Материал: Создание лабораторно-опытного образца установки с использованием теплового насоса

Эти методы основаны на условии стационарности процесса теплообмена в аппарате, при котором плотности теплового потокг от горячей среды к стенке аппарата q₁ = f (Т_ст) и от стенки к холодной среде q₂ = φ (Т_ст) равны между собой.

Выражения для q₁ и q₂ определяются с использованием приведенных ранее уравнений для коэффициентов теплоотдачи. Рассмотрим последовательность расчёта на примере горизонтального кожухотрубного генератора.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору Вт/м² ·⁰С,

 (3.23)

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, отнесенный к внутренней поверхности трубы, Вт/м²·°С,

 (3.24)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору, отнесенный к внутренней поверхности трубы, Вт/м² · ⁰С,

 (3.25)

Плотность теплового потока со стороны раствора, Вт/м^2,

 (3.26)

Плотность теплового потока со стороны греющего пара с учетом тепловых сопротивлений стенки трубы и загрязнений, Вт/м^2,

 (3.27)

Задаваясь несколькими значениями Т_ст в интервале [Т_{р. ср}, Т_h], определяют величины q_p и q_п и далее наносят их на график зависимости q_Fвн = f (T_ст) (рис. 3.2).

Точка пересечения линий определяет условие стационарности - равенство тепловых потоков.

Определив по графику значение q_Fm, определяют площадь поверхности теплообмена, м^2,

 (3.28)

После определения площади поверхности теплообмена осуществляют компоновку аппарата, уточняют значение площади поверхности и скоростей рабочих сред для выбранной компоновки и выполняют поверочный расчет соответствия заданной производительности этим

Рис. 3.2 Графическое определение Т_ст и q_F для горизонтального кожухотрубного генератора

условиям (если в этом есть необходимость). Например, для горизонтального кожухотрубного генератора после определения поверхности находят общую длину труб, м,

 (3.29)

где d_вн - диаметр трубы, принятый в начале расчета, как характеристика теплообменной поверхности.

Назначают эффективную длину труб l (расстояние между трубными решетками аппарата) по существующим конструкциям (прототипам), м.

Количество труб в аппарате:

 (3.30)

Внутренний диаметр обечайки, м,

 (3.31)

где t - минимальный шаг, зависящий от разбивки труб, м;

η_тр - коэффициент заполнения трубной доски.

После компоновки аппарата необходимо провести расчёт на прочность его элементов.

3.3 Методика определения числа ректификационных тарелок для выпарных элементов

Ректификационная колонна относится к аппаратам контактного типа.

Одной из задач расчета колонны является определение минимально необходимого числа тарелок в ней.

Расчет числа ректификационных тарелок зависит от характера процессов, протекающих в выпарном элементе генератора.

На рис. 3.3 приведены рабочие процессы и методика графического определения числа теоретических тарелок исчерпывающей колонны для выпарных элементов различного типа.

Рис. 3.3 Определение числа ректификационных тарелок для выпарных элементов: а - несовмещенного типа; б - полусовмещенного типа

Для проведения графического расчета вводится несколько новых понятий:

. Коннода - прямая на i-ξ диаграмме, проходящая через точки, изображающие состояние фаз в одном сечении аппарата.

. Ось приведенных энтальпий - вертикальная прямая ξ=ξ_о где ξ_о - приведенная концентрация потока, имеющая постоянное значение для каждого аппарата.

Положение ξ_о = const можно найти, если хотя бы для одного сечения аппарата известны расходы и концентрации обеих фаз.

Если в каком-либо сечении аппарата одна из фаз отсутствует, то приведенная концентрация потока для всего аппарата равна концентрации второй фазы в данном сечении.

. Полюс теплового и материального обмена - точка Пересечения коннод всех сечений аппарата при отсутствии теплообмена с внешней средой.

Для выпарного элемента несовмещенного типа (рис.3.3, а) первая коннода для верхнего сечения исчерпывающей колонны изображается прямой 1-Ф-d’. Коннода нижнего сечения куба, где имеется только одна фаза, стягивается в точку 2, через которую проходит ось приведенных энтальпий выпарного элемента. Пересечение первой коннода с этой осью определяет полюс Р для исчерпывающей колонны.

