Теплові режими побутових холодильників із застосуванням двофазних теплопередаючих панелей

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

Теплові режими побутових холодильників із застосуванням двофазних теплопередаючих панелей

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

холодильник теплопередаючий термосифон

Актуальність роботи пов'язана з тим, що сучасні тенденції удосконалення побутової холодильної техніки містять у собі скорочення витрат часу на охолодження продуктів, збільшення корисного об'єму холодильних шаф, одержання рівномірного розподілу температур по об'єму холодильних камер, зниження рівня енергоспоживання і т.п. Застосування тих або інших удосконалень конструкції, дизайну, регулювання побутових холодильників призводить до змін таких показників як час виходу на режим, середньодобове енергоспоживання та ін. Традиційний шлях визначення змін цих показників зв'язаний з організацією відповідних експериментів та вимагає великих часових і матеріальних витрат. Крім цього, аналіз результатів експериментів у багатьох випадках не дозволяє надійним образом з'ясувати дійсні причини несприятливих змін значень тих або інших показників. Тому розробка спрощених, але вірогідних методів математичного моделювання, що допомогли б правильно оцінювати результати експериментів та ефективним чином удосконалювати конструкцію і технологію виготовлення побутових холодильників, представляється актуальною.

Крім того, одержання рівномірного розподілу температур в об'ємах холодильників і експериментальних термокамер є проблемою, що має важливе практичне значення, тому що рівномірність температурного поля дозволяє збільшити корисний об'єм камер, знизити споживану електроенергію й одночасно досягти якісного і більш швидкого охолодження або нагрівання в цих камерах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Постанови Верховної Ради України №75/97-ВР від 1.07.94, що затвердила Закон України „Про енергозбереження”.

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є визначення можливостей удосконалювання параметрів і характеристик побутових холодильників на основі застосування двофазних теплопередаючих панелей, а також оцінка раціональності такого технічного рішення з точки зору спроможності вирівнювання температурних полів у внутрішніх об'ємах холодильників.

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Визначити шляхи удосконалення конструкцій шаф компресійних холодильників, які широко розповсюджені на споживчому ринку, з метою зниження їхнього енергоспоживання без суттєвого збільшення вартості.

2. Розробити математичні моделі для визначення температурних режимів холодильних шаф побутових холодильників, які дозволять прогнозувати ефективність їх конструктивних змін з урахуванням геометричних і теплофізичних характеристик.

3. Розробити математичну модель температурних режимів теплопередаючих панелей з замкненим двофазним термосифоном.

4. Дослідити вплив від застосування теплопередаючих панелей з термосифоном в об'ємі холодильної шафи для компресійних побутових холодильників на його температурні режими.

5. Провести експериментальні дослідження роботи компресійного побутового холодильника з внутрішніми джерелами тепловиділення та без них при періодичній роботі компресора.

6. Провести експериментальні дослідження роботи теплопередаючих панелей на базі замкненого двофазного термосифона при різних режимах теплопідводу для оцінки теплопередаючої спроможності панелей.

7. Провести перевірку адекватності розроблених моделей для побутового холодильника та теплопередаючих панелей шляхом зіставлення розрахункових і експериментальних даних.

Об'єктом досліджень є побутовий компресійний холодильник та алюмінієві теплопередаючі панелі з замкненим двофазним термосифоном (ЗДТ) із проміжним теплоносієм.

Предметом досліджень є визначення теплових режимів теплопередаючих панелей, побутових холодильників без теплопередаючих панелей, з ними, з внутрішніми джерелами тепловиділення та без них.

Методи дослідження: математичне моделювання, експерименти, апробація розробленої математичної моделі на реальному побутовому холодильнику і на теплопередаючих панелях із замкнутим двохфазним термосифоном, узагальнення.

Наукове положення.

Теплопередаючі панелі з двофазним термосифоном дозволяють отримати рівномірний розподіл температур з перепадом температур по висоті 1 - 2^оС при різних теплових навантаженнях, а використання теплопередаючих панелей в об'ємі побутових холодильників дозволяє досягнути зменшення маси теплоносія в робочому контурі та знизити енергоспоживання на 5-10%.

