Содержание к диссертации
Введение
Анализ современного состояния проблемы и перспективы эффективного использования абсорбционных термотрансформаторов в системах энергосбережения 12
1.1. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы, обеспечивающие эффективные энергосберегающие технологии 12
1.2. Методы оценки эффективности абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов в системах энергосбережения 37
1.3. Выводы к главе 1 41
Анализ существующих, разработка и создание холодильных машин и тепловых насосов, обеспечивающих перспективные энергосберегающие технологии 43
2.1. Одноступенчатая абсорбционная холодильная машина АБХМ 3000 в составе систем энергосбережения сезонного действия 45
2.2. Высокотемпературный абсорбционно-компрессионный тепловой насос для повышения потенциала вторичного тепла 50
2.3. Опытный образец водоаммиачного термокомпрессора малой производительности 56
2.4. Выводы к главе 2 60
Моделирование энергосберегающих систем на базе абсорбционных термотрансформаторов 62
3.1. Постановка задачи моделирования. Выбор вида моделирования 62
3.2. Блочная модель энергосберегающей системы 70
3.3. Выводы к главе 3 76
Теоретическое и экспериментальное исследование элементов нижнего иерархического уровня модели системы энергосбережения 77
4.1. Экспериментальное исследование эффективности теплообмена в испарителе АБХА 2500 (АБХМ 3000) при использовании ее в системе энергосбережения 77
4.2. Исследование процессов в генераторах водоаммиачных термотрансформаторов 87
4.2.1. Обоснование выбора схемы генератора абсорбционно-компрессионного теплового насоса для повышения потенциала вторичного тепла 87
4.2.2. Математическое моделирование процессов, происходящих в выпарном элементе вертикального пленочного генератора 91
4.2.3. Экспериментальное исследование вертикального пленочного генератора 93
4.3. Исследование процессов в термическом компрессоре малой производительности. Характеристика абсорбционного термического компрессора 102
4.3.1. Математическое моделирование процессов, происходящих в дефлегматоре совмещенного типа 105
4.3.2. Экспериментальное исследование укрепляющей колонны с дефлегматором совмещенного типа 111
4.3.3. Методика расчета дефлегматора совмещенного типа в составе абсорбционной водоаммиачной машины периодического действия 121
4.4. Выводы к главе 4 126
Глава 5 Приложение разработанной методологии к использованию модифицированной и серийной бромистолитиевой холодильной машины в системах энергосбережения действующих предприятий Астраханского региона 129
5.1.Энергосберегающая система АБХМ - ТЭЦ-2 г.
Астрахани 129
5.2. Энергосберегающая система АБХМ - блок каталитического риформинга Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ) 138
5.3. Выводы к главе 5 159
Глава 6 Оценка эффективности применения абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов в системах энергосбережения 162
6.1. Методика расчета и результаты эксергетического анализа предлагаемых систем и элементов 162
6.1.1. Энергосберегающая система ТЭЦ-2 - АБХМЗООО 162
6.1.2. Абсорционно-компрессионный тепловой насос для повышения потенциала вторичного тепла 170
6.1.3. Абсорбционная водоаммиачная холодильная машина малой производительности 176
6.2. Разработка и машинная реализация математических моделей энергосберегающих систем действующих предприятий 180
6.2.1. Разработка и машинная реализация математической модели энергосберегающей системы ТЭЦ - АБХМ 180
6.2.2. Разработка и машинная реализация математической модели энергосберегающей системы АБХМ — конденсационная установка схемы каталитического риформинга АГПЗ 207
6.2.3. Определение направлений модификации бромистолитиевой холодильной машины на базе АБХМ 3000 216
6.3. Технико-экономическая эффективность энергосберегающих систем действующих предприятий 221
6.4. Выводы к главе 6 225
Заключение 227
Литература
- Методы оценки эффективности абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов в системах энергосбережения
- Опытный образец водоаммиачного термокомпрессора малой производительности
- Исследование процессов в генераторах водоаммиачных термотрансформаторов
- Абсорционно-компрессионный тепловой насос для повышения потенциала вторичного тепла
Введение к работе
Низкопотенциальная энергетика, являясь новым направлением холодильной науки и техники, вносит свой вклад в решение мировой проблемы энергосбережения. Оно связано с экономией топливно-энергетических ресурсов и защитой окружающей среды от теплового загрязнения и базируется преимущественно на использовании для получения холода, теплоты и электроэнергии нетрадиционных тепловых ресурсов.
