Метод аналитического расчета температуры сборочных единиц фреонового компрессора с интенсивной системой охлаждения

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Механика

Чепига И.Н., Харламова С.П.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

г. Шахты, Россия

МЕТОД АНАЛИТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ СБОРОЧНЫХ ЕДЕНИЦ ФРЕОНОВОГО КОМПРЕССОРА С ИНТЕНСИВНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ.

Для аналитического расчета температуры сборочных единиц компрессора бытового холодильника с интенсивной системой охлаждения, [1,2] использован метод балансных уравнений, надёжность которого подтверждена результатами теплоэнергетических испытаний хладонового компрессора на колориметрическом стенде лаборатории кафедры МАБН ЮРГУЭС.

Температурный уровень каждой сборочной единицы определяется результирующим тепловым потоком процессов теплообмена между всеми сборочными единицами и теплоносителями, обусловленным джоулевым тепловым потоком, тепловым потоком трения, теплопроводности и тепломассопереноса. Уравнение теплового баланса для каждой сборочной единицы выражает связь между её теплосодержанием и результирующим тепловым потоком.

Балансные уравнения составлены для функциональных основных единиц компрессора, влияющих на его температурный режим: электродвигателя, корпуса, поршня, вала, кожуха, масла, хладона в цилиндре, хладона в нагнетательной полости, хладона в глушителе нагнетания, хладона в нагнетательной трубке.

Система балансных уравнений составлена на основе анализа направления тепловых потоков в кожухе компрессора и имеет вид:

Электродвигатель (дв)

Корпус (к)

C_к·dt_к/dτ=δ_к·Q_Tp-(αF) _к,гл.вс ·( t_к-t_гл.)+(αF) _{гл.наг.к} ·(t_гл-t_к)+(αF)_п,к·(t_п- t_к)+(αF)_ц,к·(t_ц-t_к)-(αF)_к,дв ·(t_к-t_дв)-(αF)_к,м·(t_к-t_м)-(αF)_{к, хл}·(t_к-t_хл);

Поршень-вал

C_п·dt_п/dτ=δп·Q_тр+β_п·ψ ·l_к+(αF)_ц,п·(t_ц –t_п)-(αF)_4,п·(t₄-t_п)-(αF)_п,дв·(t_п-t_дв)-(αF)_п,к·(t_п-t_к)-(αF)_п,м·(t_п-t_м)-(αF)_п,хл·(t_п-t_хл);

Кожух (кж)

Масло (м)

C_м·dt_м/dτ=(αF)_к,м ·( t_к-t_м.)+(αF)_ц,м ·(t_ц--t_м)+(αF)_п,,м·(t_п- t_м)+(αF)_гл.вс,м·(t_гл-t_м)+(αF)_{гл.наг.м} ·(t_гл-t_м)+(αF)_нп,м·(t_нп-t_м)+(αF)_тр,м·(t_тр-t_м) +(αF)_м.хл·(t_м- t_хл)-(αF)_гл.вс,м·(t_гл-t_м)-(αF)_м.кж·(t_м-t_кж) ;

Пары хладона в глушителе всасывания

C₂-dt₂/dτ=G_a ·с_р · t₁-G_а·с_р·t₂+ (αF)_гл.вс,2 ·( t_гл.вс-t₂);

Пары хладона во всасывающей полости

С₃ ·dt₃/dτ= G_a ·с_р · t₂-G_а·с_р·t₃- (αF)_всп.3 ·( t_асп-t₃);

Пары хладона в цилиндре

C₄·dt₄/dτ= G_a ·с_р · t₃-G_а·с_р·t₄+l_к ·(1-ψ)+(αF)_ц.4 ·( t_ц-t₄);

Пары хладона в нагнетательной полости

C₅·dt₅/dτ=G_a·C_p·t₄-G_а ·C_p ·t₅ - (αF)_5.нп · (t₅ – t_нп);

Пары хладона в глушителе нагнетания

C₆·dt₆/dτ=G_a·с_р·t₅-G_a·с_р ·t₆- (αF)_{6.гл.наг} · (t₆ -t _гл.наг);

Пары хладона в нагнетательной трубке

C₇·dt₇/dτ=G_a·с_р ·t₆ - G_a·c_p·t₇ - (αF)_7,тр · (t₇ –t_тр).

