Основи створення енергозберігаючих побутових холодильних приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.05.14 - холодильна, вакуумна та компресорна техніка

ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ПОБУТОВИХ ХОЛОДИЛЬНИХ ПРИЛАДІВ

Виконав Тітлов Олександр Сергійович

Одеса - 2008



АНОТАЦІЯ

Тітлов О.С. «Основи створення енергозберігаючих побутових холодильних приладів ». - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.05.14 - холодильна, вакуумна і компресорна техніка, системи кондиціювання, Одеська державна академія холоду, Одеса, 2008

Дисертація присвячена розробці науково-технічних основ створення енергозберігаючих побутових абсорбційних холодильних приладів. Обґрунтовані напрями створення таких холодильних приладів. Показано, що: склад інертного газу не впливає на ефективність циклу. Розроблені енергозберігаючі конструкції: випарника; рідинного теплообмінника; абсорбера; генераторних вузлів з теплоізоляцією у вигляді засипки гранул з високопористого комірчастого матеріалу; холодильника з витяжним каналом. Розроблений двохступеневий спосіб підведення тепла зі зменшеним на 10..15 % енергоспоживанням. Запропоновані новий підхід до вибору товщини теплоізоляції камер і новий принцип конструювання абсорбційних холодильників на базі теплових труб і термосифонів. Показана доцільність застосування мідного високопористого матеріалу, що стискається, як заповнювач в зоні теплового зв'язку і теплоізоляційного кожуха на всій висоті підйомної ділянки дефлегматора. Розроблена математична модель нестаціонарних температурних полів холодильників з тепловими трубами, що дозволяє проводити вибір числа теплових труб. Показана енергетична ефективність форсування теплового навантаження, що підводиться, в період пуску абсорбційних морозильників і способу управління з постійним підведенням теплового навантаження і контролем температури на виході дефлегматора. Встановлено, що абсорбційні холодильники можуть застосовуватися у всьому діапазоні температур холодильного зберігання - від мінус 18 °С до плюс 12 °С і стати універсальним побутовим холодильним приладом, а їх мінімальне енергоспоживання досягається в режимі трьохпозиційного управління. Перспективним напрямом енергозбереження в побутовій техніці є розробка приладів, що суміщають функції холодильного зберігання і теплової обробки харчових продуктів. Показано, що установка додаткової теплової камери не приводить до зростання енергоспоживання і не погіршує експлуатаційні характеристики камер охолоджування. Показано, що запропоновані моделі холодильників перевищують по екологічних характеристиках кращі аналоги; експлуатація нових холодильників на органічному паливі чинитиме сумірний або менший, в порівнянні з компресійними аналогами, техногенний вплив на навколишнє середовище.

Ключові слова: абсорбційні холодильні прилади , енергозбереження, енергетичний і ексергетичний аналіз циклів, випарник, абсорбер, дефлегматор, генератор, математичне моделювання, експериментальні дослідження, енергозберігаючі режими роботи, комбіновані побутові прилади, техногенна дія на навколишнє середовище.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

абсорбційний холодильник морозильний генератор

Актуальність теми. Переведення систем холодильної техніки на екологічно безпечні холодоагенти привертає увагу розроблювачів побутової холодильної техніки й до абсорбційних холодильних приладів (АХП), до складу яких входить абсорбційний холодильний агрегат (АХА), робоче тіло якого складається із природних компонентів - водоаміачного розчину (ВАР) з добавкою інертного газу (водню). Тому застосування АХП може розглядатися як один з варіантів переведення на екологічно безпечні холодоагенти.

АХП мають ряд таких позитивних якостей, як безшумність, надійність і тривалий ресурс роботи, відсутність вібрації, магнітних і електричних полів при експлуатації, можливість використання в одному агрегаті декількох джерел енергії - як електричних, так і теплових. АХП практично не чутливі до зміни параметрів струму в мережі в діапазоні напруги 160...240 В.

До достоїнств АХП слід віднести й меншу, в порівнянні з компресійними аналогами, вартість, що в багатьох випадках має вирішальне значення. АХП ефективні при використанні в якості мініхолодильників, мінібарів, у вбудованих і у транспортних моделях холодильників, коли холодопродуктивність не перевищує 20 Вт і недоцільно використовувати компресійні холодильні машини.

Разом з тим, АХП мають підвищене, в порівнянні з аналогічними компресійними моделями, енергоспоживання, що обмежує область їх застосування й частку на ринку побутової холодильної техніки.

Із цієї причини роботи, спрямовані на підвищення енергетичної ефективності АХП, є актуальними, тим більше, що в Україні знаходиться один з великих виробників таких апаратів - Васильківський завод холодильників (ВЗХ), який, володіючи висококваліфікованими фахівцями, може зайняти провідне місце серед виробників побутової холодильної техніки не тільки в Україні, але й в інших країнах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Представлені в дисертаційній роботі матеріали узагальнюють результати досліджень, виконаних в Одеській національній академії харчових технологій (ОНАХТ) за період з 1990 року по теперішній час за Постановою Ради Міністрів СРСР (тема №3 - 403 - 89) «Розробка комплексу технологічних рішень при масовому виробництві абсорбційних холодильників з використанням теплових труб» (№ ДР 01900026214 «Удосконалювати конструкції абсорбційно-дифузійних холодильних агрегатів з використанням теплових труб») і в рамках різних державних науково-технічних програм, у тому числі: ДКНТ України (Наказ № 15 від 01.03.1993) по проблемі «Ресурсозбереження» на 1993-1997, шифр 5.51.3 - методи й способи практичної реалізації пріоритетних напрямків енергозбереження в економіці України (№ ГР 0194U035346); Міністерства машинобудування, військово-промислового комплексу й конверсії України (затверджено 09.07.1992) «Удосконалювання й розвиток виробництва побутової холодильної техніки». Розділ 6; Міністерства освіти й науки України: «Розробити низькотемпературні абсорбційні холодильні машини на нових робочих тілах» (№ ДР UА 010001081Р); «Розробити й дослідити апарати на основі абсорбційних холодильних машин для первинної термічної обробки й зберігання харчових продуктів в умовах фермерських і сільських господарств України (№ ДР 0195U003455); «Наукові основи створення нових енергозберігаючих і екологічно безпечних холодильних машин і установок для зберігання сільськогосподарської продукції» (№ ДР 0197U016061); «Науково-методологічні основи енергозбереження при холодильному зберіганні сільськогосподарських продуктів, напівфабрикатів і сировини» (№ ДР 0100U004573); «Розробка науково-технічних основ холодильного зберігання сільськогосподарської продукції в умовах фермерських і селянських господарств України» (№ ДР 0103U003437).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка науково-технічних основ підвищення ефективності побутових абсорбційних холодильних приладів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати наступні задачі:

