CC BY
35
УДК 621.577
В. О. ТАРАСОВА, канд. техн. наук Д. Х. ХАРЛАМПТДТ, докт. техн. наук
Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, м. Харків
АНАЛІЗ ЕКОЛОГО-ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУЧАСНИХ ЧИЛЕРІВ І ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ ПРИ РОБОТІ З НЕПОВНИМ НАВАНТАЖЕННЯМ
Создана методика термодинамического тестирования и оценки экологических маркеров современного теплонасосного оборудования, на основе которой впервые проведен эколого-энергетический анализ чилеров и тепловых насосов.
Створено методику термодинамічного тестування та оцінки екологічних маркерів сучасного теплонасосного обладнання, на основі якої вперше проведено еколого-енергетичний аналіз чиллерів і теплових насосів при роботі в режимі з неповним навантаженням.
Вступ
Виснаження озонового шару земної атмосфери і як слідок цього явища глобальне потепління залежить не тільки від шкідливих викидів в атмосферу вуглекислого газу, але і від викидів холодоагентів, що містять у своєму складі хлор. Необхідність обмеження, а в перспективі повне припинення виробництва та використання озоноруйнівних холодоагентів спонукнуло до підписання багатьма країнами світу Монреальського, а надалі і Кіотського протоколів. Україна, як і більшість країн світу прийняла на себе зобов'язання проводити енергозберігаючу політику, яку спрямовано на зниження викидів СО2 в атмосферу, а також усунення з обігу цілого ряду озоноруйнуючих холодоагентів.
На сьогоднішній день основною помилкою під час вибору обладнання чилерів і теплових насосів є те, що пріоритет частіше надається інвестиційній складовій проекту системи теплохолодопостачання. Це призводить до того, що обирається, зазвичай, більш дешеве обладнання, яке експлуатується не в оптимальних для нього термодинамічних режимах. Надалі такий підхід призводить не тільки до підвищення експлуатаційних витрат всієї системи, але й завдає екологічної шкоди у вигляді збільшення загального еквіваленту глобального потепління.
Аналіз літератури та постановка задачі дослідження
З досвіду експлуатації відомо, що умови роботи, які відповідають максимальному навантаженню чилерів і теплових насосів, становлять тільки невеликий відсоток від загального часу їх роботи. Таким чином, робота з частковим навантаженням є тим реальним режимом, в якому зазвичай працює установка. Випробування чилерів СНуй [1] показали, що близько 90 % від загального часу роботи система експлуатується в режимі з частковим навантаженням, тобто її холодопродуктивність становить менше 60 % від розрахункової. Ефективність роботи установки в умовах часткового навантаження є важливим параметром, що характеризує технічну досконалість її конструкції.
Помилково вважати, що режим роботи чилера з частковим навантаженням є економічним з точки зору споживання енергії приводу компресора та допоміжного обладнання чилерів та теплових насосів, а тому є і менш впливовим на екологію. Відомо, що для більшості сучасних чилерів при роботі в режимі з частковим навантаженням споживання енергії перевищує розрахункові значення. Теоретичне змінення потужності, що споживається компресором, має бути пропорційним зміні холодопродуктивності установки. Проте в реальних умовах при роботі в режимі з недовантаженням з низькою витратою холодоагенту зміна потужності приводу відбувається непропорційно зміні холодопродуктивності.
Дані випробувань [2, 3] парокомпресійних чилерів показали, що в реальних умовах їх експлуатації у разі зміни холодопродуктивності Q0 величина внутрішньої дисипації енергії залишається постійною ASBHyTp ~ const для досить широкого діапазону реальних режимів. На перший погляд це може здатися дещо незвичним, однак цьому є розумне пояснення. Відомо, що величина внутрішньої дисипації енергії ASBHyTp включає в себе: перше - виробництво ентропії в одиниці маси холодоагенту; друге - виробництво ентропії у швидкості потоку холодоагенту. Коли швидкість потоку холодоагенту зменшується, наприклад, при дроселюванні у всмоктувальному патрубку поршневого компресора, виробництво ентропії в одиниці маси в цей момент збільшується.
