Методы анализа энергетической эффективности холодильных машин и установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная академия пищевых технологий

Учебно-научный институт холода, криотехнологий и экоэнергетики

им. В. С. Мартыновского

РЕФЕРАТ

Методы анализа энергетической эффективности холодильных машин и установок

Димитров А. А.

Одесса, 2013



Оглавление

1. Применение термодинамического анализа для оценки эффективности холодильных машин

2. «Метод циклов»

3. Пинч-анализ

4. Эксергоэкономический анализ

Заключение

Литература



1. Применение термодинамического анализа для оценки эффективности холодильных машин

В современных условиях, учитывающих высокий темп развития холодильных машин и установок, появляется необходимость не только в качественном способе их производства, но также и в нахождении оптимальной методики проектирования этих систем. Такая методика должна быть универсальной и гибкой, а также отвечать всем современным требованиям оптимизации различных стадий проектирования. Другими словами, «оптимальная» методика анализа холодильных машин и установок должна быть применима к большинству их виду, при этом обеспечивать максимальную точность результатов и возможность «предугадать» показатели и рентабельность холодильной машины уже на ранних стадиях ее проектирования. термодинамика пинч-анализ цикл

Учитывая то, что холодильная машина относится к классу энергопреобразующих систем, то есть систем термодинамических, основным требованием к методике энергетического анализа таких систем является ее базирование на принципах и законах термодинамики. Отсюда следует заключение, что практически все предложенные сегодня методы определения энергетической эффективности холодильных машин и установок относятся к разделам термодинамического анализа.

Термодинамический анализ представляет собой метод термодинамического исследования технических (в данном случае, холодильных) систем как в целом, так и посредством разделения, расчленения их на составные части с целью получения наиболее полной информации о процессах преобразования энергии, происходящих в таких системах.

Так как в холодильных системах энергетические превращения, изучаемые посредством второго начала термодинамики, занимают существенное место, другими словами, в энергетических превращениях таких систем достаточно важную роль играют такие, которые характеризуются энтропией, поэтому они могут быть изучены методами термодинамического анализа.

Термодинамический анализ проводится на основе уже заранее известных термодинамических параметров системы (получаемых либо в эксперименте, либо расчетным путем). Минимальное число этих параметров должно быть таким, чтобы для изучаемой системы и любой ее анализируемой части можно было составить материальный, энергетический и эксергетический балансы. С более общей точки зрения необходимо располагать данными для балансов, отражающих закон сохранения материи, закон сохранения энергии (в его частной форме первого начала термодинамики) и, наконец, второе начало термодинамики (как сумму двух законов - постоянства энтропии в обратимых процессах и ее возрастания в необратимых). Последний вид баланса - эксергетический баланс завершает систему уравнений и основан на первых двух.

Метод термодинамического анализа сводится к операциям, производимым в два этапа.

На первом этапе в зависимости от целей исследования выделяют для анализа любую часть, включающую элемент или группу элементов рассматриваемой системы и составляют соответствующие эксергетические балансы. Для анализа нужно знать только необходимые для составления балансов параметры на контрольной поверхность анализируемой части системы. В пределе контрольная поверхность может заключать всю систему.

Второй этап - составление на основе эксергетических балансов термодинамических характеристик двух видов - абсолютных и относительных. Первые дают величины эксергии различных видов на входе (расход) и выходе (производительность), а также значения потерь. Вторые показывают степень термодинамического совершенства и относительное значение данной части во всей системе. Для нахождения перечисленных характеристик разработан комплекс как аналитических, так и графических приемов, составляющих, собственно, основную часть методики анализа.

Проведенный таким путем термодинамический анализ позволяет получить разностороннюю и весьма подробную информацию об энергетических превращениях как в самой рассматриваемой системе и ее частях, так и о взаимодействиях системы с равновесной средой и находящимися в этой среде другими объектами. Эта информация используется для дальнейшей работы над усовершенствованием установок и их частей. Однако, возможности термодинамического анализа не ограничены указанной информацией, включающей абсолютные и относительные характеристики. Метод и результаты термодинамического анализа могут быть использованы по крайней мере еще в двух направлениях.

