СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(аспирант кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
4.
Астраханский государственный технический университет
(канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 64
по 70
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2019
Одобрено:
25.05.2019
Опубликовано:
25.05.2019
Классификаторы:
УДК 621.161.3
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
комбинированные тепловые трансформаторы, теплота, холод, судовые энергетические установки, оценка эффективности, холодильный коэффициент
Аннотация (русский):
Рассматриваются вопросы, связанные со сравнительным анализом различных методик оценки эффективности судовых комбинированных тепловых трансформаторов на основе сравнения общих тенденций и количественных значений результатов расчёта тепловых трансформаторов с получением холода в качестве полезного эффекта. Проведён анализ литературы по теме оценки работы энергетических установок, в том числе комбинированных тепловых трансформаторов. В качестве холодильных агентов на судах используются агенты R134а, R22, R744, R717. Холодильный агент R744 не принят к рассмотрению, т. к. предполагаемая температура конденсации находится в субкритической области, что приводит к различиям цикла холодильной машины от других рассматриваемых. Представлена расчётная схема одноступенчатой холодильной машины без регенеративного теплообменника. Количественное сравнение производится на основе получения холодильного коэффициента термодинамического цикла работы судовой холодильной машины различными способами. Результаты сравниваются с показателями идеального цикла Карно и значением холодильного коэффициента без учёта потерь на преобразование электрической энергии в тепловую. На основе полученных данных сделаны выводы о схожести изменения показателей зависимости холодильного коэффициента от температуры кипения, полученных путём расчёта различными методиками. Отмечено, что значение холодильного коэффициента увеличивается с ростом температуры кипения; наибольшее значение коэффициента получено для аммиака (R717). Расчёты могут быть полезны при исследованиях энергетической эффективности судов, под которой понимается получение максимального эффекта на единицу затраченных средств.
Рассматриваются вопросы, связанные со сравнительным анализом различных методик оценки эффективности судовых комбинированных тепловых трансформаторов на основе сравнения общих тенденций и количественных значений результатов расчёта тепловых трансформаторов с получением холода в качестве полезного эффекта. Проведён анализ литературы по теме оценки работы энергетических установок, в том числе комбинированных тепловых трансформаторов. В качестве холодильных агентов на судах используются агенты R134а, R22, R744, R717. Холодильный агент R744 не принят к рассмотрению, т. к. предполагаемая температура конденсации находится в субкритической области, что приводит к различиям цикла холодильной машины от других рассматриваемых. Представлена расчётная схема одноступенчатой холодильной машины без регенеративного теплообменника. Количественное сравнение производится на основе получения холодильного коэффициента термодинамического цикла работы судовой холодильной машины различными способами. Результаты сравниваются с показателями идеального цикла Карно и значением холодильного коэффициента без учёта потерь на преобразование электрической энергии в тепловую. На основе полученных данных сделаны выводы о схожести изменения показателей зависимости холодильного коэффициента от температуры кипения, полученных путём расчёта различными методиками. Отмечено, что значение холодильного коэффициента увеличивается с ростом температуры кипения; наибольшее значение коэффициента получено для аммиака (R717). Расчёты могут быть полезны при исследованиях энергетической эффективности судов, под которой понимается получение максимального эффекта на единицу затраченных средств.
Ключевые слова:
комбинированные тепловые трансформаторы, теплота, холод, судовые энергетические установки, оценка эффективности, холодильный коэффициент
комбинированные тепловые трансформаторы, теплота, холод, судовые энергетические установки, оценка эффективности, холодильный коэффициент
Введение С каждым годом в России всё актуальнее ставится вопрос о состоянии рыболовного флота. По данным [1], в России в 2010 г. численность рыбодобывающего флота составляет 3 085 единиц, из которых 434 - рефрижераторы различного назначения (включая производственные рефрижераторы); отмечено, что более 80 % судов имеют превышенный срок эксплуатации. К 2017 г. аналогичный качественный состав флота составляет лишь 247 транспортных и производственных судов, включая малый и речной флот. В работе [2] указано, что данный показатель ниже на 28 % для обрабатывающего и на 3 % для приёмно-транспортного флота в сравнении с численностью на 2016 г. Сокращение флота ведёт к повышению цен на производимый продукт и его качество. Источник [3] сообщает о введении пакета нормативно-правовых актов, распределения квот в рыболовной отрасли для строительства новых судов, что позволило в 2017 г. сделать заказ на 33 судна на российских судоверфях. По экспертным оценкам [3], в рамках данного пакета планируется строительство 40 краболовных судов. Однако рост количества судов - не единственный путь удешевления продукции для потребителя. Другой немаловажной составляющей является энергетическая эффективность судов, под которой следует понимать получение максимального эффекта на единицу затраченных средств. Возможные варианты