Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния науки и техники в области технического совершенствования бытовых холодильных приборов 20
1.1 Краткий анализ направлений технического совершенствования бытовых холодильников 20
1.2 Анализ современного состояния теоретических разработок 36
1.2.1 Особенности расчета теплоизоляции холодильного шкафа 37
1.2.2 Физические основы, способы аккумулирования и рабочие вещества аккумуляторов 41
1.2.2.1 Общий случай 41
1.2.2.2 Частный случай - аккумулирование холода 45
1.2.3 Анализ аккумулирующих веществ и конструкций аккумуляторов 47
1.2.4 Классификация и анализ работы конденсаторов. Перспективы их совершенствования 50
1.2.5 Анализ теоретических и экспериментальных исследований испарительных конденсаторов 59
1.2.6 Классификация и анализ работы испарителей. Перспективы их совершенствования 66
1.2.7 Анализ теоретических разработок в области расчета клапанов поршневых компрессоров 68
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 76
2 Разработка научных основ повышения эффективности конденсаторов холодильных агрегатов 77
2.1 Теоретическое исследование тепловых процессов в холодильном агрегате с испарительным конденсатором 77
2.1.1 Математическое моделирование испарительного конденсатора бытового компрессионного холодильного прибора 77
2.1.2 Разработка аналитической методики расчета испарительного конденсатора 88
2.2 Анализ теплообмена при испарении через пористое покрытие
в испарительном конденсаторе бытового холодильного прибора 90
2.2.1 Методы интенсификации теплообмена в испарительном конденсаторе бытового холодильного прибора 90
2.2.2 Исследование влияния пористого покрытия на интенсивность теплообмена в испарительном конденсаторе 95
2.3 Методика расчета термодинамического цикла работы герметичного агрегата с испарительным конденсатором 101
2.4 Теоретические исследования основных параметров холодильного агрегата 105
2.5 Методика и результаты расчета испарительного конденсатора 111
2.6 Экспериментальные исследования герметичного холодильного агрегата с испарительным конденсатором 115
2.6.1 Стенд для исследования герметичного агрегата с испарительным конденсатором 115
2.6.2 Методика проведения экспериментальных исследований герметичного агрегата с испарительным конденсатором 119
2.7 Результаты экспериментальных исследований 122
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 128
CLASS 3 Разработка научных основ повышения эффективности испарителей холодильных агрегатов CLASS 129
3.1 Разработка методики оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы бытового холодильного прибора 129
3.1.1 Обоснование используемого теоретического подхода 129
3.1.2 Методика оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы бытового холодильного прибора 132
3.2 Методика определения массы холодонакопительной жидкости аккумулятора 133
3.3 Методика прогнозирования технических характеристик встроенных электродвигателей компрессоров бытовых холодильных приборов при изменении режима их работы 140
3.3.1 Анализ работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения 141
3.3.2 Анализ основных номинальных режимов работы электродвигателей 144
3.3.3 Нагревание электродвигателей при различных режимах работы 146
3.3.4 Методика определения энергетических параметров электродвигателя при изменении режима работы бытового холодильного прибора 151
3.4 Методика расчета усиленной теплоизоляции шкафа бытового холодильного прибора 156
3.4.1 Обоснование теоретического подхода 156
3.4.2 Методика расчета потока тепловой энергии при наличии экрана. 160
3.4.3 Методика расчета числа экранов 161
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 163
4 Методика и результаты исследования бытового холодильника с аккумуляционным испарителем и испарительным конденсатором 165
4.1 Объект исследования 166
4.2 Методика экспериментальных исследований бытового холодильного прибора 168
4.3 Планирование экспериментального исследования. Разработка математической модели процесса 171
4.3.1 Анализ и исследование факторов процесса получения холода 172
4.3.2 Разработка математической модели процесса с применением рототабельного планирования второго порядка 175
4.3.3 Анализ математических моделей и графическое определение оптимальных соотношений факторов процесса охлаждения
в бытовом холодильнике с аккумуляционным испарителем и испарительным конденсатором 181
4.4 Обсуждение результатов и разработка рекомендаций 196
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 203
5 Разработка научных основ повышения эффективности работы клапанов герметичных компрессоров бытовых холодильников 205
5.1 Теоретическое исследование рабочего цикла компрессора.
