Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С (1025661), страница 8
Текст из файла (страница 8)
[57]3.11 Анализ результатов экспериментовНа графике (Рисунок 3.27) представлена зависимость температуры массыCO2 от времени откачки.abcГрафик зависимости температуры CO2 от временивакуумирования при начальной массе mнач=2,7 кгНа графике охлаждения можно выделить два характерных участка: a-b –откачка воздуха из герморезервуара со слабой динамикой охлаждения и b-c –откачка паров при интенсивном охлаждении массы. Участок a-b не является66характерным и из рассмотрения исключается, т.е.
за начало отсчета времениберется временная координата точки b.3.12 Сравнение результатов, полученных по математической моделии данных экспериментовРасчетные и экспериментальные данные по зависимости изменениятемпературы для различных начальных масс гранулированного диоксидауглерода с течением времени в процессе вакуумирования представлены наРисунке 3.28.График зависимости температуры массы от временивакуумирования при различных начальных массах m0CO2Как видно из графиков на Рисунке 3.28, в диапазоне температур от -78,5°C (194,5 К) до -120 °C (143 К) относительное расхождение значенийтемпературы,рассчитаннойпоматематическоймоделииполученнойэкспериментально, укладывается в погрешность измерительной системы исоставляет не более 5%, что позволяет сделать вывод о применимости моделидля расчета времени охлаждения массы диоксида углерода при вакуумнойоткачке паров.67График зависимости температуры массы CO2 и деталей отвремени вакуумирования при начальной массе CO2 1,27 кг, массе деталейсферической формы 0,25 кгДополнительно было проведено моделирование в пробной версиипакета Comsol Multiphisics 5.3a, с помощью модуля «Heat transfer».Изображение модельного объекта представлено на Рисунке 3.30Модельный объект (металлическая сфера) погруженный вгранулированный диоксид углеродаЗависимость изменения температуры массы диоксида углерода былазадана с помощью аппроксимирующего полинома = ∙ 10 + ∙ 9 + ∙ 8 + ∙ 7 + ∙ 6 + ∙ 5 + ∙ 4 + ℎ ∙ 3 + ∙ 2 + ∙ + (3.12)68где = 6,3 ∗ 10−31 ; = −1,2 ∗ 10−26 ; = 9,98 ∗ 10−23 ; = −4,65 ∗10−19 ; = 1,35 ∗ 10−15 ; = −2,51 ∗ 10−12 ; = 3,03 ∗ 10−9 ; ℎ = −2,32 ∗10−6 ; = 0,0011; = −0,309; = 181,3В результате наложения данных, полученных расчетом, моделированиеми при проведении эксперимента, получим график.График зависимости температуры массы CO2 и деталей отвремени вакуумирования, при начальной массе CO2 1,27 кг, массе деталейсферической формы 0,25 кг3.13 Определение энергетических характеристикэкспериментальной установкиИсследуемаявакуумно-сублимационнаяхолодильнаяустановка,работающая по разомкнутому циклу, требует гранулированного сухого льда,который в процессе работы расходуется.Энергоемкость современного производства сухого льда составляет 150кВт ∙ ч/кг [26].
Учтем эту величину в мощности, потребляемой холодильнойустановкой, тогда холодильный коэффициент составит = 0 /(нас + 2 )(3.13)где нас – мощность потребляемая насосом в процессе вакуумной откачки692 – энергоемкость производства сухого льда.При этом холодопроизводительность определим, как0 = 2 ∙ 2(3.14)где 2 – массовый расход откачиваемого пара2 – удельная теплота сублимации.На графиках отражены значения холодопроизводительности, мощностипотребляемой вакуумным насосом с учетом энергоемкости процесса получениясухого льда и холодопроизводительности установки в зависимости оттемпературного уровня.abХолодопроизводительность, потребляемая мощность ихолодильный коэффициент вакуумно-сублимационной холодильной машинына базе пластинчато-роторного масляного насоса Busch F100, работающей поразомкнутому циклуУчасток a-b Рисунке 3.32 характеризуется наличием воздуха вгерморезервуаре после загрузки рабочего вещества и охлаждаемых деталей, чтообъясняет повышенный расход энергии, поскольку воздух не участвует впроцессе охлаждения.70Холодопроизводительностьисследованнойустановкинауровнетемператур составила 177,5 Вт.
