Ексергетичне обґрунтування та підвищення енергоефективності роботи холодильних машин для охолодження повітря

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 697.94 (075)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Ексергетичне обґрунтування та підвищення енергоефективності роботи холодильних машин для охолодження повітря

Спеціальність 05.14.06 ? технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Лабай Володимир Йосифович

Львів ? 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті „Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Наукові консультанти: доктор технічних наук, професор

Мисак Йосиф Степанович,

завідувач кафедри теплотехніки

і теплових електричних станцій

Національного університету „Львівська політехніка”,

заслужений діяч науки і техніки України;

доктор технічних наук, професор

Ханик Ярослав Миколайович

завідувач кафедри хімічної інженерії

Національного університету „Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Хмельнюк Михайло Георгійович,

завідувач кафедри холодильних машин і установок

Одеської державної академії холоду;

доктор технічних наук, професор

Кошельник Вадим Михайлович,

завідувач кафедри теплотехніки

та енергоефективних технологій

Національного технічного університету

„Харківський політехнічний інститут”;

доктор технічних наук, професор

Балаcанян Геннадій Альбертович,

професор кафедри теплових електричних станцій

та енергозберігаючих технологій Одеського

національного політехнічного університету.

Захист відбудеться « 30 » червня 2011 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. Устияновича, 5, корпус 10, ауд. 51.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий « 20 » травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Ю.З. Вашкурак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Належний стан повітря є необхідною умовою для здоров'я, працездатності й самопочуття людини в житлових і громадських приміщеннях, а, часто, і вирішальною умовою для здійснення багатьох, особливо новітніх технологічних процесів.

Створення належного стану повітря, тобто мікроклімату в приміщенні, залежить від інженерних систем, зокрема систем кондиціювання повітря (СКП), до яких відносяться split-кондиціонери, що у своєму складі мають хладонові (фреонові) холодильні машини. Split-кондиціонери призначені для охолодження повітря в холодильних машинах цих кондиціонерів і відносяться до енергоємкого обладнання, яке характеризується низьким коефіцієнтом використання електроенергії.

Достатньо відзначити, що на кондиціювання повітря split-кондиціонерами 1 м³ об'єму приміщення будинку потрібно від 40 до 80 Вт електричної потужності. А тенденція росту тарифів потребує ощадливого відношення до витрати електроенергії і впровадження енергоощадних технологій в СКП тому, що зокрема split-кондиціонерами споживається в Україні до 5% виробленої електроенергії.

Підвищення ефективності використання енергоємкого обладнання є важливою умовою успішної реалізації програми енергозбереження в нашій державі. Для оцінки енергоефективності обладнання СКП останнім часом застосовують один із загальних термодинамічних методів аналізу - ексергетичний. Ексергетичний аналіз дозволяє не тільки врахувати кількість енергії, яка витрачається і відводиться від системи, але й якість цієї енергії, тобто її здатність бути перетвореною у корисну роботу.

Сучасні split-кондиціонери не досягли технічної досконалості і не мають максимально вигідні показники енергоспоживання. Для подальшого підвищення енергоефективності роботи кондиціонерів потрібний детальний аналіз їх функціонування з використанням розробленого у дисертаційній роботі ексергетичного методу аналізу холодильних машин split-кондиціонерів, який є методом термодинамічного дослідження холодильної машини як в цілому, так і її окремих частин з метою отримання повної інформації про процеси перетворення енергії, що мають місце у таких системах. Результатом проведення аналізу є знаходження ексергетичного коефіцієнта корисної дії (ККД) процесу в цілому та втрат ексергії в окремих елементах холодильної машини з метою підвищення її енергоефективності і покращення економічних показників.

Науковою основою ексергетичного аналізу холодильних машин є поняття ексергії і його застосування для розв'язання прикладних задач технічної теплофізики та промислової теплоенергетики. Вагомий внесок у розвиток ексергетичного аналізу зробили такі вчені: Ж. Гюі, А. Стодола, Ф. Бошнякович, П. Грассман, А. Андрущенко, К. Нессельман, З. Рант, Я. Шаргут, Р. Петела, Н. Ельснер, В. Фратцшер, В. Бродянський, А. Долінський та багато ін.

Тому, питання інтенсифікації роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів з метою впровадження енергоощадних холодильних процесів, зниження енергетичних витрат на роботу кондиціонерів шляхом підвищення їх ексергетичного ККД є актуальною науково-технічною проблемою, яка потребує свого вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконувались і виконуються за основними напрямками наукової діяльності Національного університету «Львівська політехніка».

Дисертація виконана згідно пріоритетного напряму науково-дослідної роботи кафедри «Теплогазопостачання і вентиляція» Національного університету «Львівська політехніка» з проблеми «Ексергетичний аналіз інженерних систем» відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України (№ державної реєстрації 0107U005266) і відповідає Закону України від 1 липня 1994 року № 74/94-ВР «Про енергозбереження».

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в ексергетичному обґрунтуванні та підвищенні енергоефективності роботи холодильних машин для охолодження повітря і на цій основі розробленні методів зменшення енергетичних витрат на прикладі split-кондиціонерів.

