4. Предварительный расчет кондиционера

   1. Определение исходных данных

      1. Определение температуры конденсации

t_к = 40 С (п. 5.5)

2. Определение температуры кипения

По графику зависимости холодопроизводительности компрессора ХГВ–28,0 от температур кипения и конденсации определяем расчетное значение температуры кипения, при которой обеспечивается требуемая холодопроизводительность: t₀ = 7 С.

Данные значения принимаются в качестве исходных данных при расчетах холодильного цикла и тепловых расчетах.

2. Расчет цикла

Исходные данные:

1) холодопроизводительность

2) температура конденсации

3) температура кипения

4) переохлаждение в конденсаторе

5) переохлаждение в теплообменнике

6) перегрев паров хладона на всасывании в компрессор

Из диаграммы i–lg(p) для хладона R22 находим параметры отдельных точек цикла.

Точка 2.7' - состояние жидкого хладагента на выходе из конденсатора:

Точка 2.7 — состояние жидкого хладагента на выходе из регенеративного теплообменника:

Точка 1.4 — состояние хладагента после капилляра:

Точка 1.3 — состояние хладагента после воздухоохладителя:

Точка 1.1' — состояние газообразного хладагента на выходе из регенеративного теплообменника:

отсюда

Точка 1.1 — состояние хладагента на всасывании в компрессор:

Точка 2.2 — состояние паров хладагента в конце сжатия в компрессоре:

Удельная холодопроизводительность

Удельная объемная производительность

Массовый расход хладагента

Удельная изоэнтропная работа компрессора

Объемная производительность компрессора

Тепловая нагрузка на конденсаторы

Тепловая нагрузка на теплообменник

5. Исследовательский расчет конденсатора

   1. Характерные параметры холодильных систем

Для систематизации анализа холодильных систем их параметры целесообразно условно разделить на три основные группы — режимные, технические и экономические.

К режимным параметрамотнесены: температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды; температуры теплоносителей; расходы, теплоемкости и плотности теплоносителей, скорости потоков в соответствующих элементах; температурные напоры в теплообменных аппаратах; параметры термодинамического цикла (холодильного агента) на всех уровнях давлений; теплотехнические параметры, включая холодопроизводительность и мощность; массовые расходы холодильного агента и скорости потоков в соответствующих элементах.

К техническим параметрамотнесены: рабочие коэффициенты компрессорных ступеней; рабочие коэффициенты регулирующих органов; коэффициенты, определяющие теплопередачу в аппаратах; гидравлические характеристики трактов элементов и коммуникаций; теоретический объемный расход, геометрические размеры, частота вращения рабочих органов компрессоров; площадь теплообменной поверхности, геометрические размеры теплообменных аппаратов; вместимость по холодильному агенту и размеры емкостных аппаратов.

К экономическим параметрамотнесены: массы и габаритные размеры элементов; стоимость электроэнергии; плата за установленную мощность; стоимость охлаждающей воды; годовая продолжительность работы системы в часах; нормативные коэффициенты эффективности капитальных вложений и амортизационных отчислений от капитальных затрат; стоимость элементов системы, их транспортировки и монтажа; стоимость фундаментов, сооружения помещений и их обслуживания; заработная плата обслуживающего и ремонтного персонала.

В каждой из этих групп важно выделить классифицирующие параметры, характеризующие масштаб холодильной системы или ее элемента, которые используют для приведения параметров к удельному виду. В качестве классифицирующих параметров выбраны: из режимных параметров — холодопроизводительность Q, массовые расходы холодильного агента для первой ступениG₁и теплоносителейG_w,G_s; из технических параметров — теоретический объемный расход первой ступениV_т, площадь теплообменной поверхности аппаратовF, вместимость аппаратов по холодильному агентуυ, из экономических параметров — масса оборудованияY, годовая продолжительность работы системы τ, стоимость (тариф) расходуемой электроэнергии ξ_э

Для расчета характеристик, оптимизации и анализа эффективности холодильных систем первостепенное значение имеет правильное назначение или выбор заданных параметров (исходных данных). Рассмотрим подробнее имеющиеся для этого предпосылки.