а) провести аналіз сучасного стану розробок в області побутових АХП і визначити найбільш перспективні напрямки досліджень;

б) виконати математичне моделювання, енергетичний і ексергетичний аналіз циклів АХА й встановити вплив термодинамічних параметрів у характерних точках циклу на енергетичну ефективність;

в) провести аналіз режимів роботи сучасних конструкцій генераторів АХА з метою визначення значень теплового навантаження, температур і складу робочого тіла, відповідних до мінімуму енергоспоживання;

г) розробити математичні моделі елементів АХА (випарника, РТО, дефлегматора) і визначити їхні конструктивні параметри при роботі в енергозберігаючих режимах;

д) адаптувати методи вибору товщини теплоізоляції до типових і перспективних конструкцій абсорбційних холодильників і морозильників;

е) провести аналіз побутових абсорбційних холодильників і морозильників як об'єктів управління й визначити режими роботи з мінімумом енергоспоживання;

ж) вивчити можливість і способи використання непридатного тепла циклу АХА для розширення функціональних можливостей побутових приладів;

з) розробити схемні й конструктивні рішення енергозберігаючих елементів і конструкцій побутових абсорбційних холодильників і морозильників і провести їхні комплексні експериментальні дослідження з метою підтвердження результатів теоретичних розробок і одержання рекомендацій для проектування дослідних і серійних моделей;

и) провести оцінку техногенного впливу на навколишнє середовище відомих і розроблених, у рамках даного дослідження, побутових абсорбційних холодильників і морозильників і порівняти із кращими світовими аналогами, у тому числі й компресійного типу.

Об'єкт дослідження - побутові АХП.

Предмет дослідження - цикли, схеми, конструкції, температурні й енергетичні характеристики побутових АХП, енергозберігаючі режими їх роботи.

Методи дослідження:

а) теоретичні - з використанням апарату математичного моделювання, аналітичних і чисельних методів дослідження математичних моделей АХА і їх елементів;

б) експериментальні - при пошуку енергозберігаючих режимів роботи й визначенні температурних і енергетичних характеристик дослідних і серійних моделей побутових АХП при різних умовах експлуатації.

Наукова новизна отриманих результатів.

У дисертації захищаються наукові положення:

1. Використаний та обґрунтований у роботі системний підхід до створення енергозберігаючих АХП, що включає підвищення термодинамічної ефективності холодильного циклу, конструкторсько-технологічне пророблення елементів і аналіз режимів роботи, робить їх конкурентоспроможними на ринку побутової холодильної техніки.

2. Застосування в якості ефективних теплових зв'язків теплопередаючих пристроїв на базі теплових труб (ТТ) і двофазних термосифонів (ДФТС) дозволяє не тільки розширити області практичного застосування АХП за рахунок переходу від об'ємної конструкції випарника до площинної, але й суттєво поліпшити їхні експлуатаційні характеристики (збільшити корисний об'єм охолоджуваних камер, знизити рівень температур на 7...14 єС і енергоспоживання на 10…20 %).

При цьому відкриваються нові можливості ефективного застосування АХП і в транспортних системах, зокрема, за рахунок використання джерел скидного низькопотенціального тепла газів двигунів внутрішнього згоряння або охолоджувального середовища для забезпечення роботи генераторів АХП. Із пристроями такого роду невзмозі конкурувати навіть традиційні ретельно відпрацьовані парокомпресійні транспортні холодильники й кондиціонери.

3. При роботі АХП в умовах помірних і низьких температур зовнішнього повітря (від 25 до 10 єС) визначальним фактором енергозбереження є тривалість пускового періоду, яку можна скоротити або за рахунок прогріву елементів генераторного вузла в неробочий період, або за рахунок підведення додаткового («форсованого») теплового навантаження при запуску, при цьому вибір способу залежить від співвідношення температур в охолоджуваній камері й зовнішнього повітря й від термічного опору теплоізоляційних конструкцій камери.

Наукові результати з визначенням ступеня новизни й відмінність їх від раніше відомих. Уперше:

а) з використанням результатів експериментальних досліджень отримані аналітичні й графічні залежності, що дозволяють вибрати параметри потоків робочого тіла в прямоточному випарнику АХА в складі побутових абсорбційних холодильних приладів різного призначення;

б) розроблена методика, що не має аналогів, пошуку енергозберігаючих режимів роботи АХА, що відрізняється урахуванням складу ВАР, його температури й тиску в системі на витратні характеристики двофазного потоку на транспортній ділянці генераторів;

в) розроблена методика розрахунку теплоізоляції підйомної ділянки дефлегматора, що забезпечує мінімум втрат аміаку при транспортуванні в конденсатор АХА, що відрізняється урахуванням зміни температур зовнішнього повітря при експлуатації протягом року;

г) запропонований метод вибору теплоізоляції охолоджуваних камер побутових АХП, що враховує базову вартість холодильного приладу й вартість його експлуатації у встановлений період;

е) обґрунтована можливість використання високопористих чарункових матеріалів (ВПЧМ) у якості теплоізоляції генераторного вузла АХА (ВПЧМ на основі кераміки) і в якості міжконтактного заповнювача (стисливий ВПЧМ на основі міді) і запропоновані варіанти використання таких матеріалів у серійній і дослідній продукції ВЗХ;

ж) розроблена методика й стенд для експериментальних досліджень АХА й АХП різного призначення на їхній основі, у тому числі й побутових комбінованих приладів з додатковою тепловою камерою (ТК); визначені діапазони енергозберігаючих режимів роботи в різних умовах експлуатації й показано, що в побутових комбінованих приладах використання тепла дефлегмації дозволяє підтримувати температуру в ТК від плюс 50 до плюс 70 єС;

з) розроблений алгоритм вибору теплового навантаження, що підводиться в енергозберігаючих побутових АХП у різних умовах експлуатації, що відрізняється урахуванням співвідношення температур в охолоджуваній камері й зовнішнього повітря й термічного опору теплоізоляційних конструкцій камери;

і) розроблена методика оцінки техногенного впливу на навколишнє середовище апаратів побутової холодильної техніки абсорбційного типу, що працюють як з електричними, так і тепловими джерелами енергії.

