автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка методов расчета и прогнозирования конструкции бытового холодильника компрессионного типа с аккумулятором холода

На правах рукописи

БЕСКОРОВАИНЫИ АЛЕКСЕИ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА КОМПРЕССИОННОГО ТИПА САККУМУЛЯТОРОМ ХОЛОДА

Специальность 05.02.13 "Машины и агрегаты" (коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена в Московском государственном университете сервиса (МГУС)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидаттехнических наук, профессор

Ведущая организация: 0 0 0 "Степ-

Романович Жорж Александрович

Прокопенко Анатолий Константинович

Лёвкин Валерий Вадимович

:" (г. Москва)

Защита состоится "24" декабря 2004 г. В асов

в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.150.05 при

Московском государственном университете сервиса по адресу:

141220, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, д. 99.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета сервиса.

Автореферат разослан '7г-п* ноября 2004 г.

У чекьй секретарь диссертационного совета, кандидаттехнических наук.

Пашковский Игорь Эдуардович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди многочисленных бытовых приборов, облегчающих труд и повышающих культуру домашнего хозяйства, важное место занимают холодильники. Полноценное, сбалансированное питание населения высококачественными продуктами может быть обеспечено сегодня только при наличии в доме холодильника.

Все возрастающее в последние годы потребление холода привело к необходимости создания большого количества бытовых холодильников. В настоящее время ведущие производители бытовых холодильников (БХ) стремятся к усовершенствованию своей продукции (с учетом пожеланий потребителей) с целью удержания своей доли этого сегмента рынка бытовой техники - на фоне возрастающей на этом рынке конкуренции. Очевидно, что индивидуальному пользователю нужен холодильник с малым энергопотреблением. Вследствие этого возникает проблемная ситуация, суть которой заключается в необходимости повышения эффективности БХ, что в общем случае может быть осуществлено двумя путями: либо за счет модернизации и совершенствования известных технических решений, либо за счет разработки принципиально новых. Наиболее эффективные, с точки зрения удельного энергопотребления, БХ должны базироваться на наилучшем процессе и реализо-вывать передовую технологию. Поэтому в данной диссертационной работе реализован именно второй путь повышения эффективности БХ.

Анализ конструкций современных отечественных и зарубежных БХ и результаты предварительных экспериментов показали возможность значительной экономии электроэнергии при использовании в конструкции БХ компрессионного типа аккумулятора холода. Такие БХ обладают низким коэффициентом рабочего времени (КРВ).

Итак, объективные потребности населения, а также отсутствие у промышленности возможностей для их удовлетворения, явились причиной возникновения научной проблемы - необходимости разработки эффективного БХ, реализующего процессы, основанные на новых, выходящих за рамки достигнутых, знаниях. Учитывая суть проблемной ситуации, тема диссертационной работы является актуальной и своевременной, и обладает элементами экономической и социальной значимости.

Объектом исследования данной НИР является БХ компрессионного типа с аккумулятором холода.

Предметом исследования являются методы расчета и прогнозирования конструкции бытового компрессионного холодильника с аккумулятором холода, базирующейся на принципиально новом техническом решении.

Целью работы является разработка научно обоснованной конструкции БХ с аккумулятором холода, обеспечивающей снижение энергопотребления в процессе его эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:

• анализ современного состояния теории и практики в области технического

совершенствования БХ, с точки зрения снижения их энергопотребления, и ус-

тановление возможности и перспективности использования в БХ аккумулятора холода;

• выявление основных узлов БХ и факторов процесса получения холода, влияющих на снижение энергопотребления:

• проведение теоретического исследования конструкции БХ с аккумулятором холода, включающего:

• термодинамический анализ холодильного цикла БХ;

• разработку методики оценки влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника;

• разработку методики расчета дополнительного охлаждения конденсатора испарением путем анализа теплообмена испарением через пористое покрытие;

• разработка методики оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы холодильника;

• разработка методики прогнозирования технических характеристик электродвигателей при изменении режима их работы - путём исследования пускового режима компрессора, и методики определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода;

• разработка методики расчета усиленной теплоизоляции шкафа БХ для обеспечения снижения потерь холода, методики расчета потока тепловой энергии при наличии экрана, расчет числа экранов;

• разработка методики экспериментального исследования основных потребительских характеристик холодильника - холодопроизводителыюсти и энергопотребления, включая создание:

• необходимого оборудования и оснастки для проведения исследования, в том числе: экспериментального стенда - опытного образца БХ с аккумулятором холода, калориметрического стенда и проч.:

• непосредственно методики определения холодопроизводительности и энергопотребления;

• разработка теоретико-экспериментальной методики расчета БХ компрессионного типа с аккумулятором холода (с получением математических моделей хо-лодопроизводительности и энергопотребления, позволяющих прогнозировать их основные потребительские показатели), включающей:

• выбор и обоснование методики экспериментального исследования;

• экспериментальное исследование БХ с аккумулятором холода с использованием методики рационального планирования эксперимента, включая:

- анализ и исследование факторов процесса получения холода;

- определение с использованием методики рототабельного планирования второго порядка оптимальных режимов процесса получения холода в новой конструкции БХ;

• разработка рекомендаций для внедрения и практического использования результатов исследования, включая разработку исходных требований на новую конструкцию БХ и ее экономическое обоснование.

В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, физико-математического моделирования. Также применены методы статистического анализа, программирования и логической алгоритмизации, методика рационального планирования эксперимента. Достоверность результатов исследования обеспечивается:

использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов по вопросам исследования процессов в цикле БХ; использованием современных методов исследования, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов, применением ПК и пакета специальных и прикладных программ в программной среде Windows для обработки полученных результатов:

апробацией теоретических выводов и методических рекомендаций на научных конференциях различного уровня, в том числе - международного, а также в опубликованных работах.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

выполнено теоретическое исследование процесса получения бытового холода в БХ новой конструкции - с аккумулятором холода;

показана возможность расчета основных параметров процесса охлаждения и конструкций узлов агрегата;

разработана методика расчета усиленной теплоизоляции холодильного шкафа; выполнен анализ холодильного коэффициента и КРВ БХ с аккумулятором холода и охлаждением конденсатора испарением;

разработана методика расчета охлаждения конденсатора и предложена конструкция конденсатора;

разработана методика определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода - на основе исследования пускового режима компрессора; экспериментально установлены и практически подтверждены математические модели определения холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющие прогнозировать технические характеристики БХ с аккумулятором холода и, тем самым, получать научно-обоснованные исходные требования для его проектирования.

Конструкторская и практическая ценность работы заключается в том,

что:

• разработано научное обоснование для получения исходных требований на новую конструкцию БХ с аккумулятором холода, защищенную патентом Российской Федерации, которое позволит сократить сроки проектирования при создании новой холодильной техники.

• в работе показан путь создания бытовых холодильников со сниженным энергопотреблением;

• результаты диссертации могут быть использованы в научно-исследовательских организациях отрасли как в России, так и за рубежом для совершенствования БХ путем снижения его энергопотребления.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: межвузовской конференции ЮРГУЭС (Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса), г. Шахты, 1999 г., трех международных конференциях (III Международной научно-технической конференции ЮРГТУ (ЮжноРоссийский государственный технический университет), г. Новочеркасск, 2000; V и VI Международных научно-технических конференциях "Наука - сервису", МГУС,

2000, 2001) и конференциях ЮРГУЭС, МГУС, МУПК (2000-2001 гг.), расширенном заседании кафедры "Бытовая техника'" МГУС (2004 г.).

Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: патенте Российской Федерации № 2162576. четырех статьях, тезисах семи докладов на конференциях различного уровня.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, сддтжащего 75 наименований, и 13 приложений. Объем диссертации составляет/'1^У страниц текста, включает 27 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы ее цель и задачи, выбраны объект и предмет исследования, определены направления и методы исследования. Рассмотрены научная новизна, практическая и конструкторская значимость, обоснована достоверность исследований.

В первой главе выполнен анализ современного состояния науки и техники в области технического совершенствования бытовых холодильных приборов.

Краткий анализ современных направлений технического совершенствования БХ показал, что общемировой тенденцией является снижение их энергопотребления при обеспечении требуемой холодопроизводителыюсти. На решение этой задачи направлены усилия ученых и конструкторов бытовой холодильной техники (БХТ) всех стран - производителей.

За основной показатель энергетической эффективности работы холодильника обычно принимают суточное потребление электроэнергии, определяемое из выражения: £ = 0,024 •№'(2Г/0Л-), (!)

где Ж - мощность, потребляемая компрессором; От • внешний теплоприток в шкаф холодильника; Ох - холодопроизводительность агрегата.

где £3 - эффективный холодильный коэффициент, уравнение (1) можно записать в виде £ = 0,024(£>г / гэ) (3)

Как видно из (1) - (3), основными параметрами, определяющими энергетическую эффективность работы холодильника, являются величина теплопритока в шкаф и значение холодильного коэффициента, зависящее от степени совершенства компрессора и реального цикла холодильного агрегата. Поэтому в работе основное внимание уделено снижению величины теплопритока и улучшению характеристик реального цикла холодильного агрегата, то есть повышению величины

Анализ литературных источников показал, что снижение потребления электроэнергии возможно в результате различных технических решений. На рисунке 1 в виде гистограммы приведены значения процентов экономии электроэнергии, достигаемые в случае реализации различных технических мероприятий.

Как следует из гистограммы, наибольший эффект с точки зрения экономии электроэнергии позволяют получить технические решения по модернизации БХ, связанные с улучшением теплоизоляции (столбец 1 и 2), с разработкой устройств,

препятствующих образованию инея (столбец 4), и устройств, обеспечивающих переход температуры кипения хладона с -27°С на -20°С (столбец 8). Достаточно значительную экономию электроэнергии (около 5 %) дают технические решения, связанные с использованием аккумуляторов холода (столбец 10) и модернизацией компрессора (столбец 5). Большое влияние на энергопотребление оказывает также температура окружающего воздуха (столбец 11).