При анализе холодильной установки температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды обычно задают как средние для летнего периода эксплуатации. Здесь может потребоваться учет изменения этих температур при круглогодичной эксплуатации. Это же относится и к холодильной машине в отношении температур теплоносителей.

При создании холодильной машины, предназначенных для эксплуатации в различных географических районах, целесообразно ориентироваться на климатические условия для районов наибольшего применения либо на средневзвешенные условия (среднестатистические) с учетом распределения применения машин по районам. Могут потребоваться расчеты с вариантами температуры окружающей среды. Сопоставление результатов расчетов даст материал для окончательного выбора.

Выбор тарифов на электроэнергию, установленную мощность, воду и т. п. (третья группа параметров) вызывает те же трудности. Это связано с тем, что тарифы неодинаковы в различных географических и административных районах. Здесь также необходимо ориентироваться на районы наибольшего применения либо среднестатистические значения для холодильной системы определенного класса, типа и назначения.

Коэффициент реновации Ррегламентируют ведомства, где применяют оборудование. Связь между коэффициентом реновации и сроком службы оборудованияТхарактеризуется зависимостьюР= 1/Т. Часто эти нормы находятся в противоречии с действительными сроками эксплуатации машин, которые определяются качеством последних. Таким образом, назначение коэффициентаРтакже характеризуется некоторой неопределенностью, требующей в отдельных случаях вариантных расчетов.

Параметры, характеризующие затраты на обслуживание и ремонт, находятся в прямой связи с показателями качества машин. Практикуемое иногда определение ремонтных затрат в зависимости от стоимости оборудования является совершенно необоснованным. Определение строгой и достоверной связи затрат на обслуживание и ремонт с соответствующими показателями качества является специальным вопросом. Это же относится и к затратам на сооружение фундаментов, транспортировку и монтаж оборудования.

Годовая продолжительность работы τ для холодильных систем различных типов и назначения является статистической величиной. Она достаточно стабильна для машин определенного класса (типа) и назначения.

2. Система критериев эффективности

Рассмотренные параметры в принципе полностью характеризуют холодильную систему. Однако они в своем большинстве (за исключением рабочих коэффициентов компрессоров и тарифов) имеют абсолютное выражение, непригодное для анализа и сопоставления эффективности.

Для этой цели необходимы удельные величины, которые позволяют сопоставлять между собой холодильные системы различных типов и классов при одинаковых внешних параметрах. Для формирования удельных характеристик целесообразно использовать в качестве делителей уже указанные классифицирующие параметры. В результате могут быть получены соответственно режимные (в том числе энергетические), технические и экономические (стоимостные) удельные параметры, каждый из которых, по существу, является частным критерием эффективности системы или ее части. Эти критерии являются основным средством пофакторного анализа эффективности холодильных систем и их элементов. В отдельных случаях некоторые из них, в зависимости от существующих ограничений или специальных требований, могут стать в ряд основных критериев, определяющих выбор параметров холодильных систем.

Для строгого оптимизационного расчета необходимо, чтобы одна общая целевая функция охватывала множество частных функций, влияющих на эффективность холодильных систем. Основные трудности в выборе общей целевой функции носят не математический, а теоретико-практический характер. Эта проблема не имеет в настоящее время однозначного решения. С позиции общества в целом в качестве критерия оптимизации следовало бы принять совокупность общественно необходимых затрат на разработку, производство (включая его подготовку), эксплуатацию данной холодильной системы за все время ее «жизни» с момента начала разработки до момента снятия с эксплуатации последнего образца. Такой подход возможен по теории функционально-стоимостного анализа. В настоящее время оптимизация технических систем с помощью такого наиболее общего критерия может быть выполнена только на уровне экспертных оценок. Реализация этого подхода на основе достаточно точных количественных соотношений наталкивается на весьма большие трудности. В связи с этим наиболее широкое применение находит технико-экономическая оптимизация, в рамках которой в качестве критерия эффективности используют приведенные затраты.

