Чикалев А.Л. В-34. Энергосберегающая система технического водоснабжения промпредприятия

• Название: Энергосберегающая система технического водоснабжения промпредприятия
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 261.09 Kb.
• Имя файла: Чикалев А.Л. В-34.docx
• Тип: Практическая работа; #745747

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА»

ВЫСШАЯ ШКОЛА ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКИ

Институт заочного и вечернего обучения

Кафедра теплосиловых установок и тепловых двигателей

Практическая работа

по дисциплине «Основы трансформации тепла и процессов охлаждения»
на тему:
Энергосберегающая система технического водоснабжения промпредприятия

/Вариант 34/

Выполнил	студент учебной группы №7-448 Чикалев Андрей Леонидович
	(фамилия, имя, отчество)
Проверил	Базулин Илья Сергеевич
(должность, фамилия, имя, отчество)

Санкт-Петербург

2022

Оглавление

Задание на курсовую работу

Спроектировать оборотную систему технического водоснабжения промышленного предприятия с использованием теплоты оборотной воды в тепловых насосах для нужд низкотемпературного отопления, вентиляции и горячего водоснабжения при следующих исходных данных:

1. 
   Температура воды для нужд отопления и вентиляции
   
2. 
   Охлаждение воды в отопительных приборах
   
3. 
   Температура воды на горячее водоснабжение
   
4. 
   Температура холодной воды для подпитки системы ГВС
   
5. 
   Температура охлажденной оборотной воды
   
6. 
   Температура теплой оборотной воды
   
7. 
   Тепловые нагрузки:
   

• 
  горячего водоснабжения
  
• 
  отопления
  
• 
  вентиляции
  

8. 
   Расход оборотной воды
   

Составление функциональной схемы системы водоснабжения

На рис. 1 приведена функциональная схема энергосберегающей системы технического водоснабжения промпредприятия с наиболее полным использованием теплоты оборотной воды.

Тепловая оборотная вода из цеха промпредприятия собирается в бак теплой воды БТВ и через фильтр Ф насосами Н2 подается на градирни ГР и испарители И тепловых насосов ТН, в которых оборотная вода охлаждается. Затем охлажденная оборотная вода поступает в цех промпредприятия. Насосы Н4 подают охлажденную воду из градирен в цех. Охлаждение оборотной воды также происходит в предварительном теплообменнике ПТ холодной водой из водопровода, подаваемой под напором водопроводной сети в систему горячего водоснабжения. Второй ступенью подогрева служит разделительный теплообменник РТ, в котором горячей средой служит вода промежуточного контура. Циркуляцию воды в промежуточном контуре обеспечивают насосы Н1, нагрев воды – маслоохладители МО и конденсаторы К тепловых насосов. Расширительный бак РБ облегчает запуск насосов Н1 и служит также для подпитки промежуточного контура водой, компенсируя возможные утечки ее.

В периоды пониженного водоразбора из системы горячего водоснабжения циркуляцию воды обеспечивают насосы Н3. вода от отопительных приборов и калориферов в промежуточный контур поступает через грязевик Г.

Тепловой насос ТН снабжен регенеративным теплообменником РТО, что снижает потери энергии в терморегулирующем вентиле ТРВ. Охлаждаемая оборотная вода подается в испарители И, где ее теплота отводится к кипящему фреону. Нагреваемая вода промежуточного контура подается в конденсатор К, где при конденсации пара фреона происходит ее нагрев. В компенсаторе осуществляется сжатие пара фреона, что приводит к повышению его давления и температуры. Терморегулирующий вентиль при дросселировании жидкого фреона снижает его давление и температуру. В регенеративном теплообменнике теплота жидкого фреона, выходящего из конденсатора, используется для перегрева пара фреона при входе в компенсатор. Поскольку в тепловом насосе применяется винтовой маслозаполненный компрессор, охлаждение масла производится в маслоохладители МО водой промежуточного контура.