Отримали розвиток:

а) методика енергетичного й ексергетичного аналізу циклів сучасних АХА в холодильних приладах різного призначення в частині урахування теплообміну з повітряним середовищем транспортних магістралей і забезпечення необхідних технологічних параметрів у додатковій ТК;

б) методика розрахунку теплових режимів рідинного теплообмінника (РТО) АХА в частині урахування втрат у навколишнє середовище при природній конвекції.

Новизна конструкторсько-технологічних рішень, запропонованих і апробованих у даній роботі, захищена патентами й авторськими свідоцтвами СРСР, України й Російської Федерації.

Достовірність наукових положень і результатів підтверджується їхнім добрим кількісним узгодженням з отриманими в даній роботі експериментальними даними.

Практичне значення отриманих результатів

При проектуванні нових моделей АХП на ВЗХ використовуються наступні методики, розроблені в рамках даної дисертаційної роботи:

а) методика розрахунку енергозберігаючих конструкцій одно-, двох-, трьох- і чотирикамерних АХП, у тому числі й з випарно-конденсаційними системами на базі ТТ і ДФТС;

б) методика розрахунку теплоізоляційних конструкцій генераторних вузлів АХА, у тому числі й з використанням ВПЧМ на основі кераміки;

в) методика мінімізації термічного опору з використанням стисливого (на основі міді) ВПЧМ у зоні контакту циліндричних тіл (дефлегматор АХА - випарник ДФТС у схемі комбінованого побутового приладу із ТК) і плоскої поверхні із циліндричним тілом (стінка охолоджуваної камери - випарник АХА);

г) методика конструювання абсорбційних низькотемпературних (морозильних) камер параметричного ряду 180...280 дм³ на базі уніфікованого АХА типу АШ-160;

д) методика розрахунку й конструювання побутових комбінованих абсорбційних апаратів із ТК.

Запропоновані способи зниження енергоспоживання побутових АХП, реалізовані за допомогою систем електронного регулювання, дозволяють знизити енергоспоживання серійних і дослідних моделей ВЗХ, як мінімум на 30 %.

Запропоновані розробки використовувалися:

а) у серійній продукції ВЗХ: абсорбційний холодильник «Київ-410» АШ-160 [48, 50, 55, 57]; абсорбційний холодильник-бар «Київ-20-1» («Київ-20-2») АШ-40 [48, 50, 57]; абсорбційний холодильник-скриня «Київ» АЛ-36 (транспортного виконання) [48, 50, 57]; абсорбційний холодильник «Київ» АШ-35 (транспортного виконання)[40, 48, 50, 57];

б) у дослідній продукції ВЗХ: низькотемпературних (морозильних) камерах параметричного ряду 180-280 дм³ типу «скриня» з торцевим розташуванням двох АХА, а також із традиційним розташуванням (на задній стінці) модифікованого АХА [48-50, 53, 65, 66]; абсорбційних однокамерних холодильниках з об'ємом 170 дм³ [48, 50, 57]; побутових комбінованих приладах з додатковою ТК на базі серійної моделі АШ-150 [45, 50]; торговельних вітринах типу «Таир» [48, 50, 55].

Особистий внесок автора полягає в розробці основної ідеї дисертації, а також у постановці та розв'язку основних задач теоретичного, експериментального й прикладного характеру, зокрема, у розробці схем, способів роботи й конструкції енергозберігаючих побутових АХП, розробці методик енергетичного й ексергетичного аналізу циклів АХА, математичних моделей процесів теплообміну в елементах і конструкціях АХП, у проведенні експериментальних досліджень дослідних і серійних зразків і аналізі результатів, у розробці методик конструктивного розрахунку й розрахунку техногенного впливу на навколишнє середовище побутових АХП абсорбційного й компресійного типу, у формулюванні основних наукових результатів, виводів і рекомендацій.

Ряд досліджень було проведено з аспірантами Василівом О.Б. і Тюхаєм Д.С., а також з іншими співробітниками, заявленими в публікаціях, під керівництвом наукового консультанта Захарова М.Д.

Апробація результатів дисертації

Результати дисертації представлялися на 94 конференціях і семінарах, у тому числі на: Всесоюзній конференції «Наукові основи створення енергозберігаючої техніки і технології» (Москва, 1990); Всесоюзної науково-технічної конференції «Холод - народному господарству» (Ленінград, 1991); Міжреспубліканської науково-практичної конференції «Удосконалювання холодильної техніки і технології для ефективного зберігання і переробки сільськогосподарської продукції» (Краснодар, 1992); Міжнародної науково-технічної конференції «Розробка і впровадження нових технологій і устаткування у харчову і переробну галузі АПК» (Київ, 1993); IV Міжнародної конференції по екології «Екологія. Продукти харчування. Здоров'я» (Одеса, 1995); Всеукраїнської науково-технічної конференції «Розробка і впровадження прогресивних технологій і устаткування в харчову і переробну промисловість» (Київ, 1995); Міжнародної конференції “Application for Natural Refrigerants” (Аарис, Данія, 1996); Міжнародної науково-технічної конференції «Холод і харчові виробництва» (Санкт-Петербург, 1996); Міжнародної конференції “Advances in the Refrigeration Systems, Food Technologies and Cold chain” (Софія, Болгарія, 1998); Міжнародному семінарі «Non-Compression Refrigeration and Cooling” (Одеса, 1999); Міжнародної конференції по управлінню “Автоматика-2001” (Одеса, 2001); I-V Міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології” (Одеса, 2001-2007); Міжнародної науково-технічної конференції «Природні холодоагенти - альтернатива глобальному потеплінню» (Санкт-Петербург, 2003); Міжнародної науково-практичної конференції «Актуальні проблеми живлення: технологія і устаткування, організація і економіка» (Донецьк, 2003); II Міжнародної науково-технічної конференції, присвяченої 300 річчю Санкт-Петербурга «Низькотемпературні і харчові технології в XXI столітті (Санкт-Петербург, 2003); Міжнародної науково-практичної конференції «Промисловий холод і аміак» (Одеса, 2006).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі досліджень, представлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені результати апробації роботи і особистий внесок здобувача, структура і об'єм дисертації.

