Как оценивается эффективность работы холодильной машины

Холодильные машины. Эффективность работы холодильной машины

Если устройство осуществляет рабочий цикл в обратном порядке, т.е. рабочее тело получает от холодильника с температурой количество теплоты , затем над рабочим телом совершается работа, и оно передает количество теплоты нагревателю с температурой (отметим, что ). Такое устройство называется холодильной машиной или нагревателем, в зависимости от назначения.

Таким образом, пре условии совершения работы над рабочим телом возможен перенос тепла от холодного «источника» к горячему «стоку». Мы можем осуществлять процесс, невозможный в природе (осуществлять процесс обратный естественному процессу), повышать температуру более нагретого тела и понижать температуру более холодного тела.

Эффективность работы такой машины характеризуется двояко, в зависимости от ее назначения:

1) Если эффективность машины оценивается по способности повышения температуры тела с более высокой температурой , т.е. машина действует как нагреватель, то эффективность характеризуется коэффициентом равным отношению величины переданного горячему телу тепла к величине работы, затраченной на этот процесс:

.

2) Если эффективность машины оценивается по способности понижения температуры тела с более низкой температурой, т.е. машина действует как холодильник,то эффективность характеризуется коэффициентом равным отношению величины отобранного у холодного тела тепла к величине работы, затраченной на этот процесс:

.

Источник

Эффективность холодильного цикла

Подставляя значение l_ц из выражения (1.1), получаем

Согласно (1.8), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работы затрачивается на получение единицы холода, т.е. выше эко­номичность работы холодильной машины. Исходя из этого, при проек­тировании холодильной установки необходимо стремиться к возмож­но наиболее высокой T_о и к более низкой Т_к.

Рабочее вещество холодильного цикла называется холодильным агентом (хладагентом). Холодильные циклы реализуются в холодиль­ных машинах.

Эффективность цикла теплового насоса

Эффективность цикла теплового насоса оценивается отноше­нием полученной теплоты к затраченной работе, называемым коэф­фициентом преобразования или коэффициентом отопления:

Коэффициент преобразования характеризует затрату работы l_ц на получение единицы теплоты в заданных условиях. Его можно выра­зить через температуры путем подстановки в уравнение (1.9) вместо l_ц разности q_к – q_о:

(1.10)

Выражение (1.10) показывает, что чем выше температура нагревае­мого тела Т_к и ниже Т_ос, тем меньше коэффициент преобразования, следовательно, больше работы затрачивается на получение единицы теплоты. Из уравнения (1.1) путем деления обеих частей равенства на l_Ц получим:

(1.11)

На рисунке 1.5 (в) показан обратный комбинированный цикл (теплофикационный). Состоит из двух циклов: холодильного 1-2-3-4 и теплового насоса 2-5-6-3. Обратный комбинированный цикл эффективнее двух отдельных циклов, так как в нем используется теплота на обоих температурных уровнях.

Степень термодинамического совершенства холодильного цикла оценивают путем сравнения его холодильного коэффициента с холодильным коэффициентом цикла Карно.

(1.12)

Источник

Оценка эффективности систем холодоснабжения общественных зданий Часть 1. Энергоэффективность

Efficiency Assessment of Cold Supply Systems in Public Buildings Part 1. Energy Efficiency

A.S. Strongin, Candidate of Engineering, Chief Specialist of the Utility Systems Department at AO CNIIPromzdaniy

Keywords: cold supply systems, refrigerating power, circuit design, annual energy efficiency rating, equipment energy efficiency ratios

Системы холодоснабжения для обеспечения параметров микроклимата общественных зданий, таких как торговые, офисные, многофункциональные центры, здания транспортной инфраструктуры (аэропорты, железнодорожные, автобусные, морские вокзалы, гостиницы, спортивные сооружения), являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать нескольких тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Оптимизация системы холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.

