close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Босова босова 7 класс гдз;pdf

код для вставкиСкачать
УДК 536.24:621.57-9
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МОЛОКООХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
В.И. Володин, С.В. Здитовецкая
Белорусский государственный технологический университет
Ключевые слова
Испаритель, конденсатор, холодильная машина, модель, теплообмен, расчет.
Условные обозначения
F – площадь поверхности теплообмена, м2; G – массовый расход, кг/с; М – масса
молока, кг; Qи – количество тепла, передаваемого хладагенту в испарителе, Дж; Qк –
тепловой поток конденсатора, Вт; V – объем, м3; ср – теплоемкость при постоянном
давлении, Дж/(кг оС); hfg – теплота фазового перехода, Дж/кг; k – коэффициент
теплопередачи, Вт/(м2 оС); t – температура, оС; Dt – средний температурный напор в
аппарате, оС;
– эффективность при нагреве или охлаждении рабочей среды;
– массовое расходное паросодержание на входе в испаритель; – время, с.
Индексы: в – параметры относятся к воде; в1, в2 – соответственно на входе и
выходе конденсатора; и – испаритель; и2 – на выходе из испарителя; к – конденсатор;
к1, к2 – параметры соответственно относятся к 1-у и 2-у участкам конденсации; м –
молоко; х – хладагент; s – на линии насыщения.
Введение
Одним из направлений повышения эффективности работы компрессионной
молокоохладительной установки при первичной обработке молока является
организация его непосредственного охлаждения без промежуточного хладоносителя.
Здесь возможна реализация двух схем: с рекуперативным испарителем и испарителем в
виде непроточной емкости для охлаждения молока. В первом случае
молокоохладительная установка работает в стационарном режиме, во втором – в
нестационарном. Последний подход является предпочтительным, так как
теплоизолированный испаритель дополнительно можно использовать в качестве
резервуара для временного хранения молока после его охлаждения. Однако в
настоящее время существует проблема расчета процессов при совместной работе
испарителя и конденсатора в таких установках в реальном времени [1–5]. В то же время
решение данной проблемы имеет практическое значение.
В
данной
работе
рассматривается
приближенный
метод
расчета
молокоохладительной установки с непроточным испарителем-молокоохладителем,
работающей в нестационарном режиме. Разработанный метод позволяет получить
адекватные результаты как для аппаратов с процессами кипения и конденсации, так и
для установки в целом.
1. Постановка задачи
Требуется провести тепловое проектирование молокоохладительной установки,
схема которой дана на рис. 1. Охлаждаемое парное молоко поступает в непроточный
испаритель-молокоохладитель с мешалкой. Теплота, отводимая от молока, передается
хладагенту, который дополнительно нагревается в компрессоре. Затем в конденсаторе
теплота от хладагента передается нагреваемой воде, которая может использоваться на
технологические нужды. Если отводимая теплота не используется, то
предпочтительней применять конденсатор воздушного охлаждения. Регенератор
обеспечивает надежную работу компрессора, исключая попадание в него влажного
пара.
Регенератор
Компрессор
Конденсатор
5
tв2
4
ТРВ
3
2
6
tв1
1
7
Испаритель
Рис. 1. Схема молокоохладительной установки: 1 – мешалка; 2 – испарительная
поверхность теплообмена; 3 – теплоизолированный корпус; 4 – уровень молока;
5 – электропривод 6 – змеевик конденсатора; 7 – вытеснитель
Кроме представленной на рис. 1 конструкции испарителя, могут использоваться
и другие модификации испарителей, которые даны на рис. 2. Все конструкции
применялись в проектах молокоохладительных установок, которые в разное время
были предложены ОКБ Академическое и ИМСХ НАН Беларуси, БелНИИагроэнерго.
Холодильно-нагревательная установка работает в нестационарном режиме, так
как температура молока постепенно снижается, что сказываться на холодо- и
теплопроизводительности. В целом эффективность работы установки определяется тем,
насколько правильно подобраны испаритель и конденсатор и как они будут совместно
работать в составе холодильного агрегата. При этом должно выполняться требование
по времени охлаждения молока с 35 до 4–5 оС. Оно должно охлаждаться не более трех
часов.
2. Метод решения
В настоящей работе рассматривается приближенный метод сопряженного
расчета парокомпрессионного трансформатора тепла, работающего в нестационарном
режиме, в основу которого положена методика комплексного теплогидравлического
расчета холодильных установок и тепловых насосов для стационарного режима [6].
Изменение параметров трансформатора тепла во времени определяется работой
испарителя. Теплоперенос в испарителе описывается системой уравнений теплового
баланса и теплопередачи.