У першому розділі «Сучасний рівень розробок і виробництва абсорбційних холодильних приладів. Постановка задач досліджень» проведений аналітичний огляд літературно-патентних джерел в аспекті використання енергозберігаючих технічних рішень і методів розрахунку.

Відзначений внесок у такі розробки О. М. Березіна, В. М. Буза, В. В. Двирного, О. Г. Долотова, В. В. Завертаного, В. В. Ільїних, З. М. Лазуренко, А. В. Лихаревой, О. В. Мазура, Л. І. Морозюк, Г. І. Овечкина, Г. М. Олифера, Ю. В. Осипова, Г. Ф. Смірнова, К. М. Смірнова-Васильєва, М. П. Третьякова, В. А. Хобіна, М. Ф. Хоменко, В. Ф. Чернишова, Г. Штірліна, С. В. Ярового.

Проведений аналіз сучасних побутових холодильних приладів показав, що в класі одно- і двокамерних абсорбційних холодильників із сумарним об'ємом 100…350 дм³ добове енергоспоживання складає від 0,7 до 2,2 кВтгод на 100 дм³ корисного об'єму, а в класі абсорбційних морозильників з об'ємом 160…240 дм³ - від 2,2 до 3,1 кВтгод на 100 дм³ корисного об'єму. Ці показники в 2…6 раз поступаються компресійним аналогам у першому випадку й в 4…9 разів у другому.

Відзначено, що відомі технічні рішення здебільшого носять частковий характер і невзмозі кардинально розв'язати проблему подальшого поліпшення енергетичних характеристик АХП.

Для її вирішення необхідний системний підхід, що включає підвищення термодинамічної ефективності холодильного циклу, конструкторсько-технологічне пророблення елементів і режимів роботи АХП, як основних напрямків зниження енергоспоживання.

Показано, що при такому підході найбільш перспективними напрямками розробок є: удосконалювання термодинамічних циклів АХА; удосконалювання режимів роботи і конструкцій елементів АХА; раціональне використання холоду в побутових АХП; енергозберігаюче управління режимами роботи побутових АХП; розширення функціональних можливостей побутових холодильних приладів на базі АХА за рахунок утилізації «викидного» тепла циклу. У рамках цих напрямків для досягнення мети представленої дисертаційної роботи сформульовані конкретні задачі досліджень.

У другому розділі «Енергетичний і ексергетичний аналіз циклів абсорбційних холодильних агрегатів» показане, що існуючі підходи до розрахунку циклів АХА ґрунтуються на спрощених схемах генераторних вузлів і не враховують: теплообмін з навколишнім середовищем транспортних магістралей; можливість варіювання складу інертного газу; тенденцій розвитку побутових АХП у частині зміни конструкцій елементів АХА і створення комбінованих приладів, що поєднують функції охолодження й нагрівання.

Характерною рисою сучасних АХА (рис. 1) є й наявність горизонтального барботажного ректифікатора й дефлегматора з опускним і піднімальним ділянками.

Вихідними даними для термодинамічного розрахунку циклу АХА є: склад робочого тіла; повний тиск; різниця парціальних тисків аміаку на вході випарника (виході абсорбера) і виході випарника (вході абсорбера); температури: нижча (вища) випаровування; навколишнього середовища; потоків ВАР у РТО і ректифікаторі; перепади температур у характерних точках циклу, що визначають недорекуперацію тепла і втрати тепла в навколишнє середовище. Термодинамічний розрахунок циклу АХА виконаний поелементно, при цьому вихідні параметри попереднього елемента є вхідними для наступного.

Ексергетичний аналіз циклу АХА проведений з використанням методу розрахунку втрат, запропонованого Д.П. Гохштейном. Результати розрахунків типового АХА, що працює з електронагрівником і з пальниковим пристроєм у складі абсорбційного морозильника «Стугна101» АМЛ-180, наведені в табл. 1.

Аналіз цих результатів показав, що: енергетична ефективність АХА, оснащеного пальниковим пристроєм, вище, ніж аналогічних апаратів з електронагрівниками, в 3 рази (для умов України); основні ексергетичні втрати в АХА припадають на генератор (при роботі з електронагрівниками - до 80 % від сумарних втрат в елементах, з пальниковими пристроями - до 60 %); значною мірою ефективність циклу АХА визначається режимами роботи випарника.

Енергетичний аналіз дозволив встановити вплив різних режимних параметрів на ефективність циклу АХА (на прикладі "ідеального" циклу): у діапазоні значень мінімальної температури випаровування (_min) від мінус 40 до мінус 20 єС при фіксованій максимальній температурі випаровування (_max = плюс 30 єС) тепловий коефіцієнт циклу АХА () практично не змінюється, при цьому найбільший вплив на його значення виявляє _max - при збільшенні її від мінус 10 до плюс 30 єС зростання становить 40 %; енергетична ефективність АХА зростає при збільшенні діапазону температур випаровування; вибір інертного газу не впливає на енергетичну ефективність циклу АХА - заміна водню гелієм приводить лише до росту кількості циркулюючого інертного газу в 2 рази, що ускладнює роботу контуру природної циркуляції (КПЦ).

Таблиця 1. Результати розрахунку відносних ексергетичних втрат в АХА абсорбційного морозильника «Стугна 101» АМЛ-180

Найменування елементів	Значення відносних ексергетичних втрат, %
	Джерело енергії
	Електронагрівник	Пальниковий пристрій
Випарник	1,96	6,00
Конденсатор	0,69	2,10
РТО	1,40	4,20
Абсорбер	0,57	1,80
Дефлегматор	1,40	4.20
Генераторний вузол: генератор ректифікатор навколишнє середовище пальниковий пристрій	20,02 0,36 1,50 -	60,40 1,00 - 14,00
Виробництво й транспортування електроенергії	70,00	-
Ексергетичний ККД системи, %	2,10	6,3

Результати енергетичного аналізу режимних параметрів серійних і дослідних моделей АХА дозволили сформулювати ряд рекомендацій для виробників АХП. Третій розділ «Удосконалювання режимів роботи і конструкцій елементів абсорбційних холодильних агрегатів» присвячений моделюванню процесів тепломасообміну в елементах АХА (прямоточному випарнику, РТО, абсорбері, піднімальній ділянці дефлегматора, генераторі), аналізу режимів їх роботи і впливу на енергетичну ефективність АХП.