Для реалізації зазначеної мети роботи необхідно вирішити такі завдання:

· провести критичний аналіз використання методу ексергетичного дослідження процесу роботи холодильних машин;

· використати метод ексергетичного аналізу холодильних машин В. Бродянського та в подальшому розвинути його для ексергетичного дослідження процесу роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів так, щоб він став основою для створення математичної моделі холодильної машини та комп'ютерного програмування;

· розробити дослідницьку комп'ютерну програму ексергетичного аналізу процесу роботи холодильних машин для виконання розрахунково-кількісних експериментів та ексергетичного обґрунтування і підвищення енергоефективності роботи холодильних машин для охолодження повітря;

· вивчити вплив різних факторів, а саме: температури навколишнього середовища, витрат повітря на випарнику і конденсаторі, кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі, різниці температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі, адіабатичного та електромеханічного ККД компресора, на процес роботи, ексергетичну ефективність холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів та втрати ексергії в основних їх елементах;

· отримати відповідні узагальнюючі залежності ексергетичного ККД, технічних характеристик та втрат ексергії в окремих елементах холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів від факторів, які впливають на процес їх роботи;

· дати рекомендації щодо вдосконалення роботи існуючих та створення нових енергоощадних холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів;

· створити спеціальний метод знаходження ексергетичного ККД холодильних машин для аналізу та підтвердження достовірності отриманих в роботі результатів.

Об'єкт дослідження - термодинамічні процеси в холодильних машинах для охолодження повітря на прикладі split-кондиціонерів.

Предмет дослідження - ексергетична ефективність процесів в холодильних машинах для охолодження повітря, включаючи процеси втрат ексергії під час дисипації енергії, з метою підвищення їх енергоефективності.

Методи дослідження. Для аналізу ефективності процесів роботи холодильних машин використано такі основні методи досліджень:

· існуючий ексергетичний метод термодинамічного дослідження холодильних машин В. Бродянського;

· закони термодинаміки та методи теорії тепломасообміну;

· методи математичного моделювання роботи холодильної машини на прикладі split-кондиціонера;

· методи комп'ютерного програмування;

· комп'ютерне опрацювання результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Одержав подальший розвиток метод ексергетичного аналізу холодильних машин В. Бродянського в частині аналітичного знаходження значень температури повітря на випарнику залежно від наявної температури повітря на конденсаторі холодильної машини, температур випаровування і конденсації в холодильній машині та теплофізичних характеристик холодильного агента і вперше поширено його на холодильні машини split-кондиціонерів.

2. Створено алгоритм та розроблено математичну термодинамічну модель холодильного циклу машин на прикладі split-кондиціонерів для проведення енергетичного та ексергетичного аналізу та, відповідно, розроблено комп'ютерну програму для здійснення досліджень. Це дало можливість виконати розрахунково-кількісні експерименти та розв'язати проблему удосконалення роботи діючих холодильних машин і розроблення ефективних енергоощадних холодильних машин split-кондиціонерів.

3. Вперше досліджено вплив температури навколишнього середовища, витрат повітря на випарнику і конденсаторі, кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі, різниці температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі, адіабатичного та електромеханічного ККД компресора на процес роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів та виявлено характер цього впливу на ексергетичний ККД та технічні характеристики кондиціонерів і втрати ексергії в їх елементах. Це дало можливість підвищити ексергетичний ККД холодильних машин split-кондиціонерів на 13,7…48%, а також покращити їх економічні показники до 7…18%.

4. Науково обґрунтовано та отримало подальший розвиток визначення ексергетичного ККД і втрат ексергії в окремих елементах холодильної машини на прикладі split-кондиціонера залежно від температури навколишнього середовища, витрат повітря на випарнику і конденсаторі, кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі, різниці температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі, адіабатичного та електромеханічного ККД компресора та запропоновано ефективні енергоощадні умови їх експлуатації з вищим ексергетичним ККД, а саме 0,368 порівняно з 0,249.

5. Вперше доведено, що між витратами повітря на випарнику і конденсаторі холодильних машин split-кондиціонерів повинен бути взаємозв'язок, а тому їх вибір не може бути довільним. У зв'язку з чим обґрунтовано спосіб підвищення енергоощадності цих кондиціонерів за допомогою визначення ефективного енергоощадного співвідношення між витратами повітря на випарнику і конденсаторі холодильної машини, яке дає вищий ексергетичний ККД.

6. Розроблено метод визначення ефективних витрат повітря на випарнику діючих холодильних машин split-кондиціонерів залежно від температурних умов зовнішнього середовища, що дає можливість експлуатувати ці холодильні машини за вищих ексергетичних ККД.

7. Введено для split-кондиціонерів поняття зовнішнього температурного режиму, який визначається початковими температурами повітря, що омиває, відповідно, конденсатор і випарник кондиціонера, та внутрішнього температурного режиму, який визначається температурами випаровування і конденсації холодильного агента у, відповідно, випарнику і конденсаторі кондиціонера, та сформульовані вимоги щодо рівноцінного порівняння ефективності роботи холодильних машин split-кондиціонерів.

8. Вперше запропоновано спосіб приведення роботи холодильних машин split-кондиціонерів до однакового внутрішнього температурного режиму ( = = 15єC, = 45єC) незалежно від їх холодопродуктивності завдяки аналітичному обґрунтуванню та розрахункам витрат повітря на випарнику і конденсаторі кондиціонерів, що дає можливість підвищити їх ексергетичний ККД та встановити однакові порівняльні температурні умови як зовнішні, так і внутрішні.

9. Cтворено новий спрощений метод знаходження ексергетичного ККД холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів, що дозволяє безпосередньо визначити вхідний і вихідний потоки ексергії та ексергетичний ККД для проведення експрес-аналізу ефективності роботи кондиціонерів.

