Введение

Простейшим методом термодинамического анализа ЭХТС является энергетический, основанный на первом законе термодинамики. Этот метод позволяет оценить потери энергии в ЭХТС и в ее отдельных элементах, а также выявить элементы ЭХТС, процессы в которых протекают с наибольшими потерями. Существенным недостатком этого метода является то, что в нем не учитывается ценность различных видов энергии, т.е. их практическая пригодность, что неверно с точки зрения второго закона термодинамики. В реально протекающих процессах происходят потери энергии на необратимость. Поэтому в настоящее время применяются два метода термодинамического анализа систем, учитывающих необратимость термодинамических процессов: энтропийный (метод циклов) и эксергетический. Оба метода были обоснованы в работах Р.К. Клаузиуса, Д.В. Гиббса и А. Стодолы. Существенный вклад в развитие и использование этих методов внесли советские ученые А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, Д.П. Гохштейн и др. Оба метода основаны на втором законе термодинамики и по существу решают одну и ту же задачу определения потерь работоспособности, потери на необратимость реально протекающих процессов. Однако на базе эксергетического метода можно более тщательно провести термодинамический анализ ЭХТС и изыскать наиболее эффективные пути уменьшения затрат топливно-энергетических ресурсов при одновременном повышении технологических показателей.

Эксергетический метод термодинамического анализа ЭХТС основан на широком использовании эксергии. В общем смысле эксергия вещества есть максимальная работа, которую оно может совершить в обратимом процессе с окружающей средой в качестве источника даровой теплоты, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи переходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды.

Эксергетический метод является универсальным способом термодинамического исследования различных процессов преобразования энергии в ЭХТС. Все реально протекающие процессы - необратимые, и в каждом случае необратимость является причиной снижения совершенства процесса. Это происходит не из-за потери энергии, а из-за понижения ее качества, т.к. в необратимых процессах энергия не исчезает, а обесценивается. Таким образом, каждое необратимое явление - это причина безвозвратной потери энергии. Универсальность эксергетического метода термодинамического исследования ЭХТС следует рассматривать в том смысле, что характер процессов анализируемой системы не имеет принципиального значения: подход к решению задачи и метод ее решения не изменяются. В эксергетическом методе термодинамического анализа ЭХТС каждый ее элемент рассматривается как самостоятельная термодинамическая система. Эффективность работы каждого элемента ЭХТС оценивается путем сравнения эксергии на входе в этот элемент с потерей в нем работоспособности, т.е. с потерей эксергии в результате необратимых процессов, протекающих в этом элементе, и обусловленных как внутренней (потери на компенсацию в рабочем теле , и и трение о стенки канала), так и внешней (потери на конечную разность температур при теплообмене) необратимостью.

Таким образом, при определении потерь эксергии в каждом элементе исследуемой ЭХТС выявляются и количественно оцениваются причины несовершенства протекающих в них процессов, что дает информацию о возможности повышения и совершенства во всех элементах и позволяет создать наиболее совершенную ЭХТС. Это является основной целью эксергетического метода анализа ЭХТС.

Эксергия делится на два основных вида: эксергия видов энергии, не характеризуемых энтропией, для которых она равна самой энергии (механическая, электрическая и др.), и эксергия видов энергии, характеризуемых энтропией (внутренняя энергия, энергия излучения, термомеханическая, нулевая). Эксергия последних видов энергии подразделяется на эксергию вещества в замкнутом объеме, эксергию потока вещества и эксергию потока энергии. [7].

Холодильная установка представляет собой комплекс машин и аппаратов, используемых для получения и стабилизации в охлаждаемых объектах температур ниже, чем в окружающей среде. Установка состоит из одной или нескольких холодильных машин, оборудования для отвода тепла в окружающую среду, системы распределения и использования холода.

В зависимости от величины тепловой нагрузки на холодильную установку, разнообразия объектов охлаждения, типа холодильных машин и вида потребляемой энергии используется либо централизованная, либо локальная система хладоснабжения. Централизованная система предполагает использование единого комплекса машин и аппаратов для выработки холода различных параметров и его распределения. Система может включать отдельные агpeгатированные холодильные машины или представлять комбинацию холодильного оборудования, имеющего общие или взаимозаменяемые элементы, например, блок конденсаторов, ресиверы, коммуникации рабочего тела холодильной машины. Как правило, при проектирования централизованной холодильной установки используется система охлаждения технологических объектов промежуточным теплоносителем. Такой вариант хладоснабжения по сравнению с непосредственным охлаждением потребителей холода рабочим те лом холодильной машины предполагает некоторое увеличение энергозатрат, однако позволяет упростить технологическую схему, обеспечивает удобство монтажа и обслуживания оборудования, безопасность и надежность его эксплуатации. Изолированность контура рабочего тела холодильной машины допускает применение аммиака как наиболее дешевого и термодинамически эффективного рабочего тела.

