Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ дросселирующих устройств холодильных машин
1.1 Холодильные машины с капиллярными трубками 6
1.2 Холодильные машины с терморегулирующими вентилями 9
1.3 Цели и задачи исследования 25
2 Разработка математической модели регулируемого дроссельного устройства 28
2.1 Основные уравнения двухфазного потока в трубе 28
2.2 Математическая модель регулируемого дроссельного устройства . 36
2.3 Реализация математической модели 52
3. Экспериментальное исследование регулируемого дроссельного устройства 53
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 53
3.2 Планирование эксперимента 59
3.3 Анализ результатов эксперимента 71
4 Технико - экономический анализ холодильной системыс регулируемым дроссельным устройством 73
4.1 Разработка конструкции регулируемого дроссельного устройства
4.2 Анализ энергетической эффективности схемы холодильной машины с регулируемым дроссельным устройством 81
4.3 Методика определения рабочих характеристик и конструктивных параметров регулируемого дроссельного устройства .
Заключение 88
Список использованной литературы 89
- Холодильные машины с терморегулирующими вентилями
- Математическая модель регулируемого дроссельного устройства
- Анализ энергетической эффективности схемы холодильной машины с регулируемым дроссельным устройством
- Методика определения рабочих характеристик и конструктивных параметров регулируемого дроссельного устройства
Введение к работе
В России уделяется большое внимание вопросам энергосбережения на фоне растущей потребности в тепловой и электрической энергии и постоянного повышения цен на энергоносители. Поэтому, с целью снижения энергоемкости работы холодильной техники совершенствуют цикл работы холодильной машины путем уменьшения необратимых потерь в процессах генерации холода. Одним из элементов холодильной машины определяющим термодинамическую эффективность является дроссельное устройство (ДУ).
Применяемые в современных холодильных машинах дроссельные устройства (регулирующие и терморегулирующие вентили, капиллярные трубки) являются энергетически не совершенными из-за необратимых потерь, связанных с образованием парожидкостной смеси в процессе дросселирования хладагента с давления конденсации Рк до давления кипения Р0. При этом содержание пара хладагента увеличивается с увеличением перепада давлений (Рк - Р0) и уменьшается массовое содержание жидкой фазы хладагента, определяющей величину удельной массовой холодопроизводитель-ности цикла холодильной машины. Кроме того, образующийся в процессе дросселирования пар хладагента, является «балластным», так как, проходя через испаритель холодильной машины, не создает холодильного эффекта и лишь увеличивает требуемую объемную производительность компрессора. Эти факторы приводят к снижению термодинамической эффективности цикла и увеличению энергозатрат на генерацию холода. Вместе с тем существующие дроссельные устройства не позволяют регулировать температуру кипения хладагента и холодильную мощность агрегата при изменении условий эксплуатации.
В связи с этим создание регулируемого дроссельного устройства (РДУ), обеспечивающего сокращению необратимых потерь в процессе дросселирования, позволяющего обеспечить регулирование параметров ра-
боты холодильного агрегата, является актуальной задачей, решение которой позволит снизить энергозатраты на генерацию холода.
С 1998 года на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок КубГТУ под руководством профессора Шляховецкого В.М. проводятся работы по созданию регулируемых дроссельных устройств.
Основное направление этих работ связано с уменьшением необратимых потерь в процессе дросселирования за счет количества паров, поступающих в испаритель холодильной машины.
Целью настоящей работы является создание регулируемого дроссельного устройства, позволяющего снизить необратимые потери в процессе дросселирования и осуществлять регулирование температуры кипения холодильного агента.
Холодильные машины с терморегулирующими вентилями
Жидкий холодильный агент из конденсатора КД проходит через фильтр-осушитель Ф, дросселируется в капиллярной трубке КТ с давления конденсации Рк до давления кипения Р0, после чего образовавшаяся паро-жидкостная смесь хладагента поступает в воздухоохладитель ВО. В воздухоохладителе ВО жидкая фаза кипит, совершая холодильный эффект и пары хладагента отсасываются компрессором КМ..