Практичне значення отриманих результатів полягає у реалізації досліджень у вигляді інженерних методів, алгоритмів, комп'ютерної програми для розрахунку і прогнозування ефективних процесів роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів, які є базою для розроблення високоефективних та енергоощадних холодильних машин й покращення умов експлуатації діючих холодильних машин. Запропоновано спосіб підвищення енергоощадності місцевих автономних кондиціонерів. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці фахівців за спеціальністю “Теплогазопостачання і вентиляція” під час викладання дисциплін: «Кондиціювання повітря та холодопостачання», «Проектування систем кондиціювання повітря та холодопостачання», виконання магістерських кваліфікаційних робіт, а також для функціонування ПП «Системи кондиціювання та вентиляції» і ПП «Домінанта-Еко» (м. Львів), Ладижинської та Добротвірської ТЕС, що дозволило зменшити споживання електричної енергії в експлуатованих холодильних машинах split-кондиціонерів залежно від зовнішніх температурних умов на 7-18%.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану науково-технічної проблеми; обґрунтуванні та розробленні основної ідеї і теми дисертації; формуванні мети і завдань виконаної роботи; виборі фізико-математичного апарату; удосконаленні ексергетичного методу термодинамічного дослідження і пристосуванні його для всебічного ексергетичного аналізу процесу роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів; розробленні імітаційної математичної моделі для ексергетичного аналізу процесу роботи холодильних машин split-кондиціонерів; створенні дослідницької комп'ютерної програми ексергетичного аналізу процесу роботи холодильних машин; математичному узагальненні отриманих результатів досліджень; обґрунтуванні і розробленні ефективних енергоощадних процесів для холодильних машин; розробленні технічних рішень і науково-практичних рекомендацій, створенні нового методу знаходження ексергетичного ККД холодильних машин для split-кондиціонерів; оформленні статей та доповідей на наукових конференціях, патенту. Основні результати розрахункових та теоретичних досліджень, які виносяться на захист, отримані автором самостійно. Постановка завдання та формулювання висновків виконувались за участю наукових консультантів, д.т.н., професора та д.т.н., професора Мисака Й.С.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та окремих розділів доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Державного та Національного університету «Львівська політехніка» в період з 2000 до 2010 року; V Конференції науковій Жешувсько-Львівсько-Кошицькій „Aktualne problemy budownictwa i inїynierii њrodowiska”, Жешув (Польща), 2000; XII Конференції тепловиків „Systemy grzewcze w budownictwie”, Соліна (Польща), 2000; XIII Конференції тепловиків „Efektywnoњж dystrybucji i wykorzystania ciepіa”, Соліна (Польща), 2001; XIV Конференції тепловиків „Perspektywy rozwoju ciepіownictwa”, Соліна (Польща), 2002; VI Міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП «Промислова гідравліка і пневматика», Львів, 2005; ХІ Міжнародній науковій конференції «Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля», «Львів-Кошице-Жешув», Львів, 2007; 5-тій Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економії енергії», Львів, 2008; Міжнародній науково-технічній конференції «Впровадження інноваційних технологій і перспективи розвитку систем теплогазопостачання і вентиляції», Харків, 2008; XII Міжнародній науковій конференції Жешувсько-Львівсько-Кошицькій „Current Issues of Civil and Enviromental Engineering”, Жешув (Польща), 2009; 6-ій Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології», Одеса, 2009.

У повному обсязі дисертація доповідалася на наукових міжкафедральних семінарах Національного університету «Львівська політехніка».

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 42 наукових працях. З них 32 статті у наукових фахових виданнях, 10 у тезах та матеріалах доповідей на Міжнародних конференціях, отримано патент України на корисну модель. Значну частину наукових праць (21 стаття і 1 патент) виконано одноосібно. ексергетичний холодильний машина повітря

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг дисертації становить 337 сторінок, зокрема 265 сторінок основного тексту, 65 рисунків, 38 таблиць, у бібліографії наведено 165 джерел. Додатки складають 39 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність застосування ексергетичного методу аналізу для інтенсифікації роботи холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів, які використовують для створення мікроклімату в приміщеннях будинків, викладено мету і завдання роботи, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, наведено інформацію про апробацію роботи, публікації, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі виконано загальний огляд джерел літератури, присвячений використанню поняття «ексергія» для проведення сучасного термодинамічного аналізу холодильних та теплових процесів. Розглянуто призначення сучасного ексергетичного методу термодинамічного аналізу, безпосередньо ексергетичного методу аналізу холодильних машин. Здійснено огляд джерел літератури, присвячених ексергетичному аналізу холодильних машин. Встановлено, що у літературі відсутні надійні методи складання енергетичного та ексергетичного балансів процесу роботи одноступеневої парокомпресорної хладонової холодильної машини на прикладі split-кондиціонерів. Стверджено, що використання сучасного методу ексергетичного аналізу холодильних машин є найдоцільнішим. Обґрунтовані основні напрямки досліджень.

У другому розділі обґрунтовано вибір об'єкта дослідження та подано його характеристику. Наведено розроблений метод складання енергетичного та ексергетичного балансів одноступеневих парокомпресорних холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів, в якій вказано, що вихідними даними для її використання є: фірма-виробник (наприклад, «Sanyo»), тип кондиціонера - split, холодильний агент, на якому працює кондиціонер, (наприклад, хладон-22 (R22)) і технічні характеристики внутрішнього (випарно-регулювального) блоку (наприклад, SAP-K 75 QS5), а саме: стандартна холодопродуктивність (наприклад, = = 2020 Вт), стандартна споживана потужність (наприклад, = 610 Вт), стандартне випадання конденсату (наприклад, = 0,9 л/год), стандартна (встановлена) витрата повітря на випарнику (наприклад, = 450 м³/год) та зовнішнього (компресорно-конденсаторного) блоку (наприклад, SAP-С 75 Q5), а саме: стандартна (встановлена) витрата повітря на конденсаторі (наприклад, = = 1360 м³/год) за стандартного зовнішнього температурного режиму, який визначається: стандартною температурою навколишнього середовища (зовнішнього повітря) = 35°С і стандартною температурою кондиціонованого внутрішнього (рециркуляційного) повітря у приміщенні = 27°С відповідно до температури навколишнього середовища. Подано розрахунок внутрішнього температурного режиму роботи холодильної машини кондиціонера, який характеризується температурами випаровування і конденсації, що визначались на основі теплових балансів випарника і конденсатора холодильної машини; показано процес роботи холодильної машини кондиціонера на р-і - діаграмі та визначення тиску, питомої ентальпії і питомої ентропії у характерних точках термодинамічного циклу за отриманими автором залежностями для певного холодильного агента на основі табличних даних; наведено енергетичний баланс холодильної машини кондиціонера та визначення її характеристик; подано розрахунок ексергії у характерних точках термодинамічного циклу холодильної машини кондиціонера та зображення його на е-і - діаграмі; описано ексергетичний баланс холодильної машини кондиціонера та її ексергетична діаграма потоків Грассмана; дано приклад використання методу складання енергетичного та ексергетичного балансів парокомпресорної холодильної машини для вибраного split-кондиціонера.

