CC BY
38
УДК 621.577
В.В. Горин, Н.И. Радченко, А.Н. Сапармамедов
Национальный университет кораблестроения им. адмирала
Макарова, Украина
ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ КОНДИЦИОНЕРОВ ДЛЯ
СУДОВ
Проанализирована эффективность испарительного охлаждения в конденсаторах воздушного охлаждения кондиционеров на базе парокомпрессорных и теплоиспользующих холодильных машин. Показана целесообразность использования для этих целей конденсата, отводимого в процессе охлаждения влажного воздуха в воздухоохладителях кондиционеров. Рассмотрено схемное решение теплоиспользующей установки кондиционирования воздуха, утилизирующей теплоту уходящих газов и сжатого воздуха между компрессорными ступенями газотурбинных двигателей. Предложено использование таких установок в системах кондиционирования воздуха на судах.
Бондиционер, охлаждение воздуха, хладагент, теплоиспользующая холодильная машина, уходящие газы, испарительный конденсатор.
1. Анализ проблемы и постановка цели исследования
В парокомпрессорных холодильных машинах, в том числе и кондиционеров, теплота, отведенная от охлаждаемой среды, например воздуха, подаваемого в обитаемые и другие охлаждаемые помещения, а также эквивалентная работе сжатия компрессора (за вычетом теплоотвода в окружающую среду) отводится в окружающую среду в конденсаторах. От тепловой эффективности конденсаторов и соответствующей разности температур между охлаждающей средой (забортной водой или наружным воздухом) и конденсирующимся хладагентом (температурой конденсации) во многом зависят энергетические потери в холодильном цикле от внешней необратимости и, в конечном счете, эффективность холодильных машин в целом. Так, каждый градус понижения температуры конденсации (температуры охлаждающей конденсатор среды) приводит к увеличению холодильного коэффициента на 2...3%. Проблема повышения эффективности работы конденсаторов особенно остро стоит в случае использования в качестве охлаждающей среды наружного воздуха, например на судах с динамическими принципами поддержания (судах на воздушной подушке и подводных крыльях, скоростных катамаранах). Предварительное охлаждение наружного воздуха с помощью градирен, обычное для наземной практики эксплуатации, не нашло применения на судах. В стационарных холодильных установках широкое при-
менение нашли конденсаторы испарительного типа — с форсуночным распышом воды в воздушном потоке.
Технологии мелкодисперсного распыша воды достаточно отработаны в энергетических установках, особенно на базе газотурбинных двигателей (ГТД) с испарительным охлаждением воздуха на входе компрессоров [1—4]. Так, контактное предварительное охлаждение воздуха с помощью так называемой WAC-системы (water atomization cooling), представляющей собой фор-камеру с форсунками для распыша воды, применяется в ГТД фирмы «Hitachi Thermal Power Systems» [5]. Испарительное охлаждением воздуха на входе компрессоров широко используется в ГТД ведущих в области газотурбостроения фирм «General Electric», «Alstom», «Siemens/ Westinghouse», «Mitsubishi» [1—5].
В результате испарительного охлаждения температуру воздуха можно уменьшить на 515 °C в зависимости от его температуры и относительной влажности [3,4].
Особенно сильно температура охлаждающего конденсаторы воздуха сказывается на энергетической эффективности теплоиспользующих кондиционеров, поскольку в зависимости от типа их холодильной машины (абсорбционная, эжектор-ная, турбокомпрессорная) в конденсаторах может отводиться количество теплоты в 24 раза превышающее тепловые нагрузки конденсаторов парокомпрессорныгх холодильныгх машин.