Режими роботи прямоточного випарника АХА визначаються температурою і складом потоків ПГС і рідкого аміаку, що надходять на початкову ділянку. Склад потоку очищеної ПГС залежить від режиму роботи абсорбера, а температура потоків ПГС і аміаку - від того, яка частина холодопродуктивності випарника йде на охолодження цих потоків.

Розрахункове співвідношення, що описує процеси тепломасообміну при випаровуванні на початковій ділянці прямоточного випарника, отримане з урахуванням допущення про адіабатність процесу випаровування, коли вся теплота фазового переходу затрачається на охолодження вступників потоків ПГС і рідкого аміаку до мінімальної температури

, (1)

де Le - число Люіса; R = 8314 - універсальна газова постійна, Дж/(кмоль К); _Г - відносна молекулярна маса ПГС; - температура потоку ПГС на вході , °С; , С_р - густина і ізобарна теплоємність ПГС, відповідно, кг/м³ і Дж/(кг К); _min - мінімальна температура випару, °С; r_(min)- питома теплота паротворення аміаку при _min, Дж/кг; - тиск насиченої пари аміаку при температурі _min і парціальний тиск пари аміаку в потоці ПГС на вході випарника, відповідно, Па.

Рівняння (1) можна представити у вигляді

, (2)

.

Рівняння (2) дозволяє визначити температуру потоку ПГС на вході випарника, що забезпечує при заданій концентрації необхідні значення _min.

З рівняння (1) можна також отримати

.(3)

Рівняння (3) дозволяє знайти мінімальну температуру випаровування аміаку на вході випарника, залежно від заданих параметрів ( ) вхідного потоку ПГС.

Рівняння (2) і (3) є основою для аналізу впливу параметрів вхідних потоків ПГС і рідкого аміаку на режими роботи трьохпоточного випарника АХА. Аналіз результатів моделювання (рис. 2) показав, що:

а) для реалізації нормативних температурних режимів у камерах побутових АХП необхідно попередньо прохолоджувати потік очищеної ПГС на вході адіабатної ділянки випарника з недорекуперацією в 1…5 єС (для морозильників) і в 5…10 єС (для моделей із НТВ). Підвищення ступеня очищення потоку ПГС в абсорбері за рахунок інтенсифікації зовнішнього теплообміну або за допомогою використання «викидного» холоду випарника дозволяє підвищити температуру потоку очищеної ПГС на вході адіабатної ділянки випарника на 4…6 С, тобто зменшити витрати холоду на попереднє охолодження до 10 % (для морозильників) і до 15 % (для моделей із НТВ);

б) на розподіл теплового навантаження, що йде на попереднє охолодження потоків ПГС і рідкого аміаку в трьохпоточному випарнику АХА, впливає діапазон температур випаровування. Так, в універсальних АХП , що працюють у широкому діапазоні температур (від мінус 18 С до плюс 12 С), на охолодження потоку ПГС затрачається близько 65 % від сумарного теплового навантаження, у моделях із НТВ (температури в камерах від мінус 18 С до плюс 5 С) -60 %, в абсорбційних холодильниках (від плюс 5 С до плюс 12 С) - 55%.

Оцінка впливу ступеню переохолодження вхідного потоку рідкого аміаку на режими роботи адіабатної ділянки випарника показала, що для всіх АХА (за винятком, що працюють у складі універсальних АХП) на вході адіабатної ділянки трьохпоточного випарника досить підтримувати температурний напір в 5 С між потоком рідкого аміаку і мінімальною температурою випаровування. При цій умові ріст температури в процесі випаровування не перевищить 1,5 С. В універсальних АХП доцільно знизити цей температурний напір, тому що при температурному напорі в 5 С ріст температури у випарнику перевищить 2,5 С.

З використанням результатів моделювання розроблена оригінальна конструкція трьохпоточного випарника АХА із проміжним зливом рідкого аміаку [53], яка дозволяє раціонально розподілити холод на попереднє охолодження потоків рідкого аміаку й очищеної ПГС. Експериментальні дослідження такого дослідного зразка випарника показали можливість забезпечення рівня температур мінус 19…мінус 21 С у НТВ об'ємом 40 дм³.

РТО являє собою типовий теплообмінний апарат типу «труба в трубі». Режим течії - протитечія, причому в міжтрубному просторі рухається потік слабкого ВАР. Високотемпературна частина РТО встановлюється в теплоізольованому кожусі генераторного вузла і перебуває практично в адіабатних умовах. Низькотемпературна частина РТО теплоізоляцією не закрита і частина тепла розсіюється в навколишнє середовище. Необхідним елементом пошуку енергозберігаючих режимів РТО є математичне моделювання процесів теплообміну з урахуванням втрат у навколишнє середовище.

При виконанні перевірочного розрахунку РТО в режимі протитечії задана поверхня F_o або довжина l_o і температури потоків ВАР на вході - міцного () і слабкого (). З урахуванням теплового балансу і з використанням рівнянь теплопередачі записана система рівнянь для елементарної ділянки РТО у випадку відсутності аксіальних перетічок тепла:

, (4)

, (5)

, (6)

,(7)

, (8)

,(9)

де й - невідомі температури потоків на виході; K₁ і K₂ - коефіцієнти теплопередачі для відповідних поверхонь теплообміну, Вт/(м²·K); T_w, T_f, T_o.c - температура потоку слабкого і міцного ВАР і навколишнього середовища, відповідно, °С; d_f, d_w - значення внутрішнього діаметра каналу міцного і слабкого ВАР, відповідно, м; C_f і C_W - повна теплоємність потоку міцного й слабкого ВАР, відповідно, Вт/К.

Типові температурні поля частково теплоізольованого РТО наведені на рис. 3.