Первое из них основано на том, что термодинамический анализ, как и всякий другой анализ, непосредственно связан с синтезом. Методы термодинамического анализа позволяют решать некоторые задачи, включающие элементы синтеза новых процессов, а также термодинамической оптимизации (как было указано выше).

Второе направление опирается на то, что между термодинамическими и экономическими величинами имеются определенные объективные связи. Эти связи носят сложный характер. В частности, экономический оптимум, как правило, не совпадает с оптимумом термодинамическим; лучшая установка не всегда та, которая в термодинамическом отношении наиболее совершенна. Связи между термодинамическими и экономическими характеристиками в ряде случаев могут быть с пользой применимы для решения технико-экономических задач.

Термодинамический анализ цикла холодильной машины и теплового насоса необходимо проводить при сравнении действительного цикла машины с теоретическим для определения необратимостей и поиска путей их минимизации.

Термодинамический анализ цикла является той базой, на которой можно решать более сложные задачи, например, проводить термодинамическую и термоэкономическую оптимизацию, синтезировать новые схемные решения.

2. «Метод циклов»

«Метод циклов» был предложен на кафедре холодильных машин ОТИПХП (ныне УНИХКЭ ОНАПТ) в начале 1960-х годов В. С. Мартыновским и развит Л. З. Мельцером. Он заключается в поэтапном наращивании необратимостей в цикле Карно (последовательном «ухудшении» идеального цикла), которые обусловлены реальными условиями работы каждого элемента в составе холодильной машины.

«Метод циклов» - это пошаговый метод, основные этапы которого представлены на схеме ниже:

Цикл-образец - это обратимый (идеальный) цикл с минимально необходимым набором процессов, т. е. элементов в составе холодильной машины или теплового насоса. В качестве цикла-образца, по рекомендациям Международного Института Холода 1938 года, принимают обратный обратимый цикл Карно. В работе [1] было доказано, что любой обратимый цикл может быть использован в качестве цикла-образца.

Эталонный цикл - это цикл машины с минимально необходимым набором процессов (элементов) и свойственных им необратимостей. Эталонный цикл можно назвать «самым теоретическим» из действительных и «самым действительным» из теоретических. Понятие «эталонный цикл» не является установившимся и зависит от типа холодильной машины.

Действительный цикл - это цикл машины с полным набором основных и вспомогательных элементов (процессов) и свойственных им необратимостей.

Простейшая парокомпрессорная холодильная машина состоит из 4 основных элементов: компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя. Следовательно, имеют место следующие необратимости:

- необратимость в процессе сжатия в компрессоре;

- необратимость в процессе дросселирования;

- необратимости в процессах теплообмена между рабочим веществом и внешними источниками теплоты при подводе и отводе теплоты в цикле.

Примем, что перечисленные необратимости вызваны исключительно реальными условиями эксплуатации каждого из 4 элементов при условии, что тепловой контакт между элементом и окружающей средой отсутствует.

Для оценки эффективности каждого предыдущего цикла к последующему вводится понятие степени термодинамического совершенства цикла (2.1), которая представляет собой отношение коэффициента преобразования любого цикла, отличного от обратимого цикла-образца, т. е. цикла, имеющего необратимость (СОР), к коэффициенту преобразования обратимого цикла-образца (СОР_обр).

(2.1)

Для обратимого цикла-образца . Если в качестве цикла-образца использовать цикл Карно, то величину можно назвать степенью карнотизации цикла. Абсолютно очевидно, что введение любой необратимости оказывает влияние на изменение степени термодинамического совершенства цикла (.

Рассмотрим пример «метода циклов» для простейшей аммиачной холодильной машины, представленный на рисунке 2.

Цикл 1 - обратный обратимый цикл Карно. Цикл-образец построен на температурах источников теплоты (Т_ср и Т_хол).

Вначале определяют основные характеристики цикла - удельную холодопроизводительность цикла, удельную работу, затрачиваемую для осуществления цикла (работу цикла), коэффициент преобразования цикла (вначале Карно, а в последующих циклах СОР этих циклов), а также степень термодинамического совершенства.