Як вже було вказано, об'єктом дослідження є термодинамічні процеси в холодильних машинах (без ефективного охолодження компресора) для кондиціонерів, зокрема split-кондиціонера “Sanyo” стандартної холодопродуктивності = 2020 Вт, (рис. 1). Для вивчення досконалості цього холодильного процесу досліджувалось: встановлення максимальних термодинамічних можливостей системи; визначення втрат ексергії в ній та обґрунтування рекомендацій з вдосконалення окремих її елементів; виявлення можливостей інтенсифікації процесу роботи цієї холодильної машини; встановлення ефективних енергоощадних режимів її роботи на основі складання ексергетичних балансів.

а) б)

Рис. 1. Принципова схема (а) та побудова процесу роботи на p-i - діаграмі (б) холодильної машини на прикладі split-кондиціонера: І - компресор; ІІ - конденсатор; ІІІ - капілярна трубка (дросель); ІV - випарник; 1, 2, 3, 4 - характерні точки термодинамічного циклу

Ексергетичний ККД одноступеневої парокомпресорної хладонової холодильної машини на прикладі split-кондиціонерів визначали з її ексергетичного балансу для 1 кг/с витрати циркулюючого робочого холодильного агента, який має вигляд:

, кДж/кг, (1)

де - вхідний потік ексергії у компресор кондиціонера, кДж/кг; - вихідний потік ексергії з випарника кондиціонера, кДж/кг; - загальні втрати потоку ексергії у всіх апаратах холодильної машини кондиціонера, кДж/кг.

Виходячи з цього, ексергетичний ККД визначали за виразом

. (2)

Ексергетична діаграма потоків Грассмана холодильної машини кондиціонера, що працює на хладоні-22 (R22) за стандартних умов, показана на рис. 2.

На рис. 2 - вхідна ексергія, %; , , , - відповідно, відносні загальні втрати ексергії у компресорі і конденсаторі, відносні втрати ексергії у капілярній трубці (дроселі) і випарнику через незворотність теплообміну, %; - вихідна ексергія або ексергетична холодопродуктивність, %.

Рис. 2. Ексергетична діаграма потоків Грассмана холодильної машини split-кондиціонера фірми «Sanyo» стандартної холодопродуктивності 2020 Вт: І - компресор; ІІ - конденсатор; ІІІ - капілярна трубка (дросель); ІV - випарник

Аналіз діаграми потоків Грассмана показує, що для даного випадку найбільші втрати ексергії є у конденсаторі, а найменші - у дроселі.

Розвинутий метод енергетичного та ексергетичного аналізів холодильної машини на прикладі split-кондиціонера має певний алгоритм розв'язування, який є придатним для комп'ютерного програмування. Це дало можливість розробити дослідницьку комп'ютерну програму, що дозволило значно розширити дослідження і зробити їх вагомішими.

Виконано значну кількість розрахунково-кількісних експериментів на термодинамічній математичній моделі досліджуваної холодильної машини split-кондиціонера, яка відтворювала процес її роботи за допомогою комп'ютерної техніки і відповідного програмного забезпечення, що відображено у подальших розділах дисертації.

У третьому розділі, присвяченому застосуванню ексергетичного аналізу, було проаналізовано вплив різних факторів, а саме: температури навколишнього середовища 22 ?? 40С, витрат повітря на випарнику 300 ?? 1000 м³/год і конденсаторі 500 ?? 7000 м³/год, кінцевих різниць температур у випарнику 2 ?? 4°С і конденсаторі 3 ?? 5°С, різниці температур перегрівання у випарнику 5 ?? 15°С і переохолодження у конденсаторі 3 ?? 5°С, адіабатичного 0,7 ?? 0,9 та електромеханічного 0,75 ?? 0,95 ККД компресора, на ексергетичний ККД та технічні характеристики холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів.

Досліджено вплив температури навколишнього середовища на ексергетичний ККД та технічні характеристики холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів. Параметри навколишнього середовища (зовнішнього повітря) для холодильних машин split-кондиціонерів визначають параметри роботи конденсатора холодильної машини, і зокрема параметри внутрішнього повітря всередині приміщення, які впливають на параметри роботи випарника холодильної машини.

Температуру внутрішнього (рециркуляційного) повітря в кондиціонованому приміщенні обмежували залежно від температури навколишнього повітря за формулою виду

(3)

Дослідження кондиціонера здійснювались за таких робочих умов його функціонування: температури навколишнього середовища 22 ?? 40С і, відповідної до неї, температури внутрішнього повітря 20 ?? 29С.