Достоинства капиллярной трубки, соединяющей линии нагнетания и всасывания заключается в том, что через нее уравнивается давление в холодильной системе при остановке компрессора. Это способствует разгрузке компрессора в момент последующего пуска и позволяет использовать электродвигатели с небольшим пусковым моментом. К недостаткам холодильных агрегатов с капиллярной трубкой относятся: - снижение эффективности работы испарителя при изменении темпе ратуры окружающей среды и тепловых нагрузок; - снижение холодопроизводительности агрегата при минимальных утечках хладагента или засорении капиллярной трубки. К холодильному агрегату с капиллярной трубкой предъявляют следующие требования: - в конденсаторе должен помещаться весь хладагент, содержащийся в системе, на случай замерзания или засорения капиллярной трубки; - обязательное применение надежных фильтров-осушителей, размещаемых между конденсатором и капиллярной трубкой; - обязательна достаточная длительность цикличности работы для разгрузки компрессора. Исследованию процессов дросселирования в капиллярных трубках посвящены немногочисленные работы /1, 6, 8, 13, 65/. В работе /8/ приводятся результаты испытания капиллярной гладкой латунной трубкой диаметром 10 мм, длиной 450 мм. Схема экспериментальной трубки с указанием мест отбора давлений приведена на рисунке 2. Результаты испытаний представлены на рисунке 3 в виде зависимости предельного удельного весового расхода Gyd через трубку от длины трубки / для двух различных начальных температур насыщенного фреона-12. Здесь же приведены теоретические зависимости Gyd.m=f(l) для тех же начальных температур. Из сравнения экспериментальных и теоретических зависимостей согласно /8/ видно, что для коротких трубок весовой расход значительно превышает расчетные значения. Так, для трубок длиной 3 мм (коротких насадков) отношение действительного удельного расхода к теоретическому Это отклонение, объясняется отсутствием термодинамического равновесия между жидкой и паровой фазами в начальный момент парообразования, вследствие задержки кипения. Причиной задержки кипения является, как известно /8/, поверхностное натяжение. Для образования парового пузырька в жидкости и его дальнейшего существования необходимо, чтобы давление насыщенного пара внутри пузырька р равнялось общему давлению на пузырек, которое складывается из внешнего давления р и давления, обусловленного действием сил поверхностного натяжения на границе парового пузырька с жидкостью и равного при сферическом пузырьке 2oVr (о - коэффициент поверхностного натяжения и г - радиус пузырька). Таким образом, кипение может происходить, если удовлетворяется равенство где/?" - давление внутри пузырька, Па; р - внешнее давление, Па; а - коэффициент поверхностного натяжения, Па-м; г - радиус пузырька, м. Давление насыщенного пара р" зависит от температуры жидкости. При нагревании, когда температура жидкости достигает температуры насыщения при давлении р, кипение начаться еще не может, так как/У =р и указанное выше равенство не соблюдается. Оно может начаться только при перегреве жидкости до температуры, соответствующей насыщению р" р. При течении жидкости, находящейся в насыщенном или близком к нему состоянии, кипение происходит не вследствие нагрева, а в результате понижения давления. Температура жидкости до начала кипения практически не изменяется. При этом соблюдение указанного выше равенства может быть только в том случае, когда давление жидкости р упадет ниже давления насыщения р" при данной температуре на величину 2о7г. На процесс парообразования, например при нагреве поверхности, оказывают влияние такие факторы, как шероховатость поверхности, ее смачиваемость, наличие механических загрязнений и растворенных газов в кипящей среде. В случае кипения, вызванного падением давления в трубке, влияние смачиваемости материала стенок и их шероховатости, по-видимому, невелико, поскольку начало парообразования связано с отрывом струи от стенок при переходе жидкости из сужающейся входной части в цилиндрическую трубку.
Математическая модель регулируемого дроссельного устройства
ТРВ - пропорциональные регуляторы перегрева, предназначены для регулирования заполнения приборов охлаждения хладагентом, обеспечивающего перегрев паров хладагента на выходе из прибора охлаждения в диапазоне 3-И 5С.
Под перегревом пара на выходе из прибора охлаждения понимают разность между температурой перегретого пара, выходящего из прибора охлаждения tB.n. (в точке крепления чувствительного элемента) и температурой кипения хладагента t0i т.е. температурой насыщенных паров, соответствующей давлению в той же точке. Этому перегреву AtnEP B.n.o соответствует разность давлений А Р =Рю - Ро ПРИ условии, что температура термобаллона (чувствительного элемента) tr0 Uui \ Рта - давление хладагента в термобаллоне.