На первом этапе термодинамического анализа можно сделать следующие выводы:

1) СОР машины является функцией монотонно возрастающей при повышении температуры Т_хол (или монотонно убывающей при понижении Т_хол);

2) СОР машины является функцией монотонно возрастающей при понижении температуры Т_ср (или монотонно возрастающей при понижении Т_ср).

Цикл 2: цикл Карно с необратимостью в процессах подвода-отвода теплоты. Цикл построен на основных рабочих температурах холодильной машины (Т_к и Т₀). Передача теплоты от источника теплоты к рабочему веществу (или наоборот) возможна только при наличии разности температур, в этом случае теплопередающая поверхность теплообменного аппарата будет иметь реальные (конечные) размеры.

Соответственно, появляется необходимость ввести две величины ДТ_и и ДТ_к - разности температур на теплопередачу, которые определяются конструктивными особенностями испарителя и конденсатора и колеблются в пределах от 1…2? (для современных пластинчатых теплообменников) до 20? и выше - для теплообменников старых конструкций.

В большинстве случаев при расчете действительной холодильной машины температуры источников теплоты Т_ср и Т_хол неизвестны, так как эти величины не являются паспортными характеристиками машины. Следовательно, невозможно определить значение СОР_Карно, используя эти температуры. Поэтому они зачастую заменяются температурами Т_к и Т₀.

Исследование функции на экстремум методами высшей математики показывает, что изменение ДТ_и в большей степени, чем ДТ_к, влияют на . Таким образом, выбору теплообменного аппарата для процесса подвода теплоты от источника с низкой температурой должно быть уделено повышенное внимание.

Цикл 3: цикл Карно для реального рабочего вещества. Циклы 1 и 2 были построены для идеального газа, т. е. без учета свойств действительного рабочего вещества. Имеется в виду то, что так как процессы подвода и отвода теплоты изотермические, то при рассмотрении реального рабочего вещества цикл Карно должен быть реализован в области влажного пара.

Отметим, что с точки зрения термодинамического анализа циклы 2 и 3 аналогичны по определению основных характеристик. На этом этапе анализа элементам холодильной машины присваиваются конкретные названия.

Цикл 3 является практически неосуществимым как минимум по двум причинам: из-за невозможности практической реализации детандера в холодильной машине (работа, производимая детандером значительно меньше работы трения самого детандера), а также из-за невозможности работы компрессора в области влажного пара (это приведет к гидравлическому удару). Поэтому на следующем этапе добавляют новые необратимости, связанные с этими явлениями.

Цикл 4: цикл с использованием процессов дросселирования (замена детандера дросселем) и сухого хода компрессора при условии, что процессы подвода и отвода теплоты остаются изотермическими. Однако, цикл 4 также неосуществим на практике, так как процесс сжатия в компрессоре состоит из двух частей:

- 1-2 - адиабатного сжатия (реализуемого на практике);

- 2-2'' - изотермического сжатия (нереализуемого на практике).

Следовательно, на четвертом этапе термодинамического анализа можно сделать вывод: изотермические процессы подвода-отвода теплоты необходимо заменить изобарными.

Цикл 5%: цикл Планка - эталонный цикл парокомпрессионной холодильной машины.

Замена изотермического процесса подвода-отвода теплоты изобарным приводет к появлению дополнительной необратимости - эквивалентной заштрихованной площади на рисунке 2, что представляет дополнительную теплоту, которую необходимо отвести в конденсаторе. Видно, что температура конца сжатия отличается от температуры конденсации Т₂>T_к.

Цикл Планка также неосуществим на практике в связи с невозможностью в действительной машине точно зафиксировать состояние насыщенного пара (точка 1) и насыщенной жидкости (точка 3).

Цикл 6: действительная холодильная машина с необратимостью в процессе сжатия. Для реальных рабочих веществ политропа сжатия проходит очень круто и, в некоторых случаях, может попадать в область влажного пара. На ее характер влияют различные конструктивные и эксплуатационные факторы компрессора, однако наибольшее влияние оказывает система охлаждения цилиндров компрессора. При проведении испытаний характер изображения политропы определить невозможно (за исключением специальных, например, индицирования).