© В.В. Горин, Н.И. Радченко, А.Н. Сапармамедов, 2008 - 26 -
2. Анализ результатов исследования
С целью исключения всевозможных отложений на теплообменной поверхности конденсатора и засорения форсунок необходимо применять пресную воду, а в судовых условиях — дистиллированную, например конденсат, отводимый в процессе охлаждения (с осушением) влажного воздуха в воздухоохладителях кондиционеров. Результаты расчета количества конденсата отводимого в кондиционерах на базе парокомп-рессорных холодильных машин в течение часа в процессе охлаждения кондиционируемого воздуха с начальной температурой г^в1=35 °С в зависимости от его относительной влажности ф при расходах Ов = 1; 4 и 8 кг/с (соответственно количествах отводимой от воздуха теплоты, т.е. хо-лодопроизводительности кондиционера, = 16; 65 и 130кВт) представлены на рис. 1. При этом в зависимости от величины ф воздух охлаждается до температуры ?в2=25...30 °С (меньшей величине ф соответствует и меньшее значение ?в2).
Как видно, при охлаждении влажного воздуха в воздухоохладителе на 5.10 °С доля отводимого конденсата составляет 0,3.0,4% расхода воздуха, чего не достаточно для снижения температуры охлаждающего конденсатор наружного воздуха до точки росы (0,5.1,0%), т.е. реализации максимального эффекта испарительного охлаждения. С целью увеличения количества получаемого конденсата необходимо более глубокое охлаждение воздуха в воздухоохладителе. Поскольку процесс охлаждения влажного воздуха в воздухоохладителе в диаграмме ё-1 (влагосодержа-ние-энтальпия влажного воздуха) представляют обычно прямой линией [6], то с увеличением разности температур воздуха ^ — ?в2, например в 24 раза, пропорционально возрастет и количество выпадающего из него конденсата, которого окажется вполне достаточно для снижения температуры охлаждающего конденсатор воздуха на 5.10 °С.
Как отмечалось, температура охлаждающего конденсатор воздуха особенно сильно сказывается на кондиционерах на базе теплоиспользую-щих холодильных машин (ТХМ), которые отличаются сравнительно небольшой разностью температур конденсации и кипения хладагента ?к — ?0, что предопределяет сильное влияние ^ на эффективность холодильных циклов. В качестве ТХМ выбрана эжекторная ТХМ (ЭТХМ), которая отличается конструктивной простотой и надежностью в эксплуатации [7]. Схема установки кондиционирования воздуха на базе ЭТХМ, использующей теплоту уходящих газов и сжатого воздуха ГТД, представлена на рис. 2. Эжекторная ТХМ состоит из паросилового и холодильного контуров. Паросиловой контур служит для получения в генераторе паров хладагента высокого давления, энергия которых используется в эжекторе для поджатия паров хладагента низкого давления, всасываемых из испарителя-воздухоохладителя (И-ВО) холодильного контура, до давления в конденсаторе.
Рис.1. Количество конденсата отводимого в процессе охлаждения воздуха в воздухоохладителях кондиционеров с начальной температурой ¿в1=35 °С, в зависимости от относительной влажности ф при разных расходах воздуха Ов
Рис. 2. Схема установки кондиционирования воздуха на базе ЭТХМ: Ги и Гэ — испарительная и экономайзерная секции генератора паров хладагента; Э — эжектор; Кн — конденсатор; Н — насос; ДК — дроссельный клапан; И-ВО — испаритель-воздухоохладитель; К1 и К2 — компрессоры; Т — турбина; КС — камера сгорания; ЭГ — электрогенератор; КО — каплеотделитель; НВ — наружный воздух
Эжекторная ТХМ работает следующим образом. Жидкий хладагент после конденсатора делится на два потока: первый — подается насосом в генератор, где он нагревается и испаряется при высоком давлении за счет теплоты, отводимой от сжатого компрессором К1 воздуха и уходящих газов ГТД, а второй — дросселируется в дроссельном клапане и направляется в И-ВО, где испаряется при низком давлении и соответственно температуре, отводя теплоту от воздуха, подаваемого в систему кондиционирования воздуха (СКВ). Эжектор совмещает функции детандера
паросилового контура (расширение пара происходит в его сопле) и компрессора холодильного контура (повышение давления пара, всасываемого из И-ВО, происходит в камере смешения и диффузоре).
В качестве хладагентов для ЭТХМ целесообразно применять хладоны Ю42Ъ и Я600 (н-бу-тан), обеспечивающие достижение приемлемых тепловых коэффициентов £ = представ-
ляющих собой отношение холодопроизводитель-ности Оо (количества теплоты, отведенной от воздуха в испарителе) к количеству теплоты Ог, подведенной в генераторе к кипящему хладагенту высокого давления от уходящих газов и сжатого воздуха ГТД.