Методы оценки эффективности абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов в системах энергосбережения
Оценка эффективности энергосберегающей системы должна быть комплексной, связывать между собой показатели работы предприятия, исследуемого объекта и собственно термотрансформатора, характеризовать их по различным направлениям- с термодинамической и экономической точек зрения.
При проведении термодинамической оценки используются два подхода к исследованию. Первый подход связан с методами анализа циклов. Так, в [90, 152, 186] предлагается вести на основе анализа циклов выбор типа абсорбционного термотрансформатора. При этом в [152] обосновывается выбор теоретических циклов, рабочих веществ, температурных уровней.
В рассмотренных выше работах для оценки эффективности действительных циклов применяются, как правило, коэффициенты преобразования энергии, характеризующие особенности работы данного термотрансформатора. К ним относятся: холодильный и тепловой коэффициент, коэффициент трансформации [39], коэффициент использования первичной энергии [163, 30]; приведенный тепловой коэффициент, равный отношению количества выработанного холода к теплу топлива [17]. Такой подход к задаче позволяет определить показатели эффективности отдельных элементов, а не интегрированной системы в целом, к категории которых относятся энергосберегающие системы.
Термодинамический анализ технических систем в целом определен как дальнейший шаг в применении эксергетического метода по сравнению с анализом отдельных процессов и может проводиться для решения следующих задач: - получение «среза» технической системы с информацией о распределении и характеристике потерь, значений КПД отдельных частей и системы в целом, об относительном весе потерь каждой части; о характеристике связей между ними, взаимодействии системы со средой; - полученная информация может служить основой для дальнейшей работы по усовершенствованию системы и сопоставлению ее с другими системами, предназначенными для тех же или аналогичных целей; - оптимизация тех или иных параметров с целью получения наибольшей термодинамической эффективности, т.е. максимального эксергетического КПД.
Эксергетический анализ и применение его в технике были предложены ученым Я.Шаргутом и Е.Петелой [196], В.М.Бродянским [28, 29]. Эксергетический метод и методика его проведения применительно к теплосиловым установкам разработаны и широко отражены в работах А.И.Андрющенко [8, 10] и Д.Д.Калафати [105].
Предложенный аналитический и графический аппарат, в частности, эксергетические диаграммы состояния, обеспечивают возможность его практического применения при составлении и анализе эксергетических балансов различных теплотехнических и низкотемпературных установок и их отдельных узлов.
Весь аппарат анализа эксергетического баланса системы основан на представлении об универсальной эксергии и независимости ее величины и качественной характеристики от вида рассматриваемой системы или ее участков. На этих представлениях основана классификация потерь, понятия приведенной производительности и обобщенного эксергетического КПД, оценка термодинамической возможности осуществления любой проектируемой технической системы, используемая в настоящей работе.
Анализ и термодинамическая оптимизация технических систем дает возможность определения оптимальных режимов работы и получения смешанных эксергетических характеристик оборудования.
На основе представления о стоимости эксергии даны методики технико-экономической оптимизации и распределения затрат в комплексных производствах.
Разработанная методика оценки и анализа по эксергетическим характеристикам, включающим стоимостные и массовые показатели, хорошо подходит не только к отдельным машинам, но и к более сложным системам комплексного и многоцелевого назначения.
В настоящее время все большее место в литературе по эксергии уделяется ее конкретным приложениям, в частности, в холодильной технике [144, 146, 167]. Однако необходимо отметить, что для анализа сложных энергосберегающих систем эксергетический метод пока еще не нашел достаточного применения.
В [145] разработана теория и созданы методы анализа эффективности водоаммиачных термотрансформаторов, работающих по обратным и смешанным термодинамическим циклам. Экспресс-методы эксергетической оценки, использование ациклических графов позволяют произвести анализ, синтез и оптимизацию водоаммиачных термотрансформаторов.
Оценка экономической эффективности и оптимизации параметров сложных технических систем в [200, 201] проводится с помощью моделирования.
Для оценки эффективности бромистолитиевых термотрансформаторов были разработаны методики расчета термодинамических и теплофизических свойств водного раствора бромистого лития, базирующиеся на результатах работ [93, 94, 168], математические модели теоретических и действительных циклов некоторых абсорбционных термотрансформаторов с различной организацией движения раствора, методики расчета теплообменных аппаратов. Оценка эффективности при этом проводится по величине значений теплового коэффициента.