Обґрунтованість і достовірність наукового положення визначається задовільним узгодженням експериментальних і розрахункових даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Застосування методу аналізу теплових режимів радіоелектронної апаратури (РЕА) школи професора Дульнева Г.М., для аналізу показників роботи побутових холодильників дозволяє одержати адекватні математичні моделі режимів їх роботи.

2. Вперше поставлені і виконані експериментальні дослідження теплових режимів побутових холодильників із внутрішніми джерелами тепловиділення та без них.

3. Отримані експериментальні дані по тепловим режимам теплопередаючих панелей з ізобутаном як проміжним теплоносієм.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Результати роботи можуть бути використані в технології виробництва конструкцій побутових холодильників та термокамер (із теплопередаючими панелями).

2. Результати досліджень підтвердили ефективність застосування теплопередаючих панелей для спрощення технології і собівартості АДХА, оскільки раніше на рівні авторських свідоцтв і патентів такі переваги застосування теплопередаючих панелей були визнані, але не мали експериментального підтвердження. Було показано, що запровадження таких пристроїв при умовах забезпечення необхідних термічних опорів покращують теплові режими та знижують енергоспоживання.

3. Апробований підхід до математичного моделювання теплових режимів побутових холодильників і термокамер, разом з методиками експериментування, може бути рекомендований для застосування в групах і відділах технічних виробництв, що займаються створенням нових зразків побутового і промислового холодильного обладнання.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці програми і методики експериментальних досліджень і підготовці відповідних публікацій, створенні експериментальних стендів та проведенні експериментальних досліджень, створенні математичних моделей для аналізу роботи побутових холодильників та тепло передаючих панелей з замкненим двофазним термосифоном, проведенні аналізу і узагальненні отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та висновки дисертаційного дослідження доповідались на щорічних конференціях аспірантів з 1999 по 2002 роки; на наукових семінарах кафедри кріогенної техніки (протокол №1 від 20 січня 2005р. та протокол №1 від 12 жовтня 2005р.); на 62-ій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Одеської державної академії холоду (Одеса, 2005).

Публікації. По темі дисертації опубліковано чотири друкованих роботи у науково-технічних журналах, що відповідають вимогам ВАК України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація викладена на 133 сторінках, включаючи 40 рисунків, і складається з вступу, чотирьох глав, списку літератури з 61 найменування і додатків на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі відображена актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, що виходять із сучасного стану проблеми, сформульовані наукове положення, новизна, основні результати роботи і визначена її практична цінність.

У першому розділі розглянуті існуючі математичні моделі компресійних та абсорбційно-дифузійних побутових холодильників, а також існуючі конструкції холодильних шафів з теплопередаючими панелями і тепловими трубами або термосифонами. Аналіз літератури, присвяченої створенню математичних моделей побутових холодильників, показує, що існуючі математичні моделі, в основному, присвячені моделюванню процесів тепло - і масопереносу в окремих елементах холодильної машини: компресор, конденсатор, випарник, капілярна трубка та ін., однак, не описують теплові режими холодильної шафи і не дозволяють правильно оцінити ефективність роботи холодильника в цілому з урахуванням основних особливостей його елементів. У теперішній час компресійні холодильники широко розповсюджені на споживчому ринку і актуальним є удосконалення їхньої конструкції з метою зниження нерівномірності температурного поля, спрощення конструкції холодильної камери без помітного збільшення собівартості, що може бути досягнуте за допомогою застосування теплових труб, термосифонів і теплопередаючих панелей. Передбачається, що використання теплопередаючих панелей з термосифоном для компресійних побутових холодильників дозволить збільшити їхній корисний об'єм і знизити температурний рівень в об'ємі холодильної шафи, спростити конструкцію випарника в холодильній камері. Відомі пропозиції на рівні авторських свідоцтв і патентів на холодильні агрегати з теплопередаючими панелями, але відсутні будь-які експериментальні дослідження, що підтверджують можливість їх практичного застосування.