Оценка эффективности систем холодоснабжения общественных зданий
Часть 1. Энергоэффективность

А. С. Стронгин, канд. техн. наук, главный специалист отдела инженерных систем АО «ЦНИИПромзданий»

Системы холодоснабжения для обеспечения параметров микроклимата общественных зданий, таких как торговые, офисные, многофункциональные центры, здания транспортной инфраструктуры (аэропорты, железнодорожные, автобусные, морские вокзалы, гостиницы, спортивные сооружения), являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать нескольких тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Оптимизация системы холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.

Принятие решения о выборе той или иной схемы холодоснабжения должно основываться на результатах определения их энергетической, экономической и экологической эффективности. Начнем с вопросов энергоэффективности.

В отечественной и мировой практике применяются различные принципиальные схемы холодоснабжения. Выбор оптимальной схемы конфигурации оборудования, его опционального оснащения, оптимизация режимов работы холодильных станций являются сложной задачей, требующей проведения технико-экономических расчетов. Материалы фирм-производителей также не всегда позволяют сделать объективный выбор оборудования и оценить его эффективность для конкретного объекта.

Отсутствие научно обоснованных рекомендаций, методических указаний и нормативных требований приводит к завышению стоимости строительства и перерасходу энергоресурсов. Кроме того, нередко применяется оборудование, не отвечающее современным требованиям по классу энергоэффективности и экологической безопасности.

Выбор системы холодоснабжения здания определяется архитектурно-планировочными решениями и назначением здания.

Классификация систем холодоснабжения

Предлагается классификация систем, графически представленная на рис. 1.

Классификация систем холодоснабжения зданий

По принципу охлаждения системы можно разделить на системы прямого (непосредственного) охлаждения (ПО) и с охлаждением промежуточного холодоносителя (воды или антифриза) в центральной холодильной машине (ХМ).

Системы прямого охлаждения можно разделить на сплит-системы (СК), мульти-сплит-системы (МСК), руфтопы (РК), компрессорно-конденсаторные блоки для секций охлаждения приточных систем (ККБ), а также мультизональные системы кондиционирования (МЗСК). Системы ПО состоят из внутренних блоков, устанавливаемых в помещениях и являющихся испарителями, и внешних блоков, устанавливаемых снаружи и являющихся конденсаторами (компрессорно-конденсаторные блоки). Внутренние и наружные блоки соединены трубопроводами, по которым циркулирует хладагент (легкокипящая жидкость), как правило фреон.

Системы с охлаждением промежуточного хладоносителя имеют в своем составе холодильную машину (чиллер) и насосную группу для распределения хладоносителя по потребителям (гидромодуль).

Потребителями холода являются секции охлаждения центральных кондиционеров и зональные охладители в помещениях (фэнкойлы).

По компоновке основного оборудования системы ХМ можно классифицировать подразделить на схемы с воздушным охлаждением конденсатора, с водяным охлаждением конденсатора, а также с выносным конденсатором. Классификация графически представлена на рис. 2.

Классификация компоновки оборудования ХМ

Различные схемы охлаждения конденсатора

Схемы с воздушным охлаждением конденсатора наиболее экономичны. Чиллер представляет собой моноблок, размещаемый вне здания, как правило на кровле или выгороженной площадке. Холодоноситель подается к потребителям либо непосредственно от чиллера (одноконтурная схема), либо через промежуточный теплообменник гликоль – вода, что снижает энергоэффективность, но упрощает эксплуатацию системы (двухконтурная схема). Моноблок может быть оснащен опциями «свободного охлаждения» (фрикулинга), режима теплового насоса, а также полной или частичной рекуперацией сбросного тепла.

Схемы с водяным охлаждением конденсатора состоят из двух агрегатов: холодильной машины, размещенной в помещении холодильного центра внутри здания, и охладителя жидкости (градирни), размещенной снаружи здания, обычно на кровле. Блоки соединены трубопроводами, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (вода или антифриз). Схема может работать в режиме фрикулинга, теплового насоса и рекуперации тепла.

Схема с выносным конденсатором может работать круглогодично без дополнительных опций. Конденсатор и испаритель ХМ соединены фреоновыми медными трубками с маслоподъемными кольцами. Недостатком данной схемы является ограниченное расстояние между блоками, как следствие, возможность применения только в малоэтажном здании.

