Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния техники и науки в области технического совершенствования бытовых холодильников 12
1.1 Краткий анализ направлений технического совершенствования бытовых холодильников 12
1.2. Анализ современного состояния теоретических разработок 26
1.2.1 Особенности расчета теплоизоляции холодильного шкафа 27
1.2.2 Физические основы, способы аккумулирования и рабочие вещества аккумуляторов 30
1.2.3 Анализ аккумулирующих веществ и конструкций аккумуляторов 36
1.2.4 Классификация и анализ работы конденсаторов. Перспективы их совершенствования 38
1.2.5 Классификация и анализ работы испарителей. Перспективы совершенствования 46
Выводы по главе 48
2. Теоретическое исследование влияния изменения конструкции холодильника на его основные характеристики 49
2.1. Анализ термодинамических основ охлаждения в БХ 49
2.1.1 Общие положения. Теоретический подход 49
2.1.2 Методика оценки влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника 52
2.1.3 Методика оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы БХ 58
2.1.4 Анализ цикличной работы БХ с помощью коэффициента рабочего времени 59
2.2 Методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей компрессоров БХ при изменении режима их работы 63
2.2.1 Анализ работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения 64
2.2.2 Анализ основных номинальных режимов работы электродвигателей 67
2.2.3 Нагревание электродвигателей при различных режимах работы 69
2.2.4 Методика определения энергетических параметров электродвигателя при изменении режима работы БХ 73
2.3 Методика определения массы холодонакопительной жидкости аккумулятора 78
2.3.1 Расчет аккумуляторов холода для бытовых холодильников компрессионного типа 79
2.3.2 Тепловой расчет 85
2.4 Методика расчета усиленной теплоизоляции шкафа БХ для обеспечения снижения потерь холода 88
2.4.1 Обоснование теоретического подхода 88
2.4.2 Методика расчета потока тепловой энергии при наличии экрана 91
2.4.3 Методика расчета числа экранов 92
2.5 Методика интенсификации теплообмена в испарительном конденсаторе 94
2.5.1 Анализ теплопередачи через цилиндрическую однослойную стенку 95
2.5.2 Анализ теплообмена испарением через пористое покрытие 98
2.6 Расчет теоретического цикла 101
2.7. Расчет холодильного коэффициента БХ с аккумулятором холода. 105
Выводы по главе 107
3. Разработка методики экспериментального исследования основных потребительских характеристик бх 110
3.1 Объект исследования. Описание конструкции и работы экспериментального образца БХ с аккумулятором холода 110
3.1.1 Базовая - традиционная конструкция агрегата и ее недостатки 111
3.1.2 Конструкция и работа экспериментального образца БХ с аккумулятором холода 113
3.2 Методика определения основных потребительских показателей качества 118
3.2.1 Методика определения холодопроизводительности 118
3.2.2 Методика определения энергопотребления 123
3.3 Определение погрешности измерений 127
Выводы по главе 130
4. Экспериментальное исследование влияния изменения конструкции холодильника на его основные потребительские характеристикиьОбсуждение результатов и разработка рекомендаций 131
4.1 Планирование экспериментального исследования. Разработка математи ческой модели процесса 131
4.1.1 Анализ и исследование факторов процесса получения холода 132
4.1.2 Разработка математической модели процесса с применением рототабельного планирования второго порядка 134
4.1.3 Анализ математических моделей и графическое определение оптимальных соотношений факторов процесса охлаждения в БХ с аккумулятором холода 141
4.2 Обсуждение результатов исследования и разработка рекомендаций 145
Выводы по главе 149
Литература 153
Приложения 160
- Классификация и анализ работы конденсаторов. Перспективы их совершенствования
- Методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей компрессоров БХ при изменении режима их работы
- Методика определения основных потребительских показателей качества
- Разработка математической модели процесса с применением рототабельного планирования второго порядка
Введение к работе
Среди многочисленных бытовых приборов, облегчающих труд и повышающих культуру домашнего хозяйства важное значение имеют холодильники. При современном уровне культуры только при наличии в доме холодильника может быть обеспеченно полноценное, сбалансированное питание высококачественными продуктами. Потребности населения в охлаждении продуктов обусловлены также современным темпом жизни. Можно реже посещать магазин и, следовательно, сокращать затраты времени на ведение домашнего хозяйства. Все возрастающее потребление холода привело к необходимости создания большого количества бытовых холодильников различного типа, в том числе, и с повышенным объёмом камер.