В другому розділі представлені математичні моделі теплових режимів побутової компресійної холодильної шафи з імітаторами продуктів та без них, для теплопередаючих панелей із замкненим двофазним термосифоном з ізобутаном як проміжним теплоносієм. При розробці нестаціонарної математичної моделі теплових режимів холодильної шафи був використаний підхід, розроблений у роботах професора Г.М.Дульнева зі співробітниками стосовно до розрахунків теплових режимів радіоелектронної апаратури, що полягає у тому, що об'єкт, для якого складається математична модель теплових режимів, заміщається деякою “тепловою моделлю”. Як об'єкт моделювання і теплової моделі для розрахунку двохкамерного побутового холодильника обране тіло, що складається з областей, кожна з яких має свої теплофізичні і геометричні параметри. Схема теплової моделі порожнього холодильника представлена на рис.1а; теплова модель холодильника з імітаторами продуктів у холодильному і морозильному відділеннях представлена на рис.1б. Повні схеми термічних опорів (ТО), що відповідають даній тепловій моделі, представлені на рис.2, де стрілками позначені напрямки теплових потоків. Тут t_НП1, t_НП2 - температура навколишнього повітря; t_К1 - температура стінки морозильної камери; t_К2 - температура стінки холодильної камери; t_І - температура на поверхні випарника.

Система рівнянь (1) описує зміну температур у порожній холодильній шафі. Кожне з рівнянь описує температурний режим розглянутого елемента холодильної шафи з огляду на теплові зв'язки цього елемента з іншими елементами, розташованими в холодильній шафі.

(1)

Размещено на http://allbest.ru

де С_із1, С_із2, С_і - загальна теплоємність стінок морозильного відділення (МВ) та холодильного відділення (ХВ) та випарника, відповідно; t_к1, t_к2 - температура внутрішньої стінки МВ та ХВ, відповідно; t_нс - температура навколишнього середовища; t_пов1, t_пов2 - температура зовнішньої поверхні МВ та ХВ, відповідно; t_і - температура поверхні випарника; _нп1, _нп2 - теплова провідність зв'язку між навколишнім середовищем і зовнішньою поверхнею МВ та зовнішньою поверхнею ХВ; _із1, _із2 - теплова провідність ізоляції МВ та ХВ, відповідно, яка обумовлена експериментально; _кк - теплова провідність зв'язку між внутрішніми стінками морозильної і холодильної камер через ізоляцію; _вв - теплова провідність конвективного зв'язку між внутрішніми стінками морозильного і холодильного відділень; _к1і, _к2і - теплова провідність зв'язку між внутрішньою стінкою МВ і випарником та ХВ і випарником; Q_о - холодопродуктивність компресорно-конденсаторного агрегату, що є функцією температури кипіння холодильного агенту t_s і температури навколишнього середовища t_нс Q_o=f(t_s;t_нс).

Аналогічно були отримані рівняння для нестаціонарного режиму роботи холодильної шафи з імітаторами продуктів.

Для реалізації керування тепловими режимами за допомогою реле температури в математичних моделях холодильної шафи характеристика компресорно-конденсаторного агрегату виражалася у виді квадратичної функції від різниці температур навколишнього середовища і випарника й апроксимувалася рівнянням виду:

(2)

де t_s - температура кипіння холодоагенту, С; t_НС - температура навколишнього повітря, С; a, b, c - постійні коефіцієнти.

Об'єктом математичного моделювання теплопередаючих панелей на базі замкненого двофазного термосифону була робоча частка експериментальної установки, теплова модель якої представлена на рис.3.

