автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оптимизация режимов работы аппаратов различного функционального назначения с абсорбционно-диффузионными холодильными машинами

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

Васылив Олег Богданович ^

/

- „ УДК 621.575.932:621.565.92

Г О о д

/ ь ШОП 1993

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АППАРАТОВ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ С АБСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫМИ ХОЛОДИЛЬНЫМИ МАШИНАМИ

Специальность 05.04.03 - холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание научной степени кандидата технических паук-

Одесса - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Одесской государственной академии пищевых технологий. Министерства образования Украины.

Научный руководитель -

кандидат технических наук, старшин научный сотрудник Титлов A.C.. Одесская государственная академия пищевых технологий, доцент

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Чепурнен-ко В.П., Одесская государственная академия холода, проректор по учебной работе

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гликсон А.Л., «Институт новых технологий», заместитель директора по науке.

Ведущая организация

Одесская государственная морская академия, кафедра автоматизации судовых паросиловых установок, Министерства образования Украины, Украина

Защита состоится "ДЗ" 141-0^1993 г в часов на заседании специализированного совета Д. 05.20.01 при Одесской государственной академии холода по адресу: 270100, Украина, г. Одесса, ул. Дворянская, 1/3 - ученый совет ОГАХ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОГАХ по адресу 270100, Украина, г. Одесса, ул. Дворянская, ¡/3

Автореферат разослан " ¿3- лсаЯ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Никульшин Р.К.

В модернизированной конструкции на воздушном участке был установлен теплоизоляционным кожух, изготовленный из минеральной ваты. Эквивалентный диаметр кожуха соответствовал критическому диаметру изоляции при работе АДХМ в «жестких» условиях и составлял 0.070...0.075 м.

Анализ представленных зависимостей показывает, что применение теплоизоляционного кожуха привело к снижению уровня температур, как в ХК так и в НТО (на 2...5 ('С) в диапазоне ()т=30...90 Вт. а при 90 < ()г < 110 Вт имела место обратная ситуация, а в диапазоне (2г-70...90 Вт имел место экстремум (минимум функций) /ЛА. = /{От) и (нто = /(Ог).

Наличие минимума связано с рос-

/,"С<

115

Г>5

-1(1

-о-г

к 1

т

том с ростом 01С и соответствующим ростом содержания воды в паровом потоке на входе в конденсатор (рис.4), что обуславливает рост (30 и Iнто. Анало-

гичные результаты получены для моделей «Кристалл-408» и «Стугна-101».

Для изучения режимов работы абсорбционных аппаратов в широком диапазоне температур окружающей среды были проведены исследования при нз-величинах теплоподвода тора «Киев-410» при ^-=100 Вт раз- (рис. 5).

личных температурах окружающей Во всех случаях поддерживали

температуру на входе в конденсатор не выше температуры насыщения аммиака при рабочем давлении; при этом соблю-

0 0.19 (Ш (1.57 ¿ф,М

Рис. 4. Температурные поля дефлегма- меняющихся ев-410» при (9; температурах

среды

/„,.:!'- 25 °С ; I" - 32 "С

дались требования ГОСТ(///7т; < минус 12 °С, /ЛА- < 5 °С).

В исследованиях минимальное энергопотребление имело место при постоянном режиме теплоподвода с изменением его величины от <2тг(тш)- соответствующей «ждущему» режиму, до (2тс[ш\) - режиму охлаждения, при этом величина 0/с(,шп)~4О Вт была определена при математическом моделировании режимов

работы дефлегматора.

Режим постоянной тепловой нагрузки позволяет избавится ог дополнительных энергозатрат, связанных с выталкиванием инертного газа в пусковой период из дефлегматора. Его реализация позволила снизить Д' э серийных моделей ВЗХ от 12 % до 21 % и при этом перевести модель «Киев-410» из класса (**) в класс

1,9 у 1.Х -1.7 -1.6 -1.5 -1.4 -•

Рис. 5. Энергетические характеристики «Киев-410» при различных способах подачи тепловой нагрузки ма термосифон. Режимы подачи тепловой нагрузки на термосифон: 1 - «70»; 2 -«I 10-0» (серийный); 3 - «1 10-40»; 4 -«70-40»; 5 - «130-70-0»; 6 - «110-70-0».

При исследовании аппаратов с НК воздушного и жидкостного типа тепловая связь дефлегматора АДХМ и НК объемом 35 дм' осуществлялась при помощи ДФТС.

Испытания проводились как в стационарном 32 "С. КРВ=1). так и в нестационарном режимах работы АДХМ (/о с. <32 "С, КРВ<1) и показали возможность обеспечения тепловых режимов дополнительной НК на уровне 70 "С, что удовлетворяет большинству технологических процессов термической обработки в быту, за счет бросового тепла дефлегмации. В аппаратах с жидкостными НК, в связи с невысокими значениями Оо=20...25 Вт. наиболее приемлем был режим термостагирования, т.е. компенсации тепловых потерь в окружающую среду. Во всех случаях наличие НК в составе .холодильного аппарата не приводило к ухудшению режимов охлаждения.

