Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 22
ГЛАВА I. КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИШЫЕ МАШШЫ БОЛЬШОЙ И СРЗДНЕЙ БР0ИЗВ0ДЙТЕЯШ0СТИ.С0СТ0ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
ГЛАВА 2. ОСНОШЫЕ ПРШЩПЫ И МЕТОДЫ ИССЛЩОВШИЯ 64
2.1. Виды решаемых задач 66
2.2. Структура и кодирование холодильных систем 70
2.3. Характерные параметры холодильных систем 76
2.4. Критерии эффективности 79
2.5. Принципы построения математических моделей 86
2.6. Методы оптимизации... 96
2.7. Методы анализа 101
ГЛАВА 3. АНМИЗ ЭФФЖТИШОСТИ ХОЛОДШГШЫХ СИСТЕМ III
3.1. Компрессорная система ИЗ
3.1.1. Эффективность термодинамических циклов 114
3.1.1.1. Усложненные теоретические циклы на чистых рабочих веществах. 125
3.1.1.2. Теоретические циклы на не азеотропных смесях холодильных агентов 137
3.1.2. Эффективность холодильных компрессоров потерь 159
3.1.2.1. Анализ энергетических потерь
3.1.2.2. Удельные характеристики 197
3.1.3. Эффективность вспомогательных аппаратов 98
3.1.4. Характеристики компрессорной системы. 202
3.2. Холодильная машина 210
3.2.1. Зависимости, определяющие эффективность холодильной машины 215
3.2.2. Зависимости, определяющие эффективность основной теплообмен ной аппаратуры ло°
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 257
4.1. Математическая модель и программы расчетов холодильных систем
4.1.1. Исходные уравнения теплофизических свойств холодильных агентов и теплоносителей
4.1.2. Исходные уравнения характеристик -компрессоров (ступеней) 267
4.1.3. Исходные уравнения процессов теплообмена и депрессий в трактах и аппаратах ХС 274
4.1.4. Прочие уравнения математической модели 276
4.1.5. Допущения 276
4.1.6. Главные программы для КС 277
4.1.7. Главные программы для ХМ 280
4.1.8. Точность математических моделей 28-d
4.2. Исследование компрессорных систем. 284
4.2.1. Одноступенчатые КС на базе поршневых и винтовых компрессоров 285
4.2.2. Двухступенчатые КС на базе поршневых и винтовых компрессоров. 288
4.2.3. КС на базе центробежных компрессоров 294
4.2.4. Расчет характеристик КС в процессе стендовых испытаний реальной ХС. 298
4.3. Исследование холодильных машин 302
4.3.1. Выбор параметров тепло-обменной аппаратуры 303
4.3.2. Оптимизация параметров ХМ с учетом условий круглогодичной эксплуатации 307
ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ОБМСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ 312
5.1. Особенности определения экономического эффекта холодильных систем. 315
5.2. Выбор холодильных агентов 323
5.3. Развитие конструкций холодильных компрессоров 337
5.4. Развитие конструкций основной тепло-обменной аппаратуры холодильных машин.. 394
5.5. Развитие конструкций холодильных машин и агрегатов 414
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 419
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 425
ПРМОЖЕНИЕ I. Подпрограммы термодинамических свойств хладагентов 464
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Исходные уравнения для расчета теплообмена и депрессий 466
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Блок-схемы расчета КС и ХМ 474
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Оптимальные параметры двухступенчатых КС 483
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Взаимосвязь затрат потребителя и показателей качества холодильных
машин 491
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Нормы численности обслуживающего персонала холодильных систем
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Акт внедрения 49
Введение к работе
Из принятых ХХУІ съездом КПСС "Основных направлений экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" вытекают конкретные задачи обеспечения народного хозяйства и прежде всего реализации Продовольственной программы высокоэффективным холодильным оборудованием. Ускорение научно-технического прогресса должно обеспечить выработку искусственного холода при наименьших возможных затратах путем экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов.
