Разработка новых критериев оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников

На правах рукописи

РУСЛЯКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВЫХ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ БЫТОВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Шахты 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» на кафедре «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Першин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фомин Юрий Григорьевич

кандидат технических наук, доцент

Максимов Александр Васильевич

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Поволжский

государственный университет сервиса»,

г. Тольятти

Защита состоится 24 декабря 2011г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» по адресу 346500, г.Шахты Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. № 2247

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса».

Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: http: www.sssu.ru

Автореферат разослан «23» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из современных научно-технических проблем является оценка и повышение качества холодильной техники и, в том числе, бытовых компрессионных холодильников (БКХ). Это вызвано рядом причин, среди которых главенствующее значение придается тенденции увеличения на потребительском рынке России новых зарубежных и отечественных моделей этого вида техники. Это относится к продукции таких фирм, как Bosch, AEG, Indesit, Ardo, Liebherr, Samsung, Zanussi, Frigidaire, Candy, Electrolux, Elenberg, Whirlpool, Sharp, Toshiba, LG, Snaige, Бирюса, Смоленск, Саратов, POZIS, NORD, Атлант и т.д. В связи с планируемым вступлением России в ВТО, эта тенденция не только сохранится, но и, естественно, будет нарастать. При этом возрастающая конкурентная борьба между фирмами приводит к закрытости информации об конструктивных и эксплуатационных особенностях их продукции. Предметом «ноу-хау» фирм являются и методики, способы, критерии и средства оценки эффективности БКХ.

При решении же проблемы оценки качества, эффективности БКХ указанные факторы являются сдерживающими, то есть условиями временных и информационных ограничений. Наличие этих ограничений приводит к дополнительным затратам времени, средств, использованию технологии «проб и ошибок» и, в итоге, снижению качества и эффективности БКХ.

Очевидно, что эти условия требуют создания и применения новых, универсальных в отношении разных моделей этой продукции подходов, критериев оценки её эффективности и информационной поддержки в процессе реализации и технической эксплуатации.

Таким образом, в условиях временных и информационных ограничений проблема создания и отработки унифицированных критериев и способов оценки эффективности как отдельных термодинамических процессов, так и холодильного цикла БКХ в целом является актуальной.

Целью диссертационного исследования является создание научно-обоснованных критериев оценки и анализа термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

Задачи диссертационного исследования.

1. Исследование современного состояния проблемы, методов и средств качественной оценки бытовых компрессионных холодильников и обоснование возможности использования метода подобия функционирования технических систем в качестве базового при достижении поставленной цели.

2. Разработка теоретических положений по созданию новых критериев оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

3. Синтез и экспериментальная апробация новых критериев оценки качества термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

4. Разработка рекомендаций по практическому использованию результатов диссертационного исследования.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является бытовой холодильник компрессионного типа. Предметом исследования являются способы анализа и критерии оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы научные положения методов системного подхода, анализа и обобщения информации, термодинамики процессов холодильной техники, подобия функционирования технических систем, моделирования, алгоритмов и программ.

Научная новизна диссертации.

1. Анализ известных теоретических положений в области средств диагностики состояния и качественной оценки бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

2. Предложены и обоснованы критерии оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников, включающие, в общем случае, инварианты и индикаторы подобия, интенсивность и градиенты изменения температуры хладагента и окружающей среды при протекании термодинамических процессов.

3. Сформулированы основные принципы разработки новых способов оценки качества термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

- способа определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников;

- алгоритмов и программ расчета параметров конденсатора и оценки технического состояния бытовых компрессионных холодильников;

- рекомендаций по использованию критериев оценки эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в ходе исследования, обеспечивается:

-использованием в качестве фундаментальной базы исследования разработок отечественных и зарубежных авторов и фирм по вопросам оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников;

-проведением экспериментов с использованием измерительных средств и методов обработки результатов исследований с использованием типового программного обеспечения и пакета оригинальных программ;