Расчет режима работы теплонасосной установки и выбор тепловых насосов

Задачей расчета является определение расходов всех потоков воды, ее температуры, тепловых нагрузок теплообменников, теплопроизводительности теплонасосной установки, типоразмера и количества тепловых насосов.

Считаем, что функциональная схема системы водоснабжения соответствует приведенной на рис. 1. в качестве тепловых насосов применяются парокомпрессионные тепловые насосы с маслозаполненным винтовым компрессором.

Объемный расход воды на горячее водоснабжение:



где с, ρ – удельная теплоемкость и плотность воды.

Температура подпиточной воды системы горячего водоснабжения на выходе из предварительного теплообменника:



где – недогрев подпиточной воды в предварительном теплообменнике до температуры обратной воды, принимается

Тепловая нагрузка предварительного теплообменника:



Теплопроизводительность теплонасосной установки:

.

Количество рабочих тепловых насосов:



где , – номинальная теплопроизводительность конденсатора и маслоохладителя выбранного теплового насоса.

Количество устанавливаемых тепловых насосов с учетом резерва:



Рекомендуется использовать однотипные и наиболее мощные тепловые насосы, стремясь к максимальному использованию их мощности. Минимальное количество тепловых насосов должно быть не менее двух (один рабочий и один резервный). Устанавливаем 2 рабочих и один резервный тепловые насосы.

Выбираем тепловой насос НТ-300 с характеристиками:

Теплопроизводительность:

конденсатора 300 ;

маслоохладителя 40 ;

Тепловые нагрузки конденсатора и маслоохладителя каждого теплового насоса в расчетном режиме:



Тепловая нагрузка испарителя конденсатора в расчетном режиме:



Тепловая нагрузка испарителя в расчетном режиме:



где – коэффициент трансформации теплового насоса, принимается .

Расход обратной воды через предварительный теплообменник и испарители тепловых насосов:



Расход оборотной воды на градирни:



Расход воды на отопление:



Расход воды на вентиляцию:



Тепловая нагрузка разделительного теплообменника:



Температура горячей воды в промежуточном контуре конденсаторов и маслоохладителей тепловых насосов на выходе из разделительного теплообменника:



где – недоохлаждение воды промежуточного контура в разделительном теплообменнике, принимается .

Расход воды из промежуточного контура для нагрева воды на горячее водоснабжение в разделительном теплообменнике:



Расход воды в промежуточном контуре

Выбор схем включения испарителей и конденсаторов тепловых насосов

Наилучшие энергетические показатели теплонасосной установки достигаются при последовательной схеме включения конденсаторов тепловых насосов по нагреваемой воде. В этом случае во всех конденсаторах, кроме последнего, температуры и давления рабочего агрегата ниже расчетных. Для испарителей тепловых насосов в общем случае наиболее предпочтительной является параллельная схема включения по охлаждаемой воде. При этом обеспечиваются максимальные температуры и давления рабочего агрегата во всех испарителях.

Возможность оптимального соединения ограничена необходимостью обеспечения требуемых по техническим характеристикам тепловых насосов номинальных расходов воды через испаритель V_ин и конденсатора V_кн. Допустимое снижение расхода составляет 70 % от номинального значения, поскольку при меньших расходах значительно падает коэффициент теплопередачи в испарителе и конденсаторе. Превышение номинального расхода более чем на 5 % недопустимо, так как в этом случае возрастают энергозатраты на прокачку воды. Для оптимального соединения испарителей и конденсаторов тепловых насосов необходимо выполнение условий:

V_нп = (0,7 … 1,05) NV_ин

V_пк = (0,7 … 1,05) V_кн.

На практике возможно несоответствие значений V_нп и V_ин, V_пк и V_кн. Тогда при V_пк< 0,7 V_кн и V_пк> 1,05 V_кн используется байпасная линия.