Розроблена модель дозволяє не тільки проводити перевірочний розрахунок РТО, але і комплексно вирішувати завдання підвищення енергетичної ефективності АХА, тобто брати до уваги як режими роботи елементів генераторного вузла (генератора, ректифікатора, дефлегматора), так і елементів КПЦ - абсорбера, випарника й сполучних магістралей).

Модель РТО використана при конструкторському розрахунку модернізованої моделі абсорбційного холодильника АШ-160.

Аналіз результатів моделювання теплових режимів РТО дозволив запропонувати: конструкцію сплющеного РТО [48], яка дала можливість збільшити поверхню теплообміну між потоками слабкого і міцного ВАР і, відповідно, зменшити довжину РТО і число зварних швів, що сприятливо позначається на надійності експлуатації АХП; технічне рішення [51, 54], яке кардинально вирішує проблему переохолодження потоку слабкого ВАР на вході в абсорбер за рахунок теплового зв'язку між потоками насиченої холодної ПГС і слабким ВАР, а для зниження теплоприпливів з навколишнього середовища на каналі слабкого ВАР встановлювати теплоізоляційний кожух.

Абсорбер. Проведений термодинамічний аналіз циклів АХА і процесів у випарнику і РТО, показав, що основною вимогою до абсорбера при розробці енергозберігаючих конструкцій АХП є підвищення ступеня очищення потоку ПГС і зниження його температури. Обидва випадки припускають інтенсивний відвід тепла абсорбції, який може бути досягнутий як за рахунок інтенсифікації внутрішнього і зовнішнього теплообміну, так і за рахунок збільшення температурного напору, наприклад, за допомогою використання потоку насиченої ПГС із температурою від 0 С до плюс 5 С.

У результаті виконаного експериментального дослідження були вивчені способи інтенсифікації теплообміну при природньо-конвективному охолодженні абсорбера і при вимушеній конвекції. Для інтенсифікації процесу теплообміну на задній поверхні холодильної шафи був установлений витяжний канал. Установка витяжного каналу дозволила організувати інтенсивний рух повітряного середовища в зоні розташування абсорбера, що сприяло зниженню температури абсорбції (рис.4), підвищенню ступеня очищення потоку ПГС і збільшенню холодопродуктивності випарника АХА.

Зниження температури абсорбера при роботі холодильника з витяжним каналом досягло 4 °С, що дозволило здійснювати періодичне відключення підводимого теплового навантаження, при цьому середній рівень температур у НТВ і холодильній камері (ХК) не перевищував рівня температур при безперервній роботі. За рахунок періодичного відключення теплового навантаження добове енергоспоживання дослідного зразка знизилося на 10...20 %.

У дослідженнях примусової системи циркуляції використовували абсорбційний морозильник «Стугна» АЛ-180. Вентилятор був встановлений у нижній частині витяжного каналу під абсорбером. Вивчалися дві конструкції повітроводів: панельний і локальний. Панельний являв собою канал, що повністю закриває задню стінку шафи, а локальний - канал, що зв'язує тільки абсорбер і конденсатор.

Показано, що наявність примусової циркуляції за інших рівних умов дозволяє знизити рівень температур у камері на 5...6 С при t_о.с = 32 С і на 1...2 С при t_о.с = 26 С. Однак, зниження енергоспоживання не спостерігалося через додаткові витрати електроенергії на привід вентилятора. Отримані експериментальні дані і аналіз внутрішніх процесів тепломасобміну при абсорбції дозволили запропонувати нові енергозберігаючих конструкцій побутових АХП з інтенсифікацією внутрішніх процесів тепломасобміну [64] і можливістю управління процесами в КПЦ [41], а також конструкції побутових комбінованих приладів [47], що містять не тільки камери охолоджування, але і камери з температурою вище за температуру повітря в приміщенні, - тепловою камерою (ТК).

У рамках пошуку енергозберігаючих режимів роботи генератора, були використані результати експериментальних досліджень серійних АХА виробництва ВЗХ, у тому числі залежності температури потоків на виході ( ) і вході ( ) генератора від підводимого теплового навантаження (Q_T) при t_o.c = 25 С. Вихідні дані для аналізу були сформовані в такий спосіб.

На вхід генератора надходить потік міцного ВАР з масовою концентрацією ' = 0,34 і температурою . Розчин містить 1 кг аміаку. З верхньої частини генератора при температурі виходить потік слабкого ВАР з масовою концентрацією й парова суміш із масовою концентрацією . Тиск у системі Р = 19 бар. З урахуванням залежності термодинамічних і теплофізичних властивостей ВАР від температури і складу необхідно визначити кількість пари аміаку в паровій суміші на виході генератора . За значенням можна судити і про холодопродуктивність АХА і про енергетичну ефективність режимів підведення теплового навантаження.

Аналіз результатів розрахунку показав, що залежність питомої кількості підведеного тепла має мінімум (147…155 С) у діапазоні значень теплового навантаження, яке підводиться Q_T = 40…80 Вт і температур кінця кипіння = 145…170 С (рис. 5). Робота за межами цього діапазону приводить до збільшення енерговитрат до 9 %, причому це пов'язано або з підігрівом рідкої фази, або зі збільшенням частки абсорбенту (води) у паровій суміші.

Для підтримки енергозберігаючого режиму роботи генератора було запропоновано створити ізотермічну поверхню на всій піднімальній ділянці за рахунок установки додаткового нагрівального елемента [49]. При експериментальних дослідженнях нового способу роботи на піднімальній ділянці генератора був установлений додатковий електричний нагрівач.

Підведення тепла до потоку ВАР здійснювалось послідовно - спочатку в зоні розташування основного нагрівача, а потім - у зоні додаткового, тобто ВАР проходив як би «першу ступінь», а потім - «другу ступінь». Нижня межа теплового навантаження основного нагрівача була обрана з умови стабільності роботи генератора і складала 40 Вт. Верхня межа теплового навантаження відповідала максимальній енергетичній ефективності АХА. Результати експериментальних досліджень представлені на рис. 6 і показують, що те саме значення холодопродуктивності випарника може бути досягнуте або при подачі теплового навантаження на основний нагрівач Q'_TC = 67,5 Вт, або при подачі розподіленого теплового навантаження на основний (Q'_TC = 47,5 Вт) і додатковий (Q''_TC = 12,5 Вт) нагрівачі в сумі Q_TC = 60 Вт. Економія енергії при цьому становить близько 10 %.