Математична модель дозволяла одержати нестаціонарну зміну температури на панелі-випарнику t_ПІ і на панелі-конденсаторі t_ПК, на випарній частині термосифона t_ТІ і на конденсаторній частині термосифона t_ТК. Система складається з чотирьох диференційних рівнянь з постійними коефіцієнтами:

(3)

де С_ТІ - повна теплоємність випарної частини термосифона, Дж/К; С_ПІ - повна теплоємкість панелі-випарника, Дж/К; С_ПК - повна теплоємність панелі-конденсатора, Дж/К; С_ТК - повна теплоємність конденсаторної частини термосифона, Дж/К; _ПА - теплова провідність від панелі-випарника до агента, Вт/К; _ІК - теплова провідність від випарної частини термосифона до конденсаторної частини, Вт/К; _ІЗІТ - теплова провідність через ізоляцію від випарної частини термосифона до навколишнього середовища, Вт/К; _ІЗІ - теплова провідність через ізоляцію від панелі-випарника до навколишнього середовища, Вт/К; _ТПК - теплова провідність від конденсаторної частини термосифона до панелі-конденсатора, Вт/К; _ІЗК - теплова провідність через ізоляцію від панелі-конденсатора до навколишнього середовища, Вт/К; _ІЗТК - теплова провідність через ізоляцію від конденсаторної частини термосифона, Вт/К; _ТВ - теплова провідність стінки панелі-конденсатора до води, Вт/К.

Для моделювання роботи побутового холодильника з встановленими у внутрішній об'єм теплопередаючими панелями з двофазним термосифоном як теплова модель була використана схема холодильної шафи, яка представлена на рис.4. Для кожного відділення існує окрема теплопередаюча панель, у якій зона випару (кипіння) розташовується на стінці камери, зона конденсації розташована на відповідній частині випарника основного холодильного контуру.

У моделі були враховані теплові зв'язки "випарник - панель морозильної камери", "випарник - продукт морозильного відділення", "випарник перегородка", "перегородка - панель холодильного відділення", "панель холодильного відділення - продукт холодильного відділення" і т.д.

Розглядалися варіанти: холодильна шафа з теплопередаючими панелями та без них.

Модель складається з шістьох диференційних рівнянь з постійними коефіцієнтами і двох лінійних алгебраїчних рівнянь:

(4)

Тут t_п1, t_п2 - температура панелей у МВ і ХВ, відповідно; t_пер - температура перегородки між МВ та ХВ; С_пм, С_пх, С_пер - повна теплоємність панелей МВ і ХВ та перегородки, відповідно; С_пер - повна теплоємність перегородки.

Третій розділ присвячений розробці і конструюванню експериментальних стендів, що дозволяють моделювати роботу побутового холодильника з продуктами і без продуктів, досліджувати експериментальні характеристики теплопередаючих панелей на базі замкненого двофазного термосифону рис. 5, а так само опису методик експериментальних досліджень і обробці дослідних даних для вивчення роботи холодильних шаф і теплопередаючих панелей, націлених на одержання експериментальної інформації для перевірки надійності й адекватності математичних моделей.

На рис.5 представлена схема експериментальної установки, яка була створена для одержання розподілу температур на поверхні теплопередаючих панелей з двофазним термосифоном . Замкнений двофазний термосифон приєднувався до теплопередаючих панелей. В зоні випару встановлювався нагрівач, а зона конденсації охолоджувалась водою. Дослідження проводилися при різних потужностях нагрівача Q=50;110;152;200 і 313Вт. Була отримана зміна температур у часі на поверхні панелей і на поверхні випарної і конденсаторної частини термосифона.

Одержані результати експерименту дозволяли визначити залежність теплопередаючей здатності (рис.6) термосифону від перепаду температур між поверхнею випару t_і та конденсації t_к ізобутану в зонах випару та конденсації, відповідно. Ці дані дають можливість аналізувати ефективність використання даного холодоагенту як теплоносія в двофазному термосифоні для переносу тепла між панелями.

Аналіз отриманих даних показує, що замкнутий двофазний термосифон, заправлений ізобутаном, здатний забезпечити ефективне перенесення тепла з зони випару в зону конденсації. З рисунка видно, що при тепловому навантаженні Q=110Вт різниця температур між зонами випару і конденсації мінімальна, тобто при даному тепловому навантаженні ефективність роботи термосифона максимальна. При тепловому навантаженні Q=313Вт різниця температур максимальна, а ефективність роботи термосифона при цьому тепловому навантаженні мінімальна. Зниження теплопередаючої здатності термосифона при Q=313Вт пов'язано з тим, що зростає витрата теплоносія, зростає різниця тисків меж ділянками випару і конденсації і, відповідно збільшується різниця температур між зонами випару та конденсації.

