автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение эффективности бытовых холодильных машин на основе математического моделирования нестационарных рабочих процессов

СаЮ'Т-Петьрйургскш) тсхнодогилескай институт

xоло1110!1л103 п[)0!,шшлсшюс'ги

Р Г 6 од

•"} На правах рукописи

УДК 621.56/57

ЕЛАГИН М'.паил ¡фьесич

И0ЕЫШШ11Е ЭМЕК'Ш^ЦССГИ НДйШК ХОЛОДИЛЬНЫХ МА11Ш НА ОСНОВЕ ЫАТЕМЛтОЕСКОГО ЦОДШИОДИЯ 112СТА1ДЮНАР!Ш РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.04.03 - Машиш-и аппараты

холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1393

Работа выполнена в Санкт-Патербугском технологическом институте холодильной. промншлешюсти.

Научный, консультант - л.т.п., профессор, заслуженный деятель

цпукп п техники России Сакуп И.Л,

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Дсн Г,И. доктор технических наук, профессор Новиков ИЛ!, доктор технических наук, профессор Прилуцкий И.К, '

Ведущее предприятие: ВДО "Дгрохолодиром", г. Москва

Защита состоится " " ^^ 19ЭЗ г. в чао. на засе-

дании специализированного созета Д 063,02.01 при Санкт-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности.

Отзыв в двух экземплярах, зазерешшл печатью учреждения, просим направлять по адресу:.191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, Ученый совэт 'СЕЙТЛХП.

С диосертацион мокно ознакомиться в библиотеке института.

Лв-ореферат разослан " С " С9 1993 г,

Ученый секретарь

специализированного

совета

д.т н., профессор

Л.С. Тимофеевский

■ огш ХЛРЛШРЛ ГПКА PATOTJ

Ак?у.ч'п,иость. Битовь'о холодилышо панаши, предназначенные <v«i нодцэржаиап ииакоЯ теипоратурм в- .холодильной камзро в зп-даииои диапазона, представляй? собой слошю, спгтзрзгулируо-ш тепломеханические спстсзд, работп:о:ц:1е в паста'шоиарцои рожшле, -Рабочие процессы, прого::.пд::е во исох атемонтах холодильной UUaHlILl, Т31Ш0 НОС.ЧТ iiocramioiupmiii характер, уют которых веста затру;цшт0лал, так как холодильная маши in прод-стаа'ШОт динамическую спсте:,?/ с больший числом элементов о гидравлическими, топло- и массообмешш:.ы связями.

Несмотря на сравнительно дцителышй период существования бытовой холодильной'техники, энергозкономичеекпе показатели ее остается далокш.л от идеала,

- Действительно, вследствие небольшой но юлщине теплоизоляции, а она а современных холодильниках составляет 20 - 30 ш, поток тепла на единицу' объема у них больше в 50 раз, чем в промышленной установке. В то же враг.« расход энергии на единицу охлаждаемого продукта гораздо выше из-за нзэффективных поверхностей тэнлоиеродащцх элементов, низкой эффективности электродвигателя, б'олышх потерь в компрессоре.

Подсчитано, что в целом расход энергии в битовых холодильниках и морозильниках по крайней мэре в 100 раз больше, чем в промышленных установках в расчета на одинаковое количество продуктов. Как показывают последние исследования; технически вполне осуществимо снизить наполовину и данса более энергопотребление з этой области.*3^

Поэтому в многообразии современных направлении технического совершенствования бытовых холодильников и морозильников четко выделяется актуальная проблема - создание моделей с высокими эноргоэкономическими характеристикам!.

х) Лорентцен Г. Аолод, энергия и окружающая среда //Холодильная техника. - 1991. - № 5. --С. 3 - 6.

• ^Oftorgard J.S., Heeboll J., Hoick-J. Development of Energy Efficient Household Appliciansas // Prog. Вер., Я4. DTH. Lyngby, 1983.

Для успешного решения этой проблем необходимо расширить экспериментальные и теоретические исследования термогазодиначн-чэеких "роцессов, протекающих в бытовых холодильных машинах п ко мпре ссорах.

Теоретические исследования - более короткий, но и более трудный путь, а именно - создание математических моделей с последующим численным экспериментом. Значение теоретических исследований возрастает в связи с предстоящим обновлением холодильного оборудования вследствие перехода на озонобезопасные холодильные агенты.

Анализ состояния вопроса моделирования рабочих процессов в компрессорах объемного действия показывает на значительное количество математических моделей. Одаако их трудно объединить,' а результата исследований невозможно обобщить. Часто модели незначительно отличаются и не имеют прикладного характера. Необходимость совместимости, объединения диктуется более широкими возможностями к проектирования компрессоров

, Б связи с этим предлагается использовать при моделировании рабочих процессов в объемных компрессорах методологию термодина-, шки рабочего тела переменной массы и распространить ее на компрессоры поряневые и ротационные, как более перспективные.

В мире крайне незначительно опубликовано работ, касающихся

XX)

рабочих процессов, протекавших в бытовых холодильных машинах ; а также их математического моделирования. Немногие имеющиеся, на позволяют описать нестационарную работу бытовой холодильной машины, которая является дня нзе характерной.