Для отвода тепла в окружающую среду обычно применяется система оборотного водоохлаждения. В целом централизованная система хладоснабжения обеспечивает высокую степень надежности при меньшем резерве оборудования и меньшей численности обслуживающего персонала.

При небольших тепловых нагрузках, существенной разбросанности объектов охлаждения, а также при непосредственном включении элементов холодильного цикла в схему основного производства, например, при газоразделении, целесообразно использование локальной системы получения холода с непосредственным охлаждением объектов рабочим талом холодильной машины. При этом несколько снижаются энергетические затраты. В холодильных установках, применяемых в химической промышленности используют почти все типы холодильных машин, но наибольшее распространение получили паровые компрессионные и абсорбционные. Как показывает технико-экономический анализ, применение абсорбционных холодильных машин обосновано при использовании вторичных энергетических ресурсов в виде дымовых и отработанных газов, факельных сбросов газа, продуктов технологического производства, отработанного пара низких параметров. В ряде производств экономически выгодно комплексное использование машин обоих типов при создании энерготехнологических схем. [3].

Схема установки (рис. 1) [3]: Схема холодильной установки включает три контура: контур промежуточного хладоносителя для отвода тепла от охлаждаемых объектов, фреонный контур холодильной машины и систему оборотного водоохлаждения для передачи тепла атмосферному воздуху.

Контур рабочего тела фреонной парокомпрессионной холодильной машины включает основное холодильное оборудование (компрессоры Х, конденсаторы VIII испарители III, автоматические дроссельные устройства) и вспомогательные аппараты (отделители жидкости XI, маслоотделители IX, ресиверы V, приборы автоматического регулирования и контроля, арматуру). Пары фреона-12 из испарителя III отсасываются компрессором X и нагнетаются в конденсатор VIII, где сжижаются, отдавая тепло охлаждающей воде. Жидкий фреон-12 через дроссельное устройство IV подается в испаритель, где превращается в пар, воспринимая тепло.

Поток пара, уходящий из испарителя, обычно содержит капли жидкого фреона-12; попадание их в цилиндры компрессоров создает опасность аварийного режима работы, особенно при пуске отепленного испарителя или при резком возрастании тепловой нагрузки. Чтобы предотвратить всасывание влажного пара, на линии между испарителем и компрессором установлено сепарационное устройство XI (отделитель жидкости). В потоке пара из компрессора содержится значительное количество смазочного масла. Масляная пленка, попадающая на поверхности теплообменных аппаратов, заметно ухудшает интенсивность теплообмена. В маслоотделителе IX большая часть масла за­держивается и по мере накопления возвращается в картер ком­прессора.

Обратный клапан разгружает компрессор от высокого да­вления нагнетания при автоматической остановке, а также защищает от прорыва фреона-12 в рабочее помещение при авариях. Расположенный ниже конденсатора линейный ресивер является сборником конденсата и выполняет две функции: сохраняет теплообменную поверхность конденсатора незатопленной и создает запас рабочего тела для компенсации неравномерности расхода жидкости при колебаниях тепловой нагрузки. Автоматическое дроссельное устройство IV постоянно обеспечивает оптимальное заполнение испарителя жидкостью, обычно на уровне верхнего ряда труб. Тепло конденсации фреона-12 отводится охлаждающей водой, циркулирующей в оборотной системе. Подогретая в конденсаторе вода подается на орошение насадки вентиляторной градирни VII. Охлажденная вода от­сасывается насосом VI и подается в трубное пространство кон­денсатора VIII.

1 Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины

Рис. 1. Схема компрессионной паровой холодильной уста­новки:

/ —технологический аппарат; // — насос для циркуляции хладоносителя; 111 — испаритель; IV — дроссельное устройство; V — реси­вер; VI — насос для циркуляции воды; VI I — вентиляторная гра­дирня; VIII — конденсатор; IX — маслоотделитель; X — компрес­сор; XI — отделитель жидкости.

2 Хладоагент

В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется с помощью рабочего тела, называемого холодильным агентом, или хладоагентом.

