автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальные исследования энергетических характеристик парокомпрессионных циклов при повышенных температурах окружающей среды

О с/

¿77МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

л*7

I»

^ На правах рукописи

ХАОАН АИКБ

РАСЧЕТН0-ЭКСПЕ1Ш2П'АЛЫ!ЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КАРАКТКРИСТИК ПАтСМГОТШЮШШХ ШКЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАШЕЯ СРЕШ

Специальность 06.14.06 - теоретические остовы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисквнив учоноя степени кандидата технических наук

.г;

У

Мооква. 1УЯЗ

Работа выполнена на кафедре Криогенной техники Московского энергетического института.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор В.И. Вродяиский

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Й.М. Калнинь, кандидат технических наук доцент И.В. Калинин

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский и конст-рукгорско-тегнологический институт холодильной промышленности (ИШТИХолодпром.г.Москва;

/9 О

Защита состоится „марта___1993 годе в ¡Ц™ час.

на заседании специализированного Сонета К 053.16.02 в Московском энергетическом институте по адресу: Москва, Красноказарменная 17, корпус Т, кафедра ИниекерноЯ теплофизики ( ИТ® ), комн. 206.

Отзыв, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 105835 ГСП, Москва Н-250, Красноказарменная у;... дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться , - >теке института.

Автореферат разослан "_____" ___________ _ 19УЗ года.

Ученый секретарь специализированного совета

В.И. Мщ-са

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОГЫ.

„Актуальноетъ_темыл

Установки да получения искусственного холода, особенно в области низких температур, относятся к оенднвьм потребителям электроэнергии. Суммарная мощность га непрерывно возрастает и в промьшленно развитых странах составляет около 1и % от производимой электроэнергии. имеете с этим, как показывает статистическая обработка данных , коэффициент полезного действия ( КОД ) современных холодильных установок не превъшает -0,25. С учетом этого одна из актуальных задач связана с разработкой способов снижения удельного энергопотребления путем повьшения К1Щ низкотемпературных установок.

Системы на основе дроссельных циклов, в частности, парокомп-рессионные холодильные установки ( II К X У ). находят широкое применение в низкотемпературной технике: в частности на га основе построено большинство бытовых холодильников и морозильников. Развитие и совершенствование 1КХУ связано с решенном двух актуальных проблем: уменьшением энергопотребления и разработкой озо-нобезопвеных рабочих тел, поскольку применение большинства традиционных хладоагентов -фреонов ограничено Монреальским протоколом.

Решение этих проблем усложняется в тех случаях, когда холодильные установки работают при повшенных температурах Тее окру-жащей среды. Вместе с этим, в ряде регионов с жарким климатом в течении длительного времени Т превышает максимально допустимые значения Т = 311) К, предусмотренные стандартами на бытовую холодильную технику. Так, анализ показал, что для сирийской Арабской Республики для наиболее крупных городов характерны температуры воздуха в летний период, превыпахщие значения 30...зъ 'С , а максимальные значения тс в течение длительного времени могут быть равны 41.-.4« 'С.

Один го путей решения отмеченных выпе проблем связан с применением а ЩШ многокомпонентных рабочих тел (ИНГ). На основе исследований, начатых в начале /и1 годов под руководством В.М. Бродянского и А.К. 1'резина и развитых за-тм в работах

И.О. Боярского. Н.Д. Захарова. Г.К. Лавренченко и других исследователей ухе разработаны высокоэффективные дроссельные регенеративные системы, работапцие «а Ш7 при относительно низкие температурах охлаждения то= 2й0.. .80К. В последнее время в связи с необходимостью замещения некоторое Фреонов возрос интерес к применению ЮТ и в бьгговой холодильной технике и кондиционерах.

Из обзда закономерностей очевидно, что преимущества ИРГ должны проявляться сильнее при больших отношениях температур в =т / т . *го есть при поваленных т . вместе с этим

ос о * ОС

систематического изучения этих возможностей до сих пор не ' проводилось.

состояла в разработав методики прогнозирования энергетических характеристик ПКХУ при работе их на различных рабочих телах в широком интервале температур окружающей среды. Для достижения этой цели необходимо было решить следупаие задачи.

1. Выявить закономерности изменения КПД и холодопроизводи-тельности циклов при повышенных температурах окрухапцей среды при работе П К X У на чистых веществах и смесях.