Поэто..1у для моделирования процессов в элементах и битовой холодильной машине предлагается тоюхе использовать методологию термодинамики реального тела переменной массы. При. этом математическая модель,, показывающая как'изменяются параметры в отдельных узлах холодильной машины во времени, при изменении двух независимых переменных'- температуры окружающего воздуха и установки терло регуляции - должна, соответствовать различным типам холодильников: однокамерным, двухкамерным и т.д.

х\

' Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. - М*: Агропромиздат„ 1987. - '271 с,

^Лорентцен Г, Холод, энергия и окружающая среда //Холодильная техника. - 1991. - № Б. - С. 3 - 6.

К достоиистваи шгода.термодинамики рабочего тзла нареченной массы следует отнести то, что в основные уравнения, описывающие термодинамические процессы в элементах, входят все конструктивние параметры, а это в спою очередь делает возможным использование построенных математических моделей для целой оптимального проектирования.

Работа ¿шлялась составной частью НИР, утверЧдешгои планами Министерства, н виполйона в соответствии с х/д JL's 80-868, 85-321, 88-581 с Тульским оружейным заводом и г/б темой GI.IOic.

Целью тойоты является создание обобщенного метода математического моделирования нестационарных рабочих процессов бытовых холодшгышх маынн различных конструктивных схем и объам-'ных компрессоров. ' '

Общая методика тойоты. В работе использовался комплексный метод исследования, основанный на совокупном применении термодинамики реального рабочего тела переменно:! массы, газовой динамики, теории тепло- и массообмена, математической статистики, вычислительной математики, эксперимента с широким использованием' современных ЗЬ',1.

.Научная новизна. Настоящая работа развивает одно из новых научных направлен!!.! в холодильной техника, которое формулируется следующим образом: "Повышение эффективности бытовых холодильных машин и объемных компрессоров, на основе математического моделирования нестационарных рабочих процессов".

Основные положения диссертации, научная новизна которых защищается автором:

1. Обобщенный метод математического моделирования нестационарных рабочих процессов в компрессоре объемного сжатия, построенный на основе термодинамики реального тела переменной массы

2. Математические, модели, алгоритмы,, программы расчетов компрессоров:.поршневого, ротационного с катящимся ротором, пластинчатого, спирального.

3. Методика оптимального проектирования объемного компрессора.

4. Метод математического моделирования нестационарных рабочих'процессов в олемонтах бытовой холодильной машины: воздушном конденсаторе, испарителе, капиллярной трубке, коксухе

герметичного компрессора с учетом процессов растворения и выделения холодильных агентов из смазочных насол.

5. Математические модели, алгоритмы, программы расчетов нестационарных процессов в однокамерном ц двухкамерном бытовых холодильниках..

6. Результаты экспериментальных и теоретических исследований рабочих процессов в битовом холодильнике типа ОКЛ-6, 6М.

Практическая полезность и реализация •результатов.

На основании проведенных теоретических исследований по разработанным математическим моделям, алгоритмам оптимизации поршневого герметичного компрессора била спроектирована и изготовлена серия высокооборотных компрессоров 1ШВ-8 (Ш, имеющих лучшие энергетические и шссовыэ характеристики среди отечественных компрессоров.

Теоретические исследования процессов, протекающих в агрегате бытового холодильника OliA-GM, .позволили улучшить его энергетические показатели одновременно с уменьшением количества озо-норазрушающего холодильного агента.

Новизна и полезность принципиальных технических решений по конструкции герметичного поршневого компрессора и оппозитно-кулачковому компрессору защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения (A.c. I69I639, положительное решение на заявку3 4949415 от 28.10.91 г.К '

■ Результаты диссертационной работы внедрены на Тульском оружейном заводе и заводе им. С. Орджоникидзе, г. Муром, с годовым зкдиошческим эффектом семьсот даадодть. тиейч рублей. Результаты диссертационной работы в виде'математических моделей алгоритмов и программ расчета нестационарных процессов в бытовых холодильниках и морозильниках, а. также-компрессорах, внедрены на ПО "Машиностроительный завод",г. Златоуст; КБ "Электроприбор", г. Саратов и использовались при создании и отработ- ' ка новых образцов бытовых холодильных машин.

Апробация работы. Результаты, работы докладывались и об-, суждались на научно-практической конференции "Пути интенсификации производства и применения искусственного холода в отрас- •' лях АПК В г. Ташкенте в 1985 г.; IУ Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике ("Криогеника-87") в

г. Москве в I9S7 г.;. на Всесоюзной научно-практической конференции " "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса,торговле на транспорте" в г. Одессе в 1989 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству" в.г, Ленинграде в 1991 г.; на енегодных научно-технических конференциях Тульского политехнического института.

Публикации. По томе диссертации опубликованы 22 печатные работы, получены авторское свидетельство и положительное решение на изобретэшы.

Структура и объем диссвгтации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 207 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 13 таблиц. Список литературы из 160 напг-геиованпй, приложения на 26 страницах, общий объем диссертации 250 страниц.