Тепловой коэффициент £ зависит от температур кипения НРТ в генераторе /г и испарителе /0 и конденсации /к (температуры охлаждающего конденсатор наружного воздуха): возрастает с повышением /г и /0 и уменьшением /к (температуры охлаждающего наружного воздуха).
Нарис. 3 представлены зависимости теплового коэффициента £ ЭТХМ от температуры конденсации /к хладагента при разных температурах его кипения в генераторе /г и в И-ВО /0 = О °С. В качестве хладагента применен озонобезопас-ный хладон Ю42В.
С
0.45 0,40 0,35 0,30 0,25 0.20 0,15 0,10 0,05
о
\
г, =120 "С
100 "С
^ ко г
22 24 26 2К 30 32 34 36 38 £, С
Рис. 3. Тепловые коэффициенты £ эжекторной ТХМ в зависимости от температуры конденсации хладона Я142В при разных температурах кипения в генераторе /г и в испарителе-воздухоохладителе ^ = 0 °С
Как видно, тепловой коэффициент £ с повышением /к существенно снижается. Это говорит о необходимости предварительного снижения температуры охлаждающего конденсатор наружного воздуха, например путем впрыскивания в него конденсата, отводимого в свою очередь в процессе охлаждения влажного воздуха в испарителе-воздухоохладителе.
Результаты расчета количества конденсата 0№, отводимого в течение часа в процессах глубокого охлаждения воздуха в испарителе-воздухоохладителе ЭТХМ от начальной его температуры
в1 = 45 °С до конечной температуры /в2 = 15 °С, в зависимости от относительной влажности воздуха ф на входе в испаритель-воздухоохладитель при его расходах Ов = 0,5; 1,0 и 2,0 кг/с представлены на рис. 4.
Рис. 4. Количество конденсата отводимого в воздухоохладителях кондиционеров на базе ЭТХМ в процессе охлаждения воздуха от начальной температуры /в1=45 °С до конечной температуры /в2= 15 °С, в зависимости от относительной влажности £ при расходах воздуха Ов:
1-0в=2,0 кг/с;2-0в=1,0 кг/с; 3 - 0в=0,5 кг/с
Как видно, количество конденсата, получаемого в процессе охлаждения воздуха в воздухоохладителе кондиционера, составляет 0,5...3,0 т/сутки и более в зависимости от расхода воздуха Ов (холодопроизводительности кондиционера). Этот конденсат целесообразно использовать для испарительного охлаждения наружного воздуха, подаваемого на охлаждение конденсатора, что позволит снизить температуры охлаждающего воздуха и соответственно конденсации /к на 51 °С и, следовательно, увеличить тепловой коэффициент £ в 1,5.2 раза (рис. 3).
Дополнительное количество конденсата может быть также получено в процессе промежуточного охлаждения сжатого воздуха ГТД между компрессорными ступенями (рис. 2). При этом теплота сжатого воздуха после компрессора низкого давления используется для нагрева жидкого хладагента, подаваемого насосом из конденсатора ЭТХМ в экономайзерную секцию генератора паров хладагента высокого давления.
Значения удельной холодопроизводительнос-ти теплоиспользующего кондиционера, приходящейся на единичный расход источника сбросной теплоты (уходящих газов и сжатого воздуха ГТД на рис. 2) и теплового коэффициента £ в зависимости от температуры кипения хладагента в генераторе /г при температуре его кипения в испарителе-воздухоохладителе /0= 0 °С и конденсации /к = 35 °С представлены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимости теплового коэффициента Z эжектор-ной теплоиспользующей установки кондиционирования
воздуха и удельной холодопроизводительности от q 0
температуры кипения НРТ в генераторе tr при температурах кипения НРТ в испарителе t0 = 0 "Си конденса-
При этом температура уходящих газов на входе генератора принималась равной 550 °С, а тепловой коэффициент £ определялся в зависимости от температур кипения хладагента в генераторе ?г, испарителе (0 и конденсации ?к согласно рис. 3.