Отримана залежність ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від температури навколишнього середовища показана на рис. 3 та апроксимована формулою

. (4)

Залежності робочої холодопродуктивності, споживаної потужності та робочої кількості конденсату для вибраного кондиціонера від температури навколишнього середовища в реальних умовах його експлуатації показані відповідно на рис. 4, а; 4, б і 5 та представлені відповідними формулами: -

для 22 ?? 31С

, Вт; (5)

, Вт; (6)

, л/год; (7)

- для 31 ?? 40С

, Вт; (8)

, Вт; (9)

, л/год. (10)

Рис. 3. Залежність ексергетичного коефіцієнта корисної дії split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від температури навколишнього середовища



а) б)

Рис. 4. Залежність робочої холодопродуктивності (а) та споживаної потужності (б) split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від температури навколишнього середовища

Як бачимо з рис. 4 і 5 залежності робочої холодопродуктивності, споживаної потужності та робочої кількості конденсату кондиціонера від температури навколишнього середовища змінюють свій напрямок за умови, коли > 31С. Причиною цього є різні зміни температури внутрішнього повітря в кондиціонованому приміщенні від температури навколишнього повітря (формула (3)), для яких межовою температурою згідно до норм є = 30С. У зв'язку з цим запропоновано вважати межовою температурою температуру = 31С, яка має місце у вентиляції, і нові залежності температури внутрішнього повітря в кондиціонованому приміщенні від температури навколишнього середовища, що відображені на рис. 6.

Запропонована нова залежність від описується рівняннями

(11)

Рис. 5. Залежність робочої кількості конденсату , що випадає на випарнику split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт, від температури навколишнього середовища



Рис. 6. Залежність температури внутрішнього повітря у кондиціонованому приміщенні від температури навколишнього середовища

Із дослідних залежностей (рис. 3, 4, 5 і 6) встановлено, що зростання температури зовнішнього повітря від 22 до 40С призводить до зростання ексергетичного ККД на 65%, при цьому від 22 до 31С відбувається незначне зростання робочої холодопродуктивності вибраного кондиціонера на 3,0% та споживаної потужності - на 2,9%, а робоча кількість конденсату зменшується на 20%, далі від 31 до 40С відбувається зменшення робочої холодопродуктивності вибраного кондиціонера на 7,8%, споживаної потужності на 7,6% і робочої кількості конденсату на 10,7%.

Отже, застосовувати вибраний кондиціонер для забезпечення мікроклімату в приміщенні є ощаднішим з вищим ексергетичним ККД ? 0,214 і за температур навколишнього середовища ? 31С.

Встановлено залежність внутрішнього температурного режиму роботи холодильних машин split-кондиціонерів від температури навколишнього середовища. Внутрішній температурний режим роботи холодильних машин split-кондиціонерів, які працюють на однокомпонентному холодильному агенті, загалом визначається двома основними температурами, а саме: температурою випаровування рідкого холодильного агента і температурою конденсації пари холодильного агента . Показано, що від внутрішнього температурного режиму роботи холодильних машин, зокрема split-кондиціонерів, залежать їх робочі холодопродуктивності, споживані потужності і робочі кількості конденсату, що випадає на випарниках. Своєю чергою він зумовлений зовнішнім температурним режимом, який залежить від температури навколишнього середовища, тобто

(12)

(13)

де - кінцева різниця температур у випарнику (2 ?? 4°С, зокрема для стандартного процесу приймали °С); - кінцева різниця температур у конденсаторі (3 ?? 5°С, зокрема для стандартного процесу приймали °С).

Отримана залежність температури випаровування вибраного кондиціонера від температури навколишнього середовища

, °С, (14)

а залежність температури конденсації - відповідно

, °С. (15)

Залежності та показано на рис. 7, а та 7, б.

а) б)

Рис. 7. Залежність температури випаровування (а) та температури конденсації (б) split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від температури навколишнього середовища

Залежність різниці температур конденсації та випаровування, яка є важливою характеристикою роботи холодильної машини кондиціонера, від температури навколишнього середовища знайдена такою:

, °С. (16)

Залежності робочої холодопродуктивності вибраного кондиціонера від різниці температур конденсації та випаровування визначаються за формулами:

- для 22,9 ?? 27,6С

, Вт; (17)

- для 27,6 ?? 32,8С

, Вт. (18)

Залежності та показано на рис. 8 і 9.

Рис. 8. Залежність різниці температур конденсації та випаровування split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від температури навколишнього середовища

Рис. 9. Залежність робочої холодопродуктивності split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від різниці температур конденсації та випаровування

Як бачимо з рис. 9 залежність робочої холодопродуктивності кондиціонера від різниці температур конденсації та випаровування змінює свій напрямок після різниці температур = 27,6С, за якої маємо максимальне значення робочої холодопродуктивності. У зв'язку з цим запропоновано вважати цю різницю температур конденсації та випаровування найефективнішою для роботи split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт.

Показано, що застосовувати вибраний кондиціонер є ощаднішим з вищим ексергетичним ККД ? 0,214 за температур навколишнього середовища ? ? 31С та, відповідно, за температур випаровування ? 13,6С і конденсації ? 41,2С. У той самий час найефективнішою різницею температур конденсації та випаровування для split-кондиціонера є = 27,6С.

Визначено залежність тисків випаровування і конденсації холодильних машин split-кондиціонерів від температури 22 ?? 40С навколишнього середовища.

Як відзначено, застосовувати вибраний кондиціонер є ощаднішим з вищим ексергетичним ККД ? 0,214 за температур навколишнього середовища ? ? 31С та, відповідно, за тисків випаровування ? 0,76 МПа і конденсації ? 1,59 МПа.

Вплив температури навколишнього середовища на вхідний і вихідний потоки ексергії у холодильних машинах split-кондиціонерів розкрито на основі отриманої залежності вхідного потоку ексергії у компресорі вибраного кондиціонера і вихідного потоку ексергії з випарника від температури навколишнього середовища 22 ?? 40С.

Як встановлено, застосовувати вибраний кондиціонер є ощаднішим з вищим ексергетичним ККД ? 0,214 за температур навколишнього середовища ? ? 31С та, відповідно, за вхідного потоку ексергії у компресорі кондиціонера ? ? 26,9 кДж/кг і вихідного потоку ексергії з випарника ? 5,76 кДж/кг.