Основное содержание диссертации. Как показал проведенный анализ состояния 'вопроса то расчету процессов в компрессорах объемного действия, несмотря на значительное количество работ, их трудно объединить, а. результата исследований невозможно обобщить. Очень часто в качестве рабочего тела в них. используется идеальный газ, а сами математические модели не позволяют описать нестационарные процессы в компрессорах,. характерные для бытовых холодильных маыин

В диссертации на основе методологии термодинамики реального рабочего зла переменной массы "была.получена обобщенная математическая модель компрессоров объемного принципа действия, с помощью которой составлены математические модели широко распространенных компрессоров - порашевого, ротационного с катящимся ротором, ротационного пластинчатого и спирального. Полученные л/одоли отражают как установившийся, так и неустановившийся режпш работы компрессоров.

Обобщенная модель компрессора объемного действия, схема которого представлена на рис. I, будет включать следующие подсистемы уравнений: ■

- подсистему уравнений, описывающую изменение состояния рабочего тела-в полостях компрессора;

■ - подсистему уравнении, описывающую передачу теплоты через стенки компрессора;

ь

- подсистему уравнении, описывающую движение подвижных звеньев и подвю&шх элементов клапанов.

Обобщенная схема объемного компрессора

Рис. I

При разработке математической модели были сделаны следующие допущения:

1. Изменение состояния рабочего тела подчиняется уравнению состояния Боташобова-Maiiepa. .

2. Величина открытия клапанов определяется только перепадом давления, действующего-на подвижный-атемент клапана.

3. ? млературы стенок элементов конструкции компрессора одинаковы по толщине и -определяются'тепловым балансом.

4. Пар на всасывании всегда перегретый.

С учетом сделанных допущений обобщенная модель будет включать :

- уравнение скорости изменения .плотности рабочего тела, являющееся аналитическим выражением закона сохранения массы

1 (f (i -odM

- - уравнение скорости изменения температуры рабочего.тела, являющееся аналогом закона сохранения энергии

(I)

dr ' cvç>W

{tfc-u-ITtjG.

(2)

— термическое уравнения состояния

Р= + , : (3)

- уравнение скорости изменения температуры стенки кош-рессора .

Й- _1_/ 1 ЮЛ

¿т от { -¿с &Х ]

^--*НТ-Тс).,'С5> ^с(нГн-(Тс-Тн)

14) (6)

(8)

- уравнение движения.1 ротора двигателя компрессора

- кинематическое соотношение •

= и) ,

&

- уравнение перемещения подвижных элементов клапанов

• ЙМ>) ' (9)

- уравнение секундной работы ■•

; (Ю)

Система уравнений (I - ЮЗ "является1 замкнутой, позволяющей в различные момента- времени определить все текущие параметры в полостях объемного компрессора ( |э , р , "Г ), а также его интегральные характеристики: потребляемую мощность, холодо-производительность1 й т.д.

На рис. 2 и в таблице I представлены-результаты расчетов и экспериментов, свидетельствующие о. достаточной адекватности созданных математических моделей ■применительно к различным типам объемных- компрессоров? поршневым герметичным, ротационным с катящимся ротором, пластинчатойу- и. спиральному. .

Зависимость электрического холодильного коэффициента для различных типов компрессоров от температуры кипения •

Л Р90

/ /

1

- эксперимент --- расчет >

1,75 Л»

кх- 0112!

1=1= I

-30

-20 -Ю Рис. 2

о

Таблица I

Тип компрессора, режим работы Марка Потребляемая мощность Ыэ^/Мээ.вт Холодопроизводительность 0о(> /0оэ,ВТ

А. ■2 3 4 :

Поршневой, герметичный ±о = -20°0 -Ь* .= .5 5° С • • *ас= 32°С = 23°С,-Ьоь=32°С ФГ-0,7/^3(2) КХ-0,125 ' ' ХКВ-8 ХШВ-8Б . ХШВ-8М' '395/370 151/154 ••• 1&1/187 170/168 164/166 445/430 138/145 . 206/200 205/201" 209/215

Герметичный ротационный . с катящимся ротором ' •■Ь• =7,2°С ,"Ьк=54,4сЬ 35°С • ФГ(,В 1,75 ■ ФГрВ 2,8 ■ 710/800 1250/1380 ' 1890/2035 '3000/3256

I ■•. г 3 4

Спиральный' te = 5°С tr- 50°С • ■ззо RH 2400/2500 7050/7250

Ротацяошпй пластинчатый Í о = - 40°0 tnb = - IP?C " Ьс= -IÓ°C "(w^í 26,8/26, G 104/105'

Б та&'ШЗ индекс "р" озпрчаст, что данные получены расчетным путем, а "д" - экспериментальным;

В'представленные вчов уравнения, а такта в выражения объемов полостей V/ „■.-расходов моментов сопротивле-

ния Ис , ДВ1ЩШГО . , момента инерции и др., входят практически все вэтюЗаие конструктивные параметры компрессоров', что делает-целесообразным использование представленной модели в алгоритмах оптимального проектирования.