Выбор схемного решения и оборудования системы холодоснабжения

При выборе схемного решения и оборудования системы холодоснабжения следует руководствоваться классификацией и техническим заданием на проектирование. В техническом задании необходимо отражать следующие основные положения:

• требуемые параметры микроклимата во все периоды года и точность их поддержания;

• требуемая обеспеченность заданных параметров микроклимата;

• ожидаемый профиль тепловой нагрузки в зависимости от климатических условий и технологического назначения здания;

• требуемая степень надежности и резервирования оборудования, максимальная продолжительность перерывов в его работе, связанная с проведением ремонтов и сервисного обслуживания;

• степень энергообеспеченности здания, наличие потенциальных вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Выбранное схемное решение системы холодоснабжения должно соответствовать конструктивным особенностям и функциональному назначению зданий по следующим показателям:

• наличие технических помещений с ограниченным доступом для размещения холодильного центра, гидромодуля и вспомогательного оборудования;

• достаточная площадь и несущая способность перекрытий, кровли, наличие коммуникационных шахт;

• обеспечение допустимого звукового давления в окружающей застройке;

• дизайнерские решения интерьера помещений;

• возможность модернизации системы.

Перечисленным требованиям по выбору схемного решения и оборудования системы холодоснабжения могут соответствовать несколько вариантов систем, включая возможность их различного опционального оснащения.

Для выбора оптимальной конфигурации следует рассчитать энергетические, экономические и экологические показатели различных вариантов.

Конфликт интересов при выборе системы холодоснабжения

Объективный выбор оптимального варианта кроме необходимости методической поддержки сильно затруднен различными корпоративными интересами участников строительства и последующей эксплуатации объекта.

Застройщик, частный инвестор (или федеральный бюджет) заинтересован в минимальной стоимости строительства (первоначальных затрат). В результате выбирается самое дешевое оборудование с максимальным энергопотреблением.

Фирма – поставщик оборудования заинтересована в продвижении своего оборудования, поэтому ей нужно выиграть тендер и обеспечить поставку. Результатом становится выбор нерациональных схемных решений, избыточное или недостаточное опциональное оснащение.

Службы эксплуатации заботит упрощение и сокращение регламентных работ по техническому обслуживанию системы, что приводит к выбору неоптимальной конфигурации системы, завышению первоначальных и ежегодных затрат.

Конечный потребитель (заказчик: муниципальные власти или частная компания, несущие расходы по содержанию объекта) заинтересован в минимальных затратах на содержание системы, основную долю которых составляют затраты на энергоресурсы (электрическая и тепловая энергия), поэтому его субъективным решением становится выбор самого дорогого энергоэффективного оборудования с неприемлемо большим сроком окупаемости инвестиций.

Определение энергоэффективности систем холодоснабжения

Первым этапом сравнения вариантов является определение их энергоэффективности.

Существующие показатели энергоэффективности холодильного оборудования (см. табл. 1), получаемые при сертификационных испытаниях оборудования, не могут характеризовать энергоэффективность всей системы холодоснабжения для конкретного объекта (с учетом профиля тепловой нагрузки и других особенностей).

Таблица 1

Показатели энергоэффективности, полученные при сертификационных испытаниях холодильного оборудования

Энергоэффективность системы холодоснабжения предлагается оценивать показателем годовой энергоэффективности Э_Г, рассчитываемым по формуле:

Исходные данные для расчета энергетической эффективности приведены в табл. 2.

Таблица 2

Исходные данные для расчета энергетической эффективности

Требуются расчеты следующих величин:

• ожидаемый профиль нагрузки (холод/тепло) на холодильное оборудование в зависимости от климатических условий и технологического назначения здания;

• текущая величина выработки холода и тепла, а также энергопотребления (часовая, суточная), дифференцированная в соответствии с требованиями многотарифного учета электроэнергии;

• сезонные (годовые) затраты электроэнергии всеми потребителями холодильной станции (холодильная машина, гидромодуль, градирня, зональные охладители) в зависимости от характеристик и алгоритма управления оборудованием.