Анализ цикла 6 можно усложнить (рисунок 3) введением гидравлических сопротивлений со стороны рабочего вещества в процессы подвода-отвода теплоты (действительная работа теплообменных аппаратов). Как правило, гидравлические сопротивления в парокомпрессионных холодильных машинах были незначительными, в связи с чем, традиционно, не учитывались при термодинамическом анализе. Для современных конструкций трубчатых и пластинчатых теплообменников величины ДТ_и и ДТ_к значительно меньше тех, которые соответствуют условиям теплопередачи в традиционных (кожухотрубных) конструкциях, что компенсируется существенным увеличением гидравлических сопротивлений в них. Этот факт должен быть отражен в анализе «методом циклов».

На шестом этапе ТД анализа делается вывод, что конструктивные особенности компрессора, теплообменников, влияющие на цикл, должны быть отражены при анализе действительного цикла холодильной машины.

Описанный «метод циклов» и полученные выводы полностью сохраняют свою актуальность как для анализа парокомпрессорных холодильных машин, так и для анализа парокомпрессорных тепловых насосов и теплофикационных машин, однако во всех графических построениях температуры источников теплоты должны соответствовать назначению анализируемой машины.

Методом, обратным «методу циклов», является метод комплексной оценки необратимостей. Его смысл в том, что по имеющемуся действительному циклу производят построение обратимого цикла-образца, при этом все промежуточные этапы анализа отсутствуют.

3. Энтропийный и эксергетический методы

Для полной оценки эффективности холодильных систем приходится прибегать к рассмотрению ряда технико-экономических и энергетических показателей, но в их числе всегда одним из важнейших остается критерий термодинамического совершенства, с помощью которого можно сопоставить действительную затрату первичной превратимой энергии с минимально необходимой для получения заданного эффекта. На основе этого могут быть определены резервы дальнейшего совершенствования той или иной теплоэнергетической установки.

Методы термодинамического анализа, основанные на использовании второго начала термодинамики, позволяют оценить предельно возможные энергетические показатели любых установок, соответствующие случаю обратимого протекания всех процессов.

Эти методы позволяют определить степень термодинамического совершенства отдельных процессов и всего цикла, а в некоторых случаях и указать пути совершенствования установки, т. е. дать практические рекомендации конструктору.

Один из таких методов называется энтропийным. Он впервые был применен Кизомом для анализа холодильных установок; в работах Д. П. Гохштейна, А. И. Андрющенко и других авторов он получил дальнейшее развитие и был применен для анализа прямых циклов.

Второй метод, получивший название эксергетического, вытекает из трудов Гиббса, а в современной форме был развит в работах Дюгема, Кинана, Грассмана и В. М. Бродянского. Этот метод получил большее распространение, чем энтропийный, что обусловлено его общностью, в частности, возможностью применения для анализа разомкнутых процессов.

В общем случае любой элемент холодильной установки обменивается с другими телами теплотой, механической энергией и потоками вещества. Эксергия (максимальная работоспособность, превратимая энергия) теплоты определяется по формуле 3.1:

(3.1)

где Q - количество теплоты; Т - температура тела, у которого эта теплота отнимается; Т₀ - температура окружающей среды.

Удельная эксергия потока вещества равна:

(3.2)

где , - соответственно энтальпия и энтропия вещества в рассматриваемом состоянии; , - соответственно энтальпия и энтропия вещества в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой.

Если количество вещества, участвующее в процессе, равно G, то его полная энергия E_G, очевидно, равна G_E. Величина e по определению равна работе, которая может быть получена в потоке при обратимом переходе 1 кг вещества из данного состояния в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой.

Следует подчеркнуть, что при определении эксергии рассматривается система, состоящая из рабочего тела и среды, с которой единственно возможен тепловой контакт.

Эксергия механической энергии E_L равна, очевидно, величине механической энергии.

Если через E_Q, E_G, E_L обозначить введенную в систему эксергию, а через , , - полученную в результате совершения системой процесса изменения состояния, то на основании второго начала термодинамики можно утверждать, что

(3.3)

В соотношении (3.3) знак равенства соответствует обратимым процессам в системе, а знак неравенства - необратимым процессам. С помощью соотношения (3.3) определяются максимально возможные показатели установок при обратимых процессах в них.

