4 = 29 °С.

На построенной диаграмме (рис. 1) определяются в каждой точке конкретной схемы холодильной машины следующие параметры: давление P, Па; температура T, °С; энтальпия h, кДж/кг; энтропия s, кДж/кг?К; в точках на линии всасывания перед компрессором определяется удельный объем паров рабочего вещества v, м3/кг. Для других температур расчёт повторяем.

liszk1.tif

Рис. 1. Компрессорный цикл холодильной установки на аммиаке с климатическими условиями для г. Саранска

На рис. 1 синим цветом изображен термодинамический цикл при температуре наружного воздуха 29 °С, черным – при температуре наружного воздуха 24,9 °С, красным – при температуре наружного воздуха 19,2 °С, зеленым – при температуре наружного воздуха 11,6 °С.

Таблица 1

Параметры состояния хладагента

Точка

Температура

t, °С

Давление P, Па

Удельный объем v, м3/кг

Энтальпия h, кДж/кг

Энтропия s, кДж/кг?К

Температура окружающего воздуха 29 °С

1

–4

370 000

1460

5,7

1’

4

370 000

0,35

1480

5,75

2

94

1 280 000

1660

5,75

3’

33

1 280 000

360

1,55

3

29

1 280 000

330

1,45

4

–4

370 000

330

1,5

Температура окружающего воздуха 24,9 °С

1

–4

370 000

1460

5,7

1’

4

370 000

0,35

1480

5,75

2

90

1 222 000

1650

5,75

3’

28

1 222 000

328

1,4

3

24

1 222 000

300

1,3

4

–4

370 000

300

1,35

Температура окружающего воздуха 19,2 °С

1

–4

370 000

1460

5,7

1’

4

370 000

0,35

1480

5,75

2

82,5

1 067 000

1638

5,75

3’

25

1 067 000

292

1,45

3

21

1 067 000

292

1,35

4

–4

370 000

292

1,37

Температура окружающего воздуха 11,6 °С

1

–4

370 000

1460

5,7

1’

4

370 000

0,35

1480

5,75

2

69

850 000

1625

5,75

3’

19

850 000

290

1,35

3

15

850 000

280

1,25

4

–4

370 000

280

1,3

Для выбора компрессора необходимо найти номинальную холодопроизводительность, а также теоретическую объемную подачу и мощность двигателя.

Удельная холодопроизводительность цикла

q0 = h1’ – h4, кДж/кг,

q0 = 1480 – 330 = 1150 кДж/кг.

Так как рабочие процессы в компрессорах объемного сжатия можно считать изоэнтропными лишь теоретически, то в расчетах реальных установок необходимо учитывать индикаторный КПД компрессора

ηi = λω’ + вt0,

где λω’ – коэффициент невидимых потерь; в – эмпирический коэффициент, равный: 0,002 – для крейцкопфных машин; 0,001 – для бескрейцкопфных машин; 0,0025 – для хладоновых машин.

ηi = 0,89 + 0,001?0 = 0,89.

Индикаторный коэффициент подачи

lisik14.wmf,

где ΔРн, ΔРвс – депрессия соответственно при нагнетании и всасывании, принимают 5–10 кПа; с – коэффициент мертвого пространства, равный отношению объема мертвого пространства к объему, описанному поршнем; в расчетах принимается равным с = 0,05.

lisik15.wmf.

Коэффициент невидимых потерь для бескрейцкопфных компрессоров

lisik16.wmf,

lisik17.wmf.

Коэффициент подачи компрессора

λ = λω’λi.

λ = 0,89?0,86 = 0,77.

Энтальпия аммиака после компрессора с учетом индикаторного КПД

lisik18.wmf кДж/кг,

lisik19.wmf кДж/кг.

Удельная работа сжатия компрессора на 1 кг пара

lisik20.wmf кДж/кг,

l = 1682 – 1480 = 202 кДж/кг.

Удельная работа сжатия компрессора с учетом его электромеханического КПД

lisik21.wmf кДж/кг,

где ηэм – электромеханический КПД компрессора, принимаемый равным 0,9 – 0,93.

lisik22.wmf кДж/кг.

Удельная тепловая нагрузка на конденсатор

lisik23.wmf кДж/кг,

qк = 1682 – 330 = 1352 кДж/кг.

Холодильный коэффициент цикла

lisik24.wmf,

lisik25.wmf

Для других значений температур наружного воздуха определим холодопроизводительность

lisik26.wmf кВт,

где tн – температура наружного воздуха, °С;

tн.о. – проектируемая температура наружного воздуха для данной холодильной установки, °С.

Масса аммиака, проходящего рабочий цикл:

lisik27.wmf кг/с,

lisik28.wmf кг/с.

Действительный объем пара, поступающего в компрессор

lisik29.wmf м3/с,

V0 = 0,0087?0,35 = 0,003 м3/с.

Объемная производительность холода

lisik30.wmf кДж/м3,

lisik31.wmf кДж/м3.

Теоретическая объемная подача компрессора

lisik32.wmf м3/с,

lisik33.wmf м3/с.

Удельная объемная производительность холода в стандартных условиях

lisik34.wmf,

lisik35.wmf кДж/м3,

где lisik36.wmf – удельная массовая производительность холода и удельный объем, рассчитанные при условиях, заложенных в паспортных данных.

