Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ"

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Кафедра "Промышленная теплоэнергетика"

Курсовая работа

Расчет теплонасосной установки

Преподаватель: В.К. Кривошеенко

Студент: В.Л. Карманов

гр. ПТЭ 51

Нижний Тагил

2013 г.

Оглавление

насос термодинамический конденсатор компрессор

Введение

1. Исходные данные

2. Расчет

2.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом

2.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке

2.3 Выбор конденсатора и компрессора

Выводы

Библиографический список

1. Введение

История тепловых насосов

Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например: окружающей среды, сбросной теплоты после технологических процессов в промышленных установках, геотермальных вод и т.д.

Патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах XX века, когда в Англии была создана первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.

Толчок к развитию системы ТН получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития системы ТН устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий тепловые насосы стали доступны многим людям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

Применение тепловых насосов в мире

^{На сегодняшний день тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. ТН устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах.}

К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют:

- В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

- В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой + 8° С.

- В Германии предусмотрена дотация государства на установку геотермальных тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%

Принцип действия теплового насоса

Насос включает в себя следующие основные составляющие:

· два теплообменника (радиаторов) - холодный (испаритель) и горячий (конденсатор) (в нашем случае холодный слева, а горячий справа);

· компрессор;

· дросселирующее устройство;

· хладагент (в качестве хладагента может быть использован любой газ, имеющий разумное значение давлений насыщенных паров при интересующих нас температурах; обычно это разные марки фреонов или пропан - бутановые смеси.



Рис.1. Принципиальная схема компрессионного идеального теплового насоса (а) и его цикл в Т-S ? диаграмме (б), К Ї конденсатор; И Ї испаритель; КМ Ї компрессор; ДВ Ї дроссельный клапан

На рис.1б изображен круговой процесс идеальной компрессорной теплонасосной установки в T-S- диаграмме, на которой 1- 2 - изоэнтропное сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; 2 -3 - изобарно - изотермическая конденсация Р.Т.; 3 - 4 Ї изоэнтальпийное расширение в дроссельном клапане или в детандере Р.Т. до давления в испарителе; 4-1 - изобарно - изотермическое кипение (испарение) Р.Т. в испарителе.

Газ сжат до давления Р₁ и попадая на холодные трубки, малая часть его быстро конденсируется на них, отдавая теплоту конденсации, и нагревая их до температуры точки росы для данного давления. После этого основная часть без препятствий попадает в "горячий" теплообменник, в котором обменивается теплом со средой, имеющей температуру ниже точки росы, опять же, для данного давления. Газ при этом конденсируется весь, отдавая тепло среде. В данном случае давление не будет падать, так как компрессор постоянно подгоняет новые порции газа, компенсируя сконденсированную часть. Далее жидкий хладагент вытесняется через дросселирующее устройство в область низкого давления, причем опять малая часть быстро испаряется, охлаждая трубки и остальную часть до температуры ниже температуры кипения для этого давления. Оставшаяся жидкость испаряется в "холодном" теплообменнике, забирая тепло и, соответственно, охлаждая среду, имеющую температуру несколько выше, чем температура кипения для этого давления - давление при этом не растет, так как постоянно газ откачивается компрессором.

Таким образом, весь процесс идет за счет разницы давлений, обеспечиваемой компрессором и дросселирующим устройством.

1. Исходные данные

Вариант №20.

Низкотемпературным источником в рассчитываемой ТНУ является оборотная вода от водяного теплообменника газохода установки "печь - ковш" конверторного производства ОАО "НТМК". После теплообменника вода имеет температуру Т = 328^оК и направляется в цеховые градирни для охлаждения и повторного использования, т. е. мы имеем сбросовую теплоту, которую используем в ТНУ для нагрева холодной питьевой воды для нужд горячего водоснабжения конверторного цеха. Температура холодной питьевой воды составляет Т_х.и.= 288^оК и после нагрева в конденсаторе Т = 338^оК. В качестве Р. Т. в ТНУ применяется фреон - 12, его химическая формула CF₂CI₂ (дифтордихлорметан) и имеет обозначение по международному стандарту ISO 817 - 74. R - 12.