Таким чином, в реальних чилерах і теплових насосах зменшення масової витрати холодоагенту внаслідок дроселювання у поршневому компресорі чи частковому закритті напрямних лопаток у відцентровому компресорі, гідравлічних опорів, компенсується збільшенням виробництва ентропії в одиниці маси холодоагенту, тому сумарне виробництво ентропії в результаті внутрішньої незворотності Мвнутр залишається постійним при зміненні Qo. Хоча, слід зазначити, що це дійсно не для всіх типів чилерів. Найбільш помітно відхилення від умови А^внутр ~ const для моделей парокомпресійних чилерів, які містять гвинтові компресори [4].
В доступній нам літературі відсутні будь-які рекомендації щодо врахування при виборі чилерів і теплових насосів впливу фактора недовантаження на енергетичну ефективність та екологічні маркери, які введені світовою спільнотою для оцінки загального впливу енергетичного устаткування на потепління клімату. Тому нами вперше зроблено спробу створення методики оцінки еколого- енергетичних характеристик сучасних чилерів та теплових насосів, що працюють у режимі з неповним навантаженням
Методика оцінки енергетичних та екологічних показників сучасних чилерів та теплових насосів Теоретичне врахування впливу внутрішньої дисипації енергії на енергетичну ефективність чилера або теплового насосу при роботі з не повним навантаженням є складним завданням і вимагає залучення рівнянь нерівноважної термодинаміки для аналізу процесів циклу. Потрібно при параметризації циклу враховувати ступень досконалості процесів теплообміну. Тому ми звернулися до ентропійно-статистичного підходу, який запропоновано M. Gordon, K. C. Ng., H. T. Chua [4].
Рівняння для визначення потужності приводу компресора в ентропійній формі можна отримати шляхом запису рівнянь енергетичного і ентропійного AS балансів
QKOHfl + Q™ - Qo + Qo™ - nkm + Q™ = o, (1)
AS =
QKOTO + Q
T tp
^ 1 ср.конд J
Ґ \ гл . /^втрати і
o
T Tp ср.вип J
-ASBHyip, (2)
де #км - потужність приводу компресора; Око^™ - втрати теплової потужності
конденсатора; 0отра™ - втрати холодопродуктивності; 0к^а™ - тепловтрати з поверхні
корпусу компресора; А£Внутр - величина внутрішньої дисипації енергії, що зумовлена
процесами стиснення, дроселювання та наявністю гідравлічних опорів по тракту руху холодоагенту.
Комбінуючи рівняння (1) і (2) можна записати
О ■ Ттр
N ——О і 0 ср' конд + Т111 + Ттр (3)
іукм _ Ъ£0^ Т тр ср- конд^Лнутр ^ ^ ср. кон^^тп , (3)
ср. вип
де Т£тп та ТСрРконд - середньотермодинамічні температури холодоагенту у випарнику та конденсаторі відповідно.
Середньотермодинамічні (дисипативні) температури холодоагенту в неізобарних процесах випаровування і конденсації знаходяться зі співвідношення [4]
Ттр =
ср
І йі
(4)
де і - ентальпія; 7} - середньологарпфмічна температура в виділеній зоні
теплообмінника.
Виробництво ентропії в результаті теплових втрат з поверхні теплообмінного обладнання Д^п [5]
глвтрати
^тп = + в,
ср.конд
1
1
т тр
У ср. вип
(5)
Для знаходження А£Внутр нами використовувалася напівемпірична термодинамічна модель аналізу реальних характеристик чилерів [4].
Ті
ч1
Г'+1 ’ 1 ( вГ (Тч1 - Тл )|ясумв0 [■+11
є_ в0 Тч1 в0 Тч1 _ є_
(6)
де - температура холодоносія на вході у випарник; Тк1 - температура теплоносія на вході в конденсатор.
Величина А^внутр визначає внутрішні дисипативні втрати енергії в циклі, в тому числі, що зумовлені впливом термогідравлічної незворотності, - еквівалентні тепловтрати з
поверхні обладнання, Ясум - сумарні втрати від незворотності внаслідок кінцевої різниці температур у випарнику і конденсаторі.
Еквівалентні теплові втрати Q™в [5]
/^втрати гр QKM ^ 81
Єекв ___ гл втрати
'тп “ °0 +
т - т
1 ч1 1 *1
(7)
Сумарний термічний опір Ясум характеризує втрати від незворотності внаслідок кінцевої різниці температур у випарнику і конденсаторі
1 1
О
СУМ х-т — /-< —
тт С ^ т С ^
8 р ВИП М р^ КОНД
де з^вип, Т - теплотехнічна ефективність випарника та конденсатора, відповідно.
