Технические науки /Отраслевое машиностроение

К.т.н. Харламова С.П., к. т. н. Алехин С.Н.,

магистрант первого года обучения Плескачев В.Н.

Институт сферы обслуживания и предпринимательства федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ИСО и П (филиал) ДГТУ)

К методу анализа влияния нестационарного температурного режима холодильной камеры на энергетические характеристики бытовых холодильных приборов

Результаты стендовых испытаний режимов работы бытовых холодильных машин параметрического ряда фирмы «Атлант» (г. Минск, республика Беларусь) с двухпозиционным температурным реле подтверждают влияние колебаний температуры объектов холодильной камеры на энергетические характеристики машин.

На основе теоретических исследований цикличной работы бытовых холодильных приборов компрессионного типа [1] авторами данной статьи разработаны методика аналитического анализа влияния температуры окружающего воздуха и места установки терморегулятора на формирование температурного поля в холодильной камере.

Цикл работы автоматической холодильной машины состоит из двух режимов [рис.1]: рабочего–компрессор включён, температура холодильного агента и стенок испарителя понижается от , (при пуске) до (при остановке); нерабочего – компрессор выключен.

В нерабочем режиме от охлаждаемого объекта отводиться тепло и температура стенок испарителя повышается от до . Температура испарителя циклично колеблется в пределах , и изменяется практически по экспоненте.

При естественной конвекции воздуха в холодильной камере на перемещение охлаждённого воздуха по объёму камеры требуется определённое время. При этом, чем дальше от испарителя расположено термореле, тем больше время запаздывания включения компрессора и тем больше будет отличаться амплитуда колебаний температуры камеры от дифференциала термореле.

При разработке методики приняты следующие общепринятые допущения:

– пуск и остановка компрессора осуществляется двухпозиционным термореле по температуре кипения холодильного агента;

– внутренние и наружные поверхности камеры изотермические, температурное поле одномерное, стационарное;

– воздух и поверхности находящихся в камере объектов во всех точках камеры в каждый момент времени имеют одну и ту же температуру и водяной эквивалент ;

– текущее значение температуры поверхности испарителя ;

– температура поверхности испарителя с водяным эквивалентом В, в каждый момент времени одинакова во всех точках поверхности и равна.

Приняты неизменными:

– площадь поверхностей ограничений ;

– термическое сопротивление ограждений , ;

– площадь внутренних поверхностей камеры, ;

– площадь поверхностей испарителя , ;

– коэффициент теплоотдачи от воздуха камеры к поверхности испарителя , .

– коэффициент теплоотдачи от стен камеры к воздуху камеры ,

Рис.1 Изменение температур в циклично работающем холодильнике:

– температура поверхности испарителя, в момент запуска компрессора; – температура поверхности испарителя, в момент остановки компрессора; 3– линия средняя за цикл температуры стенки испарителя ; – средняя за цикл температура в камере, ; - – дифференциал замерзания; - – диапазон запаздывания; – температура объекта соответствующая моменту пуска компрессора; – температура объекта соответствующая моменту остановки компрессора; – температура окружающей среды; – температура охлаждаемого объекта; – средняя температура охлаждаемого объекта; – средняя температура испарителя; – температура наружной стенки камеры; – температура внутренней стенки камеры; – время работы холодильника; – время простоя холодильника; – время цикла холодильника.

Теплоприток через изоляционные конструкции за время :

, Вт. (1)

Теплоприток от внутренних поверхностей стен к камере за то же время:

, Вт. (2)

Тепло воспринимаемое испарителем:

(3)

При интенсивной теплоотдаче от поверхности компрессора окружающему воздуху и использовании предконденсатора с частичной или полной конденсацией хладона для охлаждения масляной ванны уравнения (2 и 3) принимают вид:

, Вт (4)

, Вт (5)

Тепловой баланс камеры определяется уравнением:

, (6)

а общий перепад температур делится в следующей пропорции:

(7)

В нестационарном процессе при цикличной работе холодильной машины тепловой баланс камеры может быть составлен в дифференциальной форме:

, (8)

отсюда

(9)

Левая часть уравнения становится равной нулю, а температура проходит через эксцентрум в момент, когда удовлетворяется уравнение, подобное уравнению (7), в котором вместо средних значений температур и подставляют их текущие значения и .

Аналогично в варианте холодильного агрегата с вынесенными за пределы помещения компрессионно – конденсаторным блоком и наличии предконденсатора, уравнение (9) имеет вид:

(10)

По знаку второй производной определяем вид экстремума. Легко показать, что в рабочую часть цикла, когда, температура проходит через максимум, а в нерабочую часть цикла, в которой –через минимум.

Обратимся к рис.1. в момент пуска компрессора (точка 1) температура высока, а разность меньше, чем следует из равенства (8), поэтому температура камеры продолжается повышаться. В точке 4, в которой удостоверяет равенству (7), температура проходит через экстремум (максимум), после чего начинает снижаться все более ускоренно.

В момент остановки компрессора (точка 2) разность имеет наибольшее значение, поэтому продолжает снижаться даже после остановки компрессора и последующего повышения . Только в точке 5 снова удовлетворяет равенству (10) и температура снова проходит через экстремум (минимум) и затем начинает повышаться все более ускоренно.

Поскольку в реальных условиях температура стенки и водяной эквивалент непостоянны, то амплитуда колебаний температуры камеры всегда больше разности температур в моменты пуска и остановки компрессора.

Переменная знака изменения происходит не в точках 1' и 2' а позднее, в точках в которых производная равна нулю, а разность имеет определенное значение.

В точках 1' и 2' происходит смена закона изменения протекания , следовательно, и смена закона изменения разности количества тепла, отводимого испарителем.

В зависимости от требований, предъявляемых к точности расчёта, возможно принятие одного из трех предположений, относящихся к температуре объекта, а именно:

А) неизменность температуры ;

Б) изменение её по отрезкам прямых и (на рисунке показаны пунктиром);

В) изменение по действительной кривой .

Для улучшения метода расчета необходимо создание общей математической модели холодильника, состоящего из шкафа и холодильного агрегата. Эта модель должна включать в себя описание элементов, недостаточно исследованных в настоящее время, например, циклично работающего компрессора, нестационарной теплопроводности ограждений шкафа, а также устранить упрощения, неизбежные при нынешнем состоянии методики расчетов. Математическая модель, показывающая, как изменяются параметры в отдельных точках и в холодильнике в целом при изменении двух основных независимых переменных – температуры окружающего воздуха и установки терморегулятора, – должна соответствовать конкретному типу холодильника: а) с одним испарителем, б) двухкамерному с принудительной циркуляцией воздуха и т. п.

Разработка методики анализа колебаний температуры в камере холодильника имеет большое значение в вопросах проектирования, когда уже на этой стадии можно закладывать принципиально новые технические решения, приводящие к снижению колебаний температур и достижению требуемых значений в соответствии с ГОСТ 16317 – 87 нижнего уровня температур в относительно короткие сроки, приводящие к снижению усушки продуктов при их хранении и, соответственно снижению энергопотребления.

Литература

1. Лёвкин В.В. Теоретические основы расчёта характеристик цикличной работы бытовых холодильных приборов компрессионного типа / Лёвкин В.В., Гамзаян А.Ю., Блатман Г.М., Харламова С.П. //Изв. вузов. Сев.–кавк.р Техн. науки.– 2006. Прил. №1.–с.90-94.

2. Темлотехника/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфар и др.; под ред. В.Н. Луканина. –2-е изд.–М: Высш. ш., 2000. 671с.