Для реальной оценки энергоэффективности СХ в качестве объекта исследования была выбрана схема типового комплекса СКВ-СХ. Схема комплекса включает в себя контуры: охлаждающей забортной воды; рабочего тела (хладагента); промежуточного хладаносителя. В первом контуре вода откачивается насосом забортной воды из водоема, подается в конденсатор, в котором воспринимается теплота конденсации рабочего тела, после чего вода сбрасывается в водоем. Контур рабочего тела включает в себя следующие основные элементы, необходимые для осуществления обратного термодинамического цикла: компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель.
Исследуемая СХ состоит из:
- компрессора СМО-26 (Sabroe) — одноступенчатого сальникового непрямоточного, холодопроизводительностью 97 кВт, с холодильным коэффициентов 4,0 и обладающим переменной степенью сжатия, широким диапазоном температур и давлений;
- воздухоохладителя ОВВМ63 центрального кондиционера, холодопроизводительностью от 10 до 100 кВт, с расходом охлаждающей воды от 0,77 до 5,97 кг/с и температурой 274 К, с объемным расходом воздуха от 0,75 до 1,75 м3/с, температурой воздуха на входе от 279 до 324 К.
В СХ предусмотрены изменения температуры кипения хладагента в диапазоне от 275 до 280 К, температуры конденсации от 303 до 309 К. В качестве хладагентав СХ используется фреон R22. Система эксплуатируется при температуре наружного воздуха, изменяющегося от 294 до 314 К. Для рассматриваемого типа СХ существенно важным параметром является температура хладаносителя (воды) после испарителя. Эта температура зависит от температуры кипения и используемого холодильного цикла. Причем, чем более холодная вода подается в испаритель, тем меньше его эффективность, расчетный расход холодной воды, поверхность и рядность теплообменного аппарата. С понижением этой температуры растет эффективность осушения, снижается требуемая эффективность (поверхность, разрядность) воздухоохладителя центрального кондиционера СКВ.
Для оценки энергоэффективности СX (при решении задачи экономии энергии) выбор соответствующего критерия является определяющим. Обычно при оценке энергоэффективности работы СХ для центральной СКВ, а также при сопоставлении систем различных типов применяют технико-экономический анализ. В этом случае определяются весогабаритные и энергетические характеристики СХ. Однако, для объективной оценки системы применение только технико-экономического анализа без определения потерь энергии в отдельных ее агрегатах недостаточно. Поэтому, при полном анализе СХ необходимо учитывать термодинамическую эффективность, как всей системы в целом, так и отдельных ее агрегатов.
Используя технико-экономические показатели комплекса, его можно представить, как последовательное соединение элементарных процессов. Взаимосвязь оптимизируемых переменных в процессе оптимизации приводит к необходимости находить не безусловный, а условный экстремум. Математически это означает, что рассчитываемые в процессе оптимизации значения оптимизируемых переменных должны удовлетворять не только экстремальному значению целевой функции, но и уравнениями, связывающими переменные между собой.
В качестве таких уравнений (уравнений связи) могут быть использованы уравнения потоков энергии, передаваемой из предыдущей зоны в последующую. В результате математическое описание технико-экономической модели комплекса может быть представлено следующей системой функциональных зависимостей:
Эксергия, отводимая от воздуха в воздухоохладителе с промежуточным хладаносителем центрального кондиционера с учетом эксергии подводимой к электродвигателю электровентилятора кондиционера определяется из выражения (2) (см.
рис. 1),
где EВ — эксергия, подводимая к электродвигателю электровентилятора, кВт;
QВ — холодопроизводительность воздухоохладителя, кВт;
tw1, tw2 — температура рассола на входе и выходе из воздухоохладителя, К;
ВО — температурный напор воздухоохладителя, К;
Gw — расход рассола через воздухоохладитель, кг/с;
TВО1, TВО2 — температура воздуха перед и за воздухоохладителем, К;
dВО1, dВО2 — влагосодержание воздуха перед и за воздухоохладителем, кг/кг;
r, r0 — теплота парообразования рассола, кДж/кг.
Температура воздуха на входе воздухохладителя описывается уравнением:
Температура воздуха на выходе из воздухоохладителя определяется из уравнения теплового баланса на его поверхности определяется формулой:
где сw — удельная массовая теплоемкость рассола, кДж/(кгК).
Влагосодержание на выходе из воздухоохладителя может быть определено по формуле:
где IВО1, IВО2 — энтальпия воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя, кДж/кг;
где P — скорость рассола, м/с.
Температурный напор воздухоохладителя может быть определен по известному выражению:
Эксергетические потери в воздухоохладителе находятся из выражения (3) (см.
рис. 2).
Эксергия, подводимая к электродвигателю циркуляционного рассольного насоса определяется выражением (4) (см.