2. Экспериментально изучить влияние температуры окружающей среды на характеристики герметичного холодильного компрессора при работе на различных хладоагентах, в том числе и на смесях.

3. На основе расчетно-экспериментальных исследований подобрать высокоэффективные озонобезопасные хладоагенты для работы при повышенных тк.

4. Посердить правомерность и эффективность принятых решений испытаниями серийно выпускаемого морозильника при работе на традиционных и новых хладоагентах.

_Ноучндл_нопизня диссертацкошгоя работа состоит в следущем.

1. Показ оно, что в ПКХУ на баз© герметичных компрессоров с одноступенчатом сжатием при повывеннья тх наступают предельные режимы работы, которые в зависимости от выбракого рабочего тела определяется превьюением предельно допустимого давления или температуры нагнетания, а таете резким уменьшением КПД цикла.

2. 11а основе экспериментальных исследований предложены уравнения, отражающие влияние температуры окруаатаей среды на коэффициент подачи и адиабатный КПД герметичного холодильного компрессора,- для обобщения результатов при работе на различных иидовгонтах о уравнения аслетены плотность рабочего тела при условиях но входе в компрессор.

3. Показвио, что эффективные рехимы раоспи ПКХУ при повышенных температуре! о кружащей среда можно обеспечить применением многокомпонентных рабочих тел; при температурах охлаждения Та= 253... 273 К достаточно использовать два - три компонента.

_Пвдктщеска я ценность .Едботы.

I. Выбранные метода расчета и анализа в совокупности с полученньми экспериментальными данньми позволяют выбрать высокоэффективные озснобезопасные рабочие тела и прогнозировать энергетические характеристики ПКХУ с герметачнньи компрессором • при изменении температуры окружащей среда в широких пределах.

■ 2.Испытаниями серийно выпускаемой модели бытовой морозильной : камеры показано, что на основе смесей моею разработать озонобе-. эопасный хпадоагент, обеспечиваюпиЯ энергетически эффективную работу при повыпенньа температурах окружающей среды без изменения . конструкции морозильной камеры.

: _*0К?вШ1Я_ваботы. Основные полевения и выводы диссертацион-•. ноЯ работы докладывались и обсуждались на 50-Я научной конферен-:• ции Одесского технологического института пищевой промышленности .. им. И.В. Ломоносова ( СГИХП ), г.Одесса. 1990 г.; Всесоюзной научно-технической кощюрепгции "Холод - народному хозяйству", г.Ленинград, 1991: на научных семинарах НШ1-1042 кафедры криогенной техники МЭИ в 1990, 1991, 1992 Г.Г.

_ПуОликауга1. По результатам проведенных исследования опубликовано 2 печатных труда. 1

1. Результаты анализа энергетической эффективности ПКХУ при работе их га различных ишдоагентах, включая многокомпоненпыв рабочие тела, в широких интервалах значения температуры окрумпцеЯ среды.

2. Результаты экспериментальных исследования и обобщенные характеристики ( коэффициента подачи и адиабатного КПД ) герметичного холодильного компрессора ХНВ - 6 при работе на пропане и трехкомпонентноЯ смеси в широких интервалах температур окруавщеЯ среда.

3. Результаты испытаний серийного бытового морозилъниха при работе на фреонах к 12, и 22 и на трехкомпонентноЯ оэонсоэзопас-поП смеси при потешенных значениях теютерятуры окрухавдеП среда.

_Структу р» осу-м_ р.;)ботул Диссертация состоит из вводам.

- б -

четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников из 109 наименований. Работа изложена на 92 страницах машинописного текста, иллюстрируется 60 рисунками и 12 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ _1.0ЭЕЭ2В_глав§ на основе .литературных данных проанализированы области применения' и тенденции развитая дроссельных циклов, отражены особенности применения эксергеттеского метода для анализа характеристик дроссельных систем. Проведена оценка возможности улучшения характеристик дроссельных циклов •применением многокомпонентных рабочих тел. Анализ и оценку возможностей конкретных систем можно упростить и вместе с тем получить более общие выводы, если опираться на структурную схему установки. При изучении энергетических характеристик ДРС за основу принята обобщенная структурная схема холодильной установки, отражающая процессы преобразования подведенной ексергии е'(вход) в аксергив целевого продукта Е (выход). В частности, .в ПКХУ подведенная зксергия в виде работы е'= I-трансформируется в аксергию холода ео= 0о{1-тос/ То (. полученного при то< тво. Нужная для анализа информация может быть получена, если схему установки представить в виде трех последовательно соединенных ступеней ¡повышения давления (СПД), охлаждения (СО) и использования охлаждаюцето эффекта (СШ). При этом аксергетический КПД ПКХУ связан с КПД элементов простым соотношением п* = г»'пл г>" п"". В конце главы сформулированы задачи расчетно-эксперименталных исследований.