Поэтому соответственно ТРВ имеет два чувствительных элемента: один элемент воспринимает температуру на выходе из прибора охлаждения tB.n., преобразуя ее в давление Рю, а другой - непосредственно давление кипения Р0. Следовательно, в отличие от регуляторов разности температур ТРВ воспринимает не любую разность температур, а только перегрев пара. При уменьшении заполнения прибора охлаждения перегрев пара на выходе возрастает и ТРВ автоматически увеличивает подачу хладагента.
В зависимости от вида подачи давления из прибора охлаждения к ТРВ, различают ТРВ с внутренним, внешним выравниванием и ТРВ непрямого действия (пилотные). ТРВ с внутренним выравниванием применяют в основном только в малых холодильных установках при температуре кипения выше -30С, где сопротивление движению хладагента в приборе охлаждения невелико (падение давления в приборе охлаждения). Для низкотемературных установок в основном применяют ТРВ с внешним выравниванием, при использовании которых на точность регулирования перегрева не оказывают влияние сопротивления прибора охлаждения. Терморегулирующие вентили с внешним выравниванием, при использовании которых на точность регулирования перегрева не оказывает влияние сопротивления прибора охлаждения. Терморегулирующие вентили с внешним уравниванием, при использовании которых на точность регулирования перегрева не оказывает влияние сопротивления прибора охлаждения. Терморегулирующие вентили с внешним уравниванием применяют для подачи хладагента в несколько параллельных змеевиков воздухоохладителя или для питания приборов охлаждения, в которых падение давления при движении двухфазного потока по трубе приводит к существенному изменению температуры кипения, что влечет за собой нарушение режима работы ТРВ.
В современных малых холодильных машинах автоматическое регулирование заполнения испарителей хладагентом осуществляется в основном с помощью терморегулируемых вентилей, которые обычно настраивают в зависимости от степени обмерзания всасывающих трубопроводов. Однако такой способ настройки не обеспечивает необходимой точности регулирования. Сложность оптимальной настройки ТРВ многократно возрастает при цикличной работе компрессора, когда имеют место значительные колебания давлений, температур конденсации. /6/
Для изучения влияния настройки ТРВ на энергетические характеристики холодильной машины при цикличной работе и разработки методики его упрощенной настройки были проведены исследования низкотемпературного прилавка ПХН-1-0,28 с агрегатом ВН 315(2), работающим на R502. Автоматическое регулирование заполнения испарителя осуществлялось ТРВ типа 502ТРВВ-0,63 с внешним уравниванием. Температура воздуха в охлаждаемом объеме поддерживалась с помощью электронного датчика температуры Т 419-А в комплекте с термопреобразователем сопротивления ТСМ-0879-01, управлявшего работой компрессора.
Температура кипения на выходе из испарителя и величина перегрева, как указывалось выше, существенно изменяются в течение цикла. Поэтому в таблице приведены средние значения указанных температур для рабочей части цикла, полученные после обработки экспериментальных данных для различных температур окружающего воздуха и перегрева начала открытия ТРВ. Откуда следует, что чем больше сечение проходного отверстия ТРВ тем выше температура кипения холодильного агента, ниже перегрев холодильного агента на выходе из испарителя и испаритель заполняется рабочим веществом более полно. Анализ способов и конструктивных решений, направленных на снижение дроссельных потерь в одноступенчатых и многоступенчатых паро-компрессинных холодильных машин (ПКХМ) показал, что в схемы ПКХМ целесообразно вводить наряду с теплообменниками (ТО) и регенеративными теплообменниками (РТО), или вместо них, в зависимости от вида схемы ПКХМ и используемого хладагента, новый теплообменный аппарат - регенеративный теплообменник-рекономайзер (РТОР). В этом аппарате обеспечивается внутренний теплообмен между потоками хладагента, при этом жидкий хладагент после линейного ресивера движется прямым потоком, а в межтрубном пространстве обратными потоками движутся пары хладагента после испарителя и парожидкостная смесь после промежуточного дроссельного вентиля. Обратные потоки могут смешиваться на входе или выходе из регенеративного теплообменника с рекономайзером (РТОР), или отводиться из него в компрессор попеременно.