Пример. Холодильная станция торгово-производственного комплекса

На рисунке графически представлены энергетические характеристики холодильной станции торгово-производственного комплекса, расположенного в Московской области. Станция состоит из 3 инверторных чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора, холодильной мощностью 800 кВт каждый, работающих одновременно с одинаковой нагрузкой.

Пример графического представления показателей энергоэффективности холодильной станции

Параметры наружного климата представлены кривой (1), характеризующей годовую длительность периода с данной наружной температурой воздуха (ч/год).

Профиль тепловой нагрузки упрощенно может быть представлен линейной зависимостью (2). Максимальная холодильная мощность (2 400 кВт) требуется при наружной температуре 33 ºС, минимальная (100 кВт) – при 10 ºС.

Кривая (3) характеризует текущее значение выработки холода в соответствии с климатическими данными (1) и профилем тепловой нагрузки (2) (величина q_Xi × t_iX, кВт•ч/год).

Площадь под кривой (3) определяет общую годовую выработку холода Q_X (кВт•ч/год).

Текущие значения требуемой электрической мощности холодильной станции представлены кривой (4) (q_ЭЛ, кВт), а текущие расходы электроэнергии – кривой (5) (величина q_ЭЛi × t_iЭЛ, кВт•ч/год).

Площадь под кривой (5) определяет общие годовые затраты электроэнергии Q_ЭЛ (кВт•ч/год).

Соотношение площадей под кривыми (3) и (5) определяет значение коэффициента годовой энергоэффективности Э_Г, кВт•ч/ кВт•ч.

Данный пример показывает, что значение Э_Г наиболее информативно характеризует энергоэффективность холодильной станции, поскольку позволяет учитывать реальные годовые климатические данные, суточный профиль тепловой нагрузки объекта и характеристики полного комплекта выбранного оборудования.

Полученные при сертификационных испытаниях оборудования коэффициенты энергоэффективности (EER, ESEER, IPVL и пр.) дают только точечные значения, без привязки к конкретному объекту строительства. Рассчитанные значения коэффициентов энергоэффективности для данного примера приведены в табл. 3.

Таблица 3

Расчетные величины коэффициентов энергоэффективности для рассматриваемой холодильной станции торгово-производственного комплекса

Расчет показателя Э_Г является необходимым, но недостаточным условием для выбора оптимального варианта, поскольку неизвестно, какой ценой достигнута энергоэффективность.

О выборе вариантов систем холодоснабжения с учетом их экономической и экологической эффективности читайте в следующем номере журнала «Энергосбережение».

Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №2’2020

Источник

Обратный цикл Карно. Оценка эффективности работы холодильных установок, тепловых насосов и теплофикационных машин

Основы рабочих процессов установок, работающих по обратным термодинамическим циклам и их классификация.

Искусственное охлаждение с помощью холодильных установок и охлаждающих устройств, основано на втором законе термодинамики, согласно которому передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу возможна только при затрате внешней работы или другой энергии.

В холодильных установках внешняя работа затрачивается на осуществление обратного кругового термодинамического процесса (цикла) обеспечивающего перенос теплоты от охлаждаемого объекта к более теплой окружающей среде или более нагретому телу.

Круговым процессом (циклом) – называется процесс, в котором начальное и конечное состояние рабочего тела остается неизменным.

В обратных циклах, циркулирующее в холодильных машинах, рабочее тело называется холодильным агентом.

Принципиальная схема холодильной машины (рис 1)

Охлаждаемый объект (3) имеет температуру Тохл. более низкую, чем окружающая среда (1) с температурой Токр. Холодильный агент (2) способен изменять свою температуру при изменении давления. Предварительно сжатый холодильный агент расширяется до давления, при котором его температура становится ниже Тохл. В результате естественного самопроизвольного процесса хладагент отбирает от охлаждаемого объекта теплоту в количестве (qo). Затем хладагент сжимается при этом затрачивается внешняя энергия (qвэ). Температура хладагента становится выше температуры окружающей среды. В этом случае окружающая среда отбирает от хладагента теплоту в количестве:

(1)

Непрерывно повторяющиеся процессы (теплообмен, сжатие, теплообмен, расширение), в результате которых переносится теплота от охлаждаемого объекта в окружающую среду называют – обратным или холодильным циклом. При этом хладагент может изменять свое не только тепловое, но и агрегатное состояние.