Моделирование процесса работы самодействующих клапанов компрессора 218
5.1.1 Разработка методики и алгоритма расчета параметров клапанов в рабочем цикле компрессора 225
5.1.2 Анализ влияния параметров клапанного механизма на эффективность его работы 228
5.2 Объект и методика экспериментального исследования 231
5.2.1 Объект и условия исследования 231
5.2.2 Стенд и методика теплоэнергетических испытаний герметичных компрессоров 234
5.2.3 Методика исследования рабочих процессов герметичных компрессоров 240
5.2.4 Стенд и методика испытания компрессора на запуск 256
5.2.5 Методика определения характеристик клапанов герметичного компрессора 259
5.3 Результаты экспериментальных исследований 263
5.3.1 Результаты сравнительных испытаний компрессоров с серийной и усовершенствованной клапанной группой 263
5.3.1.1 Объемные потери и коэффициенты, характеризующие производительность компрессора 263
5.3.1.2 Энергетические потери и коэффициенты полезного действия компрессора 266
5.3.1.3 Параметры функционирования клапанов 268
5.3.1.4 Тепловые и энергетические показатели компрессора 271
5.3.2 Газодинамические характеристики клапанов герметичных компрессоров бытовых холодильников 275
5.3.3 Влияние зазора между пластиной и седлом клапана на запуск и холодопроизводительность компрессора 278
Выводы по главе 5 284
Основные результаты и выводы по работе 286
Литература
- Особенности расчета теплоизоляции холодильного шкафа
- Математическое моделирование испарительного конденсатора бытового компрессионного холодильного прибора
- Методика прогнозирования технических характеристик встроенных электродвигателей компрессоров бытовых холодильных приборов при изменении режима их работы
- Планирование экспериментального исследования. Разработка математической модели процесса
Введение к работе
Применение искусственного холода в быту позволяет обеспечить длительное и кратковременное хранение продуктов животного и растительного происхождения, а также рационально организовать питание и снизить затраты труда на ведение домашнего хозяйства. Получение искусственного холода в быту реализуется применением бытовой холодильной техники [31, 32], которая пользуется у населения большим спросом.
Все возрастающее потребление холода и многообразные потребности населения привели к необходимости создания целой гаммы бытовых холодильных приборов различной конструкции. Бытовые компрессионные холодильники являются наиболее распространенными их представителями. Общей тенденцией совершенствования бытовой холодильной техники в настоящее время является: повышение технического уровня и создание новых типов холодильных машин с применением микропроцессорной техники, изучение и использование новых рабочих тел и смесей, совершенствование конструкций сборочных единиц с целью снижения энергопотребления и повышения долговечности, интенсификация теплообмена и т.д. Современные тенденции развития бытовых холодильных приборов характеризуются увеличением их внутреннего объема путем создания многокамерных моделей и снижением температур в камерах. Реализация такой техники приводит к росту энергетических затрат на производство холода в быту и повышению температурного уровня герметичного компрессора.
Используемые в настоящее время конструкции бытовых компрессионных холодильников различного типа как отечественного, так и импортного производства отличаются повышенным энергопотреблением. Вследствие этого возникает проблемная ситуация, суть которой заключается в необходимости повышения эффективности холодильных приборов, что в общем случае может быть осуществлено двумя путями: либо за счет модернизации и совершенствования известных технических решений, либо за счет разработ-
8 ки принципиально новых. Однако при отсутствии научного обоснования, без
наличия необходимых методов расчета элементов конструкции в их совокупности, повысить эффективность работы бытового холодильного прибора весьма проблематично. Поэтому представленная работа направлена на решение вопросов совершенствования конструкций и повышения качества отечественных бытовых холодильных приборов. В данной диссертационной работе уделяется внимание теоретическим вопросам совершенствования и экспериментальному исследованию бытовых холодильников компрессионного типа на основе использования принципиально новых конструкций холодильных агрегатов [16, 17,18,27,153], позволяющих повысить их эффективность.