Проблема, решаемая в данной работе, относится к холодильным машинам промышленного назначения, занимающим важное место в экономике страны. Эти машины большой и средней холодопроизво-дительности обеспечивают холодом различные технологические процессы в диапазоне температур от положительных до близких к минус 100°С. Сфера их применения - мясомолочная и пищевая, химическая и нефтехимическая, нефтеперерабатывающая и газовая промышленности, машиностроение, промышленное и комфортное кондиционирование воздуха. Годовое потребление электроэнергии действующим парком холодильных машин промышленного назначения (мощность привода от 20 до 8000 кВт) составляет более 25 млрд. кВтч, численность обслуживающего персонала превышает 150 тыс. человек, эксплуатационные затраты годового выпуска машин достигают 1,5 млрд.рублей в год. В отрасли холодильного машиностроения на их выпуск расходуется около 70% конструтщионных материалов. Поэтому развитие производства и всестороннее совершенствование выпускаемых машин этого класса имеет большое народнохозяйственное значение.
Современные парокомпрессионные холодильные машины являются сложными техническими системами,в разнородных элементах которых с перекрещивающимися внутренними и внешними связями осуществляются сложные процессы преобразования энергии,тепломассообмена и другие процессы.Кроме основной части этих машин,в которой реализуется обратный термодинамический цикл,они включают ряд вспомогательных систем, таких, как система смазки и уплотнения, охлаждения компрессора, циркуляции теплоносителей, регулирования холодопроизводительности, автоматики.
В последнее время в нашей стране значительно возросли масштабы производства и применения холодильных машин промышленного назначения, увеличилось многообразие условий их применения,расширились диапазоны холодопроизводительности и температур охлаждения. Созданы и освоены в производстве все известные типы холодильных компрессоров - быстроходные поршневые, ротационные,винтовые, центробежные (до 60-х годов компрессионные холодильные машины строились на базе только поршневых компрессоров).Разработаны и применяются новые виды тешюобменных поверхностей для основных и вспомогательных аппаратов,позволивших значительно снизить металлоемкость этих элементов.Значительно расширился арсенал рабочих веществ,теплоносителей, смазочных масел. Освоены многие виды новых приборов и систем холодильной автоматики,арматуры, насосного оборудования, специальных электродвигателей и т.п.
Каждый тип холодильных машин оказывается достаточно эффективным лишь в некоторой области разнообразных условий эксплуатации.Целесообразность применения того или иного типа холодильных машин нуждается в четком обосновании.
Интенсивный процесс развития учитывает рост предъявляемых к холодильному оборудованию требований.С общемашиностроительных позиций выполняются требования снижения удельного энергопотребления и удельной материалоемкости. Для энергетических систем, к которым относятся и холодильные машины, выполнение этих двух требований часто находится в противоречии. Специальные для холодильной техники требования предусматривают прежде всего расширение диапазонов температурных режимов работы машин в сторону снижения температур кипения в связи с интенсификацией технологических процессов, в сторону повышения температур конденсации в связи с необходимостью экономии водных ресурсов, повышения температур кипения и конденсации в связи с использованием холодильных машин для работы в режимах тепловых насосов. Постоянно требуется укрупнение холодильных машин. Максимальная холодопроизводительность единицы в настоящее время достигла 16 МВт, а в начале 60- х годов крупнейший холодильный агрегат имел производительность 1,4 МВт. Возрастающие требования предъявляются в отношении агрегатирования и степени заводской готовности холодильных машин, их долговечности и безотказности, степени автоматизации и снижения норм обслуживания, безопасности и экологии, эргономики и эстетики. Ряд требований к холодильным машинам и их элементам выдвигает сфера их производства. Экономика холодильного машиностроения требует снижения числа типоразмеров машин и увеличения их количественного выпуска, унификации конструкций и их соответствия достигнутому уровню технологии изготовления, сокращения применения ряда дефицитных материалов и др. Необходимость перекрыть все поле требуемых температур, производительностей и сфер применения ограниченным числом типоразмеров машин не позволяет выполнять машины на узкие условия применения (на "точку"). Каждая серийно выпускаемая машина должна достаточно экономично работать в определенном диапазоне изменения температурных режимов, действующих тарифов (на электроэнергию, воду и т.п.), регламентов эксплуатации (продолжительность работы в течение года и по сезонам, в том числе при частичной нагрузке и др.), климатических условий. Одновременное удовлетворение требований машиностроительного производства и эксплуатации холодильных машин осуществляется оправдавшим себя в течение многих лет созданием и выпуском унифицированных рядов базовых элементов холодильных систем и самих машин как агрега-тированных комплексов. При этом одним из основополагающих принципов является исключение производства и применения оборудования разных типов для одних и тех же условий по холодопроизводитель-ности, температурам и другим параметрам, что осуществимо только в условиях ведения планового хозяйства. Реализация этого принципа придает первостепенное значение специализации, т.е. установлению экономически обоснованных областей применения определенных типов и конструкций базовых элементов (компрессоров,аппаратуры) , применяемых холодильных агентов, типов и схем холодильных машин и осуществляемых в них термодинамических циклов. Технический прогресс в холодильном машиностроении и изменение условий эксплуатации машин вызывает необходимость постоянного совершенствования указанной выше специализации. В связи с этим особое значение приобретает прогнозирование научно-технического прогресса.