Опытный образец водоаммиачного термокомпрессора малой производительности
При конструировании объектов малой производительности с особой важностью встают вопросы создания высокоэффективной теплообменной аппаратуры, что предполагает выполнение противоречивых требований: - уменьшение поверхности аппаратов при заданных условиях работы; - уменьшение температурных напоров между средами при заданной площади.
Снижение металлоемкости и увеличение компактности может быть достигнуто путем оптимизации конструктивных решений отдельных элементов на основе моделирования протекающих в них процессов [143, 240].
В 1995 году на одном из судостроительных заводов г. Астрахани был изготовлен и испытан абсорбционный блок водоаммиачной холодильной машины малой производительности (термокомпрессор), общий вид которого представлен на рис. 2.7. Конструкция аппаратов и блока в целом позволяет воспроизвести основные термодинамические процессы, характерные для водоаммиачной абсорбционной холодильной машины, такие как десорбция, абсорбция, ректификация и дефлегмация. Выпарной элемент генератора представляет собой, аппарат затопленного типа. Теплообмен при кипении водоаммиачного раствора в большем интервале изменения параметров изучен В.Н.Филаткиным [189]. Результаты исследования позволили определить коэффициент теплоотдачи в зависимости от концентрации раствора, давления и удельного теплового потока.
Недостатком конструкции аппарата затопленного типа является его термодинамическое несовершенство, связанное с разделением процессов кипения и ректификации [24]. Однако, при проектировании холодильной машины малой производительности простота конструкции, компактность, характерные для аппарата затопленного типа, играют наиболее важную роль.
Для проведения испытания в качестве нагревателя в генераторе были использованы два ТЭНа мощностью 3 кВт каждый. Абсорбер пленочного типа рассчитывали по данным исследования, проведенного Б.М.Блиером, Ю.Д.Марусейцевым [24]. Исчерпывающая колонна выпарного элемента представлена тремя ректификационными тарелками колпачкового типа. Размеры колонны были определены в соответствии с разработанной методикой расчета выпарного элемента несовмещенного типа [55].
С целью обеспечения компактности большое внимание должно быть уделено конструкции дефлегматора. Конструктивное оформление аппарата в работах [86, 137, 180] представляется как дефлегматор-теплообменник, дефлегматор-ректификатор типа «труба в трубе», дефлегматор с регулярной насадкой и насадкой из колец Рашига.
Для повышения эффективности ректификационной колонны в работе [112] предлагается в качестве растворителя вместо чистой воды использовать дополнительные компоненты - сульфаты аммония и цинка. Влияние предложенных добавок на содержание воды в паровой фазе было исследовано методом определения «точки росы». В результате экспериментов установлено, что с увеличением массовой доли солей в растворе массовая доля воды в паровой фазе уменьшается и при общем содержании солей 15 % количество воды в паровой фазе становится незначительным.
Рассмотренные конструкции дефлегматоров и исчерпывающих колонн используются, в основном, в абсорбционных термотрансформаторах средней и большой производительности. В конструкции укрепляющей колонны разработанного термокомпрессора представлен дефлегматор, выполненный по принципу аппарата совмещенного типа с тонко-проволочной прерывистой насадкой, интенсифицирующей процесс теплообмена между паром и флегмой. При разработке конструкции дефлегматора было учтено условие использования минимального количества охлаждающей воды. Принцип работы дефлегматора совмещенного типа с минимальной подачей охлаждающей воды представляется следующим образом. Охлаждающая вода в змеевик подается сверху, пар поступает из исчерпывающей колонны снизу.
Благодаря развитой поверхности контакта между паром и образующейся флегмой, последняя приходит в состояние, близкое к равновесию с паром, в связи с чем концентрация флегмы по мере ее опускания снижается. В результате тепло - и массообмена в нижнем сечении аппарата достигается небольшая разность между температурами пара и флегмы. Температура охлаждающей воды в пределе может быть доведена до равновесия с паром, поступающим в дефлегматор. Это и обеспечивает минимальный расход воды на охлаждение дефлегматора, что является достоинством аппарата при использовании его в конструкции термокомпрессора и холодильной машины малой холодопроизводительности.
Использование достоверных научных данных при проектировании аппаратов, взаимное размещение элементов, их соединение трубопроводами по рациональной схеме обеспечили компактность системы. В состав термокомпрессора входит шестеренный насос для подачи крепкого раствора из абсорбера в генератор. В привод насоса включена теристорная схема, что позволяет тонко регулировать его производительность.
Для обеспечения безопасности работы были разработаны методические указания по заправке, пуску, остановке и регулированию производительности термокомпрессора.