Залежність ексергетичного ККД холодильних машин split-кондиціонерів від витрат повітря на випарнику і конденсаторі (формули (12) і (13)) показує, що температури випаровування і конденсації , які впливають на ексергетичний ККД, визначаються для певної холодильної машини split-кондиціонера не тільки зовнішнім температурним режимом, але й зумовлені відповідними витратами повітря на випарнику і конденсаторі .

Зауважимо, що дослідження здійснювались для вибраного кондиціонера за стандартних зовнішніх температурних умов та робочих витрат внутрішнього повітря на випарнику 300 ?? 1000 м³/год і робочих витрат зовнішнього повітря на конденсаторі 500 ?? 7000 м³/год.

Отримані залежності ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від витрат повітря на випарнику та конденсаторі апроксимовані такими формулами:

- за 500 ?? 2000 м³/год

; (19)

- за 2000 ?? 7000 м³/год

. (20)

На рис 10 і 11 показано залежності та .

Встановлено (рис. 10 і 11), що зростання витрати повітря на випарнику холодильної машини вибраного кондиціонера в межах 300 ?? 1000 м³/год, тобто в 3,33 рази, практично не впливає на зміну значення ексергетичного ККД (на 1,6%). Тому на випарнику вибраного кондиціонера бажано використовувати витрату повітря якомога найменшою (наприклад, 300 ?? 375 м³/год). Відповідно зростання витрати повітря на конденсаторі холодильної машини кондиціонера в межах 500 ?? 7000 м³/год, тобто в 14 разів, призводить до значного зростання значення ексергетичного ККД (на 74%), що є позитивним. Зауважено, що зростання витрати повітря на конденсаторі холодильної машини вибраного кондиціонера в межах 500 ?? 2000 м³/год, тобто в 4 рази, призводить до значного зростання значення ексергетичного ККД (на 55%), а подальше значне зростання витрати повітря на конденсаторі холодильної машини вибраного кондиціонера в межах 2000 ?? 7000 м³/год, тобто в 3,5 рази, призводить до незначного зростання значення ексергетичного ККД (на 12,6%). Тому на конденсаторі вибраного кондиціонера бажано використовувати витрату повітря як можна великою, але незначно вищою за 2000 м³/год (наприклад, 2000 <? 3100 м³/год).

Рис. 10. Залежність ексергетичного ККД split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від витрат повітря на випарнику і конденсаторі: 1 ряд - = 500 м³/год; 2 ряд - 1000; 3 ряд - 3000; 4 ряд - 5000; 5 ряд - 7000

Рис. 11. Залежність ексергетичного ККД split-кондиціонера „Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт від витрат повітря на конденсаторі і випарнику: 1 ряд - = 300 м³/год; 2 ряд - 400; 3 ряд - 600; 4 ряд - 800; 5 ряд - 1000

Разом з тим за зміни витрати повітря на конденсаторі холодильної машини вибраного кондиціонера в межах 500 ?? 2000 м³/год зростання витрати повітря на випарнику призводить до незначного зниження значення ексергетичного ККД , а, навіть, за 2000 м³/год це значення стає практично однаковим (на рис. 11 помітно, що всі криві перетинаються за = 2000 м³/год). В той самий час за зміни витрати повітря на конденсаторі в межах 2000 ?? 7000 м³/год зростання витрати повітря на випарнику призводить до незначного зростання значення ексергетичного ККД , особливо після 7000 м³/год. Тому підтверджено, що на конденсаторі вибраного кондиціонера бажано використовувати витрату повітря , наприклад, 2000 <? 3100 м³/год).

Отже, встановлено, що застосовувати вибраний кондиціонер ощадніше за стандартних зовнішніх температурних умов та запропонованих ефективних витрат повітря на випарнику = 375 м³/год і конденсаторі = 3100 м³/год. Завдяки цьому ексергетичний ККД зросте від 0,249 до 0,283, тобто на 13,7%, що є суттєвим.

Залежність внутрішнього температурного режиму роботи холодильних машин split-кондиціонерів від витрат повітря на випарнику і конденсаторі показана у вигляді залежностей температур випаровування і конденсації вибраного кондиціонера від витрат повітря на випарнику та конденсаторі, які апроксимовані такими формулами:

- за 300 ?? 1000 м³/год

, С; (21)

- за 500 ?? 7000 м³/год

, С. (22)

Як було відзначено, застосовувати вибраний кондиціонер є ощаднішим за стандартних зовнішніх температурних умов і запропонованих ефективної витрати повітря на випарнику = 375 м³/год і відповідної температури випаровування = 13,2С та на конденсаторі ефективної витрати повітря = 3100 м³/год і відповідної температури конденсації = 41,8С. Поза тим, зауважено, що отримана під час цього різниця температур конденсації та випаровування = = 41,8 - 13,2 = 28,6С незначно відрізняється від рекомендованого ефективного значення цієї величини 27,6С.

Залежність тисків випаровування та конденсації холодильних машин split-кондиціонерів від повітряних потоків на випарнику і конденсаторі отримана для тисків випаровування і конденсації вибраного кондиціонера залежно від витрат повітря на випарнику та конденсаторі.

Встановлено, що для вибраного кондиціонера і запропонованих ефективної витрати повітря на випарнику відповідає тиск випаровування = 0,75 МПа та ефективної витрати повітря на конденсаторі відповідає тиск конденсації = = 1,62 МПа.

Вплив повітряних потоків у випарнику і конденсаторі на вхідний та вихідний потоки ексергії у холодильних машинах split-кондиціонерів показано на основі отриманої залежності вхідного потоку ексергії у компресорі та вихідного потоків ексергії з випарника вибраного кондиціонера від витрат повітря на випарнику 300 ?? 1000 м³/год і конденсаторі 500 ?? 7000 м³/год.