Анализ теории охлаждения свидетельствует о целесообразности использования в компрессионных холодильных агрегатах испарительных конденсаторов, что, вероятно, позволит улучшить характеристики бытовых холодильных приборов за счет реализации в нем самого мощного природного механизма охлаждения - охлаждения при испарении, позволяющего отобрать от теплового источника наибольшее количество теплоты и, тем самым, сузить границы рабочего цикла бытового холодильного прибора. Поэтому использование испарительного конденсатора в составе холодильного прибора компрессионного типа, вероятно, является перспективным направлением совершенствования холодильных машин. Однако данное направление до сих пор не реализовано из-за отсутствия оптимальных технических решений, что, конечно же, связано с недостаточной теоретической проработкой данного вопроса.
Первыми в данном направлении являются работы [98, 99, 100, 108, 116, 119, 122, 124, 134]. Задействовать в бытовом холодильном приборе испарительный механизм охлаждения достаточно просто позволяет теплопроводное пористое покрытие, нанесенное на поверхность конденсатора [17, 146, 153]. При этом теплоотдача конденсатора в окружающую среду интенсифицируется, так как к уже задействованным в приборе механизмам охлаждения (теплопроводности, конвекции и лучеиспусканию) добавляется еще один - испа-
рение. Это приведёт к снижению температуры конденсации хладагента и
температурного уровня компрессора, уменьшению энергопотребления, повышению эксплуатационных характеристик компрессионного агрегата и, тем самым, к повышению эффективности бытового холодильного прибора.
Однако анализ литературных источников в области теоретических и экспериментальных исследований работы холодильных машин с испарительными конденсаторами показал, что в настоящее время вопросы реализации схемы герметичного холодильного агрегата с применением конденсатора с испарительным охлаждением изучены недостаточно: отсутствует теория расчета испарительного конденсатора в составе герметичного агрегата с учетом массы воды, подаваемой на конденсатор; не разработана конструкция бытового холодильного прибора с испарительным конденсатором; отсутствует измерительное оборудование и методика испытаний испарительного конденсатора в составе герметичного холодильного агрегата. Решение этих и других вопросов, вероятно, внесет определенный вклад в теорию и приведет к повышению эффективности бытовых холодильных приборов.
Анализ конструкций современных отечественных и зарубежных бытовых холодильных приборов свидетельствует о том, что для повышения их эффективности в них зачастую используют съемные аккумуляторы холода [2, 138]. Результаты экспериментов показали возможность значительной экономии электроэнергии при внедрении в конструкцию бытового холодильника компрессионного типа постоянно действующего аккумулятора холода (аккумуляционного испарителя). Такие конструкции бытовых холодильных приборов обладают не только сниженным энергопотреблением, но и более низким коэффициентом рабочего времени (КРВ). Отметим, однако, что в настоящее время теоретические вопросы повышения эффективности бытового холодильника компрессионного типа, при наличии постоянно действующего аккумулятора холода, изучены недостаточно. Отсутствуют теоретические основы процесса теплообмена в такой конструкции бытового холодильного прибора.
К основным сборочным единицам бытового холодильника относят: холодильный шкаф, герметичный компрессор, испаритель и конденсатор, дроссельное устройство. При проектировании шкафов стремятся снизить их теп-лопотери. При этом теплопотерями через стенки шкафа лучеиспусканием, при расчетах, как правило, пренебрегают, считая их малыми. В данной работе рассматривается новая конструкция холодильного агрегата, в которой вместо традиционного испарителя использован аккумуляционный испаритель, где аккумулируется большое количество бытового холода, поэтому мероприятиям, обеспечивающим снижение теплопотерь, уделяется особое внимание.