При проведении предварительных испытаний были определены температура и давление до и после дроссельного устройства на паровой линии и установлено, что если At/ЛР = (І2 - ti)/(P2 - Pi) 0 , то t2 ti, т.е. знак дросселирования отрицательный, что говорит о возможности ведения испытания по газовому кольцу.
Целью дальнейшего исследования явилось определение эффективности дефлегматора, холодопроизводительности и теплового коэффициента термокомпрессора.
Исследование процессов в генераторах водоаммиачных термотрансформаторов
Генератор абсорбционного термотрансформатора, как показано в работах В.М. Бродянского, Джозефа Кинана, является одним из важнейших источников необратимости и во многом определяет термодинамическое совершенство машины в целом. В полной мере данное заключение относится и к генератору высокотемпературного абсорбционно-компрессионного теплового насоса, предназначенного для повышения потенциала вторичного тепла, поэтому выбор и обоснование его конструкции является актуальной задачей.
Процесс непрерывного парообразования (выпаривания) является одним из важнейших технических процессов тепловых установок, работающих с растворами. Полная термодинамическая теория процессов, происходящих в системах разделения растворов различных групп, представлена в работах [27, 114, 115]. Особенности теории и проектирования водоаммиачных термотрасформаторов, рассмотренные в работах [24, 25], позволяют оценить степень термодинамического совершенства аппаратов различного типа и выбрать конструктивное решение, обеспечивающие наименьшие затраты энергии при их изготовлении и эксплуатации и наибольшую энергетическую эффективность холодильной машины в целом. Схемы существующих выпарных элементов и процессы, происходящие в каждом из них, представлены на рис. 4.3 и 4.4. Организация процессов десорбции обеспечивает различную степень термодинамического совершенства, которая характеризуется их тепловой эффективностью: 7=(t2y(t2 ,), (4.13) где: t2 - температура раствора в конце процесса выпаривания; t - низшая температура раствора в обогреваемой части аппарата; t i - температура крепкого раствора в начальный момент кипения.
Степень термодинамического совершенства аппарата зависит также от организации способа обогрева (рис. 4.5).
Вертикальный пленочный генератор, работающий по принципу аппарата полусовмещенного типа, характеризуется высокой эффективностью процесса теплообмена, малым содержанием раствора в сравнении с затопленным, малой удельной металлоемкостью. Ограниченность данных по кипению раствора в тонкой стекающей пленке по внутренней поверхности вертикальной трубы большой высоты и отсутствие данных по массообмену при сопутствующей ректификации определили направления исследования. В работах [41, 88, 106, 126, 156, 17.4, 175, 206] отражены результаты исследования процесса теплообмена в жидкостных пленках, однако свойства рабочих тел и условия проведенных опытов в значительной степени отличаются от свойств водоаммиачного раствора и условий работы генератора
.Изучение результатов работ отечественных и зарубежных авторов [75, 77, 82, 83, 97, 100, 223, 238, 239] дало возможность установить, что интенсивность тепло- и массообмена при кипении водоаммиачного раствора в тонкой стекающей пленке зависит от плотности орошения, теплового потока, давления, физических свойств раствора.
Оптимальная совокупность указанных влияющих факторов обеспечивает интенсивный процесс теплоотдачи от стенки к пленке стекающей кипящей жидкости на минимальной высоте.
Автором было проведено исследование, в полной мере отражающее сущность процессов, протекающих в вертикальном пленочном генераторе [50, 51, 54, 56, 59], что дает возможность использовать его в схеме абсорбционно-компрессионного теплового насоса для повышения потенциала вторичного тепла (рис. 3.13).
Целью исследования на математической модели явилось определение эффективной минимальной высоты тепло и - и массообменной поверхности.
При математическом моделировании было принято, что образование пара при кипении раствора в тонкой стекающей пленке в каждом отдельном сечении аппарата происходит за счет действия двух тепловых потоков: от обогреваемой стенки и от тепла конденсации пара, поступающего из нижележащего сечения. Для условий работы генератора первый тепловой поток является определяющим.
Тепловой поток через элементарную поверхность трубы диаметром dBU, Вт/(м2К); dQ = 7iJBH -qF-dx (4.16)
Для определения закона изменения количества жидкости по высоте трубы в зависимости от величины теплового потока был произведен расчет выпарного элемента для условий полного совмещения процессов выпаривания и ректификации. При построении графиков кривые, характеризующие эти зависимости, для большинства условий опытов оказались мало отличающимися от прямых. Это дало возможность предположить, что в выбранных интервалах дегазации процесс кипения раствора идет с мало изменяющимися величинами теплоты парообразования и теплоемкости.