Анализ энергетической эффективности схемы холодильной машины с регулируемым дроссельным устройством
Регулируемое дроссельное устройство (рисунок 25) содержит корпус 1 и закрепленный на нем стакан 2 корпуса, патрубок подвода жидкого хладагента 3 и связанную с ним перфорированную направляющую трубку 4; внутри стакана 2 корпуса размещена подвижная магнитная катушка 5, размещенная на направляющей трубке 6, проходящей через уплотнение 7; снаружи стакана 2 корпуса размещена внешняя магнитная катушка 8 с выводами 9, закрытая кожухом 10.
На направляющей трубке 6 закреплено подвижное опорное кольцо 11, опирающееся на пружину 12; направляющая трубка 6 через сопло 13 связана с подвижной капиллярной трубкой 14. В корпусе 1 выполнен конусный переходник 15 и установлены подшипник 16, неподвижная капиллярная направляющая трубка 17 и прокладка-демпфер 18. В нижней части корпуса 1 установлен патрубок 19 отвода парожидкостной смеси хладагента. В корпусе 1 выполнены каналы 20 и 21, сообщающиеся соответственно с паровой полостью 22 между корпусом 1 и неподвижной капиллярной направляющей трубкой 17 и полостью 23 между корпусом 1 и подвижной капиллярной трубкой 14. Каналы 20 и 21 заглушены пробками 24 и 25; полости 22 я 23 через каналы 20 и 21 связаны с патрубком отвода пара 26. В схеме холодильной машины (рисунок 26) в контуре циркуляции хладагента установлены испаритель 27, компрессор 28, конденсатор 29, жидкостный трубопровод 30, регулируемое дроссельное устройство 31, паровой трубопровод 32; на жидкостном трубопроводе 30 установлен соленоидный вентиль СВ1, на паровом трубопроводе 32 установлен соленоидный вентиль СВ2. Регулируемое дроссельное устройство работает следующим образом.
Жидкий хладагент из конденсатора 29 через СВ1 по трубопроводу 30 подводится к регулируемому дроссельному устройству 31, где через патрубок 3 и перфорированную трубку 4 поступает в направляющую трубку 6, откуда поступает в сопло 13, где происходит процесс адиабатного поджатая жидкости; из сопла 13 жидкость поступает последовательно в подвижную капиллярную трубку 14 и неподвижную капиллярную направляющую трубку 17, в которых, из-за гидравлического сопротивления протеканию жидкости, происходит понижение давления и температуры жидкого хладагента. Далее жидкий хладагент проходит через патрубок 19 и поступает в испаритель 27.
Пары испарившегося хладагента из испарителя 27 отсасываются компрессором 28 и нагнетаются в конденсатор 29, где конденсируются, переходя в жидкую фазу. Через СВ1 и жидкостный трубопровод 30 жидкий хладагент подводится к регулируемому дроссельному устройству 31. Цикл завершается.
При скорости течения жидкого хладагента, зависящей, главным образом, от его начальных параметров - давления и температуры после конденсатора, и при некотором времени, необходимом для доведения жидкого хладагента до равновесного состояния, соответствующего давлению и температуре в испарителе, определяющим является протяженность воздействия на жидкость гидравлического сопротивления, т.е. абсолютная длина трубки. Регулирование расхода и параметров хладагента, подаваемого через регулируемое дроссельное устройство, согласно фигуре 1, осуществляется путем изменения суммарной длины подвижной капиллярной трубки 14 и неподвижной капиллярной трубки 17. Это достигается последовательным включением в электрическую цель питания внешней электромагнитной катушки 8 и линейным (шаговым) перемещением "сверху вниз и обратно" катушки 5, связанной с катушкой 8 электромагнитными силами. (Связь выводов 9 катушки 8 с цепью управления холодильной машины для последовательного регулирования не показана).