Втсвая_глгва посвящена выбору метода расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств смесей, в также анализу энергетических характеристик дроссельных идеальных и реальных циклов.

Основная особенность циклов на всех хладоагентах, для которых проведен анализ, состоит в тем, что при повышенных Тес наступают предельные резоны работы, связанные прежде всего с максимально допустимыми давлениями нагнетания : в анализе принято рк= 1,6 МПа. При то= 278 К ограничения наступают также по температуре нагнетания, которая принята равной тГ = 400 К. А иногда, например, при использовании и 134а, работа невозможна из-за весьма низких КПД реальной установки.

Общие закономерности .изменения характеристик идеальнных

дгклои при увеличении Тос и псстотшоЯ То получены такими хе, как и при уменьшении Твдля Тос» const. Для относительно небольших отношений температур вв . т^ 1,1... 1,2 получены весьма высокие 1ШД г£я= 0,8 ...0,9. При повьпениых значениях т циклы с регенерацией имэхгг насколько большие ( на 5.'. .8 * ) значения КПД; причом выигрш от введения регенерации должен Сыть больше при относительно низких Тв. Абсолютные значения КЦД идеальных циклов близки для выбранных в анализе хл»донов. Вместе с втим, ч*- удельная объемная холодопроизводительность различается существенно. Например, для R 22 ч* получена примерно вдвое большей, чем для R 12. Это объясняется большим давлением на входе в компрессор рк'я. Так, при То= 255 К рк'н= 0,264 МПа - для к 22 я

0,168 МПа - для R 12. Данные для других хладоагентоа приведены в диссертации.

Характеристики реальных циклов проанализированы для чистых хладовгентов R 12. к 22, и 134«, я 290 и для ряда МРТ. При этом учтены конечные разности температур в испарителе лтя= 5 К, конденсаторе дт^» 10 К и регенеративном тшюобменнике 4T>in= 5 К. В анализе учтены также хврвктристики реальных компрессоров.

Из литературных данных известно, что при переходе с одного хлодоагента на другой характеристики порвшевых герметичных компрессоров изменяется незначительно. С учетом этого но первом этапе анализа реальных циклов зависимости п*н( Т^ ) и И Тос), получены обработкой литературных данных. Эти зависимости приняты одинаковым для выбранных рабочих тая.

При нормальных Тос= 290.. .300 К и То«. 255 К КПД ЦИКЛОВ И ксждоЯ ступонн близки для выбранных хладоагенов, хотя для r 134о значения ч" « оспв несколько irexo, что илзвоно больиеП степенью

ки »

сжатия 6,4 против ettt* 5,4. Как следствие этого и

коэффициент подачи существенно метле 0,47, чем других

гладоагентоо. В результате для к 134а в цикле с выбранным компрессором должны быть на 20 % меньше удельная холодопроизподательность и суммарный КПД установки и* » 0,28 протап п* = 0,33 для R 12. Максимальные значения ъ* « 0,35, полученные для циклов на r 22 и r 290 и цикла с r 12 близки. Однако для r 22 режимы работы трудно реализовать из-за высоких доплата нагнетания рт, которые должны превышать продольно допусти-№н г.= I.G МПа i для R 22 значения мощности также превькат/г номинальные для ныбршшого компрессора 150 Вт. Расчеты показыва-

ют, что ври То= 255 К в даклах на R 22 и пропане (R 290) максимальные Тос, при которых возможна работа, не превышают ЗЮ К. Для R 12 возможна работе при более высоких тепервтурах, вплоть до Тос= 330 К. Однако в реальных циклах 1ш чистых веществах при увеличении т^ значения резко снижается и при 320 К не будут провшвть 0,05, что недопустимо мало для практического применения.