123456789 10 11

/ - замена стекловолокнистой изоляции вспененным полиуретаном позволяет получить до 20% экономии ЭлекгтШЬнергии; 2 - повышение толщины теплоизоляции до 75 мм снижает потребление электроэнергии на 12%; 3 • наличие устройства для снижения отпотевания экономит до 5% электроэнергии; 4 - наличие устройства, препятствующего образованию инея, - до 12%; 5 - повышение КПД компрессора с 50 до 60% снижает потребление электроэнергии на 13%; б - увеличение поверхности испарителя дает экономию электроэнергии на 3%; 7 - увеличение поверхности теплоотдачи конденсатора на 20% снижает электропотребление на 3%; 8 - относительное снижение суточного потребления электроэнергии при переходе с температуры кипения -27°С на -20°С составит 20%; 9 - снижение расхода электроэнергии (до 4%) достигается правильной эксплуатацией БХ; 10 - БХ фирмы "Осби" (Швеция) со съемным аккумулятором холода потребляют на 5% меньше электроэнергии, чем старые модели, не снабженные аккумулятором; // - понижение температуры окружающего воздуха до 15°С снижает расход электроэнергии на 14%. в то время как повышение ее до 30°С увеличивает энергопотребление холодильниками на 45%.

Рисунок 1 - Гистограмма технических решений, позволяющих снизить потребление электроэнергии

На основе анализа многообразия отечественных и известных зарубежных конструкторских решений БХТ установлена необходимость поиска наиболее эффективного схемного решения конструкции агрегата, способствующего минимальному изменению конструкции холодильника в целом, при достижении максимальной холодопроизводительности и минимальном потреблении энергии. Этому условию отвечают БХ с аккумулятором холода, с улучшенной теплоизоляцией шкафа и теплоотдачей конденсатора (соответственно 5, 12 и 3 % экономии электроэнергии). Установлено, что данный комплекс вопросов во взаимосвязи до сих пор никем не исследован.

Поскольку в данной работе предполагается снизить потребление электроэнергии холодильником за счет применения постоянно действующего аккумулятора холода (с размещением внутри него испарителя), то такое мероприятие повлечет за собой изменение режима работы электродвигателя компрессора, увеличит нагрузку на конденсатор и испаритель, значительно увеличит объем холода в шкафу. Следовательно, необходима разработка мероприятий по интенсификации теплообмена в конденсаторе и испарителе, улучшению теплоизоляции шкафа, правильное конструирование и подбор аккумулятора, который, вероятно, оказывает определяющее влияние на новые характеристики холодильника. Для обеспечения возможности правильного выбора методов расчета и прогнозирования новых характеристик БХ в главе 1 рассматривается современное состояние теории по этим вопросам.

Анализ современного состояния теоретических разработок по физическим основам аккумулирования показал, что частным случаем аккумулирования тепловой энергии является аккумулирование холода, в теоретическом аспекте разработанное значительно хуже, чем аккумулирование тепла. Исходя из современных представлений, под процессом аккумулирования холода (в нашем случае, для БХТ) понимается накопление тепловой энергии в аккумуляторе при температуре рабочего вещества ниже температуры окружающей среды.

С общих позиций, холод может аккумулироваться вследствие понижения температуры аккумулирующего вещества, его фазового перехода или в результате химических превращений, то есть

ГТФ 7,

■т„

¡С^Т + \НФ+ |С2с?Г , (4)

V Тф у

где - количество аккумулирующего холода; - масса аккумулирующего вещества; Г| и Тг - температура аккумулирующего вещества до и после процесса аккумулирования; Тф - температура фазового перехода; С\ и Сг - удельные теплоемкости аккумулирующего вещества соответственно до и после фазового перехода; энтальпия фазового перехода или химического превращения.

Главный критерий эффективности известных способов аккумулирования холода - плотность энергии, накопленной рабочим веществом: dQaк /(IV , (здесь Уа.ш - объем аккумулирующего вещества). У веществ, не претерпевших физико-химических изменений при аккумулировании энергии, она, в основном, зависит от удельной теплоемкости. Плотность энергии, накопленной рабочим веществом, при емкостном способе определяют как

• = ГП„

¿V-

(5)

а.в ав

Известные данные однозначно показывают, что в настоящее время наибольшее внимание. как в области теоретиеских и экспериментальных исследований. так и при практической реализации, уделяется емкостному и латентному способам аккумулирования энергии. Однако, учитывая то, что мы имеем дело с БХ, в котором надо обеспечить требования санитарной гигиены, и то, что такое конструктивное решение БХ разрабатывается впервые, в данной работе рекомендуется к использованию емкостной способ аккумулирования холода как наиболее простой и

легко реализуемый на практике.

Улучшение теплоизоляции холодильного шкафа, очевидно, приводит к снижению энергопотребления БХ любой конструкции. На практике зарубежные фирмы идут по пути увеличения толщины стенки холодильного шкафа до 85 мм. Однако если количество тепла, отводимое от шкафа, резко возрастет (из-за наличия аккумулятора), то данный технический прием окажется не только дорогостоящим, но и малоэффективным. В главе показано, что с теоретической точки зрения имеются реальные предпосылки значительного снижения теплопритоков, путем использования свойств явления лучистого теплообмена.

Показано, что лучистый теплообмен - это сложный процесс многократных затухающих поглощений I; отражений. Часть энергии, будучи излучена, вновь возвращается на первоисточник, тормозя этим процесс теплообмена. Показано, например, что установка только одного экрана со степенью черноты 6Э = ОД мезвду поверхностями со степенью черноты е — 0,8 снижает лучистый теплообмен примерно в 14 раз. Именно поэтому данный вопрос рассмотрен в работе, как в теоретическом, так и в практическом аспектах.

Поставленная в работе цель привела к необходимости поиска новых путей интенсификации процесса отвода тепла при конденсации хладагента. В работе рассмотрены пути увеличения теплоотдачи конденсатора на основе процесса охлаждения испарением. Показано, что испарение с пористых поверхностей обладает высокой эффективностью, в связи с чем и находит все большее применение. На практике охлаждение пористых структур достигается нагнетанием жидкости или газа через капилляры твердого материала. В случае теплообмена с наличием пористого охлаждения твердое тело снижает температуру, так как оно по существу пропитано охлаждающей жидкостью. Следовательно, во влажном контакте с твердым материалом находится большая часть охлаждающей жидкости, чем в случае простого поверхностного охлаждения, где твердое тело соприкасается с охлаждающей жидкостью только лицевыми или свободными поверхностями.

Анализ современного состояния теории и практики в области технического совершенствования бытовых холодильных приборов позволил определить задачи и наметить пути дальнейших исследований и. тем самым, перейти ко второму этапу исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию влияния изменений конструкции холодильника на его основные характеристики и выявлению особенностей расчета БХ с аккумулятором холода.

Основной показатель эффективности холодильного цикла БХ - холодильный коэффициент, выраженный через температуры источников, определяется как: £с= TJfTor Тгц). Как видно. ес зависит от уровня температур холодного источника 7"П| и окружающей среды Чем ниже температура окружающей среды и ближе между собой температурные границы цикла, тем меньше работа, необходимая для его осуществления. Отсюда очевидным становится путь совершенствования БХ. При разработке новой конструкции необходимо стремиться к увеличению количества отводимой теплоты и сужению температурных границ цикла. Эту функцию в БХ выполняет конденсатор. Следовательно, если увеличить эффективность работы конденсатора таким образом, чтобы, например, его наружная поверхность имела температуру, близкую к температуре окружающей среды, то при прочих равных условиях, возрастет количество отводимой им теплоты. При постоянстве холодо-производительности это приведет к меньшим затратам работы в цикле, а следова-

тельно, и к меньшему потреблению электроэнергии.

Использование в БХ аккумуляторов в виде аккумуляционных испарителей влечет за собой изменение режима работы электродвигателя компрессора, при этом меняется нагрузка на конденсатор и испаритель и значительно увеличивается количество холода в шкафу. Вследствие этого, возникает необходимость разработки мероприятий по улучшению теплоизоляции шкафа, интенсификации теплообмена в конденсаторе и испарителе и выбору аккумулятора, оказывающего определяющее влияние на основные характеристики БХ. В данном разделе работы эти вопросы рассмотрены последовательно.

Анализ термодинамических основ охлаждения позволил оценить эффективность БХ с аккумулятором холода. В работе показано, что холодильный коэффициент в БХ предлагаемой конструкции, по сравнению с традиционной, значитель-

Используя безразмерные величины К — ' ^ у ^ " ^ ~ ' ^'Р3311™

холодильный коэффициент с дросселированием после предварительного охлаждения

Из сравнения холодильного коэффициента £| =

лаждения конденсатора с коэффициентом видно, что при охлаждении жидкости перед капиллярной трубкой холодильный коэффициент увеличивается.

Далее в работе показано, что охлаждение внутренней полости холодильного шкафа в БХ с аккумулятором холода должно происходить посредством теплопередачи между наружной поверхностью короба аккумуляционного испарителя и воздуха внутри БХ. Охлаждение рассола внутри короба происходит путем теплопередачи от рассола к наружной поверхности самого испарителя. Величины коэффициентов теплопередачи в системах "металл - воздух" (Д^в) и "металл-рассол"

значительно отличаются друг от друга, причем Обозначив величину повышения коэффициентов теплопередачи Ак = Дкр — Дкв , оцениваем ее влияние на эффективность работы аккумуляционного испарителя. Очевидно, что для сохранения тепловой нагрузки в испарителе повышение коэффициента теплопередачи должно сопровождаться понижением разности температур - температлра кипения агента в испа-

рителе). Величину Ata находим из уравнения

Q^k-F{te-í0) = [k-Ak)-F[{te

Отсюда

-'oJ+A'oj-

(7)

По выражению (8) оцениваем величину снижения Тос — Тт .. Холодильный коэффициент в данном случае определится как £с = Тхи1(Тос — Тхи — Л(д) , Он показывает, что повышение Д(а приводит к повышению коэффициента холодопроизводи-тельности.

Для интенсификации теплообмена в конденсаторе и получения дополнительного А/о использовали потенциальные возможности процесса испарения. Величину падения Д/о определяли из анализа теплообмена испарением через пористое покрытие (величина пористости Р). Установили, что определить эффективность процесса охлаждения конденсатора с испарением воды с его пористого покрытия можно по выражению

Д*0 =

_4 Х»Ьти

[сжРжР + сшРт{\ - Р-4)'

(9)

Для определения влияния изменения режима работы электродвигателя компрессора на величину потребленной им электроэнергии разработана методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей. При этом, допустимую нагрузку электродвигателя по мощности тока определяли исходя из нагрева наиболее ответственного конструктивного его элемента - изоляции обмоток.

Дифференциальное уравнение нагревания идеального твердого тела имеет вид

вya„dt = TlldO^QdQ,

(10)

где вусш- установившееся превышение температуры: Ти • постоянная времени нагревания; 2 - количество теплоты, выделяемое телом в единицу времени; <2<И -количество теплоты, выделяемое за бесконечно малый промежуток времени во внешнюю среду.