Учитывая возросшие, требования lio снижения удельного энергопотребления-малых холодильных, тайн, задача поиска оптимальных соотношений конструктивных -параметров компрессора является'актуальной. " ••

'В диссертации предлагается мётодика оптимального проектирования, _основанная на, использовании математической модели объемного дОмлрессора-и .метода случайного поиска« 'В метод .случайного Поиска вмочед.эле'монг самообучения, вследствие .чего интенсивность поиска.оптимального- решения увеличивается там, где это рашэшга наиболее вбрбятно. '

. "В качестве функции-качества-применительно к поршневому герметичному, компрессору, предложена -функция:

• ' 4<VvÍVrV| '

где 0 - массовая производительность компрессора на опреде-ленном'-рехиме работы компрессора; -'.. .

х) "Имеется в виду отношение элективных мощностей. Размерность . величая - гз кВт.

Nj • Vj - верхние ограничения по мощности, потребляемой электродвигателем компрессора и средней скорости-поршня; Я'и • Ч'у ' ~ ''озМ11^110"™ штрафа, значения которых подбираются -"'жим образом, чтобы нарушение ограничений по (\| , V приводило к значительному ухудшению значения'функции качества Qc . Исходными дашшми при проектировании является: режим .

- работы компрессора - давление кипения, конденсации, число обо- ■• ротов ротора электродвигателя, теоретическая объемная производительность. v.

При использовании алгоритма приближенного проектирования исходными данными являются:- холодопроизводптелыюсть компрессора Qo , температуры кипения, конденсации холодильного аген- -та Т, , Тк ; степень переохлаждения в конденсаторе, степень перегрева в отсасывающей трубко.

В качестве независимых' (оптимизируемых) параметров использовались: диаметр пораня (ход поршня); диаметр проходных сечений всасывающего и нагнетательного клапзнов, величина хода клапанов; величина диаметрального зазора в сопряжении поршень-цилиндр. Значения ограничении по М задаются проектировщиком, если компрессор проектируется под существующий алектро-двига.ель, по \/ подбираются из справочной литературы согласно требованиям по допустимому износу-трущихся .пар.

Согласно полученным алгоритмам и программам были проведаны

- расчеты поршневого герметичного компрессора с целью минимизации предложенной фушеции качества. Целью расчетов было проектиро-ва .ie поршневого компрессора холодопропзводительностью 180 Вт, о температурами кипения и конденсации равными 'соответственно . - 20°С, _5°С, величинами степеней переохлаждения i-rПерегрева ' холодильного агента, равными-соответственно 52°С и 23°С. Этим данным соответствует поршневой компрессор ХКВ-8, с' которым велось сравнение'полученных результатов (табл. 2).

Анализируя результаты, -следует отметить, что оптимальное решение близко к данным компрессора ХКВ-8 й.свидетельствует о -целесообразности использования математических моделей и разра- • ботанного алгоритма при проектировании' И усовершенствовании компрессоров для холодильных- машин. •

.Высокая степень сходимости расчетов и экспериментальных .результатов,достигнутая в результате использования более-совер-.

Таблица 2

Параметры --------- —1 dn,M. t ¿.ВС4М ¡ C¿H, M 6, МЛ/С 1 Мэ.бТ 1V, м/с Go, 6 т ¡<E j Qc

Приближанное - щюектирова- ■ нйе- 0,0352 0,0139 0,0046 0,00243 .0,001246. 192,2 j 1,30- I8S.-8 0,972 j 1047,2

Результаты •' оптимизации. 0,0225. 0,0175 0,0077 0,00541 0,00135 178 "'. 1,64 202,4 1,137 742,3

■ Комтзессор ХКВ^З 0,023- 0,0168 0,0062 0,0044 0,00137- 184 1,57 205 1,119' 809,5

1ШВ-6Б 0,022 • • 0,0168- 0,006 0,0042 0,00132 165 1,62 200 1,20 757,5

шенных математических моделей позволила их использовать для получения оптимальной конструкции, компрессора Тульского оружейного завода. В итоге были разработаны две .модификации компрессора: ХШВ-8Б без устройства д ля - дополнительного охлаждения масла - районов с.умеренным климатом и ХШВ-ВД - с устройством для дополнительного охлаждения масла - районов с тропическим. ' климатом. Обе модификации полностью соответствуют требованиям ГОСТ и по основным эксплуатационным .характеристикам не уступают лучшим зарубежным, а по материалоемкости превосходят их.

Предложенная методика может использоваться- дяя оптимального проектирования объемных компрессоров-ротационного, типа. В этом случае к блоку оптимизации необходимо■подключить алгорйтй расчета процессов в компрессоре для определения сформированной, функции качества и алгоритм приближенного проектирования.