Инженерная методика расчета

Алгоритм расчета представлен на рйс. 6.

Основными исходными данными при расчете абсорбционных аппаратов является величина полезного объема ¡']- и уровень температур охлаждения Для «жестких» условий эксплуатации задаются на основе экспериментальных исследований температурные и движущие напоры и Ар- в цикле АДХМ, а на их

основе производится расчет удельных тепловых нагрузок ) и //. Далее, для

тех же условий производится расчет без учета стоимости АДХМ. Рассчи-

тываются тепловые нагрузки (О^. геометрические параметры АДХМ (/г/), С-ПХ.и 11 X ■ Путем варьирования входных параметров Д/;, и с учетом ограничения по массогабаритным характеристикам проводится минимизация величины

На последующем этапе при 1ос <32 °С и КРВ<1 проводится выбор способа теплоподвода к термосифону и системы автоматического регулирования. Оценивается величина Мэ, по которой и определяется С'э при ¡а =25 "С. На послед-

I

них -этапах определяется конечная величина суммарной стоимости С , которая

Рис. 6. Алгоритм инженерной методики

В заключении проводится расчет техногенного воздействия оптимальных конструкций аппаратов с АДХМ на окружающую среду.

Инженерная методика позволяет получить оптимальные (CV —> min) геометрические размеры камер абсорбционных холодильных аппаратов. Результаты расчетов для наиболее широкораспространенных на практике параметрических рядов представлены в таблице.

При расчете были использованы цены на материалы и электрическую энергию в I квартале 1998 года. Материал теплоизоляции пенополиуретан.

В таблице были использованы оптимальные величины толщин изоляции боковых стенок, контактирующих с окружающей средой

Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что расчетные оптимальные величины толщин теплоизоляции значительно превышают существующие. Так, в ХК оптимальная толщина теплоизоляции больше в 2 раза, а в НТО — 1,3 раза. Полученные результаты соответствуют тенденции увеличения толщи-

ны теплоизоляции в холодильных аппаратах ведущих фирм Европы.

Таблица

Оптимальные геометрические и стоимостные характеристики камер абсорбционных холодильных аппаратов

дм-' с щ(<»/гп)1 ММ Ск ,гр УС ¿—1 опт Ф V, ДМ'' ^[и(опгн)' ММ Сд-гр ф

НТО(***) - 7*.= минус 18 "С «Нулевая» камера - Т к = 0 "С

15 146 39.4 275.8 50 121 45,4 260.9

25 136 44,7 356,1 100 111 79,6 599,6

40 128 1 52,7 495,2 200 106 130.0 1416,9

НТО(**)- Тк= минус 12 "С Холодильная камера - Тк= 5 "С

15 143 38.3 242,6 100 101 70.5 421.8

25 134 43,7 304,7 150 99 93,8 . 577.4

40 127 52,1 412,4 210 97 120.5 791.1

Выбор объема НК осуществлялся при помощи иомснрамм и проводится с

учетом типа теплоизоляции и располагаемой величины 00 (рис. 7).

В номограмме зафиксирована наружная ширина (0,57 м) и глубина (0,54 м) НК в соответствии с размерами шкафа.

Геометрические параметры конденсатора при Ок =сопб1 определяются путем нахождения величины температурного напора (А(к =1К - !ос ), при котором число ребер (длина) минимальна (рис. 8 ).

Показана удовлетворительная сходимость результатов математического моделирования и реальных температурных полей дефлегматора, что позволяет определить оптимальные режимы теплоподвода в широком диапазоне .

Рис. 8. Соотношение между числом ребер воздушного конденсатора АДХМ и температурным напором 1 - «чистый» конденсатор паров аммиака; 2 -«переохладитель» жидкого аммиака; 3 - суммарное число ребер

Рис. 7. Зависимость для определения толщины изоляции нагревательных камер абсорбционного аппарата (материал изоляции - пенополиуретан)

Сравнительный анализ стоимостных и экологических параметров аппаратов бытовой холодильной техники

Одним из способов оценки техногенного воздействия энергетического оборудования на окружающую среду является критерий ТЕ\У1:

ТЕт = [{ОУР)х /л] + [(СИР) у ш, (I - аЛ)] + [(6'ИР)

где(С И"?5) ( - параметры хладагента - рабочего тела; (Сг 1УР)- параметры

хладагента - вспенивателя; Ь - масса утечек хладагента при эксплуатации, кг; п -установленный срок эксплуатации (для бытовой холодильной техники -10 лет); г>1\, нъ ~ масса хладагента, соответственно, рабочего тела и вспенивателя, кг; ак - коэффициент возврата использованного холодильного оборудования (в странах ЕЭС составляет 0.75, в странах СНГ равен нулю); Е - величина годового энергопотребления при эксплуатации. кВт ч/год; /7- масса СО:, выделяющаяся при производстве 1 кВт ч электроэнергии на электростанциях, кгСО;/ кВт ч.