Анализ выражения (10) позволил выявить характер изменения превышения температуры тела во времени. Тело, в общем случае, имеет некоторое превышение температуры и окончательно функция имеет вид

При зависимость что соответствует процес-

су охлаждения тела.

Графики двух последних уравнений являются экспонентами (рисунок 2). Касательные, проведенные к кривым при 1=0, отсекают от горизонтальных линий буст

(рисунок 2 а) и оси времени t (рисунок 2 б) отрезки времени, в масштабе равные постоянным времени нагрева Тн. Из рисунка видно, что установившегося превышения температуры тело достигает практически через интервал времени

t=4тн.

Анализ нагревания электродвигателей при различных режимах их работы показал, что изменение режима работы существенно влияет на превышение температуры. Так, при заданной мощности тока, электродвигатель с повторно-кратковременным режимом работы может быть переведен на длительный режим только с уменьшением мощности тока, т. е. нагрузки на его валу.

Показано, что вследствие применения аккумулятора холода изменяется технологический цикл работы БХ. Так, время работы в установившемся режиме составляет 13 часа, а отдыха (выстоя) - 67 часов.

В измененном режиме работы БХ следует ожидать также уменьшения энергопотребления за счет исключения частых включений, которыми характеризуется повторно-кратковременный режим работы БХ.

Расчеты такого цикла работы показали, что конструкция холодильного агрегата БХ с постоянно действующим аккумулятором холода позволит получить значительную экономию электроэнергии - 5-10%. Поэтому такое направление совершенствования бытовой холодильной техники может считаться основным для получения более экономичных БХ.

Включение БХ в работу сопровождается переходным процессом, при котором электроэнергия затрачивается на раскручивание вращающихся масс деталей электродвигателя и компрессора, преодоление начального трения в трибосопряженных парах и др. В повторно-кратковременном режиме работы БХ число таких включений Пап за сутки достаточно велико:

На рисунке 3 приведен график типового переходного процесса при включении холодильного агрегата в работу - зависимость мощности тока электродвигателя от времени. Здесь - время выхода электродвигателя на постоянные обороты; 1Ш- - затраты времени на нагнетание паров конденсата до дросселирования: - время работы в цикле (Г). Расход электроэнергии по такой диаграмме за один цикл рассчитывается как

N

7 \ / \

■1= ДаГ2+г>( + ф+ |(а1/2 + 6,/ + с1]^/+ \ЫтиЛ + + (13)

где а, Ь, с, а\. Ь\, с\ Ки Ы - коэффициенты, определяемые экспериментально.

За л»,'циклов расход электроэнергии будет в « раз больше.

Расчетами показано, что затраты электрической энергии на нагнетание паров конденсата до дросселирования и начала эффективной работы БХ с аккумулятором холода приблизительно на 20 % меньше, чем в БХ без него.

Таким образом, на основе анализа работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения предложена методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей

при изменении режима их работы, использование которой показало, что ожидаемая экономия электроэнергии с учетом значительного сокращения количества включений и отключений электродвигателя в сутки составит около 5 %.

Далее в данном разделе выполнен расчет аккумуляторов холода, заключающийся в определении: количества холода, накопляемого в аккумуляторе; площади теплопередающей поверхности или объема аккумулятора, необходимых для осуществления процессов зарядки и разрядки; количества аккумулирующего вещества, его удельной аккумулирующей способности; холодопроизводительности БХ.

Разработана методика усиления теплоизоляции холодильного шкафа, снижающая потери тепла в окружающую среду излучением. На основе расчета потока тепловой энергии при наличии экрана показано, что в этом случае поток энергии описывается выражением

Рисунок 3 - Нагрузочная диаграмма при включении электродвигателя компрессора

= 0,5г„сг0 [(Г, /100)- 4 - (Г2 /100) • 4],

(14)

а коэффициент - приведенная степень черноты системы тел. между которыми происходит процесс лучистого теплообмена, определяется как

п-1

1 1

1=1

-1

(15)

Таким образом, О, — (¡\г!2. Последнее означает, что при наличии одного экрана количество передаваемого тепла уменьшается в 2 раза, при наличии двух экранов -в 3 раза, п экранов - в (/7+1) раз. Если же между двумя плоскостями поверхностей, которые имеют, например, степень черноты е = 0,8, установлен один экран со степенью черноты снижение лучистого теплообмена происходит примерно в

14 раз.

Как показал анализ простейшего случая теплообмена между двумя параллельными поверхностями, применение экранов для наших целей необходимо и имеет научное обоснование, в частности, установка экранов в теплоизоляции БХ позволит значительно снизить лучистый теплообмен. Для наших условий, расчетом показано, что число экранов п =1.6.

Для экспериментальной проверки выполненных теоретических расчетов в третьей главе рассмотрен объект и методика экспериментального исследования основных потребительских характеристик холодильника - холодопроизводитель-ности и энергопотребление

Дано подробное описание конструкции и работы экспериментального образца БХ. который являлся базой для создания испытательного стенда.

Конструктивные особенности экспериментального образца БХ с аккумулятором холода, как части испытательного стенда показаны на рисунке 4.

Он состоит из компрессора с электродвигателем 1 и системы его автоматического управления (САУ) (САУ на рисунке не показана), нагнетательного 3 и всасывающего 4 трубопроводов, фильтра осушителя, капиллярной трубки (на рисунке они не показаны), испарителя 5 и конденсатора 6. Причем конденсатор 6 представляет собой вертикально установленный на металлическом листе 7 плоский змеевик из трубы 8, наружная поверхность которого покрыта теплопроводным адсорбентом 9 (фиг. 1 рис. 4). Пространство вокруг испарителя 5 и кожуха 13 заполнено незамерзающей холодонакопительной жидкостью 14

Для увеличения интенсивности теплообмена поверхность конденсатора 6 покрыта теплопроводным адсорбентом 9, который предназначен для впитывания воды, подаваемой ему раздаточным лотком 10. и охлаждения перегретых паров хладагента внутри конденсатора 6. При этом охлаждение - теплообмен нагретого парами агента конденсатора и окружающей среды, происходит путем естественной конвекции воздуха, лучеиспусканием от его нагретых поверхностей и испарением воды.

Методика экспериментальных исследований в работе отличается от общепринятой, поскольку рассматривались изменения только холодильного агрегата и шкафа, не затрагивая конструкции компрессора. Испытания герметичного агрегата с аккумулятором холода проводили на специальном стенде, разработанном и изготовленном с участием автора.

Стенд размещался в климатической камере конструкции ЮРГУЭС (ЮжноРоссийского государственного университета экономики и сервиса), требуемый температурный режим в которой поддерживали и контролировав с помощью электрических нагревателей, двух вентиляторов, кондиционера и контактных термометров, с использованием усилительных устройств типа УКТ-4, обеспечивающих точность поддержания заданной температуры в пределах ±0.1 °С. Скорость воздуха вокруг стенда в камере не превышала 0,25 м/с.

Стенд для испытания холодильного агрегата смонтирован на базе холодильника Орского завода ("Орск -7"), снабженного герметичным холодильным агрегатом с хладоновым компрессором, воздушным конденсатором, фильтром-осушителем по ОСТ 27-50-395-83. медной капиллярной трубкой по ГОСТ 20)24-77 и алюминиевым испарителем прокатно-сварного типа. В базовой конструкции модернизированы два основных узла - испаритель и конденсатор.

Рисунок 4 - Схема экспериментального образца холодильного агрегата с аккумулятором холода (стенда)

. Испаритель вмонтировали в герметичный короб аккумулятора, внутри которого (между наружной поверхностью испарителя и внутренней поверхностью короба) размещали 30 %-й раствор №0. Места подсоединения испарителя были снабжены герметичными разъемами для быстрой установки испарительного аккумулятора, а патрубки входа и выхода в короб аккумулятора герметизированы. Всего дтя проведения экспери-

ментов было изготовлено четыре аккумуляционных испарителя с массой рассола 20, 15, 10 и 5 кг. Их число рассчитано в соответствии с теорией рационального планирования эксперимента, изложенной в четвертом разделе работы.

Испытания холодильного агрегата проводили при температуре воздуха вокруг стенда от+15°С до +43°С (ГОСТ 26678-85Е устанавливает температуру 28°С - 32°С. как соответствующую реаъным условиям эксплуатации всех моделей отечественных холодильников и морозильников). Расширение диапазона температур выбрано исходя из задач рационального планирования эксперимента.

Характеристики температурного поля испытуемого агрегата и окружающего воздуха измеряли лабораторными термометрами типа ТЛ-6 по ГОСТ 28498-90 с ценой деления в 0,ГС. Температуру определяли с использованием блока из 22-х медь-констатановых термопар.

После выхода стенда в установившийся режим, при котором отклонения от средних величин температур кипения, конденсации, всасывания и переохлаждения хладона составляли не более ±0,2сС, а температуры нагнетания - 0.5°С, снимали показания измерительных приборов.

Для определения холодопроизводительности агрегата использовали известное

(16)

выражение

Весовую производительность компрессора Са определяли двумя независимыми способами: по тепловому балансу калориметра С».«« и тепловому балансу конденсатора соответственно по выражениям

а-л)-

_0,86 -N,, + AQK, _ Ьа к.1 --:-:- И ЬакЛ -

'<л2 '

'«> 1 _ '«)2

(">,(18)

Действительная весовая производительность компрессора С, определена как средняя арифметическая Ga.u И Gaxi-

G — G

Величина погрешности 5, рассчитанная как О = —— при ис-

пытаниях не превышала 3 %. Энергопотребление БХ определяли после замеров коэффициента КРВ по общепринятой методике.

Холодильный шкаф экспериментального образца БХ при экспериментах покрывали изнутри и снаружи экраном из светоотражающей полимерной пленки со степенью черноты 0,1 с тем, чтобы установить степень его влияния на теплозащитные свойства.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния внесенных конструктивных изменений на основные потребительские характеристики БХ, обсуждены результаты экспериментов и разработаны практические рекомендации для внедрения БХ с аккумулятором холода в производство. Разработаны исходные требования для выполнения проектных работ.

Существующие методики расчета бытовых холодильных приборов основаны на последовательном расчете их основных узлов и выполнении после испытаний проверочных расчетов. Расчеты при этом выполняются, как правило, неоднократно. Используемые традиционные методы экспериментапьного исследования требуют больших затрат сил и средств, так как являются "пассивными" - основанными на поочередном варьировании отдельных независимых переменных параметров процесса в условиях, когда остальные стремятся сохранить неизменными. При этом отсутствует реальная возможность установить взаимное влияние на процесс двух и более факторов. Для устранения этих недостатков при повышении эффективности

проведения экспериментальных работ, снижении их трудоемкости, в данной работе использованы возможности математических методов планирования и анализа эксперимента, которые предусматривают выполнение работ по определенному плану в несколько этапов, после каждого из которых принимается решение об изменении стратегии эксперимента.