Таким образом, хотя в любой части холодильной установки подводимая и отводимая энергии равны, в то же время отводимая эксергия (работоспособность) всегда меньше подведенной. Эта потеря работоспособности обусловлена внешней и внутренней необратимостью любых действительных термодинамических процессов.

В самом общем случае величина этой потери работоспособности может быть определена как:

(3.4)

где - суммарное изменение энтропии всех тел, участвующих в процессе.

Уравнение (3.4) лежит в основе энтропийного метода. В соответствии с этим методом для каждого узла установки рассчитывается коэффициент энергетических потерь

(3.5)

а для всей установки - степень термодинамического совершенства (эксергетический кпд)

. (3.6)

В соотношении (3.5) и (3.6) обозначает эксергию, вводимую в установку.

Зачастую при использовании энтропийного метода предполагают, что в первую очередь должны совершенствоваться те узлы установки, у которых имеет наибольшую величину. Однако, в силу взаимного влияния необратимостей в различных узлах установки наибольшее значение часто не соответствует ее «узким местам».

В эксергетическом методе анализа определенную часть установки отделяют от остальных условными граничными сечениями и определяют потоки эксергии через эти сечения, затем рассчитывают эксергетический кпд данного элемента

, (3.7)

где - левое граничное сечение, - правое граничное сечение.

Определяют также потерю эксергии в нем

(3.8)

и эксергетический кпд рассматриваемой части установки

(3.9)

Так как уравнения (3.4) и (3.8) тождественны, по существу тождественными являются и оба метода термодинамического анализа.

В то же время эксергетический метод, как уже указывалось, получил большее распространение, чем энтропийный, главным образом благодаря более широким возможностям анализа разнообразных установок, в том числе и работающих по разомкнутым схемам и с химическими превращениями рабочих тел.

Таким образом, эксерргетический анализ применяется для решения двух основных задач. Первая - установление максимальных термодинамических возможностей и вычисления безвозвратных потерь эксергии в результате необратимости процессов и циклов; вторая - обоснование рекомендаций по их совершенствованию.

При решении задач первой категории эксергетический анализ безукоризненно справляется с определением общей степени совершенства; обнаруживая возникновение энтропии, он дает возможность численного определения потерь эксергии в отдельных узлах установки. Более того, в ряде случаев удается при помощи эксергетического анализа отыскать условия, соответствующие минимуму потерь эксергии в отдельных частях установки, а в некоторых случаях и всей установки в целом.

Рекомендации по совершенствованию установок связаны с указанием тех элементов, где потери имеют наибольшее удельное значение. Однако, такие рекомендации, даваемые как эксергетическим, так и энтропийным методами, могут быть неправильными из-за недоучета взаимосвязи потерь в отдельных процессах и их выявления на общее совершенство установки.

Так, например, термодинамический анализ холодильной установки не в состоянии сам по себе указать на соответствующую зависимость потерь в конденсаторе от работы компрессора, даже идеального в эксергетическом смысле (с изоэнтропным сжатием агента).

Не всегда замечают и тот факт, что эксергетическая диаграмма потерь носит условный характер, так как потери относят к тому элементу, для которого их вычислили, а не к смежному, где они зародились самим ходом осуществления цикла.

Если используется понятие об эксергетическом кпд процессов , то необходимо знать влияние этой величины на общий кпд цикла. Чтобы избежать серьезных ошибок в рекомендациях при использовании термодинамических методов анализа, необходимо одновременно рассматривать соответствующий и образцовый цикл, так как не только необратимость отдельного процесса, но и любые отклонения от образца приводят к снижению общей энергетической эффективности.

3. Пинч-анализ

Пинч-анализ - это метод, позволяющий обеспечить уже на ранней стадии проектирования один оптимальный путь решения поставленной задачи, был предложен профессором Б.Линнхоффом. Дальнейшее развитие метод получил в работах Б.Линнхоффа и профессора Р.Смита с сотрудниками (Манчестерский университет института науки и технологии, Великобритания). Применительно к холодильным машинам и установкам имеет смысл для анализа эффективности работы, в основном, теплообменных аппаратов. Приведем пример использования метода пинч-анализа применительно к нефтяной энергетической установке.