В настоящее время, как в отечественной, так и в мировой практике наиболее актуальной является проблема экономии электроэнергии, в частности, и при производстве бытового холода. Используемые сегодня конструкции бытовых холодильников (БХ) различного типа как отечественного, так и импортного производства, отличаются повышенным энергопотреблением. Обществу же нужны холодильники с малым энергопотреблением. Вследствие этого возникает проблемная ситуация, суть которой заключается в необходимости повышения эффективности БХ.
При поиске путей резкого снижения энергопотребления представляется целесообразным, наряду с совершенствованием аппаратов существующих типов, изучить возможность применения новых конструкций, оправдавших себя в других отраслях промышленности. Таким образом, в общем случае повышение эффективности БХ может быть осуществлено двумя путями: либо за счет модернизации и совершенствования известных технических решений, либо за счет разработки принципиально новых. Очевидно, наиболее эффективные, с точки зрения удельного энергопотребления, БХ должны базироваться на наилучшем процессе
и реализовывать передовую технологию. Поэтому в данной диссертационной работе реализован именно второй путь повышения эффективности БХ.
С общих позиций процесс создания нового оборудования и приборов, в частности, и БХ, представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой обычно разбивают на несколько этапов. Первым этапом проектирования является установление кинематической (принципиальной) схемы машины, которая обеспечивала бы требуемые параметры рабочего процесса и была бы работоспособной. На втором этапе проектирования рассматривают вопросы конструирования машины, обеспечивающие ее прочность, долговечность, коэффициент полезного действия, и т.д. Третий этап, как правило, посвящают разработке экономических показателей и кругу проблем, с ней связанных /52/. Однако в случае разработки БХ экономические вопросы зачастую рассматривают на первом этапе проектирования /68/.
Учитывая принципиальную новизну разрабатываемого в данной работе технического решения, выполненного на уровне патента Российской Федерации /60/, здесь в основном излагаются методы и приемы, с помощью которых решают первый этап проектирования. При этом решают также некоторые вопросы, связанные со вторым и третьим этапами проектирования, в том случае, когда они являются определяющими для выбора того или иного технического решения.
Известно /15/, что одним из путей повышения эффективности БХ является аккумулирование холода. Аккумуляторы холода обычно применяются в системах с неравновесной во времени тепловой нагрузкой на технологические аппараты в периоды, когда ее значение превышает холодопроизводительность холодильной установки /14/. Возможна и более жесткая постановка задачи - создание таких аккумуляторов, которые полностью удовлетворяли бы потребность в холоде при отключенной холодильной установке 12/.
Обычно считается, что аккумулирование холода целесообразно в случае неравномерного характера тепловых нагрузок в системе охлаждения. Для таких
6 систем прослеживается тенденция /33/, /42/ к внедрению аккумуляторов, позволяющих, по мнению Корниенко В.М. /33/:
уменьшить установочную мощность холодильного оборудования;
эксплуатировать оборудование в режиме, близком к оптимальному (что приводит к увеличению коэффициента рабочего времени (КРВ) и повышению КПД оборудования);
создавать резервный запас холода и устранять соответствие между временем его производства и потребления.
Использование аккумуляторов холода приобретает все большее значение в условиях постоянно увеличивающегося спроса на электроэнергию и в связи со спецификой ее потребления (неравномерность в течение суток). Частичное или полное аккумулирование холода в ночные часы, с последующей его реализацией в дневное время суток, позволит несколько разгрузить электростанции и распределительные подстанции 121.
Преимущество систем охлаждения с аккумуляторами сказывается на ежегодном росте (по оценкам зарубежных специалистов, в общем объеме холодильной техники - более чем на 50%) их промышленного внедрения /42/. Однако все это касается холодильных машин большой и средней мощности. В малых БХ такие технические решения до сих пор не использовали.