При этом температура уходящих газов на входе генератора принималась равной 550 °С, а тепловой коэффициент £ определялся в зависимости от температур кипения хладагента в генераторе (г, испарителе ?0 и конденсации ?к согласно рис. 3.
Как видно, в характерном для теплоиспользу-ющих кондиционеров диапазоне температур кипения хладона Я142В в генераторе (г = 80.120 °С
величина удельной холодопроизводительности q 0
составляет 60.100 кВт/(кг/с). Чтобы получить абсолютное значение холодопроизводительности
Qo, кВт, необходимо ее удельную величину q0
умножить на расход источника сбросной теплоты (уходящих газов и сжатого воздуха ГТД). Так, например, при расходах уходящих газов ГТГ 1,0 кг/с холодопроизводительность кондиционера, использующего их теплоту, составит 00 = 60.100 кВт, т.е. величину, соответствующую холодопроизво-дительности центральных кондиционеров.
Выводы
1. Применение предварительного испарительного охлаждения наружного воздуха в конденсаторах воздушного охлаждения обеспечивает повышение холодильного коэффициента пароком-прессорных кондиционеров на 10.20% и теплового коэффициента теплоиспользующих кондиционеров более чем на 50%. При этом для снижения температуры наружного воздуха, охлаждающего конденсатор, целесообразно использовать конденсат, отводимый в процессе охлаждения влажного воздуха в воздухоохладителях кондиционеров.
2. Кондиционеры, использующие теплоту уходящих газов судовых ГТГ, вполне могут использоваться в качестве центральных кондиционеров судовых систем комфортного и технологического кондиционирования воздуха.
Литература
1. Bortmany J.N. Assessment of aqua-ammonia refrigeration for pre-cooling gas turbine inlet air // Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002. - Paper GT-2002-30657. - 12 p.
2. Bhargava R., Meher-Homji C.B. Parametric analysis of existing gas turbines with inlet evaporative and overspray fogging // Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002. - Paper GT-2002-30560. -15 p.
3. Nixdorf M., Preli pceanu A.,Hein D. Thermo-economic analysis of inlet air conditioning methods of a cogeneration gas turbine plant // Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002. - Paper GT-2002-30561. - 10 p.
4. Cataldi G., Guntner G., Matz C. and co. Influence of high fogging on gas turbine engine operation and performance // Proceedings of ASME TURBO EXPO 2004. - Paper GT2004-53788. - 11 p.
5. http://www.hitachi.co.ip/Div/hitachi_tps/ combinedcycle/wac.html
6. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. -СПб.: Судостроение, 1994. - 504 с.
7. Радченко А.Н. Анализ эффективности теп-лоиспользующих хладоновых эжекторных систем охлаждения судовых электродвигателей // Вестник двигателестроения. - 2007. - № 3. -С. 135-139.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Живица В.И., Одесская государственная академия холода.
ции t = 35 °C
Проанал!зовано ефектившстъ выпарного охолодження в конденсаторах повтряного охолодження кондицюнер!в на баз! парокомпресорних i тепловикористовуючих холодилъ-них машин. Показана доцыътстъ використання для цих цлей конденсату, що в!дводитъся у процесi охолодження вологого повтря в повтроохолоджувачах кондицюнер!в. Розгляну-то схемне ршення тепловикористовуючог установки кондищонування повтря, яка утилi-зуе теплоту в!дх!дних газ!в i стисненого повтря м!ж компресорними ступенями газотур-б!нних двигушв. Запропоновано використання таких установок в системах кондищонування повтря на суднах.
The efficiency of evaporative cooling in air cooled condensers of conditioners on the base of vapour compression and waste heat recovery refrigeration machines has been analyzed. The expediency of using the condensate extracted in process of cooling the moisture air in air coolers of conditioners for these purposes is shown. The scheme decision of waste heat recovery air conditioning plant recovering the heat of exhaust gases and compressed air between compressor stages of gas turbines is discussed. The application of such plants in air conditioning systems for ships has been proposed.
