Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ необходимости исследования динамических характеристик ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов. Методы измерения и расчёта холодопроизводительности, постановка задач исследования 14
1.1. Применение низкотемпературных рефрижераторов для охлаждения объектов до температур минус 40 .минус 150 С 14
1.1.1. Особенности процессов охлаждения различных материалов. Способы охлаждения и конструктивные разновидности существующих систем охлаждения 15
1.1.2. Сравнительный анализ технических показателей и эксплуатационных характеристик
1.2. Особенности холодильных машин, работающих по дроссельным циклам на многокомпонентных смесях хладагентов 30
1.3. Расчётные методы определения холодопроизводительности ПКХМ на смесях хладагентов в нестационарных процессах... 41
1.4. Анализ экспериментальных методов прямого и косвенного измерения холодопроизводительности
1.4.1. Калориметрический метод 46
1.4.2. Метод с измерением расхода хладагента 48
1.4.3. Косвенные нестационарные методы 50
1.5. Выводы. Постановка задач исследования. Обоснование методов исследования з
Стр.
ГЛАВА 2. Теоретический анализ динамических процессов, протекающих в низкотемпературных камерах с парокомпрессионной холодильной машиной на многокомпонентных смесях хладагентов 60
2.1. Рабочее тело парокомпрессионной холодильной машины, работающей по дроссельному рефрижераторному циклу 60
2.2. Математическое моделирование цикла ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов 2.2.1. Выбор методики расчёта свойств смеси 66
2.2.2. Расчёт параметров цикла холодильной машины 68
2.3. Математическое моделирование динамических тепловых процессов, протекающих в корпусе холодильной камеры 76
2.3.1. Одномерная математическая модель 77
2.3.2. Двумерная математическая модель 81
2.3.3. Выбор математической модели и учёт влияния факторов, не вошедших в них 87
2.4. Выводы 96
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование динамических характеристик ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов
3.1. Цели и задачи экспериментальной части исследований 97
3.2. Описание экспериментального стенда для исследования динамических характеристик ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов 99
3.3. Проведение экспериментальных исследований и обработка полученных данных 111
3.3.1. Предварительные испытания. Определение характеристик экспериментальной установки 113 Стр.
3.3.2. Определение зависимости холодопроизводительности ПКХМ в процессе охлаждения низкотемпературной камеры от тепловой нагрузки 121
3.3.3. Исследование зависимости скорости охлаждения низкотемпературной камеры и холодопроизводительности ПКХМ от состава рабочего тела и общего количества его заправки 3.4. Оценка погрешности измерений 146
3.5. Сравнение результатов экспериментальных исследований и теоретического расчёта 151
3.6. Выводы по экспериментальной части исследований 159
Основные результаты и выводы 161
Список литературы
- Особенности холодильных машин, работающих по дроссельным циклам на многокомпонентных смесях хладагентов
- Метод с измерением расхода хладагента
- Математическое моделирование динамических тепловых процессов, протекающих в корпусе холодильной камеры
- Предварительные испытания. Определение характеристик экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность темы: низкотемпературные камеры и рефрижераторы различных конструкций с полезным объёмом 100-600 л и температурой охлаждения минус 40 ... минус 150С широко используются во многих областях науки и техники, например:
замораживание и хранение биологических материалов;
термообработка металлов;
температурные испытания;
эксперименты в области электроники и сверхпроводимости. Технико-экономический анализ имеющейся информации показывает, что в
России в ближайшее время будут востребованы низкотемпературные камеры с
парокомпрессионными холодильными машинами (ПКХМ) на
многокомпонентных смесях хладагентов. Подобное оборудование в России серийно не выпускается. Существующие опытные образцы низкотемпературных камер с ПКХМ на смесях со стандартным герметичным компрессором, созданные при непосредственном участии автора, могут применяться только для ограниченного круга задач, поскольку не обеспечивают необходимых режимов охлаждения. В связи с этим актуальным является проведение исследования динамических характеристик парокомпрессионных холодильных машин низкотемпературных камер. На основе имеющихся разработок и с использованием результатов будущих исследований может быть создана целая гамма холодильного оборудования многоцелевого назначения, способного заменить как азотные системы заморозки и хранения, так и импортные парокомпрессионные рефрижераторы.