Отсутствуют методы расчета и прогнозирования конструкций бытового холодильника с аккумулятором холода. Вместе с тем известно /33/, что в других областях, например, в пищевой промышленности, большинство НИР направлено на создание экономичных охлаждающих систем именно с аккумуляторами холода. На предприятиях агропромышленного комплекса подобные системы охлаждения обслуживают объекты с околонулевыми температурами и используют в качестве аккумулирующих веществ гидраты газов и органических жидкостей /42/. Вопрос: какими аккумулирующими веществами следует воспользоваться в БХ - остается открытым /44/. Неизвестна также и основа всех технических мероприятий - экономическая эффективность от использования аккумуляторов холода в бытовой технике /61/. В настоящей работе осуществлено сравнение затрат
энергии на подготовку бытового холода традиционными холодильниками компрессионного типа (как наиболее распространенными) и аналогичными по своим параметрам холодильниками с аккумулятором холода. При этом, учитывая, что затраты энергии на производство холода в основном определяются затратами на сжатие компрессором хладона, в работе рассмотрены также и условия работы компрессора с электродвигателем.
Помимо этого, зная рекомендации /31/ о том, что снижение температуры в конденсаторе на один градус дает 3-4% экономии электроэнергии, а переохлаждение агента на 3-4 градуса дает экономию электроэнергии в 10-15%, улучшает условия работы двигателя и сокращает износ компрессора, вероятно, целесообразно разработать мероприятия по интенсификации теплообмена в конденсаторе.
Анализ конструкций современных БХ как отечественного, так и импортного производства и результаты предварительных экспериментов /15/ показали большую возможность экономии электроэнергии - при использовании в конструкции БХ компрессионного типа постоянно действующего аккумулятора холода. Такие БХ обладают низким коэффициентом рабочего времени /15/, /60/.
Отметим, что малые холодильные машины, или бытовые холодильные приборы компрессионного типа, как мы их называем в данной работе, в теоретическом аспекте разработаны на уровне, обеспечивающем возможность их научно-обоснованного проектирования. Большой вклад в их разработку внесли многие исследователи, прежде всего, В.Б. Якобсон. Однако, теоретические вопросы создания БХ компрессионного типа с постоянно действующим аккумулятором холода до сих пор не получили развития 121, /14/, /44/, /61/.
Итак, объективные потребности населения, а также отсутствие у промышленности возможностей для их удовлетворения, явились причиной возникновения научной проблемы - необходимости разработки эффективного БХ, реализующего иные процессы, основанные на новых, выходящих за рамки достигнутых, знаниях. Учитывая суть проблемной ситуации, тема диссертационной работы является актуальной и своевременной, и обладает элементами экономической и социальной значимости.
Объектом исследования данной НИР является бытовой холодильный прибор компрессионного типа с аккумулятором холода.
Предметом исследования являются методы расчета и прогнозирования конструкции бытового компрессионного холодильника с аккумулятором холода, базирующейся на принципиально новом техническом решении.
Целью работы является разработка научно обоснованной конструкции БХ с аккумулятором холода, обеспечивающей снижение энергопотребления в процессе его эксплуатации.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
анализ современного состояния теории и практики в области технического совершенствования БХ, с точки зрения снижения их энергопотребления, и установление возможности и перспективности использования в БХ аккумулятора холода;
выявление основных узлов БХ и факторов процесса получения холода, влияющих на снижение энергопотребления;
проведение теоретического исследования конструкции БХ с аккумулятором холода, включающего:
термодинамический анализ холодильного цикла БХ;
разработку методики оценки влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника;
разработку методики расчета дополнительного охлаждения конденсатора испарением путем анализа теплообмена испарением через пористое покрытие;
разработка методики оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы холодильника;
разработка методики прогнозирования технических характеристик электродвигателей при изменении режима их работы - путём исследования пускового режима компрессора, и методики определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода;
разработка методики расчета усиленной теплоизоляции шкафа БХ для обеспечения снижения потерь холода, методики расчета потока тепловой энергии при наличии экрана, расчет числа экранов;
разработка методики экспериментального исследования основных потребительских характеристик холодильника - холодопроизводительности и энергопотребления, включая создание:
необходимого оборудования и оснастки для проведения исследования, в том числе: экспериментального стенда - опытного образца БХ с аккумулятором холода, калориметрического стенда и проч.;
непосредственно методики определения холодопроизводительности и энергопотребления;
разработка теоретико-экспериментальной методики расчета БХ компрессионного типа с аккумулятором холода (с получением математических моделей холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющих прогнозировать их основные потребительские показатели), включающей:
выбор и обоснование методики экспериментального исследования;
экспериментальное исследование БХ с аккумулятором холода с использованием методики рационального планирования эксперимента, включая:
- анализ и исследование факторов процесса получения холода;
- определение с использованием методики рототабельного планирования второго порядка оптимальных режимов процесса получения холода в новой конструкции БХ;
разработка рекомендаций для внедрения и практического использования результатов исследования, включая разработку исходных требований на новую конструкцию БХ и ее экономическое обоснование.