2. Расчет

Расчет ТНУ сводится к определению:

- энергозатрат;

- коэффициента преобразования энергии;

- коэффициента полезного действия ТНУ;

- массового расхода хладоагента;

- количества нагреваемой воды для горячего водоснабжения;

- удельного расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты в ТНУ.

- удельного расхода топлива на выработку теплоты на ТЭЦ.

2.1 Описание термодинамических процессов происходящих в ТНУ с рабочим телом

Тот факт, что воду необходимо нагревать от Тґв = 288 єК позволяет не только охладить пар Р.Т. 2 - 2ґґ (см. рис.2) и сконденсировать его по линии 2 - 3 но и охладить жидкий фреон по линии 3 - 3ґ отдавая теплоту нагреваемой воде, т.е. потребителю. Для этого в конденсаторе - теплообменнике организовано противоточное движение нагреваемой воды и греющего пара фреона.

Образовавшийся в теплообменнике жидкий фреон переохлаждается от температуры насыщения T_s = 363^oК при Р = 2,3 МПа до температуры 293^оК при давлении Р = 0,6 МПа.

В результате процесс дросселирования 3ґ - 4ґ протекает с меньшими эксергетическими потерями по сравнению с 3 - 4. После дросселирования получается более влажный пар (x = 0,05) (точка 4ґ), который забирает от низкотемпературного источника теплоту большую, чем при дросселировании без охлаждения (3 - 4). Соответственно и потребителю каждый килограмм фреона передает большее количество теплоты

Для определения основных параметров Р. Т. воспользуемся таблицами и Т - S диаграммой. Все контрольные параметры занесем в таблицу 1.

Таблица 1. Контрольные параметры ТНУ

Точки диаграммы и процесс	І, кДж/кг	Ѕ, кДж/кг·оС	t, єК	Р, МПа
4ґ- после изоэнтальпийного дросселирования	400	4,00	273	0,3
4ґ - 1 - изобарно- изотермическое расширение в испарителе	552	4,56	273	0,3
1-2 - адиабатическое сжатие в компрессоре	598	4,58	373	2,3
1-2ґ - изоэнтропное сжатие в компрессоре ( идеальное)	589	4,56	363	2,3
1-2ґґ- изобарное охлаждение газа в конденсаторе	579	4,53	353	2,3
2ґґ- 3 - конденсация Р.Т. изотермический процесс	483	4,26	353	2,3
3-3ґ- глубокое охлаждение жидкого Р.Т. в конденсаторе	419	4,07	293	0,6
3ґ-4 ґ - изоэнтальпийное дросселирование Р.Т. в дроссельном клапане	400	4,00	273	0,3

2.2 Определение энергозатрат в теплонасосной установке

Для проведения расчета энергозатрат используем данные табл.1.

Удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела:

l_в = ( h₂ґ - h₁) / з_і,

где:

- h₂ґ - h₁ - разность энтальпий при изоэнтропном сжатии;

- з_і - внутренний относительный (индикаторный, адиабатный) КПД компрессора. Для предварительных расчетов можно принимать з_і = 0,75 ч 0,85. Принимаем 0,8.

lв = ( 589-552) / 0,8 = 29,6 кДж/кг.

Удельная затрата электрической энергии на привод компрессора:

l = l_в/з_эм

где:

з_эм - электромеханический КПД компрессора (в среднем з_эм = 0,9 ч 0,95).Принимаем 0,93;

lв - удельная внутренняя работа на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

l = 29,6 / 0,93 = 32 кДж/кг.

Удельное количество теплоты, подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела:

q0 = h1 - h₄

где:

h1-h4 - разность энтальпий при изобарно-изотермическом расширении в испарителе, кДж/кг.

qо = 552 - 400 = 152 кДж/кг.

Удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела:

qк = h₂ - h₃

где:

h3-h2 - разность энтальпий при изотермическом расширении в конденсаторе, кДж/кг.

qк = 598 - 419= 179 кДж/кг.