В области холодильного машиностроения наиболее часто возникает необходимость оптимизировать холодильные системы многоцелевого назначения, для которых точные условия работы и некоторые другие факторы (тарифы на электроэнергию, воду и др.) не могут быть заранее предусмотрены. В этих условиях теряет свое превалирующее значение заданная холодопроизводительность. Ее следует считать заданной условно, и точное соблюдение ее значения (в процессе оптимизации) не должно являться обязательным. Переменная холодопроизводительность требует в качестве критерия оптимизации использовать не абсолютные, а удельные приведенные затраты, отнесенные к выработанному в течение года холоду. Полные приведенные удельные затраты, а не их переменная часть к тому же являются более совершенным показателем, так как только они позволяют сопоставлять эффективность разных холодильных систем между собой, что имеет первостепенное значение для определения их оптимального состава.

Таким образом, при данной постановке задачи наиболее целесообразно использовать комбинированный экономический критерий — удельные приведенные затраты (стоимость выработки холода). Однако при всех достоинствах этого критерия и он не может быть принят в качестве единственного. Самостоятельное значение имеет целый ряд удельных физических критериев, характеризующих совершенство конструкций с учетом расхода энергии, материалов, трудоемкости обслуживания и многие другие. Поэтому для целей оптимизации холодильных систем разработана система взаимосвязанных критериев эффективности, которая позволяет при соответствующем анализе принять решение о выборе параметров, удовлетворяющих ряду требований и ограничений.

В соответствии с принятой в машиностроении методикой стоимостное выражение энергетических, материальных и трудовых затрат определяется как суммарные расчетные затраты. Эти затраты, рассчитываемые как годовые, в общем виде представляют собой З=С+Е_нК,

где С— себестоимость продукции;Е_нК— приведенные к году капитальные вложения (К);Е_н- нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Применительно к рассматриваемому случаю величина Спредставляет собой годовые текущие эксплуатационные затраты на выработку холода с помощью данной холодильной системы. Капитальные затратыКв основном определяются стоимостью оборудования.

В текущие эксплуатационные затраты Свходят разнородные виды затрат, в том числе зависящие от стоимости оборудования. Это затрудняет выявление влияния на три различных вида затрат.

Для удобства анализа целесообразно деление годовых приведенных затрат Зна три группы: энергетические затраты, затраты на оборудование, затраты на обслуживание и ремонт. Такое деление классифицирует виды затрат в зависимости от природы факторов, их определяющих.

Энергетические затраты включают в себя взаимосвязанные затраты на электроэнергию, потребляемую компрессором, насосами (хладоносителя или воды), вентиляторными агрегатами (воздухоохладителя, конденсатора с воздушным охлаждением); на оплату установленной мощности всех электродвигателей и на охлаждающую воду.

Затраты на оборудование в сфере эксплуатации в значительной степени определяются затратами в сфере его производства. Они отражены в себестоимости оборудования и в соответствующей цене на него. Сравнительный анализ себестоимости оборудования (в том числе себестоимости элементов ХС или групп элементов) позволяет выявить влияние на нее таких показателей, как материалоемкость (с учетом ценности материалов), технологичность (и технологическая оснащенность производства), унификация с другими изделиями, насыщенность покупными изделиями и т. п.

Основной интерес представляет анализ затрат в сфере эксплуатации ХМ. Затраты в сфере производства входят в состав затрат в сфере эксплуатации в виде доли капитальных затрат и затрат на реновацию. В эту группу кроме того включают так называемые сопутствующие капитальные затраты: стоимость помещения и фундамента под оборудование, монтажа, транспортировки, эксплуатационных материалов (холодильный агент, масло и др.). Прямой расчет и сравнительный анализ этих показателей позволяют оценить влияние степени заводской готовности машин, габаритных размеров, общей массы оборудования.

Затраты на ремонт зависят от технического уровня конструкции, качества изготовления, качества применяемых материалов, степени автоматизации и т. д.

Они определяются продолжительностью периодов между плановыми ремонтами, количеством отказов в течение года (статистическая величина), их трудоемкостью и сложностью, затратами на материалы и запасные части. Все эти величины количественно связаны с показателями надежности и долговечности оборудования.

Затраты на обслуживание зависят от мощности холодильной системы и степени автоматизации, которые определяют норму обслуживания (человек на одну машину). С уменьшением мощности и повышением степени автоматизации норма обслуживания снижается.