Начальная стадия метода заключается в формализации потоковой схемы технологического процесса в виде сеточной диаграммы (рисунки 4а и 4б). Рекуперативные теплообменники (в которых происходит теплообмен между технологическими потоками) представлены в виде соединенных попарно действующих кружков, которые расположены на соответствующих потоках, обменивающихся теплом. Теплообменники, в которых одна из сред является вспомогательной (пар со стороны, охлаждающая вода, воздух и т.п.), представлены в виде одного кружка. Он расположен на том технологическом потоке, который нагревается (с буквой «h» внутри) или охлаждается (с буквой «c» внутри).

Пользуясь сеточной диаграммой, всегда возможно построить составные кривые всех горячих и всех холодных потоков (рисунок 5). Горячие кривые всегда «горячее» холодных по крайней мере на DTmin (минимально возможная разность температур в данном технологическом процессе). На рисунке горячие утилиты - тепло, подводимое к данному технологическому процессу в печах, котлах, пароподогревателях и т.п., холодные утилиты - тепло, отводимое от процесса охлаждающей водой, воздухом и т.д. Составные кривые показывают суммарное энтальпийное изменение в системе потоков во всех интервалах температуры.

Таким образом, составные кривые относятся к внешним слоям концентрической диаграммы. Они построены на основе данных, которые описывают тепловой и материальный баланс процесса. Пространство между кривыми («перекрытие» кривых) показывает значение возможной утилизации тепла. Место наибольшего сближения кривых называется Пинчем. Если от горячих теплоносителей поступает тепла больше, чем могут принять технологические потоки выше Пинча, то излишек теплоты должен быть передан через Пинч (рисунок 6). То же можно сказать при увеличенном потреблении холодных энергоносителей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Благодаря этому утверждению мы можем заменить трудоемкий процесс проектирования, осуществляемый перебором различных тепловых (рабочих) схем с целью оптимизации энергопотребления более простым «запрещением переноса» энергии через Пинч». Это достигается объединением потоков выше и ниже Пинча раздельно. В результате получается почти очевидный путь проектирования тепловых систем с минимальным потреблением энергии. Данный метод проектирования полностью основан на термодинамических законах и позволяет:

- установить энергетические цели перед проектированием;

- проектировать тепловые сети с минимальным потреблением энергии раздельно выше и ниже Пинча;

- контролировать проект на каждом месте развития.

При модернизации существующих производств методы Пинч-анализа позволяют максимально использовать уже установленное оборудование, что снижает капитальные вложения на реконструкцию. Методами Пинч-анализа можно определить стоимостной компромисс между всеми поставленными целями и капитальными вложениями при заданном времени окупаемости, которому и должен удовлетворять окончательный проект.

За последние десять лет с применением Пинч-анализа выполнено более 1500 проектов для более чем 100 компаний-производителей в нефтепереработке, химической, металлургической, пищевой промышленности, энергетике и т.д.

Результаты выполнения некоторых проектов приведены в нижеследующих таблицах:

Таблица 1 - Результаты применения Пинч-технологии в «Union Carbide»

ПРОЦЕСС	Тип проекта	Экономия за счет энергетических затрат, $/год	Капитальные вложения, $	Время окупаемости, мес.
Нефтехимический	модиф	1 050 000	500 000	6
Специальной химии	модиф	139 000	57 000	5
Специальной химии	модиф	82 000	6 000	1
Лицензионная установка	новый	1 300 000	экономия	-
Органической объемной химии	модиф	1 000 000	600 000	7
Органической объемной химии	модиф	1 243 000	1 835 000	18
Органической объемной химии	модиф	2 000 000	800 000	5
Специальной химии	модиф	570 000	200 000	4