Сравнительный анализ абсорбционных и компрессионных холодильных систем проведен для модернизированных и современных моделей мирового уровня, представляющих различные типы бытового холодильного оборудования: а) однокамерные с НТО (**),; б) двухкамерные с МК (***); в) морозильные камеры (***).

Расчет проведен для условий эксплуатации в Украине и в ЕЭС (на примере Германии). При проведении анализа предполагалось, что: а) в качестве вспенивателя всех моделей, а также рабочим телом компрессионных систем является Я 134а; б) абсорбционные холодильные системы могут использовать как электрические, так и неэлектрические (путем прямого использования теплоты сгорания органического топлива) источники энергии (природный газ, пропан-бутан, дизельное топливо).

В расчетах использовались приведенные к 1 дм' полезного объема величина суточного электропотребления и расхода органического топлива.

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

а) разработанные модели существенно превышают как по эксплуатационным (стоимость в среднем - на 35 % ниже), так и по экологическим (в среднем TEW1 ниже на 37 %) характеристикам лучшие зарубежные модели и отечественные аналоги абсорбционного холодильного оборудования;

б) в сложившихся условиях в Украине.эксплуатация новых моделей на органическом топливе будет оказывать соизмеримое или меньшее, по сравнению с компрессионными, техногенное воздействие на окружающую среду, при этом в странах ЕЭС, ситуация аналогична;

в) стоимость эксплуатации новых моделей, работающих на природном газе, по сравнению с компрессионными, в Украине и странах ЕЭС существенно (в среднем на 62%) ниже;

г) в странах ЕЭС экономически целесообразна эксплуатация новых моделей абсорбционных холодильников типа (**) с объемом до 155 дм3, на органическом топливе.

Выводы

1. При создании бытовых абсорбционных холодильных аппаратов с минимальной суммарной стоимостью необходимо проводить совместную оптимизацию ее составляющих - стоимости камеры, холодильной машины и эксплуатации и при этом учитывать особенности работы как камеры, так и АДХМ в нестационарных режимах.

2. Конструирование энергосберегающих бытовых абсорбционных холодильных аппаратов должно проводится как с учетом возможности использования бросового тепла холодильного цикла для функционирования дополнительной нагревательной камеры, так и соответствующей корректировки режима энергопотребления при изменении температуры окружающей среды.

3. Тепловой режим дополнительной нагревательной камеры на уровне температур 70 С может быть обеспечен за счет утилизации бросового тепла дефлегмации без оказания неблагоприятного воздействия на режимы охлаждения.

4. В связи с отсутствием эксплуатационной стоимости нагревательной камеры при ее разработке принимают во внимание:

а) наличие определенного типа тепловой изоляции и ее стоимость;

б) величина полезного объема НК;

в) эргономические характеристики - соотношение между длиной, шириной и высотой.

5. Для повышения холодопроизводительности АДХМ, путем снижения потерь аммиака на подъемном участке дефлегматора, этот участок должен быть полностью закрыт теплоизоляционным кожухом, причем термическое сопротив-

лемие такого кожуха должно обеспечивать полную очистку парового потока аммиака в «жестких» условиях эксплуатации {t„c= 32 "С) и поддержание требуемого режима охлаждения в камерах.

6. Минимальное энергопотребление в абсорбционных холодильниках с полностью теплоизолированым дефлегматором достигается при постоянном теп-лоподводе к термосифону с переходом с большей на меньшую тепловую нагрузку, при достижении пороговой величины температуры выхода дефлегматора, и на большую - при необходимости увеличения холодопроизводнтельноети.

7. В сложившихся условиях, эксплуатация энергосберегающих абсорбционных холодильников на органических энергоносителях будет оказывать соизмеримое с компрессионными моделями аналогичного класса техногенное воздействие на окружающую среду.

8. Максимальную энергетическую эффективность имеют абсорбционные холодильные аппараты с широким диапазоном температур хранения -от минус 18 "С до 12 °С, т.е. двух-трех-четырехкамерные модели.

9. Состав инертного газа не влияет на величину энергетической эффективности цикла АДХМ.

Условные обозначения

ВАР - водоаммиачный раствор; ДФТС - двухфазный термосифон; ЖТО -жидкостный теплообменник; НК - нагревательная камера; НТО - низкотемпературное отделение; ПГС - парогазовая смесь; ХК - холодильная камера; ODP - потенциал разрушения озонового слоя; GWP - потенциал глобального потепления; TEWI - полный эквивалент глобального потепления: температура: / - окружающей среды, v - жидкого аммиака, 0 - парогазовой смеси; £ - концентрация; х - относится к аммиаку; Г - относится к газу; Не(Н;) - относится к гелию (водороду) - min (max) - относится к минимальному (максимальному) параметру; (**), (***) _ относится к НТО с температурой не выше, соответственно, минус 12 "С, и минус 12 °С.