Рис.1 Принципиальная схема холодильной машины.

По обратным круговым циклам работают:

холодильные машины– предназначенные для производства искусственного холода, то есть отвода теплоты от охлаждаемых объектов и передачи её в окружающую среду.

тепловые насосы– предназначенные для производства теплоты, то есть отвод теплоты от окружающей среды и передача ее к нагреваемым объектам (телам с более высокой температурой). Можно отапливать помещения.

теплофикационные холодильные машины– предназначенные для одновременного производства холода и теплоты. Совмещают функции холодильных машин и тепловых насосов.

Все эти машины аналогичны по принципу действия и устройству и различаются по назначению и режиму температур, в котором они функционируют (рис 2).

Рис.2 Принципиальные схемы осуществления обратных циклов: а) – холодильной машины; б) – теплового насоса; в) – теплофикационной (комбинированной) машины.

Лекция № 2

Перенос теплоты от охлаждаемого объекта 3 (см. рис 1) в окружающую среду 1 с минимальной затратой внешней энергии осуществляется с помощью обратного (холодильного) цикла Карно.

Он состоит из четырех процессов изменения состояния рабочего тела: двух изотерм 2-3 и 4-1 и двух адиабат 1-2 и 3-4.

В процессе 4-1 (при постоянной температуре T_охл) от охлаждаемого объекта отнимается теплота q₀ (площадь а-4-1-b). Затем рабочее тело сжимается (линия 1-2) при s = const (без теплообмена с окружающей средой), в результате температура тела повышается от Т_охл до Т_окр. На совершение процесса сжатия затрачивается работа l_сж. В процессе 2-3 (при T_окр = const) теплота q (площадь a-b-2-З) отводится от рабочего тела в окружающую среду. В адиабатном процессе расширения 3-4 рабочее тело совершает полезную работу l_paс, при этом температура тела снижается от T_окр до T_охл.

В результате передачи теплоты от охлаждаемого тела окружающей среде, т. е. при совершении обратного цикла Карно, затрачивается работа l (площадь 4-1-2-3).

Все процессы цикла Карно являются обратимыми.

В обратимых изотермических процессах подвода и отвода теплоты разница температур между охлаждаемым и рабочим телом, а также между рабочим телом и охлаждающей средой равна нулю.

Процессы и циклы, осуществляемые в реальных машинах, необратимы. Различают внутреннюю и внешнюю необратимость.

Внутренние потери –обусловленные нарушением равновесия в хладагенте

( трение, дросселирование, неравномерность температуры хладагента по объему, теплообмен со стенками проточной части компрессора и др.)

При увеличении разности температур необратимость процесса увеличивается, вызывая дополнительный расход энергии l’>l. Любая необратимость процессов характеризуется ростом энтропии системы хладагент – внешние источники теплоты. Рост энтропии означает рассеяние (диссипацию) энергии. Рассеянная энергия не может быть превращена в работу.

Наиболее экономичные процессы осуществляются при бесконечно малой разности температур между источником теплоты и рабочим телом.

Энергетическая эффективность холодильного циклаоценивается холодильным коэффициентом ε, который равен:

(2)

— отношению количества отведенной теплоты от охлаждаемого тела к затраченной в цикле работе l.

По первому закону термодинамики энергия, переданная окружающей среде равна:

(3)

Энергетическая эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом

(4)

учитывая, что и (5),(6)

Получим: (7)

— холодный коэффициент цикла Карно зависит только от и , и в заданном интервале температур имеет наивысшее значение.

Сравнивая холодильные коэффициенты обратного цикла Карно и реального холодильного цикла в одинаковых температурных границах, можно определить степень его температурного совершенства.