Таблица 3 - Анализ применения Пинч-технологии в различных отраслях промышлености

Отрасль	Экономия	Окупаемость проекта
Нефтехимия	30% от потребляемого топлива	12-24 месяца
Неорг. химия	30% общей энергии	9-16 месяцев
Химия	30% общей энергии	15 месяцев
Фармакология	20-40% общей энергии	2-2,5 года
Полимерная	25%+ увеличение производительности	до 3 лет
Красители	15% общей энергии	15 месяцев
Металлургия	50% увеличение мощности	2 года
Пищевая	25% общей энергии	2 года

4. Эксергоэкономический анализ

Недостаток существующих термодинамических методов состоит в том принятии принципа равноценности эксергетических потерь в результате диссипации как механической, так и тепловой энергии на том основании, что любые потери эксергии выражаются одинаково, как ДL = T₀ДS. Потеря механической энергии из-за трения качественно и количественно приравниваются к потере эксергии теплоты. Это допущение вызывает серьезные возражения по двум причинам. Прежде всего совершенно очевидно, что себестоимость потерянной единицы работы не равна себестоимости потери эквивалентной единицы теплоты. Приравнивание этих двух видов потерь может быть сделано только на базе чисто термодинамического подхода, исключающего рассмотрение экономических, денежных затрат на техническое осуществление машины, способной реализовать эксергию, теряемую в отдельных процессах цикла.

В таком случае необходим еще один метод анализа термодинамической системы, который позволил бы получить результаты потерь в «денежном эквиваленте». Такой метод носит название эксергоэкономического анализа и является как-бы конечным и наивысшим этапом термодинамического анализа.

Эксергия и тепло бывают в таких формах, когда практическая ее ценность равна нулю, в то время, как ценность эксергии механической или электрической энергии всегда отлична от нуля. стоимость эксергии тепла может быть оценена различно в зависимости от того, какие расходы придется понести, чтобы ее использовать для получения желаемого эффекта. Такими эффектами могут быть выработка электроэнергии, получение холода в теплоиспользующих установках, обогрев зданий и другие процессы.

При эксергоэкономическом анализе обычно различают «начало» и «конец» цикла. Начало - ввод расходуемой эксергии, конец - выход «эффекта» в виде его эксергетической ценности. Эксергетические потери, возникающие по пути, также не могут быть признаны экономически равноценными. Их относительная ценность зависит от «пройденного пути».

Нельзя, например, сравнивать потери эксергии топлива до его поступления в силовую установку с потерями эксергии в генераторе тока, так как технико-экономические затраты делают более чувствительными потери в тех узлах установки, которые расположены ближе к концу пути, где получается желаемый эффект после всех материальных и трудовых затрат.

Каждый реализуемый процесс обязательно сопровождается эксергетической потерей П_i и вкладами капитальных К_i и эксплуатационных Э_i затрат. Неучет этих затрат, а также вопросов надежности и безаварийности энергетических установок при выборе оптимальных вариантов с инженерной точки зрения совершенно недопустим.

В качестве характеристики энергетических установок можно ввести степень технико-экономического совершенства ?, представляющую собой отношение стоимости единицы введенной эксергии с₁ к стоимости единицы полученной эксергии с_У:

(5.1)

Так как

(5.2)

(5.3)

Величина изменяется от 0 до 1, возрастает с увеличением эксергетического кпд и снижается при увеличении затрат .

Поскольку в подавляющем большинстве случаев увеличение связано с увеличением , решение технико-экономической задачи должно сводиться к отысканию значения ?_макс, а не з_макс, как это делается в чисто эксергетическом анализе.

Вопрос об оценке новых систем и циклов при сопоставлении их с достигнутым уровнем техники в данной отрасли может быть решен либо путем сопоставления коэффициентов , либо настоящим методом.

Оценивая по существующей стоимости конечного продукта вводимую эксергию Е₁ и вычитая из нее последовательно денежные затраты, связанные с капиталовложениями и эксплуатацией, а также эксергетические потери, получим величину Д, которую можно определить по формуле

(5.4)

Только при положительном значении Д установка обеспечивает экономический эффект.

Таким образом, в зависимости от знака и величины Д можно судить о реальной ценности эксергии, вырабатываемой данной установкой.