Список опубликованных трудов

1.Васил!в О.Б. Оппишашя режимт роботи побутових абсорбцжних холодильних апаралв рЬного функцюнального призначення //Науков1 npaui Одес. держ. акад. харч, технологш. /М-во осв1ти УкраУни. Вип.1 -Одеса. 1998. -Вип. 18, С. 174-179.

2.Тплов О.С., Завертаний В.В., Васнл'ш О.Б. Побутов") холодильники для фермерських та селяцських господарств //Техтка АПК. -1995. -N 4. -С.31-32.

3. Титлов A.C., Васыдив О.Б. Разработка нового типа бытовых аппаратов //Холод, дело. -1997. -N 3. -С. 21.

4. Титлов A.C., Васылив О.Б. Разработка параметрических рядов низкотемпе-

ратурных камер различного функционального назначения на базе АДХМ /Хранение и перераб. сельхоз. сырья. -¡997. -N 5. -С. 39-40.

5. Типов О.С., Васгшв О.Б.. "Похай Д.С. Hoei апарати для первинноУ термн-hoï переробки та збер1гання харчових продуктов //Техшка АПК.-1998.-№1. -С. 14.

6. Титлов A.C., Рыбников М.В., Завертаный В.В., Васылнв О.Б. Использование тепловых труб и термосифонов в абсорбционных холодильниках //Холод, техника. -1998. -N2. С. 12-13.

7. Титлов A.C., Васылив О.Б., Тюхай Д.С. Новые конструкции аппаратов для фермерских и крестьянских хозяйств //Аграрная наука. -1998. -N 2. -С. 24.

8. Титлов A.C., Васылив О.Б. Новые модели низкотемпературных камер абсорбционного типа. //Холод, дело. -1997. -N 5. -С. 30.

9. Титлов A.C., Васылив О.Б. Методика расчета и оптимизации термодинамических параметров холодильного цикла АДХМ / Одес. гос. акад. пищ. технологий. -Одесса. 1996.-14 е.: -Деп в ГНТБ Украины 27.03.1996.. №786.

10. Титлов A.C., Васылив U.Б.. Завертаный В.В. Математическая модель температурных полей абсорбционного холодильного аппарата /Одес. гос. акад. пищ. технологий. -Одесса. 1996. -14 е.: -Деп в ГНТБ Украины 27.03.1996.. №785.

11. Титлов A.C., Васылив О.Б., Тюхай Д.С., Мазур A.B. Экспериментальные исследования абсорбционных холодильных аппаратов различного функционального назначения //Сб. науч. статей "Перспективные направления развития экологии, экономики и энергетики." -Одесса: АОЗТ ИРЕНТТ. 1997. -С. 272-277.

12. Васылив О.Б. Методика оптимизации стоимостных параметров бытовых абсорбционных холодильных аппаратов /Науч. труды междунар. науч.-практич. конф.«Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых».Часть II, -Одесса: Астропинт, 1997.-С. 29S-300

13. Титлов A.C., Васылив О.Б., Ботук Ю.С. Анализ стоимостных и экологических эксплуатационных характеристик бытовой холодильной техники /Сб. науч. статей "Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, экономика, экология". -Одесса: АОЗТ ИРЕНТТ, 1997. -С. 10-12.

14. Титлов A.C., Васылив О.Б. Новая концепция расчета циклов безнасосных холодильных машин //Сб. науч. статей "Перспективные направления развития экологии, экономики ¡1 энергетики." -Одесса: АОЗТ ИРЕНТТ, 1997. -С. 278-283.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Комплекс научно-технических, а в первую очередь, экономических проблем, связанных с переходом холодильной техники на озонобезопасные фреоны, решить не под силу в настоящее время большинству стран мира, в том числе Украине и всем странам СНГ. Ситуация усугубляется тем. что согласно Монреальского протокола, принятого к исполнению всем мировым сообществом, в 1996 году введен запрет на производство наиболее широкораспространенного озоноразрушающего хладагента R12. В Украине, практически все находящиеся в эксплуатации компрессионные модели бытовой холодильной техники, составляющие около 90 % от общего числа, используют его в качестве рабочего тела. В последнее время модели на озонобезопасном R134а стали производится АО «NORD» (г. Донецк), однако стоимость новой продукции приближается к мировой и недоступна основной массе населения.

Сложившееся положение заставляет разработчиков бытовой холодильной техники обращать пристальное внимание на абсорбшюнно-диффузионные холодильные машины (ЛДХМ), которые могут быть одним из альтернативных вариантов перехода на озонобезопасные хладагенты. Их рабочее тело - водоаммиачный раствор с добавкой инертного газа (водород, гелий) экологически абсолютно безопасен. Оно не оказывает разрушающего воздействия на озоновый слой Земли и не содействует образованию «парникового» эффекта.

Абсорбционные модели в 1.3... 1,5 раза дешевле, имеют более длительный ресурс и надежнее, чем компрессионные, за счет отсутствия в их конструкциях компрессора. При этом абсорбционные холодильники абсолютно бесшумны и могут использовать при эксплуатации как электрические, в том числе низкого качества (диапазон напряжения в сети переменного тока от 170 до 250 В), так и неэлектрические (природный газ, биогаз, дизельное топливо и т.д.) источники энергии.