В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, физико-математического моделирования. Также применены методы статистического анализа, программирования и логической алгоритмизации, методика рационального планирования эксперимента.
Достоверность результатов исследования обеспечивается: использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов по вопросам исследования процессов в цикле БХ; использованием современных методов исследования, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов, применением ПК и пакета специальных и прикладных программ в программной среде Windows для обработки полученных результатов;
апробацией теоретических выводов и методических рекомендаций на научных конференциях различного уровня, в том числе - международного, а также в опубликованных работах.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
выполнено теоретическое исследование процесса получения бытового холода в БХ новой конструкции - с аккумулятором холода;
показана возможность расчета основных параметров процесса охлаждения и конструкций узлов агрегата;
разработана методика расчета усиленной теплоизоляции холодильного шкафа; выполнен анализ холодильного коэффициента и КРВ БХ с аккумулятором холода и охлаждением конденсатора испарением;
разработана методика расчета охлаждения конденсатора и предложена конструкция конденсатора;
разработана методика определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода - на основе исследования пускового режима компрессора; экспериментально установлены и практически подтверждены математические модели определения холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющие прогнозировать технические характеристики БХ с аккумулятором холода и, тем самым, получать научно-обоснованные исходные требования для его проектирования.
11 Конструкторская и практическая ценность работы заключается в том, что:
разработано научное обоснование для получения исходных требований на новую конструкцию БХ с аккумулятором холода, защищенную патентом Российской Федерации, которое позволит сократить сроки проектирования при создании новой холодильной техники.
в работе показан путь создания бытовых холодильников со сниженным энергопотреблением;
результаты диссертации могут быть использованы в научно-исследовательских организациях отрасли как в России, так и за рубежом для совершенствования БХ путем снижения его энергопотребления.
В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, физико-математического моделирования. Также применены методы статистического анализа и ранговой корреляции, программирования и логической алгоритмизации, методика рационального планирования эксперимента.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: межвузовской конференции ЮРГУЭС (г. Шахты, 1999 г.), трех международных конференциях (III Международной научно-технической конференции ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2000; V и VI Международных научно-технических конференциях «Наука - сервису», МГУС, 2000, 2001) и конференциях ЮРГУЭС, МГУС, МУПК (2000-2001 гг.), расширенном заседании кафедры «Бытовая техника» МГУС (2004 г.).
Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: патенте Российской Федерации № 2162576, четырех статьях, тезисах семи докладов на конференциях различного уровня.
Классификация и анализ работы конденсаторов. Перспективы их совершенствования
Для обоснованного выбора типа конденсатора и его проектирования необходимо тщательно изучить тепловые и гидромеханические процессы, происходящие в них. Для выбора направления исследования, имеющего целью интенсификацию процессов в конденсаторах, представляется целесообразным привести их классификацию, рассмотреть преимущества и недостатки - на основе анализа имеющихся результатов промышленных испытаний 161. В конденсаторе поступающие из компрессора перегретые пары холодильного агента охлаждаются до температуры насыщения и переходят в жидкое состояние. Тепло перегрева и конденсации отводится охлаждающей средой (теплоносителем).
В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы могут быть разделены на четыре группы /63/: 1-конденсаторы с водяным охлаждением, 2-конденсаторы с водо-воздушным (испарительным) охлаждением, 3-конденсаторы с воздушным охлаждением, 4-конденсаторы с охлаждением кипящим холодильным агентом или технологическим продуктом
По условиям подачи холодильного агента в аппарат в общем случае конденсаторы могут быть разделены на две большие группы: 1-аппараты с конденсацией на наружной поверхности
теплообмена, 2-аппараты с конденсацией внутри труб и каналов. Последние и используются в БХ /21/.
Схема классификации типов конденсаторов компрессионных холодильных машин по указанным признакам приведена на рисунке 1.5.