Перемещением катушки 5 обеспечивается изменение суммарной длины подвижной капиллярной трубки 14 и неподвижной капиллярной трубки 17 в интервале от минимальной длины, когда подвижная капиллярная трубка 14 находится в крайнем нижнем положении, упираясь в прокладку-демпфер 18, до максимальной длины, когда подвижная капиллярная трубка 14 находится в крайнем верхнем положении в неподвижной капиллярной трубке 17, определяемом верхним размещением катушки 5 в катушке 8. При движении катушки 5 с трубкой 6 вверх жидкость из внутренней полости стакана 2 корпуса через перфорацию на трубке 4 возвращается в трубку 6. При перемещении трубки 6 "вверх - вниз - вверх" кольцо 11 взаимодействует с пружиной 12. Характер взаимодействия кольца 11 с пружиной 12 определяется режимом работы холодильной машины, в составе которой работает регулируемая капиллярная трубка. Холодильная машина может работать в режимах: - с "сухим" конденсатором 29 и сливом всего жидкого хладагента в испаритель 27 (рисунок 26 а); - с частично затопленным конденсатором 29 и незатопленным испарителем 27 (рисунок 26 б). При остановке компрессора 28 холодильной машины неподвижная магнитная катушка 8 отключается от линии электропитания. В режиме с "сухим" конденсатором пружина 12 возвращает кольцо 11 и связанную с ним трубку 6 в крайнее нижнее положение. В этом случае используется пружина 12, работающая на собственное сжатие. При этом при остановке компрессора 28 (см. фигуру 2) открыты СВ1 и СВ2. Жидкий хладагент проходит из конденсатора 29 в испаритель 27. Через трубопровод 32 при открытом СВ2 полости 22 и 23 через патрубок 26 сообщаются в конденсатором 29, обеспечивая во всей схеме холодильной машины одинаковое давление. При пуске компрессора 28 закрываются СВ1 и СВ2, в катушку 8 подается электропитание. Пар хладагента высокого давления через каналы 20, 21,22 и через зазор между трубками 14 и 17 поступает в испаритель 27 и отсасывается компрессором 28. Машина работает в нормальном режиме накопления хладагента в конденсаторе и дозированной подачи жидкого хладагента в испаритель 27 в зависимости от уровня тепловой нагрузки. В режиме с частично затопленным конденсатором 29 и незатопленным испарителем 27 пружина 12 возвращает кольцо 11 и связанную с ним трубку 6 в крайнее верхнее положение, пружина 12 работает на собственное разжатие. При этом при остановке компрессора 28 (см. фигуру 3) закрыт СВ1 и открыт СВ2. Жидкий хладагент не проходит из конденсатора 29 в испаритель 27. Через трубопровод 32 при открытом СВ2 полости 22 и 23 через патрубок 26 сообщаются в конденсатором 29, обеспечивая во всей схеме холодильной машины одинаковое давление.
При пуске компрессора 28 открывается СВ1 и закрывается СВ2, в катушку 8 подается электропитание. Пар хладагента высокого давления через каналы 20,21, 22 и через зазор между трубками 14 и 17 поступает в испаритель 27 и отсасывается компрессором 28. Машина работает в нормальном режиме накопления хладагента в конденсаторе и дозированной подачи жидкого хладагента в испаритель 27 в зависимости от уровня тепловой нагрузки. Таким образом, регулируемое дроссельное устройство, по сравнению с известными, позволяет: - в зависимости от начальных параметров - давления и температуры после конденсатора и при некотором времени, необходимом для доведения жидкого хладагента до равновесного состояния, соответствующего давлению и температуре в испарителе, обеспечить регулирование расхода и параметров хладагента при регулируемом изменении абсолютной длины капиллярной трубки; - в зависимости от размещения в устройстве пружины, работающей на собственное сжатие или расширение, обеспечить использование устройства в схемах холодильной машины с "сухим" или затопленным конденсатором.
Методика определения рабочих характеристик и конструктивных параметров регулируемого дроссельного устройства
При скорости течения жидкого хладагента, зависящей, главным образом, от его начальных параметров - давления и температуры после конденсатора, и при некотором времени, необходимом для доведения жидкого хладагента до равновесного состояния, соответствующего давлению и температуре в испарителе, определяющим является протяженность воздействия на жидкость гидравлического сопротивления, т.е. абсолютная длина трубки. Регулирование расхода и параметров хладагента, подаваемого через регулируемое дроссельное устройство, согласно фигуре 1, осуществляется путем изменения суммарной длины подвижной капиллярной трубки 14 и неподвижной капиллярной трубки 17. Это достигается последовательным включением в электрическую цель питания внешней электромагнитной катушки 8 и линейным (шаговым) перемещением "сверху вниз и обратно" катушки 5, связанной с катушкой 8 электромагнитными силами. (Связь выводов 9 катушки 8 с цепью управления холодильной машины для последовательного регулирования не показана).