Для потребителя основным критерием в оценке и выборе бытового холодильного аппарата является его стоимость. В настоящее время, когда стоимость энергоносителей стремится к мировой, потребитель начинает учитывать суммарную стоимость, куда входит не только базовая (первоначальная) стоимость, но н стоимость эксплуатации холодильного аппарата.

Вместе с тем существующие абсорбционные аппараты имеют более низкую, по сравнению с компрессионными, энергетическую эффективность, что существенно ограничивает их область применения. В значительной мере такое положение обусловлено не столько более низкой, по сравнению с компрессионными моделями, термодинамической эффективностью, сколько недостаточной научной и инженерной проработкой.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссерта-

ционная работа выполнялась в рамках Государственной научно-технической программы Министерства машиностроения, военно-промышленного комплекса и конверсии Украины «Совершенствование и развитие производства бытовой холодильной техники» (Раздел 6.) и Государственной научно-технической программы Госкомитета Украины по вопросам науки и технологии (п. 5,51.3. «Методы и способы практической реализации приоритетных направлений энергосбережения в экономке Украины») и Координационного плана Министерства образования Украины № 51 «Научные основы создания новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, машин и аппаратов для пищевой промышленности (ГР. №01.97.Ш16061), а также в соответствии с планами бюджетной (ГР № 0195и 003455) и хоздоговорных (№№ 50/93; 42/94; 42/94-ДС; 24/95) НИР Одесской государственной академии пищевых технологий.

Целью настоящей работы является оптимизация бытовых аппаратов с АДХМ различного функционального назначения по минимальной суммарной стоимости.

Научную новизну составили следующие результаты:

• термодинамическая модель циклов АДХМ различного функционального назначения;

• математическая модель режимов работы дефлегматора АДХМ;

• алгоритм оптимизации абсорбционных-холодильных аппаратов по минимальной суммарной стоимости:

• результаты экспериментальных исследований аппаратов с АДХМ различного функционального назначения в широком диапазоне режимных параметров;

• инженерная методика расчета аппаратов с АДХМ различного функционального назначения.

• методика расчета экологических характеристик бытовых компрессионных и абсорбционных холодильных аппаратов, работающих на различных энергоносителях.

В работе защищаются следующие научные положения:

1. Совместный учет особенностей нестационарных режимов работы теплоизолированных конструкций и АДХМ позволяет снизить суммарную стоимость холодильного аппарата.

2. Максимальная энергетическая эффективность абсорбционного холодильного аппарата достигается при постоянном двухкаскадном теплоподводе к термосифону, с изменением абсолютных величин тепловых нагрузок в зависимости от температуры окружающей среды.

Практическая ценность исследований заключается в следующем:

1. Разработанная инженерная методика расчета используется при конструировании новых моделей бытовых аппаратов с АДХМ на Васильковском заводе холодильников (ВЗХ).

2. Предложенные принципы снижения энергопотребления бытовых аппаратов с АДХМ в широком диапазоне температур окружающей среды используются на ВЗХ при разработке электронных систем регулирования.

Личный вклад соискателя. В опубликованных работах, напечатанных в соавторстве, диссертанту принадлежат отдельные теоретические разработки, постановка и выполнение эксперимента, научный анализ результатов исследований, формулирования выводов и предложений.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников ОГАПТ в период 1995-1998г., конференции "Управление эффективностью энергоиспользования» (Одесса, июнь 1995), областной научно-технической конференции "Рациональное энергоиспользование и экономия топливно-энергетических ресурсов (Одесса, июнь

1996 г.), научно-методической конференции "Человек и окружающая среда: проблемы непрерывного экологического образования в вузах" (Одесса, сентябрь 1996 г.), международной конференции "Экология и продукты питания (Одесса, октябрь 1995 г.), международной научно-технической конференции «Холод и пищевые производства», (Санкт-Петербург, октябрь 1996 г.), областной научно-технической конференции «Пути повышения эффективности переработки и хранения сельскохозяйственной продукции» (Одесса, ноябрь 1996 г.), областной научно-практической конференции «Решения проблем рационального использования топливно-энергетических ресурсов, экономики и экологии» (Одесса, июль

1997 г.), международных научно-практических конференциях «Перспективные направления развития экологии, экономики, энергетики» (Одесса, ноябрь 1997 и март 1998).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях в научных журналах, 5 сборниках научных работ и 2 депонированных рукописях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и 7 приложении. Основное содержание изложено на 228 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка на 51 странице, 8 таблиц на 7 страницах, приложения на 33 страницах, список литературы из 158 наименований.

Современный уровень разработок и постановка задачи исследования

Проведенный анализ современного состояния разработок и производства бытовых абсорбционных холодильных аппаратов различного функционального назначения показал, что основные усилия разработчиков направлены на повыше-

ние энергетической эффективности аппаратов с АДХМ. Для систематизации известных и поиска новых направлений исследований была предложена классификация аппаратов с АДХМ по функциональному назначению, конструктивному исполнению и температурным режимам.