В основе работы бытовых холодильных приборов лежит рабочий цикл и то, как и с каким качеством он реализуется. Не вызывает сомнения то, что мероприятия, связанные с обеспечением требуемых параметров цикла, актуальны и повышают эффективность работы бытовых холодильных приборов. Известно, что в холодильных агрегатах бытовых компрессионных холодильников используют исключительно герметичные поршневые компрессоры со встроенным электродвигателем [20], конструктивное совершенство которых в значительной мере определяет технический уровень бытовых холодильников в целом. Практика конструирования и производства холодильных компрессоров показывает, что при создании оптимальной конструкции компрессора, как правило, проводят целый ряд теоретических и экспериментальных исследований, основными направлениями которых являются: 1) оптимизация работы клапанов; 2) соответствие моментов двигателя и компрессора; 3) оптимизация подогрева всасываемого пара и температурного уровня компрессора; 4) повышение износостойкости трибосопряжений компрессора. Количество научных работ, направленных на повышение эффективности компрессора, огромно. Этими вопросами занимается в настоящее время такое количество авторов, что список их невозможно привести.
Вопросы оптимизации подогрева всасываемого пара и снижения температурного уровня компрессоров бытовых холодильников рассмотрены авторами работ [73, 86, 165] и многими другими. Исследование износостойкости деталей и определение влияния величин зазоров в трибосопряжениях на эксплуатационные характеристики кривошипно-кулисных компрессоров бытовых холодильников выполняли также исследователи [132, 137] и другие.
Однако несовершенство конструктивных параметров клапанного механизма, давно отмеченное в ряде работ [22, 86], до сих пор не позволяет довести характеристики отечественных компрессоров для бытовых холодильных приборов до лучших зарубежных образцов. Разработка научно обоснованной методики расчета конструктивных параметров клапанного механизма позволит минимизировать объемные и энергетические потери при снижении ударных нагрузок и обеспечит разгрузку компрессора в период пуска. Обеспечение при работе клапанной группы оптимального зазора между запорным органом и седлом всасывающего клапана гарантирует экономичную и безотказную работу компрессора. Таким образом, повышение эффективности работы клапанного механизма позволит снизить затраты электроэнергии на производство единицы холода и повысить безотказность герметичного компрессора и бытового холодильника в целом, поэтому данные вопросы и решаются в диссертационной работе.
Решение приведенного выше комплекса вопросов позволит получить научное обоснование повышения эффективности бытовых холодильников компрессионного типа и предложить современную экономичную конструкцию бытовых холодильных приборов, соответствующих мировому уровню.
Итак, объективные потребности населения, а также отсутствие у промышленности возможностей для их удовлетворения явились причиной возникновения научной проблемы - необходимости разработки теоретического обоснования повышения эффективности бытовых холодильных приборов, реализующих процессы, основанные на новых, выходящих за рамки достиг-
12 нутых, знаниях. Учитывая суть проблемной ситуации, тема диссертационной
работы является актуальной и современной и обладает элементами экономической и социальной значимости.
Объектом исследования в данной диссертационной работе является бытовой холодильник компрессионного типа и его составные элементы.
Предметом исследования являются методы расчета и прогнозирования конструкций основных сборочных единиц бытовых компрессионных холодильников, базирующихся на принципиально новых технических решениях.
Целью диссертационной работы является разработка научных основ повышения эффективности конструкции бытовых холодильников компрессионного типа для создания бытовых холодильных приборов со сниженным энергопотреблением.