Перемещением катушки 5 обеспечивается изменение суммарной длины подвижной капиллярной трубки 14 и неподвижной капиллярной трубки 17 в интервале от минимальной длины, когда подвижная капиллярная трубка 14 находится в крайнем нижнем положении, упираясь в прокладку-демпфер 18, до максимальной длины, когда подвижная капиллярная трубка 14 находится в крайнем верхнем положении в неподвижной капиллярной трубке 17, определяемом верхним размещением катушки 5 в катушке 8.
При движении катушки 5 с трубкой 6 вверх жидкость из внутренней полости стакана 2 корпуса через перфорацию на трубке 4 возвращается в трубку 6. При перемещении трубки 6 "вверх - вниз - вверх" кольцо 11 взаимодействует с пружиной 12. Характер взаимодействия кольца 11 с пружиной 12 определяется режимом работы холодильной машины, в составе которой работает регулируемая капиллярная трубка. Холодильная машина может работать в режимах: - с "сухим" конденсатором 29 и сливом всего жидкого хладагента в испаритель 27 (рисунок 26 а); - с частично затопленным конденсатором 29 и незатопленным испарителем 27 (рисунок 26 б). При остановке компрессора 28 холодильной машины неподвижная магнитная катушка 8 отключается от линии электропитания. В режиме с "сухим" конденсатором пружина 12 возвращает кольцо 11 и связанную с ним трубку 6 в крайнее нижнее положение. В этом случае используется пружина 12, работающая на собственное сжатие. При этом при остановке компрессора 28 (см. фигуру 2) открыты СВ1 и СВ2. Жидкий хладагент проходит из конденсатора 29 в испаритель 27. Через трубопровод 32 при открытом СВ2 полости 22 и 23 через патрубок 26 сообщаются в конденсатором 29, обеспечивая во всей схеме холодильной машины одинаковое давление. При пуске компрессора 28 закрываются СВ1 и СВ2, в катушку 8 подается электропитание. Пар хладагента высокого давления через каналы 20, 21,22 и через зазор между трубками 14 и 17 поступает в испаритель 27 и отсасывается компрессором 28. Машина работает в нормальном режиме накопления хладагента в конденсаторе и дозированной подачи жидкого хладагента в испаритель 27 в зависимости от уровня тепловой нагрузки.
В режиме с частично затопленным конденсатором 29 и незатопленным испарителем 27 пружина 12 возвращает кольцо 11 и связанную с ним трубку 6 в крайнее верхнее положение, пружина 12 работает на собственное разжатие. При этом при остановке компрессора 28 (см. фигуру 3) закрыт СВ1 и открыт СВ2. Жидкий хладагент не проходит из конденсатора 29 в испаритель 27. Через трубопровод 32 при открытом СВ2 полости 22 и 23 через патрубок 26 сообщаются в конденсатором 29, обеспечивая во всей схеме холодильной машины одинаковое давление.
При пуске компрессора 28 открывается СВ1 и закрывается СВ2, в катушку 8 подается электропитание. Пар хладагента высокого давления через каналы 20,21, 22 и через зазор между трубками 14 и 17 поступает в испаритель 27 и отсасывается компрессором 28. Машина работает в нормальном режиме накопления хладагента в конденсаторе и дозированной подачи жидкого хладагента в испаритель 27 в зависимости от уровня тепловой нагрузки. Таким образом, регулируемое дроссельное устройство, по сравнению с известными, позволяет: - в зависимости от начальных параметров - давления и температуры после конденсатора и при некотором времени, необходимом для доведения жидкого хладагента до равновесного состояния, соответствующего давлению и температуре в испарителе, обеспечить регулирование расхода и параметров хладагента при регулируемом изменении абсолютной длины капиллярной трубки; - в зависимости от размещения в устройстве пружины, работающей на собственное сжатие или расширение, обеспечить использование устройства в схемах холодильной машины с "сухим" или затопленным конденсатором.