применения и сравнение способов оценки энергетической эффективности тепловых трансформаторов Одним из путей повышения энергетической эффективности судов является применение парокомпрессионных комбинированных тепловых трансформаторов (КТТ) - машин, одновременно вырабатывающих теплоту и холод. Наиболее очевидным вариантом применения данных машин является отопление и горячее водоснабжение на рефрижераторных судах. На современных судах система отопления реализуется при помощи электрообогрева или системы кондиционирования воздуха [4], при этом в обоих случаях получение данного эффекта сопровождается дополнительными затратами. В зависимости от типа судна и его назначения применение может быть самым разнообразным. К примеру, на судах перерабатывающего класса применение КТТ позволит сократить затраты на проведение процессов тепловой обработки, при этом поддерживая температурный режим в трюмах хранения. Ещё одним направлением применения КТТ является охлаждение главного двигателя по замкнутому контуру [5] с дальнейшим преобразованием теплоты для нужд потребителей высоких температур. Применение комбинированных тепловых трансформаторов актуально не только для строительства новых, но и для реконструкции старых судов. При выборе варианта технического решения ставится вопрос об оценке эффективности его применения. Проводя анализ литературы по теме оценки работы энергетических установок, в том числе и КТТ, нами было предложено несколько методов оценки энергетической эффективности тепловых трансформаторов (ТТ). Большинство из них строятся на базе эксергетического метода термодинамического анализа, основным критерием оценки энергетической эффективности в котором является эксергетический коэффициент полезного действия (КПД). Оценка энергетической эффективности зачастую проводится при помощи холодильного коэффициента ɛ и коэффициента преобразования μ. Однако автор [6] считает, что ɛ и μ не являются объективными критериями оценки энергетической эффективности ТТ, т. к. не учитывают необратимости, связанные со вторым началом термодинамики, и предлагает использование эксергетического метода как более совершенного способа оценки термодинамического совершенства. На основе эксергетического метода в [6] рассматривается энтропийный метод. Автор [7] предлагает использование эксергетического метода, рассчитываемого через температурную эксергетическую функцию [8]. Для сравнения точности и информативности способов оценки был проведён расчёт цикла ТТ с применением вышеописанных методик оценки с целью определения показателей энергетической эффективности работы цикла на разных холодильных агентах. Согласно требованиям [9], в качестве холодильных агентов на судне возможно использование агентов R134a, R22, R744 и R717. Расчётная температура окружающей среды для холодильных машин, согласно требованиям [9], не должна быть ниже +40 оС. Потребители искусственного холода судовых холодильных установок в большинстве имеют температуру, не превышающую +3 оС, что является крайней температурой для расчёта. Для анализа выбраны холодильные агенты R134a, R22, R717. Холодильный агент R744 не принят к рассмотрению, т. к. предполагаемая температура конденсации находится в субкритической области, что делает цикл холодильной машины отличным от других рассматриваемых. Для удобства сравнения результатов производится оценка полезного эффекта по холоду при помощи следующих методик: холодильного коэффициента (энергетического), эксергетического [8, 10], энтропийного [6], эксергетического с помощью температурной эксергетической функции [7, 8]. В качестве схемы принимается схема одноступенчатого ТТ без регенеративного теплообменника (рис. 1). В цикле работы ТТ приняты следующие допущения: процесс сжатия является адиабатическим процессом, не учитываются падения давления на всасывании и депрессия на нагнетании. Согласно [11] перегрев на всасывании для циклов без регенеративного теплообменника принят равным 10 К, переохлаждение жидкости после конденсатора до дроссельного вентиля - 3 К. Разность температур между температурой охлаждаемого объекта и температурой кипения холодильного агента принята равной 10 К, между температурой окружающей среды и температурой конденсации - 15 К. Анализ проводится в пределах рекомендованного функционирования одноступенчатой холодильной машины, соответствующего отношению давления конденсации Pk к давлению кипения P0: Pk / P0 ≤ 9. Для демонстрации тенденции изменения зависимости холодильного коэффициента ε при различных температурах её характеристика продлевается до ближайшего меньшего значения по температуре. Рис. 1. Расчётная схема одноступенчатой холодильной машины без регенеративного теплообменника: 1-2 - процесс сжатия холодильного агента в компрессоре; 2-3 - процесс конденсации холодильного агента в конденсаторе; 3-3′ - процесс переохлаждения жидкого холодильного агента после конденсатора; 3′-4 - процесс дросселирования холодильного агента с помощью дроссельного вентиля; 4-5 - процесс кипения холодильного агента в испарителе; 5-1 - процесс перегрева холодильного агента на всасывании На основе представленных выше данных произведён расчёт холодильного коэффициента при различных температурах кипения по методикам, приведённым в работах [6-8, 11], для выбранных холодильных агентов. Результаты расчёта для холодильного агента R22 представлены в виде зависимостей холодильного коэффициента ε от температуры кипения холодильного агента на рис. 2. Рис. 2. Зависимость холодильного коэффициента от температуры кипения холодильного агента R22 при температуре конденсации +55 оС На