При этом потребляемая мощность из сети 845 Вт,соответственно холодильный коэффициент 0,21.Вывод по третьей главеПроведенныеэкспериментыпоказалидостоверностьполученныхрешений. Численное решение уравнения теплового баланса при вакуумнойоткачке позволяет расчитывать время охлаждения рабочего вещества дозаданной температуры, что по сути является временем выхода не режимвакуумно-сублимационной холодильной установки, работающей по открытомуциклу. Решение дискретизированного аналога уравнения теплового баланса длясовместного охлаждения рабочего вещества и продукта, позволяет определятьвремя охлаждения продукта до заданной температуры.71Расчет и анализ циклов низкотемпературныхустановок на уровень температур -120 ˚C4.1 Четырехступенчатая схема с неполным промежуточнымохлаждением на диоксиде углеродаСхема, применяемая при сжижении углекислого газа, дополненнаяступенью вакуумной откачки, охлаждение происходит за счет сублимации принизких температурах (Рисунок 4.1).Принципиальная схема четырехступенчатой вакуумносублимационной холодильной установки1- вакуумный насос; 2,3,4 - компрессоры; 5 - газоохладитель; 6,8,10 –дроссельные клапаны; 7,9 – промежуточные сосуды; 11-теплообменниксублиматор; 12,13,14 – концевые холодильники72Исходные данные для расчета цикла выглядят следующим образом:− степень сжатия вакуумного насоса – 76,8;− степень сжатия второй ступени – 6;− степени сжатия третьей ступени – 5;− степень сжатия четвертой ступени – 3,3− изоэнтропные КПД по ступеням, соответственно: 0,6; 0,683; 0,751; 0,75.
[18]Изображение цикла на P(I) диаграммеИзображение цикла на T(S) диаграмме73Координаты точек цикла, представленного Рисунке 4.3 и Рисунке 4.4№Давление,Температура,Энтальпия,Энтропия,ТочкиМПакДж/кгкДж/кг∙К1.41.31.12.22.1кx3.23.1кx3.13.33.43.64.24.1кx4.14.34.44.65.25.70,00130,00130,00130,100,100,600,600,600,600,600,603,023,023,023,023,023,021010℃86,80398,45406,30780,66523,10713,52518,96431,65187,3286,80518,96629,383496,75470,50433,51289,52187,32554,04289,520,663,083,103,382,802,922,452,121,010,552,452,442,092,011,871,340,952,061,29-120-120-1103093018730-53-53-53301733020-5-5-513635Расчетные характеристики цикла:− удельная холодопроизводительность - 129,1 кДж/кг;− удельная работа сжатия – 397,1 кДж/кг;− удельная теплота, отводимая в газоохладителе – 264,5 кДж/кг;− удельная теплота, отводимая в холодильниках – 264,9 кДж/кг;− холодильный коэффициент – 0,325;Суммарно тепло, отводимое в газоохладителе и концевых холодильниках,составляет529,5кДж/кг,суммаподводимойработыихолодопроизводительности цикла 526,2 кДж/кг, разница составляет менее 1%.Расчет выполнен верно.744.2 Вакуумно-сублимационная холодильная машина с двумяпараллельными детандерамиНа Рисунке 4.4 представлена принципиальная схема вакуумносублимационной установки замкнутого цикла с двумя параллельнымидетандерами, а на Рисунке 4.5 цикл такой установки в T(S) координатах.Исходные данные для расчета:- изоэнтропные КПД компрессора, вспомогательного детандера иосновного детандера, соответственно: 0,684; 0,75; 0,365- температура нагнетания вакуумного насоса с учетом охлаждения 160 °CПринципиальная схема вакуумно-сублимационной установки сдвумя детандерами1-компрессор; 2,9-холлодильники; 3-рекуперативный теплообменник;4-детандер предохладитель; 5-теплообменник предохладитель; 6-детандеросновного потока; 7-теплообменник-сублиматор реализующий тепловуюнагрузку.Относительныерасходырабочеговеществачерезосновнойивспомогательный контур можно найти из теплового баланса теплообменникапредохладителя 5, при том, что точка 5 должна оказаться в состоянии близком кнасыщенному.754 − 5= = 0,268� �5д − 6д � � = 0,732 + = 1(4.1)где α – относительный расход рабочего вещества через основнойдетандер;β – относительный расход рабочего вещества через вспомогательныйдетандер.