NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. SIO 7050 Varmepumpende prosesser og systemer = 200 [kw] ved t R1 = 0 [ºC] t omg = 14 [ºC]

Transkript

1 NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi > Institutt for energi og prosessteknikk SIO 75 Varmepumpende prosesser og systemer 2 Termisk analyse av kuldeanlegg i næringsmiddelbedrift Løsningsforslag LosnROA a) Minumum effektforbruk regnes som Carnotprosess mellom romtemperatur og kjølevann. b) Kjølerom Q & = 2 [kw] ved t R1 = [ºC] t omg = 14 [ºC]. T = Q T omg R1 min = 2 = TR [ kw ] Figur 1 Prinsippskjema for et enkelt anlegg Prinsippskjema av et enkelt et-trinns anlegg er vist i Figur 1. Her forutsettes bruk av strupeventil som gir tørrmettet kuldemedium ved utløp av fordamper. (vanskelig å få til i praksis). De termodynamiske data inntegnet i h - logp-diagrammet nedenfor er beregnet ved hjelp av Refrigeration calculator i CoolPack. Isentropisk ningsgrad =.68. 1/8

2 Diagram 1. H-log P med prosessen opptegnet. Sirkulert mengde kuldemedium : Q& o 2 m& R14a = = = 1, 21 kg/s h1 - h Bestemmelse av kompressorens slagvolum: [ ] Teoretisk: Virkelig: teo = m& R14a υ g m υ g ( t1 ; p )= (- [ C] ; [ bar] )= o υ g kg m m teo= 1, =.1112 = 4.1 s h = slag teo λ teo 4.1 = = = 46. λ.87 m h Bestemmelse av kraftforbruk: Teoretisk: = m& R14a (h2' h = h s ; p ) = h - h teo 1 2' g ( 2' k g ( s1; pk ) ) LosnROA 2/8

3 hvor h 2 er entalpien etter kompressoren ved adiabatisk reversibel, d.v.s. isentropisk, kompresjon: teo= 1.21 ( )= 24. [ kw ] Virkelig : teo ηis = teo 24. = = 5. η.68 is [ kw ] Virkelig kondensatorytelse forutsatt at alle kompressortapene tilføres kuldemediegassen : med og Q& = m ( h - k & R14 a 2 h his h2' - h ηis = hkomp h2 - h kj h2= kg Q& k = 1.21 ( )= 25. ) 1 1 [ kw ] Anleggets effektfaktor: ε Q& o 2 = = c) Årsaken til at elig effektforbruk er høyere enn W & min skyldes tap: 1) Varmevekslertap 2) Prosesstap (strupningstap og overhetningstap) ) Kompressortap For å finne varmevekslertapene beregnes effektforbruk, -8 [ºC] og t k = 2 [ºC] for anlegget. T T W & k C = Q & = 2 = T 265 W & C for Carnotprosess mellom t = [ kw ] Differansen mellom dette effektforbruket og W & min for prosessen mellom [ o C] og 14 [ o C] utgjør: LosnROA /8

4 Varmevekslertap: vv = C min = = [ kw ] Prosesstap: prs = teo C = = [ kw ] Kompressortap: = = [ kw ] Prosentvis fordeling av tapene: kompr. teo = W & VV = 1.88 [kw] 4.4 % W & prs = 2.87 [kw] 11.5 % W & kompr = 11. [kw] 45.1 % 25.5 [kw] Prosesstapet består av strupningstap og overhetningstap. Beregn s 4 på grunnlag av x-verdi i Figur 1. Strupningstapet : = m& T strup s R14a k = Overhetningstap ( s 4 s ) [ kj / kgk], s4 = 1.15[ kj / kgk] = ( ) [ kw ] = 2.85 [ kw ] = = [ kw ] :. = ovrh prs strup 2 Diagram 2. T,s-diagram av en enkel ettrinns prosess. LosnROA 4/8

