THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE REFRIGERATION UNIT OF FISHING PARTNERSHIP "DELTA-PLUS"
Rubrics: ENERGY PRODUCTION
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
4.
Astrakhan State Technical University
5.
Astrakhan State Technical University
6.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 72
to 80
Status:
Published
Received:
10.10.2014
Accepted:
15.10.2014
Published:
15.10.2014
Subject area:
UDK 621.565.003.13:536.77
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
thermal analysis, exergy analysis, energy efficiency, exergy diagram
Abstract (English):
The object of the studies is a refrigeration unit of the fishing partnership "Delta-Plus" (Astrakhan). Refrigerator is designed for freezing fish products. The compressor is equipped with a refrigerator plant ammonia refrigeration system of direct ammonia boiling in the cooling devices. The shop provides temperature control in the chambers of one-floor refrigerator with conditional tonnage of 1.500 tons. The circuit of the refrigerant supply is pumping and circulatory. Thermodynamic analysis of the refrigeration unit was conducted to determine the exergy losses. A technique of exergy analysis, including thermal calculation, calculation of exergy losses of the elements of the refrigeration unit, the calculation of exergy efficiency of the plant, the construction of exergy diagram showing the calculation results are described. The diagram allows us to estimate the exergy losses in each element and exergy efficiency of the system as a whole. The reasons of the exergy losses are determined. The operational analysis of the refrigeration unit and the diagrams of flows and losses of exergy allows speaking about the efficiency of the operation of the refrigeration system of the enterprise.
The object of the studies is a refrigeration unit of the fishing partnership "Delta-Plus" (Astrakhan). Refrigerator is designed for freezing fish products. The compressor is equipped with a refrigerator plant ammonia refrigeration system of direct ammonia boiling in the cooling devices. The shop provides temperature control in the chambers of one-floor refrigerator with conditional tonnage of 1.500 tons. The circuit of the refrigerant supply is pumping and circulatory. Thermodynamic analysis of the refrigeration unit was conducted to determine the exergy losses. A technique of exergy analysis, including thermal calculation, calculation of exergy losses of the elements of the refrigeration unit, the calculation of exergy efficiency of the plant, the construction of exergy diagram showing the calculation results are described. The diagram allows us to estimate the exergy losses in each element and exergy efficiency of the system as a whole. The reasons of the exergy losses are determined. The operational analysis of the refrigeration unit and the diagrams of flows and losses of exergy allows speaking about the efficiency of the operation of the refrigeration system of the enterprise.
Keywords:
thermal analysis, exergy analysis, energy efficiency, exergy diagram
thermal analysis, exergy analysis, energy efficiency, exergy diagram
Введение Холодильник рыболовецкой артели «Дельта-плюс» (г. Астрахань), построенный и введенный в эксплуатацию в 1989 г., предназначен для замораживания рыбных продуктов. Компрессорный цех обеспечивает поддержание температурного режима в камерах одноэтажного холодильника условной грузовместимостью 1500 т. Стены холодильника выполнены из полнотелого глиняного кирпича пластического прессования на известковом растворе марки 50. Толщина стен 380 мм, перегородок - 250 мм. Стены со стороны холодильных камер изолированы жесткими минераловатными плитами толщиной 400 мм и оштукатурены по стальной сетке. Промежуточными опорами являются бетонные колонны сечением 400 × 400 мм. Железобетонные перекрытия имеют следующие характеристики: толщина 320 мм с засыпкой из керамзитового щебня плотностью 400 кг/м3 и толщиной 300 мм; бетонная стяжка толщиной 40 мм; трехслойное покрытие пароизоляционного слоя из рубероида. Водосток «организован» в водосточные трубы. Полы камер холодильника цементные, с мраморной крошкой. Камеры хранения оснащены гладкотрубными и оребрёнными пристенными и потолочными батареями и воздухоохладителями непосредственного охлаждения. По классификации холодильник относится к группе производственных, по ёмкости - к группе средних, по этажности - одноэтажный (высота этажа 6,2 м), по капитальности здания - 3 класс. Производительность морозилок холодильника - 55 т/сут (по регламенту проектировщика). Компрессорный цех размещен в отдельном помещении. Энергоснабжение компрессорного цеха осуществляется по двум независимым кабелям (6 кВ). Для снижения подаваемого напряжения имеются трансформаторные подстанции. Питьевая вода на нужды предприятия подается из городской водопроводной сети по трубопроводу диаметром 100 мм. Техническая вода для охлаждения конденсаторов, компрессоров и маслоохладителей поступает с ГРЭС через собственную насосную станцию с системой