Коэффициент подачи компрессора в условиях, заложенных в паспортных данных:

lisik37.wmf

lisik38.wmf

lisik39.wmf

λст = 0,851?0,77 = 0,66.

Производительность холода при условиях, заложенных в паспортных данных:

lisik40.wmf кВт,

lisik41.wmf кВт.

Адиабатная мощность компрессора:

lisik42.wmf кВт,

Na = 0,0087(1660 – 1480) = 1,566 кВт.

Индикаторная мощность:

lisik43.wmf кВт,

lisik44.wmf кВт.

Мощность трения:

Nтр = VтРтр, кВт,

где Ртр – удельное давление трения: 49–69 Па – для бескрейцкопфных прямоточных аммиачных машин; 39–69 Па – для хладоновых прямоточных машин; 19–34 Па – для непрямоточных хладоновых машин.

Nтр = 0,0039?0,05 = 0,000195 кВт.

Эффективная мощность:

Nе = Ni + Nтр кВт,

Nе = 1,759 + 0,000195 = 1,762 кВт.

Электрическая мощность двигателя:

lisik45.wmf кВт,

lisik46.wmf кВт.

Аналогично проводим расчет для других значений наружных температур метода регулирования давлением конденсации и занесем в табл. 2.

Таблица 2

Расчет параметров работы компрессора при регулировании давлением конденсации

Температура окружающей среды, °С

29

24,9

19,2

11,6

Удельная холодопроизводительность цикла q0, кДж/кг

1150

1180

1188

1200

Индикаторный КПД компрессора ηi

0,89

0,907

0,916

0,93

Индикаторный коэффициент подачи λi

0,86

0,873

0,894

0,9235

Коэффициент невидимых потерь для бескрейцкопфных компрессоров λω

0,89

0,907

0,916

0,93

Коэффициент подачи компрессора λ

0,77

0,792

0,819

0,86

Энтальпия аммиака после компрессора с учетом индикаторного КПД h2, кДж/кг

1682

1667

1652

1636

Удельная работа сжатия компрессора на 1 кг пара l, кДж/кг

202

187

172

156

Удельная работа сжатия компрессора с учетом его электромеханического КПД lкм, кДж/кг

224,4

201,1

185

168

Удельная тепловая нагрузка на конденсатор qк, кДж/кг

1352

1367

1360

1356

Холодильный коэффициент цикла ε

5,125

5,868

6,42

7,14

Производительность холодильной установки Q0, кВт

10

8,54

6,5

3,79

Расход аммиака G0, кг/с

0,0087

0,0072

0,0055

0,0032

Действительный объем пара, поступающего в компрессор V0, м3/с

0,003

0,0025

0,0019

0,0011

Объемная производительность холода qϑ, кДж/м3

3286

3371

3394

3429

Теоретическая объемная подача компрессора Vт, м3/с

0,0039

0,0032

0,0023

0,0013

Производительность холода при условиях, заложенных в паспортных данных Q0ст, кВт

6,73

5,442

3,98

2,19

Адиабатная мощность компрессора Nа, кВт

1,566

1,224

0,869

0,464

Индикаторная мощность Ni, кВт

1,759

1,35

0,949

0,499

Мощность трения Nтр, кВт

0,000195

0,000221

0,000138

0,00009

Электрическая мощность Ne, кВт

1,762

1,35

0,949

0,499

Электрическая мощность двигателя Nдв, кВт

1,958

1,452

1,02

0,537

В результате расчета, сравнивая два указанных метода регулирования, можно сделать вывод, что при регулировании методом пусков и остановов компрессора энтальпия h2 = const. Поэтому следующие параметры для определения экономического эффекта изменятся (табл. 3).

Таблица 3

Расчет параметров работы компрессора при регулировании методом пусков-остановов

Адиабатная мощность компрессора Nа, кВт

1,566

1,296

0,99

0,576

Индикаторная мощность Ni, кВт

1,759

1,429

1,081

0,619

Электрическая мощность Ne, кВт

1,762

1,429

1,081

0,619

Электрическая мощность двигателя Nдв, кВт

1,958

1,537

1,162

0,666

liszk2.tif

Рис. 2. Графики потребления электрической энергии для оцениваемых методов регулирования

В результате произведенного расчета по предлагаемому методу построим график потребления электрической энергии в летний период эксплуатации (рис. 3).

Заключение

Из рис. 2 по площади под графиками видно, что регулирование при помощи пусков и остановов затрачивает W1 = 945,317 кВт?ч электроэнергии в год, а регулирование при помощи изменения давления конденсации W2 = 855,036 кВт?ч в год.

Как видно из расчета потребления электрической энергии, метод изменения давления конденсации эффективнее на

lisik47.wmf

lisik48.wmf

Для г. Саранска тариф на электроэнергию T составляет 6,00 рублей за 1 кВт?ч.

Экономическая эффект

Э = (W1 – W2)?T, руб.,

Э = (945,317 – 855,0,36)?6 = 541,7 руб.

Предложенная в статье методика позволяет определить параметры системы холодоснабжения с учетом реальных режимов её работы.