В целом циклы на новом озонобезопасном хладоне R 134а по КПД в 1,15-1,2 раза меньше, чем для R 12, что совпадает с результатами сопоставления в других работах. Кроме того, для R 134а должны Сьггь существенно больше что приводит к ограничению по Тос« 310 К, как в циклах на пропане и R 22.

Таким образом, при совшенных Тос^ 310 К и при использовании существуицюс герметичных компрессоров невозможна надежная и эффективная работа бытовых холодильников и торгового холодильного оборудования на чистых хладоагентах.

Один из способов решения этой задачи в реальных условиях связан с использованием MPI. Расчеты реальных циклов на ИРГ проводились при тех же условиях, что и для чистых веществ. Предварительные расчеты показали, что качественно закономерное™ изменения п® , ч* и * в зависимости от Ти в реальных циклах будут такими же, как в идеальных. Показано, что добавление к R 22 вьюококипящих компонентов, например R 318, суммарная мольная доля которых составляет 0.3, позволяет снизить давления рп и рм в цикле, что расширяет диапазон работа при поваленных . Холодо-производительность и потребляемая мощность при этом должны быть несколько меньше.

Сопоставление результатов расчетов характеристик реальных циклов на ИРГ показало, что, выбирая нухный состав, можно изменять давленая в цикле, влияя тем сам>м на * и рп. Как следствие, изменятся значения х и п"н для компрессора, а также суммарная халодопроизводительность Qe и КПД. Для циклов не неозеотропных ММ' характерна неизотермичность процессов в конденсаторе и испарителе, что уменьшает КПД циклов как в реальном, так и в идеальном случаях. Однако при этом появляется возможность работать в широком интервале Тее. Так, для смеси на основе с,нв- r ta-!,-» - csHio изменения агрегатных состояний . наблюдаются в интервале температур дт^= ьо К при Рт~ 1.54 МПа и лт((= 57 К при гт- 1,4 Мла. При этом для реального цикла значения

.и* составят около >>* >» 0,12 при Т.с= 290 К. Это почта вдвое меньше, чем для цикла на чистом r 134а. Однако при Т = 320 К rj8 =

1 ОС •

= 0,08, тогда как на чистом R 134а при "этих температурах цикл реализовать не удается, поскольку предельное значение Т^» 310 К.

Но основе расчетов показано, что можно так подобрать низко-и пьюококкгшщие компоненты МРТ. чтобы неизотермичность процессов в конденсаторе и испарителе обеспечивала возможность работы при повьшеных Т^, а уменьшение п* при нормальных Тос= 290 К было относительно небольшим. В частности, эта задача мажет Сыть решена, если формировать МРТ на основе чяил- cji^- c^ii^. Так, при мольных долях компонентов 0,35-0,5-0,15 соответсвенно и давлении />п= 0,2 МПа при Тм= 290 К = 0,25, как и для цикла на чистом R 12 и несколько меньше, чем для пропана, где if = 0,28. Однако по сравнению с пропаном существенно расширен диапазон максимально допустимых Т^, вплоть до 320.. .330 К. При повышенных Т • 320 К степень сжатия в цикле на МРТ меньше, чаи для я 12:

ос

= 7; х ю; вместе с этим, расчетные значения п* больше для ИРГ: л* = 0,03 - для ИРГ и ч* * 0.04 - для r 12. Выявлено также, что работоспособность при повывекных Тоси относительно высоких ttJ в циклах на МРТ можно обеспечить регулированием давления обратного потока. Так, при увеличении рп до 0,3 МПа, что легко достигается изменением проходного сечения дросселя, КПД реального цикла при 320 К увеличивается до 0,12, что почта в 3 раза больше,чем для цикла на R 12. В циклах на чистых хладоагентах этот способ неприемлем, поскольку при увеличении рп одновременно увеличится температура охлаждений Тв.

В^третьой главе проведено экспериментальное изучение характеристик герметичного холодильного компрессора ХХВ - 6 при повьшенных значениях температуры окружающей среды. Необходимость эксперимента обусловлена тем, что в литературе отсутствует данные, позволяодие отразить влияние температуры окружающей среда на характеристики герметичных компрессоров при работе на различных хладоагентах. Литературные данные не позволяют также в полной мере определить корректность переносе данных, нвкопленньа при работе компрессоров на чистых веществах, для оценки реждаов работы пароиомпрессиошых холодильных установок на многокомпонентны» рабочих толах.