Изображение в P(I) диаграммеКоординаты точек цикла, изображенного на Рисунке 4.5№ ТочкиДавление, МПаТемпература, ℃10,126,520,618530,64540,6305д0,1-406д0,12050,6-5560,0013-12070,0013-12080,0013-590,1160100,130Энтальпия, кДж/кг729,76906,02741,06707,57676,17718,04648,95531,72612,11703,38837,36732,6976Расчетные характеристики цикла:− удельная холодопроизводительность – 21,6 кДж/кг;− удельная работа сжатия – 157,8 кДж/кг;− удельная работа, возвращаемая детандерами – 54,4 кДж/кг;− холодильный коэффициент с учетом возвращаемой детандерамиработы – 0,095− удельная теплота, отводимая в холодильниках – 193,1 кДж/кг;− холодильный коэффициент – 0,137Проверка: удельная работа сжатия с учетом работы компенсируемойдетандерами 157,8 кДж/кг, при суммировании с холодопроизводительностьюцикла 179,2 кДж/кг, отклонение от теплопроизводительности цикла 7%, чтодопустимо для расчетов, выполняемых по диаграмме.4.3 Трехкаскадная холодильная машина с сублимацией диоксидауглеродаИсходные данные для расчёта:Изоэнтропные КПД 0,375; 0,375; 0,6 в верхнем, среднем и нижнемкаскадах соответственно.Расчетные характеристики цикла:− удельная холодопроизводительность – 30,8 кДж/кг;− удельная работа сжатия – 1415 кДж/кг;− удельная теплота, отводимая в холодильниках – 224,1 кДж/кг;− удельная теплота, отводимая в конденсаторе – 1480 кДж/кг;− холодильный коэффициент – 0,193;− относительные массовые расходы в нижнем, среднем и верхнемкаскадах, соответственно - 1; 1,1; 2,977Схема и цикл в T(S) диаграмме1-вакуумный насос; 2-компрессор; 3-холодильник; 4-конденсаториспаритель; 5-конденсатор; 6-дроссельный вентиль; 7-рекуперативныйтеплообменник; 8-ипаритель.№ ТочкиДавление,МПаВерхний каскад (R290)1.10,32.21,52.31,5Параметры в точках циклаТемпература, Энтальпия,кДж/кг℃-7,3127,245571,4801,4618,1Энтропия,кДж/кг∙K2,52,82,378№ ТочкиТаблица 8 (окончание).Энтальпия,Энтропия,кДж/кгкДж/кг∙K321,81,4307,11,4307,11,4555,32,4Давление,Температура,МПа℃2.61,5452.71,5401.40,3-17,31.30,3-17,3Средний каскад (R41)1.10,3-31,4558,52,82.21,4224,7877,23,22.11,440617,12,62.21,4-12,3536,02,32.31,4-12,3169,30,92.61,4-27,4133,90,71.40,3-60133,90,81.30,3-31,4523,12,6Нижний каскад (диоксид углерода)1.30,0013-120,2395,73,12.20,1300,5771,83,42.10,140518,72,83.20,6238,8705,92,93.30,640514,52,43.60,6-53,1431,62,11.40,6-53,186,80,6Проверка: сумма удельной работы сжатия и холодопроизводительностицикла 1724 кДж/кг, отклонение от тепла, отводимого в цикле менее 2%, чтодопустимо для расчетов, выполняемых по диаграмме.4.4 Трехкаскадная холодильная машина на углеводородахИсходные данные для расчёта:Изоэнтропные КПД 0,409; 0,409; 0,764 в верхнем, среднем и нижнемкаскадах соответственно.79Принципиальная схема трехкаскадной холодильной машины1 - компрессор; 2-холодильник; 3 – рекуперативный теплообменник; 4конденсатор-испаритель; 5-конденсатор; 6-дроссельный вентиль; 7ипаритель.Изображение в I(P) и S(T) диаграммах цикла верхнего каскада80Изображение в I(P) и S(T) диаграммах циклов среднег оинижнего каскадовПараметры в точках цикла№ ТочкиТемпература,℃Верхний каскад (Пропан)1.10,12.21,52.11,52.31,52.61,52.71,51.40,11.30,1Средний каскад (Этан)1.10,12.21,12.11,12.21,12.31,12.61,11.40,11.30,1Давление,МПаЭнтальпия,кДж/кгЭнтропия,кДж/кг∙K17,6190,744,844,844,916,1-33,1-33,1616,5952,3618,0618,0321,3241,6241,6536,72,73,22,32,31,41,11,22,4-48,8175,644,9-28,1-28,1-48,4-87,2-87,2547,6970,2685,0544,0159,6103,0103,0491,02,93,62,82,30,70,50,62,681№ ТочкиТемпература, Давление,МПа℃Нижний каскад (Метан)1.31,2-92,22.25,516,92.15,5-82,23.25,5-93,33.61,2-120,21.41,2-120,2Расчетные характеристики цикла:Таблица 9 (окончание)Энтальпия,Энтропия,кДж/кгкДж/кг∙K630,7834,2343,6272,7272,7556,44,24,42,21,81,93,8− удельная холодопроизводительность – 283,7 кДж/кг;− удельная работа сжатия – 1336 кДж/кг;− удельная теплота, отводимая в холодильнике – 360,6 кДж/кг;− теплота, отводимая в конденсаторе – 1265 кДж/кг;− холодильный коэффициент – 0,212− относительные массовые расходы в нижнем, среднем и верхнемкаскаде, соответственно – 1, 1,265; 1,78Проверка: сумма удельной работы сжатия и холодопроизводительностицикла 1619 кДж/кг, отклонение от теплоты, отводимой в цикле менее 1%, чтосвидетельствует о правильности нахождения параметров цикла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