Следовательно, по охвату факторов, влияющих на эффективность холодильной системы, годовые приведенные затраты действительно отвечают требованиям интегрального критерия оптимизации (целевой функции). Однако в абсолютном выражении они не могут быть использованы из-за их несопоставимости для разных холодильных систем и даже для одной холодильной системы при разных исходных данных. Поэтому в качестве критерия оптимизации приняты удельные годовые приведенные затраты З₀, т.е. абсолютные затратыЗ, отнесенные к выработанному системой за год холодуQτ. При сравнении показателей двух ХС с помощью удельных приведенных годовых затрат (или стоимости выработки холода)З₀ =З/Qτучитывают разницу в «годовом объеме продукции». Годовой экономический эффектЭ_гпри эксплуатации одной холодильной системы в сопоставлении с выбранным аналогом выразится следующим простым уравнением:

Э_г = (З₀₁–З₀₂)·Q₂τ₂,

где индексы 2 и 1 относятся соответственно к рассматриваемой холодильной системе и к выбранной для сравнения.

Для более широких обобщений оказалось целесообразным привести годовые приведенные затраты к безразмерному виду, вводя дополнительный делитель, выполняющий роль масштаба затрат, а именно тарифную стоимость электроэнергии ξ_э. Тогда величина

Z₀  = З₀/ξ_э =З/(Q τξ_э)

будет представлять собой отношение стоимости киловатт-часа выработанного холода к стоимости киловатт-часа электроэнергии.

Безразмерные затраты З₀могут выступать в роли основы для сравнения эффективности холодильных систем, работающих в одинаковых температурных режимах. При неполном совпадении температурных режимов работы холодильных систем такое сравнение (из-за различной «ценности» холода на разных уровнях) становится некорректным.

Величину З₀, либоZ₀удобно разделить на три группы:

где Z_0.1,Z_0.2иZ_0.3 — соответственно затраты на энергию (включая стоимость воды), оборудование и обслуживание (включая ремонт).

Применительно к холодильной машине принято единое обозначение составляющих (слагаемых) безразмерных затрат по группам. Каждое слагаемое в общем случае состоит из трех удельных параметров (сомножителей) — технического, режимного и экономического. Например, слагаемое Z_0.2.3(безразмерные затраты на испаритель) имеет сомножителями:— масса аппарата, отнесенная к 1 м²теплообменной поверхности — удельный технический параметр;— величина, обратная плотности теплового потока в аппарате — удельный режимный параметр;— стоимостный множитель; ξ_и— стоимость единицы массы (1 кг) аппарата. Такая структура слагаемых придает выражению большую аналитическую способность. Существенно также то, что принятая форма записи позволяет анализировать влияние стоимостных характеристик не по абсолютной величине, а по их соотношениям.

3. Оптимизационный расчет конденсатора с трубой ВНИИхолодмаш

Нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат

Доля от затрат, ежегодно отчисляемая на амортизацию конденсатора и его ремонт

Теоретическая объемная производительность компрессора ХГВ-28,0-1

1. Определение температур конденсации

Тепловая нагрузка на конденсатор (п. 4.2)

Температура воды на входе в конденсатор

Расход воды на охлаждение конденсатора

Конденсатор кожухотрубный, горизонтальный, трубки 20×3 мм, оребренные

внутренний диаметр трубки

диаметр основания ребер

наружный диаметр ребер

Степень оребрения трубы

температура воды на выходе из конденсатора

2. Отношение давлений

Принятый коэффициент подачи

3. Тепловой поток конденсатора

где

энтальпия хладагента на входе в конденсатор

удельный объем хладагента на входе в конденсатор

4. Мощность потребляемая компрессором

   1. Изоэнтропная мощность

2. Индикаторная мощность

3. Мощность трения

5. Холодопроизводительность

6. Плотность теплового потока, отнесенная к внутренней поверхности, со стороны хладагента