Используя единый методологический подход - термодинамику-' тела переменной массы,в диссертации ¿ал разработан обобщенный, метод математического моделирования нестационарных, процессов, протекающих в бытовых холодильных машинах и ее отдельных 'эле-: ментах: фазовых теплообменниках. - конденсаторе, испарителе/ . • капиллярной трубке; герметичном компрессоре . - Процессы в кожухв герметичного компрессора рассмотрев с учетом растворения и выделения холодильного агента из' смазочного.масла, чтб-важло при - пуске бытового холодильника из отепленного состояния, когда в смазочном масле растйорено"до 60 % холодильного.агента.' ,

Согласно созданным .математическим моделям была получена математическая модель- процессов, протекающих ,в двухкамерном • бытовом холодильнике, одной-из распро.страненнйх'схем (рис. 3),. которая и приводится нчяе. - ' . : ■

. Математическая модель с начальными и граничными условиями ■ будет состоять, из пяти подсистем, уравнёнип. ' • -'■■■

Начальными.условиями'при : t = 0 является равенство давлений и температур холодильного агента во- всех элементах агрегата холодильника, находящегося в отепленном состоянии,

t>i£ = Phi = Рма ~ Рп - Pr »cow ». •

Тк =Thi -Тиг =Тп =Тгко>.1 ="îôc .

где Тос - температура окружающей среда. >

Схема агрегата двухкамерного холодильника

Ряс, 3. I - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - испаритель холодильной.камеры; \ - испаритель морозильной камеры;.

• • . .5 - основная капиллярная-трубка.; .6 - дополнительная -

капиллярная трубка; 7 - электромагнитный клапан

I. Подсистема уравнений (I - 10), описывающая рабочие процессы в компрессоре ' .- / '

При Рп<Рк/ ба=0 »- . ( При Р„'>Рг.«,« ' <В4=0.1 . При- отключении -кбигрессора 61=62" 0 ,

• 2, Подсистема уравнений,. о'пяс'авшзщая-'процессы в воздушном конденсаторе агрегата при. Тк ^ будет включать:

. - уравнение скорости изменения температуры 'холодильного агента '■-■-.'•'

^ V

уравнение состояний

При Рк>Р$ подсистема уравнений будет включать-:

- -уравнений скорости изменения 'температуры парсжидкостя

Ах

В этом уравнении значения производных' , ( ¿(г)н . )и.

определяйтся по известной связи параметров на линии . насыщения путем аппроксимации имеющихся статистических данных методом регрессионного анализа,

- уравнениесвязывающее параметры холодильного агента на линии насыщения

8п р5=Рнр+я I Ьт Й с - +- Р^; • т •

Общие зависимости для случаев Рк ^ Р5 : ' '

- уравнение скорости изменения плотности холодильного агента , Л .

- уравнение скорости изменения" тешературы стенки конден-с'гора

с№ _

Ь(Т« -Тек) - 0(2 ^(Тс^-Тос)]

ЙХ ГТ1*'Ск

По известной плотности парожидкости и.температуре, определив у' и у." , легко находится степень сухости )( . Величину степени переохлаждения мокно найти по зависимости дТп = = К,(4-х)/Х • полученной при допущении о-квазистационарном режиме на участке течения переохлажденной Жидкости. Коэффициент

Кт завк ит от физических свойств жидкого холодильного агента, а также - условий теплоотдачи и меняется для- бытовых холодильных-машин в пределах 0,5-2.

3, Подсистема уравнений, описывающая течение холодильного агента по капиллярной трубке, 'включает:

- зависимость для определения расхода- холодильного агента

При давлении в испарителе, большем критического ( Рт >Рк|> ' ),-. . истечение, холодильного агента из.капиллярно-й трубки будет про- -исходить Со скоростью более низкой чем.критическая, соответс?- ". венно и расход будет меньше. При Ям > Р«^ определяется поправок-

Dk D

ный коэффициент f(Tf) = -Jf <sf , где 7f=

Pk-P*|>

При Рн<Рк(> Y(7i) = 1 , при рн =Рк У(тг) = 0 .

Выражения .для поправочных коэффициентов, учитывающих величину переохлаждения ' ¿Г, и степень сухости X ■ холодильного -йгента перед капиллярной'трубкой,- имеют вид:

Чтобы 'знать параметры на выходе трубки и определить, Y(Tf), необходимо знать величину критического давления. Зависимость для Pnj> тлеет вид:

где . ¿^(aTJ, ^(х) - соответствующие поправки

Зная величину \Руф • при условии, что на.выходе капиллярной трубки, насыще'шшй пар, используя уравнение Фанно или считая процесс изоэнтальпшш , можно найти степень' сухости, а затем все необходимые параметры.

При течении по капиллярной трубке перегретого пара его параметры на выходе можно' найти, р лив систему уравнений:

$ г = Аг st

. tun- А W4. + EPÜ

Т* ■ • . г кт . •- температура холодильного агента на выходе трубки. '• ' ■

Величины Ру[) и Q) з . • определяются по ранее приведенным зависимостям* в которых положено ' Л Т = О; X = I. ■Значения аппроКсйшрую'щих коэффициентов в представленных зависимостях ■ для холодильных агентов . R12 , R22 , получены методом регрессионного анализа имеющихся и полученных данных. .Так как согласно схеме, представленной на рис.-3,. при срабаты-' вании злектротгшЦного клапана, 'подключается- дополнительная ; капиллярная трубка," - то в модели это учитывается изменением'геометрических условий для трубки, а именно изменением' ее дтаны при .сохращйии! неизменным ее диаметра.