Для реализации поставленной цели определены следующие задачи исследования:
Особенности расчета теплоизоляции холодильного шкафа
Сумму теплопритоков в камеры холодильника или общий расход тепловой энергии в единицу времени рассчитывают [74, 109] по формуле: 1б=а+02+&+а вт, (1.4) где Q\ - тепловой поток (расход холода) на теплопередачу через ограждение камер; Q2 - расход холода на охлаждение и замораживание продуктов; Q з расход холода на охлаждение воздуха в камерах; Q4 - расход холода на эксплуатационные нужды. Эти тепловые потоки определяют как: a=EV( H+ ).BT, (1.5) где Кр - расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/м2,0С; (знак ] распространяется на стенки шкафа с различной толщиной изоляции); F - площадь поверхности ограждения холодильного шкафа по осям, м2; tk - расчётная температура воздуха внутри холодильной камеры, С; ґн - температура окружающей среды (наружного воздуха), С. 62=[ZG!XO-„-0 + SGM(/II-/M)] ,BT, (1.6) где (7Х - количество продуктов, помещающихся в камере охлаждения, кг/сут; Gu - количество продуктов, помещающихся в морозильной камере, кг/сут; /н -начальное теплосодержание продуктов, определяемое при температуре ок ружающей среды, кДж/кг; /х, /м - конечное теплосодержание охлаждаемых и замораживаемых продуктов при соответствующих температурах, кДж/кг.
В соответствии с ГОСТ 16317-87 величины GK и GM определяют исходя из того, что мощность замораживания продуктов в холодильных приборах должна быть на каждые 10 дм морозильной камеры не менее: для компрессионных однокамерных холодильников - 0,5 кг/сут; для компрессионных двухкамерных холодильников - 0,7 кг/сут; для компрессионных морозильников - 1,0 кг/сут. Мощность охлаждения продуктов в холодильных камерах должна быть не менее 0,5 кг/сут на каждые 10 дм3 объёма холодильной камеры. Или же: GM=0,1 VMPM, кг/сут, GX=0,1 VXPX, кг/сут, (1.7) где VM, Vx - объёмы морозильной и холодильной камер, дм3; Рт Рк - мощности замораживания и охлаждения продуктов, кг/сут.
Конечная температура охлаждаемых продуктов может быть взята равной 5 С, а замораживаемых - 10 С [96]. 0. = Ь/хРх0 нв -D + aML - MB)L, - ПП ВТ С1-8) 24-3600 где ах и ам - кратности смены воздуха, соответственно, в холодильной и морозильной камерах (ях=10...15; ам=2...3) в сутки; Vx, VM - объёмы холодильной и морозильной камер, м3; рх, рм - плотность воздуха камер, кг/м3; /„„ - теплосодержание воздуха, окружающего холодильник, кДж/кг; /хв, /мв -теплосодержания воздуха в холодильной и морозильной камерах холодильника, кДж/кг.
Расход холода на разные эксплуатационные нужды (на охлаждение лампочки электроосвещения, проникающего через неплотности в дверном проеме и др.) трудно выразить аналитически, поэтому в бытовых холодильниках он может быть принят в размере 20 % от основных теплопритоков через ограждения камер Ql, т.е.: 04=0,20,, Вт. (1.9) Из рассмотренных теплопритоков в бытовых холодильниках наибольшее значение имеют Q\ и Qi. Остальные теплопритоки Q3 и Q\ обычно не превышают 10-15 % от общего расхода холода ZQ.
Требуемую (проектную) холодопроизводительность холодильного агрегата определяют как: &=й,Вт, (1.10) где Кх - коэффициент рабочего времени (в соответствии с ГОСТ 16317-87), в установившемся режиме работы КРВ должен быть не более 0,9. Для проектных расчётов его величина в бытовых холодильных приборах традиционной конструкции обычно равна 0,6-0,7.
Выражение (1.10) показывает, что на величину холодопроизводитель-ности оказывает влияние сумма теплопритоков в камеры холодильника или общий расход тепла, который обычно стремятся уменьшать.
В практических расчетах количество теплоты, отданное или полученное конкретной средой, Q определяется [83] как: Q =Qt=K-{tKk)-Ft, (1.11) где t - время протекания процесса.
Зависимости (1.5) и (1.11) показывают, что коэффициент теплопередачи К значительно слабее зависит от разности температур и размеров поверхности теплообмена, чем собственно тепловой поток Q. Это свидетельствует о том, что при создании новых бытовых холодильных приборов надо стремиться изменять К и рассматривать вопросы переноса теплоты. Величину, обратную коэффициенту К, называют термическим сопротивлением RK. При решении задачи усиления теплоизоляции холодильного шкафа, вероятно, надо решать вопросы увеличения RK.