графике (рис. 2) зависимость εт соответствует изменению холодильного коэффициента ε для идеального обратного цикла Карно и характеризует общую тенденцию последующих зависимостей. Линия имеет нисходящую тенденцию, что не противоречит физическому смыслу и результатам ранних расчётов. Зависимость εэнерг. без потерь характеризует значение холодильного коэффициента ε, не учитывающего потери при передаче механической энергии к рабочему элементу и потери от преобразования механической энергии в тепловую. Зависимость имеет схожий характер, но меньшее значение в силу учёта необратимостей. Линия εэнерг отображает зависимость холодильного коэффициента ε, рассчитанного по энергетическому методу, с учётом потерь при передаче механической энергии к рабочему элементу и от преобразования механической энергии в тепловую. Зависимость имеет схожий характер изменения, при этом отличаясь количественно, в силу увеличения подводимой работы. Линия εЭТФ характеризует зависимость холодильного коэффициента, полученного в результате расчёта эксергии через эксергетическую температурную функцию. В силу методики расчёта значение холодильного коэффициента, полученного при расчёте по данному методу, численно практически совпадает с показателями холодильного коэффициента, рассчитанного по энергетическому методу. Зависимости εэкс и εэнтр характеризуют значения холодильного коэффициента, полученного в результате эксергетического и энтропийного анализов цикла соответственно и переведённого через эксергетическую температурную функцию. Данные зависимости имеют схожую тенденцию и характер изменения. Наклон характеристик, отличный от предыдущих характеристик, объясняется меньшим изменением количественного значения работы сжатия по адиабате согласно условиям расчёта и детальному учёту тепловых потерь в окружающую среду. Сравнение зависимостей холодильных коэффициентов ε от изменения температур кипения, полученных различными способами для рассматриваемых холодильных агентов, представлено на рис. 3. Рис. 3. Зависимость холодильного коэффициента от температуры кипения рассматриваемых холодильных агентов при температуре конденсации +55 оС Как представлено на диаграмме (рис. 3), зависимости холодильного коэффициента ɛ при расчёте по рассматриваемым методам имеют схожую тенденцию при различных температурах кипения. Зависимость εт не изменяется в зависимости от применяемого холодильного агента в силу особенностей расчёта. Зависимости εэнерг. без потерь, εэнерг и εЭТФ имеют различные численные значения в зависимости от холодильного агента, но схожие тенденции изменения, что представлено в работе [12]. Наиболее близким по численным значениям к εэнерг является εэкс, значение которого также изменяется в зависимости от используемого рабочего вещества. Выводы На основе полученных выше результатов можно сделать следующие выводы. 1. Рассматриваемые методы расчёта энергетической эффективности ТТ дают количественно схожий результат. 2. Тенденции к изменению зависимости холодильного коэффициента от температуры кипения при постоянной температуре конденсации имеют схожую тенденцию к изменению на всех рассматриваемых холодильных агентах. С ростом температуры кипения возрастает значение холодильного коэффициента. 3. В зависимости от термодинамических свойств холодильного агента изменяется количественное значение рассматриваемых характеристик на всех участках исследования. Наибольшее значение холодильного коэффициента получено для аммиака (R717).
1. Храпов В. Е. Современное состояние рыбопромыслового флота России: проблемы и перспективы // Вестн. Мурман. гос. техн. ун-та. 2010. Т. 13. № 1. С. 154-157.
2. Итоги деятельности Федерального агентства по рыболовству в 2017 году и задачи на 2018 год. URL: http://fish.gov.ru/files/documents/ob_agentstve/kollegiya/itogi_2017_zadachi_2018.pdf (дата обращения: 15.01.2019).
3. Рыбопромысловый флот помогут обновить инвестквоты // Развитие гражданского судостроения в России - 2017 год: аналитический отчёт для Минпромторга России. 2018. Июнь. С. 27-28.
4. Федотов Д. Г. Теория и устройство корабля: метод. пособие и контрольные задания. Северодвинск: Изд-во Севмашвтуз, 2008. 158 с.
5. Ениватов В. В., Федоровский К. Ю. Энергетическая эффективность замкнутых систем охлаждения энергетических установок судов // Вiсник Севастопол. нац. техн. ун-та. Сер.: Машиноприладобудування та транспорт. 2013. № 143. С. 206-210.
6. Гохштейнд Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. М.: Энергия, 1969. 368 с.
7. Эль Садек Хассан Hyp Эль Дин. Разработка методики оптимизации параметров парокомпрессионных машин для комбинированных систем кондиционирования теплоснабжения жилых и общественных зданий: дис. … канд. тех. наук. М., 2003. 17 с.
8. Галимова Л. В. Энергосберегающие технологии в холодильной технике. Энергоаудит: учеб. пособие. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2015. 136 с.
9. Правила классификации и постройки морских судов от 3 октября 2017 г. // Рос. мор. регистр судоходства. СПб., 2018. Ч. 12. 26 с.
10. Бродянский В. М. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
11. Пигарев В. Е., Архипов П. Е. Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха. М.: Маршрут, 2003. 424 с.
12. Дроздов М. М. Сравнение эффективности применения схем парокомпрессионных тепловых трансформаторов на различных холодильных агентах для совместной выработки теплоты и холода // Материалы 67-й Междунар. студен. науч.-техн. конф. (Астрахань, 17-21 апреля 2017 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2017. URL: CD-диск. № гос. регистрации 0321703189.