В связи с этим, влияние температуры окружащей среды Тос и степени повыиения давления « на коэффициент подачи к » МТвс,*) я

-ТО-

на КПД компрессора г>*н= ч'/Т^,*) при работе на различных хладоагентах, включая смеси, изучалось экспериментально на специально созданном стенде.

Обработка данных дала возможность обобщить результаты в током ввде. чтобы прогнозировать энергетическую эффективность ПКХУ при работе на различных хладоагентах, включая смеси. Принципиальная схема экспериментального стенда показана на рис. I. Он вклшает холодный блох, блок повышения давления, а также системы заправки, вакуумирования, отбора пробы на анализ и сепарации гшрохидкостного потом рабочего тела перед входом в ■холодный блок. Холодный блок (ХБ) служит основной частью экспериментального стенда (на рис. I обведен штриховые контуром). Он включает витой паяный теплообменник РТО, выполненный из медных трубок диаметром 6 ш и толщиной 0,5 ми. В кашей часта этого блока расположен дроссельный вентиль тонкой регулировки с герметичным сильфонньм уплотнением. Шток вентиля выведен наружу через верхнюю крьшку блока. Внизу ХБ коаксиально дроссельному вентилю расположен испаритель Я, выполненный в виде витой трубки диаметром 6 ж и толщиной 0,3 мм из нержавеющей стали. На внешней поверхности испарителя расположен электронагреватель,

имитируппий тепловую нагрузку.

Холодный блок помещен в металлическую обечайку; свободное пространство его заполнено тонковолокнистой стекловатой с диамет-тром волокон 5.. .7 мкм; в полости поддерживался вакуум не хуже р = 10"' Тор. При такой конструкции теплопритоки не превышали 5...10 Вт.

Блок повьшешя давления состоял из теплоизолированного короба, в. котором размещался компрессор ХКВ - 6. Для обеспечения заданной температуры окружающей среды в коробе установлен электронагреватель с вентилятором. Нужная т^ поддерживается автоматически при помощи ртутного контактного термометра путем регулирования напряжения на нагревателе.

Конденсатор КД представлял собой витой ксоухотрубный теплообменник, в межтрубное пространство которого подавалась охлаждяпцая вода; предварительно при помощи электронагревателя она нагревалась до нужной для имитации Т^ температуры.

При работе на смесях необходимо исключить возможное отделение части жидкой фазы от смеси, циркулирухщей в контуре. Для этого в экспериментальном стенде регенеративный

Ъмвйм* еоеомещ*

КМ- компрессор

НД- водяной конденсатор

СП- сепаратор

РТО-регенератнвныП теплообменник

И- испаритель

КБ- криоблок

Ф0- 4ильтр-осушитель

Рис.

I.Принципиальная схема экспериментального стенда для изучения характеристик компрессора и низкотемпературного цикла.

Рис.2 Результата экспериментального изучения влияния степени снятия и температуры окружакэдеР среда Т( на коэффициент подачи компрессорл ХКВ-б-1.

теплообменник и коммуникации, соединянаде его с компрессором, a TsiCKe водяной конденсатор бшм расположены так, чтобы обеспечивалась гомогенная структура парожидкостаого потока. Эффективность принятых мер контролировалась периодическими отборами проб на хрома roi раф из выходного патрубка компрессора, где парообразное состояние смеси обеспечивалось во всех режимах работы. Наибольшую трудность в эксперименте вызвало измерение расхода рабочего тела. Значение о определялось различимыми способами : по ротаметру, е также из энергетических балансов конденсатора и испарителя. Вьбраинью средства измерений, как показали расчеты, обспечшш погрешность измерения расхода рабочего тела - 6,0 и, давления - 0,006 МПа; температуры - 0,5 К; состава смеси по каждому компоненту 0,6 и моль.

Экспериментальные характеристики герметичного холо-

дильного компрессора *КВ 6 при работе на пропане c>ni и на трех-компонентной смеси представлены на рис. 2-4. Обобщенные данные приведены на рис.2, где для сравнения приведены также расчетные данные, полученные пересчета-! литературных данных для характеристик реального цикла на к 12. Заметно большое расхождение расчетных и экспериментальных характеристик. С учетом этот расчет характеристик компрессора по данньм для стандартных циклов возможен лишь как предварительная оценка значения к » >. (* ) на этапе определения энерегетаческоЯ эффективности парономпрессионных холодильных установок.