У рівнянні (6) значення А£Внутр, Q регресії. Шукані величини А£ВНутр, Q■ рівнянні У - т1х1 + т2х2 + т3х3.
(8)
ТПЄКВ, Ясум знаходяться методом множинної лінійної
екв
ТП 5
я
У
лівій
частині
рівняння
(6)
сум Є регресійними коефіцієнтами Шк в 1'
Т
У — *1
_ т
ч1
1+
-1,
а
в
правій
т*1 х _ (т„1 - Т*1)
во
Тч1в0
,во
ч1
1 +
1
Таким чином, з використанням експериментальних даних або ж даних каталогів виробників чилерів та теплових насосів можна отримати реальні значення втрат від незворотності. Максимальний холодильний коефіцієнт з урахуванням обмеження на теплову потужність установки визначити за наступною залежністю
Тч1 (во + )+ вГ(Тч1 - т*1) _ 1
в0 (Тя1 “ Ясу.\ів0 )
(9)
X
2
Напівемпірична термодинамічна модель аналізу реальних характеристик чилерів може бути використана як для аналізу конкретної моделі, так і для узагальненого аналізу всього номенклатурного ряду, що виробляється. У контексті сказаного, важливим завданням є визначення зони максимальної ефективності того чи іншого типу обладнання. Так, наприклад, для одного і того ж діапазону продуктивності вибір одночасно моделей з різним типом компресорів і теплообмінників нераціональний, оскільки реальні умови експлуатації обладнання накладають суттєві обмеження на його ефективність. Відомо, що гвинтові компресори ефективні при великих потужностях, а поршневі - навпаки при малих.
Нами проведено узагальнений аналіз реверсивних рідинних чилерів з повітряним охолодженням, що використовують холодоагент R407C. Було проаналізовано чилери трьох відомих компаній-виробників. "Clivet"i "H[dROS" (Італія), та “Trane” (Німеччина).
При аналізі досконалості чилерів було враховано діапазон холодопродуктивності, при якому мають місце різні прояви втрат незворотності. Значення Д£внуТр, QTn6KB та RcyM, що отримано на підставі регресійної моделі для реальних машин у діапазонах Q0. від 5 до 20 кВт; від 20 до 60 кВт; від 60 до 150 кВт, надані в табл. 1.
Таблиця 1
Реальні значення незворотності Д£внуТр, QTneKB та RcyM
Діапазон Q.0, кВт Компанія - виробник RcyM, К/кВт QTneKB, кВт Д^внутр, кВт/К
5-20 ffldROS 2,4657 1,6910 0,002924
Clivet 2,5900 2,5069 0,003424
Trane 2,0693 2,4031 0,003183
20-60 ffldROS 0,7185 13,922 0,010538
Clivet 0,6500 10,29631 0,01754
Trane 0,7475 16,3115 0,013392
60-150 ffldROS 0,2386 25,5212 0,033963
Clivet 0,3441 24,6752 0,037374
Trane 0,26595 3,7270 0,04070
На рис. 1 наведено результати обробки розрахункових даних, що отримані для рідинних чилерів з повітряним охолодженням конденсатора, що працюють у реверсивному режимі.
1/£-----
0,4 -
0,35 - 3
0,3 -
0,25------
0 0,01 0,02 0,03 0,04 1/Q0
а
0,005 0,01 0,015 1/Q0
б
Рис. 1. Залежності 1/s від 1/Q0 для чилерів у діапазоні Q0: а - від 20 до 60кВт; б - від 60 до 150 кВт 1- Clivet; 2- HIdROS; 3 - Trane
0
Встановлено, що для чилерів малої холодопродуктивності більш суттєвий вилив на ефективність робить Д^внутр, Для чилерів з великою холодопродуктивністю сильнішим є вилив Ясум і слабкішим - вплив 0Тпекв- При цьому із зростанням Г8і значення Д^нутр, 0тпЄКВ
збільшуються, a RcyM знижується. З ростом Tw1 відбувається зниження А^внутр, QTneKB, але RcyM та А^внутр підвищується.
При роботі в режимі з частковим навантаженням Q™CT-HaB- дЛЯ чилера "Trane"
холодопродуктивністю Q0= 50,1 кВт з повітряним охолодженням конденсатору за даними таблиці 1 та користуючись формулою (9) отримано величину 1/s і визначено споживання електроенергії на привід компресору мчастнав= Q^acTHa//s. При цьому розглядалися три режими
роботи чилера з однаковою температурою повітря на вході у конденсатор Tw = 35 °C і різних температурах води на вході у випарник: Ts1 = 10 ° C, 7л = 12 ° C і 7л = 14 ° C.