Свойствами хладоагента определяются размеры холодильной машины, конструкционный материал, из которого она может быть изготовлена, и давление при заданных условиях. Поэтому к веществам, применяемых в качестве холодильных агентов, предъявляются следующие требования:

1. Высокая критическая температура, обеспечивающая возможность конденсации паров хладоагента в конденсаторе с помощью естественных охлаждающих агентов (вода, воздух).

2. Большая теплота испарения для того, чтобы уменьшить расход холодильного агента, необходимый для достижения заданной холодопроизводительности.

3. Возможно меньший удельный объем паров холодильного агента при давлении и температуре испарения, что обусловливает уменьшение размеров холодильной машины.

4. Давление испарения должно быть несколько выше атмосферного ввиду того, что легче предотвратить утрату холодильного агента, чем подсос воздуха.

5. Желательно умеренное давление пара при температуре конденсации во избежание усложнения конструкции и удорожания аппаратов и трубопроводов.

Наряду с этим холодильный агент не должен быть химически агрессивным и оказывать вредное действие на человеческий организм; кроме того, он должен быть безопасным в пожарном отношении, а также доступным и недорогим.

В данной работе в парокомпрессионной холодильной машине в качестве хладоагента используется фреон-12, отвечающего соединению ССl₂F₂.

Фреоны представляют собой фторхлорпроизводные метана.

В обозначении фреонов первая цифра указывает число атомов водорода, а вторая - число атомов фтора в молекуле фреона.

Эти холодильные агенты обладают невысокими давлениями конденсации и испарения, как правило, безвредны, пожаро- и взрывобезопасны, а также не вызывают коррозии обычных конструкционных материалов при рабочих условиях. Низкие температуры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов, низкие температуры в конце сжатия и широкий диапазон температур применения - все это является большим достоинством фреонов. К числу их недостатков относятся очень низкая вязкость, что облегчает утечку хладоагента, и относительно высокая взаимная растворимость фреонов и смазочных масел. [5]

3 Расчет термодинамического цикла холодильной машины

(расчет проводится по [2])

Расчет цикла холодильной машины заключается в определении параметров рабочего тела в узловых точках и исходных данных для проектирования или подбора оборудования.

Исходные данные:

температура холодильной машины

температура испарения

температура конденсации

температура окружающей среды

переохлаждение на 5 °С

Рис. 2. Принципиальная схема для термодинамического расчета холодильной машины: 1- компрессор; 2 - конденсатор; 3 - дроссельный вентиль;

4 - испаритель.

Параметры, рассчитанные по диаграмме (рис. ХХVIII, [6]):

давление испарения

давление конденсации

Необходимые для расчетов значения параметров узловых точек холодильного цикла представлены ниже:

Табл. 1

Параметры	Точки цикла
	1	2	2^’	3	3^’	3^”	4
	154	784.8	784.8	784.8	784.8	784.8	154
	-15	+30	+30	+30	+30	+30	-15
	566.91	591.84	601.06	444.14	450.425	586,6	444.14
	4.7661	4.7661	4.7871	4.2696	4.2906	4.7494	4.2822
	0,014	0,0032	0,0032	0,0032	0,0032	0,0032	0,014

Вычислим удельную массовую холодопроизводительность рабочего тела в цикле по формуле:

(1)

удельную работу изоэнтропного сжатия в компрессоре:

(2)

удельную тепловую нагрузку на конденсатор:

(3)

действительную работу сжатия:

(4)

4 p-i диаграмма фреона R-12

Рис.3. Изображение цикла фреонной парокомпрессионной холодильной

установки: 1-2 - изоэнтропное (адиабатное) сжатие в компрессоре;

1-2’ - политропа сжатия;

2-3'' - изобарное охлаждение перегретого пара до температуры конденсации;

3”-3’ - изобарно-изотермический процесс конденсации;

3-3’ - переохлаждение рабочего тела;

3-4 - изоэнтальпическое расширение в дроссельном вентиле от давления и температуры конденсации до давления и температуры испарения

5 T-S диаграмма фреона R-12

Рис.4. Изображение цикла фреонной парокомпрессионной холодильной установки1-2 - изоэнтропное (адиабатное) сжатие в компрессоре;

1-2’ - политропа сжатия;

2-3'' - изобарное охлаждение перегретого пара до температуры конденсации;

3”-3’ - изобарно-изотермический процесс конденсации;

3-3’ - переохлаждение рабочего тела;

3-4 - изоэнтальпическое расширение в дроссельном вентиле от давления и температуры конденсации до давления и температуры испарения;