Аппарать! с АДХМ были подразделены на традиционные - только холодильного действия и совмещенного действия, обеспечивающие в одном аппарате как холодильное хранение, так и тепловую обработку пищевых продуктов, полуфабрикатов и сырья, за счет утилизации бросового тепла холодильного цикла.

В классификационные схемы, впервые, были включены «комбинированные» конструкции камер, включающие в себя как элементы «шкафа», так и «ларя».

Проведен обзор современного состояния методов расчета термодинамических параметров и теплофизических свойств рабочего тела, процессов тепломассообмена в элементах АДХМ н оптимальной толщины теплоизоляции..

На основании анализа задач практического применения, классификационных схем и современного состояния методов расчета аппаратов с АДХМ были обоснованы задачи исследования.

Расчет оптимальных стоимостных параметров аппаратов с АДХМ

На первом этапе была разработана методика термодинамического расчета, отличительной особенностью которой является: а) представление магистралей, связывающих элементы АДХМ. в виде промежуточных теплообменников, что позволяет оценить тепловые потери на транспортных участках; б) выделение на дефлегматоре зоны, температурный потенциал которой может обеспечить режимы дополнительной НК на уровне 70 ''С; в) использование в схеме генераторного узла с барботажным ректификатором.

Исходными данными являются: а) состав инертного газа (водород, гелий, либо их смесь); б) движущие перепады парциальных давлений в испарителе и абсорбере АДХМ ДРт1-п, в) температуры: 1) низшая Д'т|пи высшая у|11ах испарения; 2) окружающей среды /<)С; 3) потоков в ректификаторе; 4) перепады температур в характерных точках цикла между потоками и окружающей средой.

Полное давление в системе определяется с учетом величины температурного напора между конденсатором и окружающей средой. В дальнейшем расчет проводится поэлементно, при этом выходные параметры предыдущего элемента являются входными для последующего. Рассматривается конструкция трехпо-точного испарителя, на вход которой поступают потоки ПГС и жидкого аммиака с V = 0 = /ос , а режим испарения прямоточный.

Расчет проводится для I кг испаряющегося аммиака, при этом определяется удельное количество (на 1 кг аммиака) циркулирующих (балластных) паров аммиака и инертного газа ПГС:

.. В . . . "элПит) г> Ь-.-(шах)

М у =---, Мг ~ Л/ у Л, А -----, В =---------,

11} К £

я ~~ & Ьл(1ш'п) Уплт)

а также слабого ВАР и флегмы.

На основе теплового и материального баланса определяются удельные тепловые нагрузки испарителя (</„), термосифона (<7я-). абсорбера {(/ 4), конденсатора (с/к), дефлегматора протнвоточного ЖТО (¿/¿//) и промежуточных теплообменников {с/[п ). При составлении уравнения теплового баланса АДХМ тепловыми потерями с ректификатора пренебрегали (<ул=0). а подъемный дефлегматор разделяли на два участка, один из которых (высокотемпературный) связан в тепловом отношении с дополнительной НК.

Энергетическая эффективность традиционных холодильных аппаратов оценивается как: = а аппаратов с дополнительной НК, как

П" = (Яо+Я'о)/<1тс-

В связи с большим числом параметров (22), определяющих эффективность цикла АДХМ, анализ их влияния был проведен на модельном - "идеальном" цикле, в котором отсутствуют: а) температурные напоры между элементами АДХМ и окружающей средой и между потоками в теплообменных элементах; б) тепловые потери в окружающую среду с ЖТО и транспортных магистралей; в) движущие напоры в процессах испарения и абсорбции.

В таком цикле имеет место равенство температур ректификатора (Тд), выхода (Ту) термосифона и слабого ВАР на выходе ЖТО. Температура крепкого ВАР на входе в ректификатор определяется из уравнения теплового баланса ЖТО, а на входе в термосифон - из уравнения теплового баланса ректификатора с допущением о равенстве температур паровой смеси на выходе ректификатора и ^с(/)- ^ таком «идеальном» цикле АДХМ тепловые потери имеют место только при дефлегмации парового потока и подогреве крепкого ВАР до температуры насыщения.

Исходными данными здесь являются: дНе; Утт (Утах); (1о с ).

Анализ результатов расчета «идеального» цикла показал, что состав инертного газа не влияет на энергетическую эффективность цикла АДХМ. Переход от водорода (¿¡ц ~0) к гелию (^/А, = 1) приводит лишь к росту количества циркулирующего инертного газа (Л/г) в 2 раза, что связанно с различием молекулярных масс гелия и усложняет работу контура естественной циркуляции.

Наибольшее влияние на величину // оказывает гпт (рис. 1). При увеличении гтах от минус ! О до 30 "С рост // составляет 40-42 %. Изменение т'т|1) от минус 40 "С до минус 20 "С при гшах =сош1 практически не влияет на //(Д « 1 %).