   1. Число Рейнольдса

число Прандтля

2. Число Нуссельта

суммарное термическое сопротивление

7. Плотность теплового потока со стороны воды

8. Площадь внутренней поверхности

9. Объемный расход воды

10. Число труб в одном ходе

Число труб, располагаемых по большей диагонали шестиугольника

11. Общее число труб в аппарате

12. Число ходов в аппарате

13. Длина одной трубы

14. Мощность, потребляемая насосом конденсатора

15. Расчет массы аппарата

    1. Корпус конденсатора

1. обечайка

диаметр трубной решетки

толщина обечайки

плотность стали

длина трубы (обечайки)

2. масса оребренной медной трубы

по данным справочника ВНИИхолодмаш

3. масса трубной решетки

толщина трубной решетки

количество труб в конденсаторе

диаментр отверстий в решетке под трубы

4. масса бобышек

по данным справочника ВНИИхолодмаш

5. масса штруцеров

по данным справочника ВНИИхолодмаш

6. масса донышка

по данным справочника ВНИИхолодмаш

7. масса трубки для отвода хладагента

по данным справочника ВНИИхолодмаш

8. масса косынок

по данным справочника ВНИИхолодмаш

9. масса остальных частей

1. Конденсатор

1. масса крышки (чугун)

по данным справочника ВНИИхолодмаш

2. масса пробок

по данным справочника ВНИИхолодмаш

3. масса накидных гаек

по данным справочника ВНИИхолодмаш

4. масса прокладок (паронит)

по данным справочника ВНИИхолодмаш

5. масса ниппеля

по данным справочника ВНИИхолодмаш

6. удельная масса конденсатора

Стоимость электроэнергии

среднегодовая наработка холодильной машины

1. Расчет целевой функции

   1. Расчет стоимостной характеристики конденсатора

1. стоимостная характеристика медных труб

средняя стоимость медных накатанных труб на 2005 – 2007 год, по данным ВНИИхолодмаш

2. стоимостная характеристика стальных элементов конденсатора

средняя стоимостная характеристика стальных элементов на 2005 год

3. стоимостная характеристика чугунных литых крышек

средняя стоимостная характеристика чугуна на 2003 год

Поправочный стоимостной коэффициент на литье

на заводе в Покрове

2. Стоимость конденсатора

3. Стоимость воздухоохладителя

4. Стоимость компрессора

Удельная стоимость компрессора по данным Минского оптико-механического завода

масса компрессора

5. Стоимость воды на охлаждение конденсатора

стоимостная характеристика воды

6. Затраты на энергию, потребляемую компрессором

7. Затраты на энергию, потребляемую вентиляторным агрегатом

Потребляемая электрическая мощность

Производительность по воздуху

8. Затраты на перекачку воды

9. Затраты на холодильный агент R22 и холодильное масло 3GS

Требуемая масса холодильного агента

Требуемая масса холодильного масла

Удельная стоимость холодильного агента

Удельная стоимость холодильного масла

4. Оптимизационный расчет конденсатора с трубой фирмы Wieland

Расчет проводится при использовании лицензионной программы, поставляемой фирмой Wieland. Исходными данными являются производительность конденсатора и температуры конденсации (п. 5.3.1)

1. Тепловой поток

2. Длина труб

3. Диаметр обечайки

4. Число труб при количестве ходов

5. Площадь поверхности

6. Мощность, потребляемая насосом конденсатора

1. Расчет массы аппарата

   1. Корпус конденсатора

1. обечайка

— толщина обечайки

длина трубы (обечайки)

2. масса оребренной медной трубы

3. масса трубной решетки

— диаметр отверстий в решетке под трубы

1. Конденсатор

1. масса крышки (чугун)

по данным справочника ВНИИхолодмаш

2. удельная масса конденсатора

8. Расчет целевой функции

   1. Стоимостная характеристика медных труб

стоимость медных труб фирмы Wieland

Стоимостная характеристика конденсатора

2. Стоимость конденсатора

3. Затраты на перекачку воды

5. Принятый вариант

Проанализировав полученные результаты, выбираем конденсатор со следующим параметрами:

Производительность 21 кВт

Температура конденсации 40 ºС

Количество труб 77

Трубы оребренные ВНИИхолодмаш

Длина труб 490 мм

Данное решение принимается исходя из габаритов оборудования и оптимальной стоимостной характеристики.

Ниже приведен тепловой расчет принятого варианта конденсатора.