Дослідження впливу температури навколишнього середовища в діапазоні t_o.c = 10…32 С показали, що положення мінімуму теплових навантажень на генераторі при зниженні t_o.c зміщується убік менших значень температур кінця кипіння ВАР, а зниження енергоспоживання становить 10..15 %.

Показано, що одним з перспективних способів енергозбереження в АХП є зниження теплових втрат в елементах генераторного вузла АХА за допомогою використання більш ефективних теплоізоляційних матеріалів. Одним зі шляхів рішення може стати знімна теплоізоляція, попередньо виготовлена під конфігурацію елементів генераторного вузла АХА, зокрема, у вигляді футляра з пористої кераміки, зробленого методом дублювання полімерної матриці. Основною проблемою при розробці такого теплоізоляційного покриття є забезпечення балансу між вимогами до твердості конструкції і теплоізоляційним властивостям, тому що ріст пористості матеріалу збільшує не тільки його термічний опір, але і крихкість. Для оцінки властивостей різних теплоізоляційних матеріалів запропонований і реалізований експрес-метод, що дозволяє оперативно отримувати відомості за значеннями ефективних коефіцієнтів теплопровідності. Результати досліджень показали, що в якості теплоізоляції генераторних вузлів АХП перспективним може бути ВПЧМ на основі кераміки з пористістю 0,95.

Завдання створення ефективної і екологічно безпечної теплоізоляції вирішувалося і за рахунок застосування засипаних у генераторний кожух гранул із ВПЧМ на основі кераміки [60]. Гранули із ВПЧМ мали діаметр 3...4 мм, пористість засипання становила в середньому 0,95. У процесі випробувань холодильники забезпечували нормативні вимоги в частині температурних режимів камер, а енергоспоживання їх знизилося і склало: у моделі «Київ-410» АШ-160 - 1,70 кВтч/добу (замість 1,85 кВтч/добу), у моделі «Кристал-408» АШ-155 - 1,50 кВтч/добу (замість 1,63 кВтч/добу).

Виконані дослідження в рамках пошуку енергозберігаючих режимів роботи генераторів АХА дозволили розробити оригінальні конструкції, у яких є засипання із ВПЧМ на основі кераміки, а високотемпературні елементи й джерела тепла раціонально згруповані й розташовані у внутрішніх порожнинах генераторного вузла [52, 61]. Це дозволяє знизити енергоспоживання на 12 %, спростити технологію виробництва й підвищити надійність роботи АХА.

У четвертому розділі «Раціональне використання холоду в побутових абсорбційних холодильних приладах» представлені результати вивчення способів мінімізації теплоприпливів через огороджуючі конструкції камер і термічного опору теплового ланцюга «випарник АХА - корисний об'єм охолоджуваної камери».

При виборі раціональної товщини теплоізоляції, яка забезпечує мінімум теплоприпливів і враховує специфіку роботи побутових АХП, брали до уваги наступне. Розроблювальне обладнання призначене для побутових цілей, тому одним з основних факторів, що цікавлять споживача, є сумарна вартість експлуатації у встановлений період



,(10)

де С_K, C_АХА, С_Э - вартість охолоджуваної камери, АХА і експлуатації у встановлений період, відповідно.

Для визначення кожної складової рівняння (10) розроблений алгоритм розрахунку товщини теплоізоляції стінок побутового АХП типу «шафа» із чотирма охолоджуваними камерами. Вихідними даними для розрахунку є: t_o.c = 32 С; зовнішні розміри шафи - ширина і глибина, обумовлені нормативними документами; теплофізичні властивості і вартість матеріалів корпуса; об'єм охолоджуваної камери (V_K); температура в розрахунковій камері (T_K(i)); камерах, що примикають до неї (T_K(i-_1), T_K(i+1). Змінним параметром є товщина теплоізоляції (_из).

Після визначення суми теплоприпливів Q_ТП(i) = Q_o і вартості камери (C_K) для даного значення проводиться збільшення товщини теплоізоляції

з відповідною зміною висоти

і послідовність розрахунку повторюється. У результаті розрахунку для кожного значення V_K(i) визначаються функціональні залежності й . Алгоритм реалізується до досягнення «критичного» значення, при якому значення теплоприпливів мінімально (метод 1).

Для урахування впливу вартості камери запропоновано два нові методи (методи 2 і 3) визначення товщини теплоізоляції, що забезпечує мінімальну сумарну вартість експлуатації у встановлений період.

Метод 2 припускає наявність функціональної залежності = f(Q₀), С_Э = f() і і дозволяє безпосередньо провести мінімізацію значення С. Метод 3 припускає знаходження товщини теплоізоляції при рівності темпу зміни вартості камери і темпу зміни теплоприпливів з навколишнього середовища . Основна перевага методу 3 - це незалежність від вартості камери і вартості експлуатації.

Типові результати розрахунків різними методами товщини теплоізоляції охолоджуваних камер типу «шафа» у складі побутових АХП наведені на рис. 7. Як видно, товщина теплоізоляції, знайдена по методах 2 і 3, в 1,8…2, 2 рази менше, чим визначена по «критичному» значенню, яка на практиці неприйнятна через значні габарити побутового АХП.

З урахуванням вищевикладених міркувань представляється доцільним рекомендувати до використання третій метод розрахунку товщини теплоізоляції, при цьому з урахуванням неврахованих факторів і тенденцій зміни можна збільшувати розрахункову товщину теплоізоляції до 10 %.

Мінімізація термічного опору теплового ланцюга "випарник АХА - корисний об'єм охолоджуваної камери" є другим напрямком раціонального використання холоду.

При фіксованій холодопродуктивності випарника АХА (Q_o = const), наприклад, чисельно рівної зовнішнім теплоприпливам, температура в камері t_кам залежить від середньої температури випарника t_o і термічного опору ланцюга “випарник АХА - корисний об'єм камери” R

.(11)



Аналіз співвідношення (11) показує, що необхідний рівень температур у камері може бути досягнутий або за рахунок зниження температури випаровування, або за рахунок зменшення сумарного термічного опору.