Размещено на http://allbest.ru

У четвертому розділі проведені аналіз і обговорення результатів експериментального і математичного моделювання типових теплових режимів роботи побутових холодильників і роботи теплопередаючих панелей на основі двофазного термосифона.

У результаті експериментів, описаних у третьому розділі, були отримані нестаціонарні розподіли температур у холодильній шафі без продуктів і в холодильній шафі, частково заповненій імітаторами продуктів. Робота компресора холодильника регулювалася реле температури, за допомогою якого компресор при t_вим=-14С вимикався, а при t_вм=-2С - вмикався.

Отримані експериментальні дані представлені на рис.7 для порожнього холодильника і на рис.8 - 9 для холодильника з імітаторами продуктів.

З графіку рис.7 видно, що експериментальні значення температур на стінці МК і стінці ХК відрізняються від розрахункових на 13^оС. Періоди часу вмикання і вимикання компресора, отримані в розрахунку, менше експериментальних періодів (у розрахунку “вимикання” компресора відбувається в два рази частіше) і для графіків зміни розрахункових температур стінок у ХШ не спостерігається стрибків температур у моменти простоювання компресора.

З рис. 8-9 видно, що зміна експериментальної температури стінки морозильної камери відбувається зі стрибками температури 2^оС, а розрахункова температура стінки МВ при запуску і вимиканні компресора змінюється на 1^оС і чисельні значення температур відрізняються на 2^оС - у момент вимикання компресора і на 3^оС - у момент вмикання компресора. Розрахункова температура стінки ХВ практично не знижується у порівнянні з експериментальної, і розходження між експериментом і розрахунком складає 4-5^оС. Розрахункова температура продукту МВ відрізняється від експериментальної температури на 2-5^оС, і зниження температури продукту в МВ у розрахунку відбувається більш інтенсивно, ніж в експерименті. Температура продукту в ХВ, отримана в розрахунку, у початковий період часу вище експериментальної на 1-2^оС, потім зрівнюється з нею і стабільно, з невеликою інтенсивністю, знижується.

Аналіз отриманих результатів показує, що характер зміни теоретичних і експериментальних температурних кривих однаковий. Похибка результатів розрахунку складає від 5 до 10%. Таке відхилення даних теоретичного розрахунку від експериментальних зв'язано з тим, що в моделі не були враховані особливості роботи температурного реле, а також вплив місця розташування його чуттєвого елемента на поверхні випарника на моменти вмикання і вимикання компресора. Не враховувався вплив розподілу температури по поверхні елементів холодильної шафи і вплив періодичності роботи компресора на тепломасообмінні процеси, що відбуваються у каналах випарника.

На рис.10 представлен графік розподілу температур по поверхням випару та конденсації панелей, які були одержані в експерименті за допомогою установки зображеної на рис.5, при потужності Q=313Вт.

Для теплового навантаження Q=313Вт (рис.10) було проведене порівняння даних експерименту з результатами розрахунку. Для панелі-конденсатора і конденсаторної частини термосифона кількісне розходження даних складає 2-3^оС, а для панелі-випарника і випарної частини термосифона не більш 5^оС.

Аналіз експериментальних і теоретичних результатів показує, що теоретична модель якісно вірно описує роботу теплопередаючих панелей із двофазним термосифоном.

Відхилення розрахункових даних від дослідних значень знаходиться в межах від 2 до 15%. Відхилення даних теоретичного розрахунку від експериментальних обумовлені тим, що при моделюванні не була врахована нерівномірність нагрівання й охолодження панелей, тобто при розрахунку по моделі були отримані усереднені значення температур елементів моделювання.

У моделі не були враховані особливості процесів кипіння та конденсації в термосифоні малого внутрішнього діаметра.