При V_нп< 0,7 V_ин предусматривается байпасная линия, и разделение потока воды осуществляется после выхода из испарителя последнего теплового насоса по ходу охлаждаемой воды.

требуется байпасная линия испарителя.

требуется байпасная линия конденсатора.

Принимаем последовательный способ соединения конденсаторов и последовательный способ соединения испарителей ТНУ.

Маслоохладители тепловых насосов соединяются параллельно и включаются в промежуточный контур нагреваемой воды перед конденсаторами с целью обеспечения наилучшего охлаждения масла.

Температура охлаждаемой воды на входе в испаритель первого теплового насоса после предварительного теплообменника:



Температура охлаждаемой воды на выходе из i- го испарителя рассчитывается с учетом охлаждения ее в испарителе:



Для последовательно соединенных испарителей N тепловых насосов температура воды на входе в /i+1/ - й испаритель равна температуре воды на выходе из i-го испарителя, т.е.



Проверка расчета распределения температуры охлаждаемой воды производится в соответствии с условием :



Для последовательно соединенных конденсаторов тепловых насосов, противоточной схемы движения воды через конденсаторы и испарители, а также ранее принятой нумерации тепловых насосов:









Температура нагреваемой воды промежуточного контура на входе в маслоохладители тепловых насосов:


Проверка расчета распределения температуры нагреваемой воды производится на основании уравнения теплового баланса при смешении потоков воды промежуточного контура, поступающих из разделительного теплообменника, систем отопления и вентиляции:



Средняя температура воды в конденсаторах и испарителях тепловых насосов:









Для каждого теплового насоса рассчитывается разность средних температур воды в конденсаторе и испарителе:





Максимальное значение этой разности температур соответствует тепловому насосу, который работает в наиболее тяжелых условиях.

Расчет термодинамического цикла теплового насоса

Целью расчета является определение производительности компрессора и мощности его электродвигателя, тепловых нагрузок испарителя и маслоохладителя, вычисление коэффициента трансформации. Расчет термодинамического цикла выполняется для того теплового насоса, который работает в наиболее тяжелых условиях. По результатам расчета делается вывод о правильности выбора типоразмера теплового насоса.

Исходные данные для расчета:

1. 
   Рабочий агент – фреон R134a
   
2. 
   Тепловая нагрузка конденсатора
   
3. 
   Средняя температура охлаждаемой воды в испарителе
   
4. 
   Средняя температура нагреваемой воды в конденсаторе
   
5. 
   Температура воды на входе в маслоохладитель
   

Температура кипения и конденсации фреона:





где - средний температурный напор в испарителе и конденсаторе, принимается:

Давление кипения и давление конденсации находим по известным температурам и с помощью таблицы температур и давлений фреона R134a на линии насыщения:

;

;

Степень повышения давления в компрессоре:



Температура пара на входе в компрессор:



где – перегрев пара в регенеративном теплообменнике, принимается .

С помощью P-h-диаграммы фреона R134a определяем энтальпии , и , удельный объём и энтропию .

По давлению и температуре находим:

;





По точке пересечения изобары с нижней пограничной кривой находим:



По точке пересечения изобары с верхней пограничной кривой находим:



Энтальпия жидкого фреона в точке 4 находится из уравнения теплового баланса для регенеративного теплообменника:



Поскольку процесс дросселирования 4-5 является изоэнтальпным, то



С помощью P-h-диаграммы фреона R134a определяем энтальпию пара фреона в конце идеального изоэнтропного процесса сжатия в компрессоре по давлению и энтропии .



Энтальпия пара фреона в конце политропного процесса сжатия в компрессоре:



где – внутренний КПД компрессора;

Внутренний КПД компрессора находится из зависимости, обобщающий опытные данные:



Энтальпия пара фреона в конце процесса отвода теплоты впрыскиваемым маслом определяется из P-h-диаграммы при давлении и температуре масла на выходе из компрессора , которая составляет:



где t - температура масла на входе в компрессор, принимается ;

- повышение температуры масла в компрессоре.

