автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Обоснование и оптимизация основных параметров капиллярной трубки для кондиционеров класса сплит-систем, холодопроизводительностью до 5 кВТ

Перечень используемых обозначений.

Введение.Ю

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.

1.1 Основные типы регулировочных устройств.

1.1.1 Капиллярная трубка - как регулирующее устройство.

1.1.2 Особенности работы капиллярной трубки.

1.2 Особенности работы холодильных машин, использующих в качестве регулирующего устройства капиллярную трубку.

1.2.1 Условия работы подобных холодильных машин.

1.2.2 Преимущества.

1.2.3 Недостатки.

1.3 Характеристики капиллярных трубок.

1.3.1 Параметры, влияющие на величину расхода хладагента через капиллярную трубку.

1.3.2 Зависимость расхода хладагента от диаметра капиллярной трубки.

1.3.3 Зависимость расхода хладагента от длины капиллярной трубки

1.3.4 Зависимость расхода хладагента от величины разности давлений на входе и выходе из капиллярной трубки.

1.3.5 Зависимость расхода хладагента от состояния хладагента, поступающего в капиллярную трубку.

1.4 Существующие методики подбора и расчета капиллярных трубок.

1.4.1 Метод пошагового интегрирования.

1.4.2 Метод приближенного расчета.

1.5 Особенности применения капиллярных трубок для режима теплового насоса.

1.6 Цели и задачи исследования.

2. Математическая модель процесса дросселирования хладагента R22 в капиллярной трубке.

2.1 Эффект Джоуля-Томсона.

2.1.1 Дросселирование.

2.1.2 Общее уравнение дифференциального джоуль - томсоновского эффекта.

2.1.3 Физическая сущность джоуль - томсоновского эффекта.

2.1.4 Изоэнтропийное расширение газа.

2.2 Дросселирование хладагента R22 в капиллярной трубке.

2.2.1 Уравнения, используемые для описания однонаправленного потока в капиллярной трубке круглого сечения.

2.2.2 Отрезок 0-1. Вход трубки.

2.2.3 Отрезок 1-2. Часть трубки, содержащая только жидкость.

2.2.4 Отрезок 2-3. Участок, содержащий смесь насыщенной жидкости и пара.

2.3 Математическая модель течения хладагента в капиллярной трубке.

3. Объект исследований. Экспериментальная установка и методика проведения испытаний.

3.1 Объект исследований и экспериментальная установка.-ц

3.2 Методика вычисления холодо и теплопроизводительности.

3.3 Практические предпосылки для разработки методики испытаний. g

3.4 Методика проведения испытаний.

3.5 Оценка точности измерений.1Q

3.6 Выводы по главе.Ц

4. Результаты экспериментальных исследований.ИЗ

4.1 Испытания макетного образца с ручным вентилем в качестве регулирующего устройства.

4.2 Основная и дополнительная капиллярные трубки одинакового внутреннего диаметра.

4.3. Основная и дополнительная капиллярные трубки разного внутреннего диаметра.

4.4. Возможность использования только одной капиллярной трубки.

4.5 Выводы по главе.

На современном этапе развития общества четко обозначилась тенденция к повсеместному использованию технических достижений не только в производственно - технологических целях, но и в быту. Одним из таких достижений является бытовой кондиционер, позволяющий получать оптимальные климатические условия в жилых помещениях. Анализ российского рынка бытовых кондиционеров показывает, что последние пять лет этот сектор динамично развивается. В различных профильных изданиях экспертами высказываются предположения о дальнейшем росте рынка бытовых кондиционеров, среди которых большая часть продаж приходится на сплит-системы.

Сплжг-система (от английского слова "Split" - раздельный) конструктивно выполнена из двух блоков - наружного и внутреннего, соединяемых между собой медными трубами - магистралями для хладагента. В наружном блоке располагаются: компрессор, конденсатор, электродвигатель с вентилятором, дроссельный узел. Во внутреннем блоке расположены: испаритель, электродвигатель с вентилятором и электронный блок управления.

Очевидно, что наружный блок устанавливается вне помещения, а внутренний, соответственно, внутри. Такое конструктивное исполнение кондиционеров находит все большее предпочтение перед оконными, хотя последние, как правило, гораздо дешевле.

Естественно, видя развивающуюся тенденцию данного вида рынка, руководством ОАО «Машиностроительный завод» было решено организовать производство бытовых кондиционеров в одном из цехов завода. Кондиционеры выпускаются под торговой маркой «ЭЛЕМАШ».