При стремлении параметров какого-либо цикла ЛДХМ к "идеальному" будет иметь роет величины 1]. что предопределяет снижение энергетических и стоимостных затрат при эксплуатации холодильного аппарата.

Вместе с тем переход к "идеальному" циклу возможен только при стремлении движущих напоров к нулю, что приводит к росту1 масоогабаритных параметров элементов АДХМ. Ограничительными факторами при этом являются габариты, масса и суммарная стоимость холодильного аппарата (Сэ) включающая базовую (начальную) стоимость АДХМ (САДХд/), камеры и эксплуатации в установленный период (С-,). При поиске оптимума (минимума) Сг необходимо учитывать что:

а) величина Сэ напрямую связана, как с величиной холодопроизводитель-ности <2о, так и с энергетической эффективностью работы АДХМ (//) т.е. при /7=соп51, рост (?0 вызывает рост Сэ,апрн <2„=соп5Ц рост /7, снижает Сэ;

б) при /;=сопз1 величина <2й будет снижаться при увеличении толщины теплоизоляции (¿>,„) камеры до критического значения (б^ ^);

в) увеличение 5и1 приводит к росту величины СА.

При расчете теплопритоков в камеры аппаратов с АДХМ различного функционального назначения была учтена специфика современных конструкций: а) расположение испарителя в задней стенке камеры; б) наличие дополнительных теплопритоков от теплорассеивающих элементов; в)установка алюминиевого короба в НТО для перехвата теплопритоков; г) тепловое воздействие с соседними камерами.

Предложено оптимизацию Сэ проводить путем варьирования величины 8и< на основе зависимостей Сэ =/¡(ц); '? = /2((?0), О0 =/,(<?,„):

-10 0 10 20 \-ш.|Х,°с

Рис. I. Влияние максимальной температуры испарения на энергетическую эффективность «идеального» цикла АДХМ

СА - f^{диС4Лхи = fs{SKI), при фиксированном полезном объеме камеры и двух ее геометрических параметрах (ширина, глубина).

Графическая интерпретация нахождения Sll3( соответствующая min Cr, представлена на рис.2.

Специфика проектирования абсорбционных холодильных аппаратов состоит в условии обеспечения в «жестких» условиях эксплуатации {tac~32 °С) при постоянном режиме работы (КРВН). Очевидно, что при снижении !iil. все элементы аппарата, за исключением дефлегматора, имеют возможность работы в более благоприятных условиях, т.е. с «запасом».

Для численной оценки таких дополнительных возможностей было проведено моделирование нестационарных температурных режимов теплоизоляционных камер абсорбционных аппаратов, которые имеют место при toc<32 °С. В основе математического описания лежит численный метод конечных разностей. Для решения системы из n-алгебраических уравнений использовался матричный метод (неявный метод). Теилостоком в НТО и НК являлся внутренний алюминиевый корпус, связанный в тепловом отношении, соответственно, с испарителем АДХМ и конденсатором ДФТС, а в ХК - оребренная панель испарителя.

Исходными данными являлись: а) геометрические характеристики камер и теплофизические свойства материалов; б) температуры окружающей среды и камер; г) КРВ АДХМ.

Моделирование проводилось как в пусковых периодах, так и в циклически рабочем режиме.

Режимы подачи аммиака в испаритель и бросового тепла в НК определяются условиями работы дефлегматора. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что чем ниже tnc, а следовательно и КРВ, тем больше потери при транспортировке аммиака в конденсатор. Для их устранения по всей длине подъемного участка дефлегматора был установлен теплоизоляционный кожух.

Для оценки влияния toc и Отс на режимы работы такого дефлегматора была разработана математическая модель, в основе которой лежат уравнения со-

С

1С

\ -Г \ сэ ; Ск/

г ! АДХМ .___

Я "J

Рис. 2 Способ определение оптимальной толщины изоляции по стоимостных характеристикам

хранения тепла и массы. При моделировании термическим сопротивлением и теплоемкостью пренебрегали. Исходными данными являлись температура (\'ку), концентрация (£,".) и расход (0",.у) парового потока на входе в дефлегматор. Из условий полной очистки аммиака (С,"ЫЛ. = П и обеспечения требуемого С1:ыу в «жестких» условиях (/()[. =32 "С) определялась толщина теплоизоляционного кожуха дефлегматора (б„,„„)■ При <32 °С определялись зависимости С,,,>п. = /('„х. ) при = а также величины Огс-(т;п) = /(/,)с ) при которых на всем подъемном участке дефлегматора поддерживалась температура насыщения аммиака.

Результаты экспериментальных исследований аппаратов с АДХМ различного функционального назначения

Объекты исследования - серийные и опытные модели ВЗХ: а) однокамерные холодильники с НТО (**) типа «Кристалл-408» АШ-155 и «Кисв-410» АШ-160; б) абсорбционный морозильник «Стугна-101» АМЛ-180; в) аппарат с НК на базе «Кристалл-408» АШ-155.