На входе в колонну пар равновесен слабому раствору (точка 2) Коннода 2 d-P характеризует нижнее сечение колонны, а точк 3f - состояние стекающего в куб раствора. Между коннодами P-i и P-2d происходит процесс исчерпывания.

Число необходимых теоретических тарелок на единиц) меньше числа коннод, построенных так, что между паром и жидкостью соблюдается температурный перепад 2-5°С.

В выпарном элементе полусовмещенного типа частично ректификация происходит совместно с процессом выпаривания.

Необходимые построения для определения числа ректификационных тарелок приведены на рис.3.3, б.

Часть коннод, соответствующая процессу в исчерпывающе' колонне, проходит через полюс Р. Число теоретических тарелок на единицу меньше числа коннод, построенных на участке Ф-т. При этом коннода P-d_m определяет состояние раствора при переходе одной части аппарата в другую.

При проектировании абсорбционной водоаммиачной холодильной машины используются типовые конструкции аппарате разработанные ведущими проектными институтами.

3.4 Методика расчета цикла абсорбционного теплового насоса

Использование тепловых насосов для отопления, горячего водоснабжения представляет собой способ, альтернативный другим способам, таким, как традиционное сжигание органического топлива, широко распространенное центральное паровое или водяное отопление, электрообогрев и др.

Тепловые насосы можно классифицировать по следующим признакам:

по принципу действия;

по используемым источникам низкопотенциального тепла;

по сочетанию используемого низкопотенциального тепла с нагреваемой в тепловых насосах средой;

по видам затрачиваемой энергии.

По первому признаку различают парокомпрессорные, абсорбционные и термоэлектрические тепловые насосы.

В качестве источников низкопотенциального тепла для тепловых насосов могут быть использованы:

наружный воздух;

поверхностные воды (река, озеро, море);

подземные воды;

грунт;

солнечная энергия;

низкопотенциальное тепло искусственного происхождения (сбросные воды, нагретые воды технологических процессов и др.).

При классификации по сочетанию источников низкопотенциального тепла и нагреваемой среды различают следующие варианты: воздух-воздух; воздух-вода; грунт-воздух; грунт-вода; вода-воздух; вода-вода.

По видам затрачиваемой энергии различают тепловые насосы, использующие электроэнергию, топливо того или иного вида, вторичные энергетические ресурсы.

Энергетическую эффективность теплового насоса характеризует его отопительный коэффициент (коэффициент преобразования) ц, представляющий собой отношение теплопроизводительности к мощности, затрачиваемой на осуществление цикла,

 (3.32)

Широкое распространение в технике получили компрессионные тепловые насосы (КТН).

Значительные выгоды можно ожидать при использовании в тепловых насосах принципа абсорбционных холодильных машин

Принцип работы АТН предполагает отвод тепла абсорбции на уровне температур более высоком, чем температура окружающей среды. Полная тепловая нагрузка абсорбера определяет теплопроизводительность теплового насоса.

Эффективность работы АТН оценивается коэффициентом трансформации, равным отношению теплопроизводительности к количеству тепла, израсходованного в процессе работы.

В зависимости от соотношения температур использованного и получаемого тепла различаются понижающий и повышающий тепловые насосы.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса представлена на рис.3.4.

При условиях:

Т_h > Т_а >Т_инт - понижающий АТН;

Т_h < Т_а >Т_инт - повышающий АТН.

Коэффициент преобразования понижающего АТН:

 (3.33)

где Q_k - тепловая нагрузка конденсатора, Q_a - тепловая нагрузка абсорбера, Q_h - тепловая нагрузка генератора, ξ - тепловой коэффициент холодильной машины.

В этом случае на единицу затраченной высокопотенциальной теплоты приходится большее количество теплоты меньшего потенциала.