По характеру омывания поверхности теплообмена охлаждающей средой названные типы аппаратов могут быть отнесены к одной из следующих групп: 1 - конденсаторы с естественной циркуляцией среды, 2-е принудительной циркуляцией среды, 3-е орошением охлаждающей средой, и 4 - с изменением агрегатного состояния среды.
Все конструктивные виды теплообмена поверхностей рекуперативных те-плообменных аппаратов могут быть разделены на три больших класса (рисунок 1.6): 1 - обе поверхности гладкие; 2 - одна из поверхностей оребренная, вторая - гладкая, 3 - обе поверхности оребренные.
Поверхности первого типа могут быть подразделены на две группы: а)-изготовленные из труб и б) - изготовленные из листа. Более технологичным и экономичным в настоящее время представляется производство листового проката, по сравнению с трубами. Последнее подтверждается широким распространением в последнее время за рубежом пластинчатых теплообменных аппаратов (например, «Alfa-Laval»).
Пластинчатые аппараты могут быть выполнены полностью разборными, полуразборными или многоблочными, в зависимости от условий работы, с учетом необходимости и периодичности чистки его, допустимого способа чистки (механическая, химическая и т.д.), возможности выпадения влаги и др.
Поверхности второго класса могут быть подразделены на три группы: 1 -изготовленные из отдельных оребренных труб, 2 - из труб с листовым оребре-нием целого блока, и 3 - из гладких пластин, имеющих гофрированную насадку. При этом трубы могут быть круглыми, сплющенными или имеющими какой-либо другой профиль, определяемый, как правило, условиями обтекания охлаждающей средой.
Третий класс поверхностей аналогичен по классификации предыдущему. В таких аппаратах используются всевозможные вставки - насадки, имеющие целью либо интенсифицировать теплообмен, либо перераспределить по поверхности хладагент и теплоноситель. Аппараты с этим видом поверхностей принято в литературе называть "компактными теплообменниками". Основные их преимущества отмечены в этом названии, однако, при эксплуатации таких аппаратов существенны потери энергии на проталкивание жидкости. В настоящее время наиболее распространенным видом конденсаторов водяного охлаждения следует считать кожухотрубный аппарат с гладкими или оребренными трубами. Для конденсаторов оросительного и испарительного охлаждения наиболее типична змеевиковая конструкция аппарата; для конденсаторов чисто воздушного охлаждения - трубчатая с листовым оребрением и трубчато-ребристая конструкция
Методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей компрессоров БХ при изменении режима их работы
Ранее нами показано /15/, что существенного снижения энергопотребления бытовыми холодильными приборами (БХ) можно достичь путем использования в их конструкции накопителя холода и интенсивно работающего конденсатора. При этом значительно изменяется режим работы электродвигателя компрессора БХ, период его работы и выстоя. Коэффициент рабочего времени электродвигателя компрессора БХ с аккумулятором холода уменьшается. Происходит изменение режима их работы с повторно-кратковременного на иной, с максимальным временем работы до 1,5 часов. При этом оказалось /15/, что мощность тока электродвигателя надо увеличивать, а время работы БХ в течение суток уменьшать.
Таким образом, возникает необходимость в разработке методики прогнозирования основных технических характеристик электродвигателей для различных режимов их работы. Для этого надо выполнить анализ, исходя из условий нагрева электродвигателей. Подойдем к решению данного вопроса с общих позиций.
Как известно /26/, /54/, допустимая нагрузка по мощности тока электродвигателя определяется нагревом наиболее ответственного конструктивного элемента - изоляции обмоток. Несмотря на то, что электродвигатель имеет сложное устройство, в основу анализа процесса его нагревания может быть положена теория нагревания идеального твердого тела, обладающего равномерным рассеянием тепла, большой теплопроводностью и по всему объему тела отсутствием градиента температуры. Составим дифференциальное уравнение нагревания такого тела, для чего рассмотрим его тепловой баланс.
Пусть в единицу времени в теле выделяется количество теплоты Q. Тогда за бесконечно малый промежуток времени выделяемое количество теплоты будет Qdt. Эта теплота частично аккумулируется во внешнюю среду.