Удельный расход электрической энергии на единицу теплоты повышенного потенциала отводимой из конденсатора:

э = l / q_к

где:

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг;

qк - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

э = 32/ 179 = 0,18 кДж/кг.

Коэффициент преобразования энергии:

м = q_к / l

где:

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг

µ= 179 / 32 = 5,59

Коэффициент полезного действия ТНУ:

где:

Тв и Тн - верхний и нижний температурные уровни, К;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.

з = ( 1 - 306/353)*5,59 = 0,73

Массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке:

G = Q_в / q_к

где:

Q_в - расчетная тепловая мощность ТНУ, кДж/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

G = 420 / 179 = 2,35 кг/с.

Мощность электропривода компрессора, кВт:

N_к = Gl

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;

l - удельная затрата электроэнергии на привод компрессора, кДж/кг.

Nк = 2,35 *32 = 75,2 кВт.

Расчетная тепловая нагрузка испарителя, кДж/с:

Q_о = G q_о

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;

q0 - удельное количество теплоты подведенной в испарителе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

Qо = 2,35*152 = 357,2 кДж/с.

Тепловая нагрузка конденсатора:

Qк=G*qк

где:

G - массовый расход рабочего тела в теплонасосной установке, кг/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг.

Qк = 2,35*179= 420,65кДж/с.

Количество тепла, полученного в конденсаторе:

Gгвс = Qк*G*0,95 / iгвс ,

где:

Qк - тепловая нагрузка конденсатора, кДж/с;

q_к - удельное количество теплоты повышенного потенциала, отводимой в конденсаторе на единицу расхода рабочего тела, кДж/кг;

0,95 - коэффициент, учитывающий потери теплоты конденсатором в окружающую среду (потери составляют 5%);

iгвс - теплосодержание воды при ?Тср=85-15=65єС.

Gгвс = 250*1,47*0,95/179,8 = 1,94 кг/с.

где: 272,4 - теплосодержание воды при средней температуре, кДж/кг. И теплоемкости воды С_в =4,19 кДж / кг град

Расчет расхода условного топлива на получение единицы полезной теплоты с помощью ТНУ:

Где a - 34,1кг/ГДж;

- зк - КПД выработки электроэнергии на КЭС, в среднем 0,32 ч 0,34. Принимаем 0,32;

- цс.н. - коэффициент собственных нужд КЭС, обычно 0,04 - 0,06. Принимаем 0,04;

-зэ.с. - КПД электрической сети, 0,94 ч 0,96. Принимаем 0,94

µ - коэффициент преобразования энергии.

bтну = 34,1/ (0,32*5,59*(1 - 0,04)*0,94 = 21 кг/ГДж.

Расчет удельного расхода условного топлива на выработку теплоты на ТЭЦ:

где: - 34,1 - количество условного топлива ,кг, при сжигании которого выделяется 1 ГДж теплоты;

- зк.с. Ї КПД котельных, зк.с. = 0,88 ч 0,92.Принимаем 0,91.

bт = 34,1 / 0,91 = 37,5 кг / ГДж

По результатам вычислений bтну, bт, следовательно, экономичнее применять ТНУ для выработки тепла при средних тепловых нагрузках. При этом, нужно заметить, что принятый КПД ТЭЦ больше КПД районных и местных отопительных котельных.

Определяем общее количество теплоты, подведенное в испаритель:

Q0 = 0,86*iх.т

где: 0,86 - перевод кДж / с в кВт;

iх.т. - теплосодержание холодного теплоисточника подведенного в испаритель, кДж/кг.

Q0 = 0,86*400=344 кВт

После определения числовых значений Qo и используя значение q, определяем площадь передающей поверхности F:

F = Qо ? q,

где: q - плотности теплового потока который должен быть в пределах q = 4ч 5 кВт/м^2.

F = 344/5= 68,8 м²

По определенной величине F выбираем испаритель.