Для получения информации по температурным и энергетическим характеристикам аппаратов с АДХМ различного функционального назначения были определены: температуры в характерных точках АДХМ и камере (камерах) аппаратов; величины суточного энергопотребления ( Nэ), при различных величинах тепловой нагрузки на термосифоне АДХМ (О■,■) и температурах окружающей среды (/„,..); влияние дополнительных конструктивных элементов, расширяющих функциональные возможности (НК с системой теплоподвода на базе ДФТС) либо позволяющих повысить энергетическую эффективность (теплоизоляционное покрытие на всей длине дефлегматора), также различных способов подвода тепловой нагрузки к термосифону.

С целью проверки высказанных ранее предположений о целесообразности установки теплоизоляции на всей длине ,о 70 хо 41) 2г.Вт 'дефлегматора АДХМ (до начала конден-Рис. 3. Влияние величины тепловой на- сатора), на первом этапе были проведены грузки на температуру в НТО и холо- сравнительные экспериментальные цедильной камере (модель «Криста.1.1-408») следован„я серийных и модернизирован-Г.1 -- ХК. 2".2'"-НТО. Г.2'-модсрнизи- ных конструкциГ1 аппаратов (рис. 3). рошшная модель. Г\2 '-серийная модель

30 40 50 60

Аноташя

Васил'ш О. Б. ОптимЬашя режим1в роботи апарат!в р'пного функционального призначення з абсорбшйно-дифузшними холодильнимн машинами. -Рукопкс.

Дисертац!я на пошукування наукового ступени кандидата техтчних наук за спешалыпстю 05.04. 03 - холодильна 1 крюгенна техшка, системи кондииповання. -Одеська державна академ1я холоду, Одеса, 1998.

Дисертащя присвячена питаниям оптимпацп режимт роботи побутових апарат1в з абсорбцшно-дифузшними холодильнимн машинами (АДХМ) рпного функц'юнального призначення по мЫмалынй сумарн'ш вартость

В робот'1 розглядаються питания зниження сумарноТ вартост1 апарат1в з АДХМ шляхом шдзшцення енергетичноУ ефективност! холодильного циклу 1 знаходження оптимальних розм1р)'п теплополяшйних покрить камер, а також питания викориетання непридатного тепла холодильного циклу для розширення функцюнальних можливостей побутовий техжки. Встановлено, то мш1мальне енергоспоживання апарапв з АДХМ при р1зних умовах експлуаташТ досягаеться за рахунок змши режим'ш теплоп'1двода до термосифону.

Юпочош слова: абсорбцшно-дифуз1йна холодильна машина. абсорбцшшш холодильник апарат, математичне моделювання, оптимващя, варт'кть, еколопя.

Аннотация

Васылив О.Б. Оптимизация режимов работы аппаратов различного функционального назначения с абсорбцнонно-диффузионными холодильными машинами. -Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.03 - холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования. - Одесская государственная академия холода, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена вопросам оптимизации режимов работы бытовых аппаратов с абсорбцнонно-диффузионными холодильными машинами (АДХМ) различного функционального назначения по минимальной суммарной стоимости.

В работе рассматриваются вопросы снижения суммарной стоимости аппаратов с АДХМ путем повышения энергетической эффективности холодильного цикла и нахождения оптимальных размеров теплоизоляционных покрытий камер, а также вопросы использования бросового тепа холодильного цикла для расширения функциональных возможностей бытовой техники. Установлено, что минимальное энергопотребление аппаратов с АДХМ при различных условиях эксплуатации достигается за счет изменения режимов теплоподвода к термосифону.

Ключевые слова: абсорбционно-диффузионная холодильная машина, абсорбционный холодильный аппарат, математическое моделирование, оптимизация, стоимость, экология.

Summary

Vasyliv O.B. Optimization of Work Regimes of Apparatus of Various Functional Application Based on Absorption-Diffusion Refrigerating Machines. -Manuscript.

Thesis for a candidate degree in the technical sciences by specialty 05.04.03 - refrigerating and cryogenic technique, air-conditioning systems. -Odessa State Refrigeration Academy. Odessa, 1998.

Dissertation is devoted to questions connected with optimization of work regimes of home apparatus with absorption-diffusion refrigerating machines (ADRM) of various functional application in minimum summation cost.

The problems of reduction of summation cost of apparatus based on ADRM in the way of increase of energetic efficiency of refrigerating cycle and finding of optimum dimensions of chamber heat insulating coatings are considered as the questions of use of waste heat of refrigerating cycle for widening of functional possibilities of home technique.

It's settled that minimum energy consumption of apparatus based on ADRM in various operation conditions is achieved due to regime change of heat supply to thermo-siphone.

Key words: absorption-diffusion refrigerating machine, absorption refrigerating apparatus, mathematical modeling, optimization, cost, ecology.

Подписано к печати 29.05.98 Формат 60x84 ]/16 Закат As 89. Тираж 100 ж».

Производственно-полиграфический отдел О! (НТЭИ Украина. 270026. г.Одесса.ул. Ришельевская 28