Как известно, различают три процесса переноса теплоты: теплопроводностью, конвекцией, излучением и различными их сочетаниями, называемыми сложным теплообменом.
В реальных условиях эксплуатации бытовых холодильных приборов теплообмен между холодильным шкафом и окружающей средой взаимосвязан со всеми видами процессов переноса энергии и представляет собой сложный комбинированный теплообмен. В этом случае значение энергии в элементарном объеме исследуемой среды по принципу аддитивности находят простым суммированием энергий, определяемым указанными видами процессов из обобщенного уравнения энергий [83]: Г"2 иЛ — + h 2 , div и - div{kgradf)+d{pw /dt) = q + \xdissf{u)+г), (1.13) где і - энтальпия; w - энергия единицы массы, равная сумме кинетической и внутренней энергии; р\и212 + і)и = Ек, XgradT - векторы плотности потоков, переносимых конвекцией и теплопроводностью; JUL - динамическая вязкость; dissj{u) функция диссипации механической энергии; q - плотность внутренних источников (стоков) теплоты в среде; г) = divE4n - интегральное по спектру значение объемной плотности потока результирующего излучения.
Математическое моделирование испарительного конденсатора бытового компрессионного холодильного прибора
Исследование холодильного агрегата с испарительным конденсатором -это изучение влияния температуры конденсации на совместную работу компрессора и холодильного агрегата. Так как от температурного режима компрессора зависят и значения всех основных показателей холодильного агрегата. Взаимная связь существует также между основными показателями качества компрессора и конструктивными параметрами конденсатора герметичного холодильного агрегата. Кроме температурного уровня, влияющего на производительность и потребляемую мощность - основные характеристики бытового холодильного прибора, необходимо учесть вопросы влияния на температурный уровень влаготеплопроводного пористого покрытия, наносимого на внешнюю поверхность конденсатора, впитывающего и испаряющего (при конденсации паров агента в конденсаторе) воду. И в конечном итоге, установить характеристики такого конденсатора и их влияние на энергетические показатели холодильного агрегата. Таким образом, структура темпера турного поля герметичного агрегата определяется совокупностью всех тепловых процессов: энергетическими потоками, подведенными к компрессору, потерями, возникающими при преобразовании энергии в двигателе и компрессоре, процессами внутреннего теплообмена агрегата, конденсатора и окружающей среды. Все эти процессы осуществляются как в отдельных элементах герметичного агрегата, так и между несколькими элементами.
Для анализа внутренних теплообменных процессов между элементами герметичного агрегата с испарительным конденсатором и окружающей средой необходима система уравнений, то есть физико-математическая модель (для краткости - математическая модель), описывающая процесс.
Математическую модель, описывающую процессы теплообмена, которые происходят в конденсаторе и на его поверхности, покрытой влаготепло-проводным пористым покрытием, можно представить системой дифференциальных уравнений [19, 79, 146]. Эта система должна адекватно действительности отражать процесс теплообмена как в зоне теплообменного змеевика, так и в зоне наружной поверхности панели конденсатора. Для обеспечения возможности решения данной задачи и её упрощения приняты следующие допущения: - коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося агента щ, коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к пленке воды ав в конденсаторе имеют постоянные значения; - поле скоростей и температур потока воздуха равномерно по фасадному сечению конденсатора, а вода равномерно распределяется на поверхности конденсатора.
Отметим, что принятые допущения не вносят существенных погрешностей в расчёты. Это связано с тем, что по длине плоского однорядного змеевика конденсатора происходит относительно небольшое изменение плотности теплового потока qF, температуры воды te, давления конденсации Pk. В связи с тем, что изменение этих величин, в основном, определяет изменение аь ав, tk, поэтому и можно принять значения этих параметров постоянными.
Очевидно, что решение такой сложной задачи надо осуществлять поэтапно. На рисунке 2.1 приведена принципиальная схема испарительного конденсатора бытового холодильного прибора. Теплота конденсации холодильного агента (процесс внутри труб) передается через стенки труб и нагревает стекающую по ним воду.