Рис. 3.4 Принципиальная схема АТН: 1 - генератор; 2 - конденсатор; 3 - испаритель; 4 - абсорбер; 5 - теплообменник Т_h Т_а Т_инт - температуры греющей среды, отводимой теплоты, источника низкопотенциального тепла

Повышающий термотрансформатор представляет собой обращенную абсорбционную холодильную машину (давление в конденсаторе ниже давления в испарителе). Движение потоков обеспечивается дополнительными насосами (рис. 3.4).

Для осуществления режима повышающего трансформатора требуется источник низкой температуры (0.10°С), который обеспечивает низкую температуру конденсации.

В этом случае греющей средой для выпаривания раствора в генераторе может быть горячая вода 50-60°С - бросовое тепло химического производства. Тепло того же источника подводится к испарителю, что обеспечивает высокое давление и температуру в абсорбере (70.90°С).

Коэффициент трансформации:

 (3.34)

Рассмотрим пример схемы повышающего термотрансформатора как машины, позволяющей использовать тепло низкого потенциала (возможно бросового) для получения эффекта съема тепла более высокого потенциала.

Схема абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса представлена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Схема абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса: 1 - генератор-конденсатор; 2 - абсорбер-испаритель; 3 - теплообменник; 4 - насос для подачи конденсата; 5 - насос крепкого раствора; 6 - насос слабого раствора; 7 - насос для отвода горячей воды; 8 - рециркуляционный насос.

Основой Целью расчета цикла является определение тепловых потоков аппаратов АТН, температуры горячей воды, получаемой в абсорбере, t_wa.

Исходными данными для расчета являются: Температура греющей воды 4,°С

Температура охлаждающей воды в зимнее время года t_w,°С

Конденсатор АТН охлаждается водой низкой температуры, что обеспечивает низкое давление в генераторе, обогреваемом теплом низкого потенциала. Тепло такой же температуры подводится к испарителю, что обеспечивает высокое давление в абсорбере. Таким образом, создаются условия:

 (3.35)

Процесс абсорбции, проходящий при высоком давлении, обеспечивает высокий нагрев охлаждающей воды, то есть снятие тепла высокого потенциала.

Количество тепла, отводимого из абсорбера, определяет те-плопроизводительность теплового насоса.

Цикл бромистолитиевого теплового насоса представлен на рис.3.6.

В блоке генератор-конденсатор поддерживается глубокий вакуум, поэтому в расчете учитывается действие гидравлического сопротивления путей движения пара из генератора в конденсатор.

Давление пара в генераторе, кПа,

 (3.36)

При этом Р_к определяется по зависящей от температуры охлаждающей воды,°С,

 (3.37)

Давление в абсорбере с достаточной точностью принимается Равным давлению в испарителе, кПа,

 (3.38)

где Ро определяется по t₀ в зависимости от температуры греющего источника,°С,

 (3.39)

Температура раствора на выходе из генератора,°С,

Рис. 3.6 Цикл абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса

 (3.40)

По значениям P_h и t₄ определяется теоретическая концентрация крепкого раствора. Действительная концентрация с учетом недовыпаривания,

 (3.41)

Зона дегазации раствора в цикле принимается по опытным данным, приведенным в литературных источниках,

Тогда действительная концентрация слабого раствора на выходе из абсорбера:

 (3.42)

Теоретическая концентрация слабого раствора с учетом недонасыщения в абсорбере:

 (3.43)

На пересечении линий Р_а и находится точка 2*, характеризующая состояние раствора, выходящего из абсорбера в теоретическом цикле, точка 2 - действительное состояние.

Разность температур слабого раствора после абсорбера и крепкого после теплообменника принимают с учетом рабочих параметров цикла:

 (3.44)

Разность концентраций Δξ_см между ξ_см и ξ_а в абсорбере принимают по опытным данным:

 (3-45)

Изображая графически процессы, происходящие в абсорбере, в виде линий, соединяющих точки 8 и 2 и точки 1` и 9, получают высшую температуру раствора в абсорбере - t₁₀. Кратность циркуляции раствора в цикле:

 (3-46)

Уравнение теплового баланса теплообменника:

 (3.47)

Отсюда определяется энтальпия слабого раствора на входе в генератор, кДж/кг,