Таким образом, .

Удельный тепловой поток, отводимый рабочего агента в конденсаторе:



Расход рабочего агента, циркулирующего в тепловом насосе:



Тепловой поток, отводимый маслом от рабочего агента (тепловая нагрузка маслоохладителя):



Расход масла, подаваемого в компрессор:



где - удельная теплоемкость и плотность масла.

Для условий работы можно принять:





Относительный массовый расход масла:



С целью проверки правомерности принятого значения повышения температуры масла, полученное значение относительного массового расхода масла сравнивается с рекомендуемым значением относительного массового расхода:

0,34

Проверка:



Расхождение составляет не более 20%, что допустимо.

Мощность электродвигателя для привода компрессора



где – электромеханический КПД, принимается .

Действительная объемная производительность компрессора:



Теоретическая объемная производительность компрессора:



Коэффициент подачи определяется из зависимости:



Удельный тепловой поток, подводимый к рабочему агенту в испарителе:



Тепловая нагрузка испарителя:



Тепловая нагрузка регенеративного теплообменника:



Для контроля расчета составляется энергетический баланс установки:





307,3 = 298,4



Невязка приходной и расходной частей баланса не превышает 8%, что допустимо.

Коэффициент трансформации



Невязка тепловой нагрузки испарителя теплового насоса , полученная в результате расчета термодинамического цикла, и нагрузки , вычисленной в п. 2.3 составляет:



Невязка тепловых нагрузок испарителя не превышает 10%, что допустимо.

Расчет показателей экономичности теплонасосной установки

Эксергетический КПД теплонасосной установки:



где – удельный расход электроэнергии в идеальном тепловом насосе:



Годовая экономия топлива от применения тепловых насосов для утилизации теплоты оборотной воды определяется путем сравнения годового расхода топлива на котельной установке, которую замещает теплонасосная установка, с расходом топлива на конденсационной электростанции, электроэнергия которой используется для привода электродвигателей компрессоров тепловых насосов. Теплопроизводительности теплонасосной и котельной установок полагаются одинаковыми.

Годовой расход условного топлива на конденсационной электростанции:



где – удельная низшая теплота сгорания условного топлива;

– КПД электростанции;

– КПД линии электропередачи;

– коэффициент трансформации теплоты;

– продолжительность отопительного периода;

.- продолжительность летнего периода.

Годовой расход условного топлива в котельной установке, которую замещает ТНУ:



где - КПД нетто котельной установки.
Годовая экономия условного топлива (в процентах):

Список использованной литературы

1. 
   Технологические энергоносители предприятий: метод. указания к выполнению курсового проекта « Система технического водоснабжения промышленного предприятия с теплонасосной установкой»; сост. Филатов В.В., Буянов А.Б. – СПб., ПГУПС, 2008.- 39 с.
   
2. 
   Холодильные машины и аппараты. Каталог. 4.2. – М.: ЦИНТИ – химнефтемаш.
   

1984. – 38 с.

3. 
   Установки для трансформации теплоты: Рабочая программа, методические указания, задания на контрольную работу /Сост. Л.А. Филатов. – Л.СЗПИ, 1989 – 32 с.
   

В.В. Филатов. –Л. СЗПИ, 1989 – 32с.

4. 
   Техника низких температур /атлас/ /Под ред. И.П.Усюкина – М.: Пищевая промышленность, 1977- 244 с.
   
5. 
   Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин /Под общ. Ред. И.А.Сакуна – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987 – 423с.
   
6. 
   Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник /В.И.Манюк, Я.И.Каплинский, Э.Б.Хиж и др. – М.: Стройиздат, 1938 – 432 с.
   
7. 
   Системы производства и распределения энергоносителей промпредприятий: Рабочая программа, методические указания, задание на контрольную работу /Сост. В.В.Филатов – Л.: СЗПИ, 1989 – 32 с.