Перший шлях пов'язаний з додатковим випарюванням аміаку в генераторі і зниженням концентрації слабкого ВАР і припускає відповідне збільшення енерговитрат. Другий шлях реалізується за рахунок застосування кондуктивних стоків тепла, наприклад, у вигляді алюмінієвих панелей, встановлених на внутрішніх стінках камери, які можуть нести ребрення і ТТ із ДФТС. Необхідне значення сумарного термічного опору у формулі (11) можна одержати або за рахунок збільшення товщини стінки алюмінієвої панелі, або за рахунок застосування додаткових паралельних теплостоків у вигляді ТТ або ДФТС, які, володіючи низьким термічним опором, виступають у якості своєрідних ізотермічних осей, що пронизують стінки внутрішнього алюмінієвого корпуса.

В основі математичної моделі теплових режимів камери із ТТ або ДФТС лежить тепловий баланс елементарної чарунки (ЕЧ) елементів корпусу (внутрішнього алюмінієвого і шару теплоізоляції). Для внутрішнього корпуса розглянуто чотири випадки: ЕЧ не має теплового зв'язку із ТТ або ДФТС; ЕЧ має тепловий зв'язок із зоною випару (конденсації) ТТ або ДФТС; ЕЧ задньої стінки внутрішнього корпуса пов'язані в тепловому відношенні з випарником АХА й з конденсатором ТТ або ДФТС. У всіх випадках теплоприпливи від завантажених продуктів не враховувалися, тобто моделювалися нормативні випробування з незавантаженою камерою в пускових і перехідних режимах. Кінцеві збільшення температури в часі для кожного типу ЕЧ () визначалися як

,(12)



де C_{i, j} і _{i, j} - питома масова теплоємність і густина матеріалу ЕЧ, Дж/(кг K) і кг/м³; V_{i, j} - обсяг ЕЧ, м³; Q_{i, j} - результуючий тепловий потік, Вт.

Співвідношення типу (12), записані для кожної ЕЧ внутрішнього і теплоізоляційного корпуса камери, становлять систему рівнянь. Граничними умовами при рішенні такої системи є: температура навколишнього середовища; у початковий момент часу = 0 температури ЕЧ внутрішнього і теплоізоляційного корпусів дорівнюють температурі навколишнього середовища; температури випарника АХА в режимі пуску і у позиційному режимі управління.

Збільшення часу задаються до досягнення середньої температури стінок внутрішнього корпуса () рівної заданій (t_кам).

У зв'язку зі складністю теоретичної оцінки граничних умов при моделюванні пускових і перехідних теплових режимів камер із ТТ або ДФТС був виконаний комплекс експериментальних досліджень. Об'єктом дослідження став абсорбційний холодильник “Київ-410” АШ 160 з аміачними ТТ у НТВ.

У результаті моделювання з використанням результатів експериментальних досліджень, при якому варіювалися розміри охолоджуваних камер, товщина стінки внутрішнього корпуса і число ТТ, розроблена номограма (рис. 9), що дозволяє розроблювачам вибрати прийнятний варіант конструкції.

Основна проблема при розробці АХА із блоковою конструкцією випарника пов'язана із забезпеченням ефективного теплового зв'язку між плоскою теплосприймаючою поверхнею і випарником, що мають циліндричну або сплющену форму перерізу.

Для зниження контактного опору вперше була використана оригінальна конструкція, що містить стислу пластину ВПЧМ з мідним каркасом [50]. Попередньо заготовлені пластини ВПЧМ встановлювали в зоні контакту і стискали за допомогою різьових з'єднань, при цьому знижувалася їхня пористість і зростала ефективна теплопровідність.

Для визначення ефективної теплопровідності ВПЧМ і впливу на неї ступеня стиску були проведені експериментальні дослідження. У якості об'єкта дослідження використовувалася пластина мідного ВПЧМ товщиною 10 мм, а також її стислі варіанти із залишковою товщиною 4,5, 3,2 і 2,3 мм. Як показали дослідження, при ступені стиску зразка мідного ВПЧМ більш 4,35 ефективна теплопровідність практично не міняється і становить надалі 8,30,1 Вт/(мК). Максимальний ефект досягається у випадку, якщо до стиску ВПЧМ просочується теплопровідна паста типу КПТ-8.

Застосування ТТ і ДФТС із ефективним тепловим зв'язком за допомогою ВПЧМ дозволили застосувати новий спосіб конструювання, який відрізняється від традиційних виносом випарника АХА за межі корисного охолоджуваного об'єму камери і установкою його в спеціальному теплогідроізольованому блоці [46, 55, 58, 59, 63, 65-69]. Це дозволяє збільшити корисний об'єм охолоджуваної камери, виключити з технології виробництва екологічно небезпечну операцію оцинкування поверхні випарника АХА і розробити нові конструкції побутових АХП.

П'ятий розділ «Енергозберігаюче управління режимами побутових абсорбційних холодильних приладів» присвячений вивченню режимів роботи елементів і конструкцій АХП, що забезпечують мінімальне енергоспоживання при експлуатації. Показано, що при пошуку енергозберігаючих режимів необхідно звернути особливу увагу на ефективність транспортування аміаку у випарник, особливо в умовах роботи при знижених температурах зовнішнього повітря, а визначальним моментом при роботі в широкому діапазоні температур повітря навколишнього середовища є режими роботи піднімальної ділянки дефлегматора.

У сучасних конструкціях АХА підйомна ділянка дефлегматора виконує функцію остаточного очищення пари аміаку від пари води. Нижня частина підйомної ділянки дефлегматора закривається загальним теплоізоляційним кожухом. Очищення пари аміаку після ректифікатора відбувається як у зоні установки теплоізоляції (частково), так і на відкритих ділянках підйомного дефлегматора. В ідеальному режимі наприкінці підйомної ділянки дефлегматора очищення аміаку завершується. У реальних умовах експлуатації, коли температура повітря в приміщенні може змінюватися від 10 до 32 °С (клас виконання SN^*), у конденсатор надходить або неочищений пар аміаку, або конденсація аміаку починається вже у верхній частині піднімальної ділянки дефлегматора. Обидва цих фактора несприятливо впливають на енергетичну ефективність АХА.

...