Показано, що для вибраного кондиціонера і запропонованих ефективної витрати повітря на випарнику відповідає незначно зменшений вхідний потік ексергії у компресорі кондиціонера = 27,8 кДж/кг та ефективної витрати повітря на конденсаторі відповідає значно нарощений вихідний потік ексергії з випарника = 7,89 кДж/кг.

Встановлено залежність ексергетичного ККД холодильних машин split-кондиціонерів від кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі. Кінцева різниця температур у випарнику впливає на значення температури випаровування рідкого холодильного агента (формула (12)), а кінцева різниця температур у конденсаторі впливає на значення температури конденсації пари холодильного агента (формула (13)), що своєю чергою визначають внутрішній температурний режим роботи холодильних машин split-кондиціонерів, які працюють на однокомпонентному холодильному агенті, та впливає на їх ексергетичний ККД.

Дослідження здійснювались для вибраного кондиціонера за стандартних зовнішніх температурних умов та кінцевих різниць температур у випарнику 2 ?? 4°С і кінцевих різниць температур у конденсаторі 3 ?? 5°С.

Отримана залежність ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі апроксимована формулою

. (23)

Показано, що застосовувати вибраний кондиціонер ощадніше з вищим ексергетичним ККД за стандартних зовнішніх температурних умов і запропонованих кінцевих різниць температур у випарнику = 2С та у конденсаторі - = 3С замість стандартних, відповідно 2,8С і 4,2С, а це призведе до зростання ексергетичного ККД з 0,249 до 0, 270, тобто на 8,4%, що є достатньо значним.

Проаналізовано вплив різниці температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі на ексергетичний ККД холодильних машин split-кондиціонерів. Різниця температур перегрівання пари холодильного агента у випарнику впливає на значення температури всмоктування перегрітої пари холодильного агента у компресор , а різниця температур переохолодження рідкого холодильного агента у конденсаторі впливає на значення температури переохолодження рідкого холодильного агента у конденсаторі , що своєю чергою є додатковими температурами внутрішнього температурного режиму роботи холодильних машин split-кондиціонерів, які працюють на однокомпонентному холодильному агенті. У той самий час від цих температур внутрішнього температурного режиму роботи холодильних машин split-кондиціонерів залежить як їх холодопродуктивність, так і ексергетичний ККД.

Дослідження здійснювались для вибраного кондиціонера за стандартних зовнішніх температурних умов та різниць температур перегрівання у випарнику 5 ?? 15С і різниць температур переохолодження у конденсаторі 3 ?? 5С.

Отримана залежність ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від різниць температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі апроксимована формулою

. (24)

Нами встановлено, що застосовувати split-кондиціонер ощадніше за стандартних зовнішніх температурних умов і запропонованих кінцевих різниць температур перегрівання у випарнику = 15С та переохолодження у конденсаторі - = 5С. Застосування запропонованої різниці температур перегрівання у випарнику 15С замість стандартної 10С призведе до зростання ексергетичного ККД з 0,249 до 0,251, тобто на 0,8%, що є достатньо незначним.

Встановлено залежність ексергетичного ККД холодильних машин split-кондиціонерів від адіабатичного та електромеханічного ККД компресора. Індикаторний ККД компресора впливає на значення питомої ентальпії сухої перегрітої пари холодильного агента після стискування її у компресорі і відповідно на питому індикаторну роботу компресора , а електромеханічний ККД компресора - на питому реальну роботу компресора , тобто загалом на потік вхідної питомої ексергії до електродвигуна компресора , а значить і на ексергетичний ККД (формула (2)) холодильних машин split-кондиціонерів.

Дослідження здійснювались для вибраного кондиціонера за стандартних зовнішніх температурних умов та адіабатичного (індикаторного) ККД компресора 0,7 ?? 0,9 і електромеханічного ККД компресора 0,75 ?? 0,95.

Отримана залежність ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від адіабатичного та електромеханічного ККД компресора апроксимована формулою

. (25)

Нами встановлено, що застосовувати вибраний кондиціонер ощадніше за стандартних зовнішніх температурних умов і запропонованих значень адіабатичного ККД компресора = 0,90 та електромеханічного ККД компресора = 0,95 замість стандартних, відповідно 0,80 і 0,90, тому, що це призведе до зростання ексергетичного ККД з 0,249 до 0,296, тобто на 18,9%, що є достатньо значним.

У четвертому розділі розкрито застосування ексергетичного аналізу холодильних машин на прикладі split-кондиціонерів для дослідження впливу температури навколишнього середовища , витрат повітря на випарнику і конденсаторі , кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі , різниці температур перегрівання у випарнику і переохолодження у конденсаторі , адіабатичного та електромеханічного ККД компресора, на втрати ексергії в їх компресорі, конденсаторі, дроселі і випарнику.

Найважливіше застосування ексергетичного балансу засноване не тільки на порівнянні ексергетичного ККД типових процесів, але й на порівнянні втрат ексергії, які відбуваються в окремих ланках досліджуваного процесу.

Якщо порівняння двох типових процесів показує, що ексергетичний ККД одного з них менше, ніж в іншого, то можна припустити, що у процесі з нижчим ККД існує можливість збільшення ступеня досконалості або шляхом зменшення незворотності в будь-якій складовій частині процесу, або шляхом покращення використання вхідного потоку ексергії.

Щоб встановити найвигідніший шлях збільшення досконалості досліджуваного процесу, потрібно порівняти втрати ексергії в окремих ланках процесу, а потім вивчити можливості зменшення цих втрат, які найпомітніше впливають на досконалість процесу. При цьому варто зважити не тільки можливості зміни ланок процесу з найбільшою незворотністю, але й можливість впливу на величину втрат ексергії у цих ланках шляхом змін, виконаних у попередніх ланках.