На рис. 2 наведено графік споживання електроенергії на привід компресора у відсотках N = (мчастнав /Nкм )■ 100% при різному відсотку від номінальної холодопродуктивності чилера
Q =(Q ”/ Q0 )-100%.
Рис. 2. Залежність N від Q0 для чилерів “Trane”
1- 7Si= 10 °С; 2- Tsi= 12 °С; 3 - Tsl= 14 °C
Найбільше відхилення приводний потужності в режимі з недовантаженням від теоретичної характеристики спостерігається при температурі на вході у випарник Ts1 = 10 °С. Найменше відхилення має місце при температурному режимі з 7л = 12 °С, що є робочим для даної моделі. Однак слід зазначити, що відхилення від теоретичної характеристики споживаної потужності приводу будуть збільшуватися навіть у разі підвищення температури води до 7л = 14 °С у порівнянні з робочим режимом 7л = 12 °С.
Користуючись рівнянням (9), можна ще на етапі проектування чилера скорегувати температурні напори в теплообмінних апаратах таким чином, щоб в недовантаженому режимі роботи установки відхилення реальної потужності приводу компресора від її теоретичної характеристики було мінімальним.
Нижче представлені результати аналізу моделей фірми "divet", в яких виробники врахували зазначену вище особливість зміни споживаної потужності в режимі з недовантаженням шляхом збільшення ступеня завантаження поверхні теплообміну випарника і конденсатора у всіх випадках, коли не потрібно максимальне навантаження. Це досягається створенням двох незалежних холодильних контурів, тому установка здатна працювати у двох режимах - на 50 % від своєї номінальної холодопродуктивності і на 100 % [1]. На рис. 3 наведено графіки споживання електроенергії при частковому навантаженні для чилерів “divet” WSAN-XPR з Q0 = 15,6 кВт і Ts1 = 285 К, Tw1 = 308 К та WSAN-XEE з Qo = 97,2 кВт і TS1 = 296 К, 7W = 308 К
Як можна бачити, чилери "divet" споживають енергію у процентному відношенні меншу, ніж вироблена холодопродуктивність. Причиною цього на нашу думку є зменшення ступеня впливу RcyM на енергетичну ефективність внаслідок збільшення поверхонь теплообміну, причому воно стає більш істотним у чилерів з високою холодопродуктивністю (рис. 3 б). У чилерах з малою холодопродуктивністю цей ефект нівелюється, тому що зростає вилив А^внутр (рис. 3 а).
а б
Рис. 3. Залежність N від Q0 для чилерів “Clivet”: а - WSAN-XPR; б - WSAN-XEE
Для еколого-енергетичної оцінки холодоагенту у відповідній системі, багатьма авторами використовується так званий загальний коефіцієнт еквівалентного потепління [6,7]:
TEWIn = GWPXJILXJIN + GWP^m^ (і - б) + bNhojihN (10)
де GWPXJI - потенціал глобального потепління по відношенню до С02 (GWPco2=1), кг С02/кг; Lxn - витік холодоагенту, кг/рік; N - термін експлуатації обладнання, рік; т1ш - маса холодоагенту в установці, кг; б - частка холодоагенту, що утилізується після закінчення терміну експлуатації; в - маса випущеного в атмосферу С02 (емісія) при виробництві 1 кВттод електроенергії, кг С02/(кВт-ч); Nn0BH - річні витрати електроенергії на експлуатацію обладнання, (кВт-год)/рік
У рівнянні (10) величина lm приймається рівною 10 % від маси холодоагенту в установці, емісія С02. Величина в безпосередньо залежить від регіону та того, як у цьому регіоні виробляється електроенергія. Для гідроелектростанції в = 0. При виробництві електричної енергії за рахунок спалення нафти та вугілля в складає навколо 0,8 кг С02/(кВт-год).
Слід зазначити, що при оцінці показника tewin частіше перший і другий доданки, що враховують пряму емісію холодоагенту, можуть бути істотно нижче третього доданка у формулі (10). Безпосередній внесок в TEWIn вносить термодинамічна ефективність ТНУ. Так, при використанні холодоагенту, що потребує на 3 % більше споживання електроенергії на привід обладнання чилера або ТНУ, показник TEWIn буде майже в 3 рази більше, ніж при безпосередньої емісії холодоагенту в атмосферу.