На стадии предварительного изучения объекта исследования выполнено априорное ранжирование факторов исследуемого процесса и определена степень их влияния на критерии оптимизации. Задача решена составлением и анализом матрицы рангов.

На основе изучения научных источников и анкетирования ряда высококвалифицированных специалистов (стаж работы в отрасли - не менее 15 лет), составлена матрица рангов и рассчитаны значения коэффициента конкордации ЖЦ),796 и критерия Пирсона 34,47 > j/o.05.10 =18.31, позволяющие с доверительной вероятностью 0,95 сделать вывод о высокой неслучайной согласованности мнений исследователей относительно степени влияния факторов на величину холодопроизводительности и энергопотребления БХ. В результате для дальнейших исследований были отобраны пять наиболее значимых факторов: А\ (фактор, оказывающий влияние на величину тешюпритока в холодильный шкаф) - количество слоев пленки шкафа - масса хладона масса испаряемой с поверхности конденсатора воды (G«), X* - масса холодонакопитель-ной жидкости в аккумуляторе ( Gm) я Хь - температура окружающей среды (/).

Задача поиска оптимальных режимов при достижении желаемой точности и достоверности результатов, заключалась в нахождении таких значений независимых переменных (величин факторов исследуемого процесса), которые обеспечившш бы макси-малыгую холодопроизводителыюсть (Yi) при минимальном потреблении электроэнергии (Уг). Решение задачи осуществляли математико-статистическим методом с использованием методики рототабельного планирования второго порядка.

Использование данной методики обусловлено тем, что для математического описания обьекта исследования линейного приближения недостаточно.

Исследования проведены на экспериментальном образце БХ (рисунок 4), замеры и расчеты выполнены по методике, изложенной в главе 3.

Общее число опытов рассчитали как: Д' = 2к + Пц = и, + па + по = 25'1 + 10 + 6 = 32. где к - число факторов (к-5). п3 - число точек ядра («,=16), п„ - число "звездных" точек (гц,=10), по - число нулевых точек (яс=6).

Математическая обработка результатов эксперимента с применением ПЭВМ и специальной программы, разработанной с использованием возможностей программ Microsoft Excel и Maple V, позволила составить две математические модели адекватные изучаемому процессу.

После замены переменных на натуральные обозначения входящих факторов, математические модели приняли вид:

у, = -3410,9 + 0.39 G, + 60.8 G,.„ + 54.25 л + 4.08 t + 13,84 G„, - 0,5 ,.gl

G,„ G„, - 0,27 Gj + 0,002 G,2 - 0.28 n G»; U'

yi = -1,43 G„ - 680,34 G„ - 1063,42 n - 136,89 t - 320,23 GM - 68,60 n -19,06 nGj + 0,009 G„ G, + 8.20 n Gxa + 27,1 GI0 + 0,15 n G, + 0,11 G6 G.v„ + 3,12 n f + 236G„, ; + 1.94 G,., GM - 0,87 Gj - 0,79 l (20J -0,0007 G,+43572,47 -0,025 Gj- 1.54 G^t.

Канонический анализ уравнений регрессии с помощью программы Maple, выполненный графическим методом, позволил установить режимы БХ и, как следствие, его конструктивные параметры, соответствующие оптимальным значениям холодо-производительности и энергопотребления (их экстремумам).

Пример расчета по программе Maple V (Release 4) показан на рисунке 5.

> • •*«.*!• JUy( Ifi'jiJ , -tit. Л«-" ГЛ-от .x* • ГЦ.'*« • t f i ] . - V i 1.1 ' YJ о » 4 при

.....2,

VI u i д-4 rtpn

I

/// w

// /

/ ■■ s ;

/ / x и®!

/

ч\

а

ч

ffi»»") -Г?"

.V .-г;

¿г.

—ЯЯ"» шш

nooi \ ч

t , * 1

I \

* i. . ' * .1 : Я 2 . ~ ' S. 2 ' . x._t — ' X Л ' ■ X A - 1 A 4 ' it . - : ^ ~>

' xi -d жз--о

• M*<t>M*>&<M l*jct- l»b««*J«*2»blJ*il«K.Ji Ь

i j * *.t4* k>x s«.к i»* s ■» ы г ** г ■' 2 ■>■ ьгэ ** г * * э * м- 4 *х

fch {рlots ) implici t»Oot< I f-70. r-80, .<-90, f~%0

о,t-no,i-aso,«-is»,*«>»*|,*«—a. .г,*ь—2..

2S ,

■ t0o7 J - 14 ZS ,v2+ 31 НИ л-jr - ] 3 $4 - S B6

• 59 IIX tJ .r.5

-J

Рисунок 5 - Пример расчетов в программе "Maple V''

зависимость Y! от Х4 при Х5=-2...2

чаЗк

Результаты математической обработки экспериментальных данных по всем исследуемым факторам показаны на рисунках 6 и 7, где приведены зависимости критериев оптимизации Yi (холодопроизводительность) и Уг (энергопотребление) от факторов XI, XI. Хз, Х4 и X?. Оптимальные значения факторов для критериев оптимизации Yi и У2 определяются визуально из графиков (зона оптимума на рисунках 6 и 7 заштрихована).

Из рисунков видно, что оптимальная величина холодопроизводительности БХ (168-176 Вт) достигается при числе экранов п*2; массе хладона Gxa —105,6106,75г; массе охлаждающей конденсатор жидкости GB=115-135г; массе аккумулятора GaK = 9,5-11,5кг; темгературе окружающего воздуха t = 28,5-30°С. Оптимальная величина энергопотребления (1080-1160 Вт/сут) достигается при п«2; 0,.,=Ю5,6-106,75г; б. =115-135г; б,. =9,5-11,5кг: 1=28,5-30,5"С.

Использование полученных математических моделей позволяет прогнозировать характеристики БХ с аккумулятором холода. Так, если два из пяти исследуемых факторов принимаются равными нулю, получаем трехмерную поверхность отклика, если три - двухмерную (рисунок 5).

Знание критериев оптимизации позволяет рассчитать основной показатель совершенства БХ - эффективный холодильный коэффициент еЭ. а также коэффициент рабочего времени Ь.

В результате обработки экспериментальных данных в работе показано, что теоретический прогноз о том, что введение в бытовой холодильник аккумулятора холода позволит получить энергосберегающий БХ. Результаты обработки экспериментальных данных показали, что в БХ с аккумулятором холода Ь = 0,19-0,22, а холодильный коэффициент е, * 4, что свидетельствует о высокой степени совершенства холодильников такой конструкции.

Для оценки степени совершенства предложенной в диссертационной работе конструкции бытового холодильника проведено сравнение технических характеристик холодильников различных зарубежных фирм-производителей с базовым и модернизированным холодильниками. Сравнительный анализ показал, что с точки зрения потребления электроэнергии, наиболее экономичной является конструкция БХ с аккумулятором холода, разработанная нами.

О несомненной полезности использования в бытовых холодильниках технических решений, предложенных в диссертации, свидетельствуют также акты производственной апробации и внедрения в учебный процесс подготовки специалистов соответствующего профиля.

Установлено, что результаты работы имеют социальный и экономический эффект. Социальный эффект от внедрения БХ с аккумулятором холода заключается в том, что использование БХ с аккумулятором холода позволяет увеличить замораживающую способность БХ в 2...3 раза, не меняя мощности агрегата.

Кроме того, аккумулятор холода снижает колебания температуры в камере БХ, вызванные цикличностью работы агрегата холодильника, и увеличивает время безопасного хранения продуктов при отключении электроэнергии.

У1

1801 1«: 140; 120; 100; 80 ; / / / Г / / /

// ! | 1 1 \ ч \ \

У

к! 'Л 0.........1&5' ...... Ио1 ' 1 '

1 ' ' ' 5'о ' 1 ' 1 ¡к 1 1 ■ 150 ■ ' ' ■ зЛо ■ ' ' '

. I 1 1 1 Л 1 1 1 1 х 1 1 1 £ .... ^ ..... А 1 1 1 -А 1 1 1 1 Л 1 1 1 11

Рисунок 6 - Зависимость параметра оптимизации У| от критериев оптимизации Х1-Х5

У!

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате анализа современного состояния теории и практики в области технического совершенствования бытовых холодильных приборов показано, что общемировой тенденцией является снижение их энергопотребления при обеспечении требуемой холодопроизводительности.

2. Показано, что разработка БХ с постоянно действующим аккумулятором холода, с улучшенной теплоизоляцией шкафа и повышенной теплоотдачей конденсатора позволит получить до 7% экономии электроэнергии.

3. Установлено, что для улучшения теплоизоляции холодильного шкафа имеются реальные теоретические предпосылки значительного снижения теплопритокса - на основе использования свойств явления лучистого теплообмена, путем установки экранов. В отечественной и зарубежной практике производства БХТ такое техническое решение до сих пор не реализовано.

4. Предложено для увеличения теплоотдачи конденсатора и значительного снижения температуры конденсации использовать возможности процесса пористого охлаждения испарением.

5. На основе анализа работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения предложена методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей при изменении режима их работы, показавшая, что экономия электроэнергии при значительном сокращении количества включений и отключений электродвигателя в сутки может достигнуть 5 %.

6. С целью уменьшения энергопотребления при сохранении высокой холодо-производительности предложена новая конструкция холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника, в которой впервые использован постоянно действующий аккумулятор холода. Разработан экспериментальный образец (стенд) такого холодильного агрегата, проведены его испытания.

7. Разработана теоретико-экспериментальная методика расчета бытовых холодильников компрессионного типа с аккумулятором холода и получены математические модели холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющие прогнозировать их основные потребительские показатели.

8. На основе проведенных с использованием методики рационального планирования эксперимента исследований получены адекватные регрессионные модели процесса функционирования нового БХ и определены оптимальные параметры исследуемых факторов процесса: количество слоев теплоизоляционной пленки - 2, масса хладона - 110 г, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе - 15 кг.

Результаты обработки экспериментальных данных показата, что в БХ с аккумулятором холода коэффициент рабочего времени Ь находится в пределах 0,19-0,22, а холодильный коэффициент что свидетельствует о высокой степени совер-

шенства холодильников такой конструкции.

9. Разработаны рекомендации для внедрения и практического использования результатов исследования, в виде исходных требований на новую конструкцию БХ. Установлено, что результаты работы имеют социальный и экономический эффект. Социальный эффект от внедрения БХ с аккумулятором холода заключается в том, что использование БХ с аккумулятором холода позволяет увеличить замораживающую способность БХ в 2... 3 раза, не меняя мощности агрегата. Таким образом, использование бытовых холодильников компрессионного типа с аккумулятором холода позволит снизить энергопотребление и повысить культуру ведения домаш-

него хозяйства.

10. Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждена актами производственной апробации и внедрением в учебный процесс. Показано, что аккумулятор холода снижает колебания температуры в камере БХ, вызванные цикличностью работы агрегата холодильника, и увеличивает время безопасного хранения продуктов при отключении электроэнергии.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Романович Ж.А., Бескоровайный А.В., Кожемяченко А.В., Богданов В.И. Основная тенденция технического совершенствования бытовой холодильной техники //Известия вузов. Северо-Кавказский регион. - Серия: Технические науки. -1999, №3.- С. 39-40.

2. Устройство холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника / Бескоровайный А.В., Романович Ж.А. и др.: Патент Российской Федерации № 2162576 от 15.04.1999 г.-БюлАЗ, 2001.

3. Бескоровайный А.В.. Петросов СП. Методика расчета бытовых холодильников компрессионного типа с аккумулятором холода. - Новые технологии управления движением технических объектов //Труцы III Международной научно-технической конференции. - Новочеркасск: ЮРГТУ.- 2000.- С.36.

4. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А., Петросов СП.. Осацкий С.А. Теоретическое исследование влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника. - Новые технологии управления движением технических объектов //Труды Ш Международной научно-технической конференции. - Новочеркасск: ЮРГТУ.- 2000. - С.27.

5. Романович Ж.А., Бескоровайный А.В. Эффективность и область применения холодильных агентов //Тез. докладов научно-практич. конф. "Концепция развития товароведения и качества подготовки товаров на современном этапе". - М.: МУПК, 1999.

6. Бескоровайный А.В., Романович Ж. А. Некоторые направления технического совершенствования бытовых холодильников. //Тез. докладов научно-практич. конф. "Концепция развития товароведения и качества подготовки товгров на современном этапе". - М.: МУПК, 1999.

7. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А. О применении математического метода планирования и анализа эксперимента бытовых компрессионных холодильников. //Тездокл.У международной научно-техяич. конф. "Наука - сервису". - М.: МГУС, 2000.

8. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А., Маслаков Р.Ю. К вопросу экономии электроэнергии при использовании в бытовых холодильниках аккумуляторов холода //Сб. статей ППС и аспирантов. - М.: МУПК, 4.6. - 2000.

9. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А. Методика расчета экранов для снижения лучистого теплообмена в теплоизоляции бытовых холодильников: Тез.докл. VI Международной научно-техн. конф. "Наука - сервису". - М.: МГУС, 2001.

10. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А. Современный подход к вопросу об альтернативных холодильных агентах // Сб. статей ППС и аспирантов. - М.: МУПК, 4.6. - 2000.

11. Бескоровайный А. В., Романович Ж А. Методика расчета потока тепловой

энергии при наличии экрана: Тегдокл. VI Международной научно-техн. конф. "Наука сервису". - М.: МГУС, 2001. • 12. Романович Ж.А., Бескоровайный А.В. Анализ современного состояния науки и техники в области технического совершенствования бытовых холодильников. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. - 2001, №1.- С. 49-56.

Бескоровайный Алексей Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА КОМПРЕССИОННОГО ТИПА С АККУМУЛЯТОРОМ ХОЛОДА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД № 04205 от 06.03.2001г.

Сдано в производство 23. И ,2004г. Тираж 80 экз.

Объем 1,50 ил. Изд.№ 210 Заказ 210

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет сервиса» 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос.Черкизово, ул.Главная, 99

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ И НАУКИ В ОБЛАСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БЫТОВЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ

1.1 Краткий анализ направлений технического совершенствования бытовых холодильников

1.2. Анализ современного состояния теоретических разработок

1.2.1 Особенности расчета теплоизоляции холодильного шкафа

1.2.2 Физические основы, способы аккумулирования и рабочие вещества аккумуляторов

1.2.3 Анализ аккумулирующих веществ и конструкций аккумуляторов

1.2.4 Классификация и анализ работы конденсаторов. Перспективы их совершенствования

1.2.5 Классификация и анализ работы испарителей. Перспективы совершенствования

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ХОЛОДИЛЬНИКА НА ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Анализ термодинамических основ охлаждения в БХ

2.1.1 Общие положения. Теоретический подход

2.1.2 Методика оценки влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника

2.1.3 Методика оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы БХ

2.1.4 Анализ цикличной работы БХ с помощью коэффициента рабочего времени

2.2 Методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей компрессоров БХ при изменении режима их работы

2.2.1 Анализ работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения

2.2.2 Анализ основных номинальных режимов работы электродвигателей

2.2.3 Нагревание электродвигателей при различных режимах работы

2.2.4 Методика определения энергетических параметров электродвигателя при изменении режима работы БХ

2.3 Методика определения массы холодонакопительной жидкости аккумулятора

2.3.1 Расчет аккумуляторов холода для бытовых холодильников компрессионного типа

2.3.2 Тепловой расчет

2.4 Методика расчета усиленной теплоизоляции шкафа БХ для обеспечения снижения потерь холода

2.4.1 Обоснование теоретического подхода

2.4.2 Методика расчета потока тепловой энергии при наличии экрана

2.4.3 Методика расчета числа экранов

2.5 Методика интенсификации теплообмена в испарительном конденсаторе

2.5.1 Анализ теплопередачи через цилиндрическую однослойную стенку

2.5.2 Анализ теплообмена испарением через пористое покрытие

2.6 Расчет теоретического цикла 101 2.7. Расчет холодильного коэффициента БХ с аккумулятором холода.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БХ

3.1 Объект исследования. Описание конструкции и работы экспериментального образца БХ с аккумулятором холода

3.1.1 Базовая - традиционная конструкция агрегата и ее недостатки

3.1.2 Конструкция и работа экспериментального образца БХ с аккумулятором холода

3.2 Методика определения основных потребительских показателей качества

3.2.1 Методика определения холодопроизводительности

3.2.2 Методика определения энергопотребления

3.3 Определение погрешности измерений

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ХОЛОДИЛЬНИКА НА ЕГО ОСНОВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И РАЗРАБОТКА

РЕКОМЕНДАЦИЙ

4.1 Планирование экспериментального исследования. Разработка математической модели процесса

4.1.1 Анализ и исследование факторов процесса получения холода

4.1.2 Разработка математической модели процесса с применением рототабельного планирования второго порядка

4.1.3 Анализ математических моделей и графическое определение оптимальных соотношений факторов процесса охлаждения в БХ с аккумулятором холода

Среди многочисленных бытовых приборов, облегчающих труд и повышающих культуру домашнего хозяйства важное значение имеют холодильники. При современном уровне культуры только при наличии в доме холодильника может быть обеспеченно полноценное, сбалансированное питание высококачественными продуктами. Потребности населения в охлаждении продуктов обусловлены также современным темпом жизни. Можно реже посещать магазин и, следовательно, сокращать затраты времени на ведение домашнего хозяйства. Все возрастающее потребление холода привело к необходимости создания большого количества бытовых холодильников различного типа, в том числе, и с повышенным объёмом камер.

В настоящее время, как в отечественной, так и в мировой практике наиболее актуальной является проблема экономии электроэнергии, в частности, и при производстве бытового холода. Используемые сегодня конструкции бытовых холодильников (БХ) различного типа как отечественного, так и импортного производства, отличаются повышенным энергопотреблением. Обществу же нужны холодильники с малым энергопотреблением. Вследствие этого возникает проблемная ситуация, суть которой заключается в необходимости повышения эффективности БХ.

При поиске путей резкого снижения энергопотребления представляется целесообразным, наряду с совершенствованием аппаратов существующих типов, изучить возможность применения новых конструкций, оправдавших себя в других отраслях промышленности. Таким образом, в общем случае повышение эффективности БХ может быть осуществлено двумя путями: либо за счет модернизации и совершенствования известных технических решений, либо за счет разработки принципиально новых. Очевидно, наиболее эффективные, с точки зрения удельного энергопотребления, БХ должны базироваться на наилучшем процессе и реализовывать передовую технологию. Поэтому в данной диссертационной работе реализован именно второй путь повышения эффективности БХ.

С общих позиций процесс создания нового оборудования и приборов, в частности, и БХ, представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой обычно разбивают на несколько этапов. Первым этапом проектирования является установление кинематической (принципиальной) схемы машины, которая обеспечивала бы требуемые параметры рабочего процесса и была бы работоспособной. На втором этапе проектирования рассматривают вопросы конструирования машины, обеспечивающие ее прочность, долговечность, коэффициент полезного действия, и т.д. Третий этап, как правило, посвящают разработке экономических показателей и кругу проблем, с ней связанных /52/. Однако в случае разработки БХ экономические вопросы зачастую рассматривают на первом этапе проектирования /68/.

Учитывая принципиальную новизну разрабатываемого в данной работе технического решения, выполненного на уровне патента Российской Федерации /60/, здесь в основном излагаются методы и приемы, с помощью которых решают первый этап проектирования. При этом решают также некоторые вопросы, связанные со вторым и третьим этапами проектирования, в том случае, когда они являются определяющими для выбора того или иного технического решения.

Известно /15/, что одним из путей повышения эффективности БХ является аккумулирование холода. Аккумуляторы холода обычно применяются в системах с неравновесной во времени тепловой нагрузкой на технологические аппараты в периоды, когда ее значение превышает холодопроизводительность холодильной установки /14/. Возможна и более жесткая постановка задачи - создание таких аккумуляторов, которые полностью удовлетворяли бы потребность в холоде при отключенной холодильной установке /2/.

Обычно считается, что аккумулирование холода целесообразно в случае неравномерного характера тепловых нагрузок в системе охлаждения. Для таких систем прослеживается тенденция /33/, /42/ к внедрению аккумуляторов, позволяющих, по мнению Корниенко В.М. /33/:

- уменьшить установочную мощность холодильного оборудования;

- эксплуатировать оборудование в режиме, близком к оптимальному (что приводит к увеличению коэффициента рабочего времени (КРВ) и повышению КПД оборудования);

- создавать резервный запас холода и устранять соответствие между временем его производства и потребления.

Использование аккумуляторов холода приобретает все большее значение в условиях постоянно увеличивающегося спроса на электроэнергию и в связи со спецификой ее потребления (неравномерность в течение суток). Частичное или полное аккумулирование холода в ночные часы, с последующей его реализацией в дневное время суток, позволит несколько разгрузить электростанции и распределительные подстанции /2/.

Преимущество систем охлаждения с аккумуляторами сказывается на ежегодном росте (по оценкам зарубежных специалистов, в общем объеме холодильной техники - более чем на 50%) их промышленного внедрения /42/. Однако все это касается холодильных машин большой и средней мощности. В малых БХ такие технические решения до сих пор не использовали.

Отсутствуют методы расчета и прогнозирования конструкций бытового холодильника с аккумулятором холода. Вместе с тем известно /33/, что в других областях, например, в пищевой промышленности, большинство НИР направлено на создание экономичных охлаждающих систем именно с аккумуляторами холода. На предприятиях агропромышленного комплекса подобные системы охлаждения обслуживают объекты с околонулевыми температурами и используют в качестве аккумулирующих веществ гидраты газов и органических жидкостей /42/. Вопрос: какими аккумулирующими веществами следует воспользоваться в БХ - остается открытым /44/. Неизвестна также и основа всех технических мероприятий - экономическая эффективность от использования аккумуляторов холода в бытовой технике /61/. В настоящей работе осуществлено сравнение затрат энергии на подготовку бытового холода традиционными холодильниками компрессионного типа (как наиболее распространенными) и аналогичными по своим параметрам холодильниками с аккумулятором холода. При этом, учитывая, что затраты энергии на производство холода в основном определяются затратами на сжатие компрессором хладона, в работе рассмотрены также и условия работы компрессора с электродвигателем.

Помимо этого, зная рекомендации /31/ о том, что снижение температуры в конденсаторе на один градус дает 3-4% экономии электроэнергии, а переохлаждение агента на 3-4 градуса дает экономию электроэнергии в 10-15%, улучшает условия работы двигателя и сокращает износ компрессора, вероятно, целесообразно разработать мероприятия по интенсификации теплообмена в конденсаторе.

Анализ конструкций современных БХ как отечественного, так и импортного производства и результаты предварительных экспериментов /15/ показали большую возможность экономии электроэнергии - при использовании в конструкции БХ компрессионного типа постоянно действующего аккумулятора холода. Такие БХ обладают низким коэффициентом рабочего времени /15/, /60/.

Отметим, что малые холодильные машины, или бытовые холодильные приборы компрессионного типа, как мы их называем в данной работе, в теоретическом аспекте разработаны на уровне, обеспечивающем возможность их научно-обоснованного проектирования. Большой вклад в их разработку внесли многие исследователи, прежде всего, В.Б. Якобсон. Однако, теоретические вопросы создания БХ компрессионного типа с постоянно действующим аккумулятором холода до сих пор не получили развития /2/, /14/, /44/, /61/.

Итак, объективные потребности населения, а также отсутствие у промышленности возможностей для их удовлетворения, явились причиной возникновения научной проблемы - необходимости разработки эффективного БХ, реализующего иные процессы, основанные на новых, выходящих за рамки достигнутых, знаниях. Учитывая суть проблемной ситуации, тема диссертационной работы является актуальной и своевременной, и обладает элементами экономической и социальной значимости.

Объектом исследования данной НИР является бытовой холодильный прибор компрессионного типа с аккумулятором холода.

Предметом исследования являются методы расчета и прогнозирования конструкции бытового компрессионного холодильника с аккумулятором холода, базирующейся на принципиально новом техническом решении.

Целью работы является разработка научно обоснованной конструкции БХ с аккумулятором холода, обеспечивающей снижение энергопотребления в процессе его эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:

• анализ современного состояния теории и практики в области технического совершенствования БХ, с точки зрения снижения их энергопотребления, и установление возможности и перспективности использования в БХ аккумулятора холода;

• выявление основных узлов БХ и факторов процесса получения холода, влияющих на снижение энергопотребления;

• проведение теоретического исследования конструкции БХ с аккумулятором холода, включающего:

• термодинамический анализ холодильного цикла БХ;

• разработку методики оценки влияния охлаждения холодильного агента в конденсаторе на эффективность работы холодильника;

• разработку методики расчета дополнительного охлаждения конденсатора испарением путем анализа теплообмена испарением через пористое покрытие;

• разработка методики оценки влияния аккумуляционного испарителя на эффективность работы холодильника;

• разработка методики прогнозирования технических характеристик электродвигателей при изменении режима их работы - путём исследования пускового режима компрессора, и методики определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода;

• разработка методики расчета усиленной теплоизоляции шкафа БХ для обеспечения снижения потерь холода, методики расчета потока тепловой энергии при наличии экрана, расчет числа экранов;

• разработка методики экспериментального исследования основных потребительских характеристик холодильника - холодопроизводительности и энергопотребления, включая создание:

• необходимого оборудования и оснастки для проведения исследования, в том числе: экспериментального стенда - опытного образца БХ с аккумулятором холода, калориметрического стенда и проч.;

• непосредственно методики определения холодопроизводительности и энергопотребления;

• разработка теоретико-экспериментальной методики расчета БХ компрессионного типа с аккумулятором холода (с получением математических моделей холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющих прогнозировать их основные потребительские показатели), включающей:

• выбор и обоснование методики экспериментального исследования;

• экспериментальное исследование БХ с аккумулятором холода с использованием методики рационального планирования эксперимента, включая:

• - анализ и исследование факторов процесса получения холода;

• - определение с использованием методики рототабельного планирования второго порядка оптимальных режимов процесса получения холода в новой конструкции БХ;

• разработка рекомендаций для внедрения и практического использования результатов исследования, включая разработку исходных требований на новую конструкцию БХ и ее экономическое обоснование.

В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, физико-математического моделирования. Также применены методы статистического анализа, программирования и логической алгоритмизации, методика рационального планирования эксперимента.

Достоверность результатов исследования обеспечивается: использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов по вопросам исследования процессов в цикле БХ; использованием современных методов исследования, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов, применением ПК и пакета специальных и прикладных программ в программной среде Windows для обработки полученных результатов; апробацией теоретических выводов и методических рекомендаций на научных конференциях различного уровня, в том числе - международного, а также в опубликованных работах.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней: выполнено теоретическое исследование процесса получения бытового холода в БХ новой конструкции - с аккумулятором холода; показана возможность расчета основных параметров процесса охлаждения и конструкций узлов агрегата; разработана методика расчета усиленной теплоизоляции холодильного шкафа; выполнен анализ холодильного коэффициента и КРВ БХ с аккумулятором холода и охлаждением конденсатора испарением; разработана методика расчета охлаждения конденсатора и предложена конструкция конденсатора; разработана методика определения энергопотребления БХ с аккумулятором холода - на основе исследования пускового режима компрессора; экспериментально установлены и практически подтверждены математические модели определения холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющие прогнозировать технические характеристики БХ с аккумулятором холода и, тем самым, получать научно-обоснованные исходные требования для его проектирования.

Конструкторская и практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработано научное обоснование для получения исходных требований на новую конструкцию БХ с аккумулятором холода, защищенную патентом Российской Федерации, которое позволит сократить сроки проектирования при создании новой холодильной техники.

• в работе показан путь создания бытовых холодильников со сниженным энергопотреблением;

• результаты диссертации могут быть использованы в научно-исследовательских организациях отрасли как в России, так и за рубежом для совершенствования БХ путем снижения его энергопотребления.

В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, физико-математического моделирования. Также применены методы статистического анализа и ранговой корреляции, программирования и логической алгоритмизации, методика рационального планирования эксперимента.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: межвузовской конференции ЮРГУЭС (г. Шахты, 1999 г.), трех международных конференциях (III Международной научно-технической конференции ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2000; V и VI Международных научно-технических конференциях «Наука - сервису», МГУС, 2000, 2001) и конференциях ЮРГУЭС, МГУС, МУПК (2000-2001 гг.), расширенном заседании кафедры «Бытовая техника» МГУС (2004 г.).

Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе: патенте Российской Федерации № 2162576, четырех статьях, тезисах семи докладов на конференциях различного уровня.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Обоснована и разработана новая методика экспериментального исследования основных потребительских характеристик БХ, позволяющая определить его холодопроизводительность и энергопотребление.

2. Разработан экспериментальный образец БХ с аккумулятором холода, принципиальная новизна которого подтверждена патентом Российской Федерации. Приведено описание конструкции, работы и основных технических характеристик, как экспериментального образца, так и базовой модели.

3. Предложен стенд для испытания холодильного агрегата с испарительным аккумулятором, описана его конструкция и работа, измерительные приборы и инструменты, последовательность выполнения работ; показано, как определялись погрешности измерений.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ХОЛОДИЛЬНИКА НА ЕГО ОСНОВНЫЕ

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ

Создание энергосберегающей конструкции БХ предполагает решение задачи по определению оптимальных режимов работы его основных узлов, то есть оптимизацию процессов тепломассопереноса.

Как показано во втором разделе работы, при современном уровне развития теории и практики выполнить с достаточной степенью точности проектные расчеты всего БХ не представляется возможным, так как в процессе производства холода участвует большое количество взаимозависимых параметров. Именно по этим причинам тепловые испытания БХ компрессионного типа в настоящее время выполняют поэтапно (см главу 3), а выполняемые расчеты, как правило, носят проверочный характер. Используемые традиционные методы экспериментального исследования требуют больших затрат сил и средств, так как являются «пассивными» - основанными на поочередном варьировании отдельных независимых переменных параметров процесса в условиях, когда остальные стремятся сохранить неизменными. При этом отсутствует реальная возможность достаточно полного изучения значительного числа объектов исследования (узлов БХ); как следствие, многие решения принимаются на основании информации, имеющей случайный характер, и поэтому получаемые результаты далеки от оптимальных.

Определение влияния наиболее значимых факторов процесса на величину холодопроизводительности и величину энергопотребления, установление их оптимальных значений является основной целью настоящей главы.

4.1 Планирование экспериментального исследования. Разработка математической модели процесса

Задача повышения эффективности экспериментальных исследований, снижения их трудоемкости с минимизацией затрат сил и средств на выполнение работ при условии принятия окончательных решений, близких к оптимальным, требует использования математических методов планирования и анализа эксперимента.

Применение при исследовании математических методов планирования и анализа эксперимента предусматривает выполнение работ по определенному плану в несколько последовательных этапов, после каждого из которых рассматривается вопрос о целесообразности изменения стратегии эксперимента.

В соответствии с основной теоретической задачей - разработкой энергосберегающей конструкции БХ, необходимо определить оптимальные режимы его работы.

В качестве критерия оценки степени совершенства процесса получения холода в БХ и самого БХ (параметра оптимизации), вероятно, следует принять величину его холодопроизводительности, которая, очевидно, должна быть максимальна. Для количественной оценки потребительских свойств БХ используем такой важнейший параметр, как энергопотребление, которое должно быть минимально.

Для достижения поставленной в работе цели - разработки энергосберегающей конструкции БХ, на первом этапе исследования необходимо выявить основные факторы процесса получения холода.

4.1.1 Анализ и исследование факторов процесса получения холода

Для правильного выбора факторов, оказывающих основное влияние на критерии оптимизации, и минимизации их числа, на стадии предварительного изучения объекта исследования, использовали априорное ранжирование факторов, основанное на известных методах ранговой корреляции /48/.

В результате анализа априорной информации установлены 17 факторов, предположительно оказывающих влияние на холодопроизводительность и энергопотребление компрессионного БХ с аккумулятором холода:

- давление всасывания,

- давление нагнетания,

- теплоизоляция холодильного шкафа,

- величина переохлаждения,

- температура окружающего воздуха,

- характер теплообмена и условия охлаждения в конденсаторе,

- инерционность системы (наличие аккумулятора холода, его объем),

- условия теплообмена в испарителе,

- свойства холодильного агента,

- свойства промежуточного холодильного агента (холодонакопительной жидкости аккумулятора),

- масса испаряемой с поверхности конденсатора воды,

- масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе,

- масса хладона,

- режим эксплуатации БХ,

- напряжение электрического тока, питающего электродвигатель компрессора,

- наличие инея на аккумуляторе,

- способ охлаждения высокотемпературного отделения холодильного шкафа.

Из перечисленного выше видно, что в исследуемом процессе задействовано большое количество факторов. При экспериментальном же исследовании определению подлежат те из них, которые оказывают наибольшее влияние на критерии оптимизации - холодопроизводительность и энергопотребление.

С целью выявления таких факторов использовали рекомендуемый для таких случаев метод экспертных оценок /16/. Известно, что с достаточной объективностью одновременно эксперт может оценить весомость (ранг) не более 710 факторов. Поэтому, с целью повышения объективности оценки значимости перечисленных выше факторов, были составлены две анкеты опроса, в каждую из которых включены по девять факторов (один - «температура окружающего воздуха» - общий для обеих анкет).

Экспертная группа состояла из семи высококвалифицированных специалистов, изучавших БХ и процессы тепломассопереноса (сотрудников МГУ С, ЮРГУЭС, ООО «Глобал-Комфорт», ООО «Step Technologies», имеющих стаж работы по специальности от 4 до 27 лет). Обработка результатов опроса проведена с использованием программы автоматизированного расчета коэффициентов ранговой корреляции, по методике, изложенной в /10/. Формы анкет, результаты анкетирования и их математической обработки приведены в приложении П.2.

Рассчитанные с помощью программы ранговой корреляции на ПК значения коэффициентов конкордации (Wi=0,8836 и W2=0,8758) и критерия Пирсона (X2i=49>483>x2o,o5; 8=15,507; х22=49,043>х20)05; 8=15,507) с доверительной вероятностью 0,95 позволили сделать вывод о высокой неслучайной согласованности мнений исследователей относительно степени влияния факторов на величину холодопроизводительности и энергопотребления БХ.

По результатам исследования построены априорные гистограммы рангов для рассматриваемых факторов, изображенные на рисунках 4.1, 4.2.

Из рисунков видно, что распределение в диаграммах - равномерное, убывание значимости факторов - немонотонное.

В результате данного этапа эксперимента и обработки данных для дальнейших исследований были отобраны пять наиболее значимых факторов: теплоизоляция холодильного шкафа, масса хладона, масса испаряемой с поверхности конденсатора воды, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе и температура окружающего воздуха.

4.1.2 Разработка математической модели процесса с применением ротота-бельного планирования второго порядка

Анализ результатов целого ряда исследований /58/, /59/, /68/, /69/ показал (раздел 1 работы), что для математического описания объекта данного исследования линейного приближения недостаточно. Такое приближение не позволяет получить адекватную реальности модель, описывающую действующий процесс, с требуемой точностью. По этой причине с учетом рекомендаций работы

48/ для наших дальнейших исследований использовали модель в виде полинома второй степени.

9 8 -7 6 е 5 rt 4 а. н н

3 2 1

8,42

8,28

6,85

5,85

5,35

3,57

2,78

2,14

1,71

25968 7431 факторы

Рисунок 4.1 - Гистограмма упорядоченных факторов по анкете №1

9 8 -7 -6 -!е 5 4 а. н '

3 -2 -1 О

8,57

7.71

7,28

6,0

4,57

4,5

2.57 г

3 9 5

2,28

1.5 8

2 1 факторы

Рисунок 4.2 - Гистограмма упорядоченных факторов по анкете №2

В соответствии с основной теоретической задачей - разработкой энергосберегающей конструкции БХ, необходимо определить оптимальные величины основных факторов процесса получения холода.

В качестве критериев оптимизации используем величину получаемой, при работе такого БХ, холодопроизводительности Y1, и его энергопотребление Y2, определяемые по методикам, приведенным в главе 3.

Для определения оптимальных режимов работы БХ (оптимальных величин основных факторов процесса) необходимо получить математическую модель, адекватную исследуемому процессу, установить одним из известных способов область оптимума и соответствующие ей режимы получения холода.

Задача поиска оптимальных режимов при достижении желаемой точности и достоверности результатов, заключается в нахождении таких значений независимых переменных (величин факторов исследуемого процесса), которые обеспечивали бы максимальную холодопроизводительность Y1 при минимальном потреблении электроэнергии Y2. Решение этой задачи осуществляли мате-матико-статистическим методом с использованием возможностей рототабель-ного планирования второго порядка /48/.

При исследовании процесса варьировали пять факторов: XI, Х2,ХЗ,Х4 и Х5, соответственно: теплоизоляция холодильного шкафа, масса хлад она, масса охлаждающей конденсатор воды, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе холода, температура окружающей среды (воздуха). На основании выполненных в п.2.4. обоснований, фактор XI в исследовании представлен числом экранов.

Использование методики планирования эксперимента позволяет значительно сократить объём экспериментальных исследований. Общее число опытов в соответствии с рекомендациями /48/ рассчитывается как:

N = 2к +п0 =пя +па +п0 = 25-1 +10 + 6 = 32, где к - число факторов (к=5), пя - число точек ядра (пя=16), г^ - число «звездных» точек (па=10), п0 - число нулевых точек (по=6).

В выбранной области исследования каждый из установленных (см. п.4.1.1) факторов может иметь несколько значений (уровней). В работе для каждого из факторов принято по пять уровней. Число опытов при этом составило бы N=5S+1=15625 (для каждого параметра оптимизации). Таким образом, использование методики рационального планирования эксперимента позволит в 976 раз сократить количество опытов.

Для составления матрицы планирования эксперимента установили значения нулевых уровней, интервалы варьирования и границы эксперимента для каждого из исследуемых факторов (таблица 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате анализа современного состояния теории и практики в области технического совершенствования бытовых холодильных приборов показано, что общемировой тенденцией является снижение их энергопотребления при обеспечении требуемой холодопроизводительности.

2. Показано, что разработка БХ с постоянно действующим аккумулятором холода, с улучшенной теплоизоляцией шкафа и повышенной теплоотдачей конденсатора позволит получить до 7% экономии электроэнергии.

3. Установлено, что для улучшения теплоизоляции холодильного шкафа имеются реальные теоретические предпосылки значительного снижения теплопритоков - на основе использования свойств явления лучистого теплообмена, путем установки экранов. В отечественной и зарубежной практике производства БХТ такое техническое решение до сих пор не реализовано.

4. Предложено для увеличения теплоотдачи конденсатора и значительного снижения температуры конденсации использовать возможности процесса пористого охлаждения испарением.

5. На основе анализа работы электродвигателя по условиям нагрева и охлаждения предложена методика прогнозирования технических характеристик электродвигателей при изменении режима их работы, показавшая, что экономия электроэнергии при значительном сокращении количества включений и отключений электродвигателя в сутки может достигнуть 5 %.

6. С целью уменьшения энергопотребления при сохранении высокой холо-допроизводительности предложена новая конструкция холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника, в которой впервые использован постоянно действующий аккумулятор холода. Разработан экспериментальный образец (стенд) такого холодильного агрегата, проведены его испытания.

7. Разработана теоретико-экспериментальная методика расчета бытовых холодильников компрессионного типа с аккумулятором холода и получены математические модели холодопроизводительности и энергопотребления, позволяющие прогнозировать их основные потребительские показатели.

8. На основе проведенных с использованием методики рационального планирования эксперимента исследований получены адекватные регрессионные модели процесса функционирования нового БХ и определены оптимальные параметры исследуемых факторов процесса: количество слоев теплоизоляционной пленки - 2, масса хладона - 110 г, масса холодонакопительной жидкости в аккумуляторе - 15 кг.

Результаты обработки экспериментальных данных показали, что в БХ с аккумулятором холода коэффициент рабочего времени b находится в пределах 0,190,22, а холодильный коэффициент еэ « 1,5, что свидетельствует о высокой степени совершенства холодильников такой конструкции.

9. Разработаны рекомендации для внедрения и практического использования результатов исследования, в виде исходных требований на новую конструкцию БХ. Установлено, что результаты работы имеют социальный и экономический эффект. Социальный эффект от внедрения БХ с аккумулятором холода заключается в том, что использование БХ с аккумулятором холода позволяет увеличить замораживающую способность БХ в 2.3 раза, не меняя мощности агрегата.

Кроме того, аккумулятор холода снижает колебания температуры в камере БХ, вызванные цикличностью работы агрегата холодильника, и увеличивает время безопасного хранения продуктов при отключении электроэнергии. Таким образом, использование бытовых холодильников компрессионного типа с аккумулятором холода позволит снизить энергопотребление и повысить культуру ведения домашнего хозяйства.

10. Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждена актами производственной апробации и внедрением в учебный процесс.

1. Basu R.S., Wilson D.P. //1.tern. I. of Thermofysic. 1989. V.10. №3, pp.591603.

2. Brank M.F. Kaltelastausgleich durch Speicher //Leistungs und Lastbedarts - steuer-1989.-pp. 128-141.

3. Die moderne Kuche. 1987, №5.

4. Kabata Y., Tanikava S., Vematsy M., Watanabe K. intern. I. of Thermofysic. 1989. V.10. №3, pp.605-615.

5. Lallemand M., Haberschill P., Bracon D. //CLIMA,2000, Англия, 11.01-03, No.278.

6. Leunchens P.// Koude Mag., Нидерланды, 1994.09, No.9, pp.27-31.

7. Mennik B.D. // Koude Mag., Нидерланды, 1994.06, No.6, pp.26-28.

8. Radermacher R/., Kim К.// Int. J.Ref., Англия, 1996.01, vol.19, №1, pp.6169.

9. A.c. СССР №624233, МКИ F16H39

10. Акоф Р., Сасиени М. Основы исследования операций. М.: Мир, 1971. -534 с.

11. П.Алехин С.Н., Левкин В.В., Петросов С.П. Методическое пособие к выполнению расчетов основных параметров компрессионных холодильников в курсовом и дипломном проектировании. Шахты: ДГАС.-1995.-36 с.

12. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин.-М.: Наука.-1975.-640 с.

13. И.Афанасьева И.А., Цирлин Б.Л. Влияние конструкции корпуса встроенного электродвигателя на концентрацию масла в холодильной машине. -//Холодильная техника. 1991.- № 10.- С. 10-11.

14. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники -М.: «Колос», 2000. -656с.

15. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М.: Мир.-1987.-272 с.

16. Бескоровайный А.В., Романович Ж.А., Кожемяченко А.В., Богданов

17. B.И. Основная тенденция технического совершенствования бытовой холодильной техники //Известия вузов. Северо-Кавказский регион.-Серия «Технические науки».-№3.-1999.-С.39-40.

18. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1981. -172 с.

19. Боришанская А.В. Интенсификация теплоотдачи при кипении хладагентов с помощью пористых металлических покрытий. Дисс.канд. техн. наук. -Л.-1980,- С.82-97.

20. Бояркин В.А., Упорова И.Г., Алиев Г.С. Интенсификация теплообмена в конденсаторе бытового холодильника //Холодильная техника.- №2, 1991,1. C.7-8.

21. Букин В.Г. Закономерности теплообмена при конденсации и кипении не-азетропных смесей холодильных агентов: Автореф. дисс.д-ра техн. на-ук.-М.:-1998.-50 с.

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

23. Вейнберг Б.С., Вайн J1.H. Бытовые компрессионные холодильники. М.: Пищевая промышленность.-1974.-272 с.

24. Верховский В.В. Теплообмен и внешние характеристики парообразования при кипении холодильного агента на интенсифицированных поверхностях: Автореф.дисс.канд.техн.наук. С.-Пб. -1999.-24 с.

25. Володина J1. А. Международный симпозиум «Холод-96» //Холодильная техника. 1996.-№8.-С.ЗЗ.

26. Вольдек А. И. Электрические машины. JL; Энергия, 1978.

27. Выгодин В.А. Повышение эффективности охлаждающих систем холодильных камер: Дисс. канд.техн.наук.-М.,1995., -201с.

28. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1961.

29. Греберг Э.С. Основы учения о теплообмене. -М.:1979.-С.511-512.

30. Грудинский П.Г., Жуков JI.A. и др. Электротехнический справочник. -Т.З, Кн.2. Использование электрической энергии/Под общ.ред. проф. В.Г. Герасимова-6-е изд., испр. и доп. -М.: Энергоиздат, 1982.-560 с.

31. Енохович А.С. Справочник по физике и технике: Учеб.пособие для уча-щихся.-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Просвещение, 1989.- 224 с.

32. Зарубежный опыт //ЭИ., М.: ЦНИИТЭИлегпищемаш, №2, 1987.

33. Иванов О.П. Исследование и интенсификация теплообмена в конденсаторах холодильных машин. Дисс. .д-ра техн. наук. -J1.-1975.

34. Калнинь М.И., Смыслов В.И. Пути решения проблемы перевода бытовой холодильной техники на озонобезопасные хладагенты. //Холодильная техника. - 1995.-№1.-С.69-73.

35. Корниенко В.М. Повышение эффективности систем охлаждения путем применения гидратных аккумуляторов.Дисс.канд.техн.наук.- М.:1993

36. Кузма-Кичта Ю.А. Исследование теплообмена и механизма кипения на металлической поверхности без покрытия и с малотеплопроводным покрытием. Дисс .канд. техн. наук. -М.-1974.

37. Кузнецов Л.Г., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.И. «Повышение герметичности поршневых компрессоров и детандеров» .//Холодильная техника .№9, 1999, С24-25.

38. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. «Холодильные установ-ки».-СПб: Политехника, 2002, -576 с.

39. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.- М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 с.

40. Левкин В.В. Исследование влияния температурного уровня на показатели качества герметичных компрессоров бытовых холодильников и определение оптимальных методов их охлаждения: Автореф. дисс .канд. техн. наук.-М.: МТИ.-1981.-25 с.

41. Левкин В.В. Тепловые расчеты сборочных единиц бытовых холодильников. Шахты.: АП Полиграфист.-1994.-229 с.

42. Линберг А.Ф., Путилин С.А. и др. Исследование фреонового холодильного бесшатунного компрессора без смазки цилиндров. //Холодильная техника. - 1991.-№ 10.-С. 11-13.

43. Мазурин И.М. Выбор альтернативных хладагентов для бытовых холодильников. //Холодильная техника. - 1995.-№1.-С8-10

44. Максимов А.В. Повышение энергетической эффективности бытовых холодильников с системами охлаждения компрессора. Автореф. дисс .канд. техн. наук.-М., 1994. -23с.

45. Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин (теория и расчет). М.: Энергоатомиздат, 1995.- 160с.

46. Медникова Н.М., Пытченко В.П. и др. Аккумуляторы холода для систем хладоснабжения предприятий агропромышленного комплекса // Холодильная техника.-1987.-№4.-С. 10-16.

47. Морозов А.П. Опыт производства бытовых холодильников «Атлант» на хладагенте R134a. //Холодильная техника. - 1996.-№4.-С13-14.47.0нищенко В.П., Соколов В.А. и др. Аккумуляторы холода в системах хладоснабжения // Холодильная техника. 1991.-№2.- С. 15-18.

48. Пискунов В.В. Выставка "СЕМ-99" Электробытовая техника и товары для дома.//Холодильная техника .- №7, 1999, C33-34.

49. Пискунов В.В. Московский рынок бытовых холодильников в 1998г.//Холодильная техника .- №1, 1999, С14-17.

50. Пискунов В.В. Бытовая холодильная техника на международной выставке «СЕМ-96».- //Холодильная техника. 1996.-№5.-С.22-23.

51. Планирование и анализ эксперимента./Под ред. Тихомирова В.Б.-М.: Легкая индустрия, 1976.-263с.

52. Пластинин П.И., Конюхов В.А., Конюхов А.В. Перспективы развития поршневых компрессоров с управляемым законом перемещения поршня.//Холодильная техника,- №6, 1999, С9-10.

53. Плужников О.Н. и др. Повышение энергетической эффективности двухкамерных бытовых холодильников. //Холодильная техника. - 1991.-№2.-С.6-8.

54. Посеренин С.П. Повышение холодопроизводительности герметичных компрессоров бытовых холодильников: Автореф. дисс .канд. техн. на-ук.-М.: МТИ.-1985.-26 с.

55. Примеры расчетов по курсу «Холодильная техника» /Под ред. Н.Д. Ма-ловой. М.: Агропромиздат.-1986.-183 с.

56. Романович Ж.А. Исследование износостойкости кулисных компрессоров бытовых холодильников и разработка рекомендаций по повышению их долговечности: Автореф. дисс .канд. техн. наук.-М.: МТИ.-1980.-26 с. 9.

57. Романюк В.П. Бытовые холодильные приборы. -Комсомольск-на-Амуре, 2000.-54с.

58. Сафонов Г.П., Горлина Л.П. и др. Новый электроизоляционный материал для электродвигателей герметичных компрессоров. //Холодильная техника. - 1996.-№ 3.-С.13-14.

59. Соболев В.Е. Исследование надежности компрессоров бытовых холодильников: Автореф. дисс .канд. техн. наук.-М.: МТИ.-1973.-23 с.

60. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981.

61. Соловьев С.Л. Кипение и испарение жидкости на пористой поверхности. Автореф. дисс .д-ратехн. наук.-М.: 1998, -40с.

62. Справочник по электробытовым машинам и приборам. Под ред. Лир Э.В.- Киев: Техника, 1976.-272 с.

63. Сумзина Л.В. Повышение энергетической эффективности.: Дисс.канд. техн. наук: 05.02.13.-М., 1990.-193 с.

64. Теоретические основы хладотехники. Учеб. для студентов ВУЗов. Часть I. / Под ред. Э.И.Гуйго. М.:Колос,1994.- 289с.

65. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин /Под ред. Н.Н. Кошкина. Л.: Машиностроение (Ленингр.отд-ние).-1976.-461 с.

66. Устройство холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника / Бескоровайный А.В., Романович Ж.А. и др.: Патент Российской Федерации №2162576 Бюл. №3 от 27.01.2001 г.

67. Хасатани М. Тенденции и проблемы исследований по аккумуляции тепла //Пер. ВЦП.- №КЕ-52559 /Кагау Когау.- 1988.-Т.46.-№7 С.338-339.

68. Холодильные машины: Учеб. для вузов по специальности «Холодильные машины и установки»/Н.Н. Кошкин, А.И. Сакун и др.; Под общ.ред. А.И. Сакуна.-Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-ние, 1985.-510 с.

69. Холодильные машины: Учебник для студентов вузов специальности «Техника и физика низких температур»/А.В.Бараненко, Н.Н.Бухарин и др.; Под общ. ред. Л. С. Тимофеевского. СПб.: Политехника, 1997.-992 с.:ил.

70. Шелашова С.Jl., Барыкина Г.П. Энергетические характеристики бытовой холодильной техники. //Холодильная техника. - 1991.-№2.-С.9-11.

71. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. / Под ред. А.В.Лыкова. / М.: Иностр.лит-ра. -I960.- С264-275.

72. Шуйский В. П. Расчет электрических машин. Л.; Энергия, 1968.

73. Элементарный учебник физики /Под ред. П.С. Ландсберга.-Т. 1, «Нау-ка».-1967 г.- С.524.

74. Якобсон В. Б. Оценка технического уровня и оптимизация малых холодильных машин и компрессоров. // Холодильная техника № 6, 1975, с. 16-21.

75. Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. М.: Пищевая пром-сть.-1977.- 368 с.