рис. 3),
где ЕВО — эксергия, отводимая от воздуха в воздухохладителе, кВт;
w — плотность рассола, кг/м3;
Тw — перепад температуры рассола на входе и выходе воздухоохладителя, К;
НРН — напор циркуляционного рассольного насоса, кПа.
Напор, развиваемый электродвигателем циркуляционного рассольного насоса, определяется по формуле (5) (см.
рис. 4),
где ДРН, ДРНH — угловая скорость вращения электродвигателя циркуляционного рассольного насоса (текущая и номинальная), с-1;
SН, РН — скольжение и число пар полюсов электродвигателя циркуляционного рассольного насоса;
РН, ДPH, ПДPH — КПД циркуляционного рассольного насоса, компрессора, его электродвигателя,передачи.
Эксергетические потери в электродвигателе циркуляционного рассольного насоса находятся из выражения:
Эксергия, отводимая от рассола в испарителе ХУ описывается уравнением (7) (см.
рис. 5),
где ЕЦPH — эксергия, подводимая к электродвигателю циркуляционного рассольного насоса, кВт;
И — температурный напор в испарителе, К.
Эксергетические потери в испарителе определяются по формуле (8) (см.
рис. 6).
Эксергия, подводимая к электродвигателю выбранного одноступенчатого, сальникового, непрямоточного поршневого компрессора, описывается уравнением (9) (см.
рис. 7),
где ЕИ — эксергия, отводимая от рассола в испарителе, кВт;
Ga — расход наружного хладагента;
TK — температура конденсации хладагента;
TO — температура конденсации хладагента;
cP — средняя теплоемкость перегретого пара при давлении конденсации в интервале температур Т2–ТК, кДж, (кгК);
cX — средняя изобарная теплоемкость жидкого рабочего тела, кДж,(кгК);
рУТР — удельное давление сил трения, кПа;
SП — ход поршня компрессора, м;
D — диаметр цилиндра поршня, м;
ZК — число цилиндров компрессора;
К — угловая скорость вращения электродвигателя компрессора, с-1;
КМ — угловая скорость вращения компрессора, с-1.
Температура хладагента в конце процесса сжатия может быть определена по формуле:
где Т1 — температура хладагента в начале процесса сжатия, К;
i — индикативный КПД.
Температурный перепад Тж определяется из следующего выражения:
Эксергетические потери в компрессоре определяются по формуле (10) (см.
рис. 8).
Эксергия, подводимая к забортной воде в конденсаторе ХУ вычисляется по формуле (11) (см.
рис. 9),
где ЕИ — эксергия, отводимая от рассола в испарителе, кВт;
ЕЦРН — эксергия, подводимая к электродвигателю циркуляционного рассольного насоса, кВт;
t3B1, t3B2 — температура забортной воды на входе и выходе из конденсатора, К;
KH — температурный напор в конденсаторе, К.
Эксергетические потери в конденсаторе определяются по формуле (12) (см.
рис. 10).
Эксергия, подводимая к электродвигателю насоса забортной воды, описывается уравнением (13) (см.
рис. 11),
где ЕK — эксергия, подводимая к забортной воде в конденсаторе, кВт;
ННЗВ — напор насоса забортной воды, кПа;
c3B — удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кгК);
B — плотность забортной воды, кг/м3;
t3B = t3B2 - t3B1.
Эксергетические потери в электродвигателе насоса забортной воды находятся из выражения:
При определении приведенных затрат учитывались только отчисления (нормативные, на реновацию и ремонт) от стоимости тех агрегатов СХ, основные характеристики которых изменяются в процессе оптимизационных расчетов.
Приведенные затраты при эксплуатации и модернизации каждого агрегата комплекса определялись по следующей формуле:
где NK — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений;
K — суммарные капиталовложения;
m — коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию и текущий ремонт;
E — расход эксергии на технологический процесс в агрегатах комплекса СКВ-СХ;
M — удельный расход топлива в судовой энергетической установке на функционирования агрегата СХ;
pзам — средневзвешенные замыкающие затрата на единицу эксергии;
pm — удельные затраты на переработку топлива;
S0 — затраты на оборудования, ремонт, накладные расходы (постоянная составляющая эксплутационных за- трат);
Г — время работы агрегата комплекса СКВ-СХ в течение года.
В
таблице приведены расчетные формулы и расчетов энергетических КПД агрегатов комплекса центральной СКВ-СХ в «летнем» режиме работы.
Энергетический КПД комплекса определяется по формуле (16) (см.
рис. 12).
Эксергетические потери в комплексe обусловлены, в частности, следующими факторами, влияющими на эксeргитические КПД. К ним относятся:
1. Hеобратимый теплообмен между источником низкого потенциала и рабочим агентом в испарителе.
2. Hеобратимый теплообмен между рабочим агентом и окружающей средой повышенного потенциала в конденсаторе.
3. Cжатие в компрессоре перегретого пара хладагента по необратимой политропе вместо обратимого сжатия пара в идеальной СХ.