Обобщенные экспериментальные данные на рис .2 показывают изменение коэффициенте подачи не только в зависимости от степени повыяения давления * и температуры окружаодей среды То__, но и от свойств рабочего тела - плотности при условиях всасывания Зависимость M Т^, р<с ) определена аналитически путем аппроксимации подученных экспериментальных данных с использованием метода наименьших квадратов. В результате получено уравнение, удобное для оптимизации режимов работы холодильных установок: X — Г ( 1,9065 Е-1 р.,- 4.96 К-4 ) Т - 0,04569 р t 0,16135 ]» +

■ 1С ОС fс ■

+ ( 1,266 Е-3 - 7,957 Е-4 Рвс ) Т^ 0,422 Р|с - 0,18. ( I )

Второй важной величиной, характеризующей эффективность компрессора, служит его КПД. При анализе эффективности парокомпрессионных холодильных установок удобно пользоваться значениями КПД. нолучвнньми перемножением внутреннего адиабатного КПД л" И электромеханического КПД »^.Замерив потребляемую мое;-

Рис.З Линеаризация экспериментальных данных по запи-симостиД= (€,Т0С) компрессора ХКВ-6, рвботвщего не пропане.

Рис.4. Линеаризация экспериментальных данных по аа-висимостиЛ = (£,Т0С) компрессора ХКВ-6, работптще-го но трехкомпонрнтноП смеси.

ность «ян и рассчитав по свойствам рабочего тела удельную работу адиабатного повьиения давления 1'и, а также определив по уравнению ( I ) значение х, легко найти значение п* .

км

Результаты расчетно-вкспериментального определения значений г)*м представлены на рис.5 и 6. Аппроксимация зависимости п*и • "к»( * р,с) пронадена по дашь« для пропана и трехкомпонентноЯ смеси. В качестве аппроксимационной функции выбран полином пятой степени."!-* 4 _3'31 Ю.35 ) + ( 1,975 р - 6,003 ) * + (-0,440 р + + 1,366 ) * + ( 0,0496 рк- 0,152 ) + ( -2,695 Е - 3 Р>с+ ♦ 8,273 В-3 ) г" + ( 5,73 Е - 6 рщс- 1,7634 Е - 4 ) (Г)

Испытания герметичного холодильного компрессора ХКВ - 6 показали, что :

I) .коэффициент подачи зависит от степени повьшения давления температуры окружащей среда Т^ и плотности рабочего тала Рве при условии всасывания;

2. коэффициент полезного действия »*и компрессора ХКВ - 6 в явном виде не зависит от температуры окружащей среда Т^, в зависит ять от степени повьшения давления и плотности рабочего тела при условиях всасывания.

Подобранные ашроксимационные обобщенные уравнения к • в х ( т^, р ) и >»■„< *. ряс) могут служить основой при оптимизации парокомпрессионньа холодильных установок, раоотащих как на чистых веществах, так и на многокомпонентных рабочих телах с мальки герметичными холодильными компрессорами'.

Разработанные стенд и методики обработки позволяют определить характеристики герметичных компрессоров других типов на различных рабочих телах.

_В.30ТО§ЕТ5й_главе проведены испытания бытового морозильного шк&фа при работе его на чистых хладоагентах и на многокомпонентном рабочем теле. Рассчитаные характеристики морозильника при работе на фреонах я 12, и 22, к 134". пропане и ИРГ показывают (рис. 7 ), что при значениях Тссъ 310 К ИРГ будет энергетически более эффективно, чем любой чистый хладоагонт.

Для пкешримеотов вьюран бытовой морозильлыя шкеф IX- С 20 марки "Гиочел" (рис. 8). Такой выбор связан с тем, что прездо всего пошше>шые температуры окружащей среда, кок быао показано во второй главе, ухудшают характеристики ПКХУ на чисик хлодоатагпи при относительно низких Т , характерных для бьгговыг; иоропилыш

<0 1 <

I 10 !« II lí " s

не. 5. Экспериментальнне значения КЩ компрессора . ХКВ-б,работающего на пропане.