Для теоретичного аналізу впливу теплопередаючих панелей на роботу двокамерного побутового холодильника з повітрообміном на основі природної циркуляції використовувалися моделі двокамерних побутових холодильників у зосереджених параметрах. Розрахунки проводилися для холодильної шафи, у якої терморегулятор розташовувався на випарнику для варіанта ХШ без панелей і з панелями. Терморегулятор підтримував температуру в морозильному відділенні t_вим=-14С і t_вм=(-22)С.

У результаті розрахунку були отримані графіки розподілу температур у холодильній шафі з панелями і з продуктами рис.11 - 12. Порівняння розрахункових даних з експериментальними проводилося для холодильної шафи без панелей.

Використання панелей дозволяє швидше зменшити температури продуктів у МВ і ХВ, а також холодильник швидше виходить на стаціонарний режим і при цьому знижується енергоспоживання холодильника на 5-10%.

Зниження рівня енергоспоживання зв'язане з тим, що теплопередаючі панелі працюють за принципом двофазного випарного термосифона. Панель виготовлена з алюмінію і відіграє роль високоефективного ребра з коефіцієнтом ефективності E=0.960.98, що дозволяє вирівнювати розподіл температур по об'єму холодильної шафи.

Таким чином, забезпечується рівномірний розподіл температури у об'ємі холодильної шафи в порівнянні зі звичайною холодильною шафою, що дозволяє без використання вентилятора і систем повітророзподілення забезпечити якісне охолодження продуктів у холодильному відділенні, а також значно знизити енергоспоживання побутовими двокамерними холодильниками.

ВИСНОВКИ

1. Удосконалення конструкцій шаф компресійних холодильників, можливо за допомогою застосування теплопередаючих панелей, двофазних термосифонів та теплових труб, які дозволяють знизити їхнє енергоспоживання без суттєвого збільшення вартості.

2. Розроблені математичні моделі для визначення температурних режимів холодильних шаф побутових холодильників, дозволять прогнозувати ефективність їх конструктивних змін з урахуванням геометричних і теплофізичних характеристик.

3. Розроблена математична модель температурних режимів теплопередаючих панелей з замкненим двофазним термосифоном дозволяє отримати розподіл температур по висоті панелей та по поверхні термосифону.

4. Використання теплопередаючих панелей з термосифоном для компресійних побутових холодильників дозволить збільшити їхній корисний об'єм і знизити температурний рівень в об'ємі холодильної шафи.

5. Проведені експериментальні дослідження показали, що перенесення тепла за допомогою теплопередаючих панелей на базі замкненого двофазного термосифона є реальним ефективним способом вирівнювання температурного поля.

6. Результати, отримані в розрахунках характеристик теплопередаючих панелей по математичній моделі, узгоджуються з експериментальними даними, і модель може бути використана для прогнозування роботи теплопередаючих панелей різної конструкції.

7. Аналіз і порівняння даних аналітичних і експериментальних досліджень роботи холодильної шафи побутового компресійного холодильника показав, що запропоновані математичні моделі вірно описують зміну температур в об'ємі побутової холодильної шафи з імітаторами продуктами і без них та можуть бути використані для аналізу ефективності теплових режимів побутових холодильних шаф різних конструкцій.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Делігіоз Д.Г., Смирнов Г.Ф., Коба О.Л. Математична модель температурних режимів побутових холодильників та термокамер // Холодильна техніка і технологія. - 1998. - №58. - с.36-39.

2. Делігіоз Д.Г., Смирнов Г.Ф., Коба О.Л. Теоретичний аналіз теплових режимів побутових холодильників з теплопередаючими панелями // Теплові режими і охолодження радіоелектронної апаратури. - 1999. - №1. - с.23-26.

3. Делігіоз Д.Г., Смирнов Г.Ф., Коба О.Л. Моделювання температурних режимів побутових холодильників // Холодильна техніка і технологія. - 2002. - №78. - с.23-25.

4. Делігіоз Д.Г., Смирнов Г.Ф., Коба О.Л. Експериментальні дослідження теплопередаючей здатності панелей з термосифоном. // Холодильна техніка і технологія. - 2002. - №79-80. - с.68-71

Размещено на Allbest.ru