Цель работы: разработка методов определения динамических
характеристик парокомпрессионных холодильных машин на
многокомпонентных смесях хладагентов и получение с их помощью данных, необходимых для создания на базе ПКХМ низкотемпературного оборудования, обеспечивающего требуемые режимы охлаждения.
Основные задачи работы:
1. Создание метода определения зависимости изменения
холодопроизводительности ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов в процессе охлаждения низкотемпературной камеры от состава рабочего тела и общего количества его заправки, который должен включать в себя:
методику теоретического определения холодопроизводительности в нестационарных режимах работы ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов;
методику экспериментального определения холодопроизводительности парокомпрессионной холодильной машины низкотемпературной камеры, основанную на расчёте нестационарных процессов переноса тепла в теплоизолированном корпусе камеры.
Разработка и изготовление экспериментального стенда для исследования динамических характеристик ПКХМ на смесях хладагентов на базе низкотемпературной камеры
Проведение исследований с помощью разработанного метода и получение данных, необходимых для проектирования будущих установок.
Научная новизна:
1. Разработан метод определения зависимости изменения
холодопроизводительности ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов
в процессе охлаждения низкотемпературной камеры от состава рабочего тела и
общего количества его заправки, включающий в себя:
методику теоретического определения холодопроизводительности в нестационарных режимах работы ПКХМ на смесях хладагентов, основанную на расчёте свойств смесей хладагентов и математическом моделировании цикла холодильной машины;
методику экспериментального определения холодопроизводительности парокомпрессионной холодильной машины низкотемпературной камеры по изменению температуры воздуха в рабочем объёме камеры.
Установлена зависимость холодопроизводительности ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов в процессе охлаждения низкотемпературной камеры только от текущей температуры воздуха в её рабочем объёме (холодопроизводительность не зависит от нагрузки на ПКХМ).
Показано, что концентрация каждого компонента в рабочей смеси ПКХМ влияет на холодопроизводительность ПКХМ в определённом диапазоне температур воздуха в рабочем объёме низкотемпературной камеры, определены данные диапазоны для компонентов тройной смеси R142b/R22/R14.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Определены принципы, позволяющие подбирать состав рабочей смеси ПКХМ для обеспечения требуемой скорости охлаждения в заданном диапазоне температур.
Предложена схема организации цикла работы холодильной машины, защищенная заявкой на получение патента (№2010141804), которая позволила увеличить скорость охлаждения низкотемпературной камеры по сравнению с традиционно применяемыми в настоящее время циклами.
Разработана программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать изменение холодопроизводительности ПКХМ на смесях хладагентов в нестационарных процессах работы, основанная на математическом моделировании цикла холодильной машины.
Разработана программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать значение холодопроизводительности ПКХМ в процессе охлаждения низкотемпературной камеры, по данным об изменении температуры воздуха в её рабочем объёме, а также рассчитывать зависимость температуры воздуха в рабочем объёме камеры от времени работы ПКХМ по данным об изменении холодопроизводительности в процессе охлаждения.
Рекомендации к внедрению:
Результаты работы внедрены в процесс разработки низкотемпературных камер в ОАО «ЦНИИ «Курс» и процесс их производства в ОАО «Электромеханика».
Опытный образец низкотемпературной камеры, созданной с применением результатов проведённых исследований, предназначенный для охлаждения с максимальной скоростью деталей авиационных двигателей, внедрён в технологический процесс производства на ФГУП ММПП «Салют».
Предложенная схема организации цикла работы холодильной машины и методика расчёта его характеристик введены в курс «Теоретические основы холодильной техники», преподаваемый на кафедре Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения, хорошей повторяемостью полученных результатов измерений. Основные уравнения представленных математических моделей базируются на фундаментальных законах и уравнениях термодинамики, современных численных и аналитических методах реализации математических моделей.