Эксергетическая технико-экономическая оптимизация проектируемого, эксплуатируемого или модернизированного комплекса центральной СКВ-СХ требует проведения расчетов, которые невозможно осуществить без компьютерной реализации полученной технико-экономической модели.
Разработанная программа энергетической технико-экономической оптимизации комплекса содержит:
- графический редактор, позволяющий в интерактивном режиме создавать принципиальную технологическую схему комплекса, производить выбор рабочих веществ и термодинамического цикла, осуществить ввод исходных данных по оборудованиюкомплекса, сохранять информацию в базе данных;
- расчетные модули, позволяющие производить расчет энергетических характеристик оборудования комплекса, учитывать при расчетах реальные параметры оборудования, определять и оптимизировать режимы работы комплекса и др;
- базы данных по теплофизическим свойствам тепло- и хладаносителей, константам элементов оборудования, расчетным соотношениям между элементами комплекса, климатическим параметрам.
Агрегаты комплекса снабжены таблицами каталожных данных, которые могут либо заполняться непосредственно пользователем, либо копироваться из базы данных на оборудование. Формирование задания на расчет (кодировка схемы, расчет эксергетических характеристик элементов комплекса и т.д.) производится программно.
Верификация программного продукта проведена с использованием известных численных значений и достоверных экспериментальных данных комплекса СКВ-СХ.
На основе полученного развернутого описания эксергетической технико-экономической модели комплекса с использовавшим разработанной программы были произведены расчеты эксергетических потоков, потерь эксергии, эксергетических КПД, приведенных затрат для каждого агрегата комплекса.
На
рис. 13 и
14 приведены полученные соответствующие расчетные зависимости для воздухоохладителя и конденсатора комплекса СКВ-СХ при определенных условиях его эксплуатации.
Графики приведены для следующих условий работы агрегатов комплекса: tw1 = 274 K; tw2 = 277 K; T0 = 283 K; TK = 303 K. Температура и влагосодержание наружного воздуха при этом были равны: TH = 308 К; dH = 0,01798 кг/кг.
Из рисунков видно, что характер изменения параметров эксергетических технико-экономических моделей воздухоохладителя и конденсатора идентичен.
При определении экономической составляющей эксергетической технико-экономической модели комплекса СКВ-СХ помимо приведенных затрат на каждый агрегат, определяемых по (15) возникает необходимость в определении годовых приведенных затрат комплекса. Для этого может быть использована формула:
где Nn — сумма потребляемых мощностей электродвигателя приводов компрессора, насосов и электровентилятора;
ЦE.m — стоимость эксергии для каждого агрегата комплекса;
Пm — приведенные затраты конкретного агрегата комплекса, определяемые по (1).
Входящие в формулу (16) комплекса стоимости энергии определяются из отношения:
Подстановкой полученных развернутых соответствующих выражений (2, 4, 7, 9, 11, 13, 15), определяющих энергетические потоки и приведенные затраты для каждого агрегата комплекса в эксергетическую технико-экономическую модель (1), взятием их производных, можно получить систему уравнений, которая в общем виде отражает необходимые условия существования минимума приведенных затрат. Для расчета конкретных значений оптимизируемых переменных, обеспечивающих минимальные приведенные затраты можно использовать предложенную в [3] методику решения полученных трансцендентных уравнений. В основе такой методики лежит нахождение условного экстремума по методу неопределенных множителей Лагранжа. Полученные расчетные значения эксергетических КПД, характеристики связей между отдельными агрегатами комплекса центральной судовой СКВ-СХ, учет взаимодействия агрегатов с окружающей средой, оптимизация комплекса и его агрегатов на основе эксергетической технико-экономической модели могут служить основой для проектирования и модернизации энергоэффективных комплексов для кондиционирования воздуха.
Оценивая энергоэффективность комплекса СКВ-СХ на основе эксергетической технико-экономической модели можно перейти к определению оптимальных режимов функционирования агрегатов комплекса для переменных тепловлажностных условий окружающей среды.
Учитывая проектируемый, эксплуатируемый или модернизируемый комплекс как объект автоматизации, можно повысить его эксергетический КПД, используя гибкую систему управления им.
Литература1. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины // СПб.: Судостроение, 1994. — С. 504.2. Стефанович В.В. Эксергетический анализ работы судовых воздушных систем охлаждения // Судостроение. — 1974. — № 2. — с. 27-28.3. Бродянский В.М., Верхивкер Г.П., Карчев Я.Я. и др. Эксергетические расчеты технических систем: Справочное пособие // Киев: Наукова думка, 1991. — С. 360.4. Брух С.В. Сравнительный анализ энергоэффективности мультизональных систем кондиционирования воздуха // С.О.К. — 2004. — № 2. — с. 60-67.5. Бошнякович Ф. Техническая термодинамика: В 2т. // М.: Госэнергоиздат, 1956. — т. 1. — С. 327, т. 2. — С. 294.