Уравнения (2.7) и (2.8) представляют собой систему дифференциальных уравнений тепломассообмена для поддонного и форсуночного пространств лотков.
Выполним аналитическое решение для каждой из систем уравнений (2.5, 2.6) и (2.7, 2.8). При аналитическом решении систем уравнений тепловых процессов в холодильном агрегате с испарительным конденсатором учитывается следующее.
В полученных системах уравнений величина энтальпии влажного насыщенного воздуха ів является нелинейной функцией температуры воды te. Линеаризация величины энтальпии ie функцией (а + Ь -Q в пределах изменения Д/в=8-Ч0 С даёт погрешность по сравнению с табличными данными не выше 1 % в диапазоне /В=(Н40 С. В связи с тем, что изменение температуры воды по поверхности контакта испарительного конденсатора не превышает 5-Нэ С, используем представление величины энтальпии влажного насыщенного воздуха линейной функцией температуры воды.
Методика прогнозирования технических характеристик встроенных электродвигателей компрессоров бытовых холодильных приборов при изменении режима их работы
В действительности нагревание и охлаждение электродвигателя отличается от аналогичных процессов идеального твердого тела. Электродвигатель с большим приближением можно рассматривать как совокупность нескольких однородных тел, между которыми существует теплообмен. Поэтому кривые нагревания и охлаждения не являются строго экспоненциальными. Однако в большинстве практических случаев с приближением можно использовать теорию нагревания идеального однородного тела.
Режимы работы электродвигателей в условиях эксплуатации разнообразны: с полной нагрузкой в течение длительного времени и в относительно коротком промежутке, а также с переменной нагрузкой с циклическим режимом работы.
При различных режимах работы электродвигатели нагреваются неодинаково. С точки зрения наиболее рационального использования материалов целесообразно, чтобы нагрев частей электродвигателя в реальных условиях эксплуатации был близок к допустимому по государственным стандартам. Для этого каждый электродвигатель следовало бы проектировать и изготавливать с учетом конкретных условий и режимов работы в эксплуатации. Однако, по экономическим соображениям, согласно ГОСТ 183-74, электродвигатели изготовляются для трех основных номинальных режимов работы.
Продолжительным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы при неизменной номинальной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышения температуры всех частей электрической машины при неизменной температуре охлаждающей среды достигают практически установившихся значений.
Кратковременным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки при неизменной температуре охлаждающей среды чередуются с периодами отключения машины: при этом периоды нагрузки длительны настолько, чтобы превышения температуры всех частей электрической машины могли достигнуть практически установившихся значений, а периоды паузы в работе электрической машины длительны настолько, что все части ее приходят в практически холодное состояние. Согласно ГОСТ 183-74, машины с кратковременным режимом работы изготавливаются с длительностью рабочего периода 15, 30, 60 и 90 мин [24].
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы электрической машины называется режим работы, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки при неизменной температуре охлаждающей среды чередуются с кратковременными периодами отключения машины (паузы), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры отдельных частей электрической машины могли достигнуть установившихся значений.
Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ), то есть отношением продолжительности рабочего периода к продолжительности цикла (суммарной продолжительности рабочего периода и паузы). ГОСТ 183-74 предусматривает изготовление машин с повторно-кратковременным режимом работы с ПВ 15, 25,40 и 60 % [24]. С целью обеспечения длительных сроков службы электродвигателей температуры отдельных его частей, и в особенности изоляции обмоток, должны быть ограничены. Рабочая температура изоляции и отдельных частей машины t06 зависит не только от её нагрузки, но и от температуры окружающей или охлаждающей среды to. От нагрузки машины зависит только превышение температуры 8 отдельных ее частей. Между перечисленными величинами существует зависимость: to6=t0+Q. (3.43)
По этой причине стандарты на отдельные типы машин нормируют предельно допустимые превышения температуры 9 доп и одновременно фиксируют величину максимально допустимой температуры окружающей среды t0=40 С [24].