Для нашей ТНУ выбираем испаритель ИТР-70 с площадью передающей поверхности 70/21,0 м²

^{Параметры горизонтального кожухотрубного фреонового испарителя затопленного типа ИТР -70 приведены в табл.2}

Таблица 2

Марка	Площадь передающей поверхности, м2	Диаметр кожуха, мм	Длина кожуха, мм	Число труб	Число горизонтальных рядов труб	Масса, кг
ИТР-70	70/21,0	530	2240	249	18	1250

Кожухотрубные испарители затопленного типа обладают некоторыми преимуществами по сравнению с аппаратами других типов. К ним относятся: закрытая система циркуляции хладоносителя, обеспечивающая меньшую его аэрацию и в, следствии этого меньшую коррозию оборудования; большая компактность, относительно высокая тепловая эффективность и др. Серьезным недостатком кожухотрубных испарителей является опасность замерзания в трубах хладоносителя при прекращении его циркуляции.

В кожухотрубных испарителях низкопотенциальный теплоноситель охлаждается при движении внутри труб, а Р.Т. кипит на их наружной поверхности. Трубы в испарителе находятся в пучке и расположены по вершинам равностороннего треугольника.

2.3 Выбор конденсатора и компрессора

В практике нашло широкое применение использование агрегатных установок. Под компрессорно-конденсатным агрегатом понимается объединение компрессора с конденсатором, это определяет компактность и экономичность ТНУ. По расчетной мощности компрессора N = 75,2 кВт определяем агрегат с компрессором П 110 и конденсатором КФ-130.

Таблица 3

Типоразмер	Условные обозначения	Холодильная мощность Qо, кДж / с	Компрессор	Мощность Электро-двигателя, кВт	Конденсатор
					тип	площадь поверхности, м2
МКТ 110-2-1	М	97-215	П 110	75	КФ-130	108

Таблица 4. Результаты расчета теплонасосной установки

испаритель	конденсатор	екомпрессор	lв ,кДж/кг	l ,кДж/кг	qо ,кДж/кг	qк ,кДж/кг	э , ,кДж/кг	µ	зтну	Gр.т. ,кг/с	Gгвс ,кг /с	Nк ,кВт	Qо ,кДж/ с	Qк ,кДж/с	зЯ	bтну,ТУТ	bтэц, ТУТ
ИТР - 70	КФ 130-	П 110	29,6	32	152	179	0,18	5,59	0,73	2,35	3,45	75,2	357,2	421	0,8	21	37,5

Выводы

Разработка технологий тепловых насосов успешно объединяет экономичность, экологическую безопасность. Тепловые насосы используют энергию, постоянно присутствующую в воздухе, воде и верхних слоях земли, они преобразуют ее в тепло для отопления, в котором остро нуждается человек. Положительным моментом в данном способе получения полезного тепла является то, что мы используем окружающую среду, не нанося ее вреда.

В курсовом проекте выбрано следующее оборудование для теплонасосной установки: испаритель ИТР - 70, конденсатор КФ 130, компрессор П 110.

Библиографический список

насос термодинамический конденсатор компрессор

1. Архаров А.М. Теория и расчет криогенных систем : учеб. для вузов по специальности "Криогенная техника" /А. М. Архаров, И. В. Марфенина, Е. И. Микулин. ? М.: Машиностроение, 1978. ? 416с.: ил. + 1 вкл.

2. Баскаков А.П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие /А.П. Баскаков. ? Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ ? УПИ, 2004. 87с.

3. Бараненко А.В. Холодильные машины: учеб. для втузов специальности "Техника и физика низких температур" /А.В. Бараненко Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, И.А. Скакун, Л.С. Тимофеевский; Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. ? СПб.: Политехника, 1997.? 992с.: ил.

4. Григорьев В.А. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник /Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина ? 2-е изд.,перераб. ? М.: Энергоатомиздат, 1991. ? 1991. ? 588с.: ил. ? (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).

5. Пластилин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. Учебн. пособие для студентов вузов /П.И. Пластилин ? ВО "Агропромиздат",1987. ? 271с.: ил.

6. Фотин Б.С. Поршневые компрессоры: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Холодильные и компрессорные машины и установки" / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий: Под. общ. ред. Б.С. Фотина. ? Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. ? 372с.: ил

Размещено на Allbest.ru