Досліджено залежність втрат ексергії у елементах холодильної машини split-кондиціонера від температури навколишнього середовища. З аналізу дослідних даних у табл. 1 встановлено, що зростання температури зовнішнього повітря від 22 до 40С спричиняє зменшення відносної втрати ексергії у компресорі , конденсаторі і дроселі за досить значного зростання ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від 0,166 до 0,274.

Також встановлено, що спочатку зростання температури зовнішнього повітря від 22 до 31С спричиняє незначне зростання відносної втрати ексергії у випарнику , але за значного зростання ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від 0,166 до 0,214. А далі зростання температури зовнішнього повітря від 31 до 40С спричиняє зменшення відносної втрати ексергії у випарнику за значного зростання ексергетичного ККД вибраного кондиціонера від 0,214 до 0,274, що є позитивним.

Отже, підтверджено, що застосовувати split-кондиціонер для забезпечення мікроклімату в приміщенні ощадніше за температур навколишнього середовища ? 31С.

Встановлено вплив повітряних потоків у випарнику і конденсаторі на втрати ексергії у елементах холодильної машини split-кондиціонера. Досліджено (табл. 1), що зростання витрати повітря на випарнику холодильної машини вибраного кондиціонера від 300 до 1000 м³/год спричиняє зростання відносної втрати ексергії у компресорі , конденсаторі і дроселі за зменшення відносної втрати ексергії у випарнику і разом з тим практично не впливає на зміну значення ексергетичного ККД (зменшується від 0,250 до 0,246). Тому підтверджено, що на випарнику кондиціонера потрібно використовувати витрату повітря як можна найменшою (наприклад, 300 ?? 375 м³/год).

Варто зауважити, що питомі втрати ексергії у дроселі не залежать від витрати повітря на випарнику .

Разом з тим зростання витрати повітря на конденсаторі холодильної машини вибраного кондиціонера від 500 до 2000 м³/год спричиняє зростання відносної втрати ексергії у компресорі , зменшення у конденсаторі, зростання у дроселі і практично не впливає на зміну відносної втрати ексергії у випарнику і в той самий час за значного зростання ексергетичного ККД (від 0,174 до 0,269). За подальшого зростання витрати повітря від 2000 до 7000 м³/год значення відносної втрати ексергії у компресорі зростає незначно, у конденсаторі зменшується, у дроселі і випарнику зростає незначно і в той самий час відносно незначно зростає ексергетичний ККД (від 0,269 до 0,303). Тому підтверджено, що на конденсаторі кондиціонера бажано використовувати витрату повітря дещо вищою за 2000 м³/год, але незначно (наприклад, 2000 <? 3100 м³/год).

Таблиця 1 Результати досліджень ексергетичного ККД та відносних втрат ексергії у відповідних елементах холодильної машини split-кондиціонера «Sanyo» стандартної холодопродуктивності 2020 Вт залежно від різних факторів, які впливають на її роботу

Фактор		, %	, %	, %	, %
= 22С	0,171	26,3	37,2	8,0	11,8
= 31С	0,214	24,8	33,9	7,4	12,4
= 40С	0,274	23,3	31,0	6,8	11,4
= 300 м3/год	0,250	23,8	28,6	6,0	16,6
= 1000 м3/год	0,246	24,7	37,6	8,8	4,4
= 500 м3/год	0,174	21,9	43,3	5,6	11,8
= 2000 м3/год	0,269	24,6	29,3	7,5	11,8
= 7000 м3/год	0,303	25,4	24,1	8,2	12,0
= 2С	0,258	24,2	32,9	7,3	9,9
= 4С	0,238	24,0	31,1	6,8	14,3
= 3С	0,262	24,4	30,3	7,4	11,7
= 5С	0,242	23,9	33,3	7,0	11,7
= 5С	0,248	23,5	30,3	7,2	14,1
= 15С	0,251	24,7	33,8	7,0	9,4
= 3С	0,245	24,1	31,8	7,2	12,4
= 5С	0,249	24,1	32,1	7,1	11,7
= 0,7	0,218	31,9	29,8	6,2	10,2
= 0,9	0,280	16,3	34,5	8,0	13,2
= 0,75	0,208	36,8	26,8	5,9	9,8
= 0,95	0,263	19,9	33,9	7,5	12,4

Примітка. Інші фактори під час проведення досліджень підтримувались для певного випадку, наведеного у табл. 1, сталими і такими: = 35С; = = 450 м³/год; = 1360 м³/год; = 2,8С; = 4,2С; = 10С; = 5С; = 0,8; = 0,9.

Отже, з аналізу втрат ексергії в елементах холодильної машини split-кондиціонера підтверджено, що застосовувати його ощадніше з вищим ексергетичним ККД за стандартних зовнішніх температурних умов і запропонованих ефективних витрат повітря на випарнику = 375 м³/год і на конденсаторі = 3100 м³/год для холодильної машини вибраного split-кондиціонера “Sanyo” стандартної холодопродуктивності 2020 Вт. Завдяки цьому ексергетичний ККД зросте від 0,249 до 0,283, що є суттєвим.

Проаналізовано залежність втрат ексергії в елементах холодильної машини split-кондиціонера від кінцевих різниць температур у випарнику і конденсаторі. З аналізу дослідних даних (табл. 1) встановлено, що зростання кінцевої різниці температур у випарнику холодильної машини вибраного кондиціонера від 2 до 4С практично не зменшує відносних втрат ексергії у компресорі , конденсаторі і дроселі , а у випарнику спричиняє значне зростання за зменшення ексергетичного ККД від 0,258 до 0,238, а зростання кінцевої різниці температур у конденсаторі холодильної машини вибраного кондиціонера від 3 до 5С - незначне зменшення відносних втрат ексергії у компресорі , у конденсаторі незначне зростання , у дроселі незначне зменшення і стале значення у випарнику за зменшення ексергетичного ККД від 0,262 до 0,242.

...