фильтрации производительностью до 200 м3/ч. Тепло подается от собственной котельной, расходуется на бытовые нужды и обогрев в зимнее время. Целью работы была оценка термодинамической эффективности холодильной установки рыболовецкой артели «Дельта-плюс» с использованием эксергетического метода. Описание исследуемой холодильной установки Компрессорное отделение холодильника рыболовецкой артели «Дельта-плюс» оснащено аммиачной холодильной установкой непосредственного кипения аммиака в приборах охлаждения. Схема подачи хладагента насосно-циркуляционная. Холодильная установка обеспечивает температуру кипения равную -28…-30 °C. Указанный температурный режим обеспечивают 6 компрессорных агрегатов: - АД-130-7-5, включающий в себя компрессор 5-ВХ-350-7-7 (ступень низкого давления (СНД) и компрессор П-110-7-1 (ступень высокого давления (СВД)); - АД-130-7-5, включающий в себя компрессор 5-ВX-350-7-7 (СНД) и компрессор П-110-7-1 (СВД); - АД-130-7-5, включающий в себя компрессор ВХ-350-7-7 (СНД) и компрессор 110-7-1 (СВД); - АД-130-7-5, включающий в себе компрессор 21-А-410-7-7 (СНД) и компрессор П-110-7-1 (СВД); - АУ-200; - АУ-200. Для каждого двухступенчатого агрегата установлен промежуточный сосуд. Перед конденсаторной группой установлен маслоотделитель ОММ200. В конденсаторную группу входят: - линейные ресиверы 3.5РД - 2 шт.; - дренажный ресивер 3.5РД - 1 шт. В состав холодильной установки входит аппаратная, расположенная у холодильника. Состав аппаратной: - циркуляционные ресиверы 2,5 РДВ и 2,5 РДВА, дренажный ресивер 2,5 РД и аммиачные насосы 3Ц-4А и ЦГ-25/50К-7.5-4-У2, обеспечивающие циркуляцию хладагента в испарительной системе; - два отделителя жидкости: ОЖ 200 в связке с 2,5 РЛ, установленные после циркуляционных ресиверов для защиты компрессоров от влажного хода. Все компрессоры соединены соответствующими перемычками на всасывающей стороне таким образом, чтобы обеспечить взаимозаменяемость оборудования, другими словами, так, чтобы каждый из компрессоров мог работать на любой из потребителей. Принцип действия холодильной установки Схема исследуемой установки показана на рис. 1. Хладагент (аммиак) от компрессоров СНД поступает в промежуточный сосуд, где охлаждается за счет отведения тепла к жидкому хладагенту, подаваемому в промежуточный сосуд для охлаждения пара. От промежуточного сосуда пар хладагента поступает в компрессоры СВД, где сжимается до давления конденсации. Пройдя через маслоотделители аммиак (пар) поступает в конденсаторы, охлаждаемые водой. В конденсаторах пар хладагента конденсируется при высоком давлении и в жидком состоянии стекает в линейные ресиверы. Из линейных ресиверов жидкий хладагент поступает на распределительную станцию и подается в циркуляционные ресиверы. Из циркуляционных ресиверов жидкий хладагент подается насосами в приборы охлаждения морозилок, камер охлаждения и хранения. В приборах охлаждения жидкий хладагент при низком давлении кипит, отводя тепло от продукта в морозилках, камерах для охлаждения, камерах хранения охлажденного и замороженного продукта. Пар хладагента, образовавшийся в приборах охлаждения, поступает в верхнюю часть циркуляционных ресиверов, при этом неиспарившаяся в жидкость часть отделяется от пара и возвращается обратно в приборы охлаждения, а пар всасывается компрессором СНД, т. е. осуществляется замкнутый цикл хладагента. Каждый из компрессоров оснащен контролирующими приборами, показывающими величину давления всасывания и нагнетания, температуру всасывания и нагнетания, давление в системе смазки, а также устройством для контроля протока охлаждающей воды. Для защиты компрессоров от опасных режимов работы они оснащены приборами, прекращающими подачу энергоснабжения двигателей компрессоров в следующих случаях: повышение давления нагнетания; неполадки в системе смазки; превышение температуры нагнетания; повышение уровня хладагента в отделителе жидкости (циркуляционном ресивере) или в промежуточном сосуде. Для винтовых компрессоров опасным режимом является также повышение или понижение температуры масла на выходе из маслоохладителя относительно рекомендуемых значений. При остановке компрессора включается звуковая сигнализация, а на пульте управления высвечивается причина остановки. Рис. 1. Схема исследуемой установки: I - компрессор СНД; II - промежуточный сосуд СПА600; III - компрессор СВД; IV - конденсатор КВ150; V - регулирующий вентиль № 1; VI - регулирующий вентиль № 2; VII - циркуляционный ресивер; VIII - насос; IX - испаритель Каждый из аппаратов холодильной установки снабжен манометром для контроля давления в аппарате, смотровым стеклом для контроля уровня хладагента и предохранительным клапаном, который осуществляет аварийный сброс хладагента при чрезмерном повышении давления в аппарате. Все предохранительные клапаны сосудов и аппаратов объединены в одну аварийную линию, которая выведена за пределы машинного отделения. Аварийный выброс хладагента осуществляется в место на 1 м выше самого высокого конька крыши зданий в радиусе 50 м. Промежуточные сосуды, отделители жидкости и циркуляционные ресиверы снабжены поплавковыми регуляторами уровня, один из которых является рабочим (нижний и верхний предельные уровни) и два - аварийными, дублирующими друг друга. Эксергетический анализ установки Эксергетический анализ установки осуществлялся по следующему алгоритму: 1. Тепловой расчёт. 