4. Подсистема уравнений, описывающая процессы в .испарителях низкотемпературного•(морозильного) и'высокотемпературного (холодильной камеры) отделения рис. 4. . . '

. Расчетная схема двухкамерного холодильника

¿Г,

Ум, 9м, Тм

\

\

• \

. \ \

\ \

, Ри, Тщ Риг

4

УщРщТхк

\

\ \

N

\ \

\

\: \;

ч.

\

\ N1

/

Рис., 4

а) низкотемпературное отделение и расположенный в нем испаритель при Рщ Р$ .

- уравнение скорости измэнения температуры холодильного агет и

с1Тц4 _ 4

г уравнение состояния -

При Рм >Р$

¿Тш . -бч-УОЫ^МТаи-Ти«) сК " У'-^(з) *\Л*Р(4)

- уравнение, связывающее параметры холодильного агента на линии.насыщения-

р5 - къи) -

Общие зависимости для случая Рщ ^ Рэ '.

- уравнение скорости изменения плотности холодильного агента ' ^

. - уравнение старости изменений температуры стенки испарителя НТО - •

= ^ 1 Ги (Тс М -Тн <) +С?21' Рг^ (Тм -Тс 4 '

- уравнение скорости изменения температуры воздуха в НТО

~ ^-—^[-«(ггЬ^Тн - Тси 1) +• к(^оаАМ(Тсс-Ти),

• б)- высокотемпературное отделение и расположенный в-нем ' испаритель . ' '

- уравнение скорости -изменения температуры холодильного агента ; . ■ -

¿Г»а-у У

&Х Су^Лл/мг

..-•- уравнение состояния

. Ри^рчАТигЦ ь^),

т уравнение скорости изменения плотности холодильного агента ;. , • .

X) Математическое описание этого элемента построено на допуще-■ нии, что на выходе испарителя НТО пар. сухой насыщенный.

- уравнение скорости изменения температуры стенки испарителя ХК • -

¿Тс

И2

иг ~ Ра (Ь-Таи)]

ЫЧС тпСсг,

- уравнение скорости.изменения температуры воздуха.в холодильной камере '•

5. Подсистема уравнений,.описывающая процессы в кокухе герметичного компрессора с учетом динамики'растврреиия и выделения холодильного агента из смазочного масла,будбт включать:

- уравнение 'скорости изменения плотности холодильного •■ агента в кокухе компрессора • '

• 3$>»\ ¿7 .£?пом _ 0>ч -& - V •■(7?к ■ дх

V Л ■

-уравнение скорости изменений'температуры ¡холодильного агента в кожухе ' • .Ж' , „

. „ ел.* <¿0?,

аГгмнс, У+У«(дР"/дР)г

' ■ ~ .....'

(\фй/Г)

(М. У* (

+тнс„

где знак ( X •) относится к смеси .хладагента ¿"маслом, индекс (м) к маслу;' ' ..• .'.'.•.

аа* . - ... ■ ... ■ • ' •'

- суммарный. тепловой' потек, .-состоянии из- тепловых лото-ков: между, обмотками 'Электродвигателя, ■ корпусом' компрессора и холодильным■агентом; между холодилглым*агентом и стенками кожуха компрессора;' между, смесью холодильного агента, и смазочного мае- '. ла и. стенкой' тру^ка. я^едйонденсаторгг', е.с.лно«'предусмотрена ' агрегате для'дополнительного'"охлаждения масла. Производные

и связь. =-|(Тг?\)/определяются.йр ашроксима- . ционны'м зависимостям, получешанм'-йвтором методом регрессйойногс) анализа данных по смесям Й12-ХФ12-16,'Й22-ХФ22С-16; К502-ХФ22с-

s.

- уравнение скорости изменения температуры обмоток- электродвигателя

АТм> _ 1

dr msoCioL Ъ

hJL ' - э d' Fro ( Тэ Й - Тг KQ mc)|

где . w

- уравнение скорости изменения температуры стенки кожуха компрессора

"^р^ =¿7^ ("Тс коис '

- уравнение для определения удельной энтальпии на входе в кожух - '

•Й р . dQ

fm = f>ut + б5' ¿с '

В приведенных зависимостях [>>,■, 'Р!й , Ри1 , р„ Дкс«-текущио давления соответственно з конденсаторе, испарителе ОТО, испарителе ХК, полости компрессора, кожухе; • (hz > й> •

» ~ соотзетствешо расходы: из кожуха в котарос-

сор, 'из компрессора.в конденсатор, через капиллярную трубку, из испарителя ЕГО в испаритель ХК, из испарителя в кожух.

•• Согласно предстааченноЛ мате,..лткческой модели бытовой холодильной "машина были получена алгоритма п программы расчета неустановившихся Процессов .па алгоритмическом языке FORTRAN -77 применительно к ПЭЗЯ-типа IBM PC/AT и ЭВМ единой серии.

йля проверки адекватности- была создана экспериментальная установка на базе домашнего холодильника типа 0ICA-6M. Схема размещения датчиков давления, и температура Представлена на рис, 5. Результаты сравнения расчетов и экспериментов представлены на рис. 6,7..