При /Q =40 С в большинстве случаев допустимые превышения температуры Qdon установлены: 65 С - для класса изоляции А, 80 С - для класса Е, 95 С - для класса В, 140 С - для класса F и т.д.
Планирование экспериментального исследования. Разработка математической модели процесса
Анализ результатов целого ряда исследований, приведенный в главе 1, показал, что для математического описания объекта данного исследования линейного приближения недостаточно. Такое приближение не позволяет получить адекватную модель, описывающую действующие процессы, с требуемой точностью. По этой причине с учетом рекомендаций работы [128] для наших дальнейших исследований использовали модель в виде полинома второй степени.
В соответствии с основной теоретической задачей - разработкой энергосберегающей конструкции бытового холодильника - необходимо определить границы изменения основных факторов, в пределах которых обеспечивается наилучшая холодопроизводительность при минимальном энергопотреблении.
В качестве критериев оптимизации используем величину получаемой при работе такого бытового холодильника холодопроизводительности агрегата Y\ и его энергопотребление Y2, определяемые по методикам, приведенным выше.
Для определения оптимальных режимов работы бытового холодильника (оптимальных величин основных факторов процесса) необходимо получить математическую модель, адекватную исследуемому процессу, установить одним из известных способов область оптимума и соответствующие ей режимы получения холода.
Задача поиска оптимальных режимов при достижении желаемой точности и достоверности результатов заключается в нахождении таких значений независимых переменных (величин факторов исследуемого процесса), которые обеспечивали бы максимальную холодопроизводительность Y\ при минимальном потреблении электроэнергии Y2. Решение этой задачи осуществляли математико-статистическим методом с использованием возможностей рототабельного планирования второго порядка [128].
При исследовании процесса варьировали пять факторов: Х\, Х2, Х3, Х4 и Х5, соответственно: п - теплоизоляция холодильного шкафа, Мх - масса хла-дона, Gw - масса охлаждающей конденсатор воды, Ga - масса холодонакопи-тельной жидкости в аккумуляторе холода, t - температура окружающей среды (воздуха). На основании выполненных в п. 3.4 обоснований фактор Х\ в исследовании представлен числом экранов п.
Использование методики планирования эксперимента позволяет значительно сократить объём экспериментальных исследований. Общее число опытов в соответствии с рекомендациями [128] при проведении дробного факторного эксперимента рассчитывается как: ЛГ = 2ы+2 + я0=ия+ла+и0=25 +10 + 6 = 32, где к - число факторов (к=5); пя - число точек ядра (ия=16); па - число «звездных» точек (па =10); щ - число нулевых точек (щ =6).
В выбранной области исследования каждый из установленных факторов может иметь несколько значений (уровней).
Условия центрального композиционного рототабельного планирования эксперимента предполагают варьирование факторов на пяти уровнях. В этом случае, если бы мы осуществляли перебор всех возможных вариантов, то потребовалось бы проведение N = 55+l =15625 опытов.
Таким образом, при проведении дробного факторного эксперимента в условиях центрального композиционного рототабельного планирования число опытов сокращается более чем в 900 раз при практически той же достоверности эксперимента.
Для составления матрицы планирования эксперимента установили значения нулевых уровней, интервалы варьирования и границы эксперимента для каждого из исследуемых факторов (табл. 4.2.).
Матрица рототабельного планирования второго порядка и результаты эксперимента, выполненного по методике, описанной выше, приведены в табл. 4.3.
Здесь показаны полученные результаты определения холодопроизво-дительности и энергопотребления (соответственно Y\ и Y2), средние при трехкратном повторении каждого опыта, при отклонении результатов опытов не более 5 %.
Переход от матрицы планирования к рабочей матрице осуществлен с использованием соотношения: є где Xj - кодированное значение фактора (безразмерная величина); С,- и С0/ -натуральное значение фактора (соответственно его текущее значение и значение на нулевом уровне); є - натуральное значение интервала варьирования фактора.