В системе балансных уравнений : С- удельная массовая теплоемкость, ; τ- время, с; F- площадь поверхности таплообмена, м²; G – массовая производительность компрессора, кг/с; α- коэффициент теплоотдачи, ; N_э- мощность компрессора, Вт; β_п- доля тепла при теплообмене поршень-вал; δ_к, δ_п- доля теплоты трения, отдаваемой соответственно корпусу и поршню-валу; ψ- коэффициент, характеризующий часть работы компрессора в тепловом эквиваленте в процессе теплообмена паров рабочего тела со стенками цилиндра и поршня; t_хл, t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆, t₇- соответственно температуры хладона в кожухе, глушителе всасывания, во всасывающей полости, в цилиндре, в нагнетательной полости, в глушителе нагнетателя, в нагнетательной трубке, ⁰С; t_дв, t_ос, t_к, t_п, t_гл.вс, t_гл.наг, t_м, t_ц, t_кж, t_нп, t_вс.п- соответственно температуры электродвигателя, окружающей среды, корпуса компрессора, поршня, глушителя всасывания, глушителя нагнетания , масла, цилиндра, кожуха, нагнетательной полости, всасывающей полости.

Для решения системы уравнений используется пакет компьютерных программ системы GAUSS.

С целью одинаковой формы записи балансных уравнений при математической записи уравнения теплового потока теплопроводностью в металлических конструкциях было введено обозначение:

где α - коэффициент теплообмена теплопроводностью, ;

λ_э - эквивалентный коэффициент теплопроводности материала конструкции,;

δ - расстояние по нормали между изотермическими поверхностями конструкции, м.

Коэффициенты теплоотдачи конвективного теплообмена, α входящие в балансные уравнения, рассчитывались по критериальным уравнениям в зависимости от условий и особенностей процессов теплообмена между поверхностью сборочной единицы компрессора и теплоносителем [3,4]:

При ламинарном режиме движения -:

при турбулентном режиме движении

Увеличение коэффициента теплоотдачи в изогнутых каналах за счет турбулизации потока под действием центробежных сил в местах поворота учитывалось поправочным коэффициентом:

где R- радиус поворота канала, м.

При свободной конвекции паров хладона и масла в кожухе компрессора и окружающего воздуха возле наружных поверхностей кожуха:

возле горизонтальной поверхности трубки при - ламинарный режим движения:

возле вертикальной поверхности трубы высотой h при - ламинарный режим движения:

при - турбулентный режим движения:

при поперечном обтекании одиночной, круглой трубы спокойным нетурбулизированным потоком при

где - коэффициент, учитывающий влияние направления движения среды относительно оси трубы (угол атаки φ).

В уравнениях: R_e, G_r, P_r, R_a- соответственно критерии подобия Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля, Релея; индексы при критериях подобия «с», «п», «h», «d» - соответственно указывают на то, что при расчете критериев подобия определяющей температурой теплофизических свойств движущейся среды (теплоносителя) является температура среды , поверхности, определяющим линейным геометрическим размером поверхности высота или диаметр.

При горизонтальном расположении плоской поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнению для такой же поверхности при её вертикальном расположении с увеличением полученного коэффициента теплоотдачи на 30% :

При :

где l - определяющий линейный размер поверхности (меньшая сторона поверхности), м;

m – индекс указывающий на то, что за определяющую температуру принимается средняя температура поверхности t_п, ⁰С и движущегося теплоносителя, t_с, ⁰С.

Список использованных источников:

1. Лёвкин В.В. Повышение эксплуатационных характеристик бытовых холодильных приборов [Текст] /В.В.Лёвкин, С.П.Харламова, А.Ю.Гамзаян./Изв. вузов,Сев.-Кавк. р Техн. Науки. – 2004. – Приложение №6, - с.-18-21.-(Техника, технология экономика сервиса)

2. Патент 2379601.Бытовой компрессионный холодильник [Текст] / А.Б. Сурмилова, С.П.Петросов, Б.И. Сурмилов, С.П.Харламова. Заявитель и патентообладатель Южнороссийский университет экономики и сервиса: заявл.24.10.2008, опубл. 20.01.10., Бюлл. №02 – 8с., 1ил.

3. Теплотехника / В.Н.Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфар [и др.]; под ред. В.Н.Луканина. – 2-е изд. – М.: Высш. ш., 2000.

4. Чепига И.Н. Охлаждение герметичного ротационного компрессора бытового автономного кондиционера и его влияние на термодинамические цикла [Текст] / И.Н. Чепига, С.П. Харламова./ Материал за VI международна научна практична конференция, «Последните научни постижения-2010» 17-25 марта 2010г. Том 19. Технологии. София. «Бял ГРАД – БГ» ООД – 104с. – С 6-10.