5
5
1
1
2
2
3
1
2
4
4
3
3
а)
б)
в)
Рис. 2. Конструкция испарителей с однониточным змеевиком (а), с системой
параллельных каналов нетрадиционной формы (б) и погруженным змеевиком (в):
1 – уровень жидкости; 2 – теплоизолированный корпус; 3 – испарительная поверхность
теплообмена; 4 – мешалка; 5 – электропривод
dQ
k
tи Fи d ,
dQи
x
G х c,pи
dQи
м
t х ,и 2
t,sи
h fg 1
d ,
(1)
M м с,p dt .
В системе уравнений (1) принимаем, что при численном интегрировании
параметры теплообмена будут постоянными для достаточно малого интервала времени
d . Конвективный коэффициент теплоотдачи в испарителе со стороны молока
рассчитывался по данным для аппаратов с мешалками [7] или для свободной конвекции
[8]. Конвективный коэффициент теплоотдачи со стороны хладагента при кипении в
каналах рассчитывается на основе модели Чена [9]. На участке течения однофазного
перегретого потока для турбулентного режима он определяется по формуле Кириллова
[10], а для ламинарного и переходного режимов – по формулам Хаузена [11].
Хотя конденсатор представляет собой широко используемую конструкцию [12],
однако до сих пор методология его расчета в большинстве инженерных приложений
является неадекватной [4, 12-13]. Она не позволяет достоверно оценить температуру
подогретой воды, так как приближенный расчет проводится по одному участку, когда
теплота перегрева включается в теплоту конденсации (фазового перехода). В отличие
от этого в настоящей работе расчет проводится по двум участкам, что позволяет
получить значение температуры подогретой воды близкой к реальному значению.
В исследуемом трансформаторе тепла конденсатор представляет собой
змеевиковый теплообменник с вытеснителем (см. рис. 1). В нем конденсируется
перегретый пар. Так как требуется максимально возможный подогрев воды (до 60оС),
то принимается противоточно-перекрестная схема течения воды и хладагента.
При сопряженном расчете контура холодильной установки для заданного
интервала времени d
процесс переноса тепла в конденсаторе считается
квазистационарным и описывается системами уравнений для участков конденсации и
перегрева. Для первого участка непосредственно конденсации пара уравнения имеют
вид
t1 к1 Fк1 ,
к1
х
к
в
hf ,
(2)
c t
tв .
в ,p
Расчет теплоотдачи при конденсации потока насыщенного пара проводится по
уравнению работы [13].
Для второго участка охлаждения перегретого пара уравнения имеют вид
t Fк 2 ,
2к 2
c
к
х
х ,pк
к
в
в ,p
c t
t х ,к
t,sк
,
(3)
tв .
Для расчета коэффициентов теплоотдачи в однофазном потоке пара
используются те же уравнения подобия, что и в испарителе [10, 11] с поправкой на
течение в змеевике. При расчете теплоотдачи при поперечном обтекании змеевика
потоком воды для обоих участков используются зависимости для поперечного
обтекания коридорного пучка гладких труб [10].
Общий тепловой поток и поверхность теплообмена в конденсаторе
Qк ,
(4)
Fк .
Система уравнений (1)–(4) является составной частью модифицированного
сопряженного метода расчета холодильной установки с учетом параметров цикла и
потерь давления в конструктивных элементах контура [6]. Разработка расчетной схемы
холодильной установки при нестационарном режиме работы потребовала
дополнительных усилий для достижения сходимости отдельных вложенных итераций и
организации устойчивого счета для всей системы в целом.
3. Численное моделирование
Математическая модель реализована в виде пакета прикладных программ на
языке Фортран. Для иллюстрации возможностей метода расчета ниже рассматривается
молокоохладительная установка, конструкция которой была предложена ИМСХ НАН
Беларуси. В ее состав входит компрессор ХГВ-14 производства БелОМО, работающий
на хладагенте R22. Для достижения максимального подогрева воды температура
конденсации поддерживается на постоянном допустимом уровне – 50оС. Для надежной
работы компрессора проводится перегрев пара в испарителе, который принят равным
7оС. В целом режим работы молокоохладительной установки определяется
технологическими требованиями. Охлаждение молока проводится поэтапно в
горизонтальном цилиндрическом испарителе с поверхностью теплообмена в донной
части (см. рис. 2б). Вначале охлаждается 1000 л молока с начальной температурой 33–
35оС до температуры 5оС, а затем после добавления и перемешивания – 2000 л опять
до температуры 5оС. При этом в соответствии с технологическими требованиями
время охлаждения на каждой стадии не должно превышать 3 часа. Отводимое от
молока тепло после трансформации до более высокого потенциала используется как
полезное путем нагрева технологической воды в конденсаторе.