Если за время dt температура тела повысится на dQ, то количество аккумулируемой за это время теплоты равно G-c-dQ, где G - масса тела и с - его удельная теплоемкость[Дж/кг К]. Количество теплоты, отдаваемое в окружающее пространство за время dt вследствие лучеиспускания, конвенции и теплопроводности равно S-X-9-dt, где S - площадь тела, X - коэффициент теплоотдачи с поверхности, 0 - превышение температуры тела над температурой окружающей среды. Уравнение сохранения энергии этого процесса имеет вид: Qdt = G-cdQ + S-A/9-dt. (2.44)
После истечения длительного времени, t — оо, температура тела достигает установившегося значения 6уст . Тогда dQ = 0 и 6 = 9уст . Подставим эти значения в выражение (2.44), получим:
Из равенства (2.45) следует, что установившееся превышение температуры 9уст тем больше, чем больше выделяется тепла и чем хуже условия его отдачи, то есть чем меньше SX . Если разделить части уравнения (2.44) на SA, и принять обозначение в котором числитель дроби равен количеству теплоты, накопленной в теле при достижении 0 = 0Уст, поэтому Тн - равно времени, в течение которого температура тела достигла бы установившегося значения 9уст, если бы отсутствовала передача тепла в окружающую среду, и все выделяемое тепло накапливалось в теле. Для установления закона изменения превышения температуры тела во времени проинтегрируем дифференциальное уравнение нагревания (2.47). Предварительно разделим переменные и приведем уравнение (2.47) к виду Постоянная интегрирования определяется из начального условия: при t = 0 тело в общем случае имеет некоторое превышение температуры 0 = 90 , тогда
Методика определения основных потребительских показателей качества
Поглощает тепло из окружающей его среды (рассола). Так как испаритель 5 выполнен в виде двух скрепленных между собой алюминиевых листов, с размещением между ними каналов для испарения хладагента и снабжен местами ввода и вывода хладагента 3,4, то вся поверхность испарителя 5 интенсивно и равномерно охлаждается. Прямоугольная форма короба 13 испарителя 5 позволяет равномерно передать полученный холод в охлаждаемую среду (холодонакопительную жидкость 14) и далее, в камеру 16 низкотемпературного отделения БХ. .Работа компрессора с электродвигателем 1 и процесс охлаждения продолжаются до выхода на требуемый режим БХ. Вследствие большой массы жидкости 14, а также высокой величины ее удельной теплоемкости, с учетом того, что температура её замерзания значительно ниже температуры кипения хладагента (например, 29,9%-й водный раствор хлористого кальция замерзает при температуре -55С, тогда как температура кипения R134a составляет -23,3 С), компрессор с электродвигателем 1 до выхода на требуемый режим работает длительное время, без угрозы кристаллизации холодонакопительного раствора и повреждения испарителя или кожуха аккумулятора. Холодонакопительная жидкость (промежуточный холодоноситель) 14 при этом накапливает холод и охлаждается до низкой начальной температуры хранения продуктов. При достижении такой температуры САРТ (она на рисунке не показана) отключает электродвигатель компрессора 1. Повторное включение САРТ выполнит после того, как накопленный холод будет израсходован. Для повторного включения электродвигателя компрессора 1 температура в низкотемпературной камере 16 должна повыситься (за счет теплопритока снаружи внутрь БХ) до допустимой предельно высокой температуры хранения продуктов.