■ Вопросы теплообмена отдельно не рассматривались в диссертации поэтому коэффициенты теплоотдачи определялись критериальными уравнения:.™, широко ветре чающимися в литературе.- Так как в бытовых холодильных машинах доля циркулирующего -смазочного масла с холодильным агентом мала, малы тепловые потоки, то коэффициента теплоотдачи при' кипении и конденсации определялись как

для случая течения чистых холодильных агентов.х) Схема размещения датчиков на агрегате

Рис. 5. Условные обозначения: Д1-- Д? -- датчики -Давленйя; 1ФГ - Ti5 - Датчики температуры' холодильного агента; TCI - ТСБ - датчики температуры элементов- конструкции г ^регата; ТВ - датчик, темпера-туры 'воздуху , в геометрическом центре низкотемпературного,отделения ' ■- • '

Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. - К.: Пищевая промшиейность, 1977. - 368 с. ..

■ - 23

Характер изменения температуры в элементах холодильной машина

Т,К

Ж-

ЗМJ

m

m

/»1 I . öl P 0 1 o\ I

1 1 I 1

If - - \ . - \f 1

у — _ расче г . If к ¡ • i

экспе рнмет 1 J (1

А\ 1 1 i. I .. . i !

v N V \ 1 1. 1 1

v\. .ТВ [• 1 ¥ ggj i

- - . -1, -

■it зг , W w ss 72 so t,MHH

Рис. 6

Характер изменения давления в элементах холодильной машины

Результаты проведенных теоретических исследований в целях повышения энергетических характеристик холодильного, агрегата КШ-ЗООП при переходе на высокооборотный, компрессор ХШВ-8Б представлены на рис. 8, 9.

Влияние длины капиллярной.трубки на суточный расход электроэнергии \д/

К

кВщ'Ч

сутки

. yo 436

'. ч V V* -

\ £ '

ч

•

2!оо гщ горо иоо 1КТ, мм Рис, 8. I - экспериментальные. данные;.2 - расчетные данные

Влияние массы холодильного агента fíl*a и длины ■ трубки конденсатора на суточный расход электроэнергии- W .

к

кВт.у сутки

«2

i,36

Ч»

VJ(fn)

Щ1 ъг 16-,152 18,132 20,132 Lk,M

7S

.95" . Рис. 9

US,'. 13S

тж. а.

Расчеты показали, что при замене компрессора необходимо одновременно увеличить пропускнуг) 'способность капиллярно:! трубки, уменьшив ее длину с 2800 до 2000 ггд; изменить объем и площадь теплообмена конденсатора, увеличив длину его с 11,132 м до 18,132 м, при соответственном увеличении пассы оребрепня. Доза заправки долшп быть уменьшена н составлять при ^ = 300 гсГТа соответственно 90 - 100 г холодильного агента. Экоперимзитачьниий исследования;,!;! на ОдекеЗяои заводе подтверждена правильность полученных рекомендаций. Реализация решдзнлацяЯ на Муромском заводе им. С. Орджоникидзе позволила снизить расход элоктроэнерг холодильника более чем на 10 % при сокращении заправляемого в агрегат озоноразрушающэго холодильного аген-ч.

Так как в бытовой холодилыюи мазик о величина теллопри-тока определяется в основном температурой окружающего воздуха, то ее характеристики строятся'обычно как функции этой температуры. При циклической работе агрегата температура кипения, а значит и-температуры в.коуозялыюм и холодильном отделениях будут-определяться также настройкой терморегулятора (ТР).

На рис. 10 приведены расчетно-эксп<зрзменталышй результаты по влиянию тошюратуры окружающего воздуха Тсс на энергетические характеристик:! битового холодильника тапя ОКА-6М. Работа агрегата рассматривалась пп следующих установках терморегулятора: нижняя установка.ТР, что соответствует температуре воздуха в НТО - ~ - 18°С;- средняя установка ТР - # - 12°0; верхняя установка - % - 6°С. Оо - холодопроизводп-телыюсть агрегата холодильника (потребная . холодопроизводи-тельность). .

При циклической работе агрегата влияние температуры окружаацего воздуха на расход электроэнергии весьма значительно. Рост Тост с 293 до 305 К вызывает увеличение расхода электроэнергии в 2 - 2,5 раза и сниг.енпе холодильного :;озф-флцпепгз Ке на 25 - 35-£.'

Каадий градус повышения температуры округаащего. воздуха' вызывает увеличение расхода электроэнергии -на 8 - 12 % в • зависимости от установки терморегулятора.

Влияние То с на характеристики холодильника О'ЛА-бгЛ

средняя, верхняя установка терморегулятора

выводи

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы;

1. На единой методологической основе термодинамики тела переменной массы разработан обобщенный метод математического моделирования рабочих процессов в-компрессорах объемного лрян-

' ц'ила действия - поршневых и ротационных: с катящимся ротором, пластинчатых и спиральных, пригодный дая описания фушсццониро-.вания данных компрессоров как в установившемся, так и в неустановившемся режимах.