4. Обсуждение результатов
Ниже представлены режимные параметры холодильно-нагревательной
установки, полученные с помощью вычислительного эксперимента. Установка
работает в нестационарном режиме. При ее эксплуатации решается две задачи. Первая
основная связана с обеспечением охлаждения молока в испарителе до заданной
температуры за ограниченный отрезок времени. Вторая дополнительная – обеспечивает
получение горячей воды для технологических нужд в конденсаторе путем утилизации
теплоты молока.
На рис. 3 показано изменение температуры молока от времени в двух циклах
охлаждения. В 1-м цикле охлаждается 1000 л молока с начальной температурой 35оС в
течение трех часов. Конечная температура молока составила 4,2оС. Из рисунка видно,
темп охлаждения молока по мере снижения его температуры падает. Это связано с
одновременным уменьшением температуры кипения хладагента и температурного
напора в испарителе. Последний изменяется от 23,3 до 13,7оС, что приводит к росту
сжатия в компрессоре с 2,84 до 5,13, а следовательно к уменьшению
холодопроизводительности теплового потока испарителя, которая изменилась с 16,4 до
7,4 кВт.
Во втором цикле работы установки после добавления в емкость к охлажденному
молоку 1000 л молока с температурой 35 оС начальная его температура устанавливается
равной 19,6 оС (рис. 3). В результате уменьшения начальной температуры молока
снижается производительность холодильно-нагревательной установки. В этом случае
первоначальное сжатие в компрессоре и температурный напор в испарителе
соответственно равны 3,75 и 18,2оС, а в конце работы установки – 4,90 и 14,1оС.
Конечная температура молока составила 6,4 оС, что близко к норме.
70
35
Vм
1000 л
2000 л
65
о
tв2, С
30
60
55
20
50
15
45
о
tм, С
25
Gк, кг/с
10
5
0
0
30
60
90
120
150
180
, мин
Рис. 3. Изменение температуры молока
в испарителе
- эксперимент
- расчет
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
30
60
90
120
150
180
, мин
Рис. 4. Изменение температуры и расхода
воды в конденсаторе (tв1=5оС, tsк=50оС)
На рис. 4 для первого цикла охлаждения молока показано изменение
температуры воды на выходе из конденсатора tв2 и расхода воды Gк при постоянных
значениях температур кипения хладагента tsк=50оС и воды на входе tв1=5оС.
Поддержание tsк на одном уровне осуществляется изменением расхода воды. Видно,
что расчетная температура воды на выходе из конденсатора по мере работы
холодильной машины растет от начальной температуры 50оС до конечной ~68оС. Такая
тенденция в изменении температуры следует из уравнения теплового баланса. На рис. 4
также дано изменение температуры воды, полученной путем измерений на опытной
молокоохладительной установки. Видно, что результаты согласуются. Измерение
расхода воды не проводилось.
Выводы
Проведена адаптация разработанной ранее математической модели для
сопряженного параметров расчета трансформатора тепла в нестационарном режиме
работы. Показана пригодность модифицированной модели для анализа работы
холодильно-нагревательной установки при первичной переработке молока. Данный
метод может быть распространен для теплового проектирования и анализа работы
трансформаторов тепла другого назначения.
Литература
1. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы
тепло- и хладоснабжения. М.: МЭИ, 1994. 157 с.
2. Бубялис Э., Макарявичус В. Процессы энергопереноса в тепловых насосах.
Вильнюс: Мокслас, 1990. 186 с.
3. Константинов Л.И., Мельниченко Л.Г. Расчет холодильных машин и установок. М.:
Агропромиздат, 1991. 527 с.
4. Чумак И.Г., Никульшина Д.Г. Холодильные установки. Проектирование. Киев:
Выща школа, 1988. 280 с.
5. Быков А.В., Калнинь И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы:
Повышение эффективности. М.: Агропромиздат, 1988. 287 с.
6. Володин В.И. Комплексный подход к расчету параметров компрессионной
холодильной машины // Холодильная техника. 1998. №2. С.8–10.
7. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга
первая. М.: Химия, 1981. 384 с.
8. Cвободноконвективные течения, тепло- и массообмен. М.: Мир, 1991. Кн. 1. 687 с.
9. Теплопередача в двухфазном потоке / Под ред. Д. Баттерворса и Г. Хьюитта. М.:
Энергия, 1980. 328 с.
10. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим
расчетам
(ядерные
реакторы,
теплообменники,
парогенераторы).
М.:
Энергоатомиздат, 1990. 360 с.
11. Конвективный тепло- и массоперенос / В. Каст, О. Кришер, Г. Райнике,
К. Винтерминтель. М.: Энергия, 1980. 49 с.
12. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным
аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. 367 с.
13. Теплообменные аппараты холодильных установок / Под ред. Г.Н. Даниловой. Л.:
Машиностроение, 1986. 303 с.
14. Гопин С.Р., Шавра В.М. Воздушные конденсаторы малых холодильных машин. М.:
ВО "Агропромиздат", 1987. 151 с.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа