автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Усовершенствованный метод расчета герметичного компрессора с использованием ограниченного количества испытаний на новом хладагенте-диметиловом эфире

Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана

На правах рукописи

Минашкин Михаил Григорьевич

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ГЕРМЕТИЧНОГО КОМПРЕССОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОГРАНИЧЕННОГО КОЛИЧЕСТВА ИСПЫТАНИЙ НА НОВОМ ХЛАДАГЕНТЕ - ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ.

05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Диссертация выполнена в Московском Государственном Техническом Университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Жердев А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пластинин П.И.

кандидат технических наук Махонин В. Д.

Ведущая организация: ОАО «Российский институт торгового

машиностроения»

«¿У » СО-СИЛ 2005 года в

Защита диссертации состоится «ь ? » СКп- г^Л_2005 года в

на заседании Диссертационного совета Д212.141.16 при Московском Государственном Техническом университете имени Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, корпус факультета «Энергомашиностроение».

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автореферат разослан « 2005 года.

Ученый Секретарь

Диссертационного Совета Д212.141.16 кандидат технических наук, доцент

Глухов С.Д.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Венская конвенция об охране озонового слоя (1985 г.) и дополняющий ее Монреальский протокол о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (1987 г.), Киотский протокол к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), другие международные и национальные документы послужили мощным толчком к интенсивной разработке альтернативных озонобезопасных хладагентов (обладающих низким озоноразрушающим потенциалом -ODP), предназначенных для замены в первую очередь хладагента Л -12, а впоследствии Л-22 и Л-134а.

Проведенный обзор литературы показал, что еще не найден хладагент, полностью удовлетворяющий всем требованиям экологии и одновременно отвечающий требованиям, предъявляемым к хладагенту по теплофизическим свойствам, необходимым для использования в холодильной технике.

Одним из перспективных направлений поиска явилось использование альтернативных, так называемых «природных» хладагентов, прежде всего углеводородов: пропана, н-бутана, изобутана, диметилового эфира и их смесей.

Углеводороды, как хладагенты, обладают рядом достоинств, прежде всего высокими термодинамическими свойствами, низкой себестоимостью, хорошей растворимостью в минеральных маслах, инертностью к большинству конструкционных материалов.

Если принять во внимание ГОСТ Р МЕК 66035-2-24-2001, разрешающий применение в России в бытовой холодильной технике углеводородов при массе заправки до 150 г, открываются перспективы широкого использования диметилового эфира (ДМЭ), исследование применения которого в качестве хладагента ведется в МГТУ им. Н.Э.Баумана более десяти лет.

Как правило, в малых парокомпрессионных холодильных машинах используются герметичные компрессоры, а в качестве дросселирующего устройства -капиллярная трубка.

Из проведенного обзора литературы следует, что большинство методик расчета характеристик малых холодильных герметичных компрессоров пригодны только для таких хладагентов, как R-12, R-22, R-502. До настоящего времени нет методики расчета, которая учитывала бы влияние внешних условий эксплуатации и особенности конструкции компрессора при использовании новых перспективных хладагентов.

Таким образом, в настоящее время актуальное значение приобретает проблема получения характеристик малых холодильных герметичных компрессоров расчетным путем при минимуме экспериментальных данных.

Цель работы: разработка и экспериментальное обоснование метода расчета характеристик малого холодильного герметичного компрессора с учетом особенностей его эксплуатации в составе холодильной машины на различных новых хладагентах с использованием ограниченного количества испытаний.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих методов расчета характеристик холодильных герметичных компрессоров и влияния свойств хладагента.

2. Разработка математического описания процессов в холодильном герметичном компрессоре и создание метода расчета его характеристик с учетом особенностей его эксплуатации.

3. Создание экспериментального стенда и проведение испытаний герметичных компрессоров на Л -12 и ДМЭ.

4. Анализ экспериментальных данных и сопоставление с расчетом характеристик холодильных герметичных компрессоров по предложенному методу.

Научная новизна.

1. Предложен и экспериментально подтвержден метод расчета характеристик холодильных герметичных компрессоров, учитывающий теплообменные процессы, проходящие под кожухом компрессора и с окружающей средой.

2. Впервые испытан компрессорно-конденсаторный агрегат ВН-315(2) на экологически безопасном хладагенте - ДМЭ.

3. Проведен сравнительный анализ энергетических характеристик холодильного герметичного компрессора для ДМЭ и R-12.

Практическая значимость.

1. Усовершенствованный метод расчета позволяет определить характеристики герметичного компрессора, использующего малоизученные хладагенты при минимальном объеме испытаний.

2. Определены области температур кипения, где ДМЭ и R-12 сопоставимы и области, где ДМЭ превосходит R-12 по объемной холодопроизводительности для исследованного типа машин.

3. Получены зависимости для расчета характеристик холодильного герметичного компрессора ВН-315(2) на R-12 и ДМЭ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Холодильные масла и маслофреоновые смеси» в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий, 2005г.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и приложений Работа содержит 123 страницы машинописного текста, 8 таблиц и 19 рисунков, список литературы.

Опубликовано две статьи по теме диссертации в научных журналах.

Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения, хорошей повторяемостью полученных результатов измерений параметров холодильной машины.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе при анализе литературы рассмотрены основные методы определения характеристик холодильных герметичных компрессоров. Наиболее распространены два метода. В первом - холодильный герметичный компрессор рассматривается как устройство, предназначенное для сжатия газообразного вещества -хладагента. Несовершенство процесса сжатия при этом принято характеризовать двумя коэффициентами: коэффициентом подачи Я и коэффициентом полезного действия Г)3 Если известны значения коэффициентов подачи компрессора X и коэффициента полезного действия , то при заданных параметрах хладагента на всасывании и степени сжатия могут быть определены все остальные характеристики компрессора. Второй способ заключается в определении энергетических показателей компрессора через его потребительские свойства: холодопроизводительность, потребляемую мощность, холодильный коэффициент и т.д. Эти характеристики определяются экспериментально по стандартным методикам.

После принятия Монреальского и Киотского протоколов появляется большое количество новых хладагентов, предназначенных для замены озоноразрушающих. В связи с этим для решения вопросов применимости агрегатов с герметичными

компрессорами, требуется проведение огромного объема экспериментов, так как существующие методики расчета не учитывают реальные условия эксплуатации холодильных герметичных компрессоров, а именно переменность режимов работы компрессора по температурам кипения, конденсации, всасывания в компрессор, температуре окружающей среды, температуре хладагента на всасывании в цилиндр, внешний и внутренний теплообмен.

Рассмотрено влияние физических свойств хладагентов на характеристики холодильных герметичных компрессоров. В настоящее время достаточно исследованы характеристики компрессоров, использующих хладагенты К-12, К-22 и К-502. Так, в работе Клименко Т.А. приведены результаты сравнительных испытаний компрессора ПГ-10 и проведен анализ влияния на величины коэффициентов & и таких свойств хладагента, как коэффициент адиабаты к, газовая постоянная К, удельная теплоемкость с , водяной эквивалент потока хладагента Ж = сгМа.

Для сравнительного анализа характеристик компрессоров, в настоящей работе приведены результаты пересчета энергетических характеристик холодильных герметичных компрессоров фирмы 'Т^п^ Hermetique" одинакового описанного объема Уи = 3.18м3/час, работающих на хладагентах К-12, К-22, К-502. Полученные результаты согласуются с результатами работы Клименко Т.А. В то же время, значения коэффициента подачи для хладагента К -12 существенно отличаются от значений коэффициентов подачи для хладагентов К - 22 и К - 502, особенно при больших степенях сжатия.

Также следует обратить внимание, что в разработанных методах расчета значения коэффициента подачи и электрического к.п.д. холодильных

герметичных компрессоров относят к параметрам хладагента на входе в герметичный кожух компрессора, которые также во многих случаях фиксированы, в то время, как в реальных условиях эксплуатации они могут изменяться в широком диапазоне как по температуре, так и по давлению.

Проведенный анализ имеющихся литературных данных показывает, что физические свойства хладагента оказывают существенное влияние на характеристики холодильных герметичных компрессоров. Однако, имеющихся данных недостаточно для того, чтобы разработать надежную методику для пересчета характеристик холодильного герметичного компрессора при переходе на новые альтернативные хладагенты. Таким образом, вопрос влияния физических свойств хладагента на характеристики холодильного герметичного компрессора требует проведения дополнительных исследований.

В первой главе также представлен обзор литературы по свойствам диметилового эфира и возможности его использования в качестве холодильного агента. В последнее время имеется несколько работ, посвященных изучению свойств диметилового эфира. Как следует из результатов исследований авторов этих работ, диметиловый эфир, как холодильный агент, близок к К -12 по таким свойствам, как объемная холодопроизводительность дг и температура кипения при нормальных условиях Ш менее значительный вывод - применение ДМЭ в качестве

холодильного агента не потребует изменения конструкции холодильной машины, хотя вопрос совместимости ДМЭ с конструкционными материалами изучен недостаточно.

На основе проведенного анализа литературы были сформулированы задачи исследования (см. стр.3).

Вторая глава посвящена моделированию характеристик малых холодильных герметичных компрессоров.

В основу метода расчета характеристик герметичного холодильного компрессора положена следующая физическая модель процесса сжатия хладагента

(рис.1): пары хладагента с температурой Т1 и давлением Р1 поступают под кожух компрессора, где изобарически смешиваются с находящимся там хладагентом и подогреваются до температуры Т,. Подогрев паров хладагента осуществляется за счет теплоты, отводимой от электродвигателя и части нагнетательного трубопровода, находящегося под кожухом компрессора. Далее пары хладагента с температурой 7)' поступают в цилиндр компрессора, где адиабатически сжимаются до давления конденсации Р2 и температуры адиабатического сжатия Т'2 и поступают в нагнетательный трубопровод; в нагнетательном трубопроводе пары хладагента охлаждаются от температуры адиабатического сжатия Т'2 до температуры Т2 выхода из компрессора, отдавая часть теплоты сжатия парам хладагента на всасывании в цилиндр через стенки нагнетательного трубопровода под кожухом компрессора. В результате теплообмена под кожухом и с окружающей средой, под кожухом компрессора установится температура Г/, которая может быть определена из балансового уравнения:

Для того, чтобы определить температуру по приведенному выше уравнению, необходимо вычислить количество теплоты 0ОС, отводимой от компрессора в окружающую среду и количество теплоты отводимой от

нагнетательного трубопровода, находящегося под кожухом компрессора. При известных внешних условиях охлаждения компрессора (как правило, это обдув воздухом вентилятором конденсаторного узла компрессорно-конденсаторного агрегата) предполагаем, что количество теплоты 0ОС, отводимой от компрессора в окружающую среду, пропорционально разности температур между температурой Т\ паров хладагента под кожухом компрессора (на входе в цилиндр компрессора) и температурой окружающей среды Тос:

Также предполагаем, что количество теплоты отводимой от

нагнетательного трубопровода, находящегося под кожухом компрессора, пропорционально разности температур между температурой адиабатического сжатия Т2 и температурой паров хладагента под кожухом компрессора Г/:

дн=кРн(Т'-г;)

Теплота, подводимая к всасываемым парам хладагента, находящимся пол кожухом компрессора, определится по формуле:

Таким образом, для определения фактической температуры паров хладагента на входе в цилиндр компрессора по результатам испытаний должны быть определены два эмпирических коэффициента к¥ос и к¥ш которые наряду с «внутренними» (т.е. отнесенными к параметрам хладагента на входе в цилиндр компрессора) коэффициентом подачи компрессора и полезного действия образуют полную систему эмпирических коэффициентов, необходимую и достаточную для определения всех внешних характеристик компрессора при переменных температурах паров на входе в компрессор и окружающей среды.

Получив в результате обработки данных испытаний зависимости эмпирических коэффициентов А, г)э, к¥ос, к¥и от степени сжатия компрессора (Г, температуры хладагента на всасывании в цилиндр компрессора Т\, расхода хладагента М, последовательность расчета характеристик компрессора состоит в следующем. По заданной температуре кипения Т0 определяется давление всасывания компрессора Р,, по температуре конденсации ТК определяется давление нагнетания компрессора Р2 степень сжатия компрессора <Х=/УР; Затем предварительно задается температура (7]')0 хладагента на входе в цилиндр компрессора. По заданным степени сжатия компрессора а и температуре хладагента на всасывании в цилиндр компрессора (Т'\ определяются коэффициент подачи Я и к.п.д. компрессора 173, которые определены в результате обработки результатов испытаний с использованием методики, описанной ниже. Определяется также расход хладагента через компрессор Ма и потребляемая электрическая мощность N.. Затем, подставляем полученные зависимости для 0ОС Чи и 01С в выражение (1):

Отсюда определяем следующее приближение температуры хладагента на всасывании в цилиндр компрессора. Если полученное значение этой температуры не совпадает с предварительно заданным значением , то по вновь полученному

значению температуры (Т/,)/, корректируются значения Я, 7/э, к¥ос, к¥т и расчет повторяется вновь в той же последовательности до тех пор, пока значение температуры определится с заданной степенью точности. Для подтверждения полученного значения температуры Г/, эта температура была проверена экспериментально в результате испытаний (см. главу 3).

Далее последовательно определяются остальные характеристики: холодопроизводительность нагрузка на конденсатор холодильный

коэффициент и т.д.

Термодинамические свойства хладагента К-12 определялись с использованием вириального уравнения состояния Боголюбова-Майера, а для диметилового эфира с использованием уравнения Редлиха-Квонга в модификации Соаве, согласно методу, предложенному Жердевым А А.

Для получения эмпирических зависимостей для коэффициентов Я, т]э, к¥ОС, к¥и необходимо для каждого режима испытании определить расход хладагента Ма), коэффициент подачи Яу, степень сжатия ст1 , электрический к.п.д. компрессора г)31 :

я=ят+яд1т',+(&,<,+я„т; )<?+( я20+ялг; ^2; Ъ = 7™ + 7о/г! + (1,0 + Ч„*\+ Г Ъо + 7^ V •

Искомые коэффициенты Яу, щ определяются по методу наименьших квадратов из условия обеспечения минимального значения среднеквадратичных отклонений:

Необходимым условием минимума является равенство нулю частных

производных по искомым коэффициентам Я^, Т],у.

д1± = 0 и ^- = 0, где 1=0,1,2;М, 1.

(2)

ЭЛ, дг1у

Коэффициенты к¥ОС и к¥и аппроксимируем линейными функциями расхода хладагента М

кРи =а2+Ь2Мй,

где коэффициенты а,, Ь,, а2, Ь2 определяем по методу наименьших квадратов из условия минимальных значений среднеквадратичных отклонений

( ]1 1 (1 - 1' ^ ¡ссА1 и 1И = -I {а1+Ь2Мч-кРН1)

1-1 ) I ш ¡.1

Необходимым условием минимума 1ОС, 1и является равенство нулю частных производных

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию характеристик герметичного холодильного компрессора. Для проведения экспериментов был создан стенд, принципиальная схема которого приведена на рисунке 2.

Функционально экспериментальный стенд представляет собой однокаскадную парокомпрессионную холодильную машину, в которой роль тепловой нагрузки выполняет электрический калориметр. Экспериментальный стенд оборудован вакуумным постом, обеспечивающим остаточное давление в теплоизоляционных полостях 1 х 10-3 ... 1 х 10-4 мм рт. ст. и контрольно-измерительным комплексом. Перечень контролируемых параметров приведен в таблице 1.

В качестве объекта испытаний был выбран герметичный холодильный компрессор компрессорно-конденсаторного агрегата ВН-315(2)

Для сравнения результатов испытаний с расчетными значениями, проводилось измерение температуры хладагента под кожухом компрессора Для этого в кожух компрессора впаяны две гильзы, в которых были опущены две термопары Методика проведения испытаний заключалась в следующем Для исключения из расчетов при обработке результатов испытаний систематической погрешности - теплопритоков к испарителю из окружающей среды, на первом этапе были определены теплопритоки к испарителю - электрическому калориметру Определена зависимость теплопритоков из окружающей среды к калориметру

вт=-0,2з\Т>+Т°+Т>+Т'°-Т(

-10_Таблица 1

№ поз Наименование контролируемого параметра Условное обозначение

1 2 3

1 Давление хладагента на всасывании в компрессор Рз

2 Давление хладагента на нагнетании компрессора Рн

3 Давление хладагента на входе в электрический калориметр Pi

4 Давление хладагента на выходе из электрического калориметра PI

5 1 емпература хладагента на всасывании в компрессор т,

6 1емпература хладагента на выходе из компрессора Tu

7 Температура хладагента на выходе из компрессорно-конденсаторного агрегата т2

8 Температура хладагента на выходе из регенеративного теплообменника 7V

9 Температура хладагента на выходе из дросселирующего вентиля Г,

10 Температура хладагента на входе в электрический калориметр т?,т9

11 Температура хладагента на выходе из электрического калориметра Та, Т/о

12 Температура хладагента низкого давления на входе в регенеративный теплообменник Тб

13 Температура хладагента низкого давления на выходе из регенеративного теплообменника Т3

14 Температура хладагента под кожухом компрессора Г, Т12, Т,з

15 Ток, потребляемый компрессорно-конденсаторным агрегатом 1л, h, к

16 Напряжение питания компрессорно-конденсаторного агрегата UA, ив, ис

17 Мощность, потребляемая компрессорно-конденсаторным агрегатом WA, Wb, Wc

18 Ток, потребляемый электрическим калориметром, постоянный IK

19 Напряжение питания электрического калориметра UK

20 Температура окружающей среды Toc

Испытания проводились в следующей последовательности После пуска агрегата устанавливалось давление на всасывании в компрессор и на установившемся режиме проводилось измерение параметров

Обработка результатов испытаний проводилась по методике, аналогичной изложенной в главе 2

Расход хладагента определялся по формуле

г6 - энтальпия хладагента на выходе из испарителя, - энтальпия на входе в дросселирующий вентиль

Холодопроизводительность холодильной машины определялась как сумма мощности Ык=1кик, потребляемой калориметром и теплопритоков Цт к испарителю -электрическому калориметру

Удельная холодопроизводительность цикла определялась по следующей зависимости

Чи=16-1'4, где энтальпия ц определялась по давлению Р2 на выходе из испарителя и температуре Тб хладагента обратного потока на входе в регенеративный теплообменник Значение энтальпии ¡'4 на входе в дроссельный вентиль определялось по состоянию насыщения при температуре, фиксируемой термометром сопротивления Т, который установлен на выходе из регенеративного теплообменника

Для определения мощности, потребляемой компрессором, использовалась следующая зависимость

- мощность, потребляемая компрессорно-конденсаторным агрегатом по каждой фазе,

- мощность, потребляемая вентилятором конденсатора Проведена оценка погрешности измерений Проведенный анализ по всем измеряемым параметрам показал, что максимальные относительные погрешности измеряемых величин не превышают 5-6%

Проведены испытания и анализ результатов испытаний компрессора на хладагенте К-12 по методике, описанной выше После обработки результатов испытаний на К-12 получены следующие зависимости 77 + 14 31т', +<т(2 07 -2 42т')

Пзыг =-2 79 + 3 57т', + а(0 41-0 47т')

При этом среднеквадратичная погрешность аппроксимации соответственно составила

д(Яй12) = 5 63% и 5(г]жп)-2 64%

Сопоставление экспериментальных и рассчитанных с помощью аппроксимирующих зависимостей значений коэффициента подачи и электрического

КПД компрессора Г1Э представлено в таблице 2

__ Таблица 2

№ режима 4 К Ъо Ър

1 0,44 0,437 0,61 0 323 0,316 3,1

2 0,424 0,461 -8,86 0,3 0,309 -3,06

3 0,43 0,482 -12,16 0,306 0,324 -5,9

4 0,443 0,455 -2,69 0,317 0,319 -0,63

5 0,442 0,455 2,88 0,316 0,319 0,84

6 0,446 0,441 1,15 0,301 0309 -2,68

7 0,466 0,413 11,37 0,314 0,313 0,36

8 0,489 0,486 0 62 0 323 0,321 0,47

9 0,521 0,505 2,97 0,336 0,33 1.».

10 0,512 0,501 2,08 0,317 0,315 0,77

11 0,536 0,518 3,4 0,337 0,322 4,53

12 0,511 0,495 3,04 0,318 0,313 1,68

13 0,423 0,432 2,19 0,308 0,310 0,74

Для коэффициентов кИ0(: и к.Рц были получены следующие зависимости

При этом среднеквадратичные погрешности аппроксимации составили

Сопоставление экспериментальных и полученных в результате расчета параметров приведены в таблице 3

Среднеквадратичные погрешности сопоставления экспериментальных и рассчитанных М„, N3, Т[, Тц с помощью эмпирических зависимостей для Л„ц, т!эпп, (Щх)ш2> (№н)яи соответственно составили

Таблица 3

№ реж т,/т; мээ Мэр Т,э з{Т;) Тцэ Тцг

■ Вт Вт % К К % К К %

1 0,892 210 220,68 -5,09 335,51 333,25 5,53 341,68 340,63 2,22

2 0,908 255 264,05 -3,55 333,53 338,51 -13,4 349,42 352,31 -5,44

3 0,895 260 275,24 -5,86 339,57 339,57 0 352,47 354,53 -3,7

4 0,894 240 246,23 -2,6 338,43 337,68 1,82 349,89 349,44 0,85

5 0,894 240 246,24 -2,6 338,47 337,74 1,76 349,89 349,52 0,71

6 0,905 222,5 205,97 7,43 330,99 333,14 -6,06 337,46 337,08 0,9

7 0,895 237,5 217 8,63 336,66 335,0 4,11 344,02 341,46 5,36

8 0,896 280 280,02 -0,01 338,36 337,42 2,09 351,06 352,41 -2,34

9 0,893 302,5 299,43 1,01 341,05 339,09 4,15 354,11 355,68 -2,61

10 0,902 312,5 308,97 1,13 335,65 336,26 -1,36 352,93 352,74 0,3

11 0,903 330 334,65 -1,41 337,67 338,32 -1,35 357,16 356,36 1,19

12 0,905 315 311,63_1 1,07 335,07 336,3 -2,73 353,4 352,96 0,69

13 0,894 200 207,94 -3,97 333,75 332,02 4,4 337,69 336,75 2,19

Таким образом, сопоставление экспериментальных и расчетных значений параметров работы герметичного холодильного компрессора ВН-315(2) на хладоне К-12 в целом подтверждают применимость изложенной в гл2 методики расчета характеристик герметичных холодильных компрессоров при переменных условиях эксплуатации Характеристики рассчитаны с помощью изложенной выше методики и будут использованы в дальнейшем для сравнения этих характеристик с характеристиками компрессора при работе на диметиловом эфире

Проведены испытания и анализ результатов испытаний компрессора на ДМЭ Испытания проводились по методике, изложенной вьппе После обработки испытаний на ДМЭ получены следующие зависимости

Лдмэ = ~6 + 9 + <т(1465-1 897г]), Г}эдмэ = -б 542 + 8 654т) +сг(1 345-1 701т])

При этом среднеквадратичная погрешность аппроксимации соответственно составила

5(1^ ) = 5 82% и 8(Ътэ ) = 5 71%

Сопоставление экспериментальных и рассчитанных зависимостей значений коэффициента подачи и электрического КПД компрессора цэ представлено в таблице4

Таблица 4.

№ режима лэ А, 7ээ Чэр ё{т1э),%

1 0,293 0,265 9,33 0,202 0,187 7,25

2 0,288 0,309 -7,14 0,193 0,204 -6,12

3 0,321 0,342 -6,62 0,206 0,223 -8,04

4 0,44 0,416 5,57 0,274 0,267 2,55

5 0,451 0,426 5,55 0,293 0,273 6,97

6 0,452 0,442 2,21 0,289 0,282 2,55

7 0,448 0,457 -1,88 0,286 0,291 -1,76

8 0,441 0,472 -6,9 0,281 0,301 -7,2

9 0,498 0,465 6,71 0,324 0,299 7,75

10 0,389 0,414 -6,47 0,253 0,268 -5,79

11 0,486 0,466 4,2 0,316 0,301 4,7

12 0,479 0,487 -1,6 0,314 0,316 -0,89

13 0,467 0,495 -5,83 0,306 0,324 -5,99

Для коэффициентов к¥Ос и к¥и были получены следующие зависимости:

(крос)дю = 4.961 +1001. (№н )дю =0203 +1062 2Ма.

Среднеквадратичные погрешности аппроксимации соответственно составили:

Сопоставление экспериментальных и полученных в результате расчета параметров приведено в таблице 5

_____________ Таблица 5.

№ реж. Г,/77 ^зз Т'п 7" ¿(ту) Тиг

. Вт Вт % К К % К К %

1 0,895 200 191,4 4,3 331,49 328,73 7,44 335,11 327,45 18,84

2 0,891 222,5 222,7 -0,1 334,26 333,74 2,11 340,04 338,06 4,43

3 0,892 245 240,8 1,71 334,97 335,19 -0,53 343,79 343,91 -0,24

4 0,895 285 274,79 3,58 334,47 333,48 2,33 347,07 348,54 -2,66

5 0,896 290 292,95 -1,02 335,48 335,33 0,35 350,82 351,75 -1,58

6 0,899 287,5 286,97 0,18 333,19 332,96 0,53 347,78 349,21 -2,5

7 0,899 307,5 306,53 0,32 335,07 334,59 1,07 351,53 352,14 -1,0

8 0,900 325 322,83 0,67 336,67 335,93 1,63 354,58 354,43 ^ 0,24

9 0,899 337,5 340,31 -0,83 339,59 338,28 2,7 358,33 357,65 1,01

10 0,900 247,5 247,9 -0,17 330,23 331,23 -2,62 341,91 343,97 -4,16

11 0,902 360 357,68 0,64 342,18 344,22 -4,42 363,72 364,69 -1,43

12 0,902 370 369,12 0,24 343,43 344,36 -1,96 365,83 365,37 0,66

13 0,900 385 382,07 0,76 345,63 345,48 0,3 367,47 367,04 0,6

Среднеквадратичные погрешности сопоставления экспериментальных и

рассчитанных с помощью эмпирических зависимостей для 7адао> (^ос^диэ'

(к^н )дмЭ для М, Г„Ти соответственно составили:

На рисунке 3 представлено сопоставление коэффициентов (А/^ и в качестве независимой переменной принято

произведение ср Ма.

1 1 , 1

1.

1 - —

—- ч«с ■

1

I

1 1 ,1

1 1 г—^

1 1.1

' 05 075 0 /» 15 175 с,И

Из анализа экспериментальных данных видно, что отношение температуры на всасывании в компрессор Т1 к температуре хладагента под кожухом компрессора Г/ величина практически постоянная и не зависит от режима работы для К-12

~ = 0 892 0 908, для ДМЭ ^ =0,891-0,902 В связи с вышесказанным методика

расчета характеристик холодильного герметичного компрессора может быть упрощена В целом же проведенное сопоставление результатов испытаний и расчета показывает, что предложенная методика с достаточной для инженерной практики точностью обеспечивает расчет характеристик герметичного холодильного компрессора при работе на диметиловом эфире и хладагенте К-12 и может быть применена при использовании других хладагентов

На рис 4 представлены рассчитанные с помощью изложенной выше методики зависимости холодильного коэффициента Е от температуры кипения для хладагента К-12 ж ДМЭ при ^ = +35°С, 10с = +20С

Анализ графиков показывает, что при температурах кипения 1>-12,5°С, холодильный коэффициент диметилового эфира выше, чем холодильный коэффициент для хладагента К-12 В диапазоне температур кипения 1==-15°С -10°С, что характерно для среднетемпературных герметичных холодильных компрессоров, по своей эффективности хладагенты К-12 и диметиловый эфир сопоставимы Для высокотемпературных герметичных холодильных компрессоров диметиловый эфир превосходит по эффективности и по объемной холодопроизводительности хладагент К-12

! 1 ( !

! 1 1 ! 1

е*!2 1

_ —'""

1

Рис 4 Сопосто&ление холодильного козмщнент оргрнрг'шианого шло а*я комлоессово но £Ю и К-1с' при грплерог^р? конйенсои^ tlf~+35sC тенпроотцср пнр эх 01)1* рй со оду {

-га

45

и Л

1. Разработан и обоснован метод расчета характеристик холодильного герметичного компрессора на новых хладагентах с ограниченным объемом испытаний, основанный на введении наряду с коэффициентами подачи и электрического к.п.д. компрессоров двух коэффициентов, учитывающих теплообмен хладагента под кожухом компрессора с окружающей средой и нагнетательным трубопроводом, показано, что эти коэффициенты являются линейными функциями расхода.

2. Проведено экспериментальное исследование характеристик холодильного герметичного компрессора ВН 315(2) на хладагентах R-12 и диметиловом эфире; получены эмпирические зависимости для расчета характеристик герметичного компрессора со среднеквадратичной погрешностью аппроксимации экспериментальных данных:

6(Х)=5.63...5.82%\ ё{цэ )=2.64...5.71%; б{кРк)=3.31...6.88%-, 3{кР„)= 3.13.. 3.66%.

3. Сравнительный анализ энергетических характеристик холодильного герметичного компрессора при работе на хладагенте R-12 и диметиловом эфире показывает, что в диапазоне температур кипения -15°С...-10°С эти хладагенты сопоставимы; для более высоких температур кипения диметиловый эфир превосходит хладагент R-12 по эффективности и объемной холодопроизводительности.

4. По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что отношение температуры на всасывании в компрессор Т\ к температуре хладагента под кожухом компрессора Г/ - величина, практически независящая от режима работы: для

К -12 р = 0,892 .0,908, для ДМЭ р =0,891 0,902, в связи с чем методика расчета

характеристик холодильного герметичного компрессора упрощается.

Литература:

1.«Расчет характеристик холодильных герметичных компрессоров», Вестник МГТУ, 2005 г., Специальный выпуск "Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения".

2. «Моделирование характеристик малых холодильных машин», Вестник МГТУ, 2005 г., Специальный выпуск "Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения".

Подписано к печати ¿".ИЧ 05Зак. 11?Объем 1.0 п л. Тир. 100 Типография МГТУ им. Н.Э Баумана

os.cx - of. об

" 693

1 » . , С à

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ методов описания характеристик холодильных герметичных компрессоров. Постановка задач исследования.

1.1.Методы описания характеристик холодильных герметичных компрессоров.

1.2.Влияние физических свойств хладагентов на характеристики холодильных герметичных компрессоров.

1.3.Диметиловый эфир как холодильный агент.

1.4 .Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. Моделирование характеристик малых холодильных герметичных компрессоров.

2.1. Моделирование и методика расчета характеристик холодильных малых герметичных компрессоров.

2.2. Расчет термодинамических свойств хладагентов.

2.3. Методика расчета эмпирических коэффициентов kFoc, kFH, Я, tj3.

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования характеристик холодильного герметичного компрессора.

3.1. Экспериментальный стенд для исследования характеристик холодильного герметичного компрессора.

3.2. Объект испытаний, методика проведения и обработки результатов испытаний.

3.3. Оценка погрешностей измерений.

3.4. Анализ результатов испытаний холодильного герметичного компрессора на хладагенте R-12.

3.5. Анализ результатов испытаний холодильного герметичного компрессора на диметиловом эфире.

Выводы

Венская конвенция об охране озонового слоя (1985 г.) и дополняющий ее Монреальский протокол о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (1987 г.) и о временном и количественном ограничении применения веществ, имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя, Киотский протокол к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), другие международные и национальные документы послужили мощным толчком к интенсивной разработке альтернативных озонобезопасных хладагентов (обладающих низким озоноразрушаюбщим потенциалом - ODP), предназначенных для замены в первую очередь хладагента R-12 ,в последующем R-22.

Одним из перспективных направлений поиска явилось использование в качестве альтернативных так называемых «природных» хладагентов, прежде всего углеводородов: пропана, н-бутана, изобутана, диметилового эфира и их смесей.

Углеводороды, как хладагенты, обладают рядом достоинств: высокими термодинамическими свойствами, низкой себестоимостью, хорошей растворимостью в маслах, инертностью к большинству конструкционных материалов и др.

Существенным недостатком углеводородов, ограничивающим их широкое применение, является высокая пожаро- и взрывоопасность. Несмотря на это, они достаточно широко применяются в нефтехимии в промышленных холодильных установках, а в последнее время и в бытовых холодильниках, для которых характерна малая величина заправки хладагента (ГОСТ Р МЭК 66035-2-24-2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов при ограниченной массе заправки - до 150 г).

Одним из наиболее перспективных углеводородов в качестве хладагента является диметиловый эфир, особенно для транспортных холодильных установок, поскольку может использоваться в качестве экологически чистого моторного дизельного топлива.

Широкие исследования по применению диметилового эфира в качестве хладагента проводятся на кафедре «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э.Баумана. Разработаны методы расчета термодинамических свойств и циклов на диметиловом эфире, созданы опытные образцы транспортных холодильных установок, проведены исследования по применению диметилового эфира в бытовых холодильниках и морозильниках. В то же время особенности работы холодильных герметичных компрессоров, теплообменной аппаратуры на диметиловом эфире изучены недостаточно.

выводы.

1. Разработан и обоснован метод расчета характеристик холодильного герметичного компрессора на новых хладагентах с ограниченным объемом испытаний, основанный на введении наряду с коэффициентами подачи и электрического к.п.д. компрессоров двух коэффициентов, учитывающих теплообмен хладагента под кожухом компрессора с окружающей средой и нагнетательным трубопроводом; показано, что эти коэффициенты являются линейными функциями расхода.

2. Проведено экспериментальное исследование характеристик холодильного герметичного компрессора ВН 315(2) на хладагентах R-12 и диметиловом эфире; получены эмпирические зависимости для расчета характеристик герметичного компрессора со среднеквадратичной погрешностью аппроксимации экспериментальных данных:

5{Х) = 5.63. .5.82%; б(пэ) = 2.64.5.71%;

S(kFoc) = 3.31.6.88%;

S{kFH)=3.13.3.66%.

3. Сравнительный анализ энергетических характеристик холодильного герметичного компрессора при работе на хладагенте R-12 и диметиловом эфире показывает, что в диапазоне температур кипения -15°С.-10°С эти хладагенты сопоставимы; для более высоких температур кипения диметиловый эфир превосходит хладагент R-12 по эффективности и объемной холодопроизводительности.

4. По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что отношение температуры на всасывании в компрессор Т, к температуре хладагента под кожухом компрессора Г/ - величина, практически не Т зависящая от режима работы: для R-12 —1 = 0.892.0.908, для ДМЭ Т

0.891.0.902, в связи с чем методика расчета характеристик Т] холодильного герметичного компрессора упрощается.

1. Холодильные компрессоры: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.- 421 с.

2. Френкель М.И. Поршневые компрессоры 3-е изд.: — Л.: Машиностроение, 1969. — 398 с.

3. Якобсон В.Б. Малые холодильные машины М.: Пищевая промышленность, 1977.-291 с.

4. Якобсон В.Б. Тепловой расчет и обобщенные характеристики малых холодильных компрессоров // Холодильная техника. 1970. - №3. — С.23-29.

5. Якобсон В.Б. Теплообмен холодильных компрессоров с окружающей средой // Холодильная техника. — 1965. — №5. С. 18-26.

6. Быков А.В. Энергетическая эффективность низкотемпературных холодильных компрессоров // Холодильная техника. — 1974. — №7. С. 3136.

7. Быков А.В. Исследование рабочего процесса низкотемпературных малых поршневых герметичных компрессоров с целью повышения их эффективности: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Москва, 1979. — 154 с.

8. Виденов И.И. Исследование тепловых процессов в герметичных фреоновых компрессорах: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Одесса, 1974. — 134 с.

9. Виденов И.И. Влияние к.п.д. встроенного электродвигателя на характеристики герметичного компрессора // Холодильная техника. 1973. -№1.-С. 30-37.

10. Клименко Т. А. Исследование низкотемпературных высокооборотных герметичных компрессоров: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Москва, 1980. 163 с.

11. Шавра В.М. Влияние перегрева всасывающего пара на работу фреонового компрессора // Холодильная техника. 1963. - №1. — С. 4-12.

12. Элькин И. А. Влияние зазора поршень^цилиндр на характеристики герметичного компрессора // Холодильная техника. 1966. - №2.-С. 14-22.

13. Дорош B.C. Механические потери в высокооборотных герметичных компрессорах // Холодильная техника. — 1976. №12. - С. 4148.

14. Lenguth М. Lustandsanderungen und Warmeaust taush in einem Kaltehompressor uncldessen Energiebilanz // Luft und Kaltetechnic. 1970. -№1.-5. 42-44.V

15. Зеликовский И.Х. Каплан Л.Г. Малые холодильные машины и установки М.: ВО Агропромиздат, 1989. - 235 с.

16. Стандарт ASHRAE 41.9. Standart Method of Measurement of Fluid Flow.-1999.-40 c.

17. Стандарт EN 12900. Compresseurs pour fluid frigorigenes. Conditions de determination des csrscteristiques, tolerances et presentation des performances du fabricant AFNOR. 1999. — 32 c.

18. ГОСТ 17008-85. Компрессоры холодильные герметичные. Общие технические требования. -М., 1985. — 38 с.

19. Температурные режимы испытаний малых герметичных холодильных компрессоров / И.А. Афанасьева, И.М. Калнинь, В.И.Смыслов, К.Н. Фадеков // Холодильная техника. 2003. - №2. - С. 3948.

20. Хмельнюк М.Г. Научно-технические основы совершенствования малых холодильных машин (альтернативные хладагенты, схемные решения): Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. — Одесса!, 2003. 23 с.

21. L'UNITE HERMETIQUE. Герметичные компрессоры и агрегаты: Общий каталог. М., 1999. - 12 с.

22. Кобулашвили Ш.Н. Холодильная техника: Энциклопедический справочник. Т.1 -М.: Госторгиздат, 1960. — 534 с.

23. Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода) М.: Энергоатомиздат, 1995. - 231 с.

24. Диметиловый эфир рабочее тело холодильных машин / А.А. Жердев, С.Д. Глухов, А.В. Поляков, А.В. Шарабурин // Вестник МГТУ имени Н.Э.Баумана. Серия Машиностроение. — 2002. - Специальный выпуск. — С. 43-53.

25. Использование диметилового эфира как моторного топлива и хладагента / A.M. Архаров и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. - №6. - С. 12-28.

26. Funer V., Mitt. D. Teil Methylather Kaltetechnik Inst TH Karlsruhe: 1948.-87 p.

27. Поляков А.В. Применение диметилового эфира в качестве рабочего тела холодильных установок дизельных авторефрижераторов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. технических наук. Москва, 2001. - 25 с.

28. Жердев А.А. Разработка и исследование холодильных установок с использованием в качестве рабочих тел экологически безопасных газомоторных топлив: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2004. — 38 с.

29. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. 3-е изд. — JL: Химия, 1982. — 235 с.

30. DEA Mineraloel LG. Information about company and production. -2003.- 14 p.

31. Braker W. Mossman Matheson Gas Data Book. Sixth Edition-New York; 1997.-32 p.

32. Цветков О.Б. Природные холодильные агенты углеводороды //Холодильная техника. - 2002. - №7. - С. 23-30.

33. Шарабурин А.В. Исследование диметилового эфира и смесей хладонов R-22, RC-318 и R-142b для замены" R-12 в промышленных и бытовых холодильных установках: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — 2004. — 22 с.

34. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Перспективы и проблемы применения углеводородов в качестве хладагентовч

35. Холодильная техника. 2002. - №7. - С. 41-49.

36. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред М.: Энергия, 1968.-378 с.

37. Нестационарный теплообмен / В.К. Кошкин, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, Ярхо С.А. — М.: Машиностроение, 1973. 435 с.

38. Гантмахер. Теория матриц —М.: Наука, 1979. 452 с.

39. Ландау, Лифшиц. Механика сплошных сред -М.: Наука, 1982.233 с.

40. Бадылькес И.С. Свойства холодильных агентов М.: Пищевая промышленность, 1974.— 323 с.

41. Перельштейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов М.: Пищевая промышленность, 1984. - 433 с.

42. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей -Л.: Химия, 1982. 3-е изд. - 345 с.

43. Бер. Техническая термодинамика —М.: Наука, 1983. — 455 с.

44. Жердев А. А. Определение термодинамических свойств хладагентов с помощью уравнения состояния Редлиха-Квонга // Вестник Международной академии холода. М.—2002. - № 2. — С. 56-62.

45. ТО атд 2.710.003. В7-21А. Вольтметр универсальный. М., 1988.-20 с.

46. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы М.: Энергия, 1978. - Изд. 3. - 144 с.

47. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений М.: Изд. стандартов, 1973. - 89 с.

48. Лавров Н.А.; Маринин Ю.В. Поверочный расчет холодильной машины // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение -2002. Специальный выпуск. - С. 28-34.

49. Бадылькес И.С. Рабочие вещества и процессы холодильных машин М.: Государственное издательство торговой литературы, 1962. -96 с.