2, Создана методика оптимального проектирования герметичного компрессора к бытовой холодильной машине, позволившая получить ряд конструктивных параметров для перспективно!! серии компрессоров Х111В-8, 8М, 8Б.

' -3. Создан обобщенный метод математического моделирования нестационарных' процессов з элементах и битовой холодильной " машине в целом, на основе которого получена модель двухкамерного холодильника распространенной схемы.

4. Проведенные теоретические.исследования агрегата бытового холодильника 0КА-6М'позволили существенно снизить его расход электроэнергии, благодаря изменению ряда конструктивных и эксплуатационных параметров.

5. Созданы алгоритмы и программы расчета функционирования компрессоров и бытовой холодильной машины в неустановившемся и в установившемся режимах.

6. Создана экспериментальная установка и методика эксперимента, позволившая проверить теоретические результаты неустановившихся процессов в бытовой холодильной машине..

7.'Разработан комплекс вспомогательных программ для регрессионного анализа, позволяющий с высокой точностью обрабатывать экспериментальные а расчетные результаты при формировании баз исходных данных по холодильным агентам и их смесям со смазочными .маслами.

П У Б Л И А Ц И И

Основное содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Семенчева Н.В., Илапш М.Ю., Ушаков А. 11. Математическое моделирование процессов в кожухе герметичного компрессора с учетом динамики растворения и выделения хладагента из смазочного масла. М., 1984. - 8 с. - Дел. в ЦШГШхимнефтемаш 14.06.84, И 1192.

2. Семончова Н.В., Елагин М.Ю., Ушаков А.П. Математическое моделирование переходных процессов в испарителях холодильных машин. М., 1984. - 8 с. - Доп. в ЩШТИхишшфтемэш 14.06.84,

№ 1193. •

3. Елагин М.Ю., Саклаков Ю.П., Уаакзв А.П. Термодинамика тела переменной массы, подчиняющегося уравнению состояния Воголюбова-Майера. М., 1984. - 9 с.,- Деп. в ЩШТИхлшюфтемаи 25.07.84, А 122?. ' •'

4. Елагин М.Ю.,' Ушаков Л.II-. Математическая модель поршневого компрессора. М.-, Ш&4. - 10 с. - Деп. в ВДНТИхпмнефте-маш 25.07.84, № 1226.

.5, Елагин М.Ю. Математическая.модель для расчета капиллярных трубок /Аолодильная техника.' - 1984. - Л 7. - 0. 39-40.

6. Елагин М.Ю., Семенчева Н.В., Ушаков А.П. Математическая модель нестационарных процессов, компрессорной холодил'ьнои машины с капиллярной трубкой. 1.1., Х986. - 16 с. - Деп. в ЦИНТЙхамнефтемаш 04.11.86,- й 1613.

7. Термодинамические уравнения для процессов с переменной массой-/Чистяков Ф.М., Ушаков. А.II., Елагин М.Ю. //Сб. научных докл. 4 Всес. научи, конф.. "Научи.-техн. проблемы, и достижения в криог. технике".(Криогеника -87). Ч. 2 -.Балашиха, 1988.

- С. 218-224.

8. Елагин М.Ю. Расчет величины прогиба пластинчатого клапана малого холодильного компрессора, М., 1989. - 6 с.

- Деп. в ЩШТИхишефтемаш 10.02.89, М 1958.

9. Елагин М.Ю., Бабахян В.Н. Проектирование поршневого холодильного компрессора минимальной энергоемкости //Холодиль-дая техника - .1983. - И. - С, 19 - 21.

ДО. Елагин М.Ю. Аналятвчзский аппарат термодинамики тела переменно:'! массы применительно к уравнению состояния Роллиха-Квонга; М., 1990. - 20 с. - Деп. в ЦШТИхимнефтомаш 01.08.90, й 2128. .

11. Елагин М.Ю. Математическое моделирование процессов в ротационном герметичном компрессоре." - И., 1990. - 8 о. -Деп. в ШШТПхп?лшфтемаш 01.08.92, »2129.

12. Елагин И.О., Бабахни В.II., Терэховкин С.Л. Оптимизация соотношения конструктивных параметров бытового холодильника на основе математического моделирования //Холодильная техника. -.1990, - 10. - 0. 4-5.

13. Елагин М.Ю., Ушаков Л.П., Бабахин В.Н. Оптимизация клапанных отверстии герметичного поршневого компрессора //Холодильная техника. - 19Э1, - !> I. - С. 24-25.

14. Елагин М.Ю., Сакун И,Л. Развитие теории и методов расчета спиральных компрессоров // ТЗсес. научн.-техн. конф, "Холод - народному хозяйству": Тез. док.1. - Л., 1991. С. 40.

15. Способ профилирования поверхности ограничителя подъема нагнетательного клапана компрессора: Л.с. 1691633 СССР /М.Ю Елагин И'др. (СССР). - 3 е.: пл., 1991.

16. Кчагин- М.Ю. Расчет рабочих процессов в ротационном холодильном компрессоре с катящимся ротором //Межвуз. сб. научи, трудов.,- Л. : ЛТИХП, 19Э1.-Л. 28 - 32.

О