Организация и сам ход производства повлекли за собой ряд естественных трудностей, одной из которых явился расчет капиллярной трубки. Забегая вперед, скажу, что в бытовой холодильной технике в качестве дроссельного устройства используются именно капиллярные трубки. И если по вопросам расчетов испарителя и конденсатора имеется достаточно литературы как отечественных, так и зарубежных авторов, то капиллярной трубке внимания уделялось гораздо меньше. Думаю, что это было связано со сферой ее применения - бытовая техника, которой традиционно в СССР уделялось мало внимания. Поэтому основные труды - это публикации в иностранной тематической литературе (например "Refrigerating Engineering").

Теперь посмотрим на эту проблему со стороны инженера-проектировщика. Ему необходимо иметь не только сам способ (теоретический) расчета, но и практическую методику проектирования капиллярной трубки. Поскольку расчетные данные, как правило, отличаются от экспериментальных. Так в чем же сложность? Во-первых, в литературе можно встретить несколько способов расчета длины капиллярной трубки при заданном внутреннем диаметре. Это как аналитические методы, так и графические. Автором данной работы были проведены расчеты различными способами, и в результате получилось, что по каждому методу получались разные результаты, сильно отличающиеся друг от друга. Отсюда сразу же возникает вопрос - на сколько верны сами методики расчета? Во-вторых, авторы почти всех методик оговаривают, что впоследствии расчет требует дополнительных экспериментальных работ по «доведению» длины трубки до оптимального значения. Значит, разработчику необходимо будет «смириться» с тем, что все-таки проведение экспериментов необходимо. И в третьих, все предлагаемые методики в основном предназначены для цикла охлаждения, однако практически все современные сплит-системы оснащены также режимом теплового насоса, осуществляемого реверсированием потока хладагента. Более того, в климатических условиях средней полосы России режим теплового насоса является основным, поэтому методика проектирования должна обязательно быть применимой и к этому режиму.

Еще один момент, на который хотелось бы обратить внимание. При использовании графического способа определения длины капиллярной трубки велика вероятность появления ошибки. Особенно, если определение конечного результата связано с переносом значений с одного графика на другой. В этом случае может возникнуть ошибка не только при проведении графических построений, но и по причине низкого качества печати самой номограммы (графика). Поэтому при разработке методики если и использовать какие-либо графические зависимости, то только в качестве предварительных оценок отдельных параметров. К тому же развитие современных ПК и соответствующего программного обеспечения к ним, позволяет выполнять расчеты при минимальном количестве затрачиваемого времени.

13

Исходя из всего выше сказанного, сформулирую основные требования к методике проектирования капиллярной трубки для бытовых сплит-систем:

- наличие аналитического способа расчета длины капиллярной трубки;

- правильность расчетов, которая позволила бы уменьшить количество экспериментов на этапе разработки;

- возможность применения к режиму теплового насоса.

С учетом указанных требований и велась исследовательская работа, представляемая в данном материале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. В ходе работы проведены исследования сплит-систем различной холодо-производительностью, использующих в качестве дроссельного узла капиллярные трубки диаметров от 1,4 мм до 1,9 мм.

2. Несмотря на то, что в качестве регулирующего устройства капиллярная трубка применяется при постоянных внешних условиях, использование ее в бытовых сплиг-системах оправдывается. Помимо очевидного упрощения конструкции системы и соответственно ее удешевления (по сравнению с использованием ТРВ), мы выигрываем в энергетических показателях. Другими словами, сокращая потребление электроэнергии, мы увеличиваем холодильный коэффициент.

3. Разработанная практическая методика проектирования капиллярной трубки основывается на экспериментально-теоретическом подходе. Параметры для расчета определяются экспериментально при установке в качестве дроссельного устройства ручного регулировочного вентиля. Далее, по полученным данным производится расчет длины трубки методом пошагового интегрирования. Такой подход позволяет избежать «доводки» сопротивления полученной в ходе расчетов трубки, т.е. сокращается количество экспериментов при проектировании. Относительная погрешность расчета длины при этом составляет около 10 %.

4. Важным моментом при разработке является возможность достижения критического давления на выходе из капиллярной трубки. Это давление

184 определяется по значению температуры хладагента после дросселирования, в ходе определения начальных условий при помощи ручного вентиля. В дальнейшем расчете, в качестве конечного давления принимается именно это, определенное практическим путем критическое давление. Такой подход позволяет избежать появления повышенного сопротивления капиллярной трубки.