2. Расчёт эксергетических потерь по элементам холодильной установки. 3. Расчёт эксергетического КПД установки. 4. Построение эксергетической диаграммы. 5. Выводы. Исходные данные для реализации эксергетического анализа приведены в таблице. Расчётные параметры системы Параметр Значение параметра Параметр Значение параметра Температура масла t 51,75 °С Температура в камере tкам -21 °С Температура кипения t0 -32 °С Удельная холодопроизводительность q0 1251 кДж/кг Температура конденсации tk 28 °С Удельная теплота конденсации qk 1398 кДж/кг Температура воды на входе tвх. воды 24 °С pмасла 4 кПа Температура воды на выходе tвых. воды 25 °С Давление в промежуточном сосуде pПС 3,15 кПа Температура наружного воздуха tнаруж. возд 20,83 °С Температура нагнетания нижней ступени tнагн. НС 56 °С Давление конденсации pk 10,08 кПа Температура нагнетания верхней ступени tнагн. ВС 118,16 °С Давление кипения p0 1,1 кПа Расход воды Gводы 220 м3/ч Тепловой расчёт Для теплового расчета были приняты следующие обозначения: Qk - теплота, отводимая в конденсаторе; Qw - теплота, отводимая водой; Срw - теплоемкость воды; Ww - расход воды на конденсатор. Расход хладагента по ступеням определяется с использованием теплового баланса конденсатора. При известном расходе воды, поступающей на охлаждение конденсатора, и разности температуры воды на входе и выходе из конденсатора тепловой баланс имеет вид Из опыта эксплуатации холодильной установки известно, что для обеспечения безопасной работы при общем потоке воды на охлаждение в рубашке компрессора и на конденсатор расходуется: - на компрессор - 6 % (13,2 м3/ч); - на конденсатор - 206,8 м3/ч (57,4 кг/с). С достаточной степенью точности тепловая нагрузка для вертикального кожухотрубного конденсатора принимается равной количеству тепла, отведённого водой: - расход хладагента в СВД; - количество пара, образовавшегося в промежуточном сосуде, х7 - паросодержание в промежуточном сосуде; - расход хладагента в СНД; - количество пара, образовавшегося после первого дросселирования; ; . - теоретический холодильный коэффициент. Расчёт эксергетических потерь по элементам холодильной установки Компрессор СНД: , [1]. ; ; ; ; Промежуточный сосуд: Для определения потерь в промежуточном сосуде находим эксергетический КПД процесса охлаждения пара: Компрессор СВД: Конденсатор: Потери РВ1: Потери РВ2: Испаритель: Расчёт эксергетического КПД установки Эксергетический КПД системы определяли путём последовательного вычитания потерь из величины приведённой эксергии. Построение эксергетической диаграммы Диаграмма позволяет оценить потери эксергии в каждом элементе и эксергетический КПД системы в целом. Результаты эксперимента показаны на эксергетической диаграмме (рис. 2). Рис. 2. Эксергетическая диаграмма потоков и потерь эксергии На основании анализа работы холодильной установки и диаграммы потоков и потерь эксергии можно сделать следующие выводы: 1. Большие потери в СНД характерны для винтового компрессора. Возможные причины: изношенность самого компрессора, перетечки хладагента и т. д. 2. Потери в СВД связаны с большой изношенностью компрессоров, находящихся в эксплуатации на предприятии не один десяток лет; с перегревом на всасывании из-за длинного трубопровода, проходящего из охлаждающих камер в машинное отделение. 3. Потери в испарителе связаны с открытием дверей, плохой изоляцией потолка, негерметичностью камер (охлаждается коридор). 4. Потери в промежуточном сосуде зависят от разности значений температуры: чем больше разность, тем больше потери. Потери в промежуточном сосуде приемлемые. 5. Показатель на выходе 75 % - это высокий показатель, т. е., несмотря на потери, установка работает удовлетворительно. Объясняется это тем, что для охлаждения конденсаторов используется проточная вода; не полностью используется объём холодильных камер в связи с малой тепловой нагрузкой от продукта; летом используется двухступенчатая схема холодильной установки, а в переходные режимы - одноступенчатая, что позволяет достичь энергосберегающего режима. Заключение Эксергетический анализ холодильной установки в целом был произведён для оценки эффективности её работы. Результаты анализа позволили выявить недостатки и определить направления их устранения. В первую очередь это совершенствование эксплуатации охлаждаемых помещений и связи процесса охлаждения с их загрузкой. Приведение в соответствие загрузки камер и работы машинного отделения позволит сократить расходы энергии. Для обеспечения оптимального режима работы необходимо проведение изоляционных работ на трубопроводе подачи хладагента из испарительной системы в компрессоры.
1. Bykov A. V. Holodil'nye kompressory: spravochnik / A. V. Bykov, I. M. Kalnin', E. M. Bezhanishvili, G. A. Kanyshev. M.: Kolos, 1992. 304 s.