На рис. 4 наведені залежності показника TEWIn для чилерів різних компаній виробників, а саме Clivet, HIdROS, Trane, від холодопродуктивності при роботі в режимі з недовантаженням. Дані по Q0 та потужності приводу компресора було отримано за допомогою рівнянь (1) - (9). Розглядалися моделі чилерів, що використовують в якості холодоагенту неазеотропну суміш R410A. Розрахунки проведені по (10) при N = 20 років, б = 0,75 [9], Nn0JIH = NKM -х, де термін роботи обладнання т = 5000 годин на рік.
З рис. 4 видно, що для чилерів "Clivet" при зниженні навантаження (відносно номінальної холодопродуктивності) спостерігається різке зниження показника TEWIn ,
однак при 100% навантаженні він перевищує для чилерів "HIdROS".
Це, як зазначалося раніше, пояснюється використанням виробниками "Clivet" енергоефективної технології SPIN-Чілер, яка спрямована на оптимізацію роботи обладнання при частковому навантаженні. Аналіз розрахунків довів, що ця технологія також позитивно впливає на еколого-енергетичні характеристики чилерів.
TEWIw, 4000 "
КГСО2' 1000 3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 -
0 4
0 50 100 Q 0 kBt
Рис. 4. Залежність показника TEWI^ від Q0 Висновки
Проведений аналіз сучасного теплонасосного обладнання показав, що для більшості моделей чилерів і теплових насосів, що представлені на ринку, режим роботи з частковим навантаженням призводить до зниження їх енергетичної ефективності. Моделі чилерів, які спроектовані для ефективної роботи в режимі з недовантаженням, при 100% навантаженні не завжди мають переваги за екологічними показниками.
Роботу виконано при підтримці Державного фонду фундаментальних досліджень України у рамках спільного Україно-Білоруського проекту Ф54.2/018 (Т13К-081) «Наукові основи вдосконалення технологічних проблем підвищення ефективності термотрансформаторів для конкурентоздатного впровадження в теплоенергетичні системи».
Список літератури
1. http://www.climat.uz/pdf/wsan-ee_82-282_r-407c. pdf.
2. Gordon J. M. Thermodynamic Modeling of Reciprocating Chillers/ J. M. Gordon, K. S. Ng// Journal Applied Physics. - 1994. - № 75. - P. 2769-2779.
3. Gordon J. M. Centrifugal chillers: Thermodynamic modeling and diagnostics case study/ J. M. Gordon, K. S. Ng, H. T. Chua// International Journal of Refrigeration. - 1995. -№ 18 (4). - P. 253-257.
4. Gordon J. M. Cool Thermodynamics. The Engineering and Physics of Predictive, Diagnostic and Optimization Methods for Cooling Systems/ J. M. Gordon, K. C. Ng. - Cornwall. England: MPG Books Ltd. - 2001. - 276 p.
5. Nelson I. Semi-Empirical Screw Compressor Chiller Model/ I. Nelson, C. H. Culp, R. D. Graves// Proceeding of the Sixteenth Symposium on Improving Building Systems in Hot and Hummed Climates. Plano, USA, 2008 December 15 - 17. - 7 p. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12см. - Систем. требования: Pentium; Windows 95, 98, 2000, XP; Adobe Reader 5.
6. Железный В. П. Перспективы и проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов/ В. П. Железный, О. Я. Хлиева, Н. П. Быковец // Холодильная техника. -2002. - № 8. - С. 5-9.
7. Цветков О. Б. Теплофизические аспекты экологических проблем современной холодильной техники / О. Б. Цветков, Ю. А. Лаптев // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Приложение к спец. Выпуску.- 2002. - № 10. - С. 54-57.
ANALYSIS OF ENVIRONMENTAL AND ENERGY CHARACTERISTICS OF MODERN CHILLERS AND HEAT PUMPS AT FRACTIONAL LOAD
V. A. TARASOVA, Candidate of Engineering,
D. KH. KHARLAMPIDI, Doctor of Engineering
The paper develops a method for thermodynamic testing and evaluation of environmental markers of modern heat pump equipment. Due to the use of this method an environmental and energy analysis of chillers and heat pumps was made for the first time ever.
Поступила в редакцию 23.09 2013 г.