Очевидно, осуществление новых схем и циклов, так же как и применение нового оборудования, сможет изменить показатели ? или Д и расширить зону эффективного использования энергетических ресурсов. Во всяком случае эти величины отражают степень технико-экономического совершенства. Величина Д может названа эффективной эксергией. Ее рассмотрение при технико-экономическом анализе (или, как начали называть термоэкономическом анализе) способно выявить оптимальные варианты.

На основе чисто эксергетического подхода невозможно прийти к выводу о необходимости введения новых теоретических циклов, если они будут обладать пониженным значением степень термодинамического совершенства. Это еще раз подчеркивает крайнюю необходимость развития таких методов, в которых возможности расчета эксергетических потерь были бы использованы для проведения общего технико-экономического анализа холодильных установок.



Заключение

Представленные в данном реферате на рассмотрение методы анализа эффективности холодильных машин и установок являются универсальными и могут быть применены к различным типам холодильных машин, тепловых насосов, а также различных других энергетических установок, что делает их применение возможным во многих областях энергетики и холодильной техники.

Применяя методы анализа, описанные в данной работе, на практике, можно получить точные результаты и прогнозы работы холодильной машины еще на ранних стадиях ее проектирования. Это делает проектирование холодильных машин и установок быстрым, точным, а самое главное, менее затратным (как по деньгам, так и по времени) последовательным процессом.

Применение «метода циклов» позволяет сделать обширный сравнительный анализ циклов любой теплоэнергетической установки (в том числе, и холодильной) путем перехода от обратимого цикла до необратимого (добавление необратимостей). На различных этапах применения «метода циклов» приводят выводы касательно влияния той или иной необратимости на цикл установки, а также предлагают пути уменьшения потерь.

Энтропийный и эксергетический метод - методы термодинамического анализа, основанные на первом и втором началах термодинамики. Причем, в основе энтропийного метода лежит анализ процессов с помощью уравнения Гюи-Стодолы, а в основе эксергетического метода - анализ размера потерь эксергии по отношению к полезному эффекту установки. Таким образом, делается вывод об эффективности работы того или иного узла холодильной машины, либо же ее в целом. Данные два метода являются «параллельными», то есть, могут использоваться независимо друг от друга, при этом приводя к похожим результатам.

Нашедший применение в середине 20-го века метод Пинч-анализа целесообразен для оценки эффективности работы теплообменных аппаратов, так как он предусматривает анализ составных кривых выше и ниже Пинча, что в результате дает возможность оценить теплообменный аппарат с точки зрения эффективности протекания процессов теплопередачи. Причем, оценка эффективности работы холодильной машины в целом данным методом невозможна.

Наивысшим уровнем термодинамического анализа является эксергоэкономический анализ, позволяющий получить зависимость экономических средств от эксергетических показателей холодильной машины. Метод основывается на оценке экономической стоимости полезного эффекта холодильной машины, следовательно, становится возможным определить целесообразность изготовления холодильной машины на ранних стадиях ее проектирования.

Стоит отметить также возможность комбинирования вышеперечисленных методов термодинамического анализа холодильных установок для получения новых способов и средств анализа их энергетической эффективности. Таким образом, появляются перспективы повышения качества выходных параметров каждого из методов, что делает процесс проектирования менее емким.

Дальнейшая работа по исследованию уже существующих методов анализа энергетической эффективности холодильных машин и установок и использование применительно к ним современных компьютерных технологий предполагает развивать новые способы анализа и моделирования холодильных систем, благодаря которому инженер сможет не только увидеть прогнозы работы проектируемой холодильной машины, но также создавать высокодетализированные компьютерные модели холодильных систем различного назначения и проводить их испытания в расчетных и нерасчетных условиях. Автор считает, что такая перспектива оптимизации и модернизации процесса проектирования холодильных машин является вполне реализуемой с помощью доступных в настоящее время средств термодинамики и компьютерных технологий.



Литература

1. Морозюк Т. В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: студия «Негоциант», 2006;

2. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - Москва, изд. «Энергия»;

3. Е. Я. Соколов, В. М. Бродянский. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - Москва, «Энергоиздат», 1981;

4. Мартыновский В. С. Анализ действительных термодинамических циклов. - Москва, «Энергия», 1972.

Размещено на Allbest.ru

...