На защиту выносятся:
1. Предложенный метод определения динамических характеристик
ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов, включающий:
методику теоретического определения холодопроизводительности в нестационарных режимах работы ПКХМ на смесях хладагентов, основанную на расчёте свойств смесей хладагентов и математическом моделировании цикла холодильной машины;
методику экспериментального определения холодопроизводительности парокомпрессионной холодильной машины низкотемпературной камеры, основанную на расчёте нестационарных процессов переноса тепла в теплоизолированном корпусе камеры.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований,
позволившие получить данные о влиянии концентраций компонентов тройной
смеси R142b, R22, R14 и общего количества заправки рабочего тела на скорость
охлаждения низкотемпературной камеры с ПКХМ на многокомпонентных
смесях хладагентов в диапазоне температур воздуха в рабочем объёме камеры
до минус 90С.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
IV международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2009;
Международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», Москва, 2010;
Международной конференции «Состояние и перспективы развития индустрии холода, климатической техники и тепловых насосов», Выставка «Chillventa Rossija», Москва, 2011.
Личный вклад автора заключается в разработке метода определения динамических характеристик парокомпрессионных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов, разработке экспериментального стенда и проведении исследований по данному методу.
Публикации. Результаты диссертации отражены в 3 научных статьях, 2 из которых в журналах, рекомендуемых ВАК, опубликованы тезисы 2 докладов.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 178 стр. основного текста, 42 рис., 7 таблиц.
Особенности холодильных машин, работающих по дроссельным циклам на многокомпонентных смесях хладагентов
Холодильные и криогенные технологии широко используются для обеспечения длительного хранения медико-биологических материалов. Первым биоматериалом, в хранении которого возникла потребность, была кровь. В настоящий момент в перечень замораживаемых биоматериалов входят донорские органы и ткани для пересадки, сперма, отдельные клетки различных органов, стволовые клетки и т.д. С середины 1950-х годов проводятся целенаправленные исследования оптимальных температурных уровней хранения, скоростей охлаждения, допустимых колебаний температуры и других параметров охлаждения и хранения [3].
Для каждого биологического материала существует своя оптимальная температура хранения, зависящая от необходимого срока хранения, определяемая экспериментально. Опыты [1,3,4,5] (продолжительностью до 4 лет) показывают, что с понижением уровня температур срок хранения биоматериалов продлевается, однако начиная уже с температуры минус 40 С срок достаточен для большинства существующих видов- биологических материалов. В общем, температурный уровень для краткосрочного хранения (дО 4-10 лет) лежит в диапазоне минус 40 ... минус 90 С, для долгосрочного хранения (10 лет и более) - в диапазоне минус 130 ... минус 196 С.
Для обеспечения сохранности биоматериала, кроме поддержания определённого уровня температуры, требуется соблюдение процедуры его предварительной подготовки. Основными повреждающими факторами, вызывающими гибель живой клетки биоматериала при замораживании, является кристаллизация воды внутри клетки, в межклеточном пространстве, а также образование концентрированных солевых растворов [4].
С технической точки зрения наиболее важным является создание таких условий охлаждения, заморозки и хранения, при которых воздействие поражающих факторов было бы минимальным. Установки для, хранения биоматериалов должны обеспечивать требуемые скорости охлаждения и уровни температур, экспериментально определённые при биомедицинских испытаниях.
Для надёжного обеспечения сохранности структуры и функций клеток биологического материала существуют два способа: оптимальный режим замораживания-отогрева и применение криопротекторов.
Оптимальной может быть как очень низкая скорость замораживания (1.. .5 С в минуту), при которой не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетках, например при замораживании растений, так и очень высокая скорость замораживания. Например, для заморозки эритроцитов человека необходимо сверхбыстрое охлаждение (около 100 С в секунду). При такой скорости происходит безкристаллическое затвердевание крови, и зона кристаллообразования (диапазон температур минус 3...минус 40 С) не успевает оказать своё вредное влияние на клетки. На практике охлаждение с такой скоростью можно обеспечить только для образцов очень маленького размера. Также большое значение для сохранности функциональных свойств клеток, органов и тканей имеет скорость отогрева.
Вторым средством защиты клеток от повреждающего действия замораживания являются ограждающие вещества - криопротекторы (химические вещества, способствующие сохранению живых клеток), входящие в состав специальных растворов, применяемых для замораживания биоматериалов [6]. Механизм защитного действия криопротекторов осн ован главным образом на способности создавать связи с молекулами воды более прочные, чем связи молекул воды между собой, что препятствует формированию правильных кристаллов льда или замедляет их рост при замерзании воды. Криопротекторы способствуют уменьшению повреждений структуры клеток при медленном охлаждении. Необходимая скорость охлаждения биоматериалов в случае применения криопротекторов может быть снижена до 0.1... 10 С в секунду в зависимости от вида клеток [6,7].
Для хранения больших запасов биоматериалов используют так называемые криогенные «банки». В их состав входит комплекс оборудования для обеспечения криоконсервации, длительного хранения биологических объектов, а также для криобиологических исследовательских работ [5]. Так, в США уже более чем 30 лет существует развитая структура криобанков для коммерческого использования. Это — криобанки спермы, крови, органов, банки стволовых клеток [8]. Замораживание материалов в таких криобанках происходит в два этапа: п еред помещением в устройства длительного хранения (м инус 130... минус 196 С) материалы охлаждаются до некоторой промежуточной температуры минус 100 С (экспериментально определённой для каждого вида материала), для чего используют программные замораживатели, осуществляющие программируемое, контролируемое и протоколируемое охлаждение объекта. Как для предварительного охлаждения, так и для хранения применяются устройства, использующие жидкий азот и его пары [9]. Как отмечено в [9] замораживание в программируемом аппарате - исторический стандарт для криоконсервации.
Другие типы систем заморозки и хранения " используют парокомпрессионные холодильные машины, работающие по каскадному или смесевому циклу. Их применение оправдано в автономных, передвижных системах. Объём камер серийно выпускаемых в настоящее время парокомпрессионных рефрижераторов не превышает 600 л из-за сложности поддержания необходимой температуры по всему объёму, поэтому в крупных хранилищах такие системы не используются. В случае же небольших лабораторий проблема постоянной потребности в жидком азоте встаёт более остро. Так как необходимо постоянное обеспечение жидким азотом в небольших количествах (5-70 литров) или требуется установка более крупного хранилища азота, что сводит на нет мобильность, и компактность небольшой холодильной установки. Поэтому при потребности в хранении небольших количеств биоматериала используют холодильное оборудование с ПКХМ [9,10].
Термоэлектрические рефрижераторы применяются для временного хранения вакцин, биологических культур, бактерий и сывороток в лабораторных условиях [11]. Это небольшие, компактные устройства, представляющие собой батарею из термоэлементов, принцип их работы основан на эффекте Пельтье. Основное достоинство электрорефрижераторов — возможность работы как в режиме охладителя, так и в режиме нагревателя, с постоянным контролем температуры, непосредственно, в зоне охлаждаемого объекта. Подобные устройства имеют ограниченное применение вследствие малой холодопроизводительности и низкой термодинамической эффективности.
Существуют некоторые разработки в области применения воздушных и комбинированных (парокомпрессионной на верхнем каскаде и воздушной - на нижнем) [12] холодильных машин для криоконсервации биологических материалов, однако они пока не получили распространения вследствие недостаточной эффективности.
Метод с измерением расхода хладагента
Исследование динамических характеристик низкотемпературных камер с ПКХМ подразумевает исследование изменения производительности холодильной машины в процессе выхода на рабочий режим. В связи с этим встаёт вопрос выбора методов определения холодопроизводительности, которые можно разделить на два направления: аналитические и экспериментальные. Однако и аналитический расчёт, как правило, основан на экспериментальных данных. Многие теплофизические параметры, а также параметры тепловых процессов, без которых нельзя провести ни одного расчета, могут быть найдены лишь опытным путем.
Теоретический расчёт циклов ПКХМ основан на уравнениях теплового баланса для всех компонентов холодильной машины. В случае применения в качестве хладагента многокомпонентной смеси сложность представляет расчёт термодинамических свойств - удельных энтальпии (/), энтропии (s) и объёма (v) (или плотности (/ )), необходимых для анализа изобарных процессов, которые лежат в основе циклов дроссельных систем. Процессы охлаждения и нагревания при постоянном давлении сопровождаются различными фазовыми переходами, следовательно, также необходим расчёт характеристик фазового равновесия [51].
Решение задачи определения свойств смеси должно опираться на свойства чистых компонентов, поскольку экспериментальная информация по смесям в нужном объёме имеется не всегда. Проведение экспериментов на смесях весьма трудоёмко, поэтому методы определения свойств и характеристик должны включать способы интерполяции и экстраполяции уже имеющихся экспериментальных данных. В [52] сформулированы основные требования к идеальной системе расчёта физико-химических свойств. Система должна:
На практике для расчёта свойств многокомпонентных смесей требуется составление системы математических зависимостей, включающей условия фазового равновесия и уравнения состояния.
В общем случае задача расчёта фазовых равновесий должна быть построена так, чтобы при заданных температуре, давлении и исходном составе смеси, определялись число фаз в системе и равновесные составы всех фаз. Расчёт основан на условии фазового равновесия, которым наряду с равенством значений температуры между фазами является равенство химических потенциалов компонентов смеси между фазами. На практике равенство химических потенциалов компонентов смеси хладагентов заменяют равенством летучестей (фугитивностей) компонентов смеси [53].
Для расчета термодинамических свойств смесей необходимо использование термического уравнения состояния в сочетании с калорическим уравнением состояния [52,54]. Именно вопрос выбора термического уравнения состояния — ключевой в определении методики расчёта свойств смесей: оно определяет точность и трудоёмкость расчёта. Данное уравнение состояния должно быть единым как для однофазной области, так и для многофазной. В-настоящее время существует большое количество единых уравнений состояния, подробный обзор которых представлен в работе [55].
Различными исследователями [21,56,57] разработаны алгоритмы расчёта термодинамических свойств смесей, в основе которых, как правило, лежит уравнение состояния Редлиха-Квонга.
Последовательность расчёта (математического моделирования) зависит от схемы дроссельного рефрижераторного цикла. В общем случае она основывается на том, что с заданным шагом рассчитывается зависимость энтальпии и энтропии от температуры для изобар прямого и обратного потоков. На основе этих зависимостей рассчитываются тепловые нагрузки на теплообменные аппараты, а также параметры смеси хладагентов на входе и выходе аппаратов по потокам, необходимые для расчета этих аппаратов. Холодопроизводительность находится как разность энтальпий на входе в испаритель и на выходе из него (Qx = h — U на рисунке 1.6). / /б
В работах [26,54,58] описывается проведение расчёта и оптимизации дроссельных систем на смесях на установившемся режиме с использованием метода математического моделирования цикла холодильной машины. Оптимизация проводилась с целью получения максимальной полезной холодопроизводительности на определённом уровне температур, либо максимального термодинамического КПД, при ограничениях, наложенных на величину давлений нагнетания и всасывания, а также потребляемой мощности.
В низкотемпературных холодильных камерах процесс охлаждения (выхода на стационарный режим), как правило, длится несколько часов. Всё это время производительность холодильной машины непрерывно меняется. Нельзя определённо сказать, зависит она только от текущей температуры кипения или ещё и от нагрузки на испаритель. Данный момент очень важен, так как необходимо знать, возможно ли определять холодопроизводительность в какой-либо момент в процессе охлаждения как холодопроизводительность цикла с соответствующей температурой кипения. Если холодопроизводительность зависит только от температуры, можно получить данную зависимость, рассчитав с определённым шагом циклы с температурами кипения от температуры окружающей среды до температуры кипения на установившемся режиме. Если холодопроизводительность зависит ещё и от нагрузки, необходимо определить соотношения, описывающие данную зависимость.
Давления всасывания и нагнетания меняются в процессе выхода на режим ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов. В поршневых компрессорах, которые в основном применяются в ПКХМ низкотемпературных камер, степень сжатия устанавливается автоматически, и трудно поддаётся регулированию в процессе работы. Учёт переменности давлений всасывания и нагнетания может существенно усложнить расчёт параметров цикла ПКХМ.
Математическое моделирование динамических тепловых процессов, протекающих в корпусе холодильной камеры
Конечная температура замораживания материалов определяется технологическим процессом их обработки. При этом холодильные машины на смесях хладагентов являются универсальными. Одна и та же установка позволяет осуществлять охлаждение до температур минус 30 ... минус 90С с высокой эффективностью, при этом предварительное охлаждение охлаждаемых материалов не требуется. Хотя охлаждение и замораживание осуществляется в заранее охлаждённых холодильных камерах, температура воздуха в рабочем объёме камеры при помещении туда объектов с большой массой и теплоёмкостью может значительно вырасти. Следовательно, исследование динамических характеристик, представляющее со бой, п о сути, исследование изменения производительности холодильной машины в процессе захолаживания необходимо проводить во всём диапазоне рабочих температур (от Тос до 7».
Основные факторы, от которых зависит скорость охлаждения всех частей низкотемпературной камеры и которые можно относительно просто менять — это состав рабочего тела холодильной машины и общее количество его заправки. В результате исследования необходимо получить некоторые зависимости того как данные факторы влияют на производительность- на разных температурных уровнях, чтобы использовать их при проектировании будущих установок.
Компоненты рабочего тела холодильной машины необходимо подбирать исходя из температуры охлаждения, учитывая опыт предыдущих исследований (п. 1.2). Чтобы понять общие принципы того, как- меняется скорость охлаждения в зависимости от количества компонентов, и для облегчения расчётов целесообразно использовать смесь хорошо изученных веществ (фреонов или углеводородов).
Создание метода теоретического расчёта, основанного на описанных выше принципах (п. 1.3), позволит без применения сложных измерительных средств определить холодопроизводительность в зависимости от валового состава рабочего тела, но не от общего количества его заправки. Кроме того для создания данного метода потребуется проведение экспериментальных исследований на макете реальной холодильной машины.
Использование многокомпонентных рабочих тел приводит к существенному увеличению степеней свободы системы охлаждения ПО сравнению с её работой на традиционных чистых хладагентах. В работу холодильной машины вносится неопределённость, вызванная неточностью дозировки компонентов рабочего тела в процессе заправки, неравномерностью их распределения по рабочему контуру, а также непостоянством циркулирующего валового состава рабочего тела вследствие воздействия системы автоматического регулирования. Особенно сильно неопределённость такого рода проявляется в работе низкотемпературных холодильных систем на базе смазываемых компрессоров, где смазочное масло является ещё одним компонентом рабочего тела.
Важной частью исследований также является определение того, зависит ли холодопроизводительность в процессе захолаживания от нагрузки на испаритель или она зависит только от текущей температуры охлаждения, т.е. насколько сильно влияет тепловая инерция холодильной машины на работу всего рефрижератора.
Данные обстоятельства показывают, что нельзя ограничиваться только созданием теоретического метода расчета. Анализ приведённых методов экспериментального определения холодопроизводительности (п. 1.4) показывает, что калориметрический метод отличается высокой инерционностью и непригоден для определения изменения холодопроизводительности. Метод, основанный на измерении расхода хладагента, требует внесение изменений в конструкцию холодильной машины и расчета термодинамических свойств хладагента, что опять приводит к проблеме различия заправленного и реально циркулирующего составов. Таким образом, наиболее подходящим для определения холодопроизводительности ПКХМ в нестационарном режиме работы будет разработка косвенного метода, описанного выше (п. 1.4.3). При этом в ходе испытаний холодильной машины в качестве объекта охлаждения целесообразно использовать теплоизолированную низкотемпературную камеру. Недостаток метода определения холодопроизводительности - сложность расчёта становится мене значимым с учётом возможности широкого применения современной компьютерной техники.
Сделанные выводы позволяют сформулировать цель работы и её основные задачи: Цель работы: разработка методов определения динамических характеристик парокомпрессионных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов и получение с их помощью данных, необходимых для создания на базе ПКХМ низкотемпературного оборудования, обеспечивающего требуемые режимы охлаждения.
Создание метода определения зависимости изменения холодопроизводительности ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов в процессе охлаждения низкотемпературной камеры от состава рабочего тела и общего количества его заправки, который должен включать в себя: методику теоретического определения холодопроизводительности в нестационарных режимах работы ПКХМ на многокомпонентных смесях хладагентов; методику экспериментального определения холодопроизводительности парокомпрессионной холодильной машины низкотемпературной камеры, основанную на расчёте нестационарных процессов переноса тепла в теплоизолированном корпусе камеры.
Предварительные испытания. Определение характеристик экспериментальной установки
Как видно из приведённых результатов, основным отличием двумерной модели является более высокая температура в угловых сечениях корпуса, что не учитывает одномерная модель. Из-за того, что температура ближе к углам корпуса камеры более высокая при расчёте по двумерной модели средняя температура внутренней и- внешней стенок также получаются выше аналогичных температур, полученных при расчёте по одномерной модели. При этом абсолютная величина разницы температур внутренней стенки, рассчитанной по одномерной и двумерной моделям, возникает в первые 5 минут и остаётся практически постоянной во времени. Значения пот ребной холодопроизводительности, полученные по одномерной и двумерной моделям отличаются менее чем на 10%.
В результате можно сделать вывод, что для приближённых расчётов можно пользоваться одномерной моделью, хотя она и не учитывает некоторых факторов. Двумерная модель более корректна и обеспечивает результаты с достаточной для практических расчётов точностью, а разработка намного более сложной трёхмерной модели нецелесообразна [82,83]. Для расчёта холодопроизводительности на основе экспериментальных данных об изменении температуры воздуха в рабочем объёме низкотемпературной камерьь оптимальной является двумерная математическая модель.
Формулы (2.33), (2.48) представляют упрощенную форму теплового баланса для рабочего объема низкотемпературной камеры и не учитывают ряд тепловых потоков, непосредственно влияющих на характер зависимости температуры воздуха в рабочем объеме низкотемпературной камеры от времени и, тем самым, на холодопроизводительность парокомпрессионной холодильной машины.
К этим тепловым потокам относятся тепловые потоки, обусловленные наличием в рабочем объёме объектов охлаждения; теплоёмкой массой элементов конструкции, находящихся в рабочем объёме; тепловой мощностью, эквивалентной работе циркуляционного вентилятора (при его наличии); дополнительными теплопритоками из окружающей среды вследствие инфильтрации воздуха через уплотнение дверного проёма низкотемпературной камеры и по тепловым мостам; внутренними тепловыделениями. В общем виде уравнение теплового баланса для рабочего объёма низкотемпературной камеры можно записать следующим образом: изменением температуры элементов конструкции низкотемпературной камеры, находящихся в её рабочем объёме (перегородок подвесов и т.п.);
Фдоп дополнительный тепловой поток из окружающей среды, обусловленный инфильтрацией воздуха через уплотнение дверного проёма и теплопритоками через тепловые мосты; QT - тепловой поток, обусловленный внутренними тепловыделениями при их наличии. Расчёт теплового потока, обусловленного изменением температуры объектов охлаждения, находящихся в рабочем объёме низкотемпературной камеры, является отдельной сложной задачей. Для её решения требуется-знать теплофизические свойства данных объектов, массогабаритные характеристики, а также характер теплообмена на их поверхности; в настоящей работе эта задача не рассматривается.
Слагаемые (?вент С?констр Фдоп уравнения (2.59) наряду с коэффициентом теплоотдачи внутр являются характеристиками конкретной конструкции низкотемпературной камеры и могут быть рассчитаны с определённой степенью точности, либо определены экспериментально.
Уравнение теплового баланса (2.59) для рабочего объёма низкотемпературной камеры является связующим звеном между математической моделью рассмотренного выше цикла ГЖХМ, определяющей зависимость холодопроизводительности Qx от температуры воздуха в рабочем объёме Гх, и нестационарной моделью переноса тепла в теплоизолированном корпусе низкотемпературной камеры.
В целом объединение этих моделей образует математическую модель низкотемпературной камеры и позволяет провести расчётный анализ динамических характеристик низкотемпературной камеры как основы проектирования по заданным потребительским свойствам.