к » a t

ис.б. Экспериментальные значения КВД компрессора ХКВ-б,работгющего на трехкомпонентной смеси.

Рис.?. Обобщенные характеристики Тос) на МРТ и

чистых хладоагентах. Т0=22ЕК.

tw KfrWWVH

Рис.8. Принципиальная схема экспериментально« морозильной камеры "Гиочел" ЫС-120.

камер. Формирование ИПГ проведено с использованием выбранных методов расчета с привлечением полученных на основе экспериментов данных по характеристикам компрессора. При этом в качестве основного компонента выбран пропан, который во многих исследваниях рассматривается кок альтернативный хладоагент при замене к 12. В состав МРТ вклтены озонобезопасные хладоагенты, которые обеспечили псааровзрывобезопасность при возможных утечках.

Конструкции подавляющего большинства бытовых холодильников и морозильников имеют особенности по сравнению с классическими циклами ПКХУ, Эти осс*5атюсти связаны в основном с тем, что распределенный дюссояъ, выполненный в виде капиллярной трубки. совмещен с регенератавньм теплообменником. Токов ротошо изменяет характер процесса дросселирования. Кроме этого, в морозильнике "Гиочол" испаритель выполнен в виде трех последовательно соединенных секций, размещенных на разных уровнях по высоте камеры. Каждая секция охлаждается трубкой, по которой циркулирует хладо-агент, что приводит к заметному изменяю давления рабочего тела в испарителе вследствие гидравлического сопротивления. Провести расчет энергетических характеристик камеры с учетом этих конструктивных особенностей представляется весьма слохньм. С учетом этого эффективность выбритого ИРГ оценивалась но основе сравнительных экспериментов, которые проводились в еледущей последовательности.

1. Измерение интегральных характеристик морозильника, работающего на Фреоне к 12, заправленном в заводских условиях.

2. Определение характеристик морозильника сгри работа его на допустимом альтернативном хлпдоагенто к 22 в условиях пормпльных и повьшеншх значоний температуры отсружащей срода; для этого использовалось постоянство температуры кипошя чистого хладоагентэ при определении гшгршшпеского сопротиплсшл исоари-толя.

3. Испытания морозильника при поливенных значениях Тва но смеси, подобранной но основе рэсчетоо-яксперкменталыш исследований.

В качестве имитаторов тепловой нагрузки в клмору быяи загружены пластмассовые сосуды с дистиллированной водой ( 3 иг п каждой го корзин морозильника ).В этих сосудах были размещены платиновые термометры сопротивления типа ИС-533 и мода-констзнтпно-выо термопары, подключенные к многоточечному потсншомотру - пя-

мописцу КСП, что позволяло фиксировать охлаждение вода о температуры Tat до тройной точки Тв=Ттт=273,15 К; фазовый перехо, - замораживание вода и третий участок - охлаждение льда.При эта Фиксировалось энергопотребление компрессора посредством бьгговогч однофазного электросчетчика (ГОСТ 6570-75) класса точности 2,5 Испытания проводились в течение 18,..27 часов. При этом всегд включали морозильник после отгрева из состояния равновесия < температурой окружающей среды.

В результате испытаний морозильника на фреоне R Ii определены для стационарного режима значения среднего за суткз энергопотребления э = 2,54 кВт.ч^сут. при Тос= 293 К (21 °С). П; спраэочньм даиньм для морозильника "Гиочел" среднесуточно; энергопотребление при Тос= 298 К составляет а = 1,45 кВт.ч/хут

и при Тос= 305 К (32 °С) э = 2,45 хВт-ч^сут. Такое значительное расхождение в величинах энергопотребления связано с тем, чтс эксперименты проводились с отключенной автоматикой при непрерывной работе компрессора в течение всего режима. Это приводило г более низким, чем расчетные, значениям температур в испарителе, однако позволило оперативно провести сопоставление режимов е одинаковых условиях.

Результаты испытаний морозильника, работающего на фреоне R 22 при температурах Тос= 294 К и Твс= 309 К показали, что s составляло соответственно при К (+21'С) э = 2.8

квт.час/сутки, при тое= 309 К (+36"С ) - а = 3.12 квт>час/сутки По результатам испытания морозильника на фреоне R '¿Z можно сделать вывод о том, что для бытовых морозильников по энергетическим характеристикам хладоагент R 22 близок к хладоагенту r 12. однако давление прямого потока для фреона R 22 (р^ = 1.44 МПа ) существенно вше r 12 < pm« О.SP МПа ); также это следует из расчетов, приведенных в глвве 2.

В результата оптимизации был подобран трехкомпонентньЛ состав смеси не основе пропана. В экспериментах давление-прямого потока составило ет « 1,5 МПа. давление обратного потока 0.13 МПа. Сравнивая результаты испытания морозильника на фреонах R 12. Я 22 и тре1компонентчой смеси, можно отметить, что время охлаждения и замораживания воды было примерно одинаково и составляло т0„+ '„н* 640 минут. Удельное энергопотребление э при работе на смеси.существенно ниже и составило i » 2 .51квт-ч/

/сутки для стационарного режима при Тм= 309 К ( +Зб"С ). Это примерно столько же, как при работе на r 12 при нормальных температурах тос= 294 К.

Вместе с тем, при работе на смеси наблюдалось заметное улучшение режима работы компрессора - снижение температуры рабочего тела в линии нагнетания на ^ 14 К (с 370 К при работе не и 22 до 356 К - на смеси). Кроме того, при работе на смеси все три корзины со льдом были холоднее ( примерно на 5 К ) в коше испытания, по сравнению с режимами для фреона R 22.

Таким обрезом, испытяшш бытовой морозильной ксморы показали, что многокомпонентные рабочие тела, подобранные на основе озоно-безопасных компонентов, могут эффективно заменить нак озопсряпру-шащий фреон R 12, так и допустимый к применению Фреон R 22. Резервы снижения энергопотребления еще но исчерпаны и связаны с оптимизацией режимов работы, для чего необходимо изменить систему регулироэа1Шя. Преимущества многокомпонентных рабочих тел проявляются наиболее полно при работе морозильной камеры в условиях повышенных температур окружащей среды.

виводы

I. Основные факторы» влияпдае ' на энергетические характеристики парохидкостных циклов с одноступетатым сжатием при повшенных температурах окружащей среда, целесообразно определять на основе зксергетического анализе, представив схему установки в виде трех - последовательно соодаиендах ступеней ; сжатия, охлаждения и использования охлаждающего эффекта.

2- При повмаенных температурах окрухяпаой среды tra.sue эю к> КПЛ пярогидкостных циклоп на чистых веществах существенно снижается, особенно при использовании нового озонооозопасного хладоагента Ri3-»a. Замена его на альтернативные, энергетически более эффектип-ные R гг и п 290 (пропан) невозможна из-за ограничений, связанных с прочностньми характеристиками современных герметичных компрессоров.

3 . Эффективные режимы работы установок в расширенном диятмзо-не изменения температуры окружающей среды можно обеспечить применением многокг>мпоне!т!ш рабочих тел при температурах охлаждения 2зз.. 273 К достаточно использовать два - три компонента.

4 . Характеристики гермететигых компрессоров, на основе которых

- -

выполняются малые холодильные установки, можно представить в оооо-щешюм виде, с учетом зависимости коэффициента подачи и адиабатного ШЩ компрессора от плотности рабочего тела на входе в компрессор.

5 . На основе смесей можно разработать озонооезопасный хладоагент. обеспечивающий оез изменения конструкции энергетически эффективную работу при повышенных температурах окружающей среды, что доказано испытаниями серийно выпускаемой модели холодильника марки "Гиочел".

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Савельев Ё.Г.. Боярский И.Ю., Хасан А.И. Влияние температур»)! окружающей среды на энергетические характеристики парокомпресси-онных холодильных установок с одноступенчатые сжатием у ьсесоз-ная научно- техническая коЩеренция Холод - народному хозяйству: Тезисы докладов^ Л.:ЛГИХП, 1991.- С. 123-124.

2. Боярский M.D., Лунин А.И., Хасан А. Влияние температуры ок-ружвпцей среды на работу одноконтурных парономпрессионных холодильных установок ✓ Проблем криогенной техники^/ Сборник научных трудов НПО "Криогенмаш".- Балашиха Московской обл., Ротапринт НПО "Криогвнмиаш", 1992.- С. 36-44.

......и. „..,, ,„.„,,» :i

'.«".' Ш 1',»* КС w.

............ ЧЧ1 М-.........пи.'.и,,.,'!!