5. Разработанная методика также применима и к режиму теплового насоса. Полученные экспериментальные данные подтверждают это.

6. Приводимые графические зависимости длины капиллярной трубки от значения достигаемого давления позволяют определить внутренний диаметр капилляра для конкретного значения холодопроизводительности, а также предварительно определить длину самой трубки. Этот так называемый «экспресс-метод» позволяет проектировщику определиться с геометрическими параметрами не производя расчетов.

1. Бараненко А. В. и др. Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур». СПб.: Политехника, 1997.-992 с.

2. Баррон Р. Ф. Криогенные системы. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1989. -408 с.

3. Богословский В. Н. и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. -М.: Стройиздат, 1985. 367 е., ил.

4. Болгарский А. В. и др. Термодинамика и теплопередача. —М.: Высшая школа, 1975.-495 с.

5. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства: Учебн. пособие. СПб.: СПбГАХПТ, 1998. - 146 с.

6. Быков А. В., Калнинь И. М., Крузе А. С. Холодильные машины и тепловые насосы. М: Анропромиздат, 1988. - 287 с.

7. Вейнберг Б.С. Расчет капиллярных трубок для R-12 и R-22. // Холодильная техника, 1969, № 10

8. Вопросы глубокого охлаждения. Сборник статей под редакцией проф. М. П. Малкова. М.: Иностранная литература, 1961. 429 с.

9. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 136 с. Ю.Голубков Б. Н. и др. Кондиционирование воздуха, отопление и вентиляция.- М.: Энергоиздат, 1982. 232 с.

10. Г0СТ 20.57.406-81. Кондиционеры бытовые автономные. Общие технические условия. М.: Издательство стандартов, 1986. - 28 с.

11. Доссат Р. Д. Основы холодильной техники / Под ред. JI. Г. Каплана, пер. с англ. М. Б. Розенберг. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984 - 520 с.

12. Канторович В. И. Статическая характеристика холодильной машины. Холодильная техника, № 6,1969.

13. Каплан Л.Г. Торговое холодильное оборудование: Справочник. М.: Колос, 1995-303 с.

14. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. М.: Машиностроение, 1970. - 344 с.

15. Котзаогланиан. Пособие для ремонтника. Практическое руководство по ремонту холодильного оборудования с конденсаторами воздушного охлаждения. -М.: ЗАО «Остров», 1997. 340 с.

16. Крум Д., Роберте Б. Кондиционирование воздуха и холодильные машины. -М.: Стройиздат, 1980. 399 с.

17. И.Перельштейн И. И., Парушин Е. Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 232 с.

18. Стоккер В. Ф. Холодильная техника и кондиционирование воздуха. М.: ГТГШ машиностроительной литературы, 1962. - 316 с.

19. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-272 е., ил.

20. Якобсон В. Б. Малые холодильные машины. М.: Пищевая промышленность, 1977 - 368 с.

21. Bolstad, М. М., and R. С. Jordan: Theory and Use of Capillary Tube Expansion Device, Refrig. Eng., vol. 56, no. 6, p. 519, December, 1948.

22. Cooper, L., С. K. Chu and W. R. Brisken: Simple Selection Method for Capillaries Derived from Physical Flow Conditions, Refrig. Eng., vol. 65, no. 7, p. 13, My 1957.

23. Gerald P. Marcy: Pressure Drop With Changing Of Phase In A Capillary Tube, Refrig. Eng., no. 1,1949.

24. Hopkins, N. E.: Rating the Restrictor Tube, Refrig. Eng., vol. 58, no. 11, p. 1087, November, 1950.

25. ISO 5151. Non ducted air conditioners and heat pumps Testing and rating for performance. International Standard, 1994. - 48 p.

26. Kaufman, В.: Graphical Analysis for Air Conditioning System Performance, Refrig. Eng., vol. 64, no. 7, p. 52, July, 1956.188

27. Lathrop, H. F.: Application and Characteristics of Capillary Tubes, Refrig. Eng., vol. 56, no. 2, p. 129, August, 1948.

28. Milo M. Bolstad and Richard C. Jordan: Theory And Use Of The Capillary Tube Expansion Device, Part II, Nonadiabatic Flow, Refrig. Eng., no. 6, 1949.

29. Refrigeration and Air Conditioning USA: Prentice Hall, 1987. - 779 p. 34.Staebler, L. A.: Theory and Use of a Capillary Tube for Liquid Refrigerant Control, Refrig. Eng., vol. 55, no. 1, p. 55, January, 1948.