Так как диапазон минусовых температур хранения продуктов до повторного включения довольно велик (от -24 и до -6 и выше), то при малой величине теплопритока снаружи внутрь БХ временной период между включением и отключением электродвигателя должен быть довольно велик. Электродвигатель компрессора БХ будет осуществлять работу в ином режиме (кратковременном, длительном), при котором значительно снизятся коэффициент перегрузки двига
Весовая производительность компрессора определяется двумя независимыми способами: по тепловому балансу калориметра и тепловому балансу конденсатора. Уравнение теплового баланса калориметра со вторичным холодильным агентом можно записать в следующем виде: В левой части уравнения (3.2) указано количество тепла, подведенного в калориметре к хладону. В правую часть входит сумма количества тепла, отданного электрическим нагревателем калориметра и проходящего через изоляцию калориметра. Обычно температура вторичного холодильного агента ниже температуры воздуха у калориметра, поэтому теплоприток к калориметру увеличивает тепловую нагрузку испарителя. Из уравнения (3.2) можно найти весовую производительность компрессора, определенную по тепловому балансу калориметра: Величина 8, характеризующая погрешность при испытаниях, не превышала 3%. Весовая производительность определялась следующим образом. Вначале подсчитывается среднее арифметическое из семи последовательных показаний приборов за расчетный период, равный одному часу. После этого в показания термометров и манометров вносят поправки по градуированным графикам. Количество знаков в цифрах не большое. Так, например, давление бралось с точ 121 ностью до 0,01 МПа, температуры воды до и после конденсатора - до 0,1 С, остальные температуры - до 1 С. Температуры кипения и конденсации определялись с помощью таблиц насыщенных паров холодильных агентов по абсолютным давлениям соответственно перед всасывающим и после нагнетательного патрубков компрессора. По этим таблицам для удобства интерполяции строились графики зависимости температуры от давления. Температуры вторичного холодильного агента в калориметре и хладона в конденсаторе определялись соответственно по абсолютным давлениям вторичного холодильного агента и у входа в конденсатор. Абсолютное давление хладона Ра находили по формуле
Разработка математической модели процесса с применением рототабельного планирования второго порядка
Экспертная группа состояла из семи высококвалифицированных специалистов, изучавших БХ и процессы тепломассопереноса (сотрудников МГУ С, ЮРГУЭС, ООО «Глобал-Комфорт», ООО «Step Technologies», имеющих стаж работы по специальности от 4 до 27 лет). Обработка результатов опроса проведена с использованием программы автоматизированного расчета коэффициентов ранговой корреляции, по методике, изложенной в /10/. Формы анкет, результаты анкетирования и их математической обработки приведены в приложении П.2.
Рассчитанные с помощью программы ранговой корреляции на ПК значения коэффициентов с доверительной вероятностью 0,95 позволили сделать вывод о высокой неслучайной согласованности мнений исследователей относительно степени влияния факторов на величину холодопроизводительности и энергопотребления БХ. По результатам исследования построены априорные гистограммы рангов для рассматриваемых факторов, изображенные на рисунках 4.1, 4.2. Из рисунков видно, что распределение в диаграммах - равномерное, убывание значимости факторов - немонотонное. В результате данного этапа эксперимента и обработки данных для дальнейших исследований были отобраны пять наиболее значимых факторов: теплоизоляция холодильного шкафа, масса хладона, масса испаряемой с поверхности конденсатора воды, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе и температура окружающего воздуха.
Анализ результатов целого ряда исследований /58/, /59/, /68/, /69/ показал (раздел 1 работы), что для математического описания объекта данного исследования линейного приближения недостаточно. Такое приближение не позволяет получить адекватную реальности модель, описывающую действующий процесс, с требуемой точностью. По этой причине с учетом рекомендаций работы Рисунок 4.2 - Гистограмма упорядоченных факторов по анкете №2
В соответствии с основной теоретической задачей - разработкой энергосберегающей конструкции БХ, необходимо определить оптимальные величины основных факторов процесса получения холода. В качестве критериев оптимизации используем величину получаемой, при работе такого БХ, холодопроизводительности Y1, и его энергопотребление Y2, определяемые по методикам, приведенным в главе 3. Для определения оптимальных режимов работы БХ (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 Y1 при минимальном потреблении электроэнергии Y2. Решение этой задачи осуществляли мате-матико-статистическим методом с использованием возможностей рототабель-ного планирования второго порядка /48/.
При исследовании процесса варьировали пять факторов: XI, Х2,ХЗ,Х4 и Х5, соответственно: теплоизоляция холодильного шкафа, масса хлад она, масса охлаждающей конденсатор воды, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе холода, температура окружающей среды (воздуха). На основании выполненных в п.2.4.. обоснований, фактор XI в исследовании представлен числом экранов.
Использование методики планирования эксперимента позволяет значительно сократить объём экспериментальных исследований. Общее число опытов в соответствии с рекомендациями /48/ рассчитывается как:
N = 2к + п0 = пя + na + n0 = 25"1 +10 + 6 = 32, где к - число факторов (к=5), пя - число точек ядра (пя=16), па - число «звездных» точек (110=10), По - число нулевых точек (по=6).
В выбранной области исследования каждый из установленных (см. п.4.1.1) факторов может иметь несколько значений (уровней). В работе для каждого из факторов принято по пять уровней. Число опытов при этом составило бы N=55+1=15625 (для каждого параметра оптимизации).