5 Tapene er representert med flater i T,s-diagrammet på Diagram 2. d) Volum og effektbehov for kuldeanleggets kompressor ved bruk av kuldemedia NH (ammoniakk) sammenlignes med R14a. Tapsfordeling (dvs. størrelsen av de forskjellige tapene) og energikostnader for de to alternativene. For samtlige beregninger er CoolPack benyttet. For beregning av tapene er det gjort på samme måten som under punkt c 1 Resultatene av beregningene vises nedenfor i tabell I. Tabell I. Kulde- Volumbehov Effektbehov De ulike tapene, [kw] Energikost. medium [m /h] [KW] Kompr. Prosess Strupning Overhetning [kr/år] R14a NH Forskjellige tap for ulike media ved kuldeytelse = 2 kw Tap, kw 1 8 NH R14a Kompressor Prosess Strupning Overhetning Figur 2. Tapene fra tabell I. vist i stolpediagram. e) Vurdering av innflytelsen av ulike fordamper- og kondesatortemperaturer. Her beregnes for R14a og for forskjellige tilfeller: t /t k = -4/17, -8/2 og 12/2. Benytter CoolPack. Effektbehov for Carnotprosess samt varmevekslertap for de tilfellene. Tabell II. t [ C] [K] [ C] [K] t k W & C [kw] W & dt VV [kw] LosnROA 5/8

6 Beregningene er utført på samme måte som under d), men her for de forskjellige temperaturbetingelser. Tabell III viser resultatene. Tabell III.. Temp. Volumbehov Effektbehov De ulike tapene, [kw] Energikost. t /t k [m /h] [KW] Kompr. Prosess Strupning Overhetning [kr/år] -4/ / / Forskjellige tap for ulike temperaturer ved kuldeytelse = 2 kw Tap, kw t/tk -4/17 t/tk --8/2 t/tk -12/ Kompressor Prosess Strupning Overhetning Figur. Tapene fra tabell III. vist i stolpediagram. f) Undersøkelse av effektiviteten for anlegget ved bruk av suggassvarmeveksler. Prinsippskjema av anlegget med suggassvarmeveksler er vist i fig. 2 og prosessforløpet i diagram. LosnROA 6/8

7 Fig. 4. Prinsippskjema for anlegget med sugegassvarmeveksler. Diagram.. H,log(p)-diagram med inntegnet prosess for anlegg med sugegassvarmeveksler. Resultatene av simuleringene finnes i tabell IV nedenfor. Tabell IV. Kuldemedium R14a NH Suggassvarmeveksler Suggassvarmeveksler ytelse, [kw] Kompressor Energikostnader [kr/år] Volumbehov [m /h] Effektbehov [kw] Uten Med Uten Med LosnROA 7/8

8 g) Anlegg med en kompressor som har 15% for stort slagvolum. Kompressorens elige slagvolum etter den opprinnelige prosessdimensjonering b): 46. [m /h]; 15 % større gir 529 [m /h]. Benytter denne verdi som inngangstørrelse til CoolPack i den videre beregning. Karakteristikkmetoden som benyttes her går ut på å finne balansepunktet mellom Q & f t = Q & f t kompressorens og fordamperens karakteristikker; dvs. ( ) ( ) & λ ( h1 ) Benytter Coolpack v k A t t k A konst Q K = h4 & ( ) ( ) ( ) = QF = F R F Resultater fra simuleringer ved hjelp av CoolPack: t Q& K 171,5 186,6 22, 258,2 K F R t Q K Kuldeytelse, kw Kompressor- og fordamperkarakteristikk Balansepunkt Fordamper Kompressor Fordampertemperatur, C Figur 5. Balansepunkt mellom kompressor og fordamper. Av figuren ser man at kuldeytelsen vil være ca. 22 [kw] ved fordampertemperatur ca. 8,7 [ C]. LosnROA 8/8