Поэтому зависимость, характеризующая изменение количества жидкости в процессе кипения, получила вид: -dG/dQ = l/r = const, (4.17) а уравнение, связывающее температуру и тепловой поток в сечении dx, Gdt/dQ = В = const (4.18) По результатам ранее проведенных работ было установлено выражение для коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к пленке стекающей жидкости, Вт / (м К)
Абсорционно-компрессионный тепловой насос для повышения потенциала вторичного тепла
Создание малой абсорбционной холодильной машины в соответствии с рассмотренными ранее особенностями конструирования требует тщательного учета всех возможных способов совмещения процессов и уменьшения размеров отдельных элементов.
Использование представленных в гл. 2 результаты исследований процессов, происходящих в аппаратах абсорбционных холодильных машин [24, 55, 189] позволило разработать и создать термокомпрессор малой производительности.
Среди проблем, связанных с особенностями проектирования малых холодильных машин, остается открытой проблема очистки пара, которая может быть решена включением в схему укрепляющего элемента с развитой поверхностью тепло- и массообмена.
В связи с этим конструкции дефлегматора было уделено особое внимание.
Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена со стороны конденсирующегося пара основаны на уменьшении толщины пленки конденсата, турбулизации, либо разрушении ее возле охлаждающей поверхности.
Одним из существующих конструктивных решений, уменьшающих длину непрерывного стекания пленки, являются прерывистые насадки, принцип работы которых был положен в основу устройства дефлегматора абсорбционного блока водоаммиачной машины малой холодопроизводительности.
Совершенство той или иной конструкции дефлегматора, также как генератора, может оцениваться той степенью, в которой удается в нем совместить процессы дефлегмации и ректификации и избежать необходимости в дополнительном развитии поверхностей фазового контакта для ректификации в колонне.
В соответствии с вышеизложенным, существующие конструкции дефлегматоров классифицируют по конструктивным признакам [180]. Исходя из способа организации потоков пара флегмы определяются: - дефлегматоры с противотоком паров и флегмы, в которых процесс дефлегмации совмещен с процессом ректификации - дефлегматоры совмещенного типа; - дефлегматоры с прямотоком паров и флегмы, в которых процесс дефлегмации не совмещен с процессом ректификации - дефлегматоры несовмещенного типа; - дефлегматоры с прямотоком паров и флегмы, но с промежуточным отбором ее - дефлегматоры полусовмещенного типа.
Изучение конструктивных особенностей и результатов исследования дефлегматоров отражены в работах [86, 137, 180], выполненных Б.А.Минкусом, Б.М.Блиером, В.М.Стефановским, Р.Л.Даниловым и др., позволили сделать вывод о том, что каждый из аппаратов обладает определенными достоинствами, характеризуется достаточно высокой эффективностью, однако применение их в конструкции малой холодильной машины затруднено. Комплексному исследованию дефлегматоров различного типа посвящена работа В.Н. Стефановского [180], выполненная под руководством д.т.н., профессора Б.М. Блиера и к.т.н. А.В. Вургафта. Задачей исследования было определение коэффициента использования температурного перепада в различных системах дефлегматоров.
На экспериментальном стенде были испытаны прямоточные и противоточные конструкции дефлегматоров с нижней и верхней подачей воды и дефлегматор, паровое пространство которого было засыпано кольцами Рашига 12x12x1.
Величина коэффициента, характеризующего степень обратимости, П5= -, (4-40) где tg,tQ,t5 - температуры соответственно поступающего в дефлегматор, в колонну и ректификационного пара, определяли по методике, отраженной на рис. 4.11. Влияние тепла дефлегматора и тепловой нагрузки на величину коэффициента гд показано на рис. 4.12.
Значение гд в основном зависит от системы дефлегматора. Наивысшее значение, равное 0,9, получено для дефлегматора с насадкой, в котором для улучшения процесса применили засыпку из колец Рашига, наименьшие значения 0,5 - 0,6 получены для прямоточного дефлегматора с нижней подачей воды.
Для обоснования и предварительного расчета принятой конструкции дефлегматора совмещенного типа были использованы данные, отраженные зависимостями 3 и 5. Принцип противоточности с верхней подачей воды обеспечивает работу с минимальным расходом воды, а наличие насадки повышает эффективность тепло- и массообмена.