Очевидно, что при столь сложной постановке, задача оптимизации холодильных систем в широком понимании этого определения требует комплексного подхода. Научно-методическая основа для решения подобной задачи разработана недостаточно. В нашем исследовании комплексная задача оптимизации холодильных систем с позиций машиностроения ставится впервые. Такой подход вырабатывался нами в процессе практической работы по планированию развития, исследованию, разработке и внедрению в промышленное производство и эксплуатацию рядов холодильных машин различных поколений.
Диссертация посвящена проблеме повышения эффективности холодильных машин промышленного назначения. В качестве объекта исследования рассматриваются парокомпрессионные холодильные машины большой и средней холодопроизводительности. Целью работы является разработка и реализация научно обоснованных методов выбора типов и параметров холодильных систем и их основных элементов, совершенствование конструкций на основе результатов комплексного теоретического, экспериментального и численного исследования.
Поставленная цель обуславливает следующие основные задачи работы.
1. Разработать систему критериев и основанные на математическом моделировании методы анализа эффективности холодильных систем.
2. Разработать методы расчета характеристик и оптимизации холодильных систем с применением вычислительной техники.
3. Используя предложенные методы, обобщить имеющийся материал по экспериментальным исследованиям и эксплуатационным показателям холодильных систем и их элементов.
4. Провести анализ эффективности и сопоставление различных холодильных машин и выработать на этой основе технические решения по совершенствованию элементов, рекомендации по выбору оптимальных режимных параметров работы холодильных систем, определить рациональные области применения холодильных машин разных типов.
5. Реализовать разработанные методы в практике конструи -рованияОсуществить полученные в результате исследования технические решения в реальных конструкциях; разработать рекомендации по их развитию в перспективе.
В свою очередь решение указанных задач потребовало анализа большого числа сопряженных вопросов,что, в целом, и определило построение и структуру диссертации.
К числу результатов, полученных при решении проблемы, имеющих научную новизну, относятся нижеследующие.
Разработана методика сравнительного анализа холодильных систем с целью выбора их типов и параметров, основанная на использовании зависимостей упрощенной математической модели, результатов вариантных расчетов по уточненным моделям и аппарата анализирующих функций.
Разработана с использованием метода малых отклонений предназначенная для анализа математическая модель холодильной машины, учитывающая основные влияющие факторы и позволяющая получить аналитическое решение в явном виде.
Разработаны предназначенные для синтеза характеристик и оптимизации холодильных систем математические модели, описывающие моделируемые объекты с высокой достоверностью, и соответствующие программы. Предусмотрено деление холодильных систем на несколько уровней сложности. Это обеспечивает рациональное построение системы программ и удобство анализа результатов счета.
В качестве критерия эффективности холодильных систем приняты удельные приведенные затраты. Этот критерий включает в себя ряд частных критериев - удельных параметров, характеризующих эффективность элементов холодильных машин и их основные показатели качества.
Получены зависимости, характеризующие эффективность термодинамических циклов разных видов на чистых веществах и неазеотропных смесях.