(8)

— коэффициент совершенства холодильного цикла

— холодильный коэффициент рассматриваемого цикла;

— холодильный коэффициент обратного обратимого цикла Карно, построенного в том же интервале температур.

Энергетическая эффективность цикла теплового насоса и теплофикационных циклов определяется отношением количества теплоты q – переданной нагреваемому помещению, к затраченной работе l.

(9)

Коэффициент отопления с холодильным коэффициентом связан:

(10)

Лекция №3

Физические принципы получения низких температур

3.1. Фазовые переходы. Охлаждение при изменении агрегатного состояния.

3.2. Охлаждение с помощью дросселирования.

3.3. Охлаждение при расширении газов.

3.4. Вихревой эффект охлаждения.

3.5. Термоэлектрическое охлаждение.

В любом природном процессе осуществляется непрерывный переход теплоты от тел c высокой к телам с низкой температурой.

Охлаждающими телами в естественных условиях являются воздух, вода, лёд.

При естественном охлаждении температуру ниже температуры окружающей среды получить нельзя.

Рассмотрим искусственные способы охлаждения, основанные на различных физических процессах.

Все реальные вещества в зависимости от их параметров (в состоянии ниже критического) могут находиться в трех агрегатных состояниях или фазах: газовом, жидком и твердом. При изменении равновесных параметров (температуры и давления) вещество может переходить из одного фазового состояния в дру­гое. При этом поглощается или выделяется определенное количество тепла, называемоетеплотой фазового перехода.

Рис. 4. Фазовая Р-t диаграмма для воды.

В данном случае, нас интересуют изменения агрегатного состояния тела (плавление, кипение, сублимация), сопровождаемые поглощением значительного количества теплоты, расходуемой на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. На практике для получения охлаждающего эффекта используют хладагенты, у которых упоминаемые процессы фазовых переходов протекают при низкой температуре при нормальном атмосферном давлении.

Способы охлаждения, основанные на использовании фазовых превращений веществ возможны только при неограниченном запасе охлаждающих тел. Непрерывное получение холода при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества возможно, если после получения холодильного эффекта оно возвращается в начальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных установок.

3.2 Дросселирование

Экспериментально установлено, что при прохождении жидкости или газа через узкое сечение (дроссельная шайба, кран, вентиль, пористая среда и др.) происходит снижение давления движущегося потока. Это явление называют дросселированием(мятием). Оно используется в технике для регулирования мощности паросиловых установок, в холодильной технике при получении холода и др.

Выясним, как изменяется температура потока в результате дросселирования. Температура идеального газа при дросселировании не изменяется. Экспериментально установлено, что при дросселировании реальных газов их температура изменяется (эффект Джоуля-Томсона), причём чем больший перепад давлений, тем больше изменение температуры. Для количественной характеристики явления введено понятие дифференциального дроссельного эффекта представляющего собой отношение изменения температуры газа при адиабатном дросселировании (h=const) к изменению давления в дефференциальном процессе.

(11)

Рис.5 Изменение давления

и скорости потока при

Для реальных газов знак дроссель-эффекта определяется знаком числителя в выражении (1). Если числитель больше нуля, то α_h >0 (положительный дроссель-эффект); а так как при дросселировании dp 0, т.е. температура газа повышается. Если числитель в (1) равен нулю (нулевой дроссель-эффект), то α_h =0 и dр 0 С при адиабатном расширении р₂=0,1 МПа t₂=-193,4 0 С.

1.4. Вихревой эффект

Рис.7 Принципиальная схема вихревой трубы:

Так как процесс расслоения газа происходит значительно быстрее вы­равнивания температур между слоями посредством кондуктивного переноса теп­ла от более нагретых периферийных слоев к центральным, то внутренние слои потока, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию, не получают в поле вихревого разделения эквивалентного возврата тепла. Поэтому внешние слои выходят через кольцевой дроссельный вентиль нагретыми, а внут­ренние — через отверстие диафрагмы холодными.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник