Метод расчета и исследования термогидродинамических процессов в замкнутых системах холодильных агрегатов Кулиев, Гусейн Мамедгасан оглы

Введение к работе

Актуальность проблемы. Важнейшие задачи подъема народного хозяйства страны могут быть решены, в первую очередь, интенсификацией научно-технического прогресса и безотлагательным использованием достижений науки в производственных процессах.

Как известно, развитие холодильного машиностроения связано с двумя проблемами: это самой обработкой, хранением и доставкой продовольственных товаров и экономией топливно-энергетических ресурсов. Актуальность первой из этих проблем не вызывает никакого сомнения. Вторая приобретает особо важную роль в связи с тем, что за последнее десятилетие пополнение парка холодильных машин происходило с превышением установленной электрической мощности в 900 тыс. кВт в год.

Ускорение научно-технического прогресса в отрасли холодильного машиностроения, как и в других, прежде всего требует сокращения цикла исследование- разработка- внедрение. В этом плане основная роль принадлежит системе автоматизированного проектирования( САПР) на базе ЭВМ.

За последние годы с целью создания САПР в конкретных областях техники проведены обширные исследования с применением математических методов. Математические методы особенно необходимы при исследовании и создании малых холодильных машин ( бытовые холодильники, кондиционеры, тепловые насосы и др.), где проведение точного экспериментального исследования либо затруднительно, либо же вообще невозможно. Необходимо иметь в виду и то, что бытовые приборы с малыми холодильными машинами выпускаются массовым производством и в нашей республике. В дальнейшем ожидаются расширение их ассортимента и увеличение выпуска. Это свидетельствует об актуальности работ посвященных расчету и исследованиям процессов, протекающих в малых холодильных агрегатах.

Известно, что процессы, протекающие в компрессионных холодильных агрегатах являются нестационарными. И в настоящее время в инженерных расчетах к таким процессам применяются приемущественно статические методы. Это приводит к значительным расхождениям в результатах расчетного и экспериментального исследований.

За последнее время проведены немало работ, посвященных

исследованию динамических режимов работы холодильных машин с применением математических методов и использованием е»вм.

Однако, большинство этих работ охватывают динамические режимы отдельно взятого теплообмеиного аппарата или компрессора, без обеспечения надлежащей связи между элементами холодильного агрегата.

Известны попытки рассмотрения процессов, протекающих в замкнутых системах холодильных агрегатов в динамическом взаимодействии. При этом с цепью упрощения решения задачи сделаны допущения о стационарности процессов в отдельных элементах холодильного агрегата и равновестности процессов фазовых превращений, использовано условное деление проточных частей теплообменных аппаратов на отдельные участки и т.д. В результате таких действий возможности метода математического эксперимента используются далеко не эффективно.

Очевидно, рассмотрение процессов во взаимодействии в замкнутых системах холодильных агрегатов, не может и не должно исключить проведения работ, посвященных изучению процессов в отдельных элементах и узлах холодильных установок, но дополняя таких работ, выводит на первый план вопросы оптимизации параметров этих элементов в отдельности и установки в целом.

Выполненная диссертационная работа направлена на решение актуальной и важной для народного хозяйства проблемы, предусматривающей разработку нового, более совершенного математического метода для комплексного расчета и исследования процессов с динамическим взаимодействием всех элементов в замкнутых системах агрегатов бытовых кондиционеров, работающих в режимах охлаждения и нагрева. Метод предназначен также для проведения расчетов в ротационном компрессоре при его работе по незамкнутому циклу. Во всех случаях учитываются нестационарность теплообмена и движение хладагента, а также наличия фазовых превращений и гидрогазодинамических сопротивлений. Метод позволяет вести высокоинформативные расчеты по прогнозированию и оптимизации параметров при создании новых и усовершенствовании существующих агрегатов бытовой холодильной техники.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ, различных методик и математических моделей для решения изложенной выше проблемы применительно к современным и перспективным холодильным и тегшонасосным агрегатам бытовых кондиционеров с компрессорами ротационного типа. Намечено выполнить следующие научно-технические задачи:

1. Обобщение фундаментальных исследований по

расчету нестационарных процессов в отдельных элементах и агрегатах компрессионных холодильных машин;

1. Разработка новых, более совершенных математических моделей комплекса процессов, протекающих в холодильном агрегате бытового кондиционера БК-1500, в агрегате теплового насоса БК-1500 Т и в ротационном компрессоре с катящимся ротором, которые должны учесть нестационарность движения и теплообмена, переменность физических характеристик и двухфазность состояния холодильного агента, гидрогазодинамиеских сопротивлений и др. ;

2. Составление алгоритмов реализации розработанных моделей на ЭВМ ;

4. Проведение математических экспериментов по
исследованию переходных процессов и оптимизации
параметров потока в системах агрегатов
кондиционера, теплового насоса и в ротационном
компрессоре с катящимся ротором.

Научная новизна.

1. В результате обобщения выполненных научно-исследовательских работ в области расчета параметров потока в компрессионных паровьгх холодильных машинах и их элементах, разработан новый метод, который включает в себе более усовершенствованные математические модели и алгоритмы их реализации на ЭВМ для расчета и исследования нестационарных процессов в замкнутых системах холодильного и теплонасосного агрегатов бытового кондиционера, а также в ротационном компрессоре при его работе на воздухе;

2. Выявленная возможность проведения сквозного многоциклового расчета параметров потока по координате и времени в замкнутых системах агрегатов бытового кондиционера и теплового насоса ;

3. Учет тепла внутренних источников в процессах кипения и конденсации в трубах и каналах систем;

4. Впервые полученные реальные расчетные циклы холодильной машины бытового кондиционера, теплового насоса и ротационного компрессора при его работе в составе этих машин;

5. Выявленная необходимость проведения математического эксперимента по оптимизации плраметроь иронесипн.

- 'о -

протекающих в указанных замкнутых системах.

Практическая ценность. Разработанные и реализованные № ЭВМ математические модели и метод математической эксперимента позволяют выполнять эксперименты над комплексами процессов, протекающих в холодильном и теплонасосном агрегатал бытовых кондиционеров и в ротационном компрессоре в динамике, с достаточно достоверными результатами и существенно большей информативностью относительно физических экспериментов. Следовательно, разработанный метод обеспечивает на стадии проектных и опытно- конструкторских разработок решать задачи по прогнозированию параметров перспективных конструкций, а также позволяет оптимизировать рабочие процессы выпускаемых и перспективных моделей бытовых кондиционеров, тепловых насосов и ротационных компрессоров с наименьшими затратами времени и материальных ресурсов.

Разработанные математические модели дают ясную хартину об изменении всех параметров в любой точке системы агрегатов, имитируя при этом работу этих агрегатов в системе кондиционера и теплового насоса. Тем самым, наряду с изучением истинного характера протекания процессов в каждом рассматриваемом элементе, с целью улучшения их параметров, оказывается возможным наметить пути воздействия на эти процессы. Таким образом, появляется возможность значительно ограничить длительные экспериментальные исследования при доводочных испытаниях кондиционеров и тепловых насосов на весьма дорогостоящем и уникальным оборудовании.

Достаточно эффективным является метод математического эксперимента над процессами в ротационном компрессоре при его работе на воздухе. Это позволяет быстро и с необходимой точностью определить влияние на объемную производительность компрессоров конструктивных параметров рабочей полости, нагнетательного клапана, высасывающего окна, величины зазоров и др., т.е. вести расчеты по прогнозированию и предварительной оптимизации параметров узлов и полостей компрессора.

Основные положения разработанной метода математического эксперимента могугь быть использованы при исследовании рабочих процессов в компрессионных бытовых холодильниках различного типа и конструкций, промышленных холодильных установках и кондиционерах, а также других аналогичных машинах и установках.

Внедрение результатов работы. Практическая реализация результатов проведенного исследования осуществлены в АзТУ и СКТБ БК НПО "Баккондиционер". Разработана и внедрена расчетная методика на базе достижений современной вычислительной математики и техники, позволяющая провести математический эксперимент над

процессами протекающими как в элементах, так и в замкнутых системах агрегатов бытового кондиционера и теплового насоса.

Важными результатами выполненного исследования и переданными для внедрения являются:

I). Возможность улучшения показателей работы бытового кондиционера БК-1500 и теплового насоса БК-І500Т путем оптимизации волновых процессов, а также увеличения объемной производительности ротационного компрессора путем оптимизации параметров нагнетательного клапана;

2). Математические модели для расчета параметров потока хладагента в системах бытового кондиционера БК-1500, теплового насоса БК-1500Т и в ротационном компрессоре с катящимся ротором.

Разработанный метод и рекомендации, сформулированные по результатам математических экспериментов переданы в НПО "Баккондиционер" и частично использованы при создании подсистемы САПР по конструированию бытовых кондиционеров и компрессоров.

Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АзТУ (Баку 1980-1989tj.), на научном семинаре при кафедре Э-4 МГТУ им.НЭ.Баумана (1988г.) и на Всесоюзной научной конференции "Холод-Народному Хозяйству", проведенной в ЛТИХП (г.Санкт-Петербург, 1991г.) . Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях НТС СКТБ бытовых кондиционеров и кафедры "ДВС и холодильные машишы" АзТУ в 1992 году. Отдельные фрагменты выполненного исследования обсуждены на заседаниях НТС СКТБ БК в 1982-1986rj.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 39 научных трудов в т.ч. 9 научно-технических отчетов, имеющих Гос. регистрации и 5 тезисов доклада на общереспубликанских и всесоюзных научно-технических конференциях, получено 2 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка испоьзованной литературы и приложений, изложенных на 302 страницах машинописного текста.