- 28 Предложена форма представления энергетических потерь холодильных компрессоров, позволившая разделить потери по видам, сопоставить их и выявить преобладающие виды потерь в зависимости от типа и конструкции компрессора, применяемого холодильного агента и температурного режима работы.
Получены аналитические зависимости для определения оптимальных значений температурных напоров, плотностей тепловых потоков, скоростей и изменений температур потоков теплоносителей в основных теплообменных аппаратах.
Предложены критерии, позволяющие проводить сравнение основных теплообменных аппаратов различных типов и конструкций по их влиянию на эффективность холодильной машины в целом.
Результаты проведенного исследования позволили выработать ряд рекомендаций принципиального характера по применению холодильных агентов, видов термодинамических циклов, типов холодильных компрессоров, одно- и двухступенчатых компрессорных систем, типов теплообменных аппаратов. Автор защищает;
1. Принципы выбора типов и параметров холодильных систем (ХС)на основе многоуровневой оптимизации и сравнительного анализа эффективности.
2. Методы синтеза, пофакторного, поэлементного и интегрального анализа характеристик ХС.
3. Реализованные принципиальные решения по выбору параметров и конструкций холодильных машин промышленного назначения, обеспечивающие высокую эффективность этих машин.
4. Практические рекомендации по дальнейшему развитию конструкций холодильных машин различных типов, а также по областям их эффективного применения.
Проведенное исследование позволило получить обширный материал, раскрывающий влияние на эффективность холодильных систем схемных решений, применяемых рабочих веществ, типов и конструкций базовых элементов, их режимных параметров в зависимости от условий использования ХС. На этой основе разработаны рекомендации по совершенствованию ХС и их развитию в перспективе.
Созданы и внедрены в серийное производство ряды холодильных машин большой и средней холодопроизводительности на базе поршневых, винтовых и центробежных компрессоров, отвечающие обоснованным в работе направлениям развития, что является основным практическим результатом диссертации. В конструкции машин внедрен или готовится к внедрению ряд оригинальных решений, предложенных автором работы с целью повышения эффективности ХС.
Рекомендации работы положены в основу ряда государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих конструктивное исполнение, области применения, параметры и требования: стандарты, относящиеся к холодильным машинам в целом - Г0СТІ7549-80 , ОСТ 26-03-702-78, ОСТ 26-03-2022-83; стандарты, относящиеся к компрессорам и компрессорным агрегатам разного состава -ГОСТ 10890-75, ГОСТ 6492-81; ОСТ 26-03-2013-79; стандарты, относящиеся к теплообменной аппаратуре - ГОСТ 22485-77, ГОСТ 22486-77; ОСТ 26-03-2005-82, ОСТ 26-03-2016-79, ОСТ 26-03-2024--83 (проект).
Методическая часть работы и программы расчетов на ЭВМ внедрены в виде стандартов и применяются в повседневной практической работе головного института ВНИИхолодмаш и ряда других организаций, что позволило значительно повысить уровень проектирования и исследования ХС. Наиболее важными документами яв - ЗО ляются: РТМ 0555-95-82 "Поверочный расчет холодильной машины с различным составом основной теплообменной аппаратуры"; РТМ 0555-99-82 "Проектно-оптимизационные расчеты холодильных машин"; РТМ 0555-75-80 "Пакет прикладных программ термодинамических свойств хладагентов и носителей"; ОСТ 26-03-2025-83 "Оборудование холодильное. Определение экономической эффективности от внедрения новой техники".
Совокупность результатов проведенных исследований включена в разработанные ВНИИхолодмашем долгосрочные прогнозы развития холодильного машиностроения до 1990 и 2005 года.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. А.В.Быкову, работы которого в области исследования влияния свойств рабочих веществ на эффективность холодильных машин стимулировали идею разработки расчетно-теоретических моделей анализа термодинамических циклов, а также за консультанти в процессе работы над диссертацией;, проф., д.т.н. Ф.М.Чистякову за многолетнюю совместную работу в области холодильных центробежных компрессоров, явившуюся основой ряда положений настоящей работы,и ценные замечания по ней.