-апробацией теоретических выводов на научных конференциях и опубликованием результатов в научных изданиях, в том числе в рекомендованных ВАК России.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на межвузовской (г.Шахты – 2007 г.), Всероссийских (г.Шахты – 2008, 2009, 2010, 2011гг.; г.Тамбов – 2008 г.), международной (г.Луганск - Украина – 2008 г.) научно-технических конференциях, на конкурсе проектов по программе У.М.Н.И.К, в ЗАО «ИНДЕЗИТ ИНТЕРНЕШНЛ» (г. Липецк – 2008, 2009гг.), на II международном молодежном инновационном конвенте ЮФО (г. Ростов-на-Дону – 2010г.), на VIII выставке инноваций «Высокие технологии XXI века» (г. Ростов-на-Дону – 2011г.). Результаты работы отмечены дипломами Минобрнауки РФ и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, включены в отчет по НИР ЮРГУЭС 3.09.Ф «Разработка научных основ повышения энергетической эффективности бытовых холодильных машин», выполненной по заданию Рособразования по ведомственной программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011г.г.).

Результаты работы, выводы и рекомендации использованы предприятиями: ЗАО «Прогресс» (г.Шахты), ЗАО «Рембыттехника» г.Ставрополь, в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС при подготовке специалистов, магистрантов, в курсовом, дипломном проектировании.

Публикации. Результаты проведенных исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе в журнале, входящем в перечень ВАК РФ; получено два патента РФ на изобретение и полезную модель, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ; опубликована монография.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, и списка литературных источников из 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель и сформулированы задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов исследования.

В первой главе проведен анализ мирового и отечественного опыта в области оценки и повышения эффективности термодинамических процессов в холодильной техники (M. Seki, A. Osajima, Y. Nakane, H. Sato, K. Watanabe; Ding Guoliang; Patric Kotzaoglanian). Разработана классификация бытовых компрессионных холодильников и реализуемых в них холодильных циклов, выполнен анализ термодинамических процессов как подсистем этих циклов. Отмечены положительные тенденции в направлении совершенствования существующих и исследования новых методов и способов оценки эффективности холодильных циклов (Калнинь И.М., Архаров А.М., Мартыновский В.С., Нимич Г.В., Михайлов В.А., Бондарь Е.С., Хабенский В.Б и др.). Например, (Калнинь И.М.) определение эффективности регенеративных циклов рекомендуется выполнять с помощью коэффициентов обратимости, относительного изменения холодопроизводительности, относительного изменения работы цикла. Коэффициенты представляют собой безразмерные величины. Определение этих коэффициентов требует сложных расчетов и исследований. Например, критерий относительного изменения удельной холодопроизводительности определяется по зависимости , требующей не только регистрации температуры в определенных точках холодильного агрегата, но и теплоемкости хладагента.

Установлено, что в настоящее время, вследствие интенсивного появления на потребительском рынке России зарубежных и новых отечественных моделей бытовых компрессионных холодильников (БКХ), оценку эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности на различных этапах их жизненного цикла (производство, реализация и эксплуатация) приходится выполнять в условиях временных и информационных ограничений (наличие «ноу-хау» производителей на методики, критерии и средства испытаний, отсутствие подробных схем, описаний и т.п.). В этих условиях необходимы критерии оценки и анализа эффективности, принципы и методики создания и использования которых были бы аналогичными, универсальными для всех марок и типоразмеров БКХ и широко доступными для использования на различных этапов жизненного цикла этого вида техники.

Поэтому разработка новых способов анализа и критериев оценки термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений является актуальной задачей.

Анализ также показал, что, наряду с имеющимся опытом разработки и использования в термодинамике тепловых процессов известных критериев подобия (Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля, Пекле и т.п.) и критериальных уравнений (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Дитеричи, и т.д.), в наибольшей степени идеи создания, универсальных критериев и способов оценки эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности БКХ отвечают положения метода подобия функционирования технических систем, который разрабатывается в ФГБОУ ВПО «Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса».

На основе выполненных исследований и выводов по главе сформулированы цель и задачи дальнейших исследований.

Вторая глава содержит теоретические принципы и положения по созданию, исследованию и использованию критериев и способов оценки эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности БКХ на основе метода подобия функционирования технических систем.

Термодинамические процессы холодильного цикла БКХ рассматриваются как подсистемы холодильного цикла: адиабатный процесс сжатия; изотермический процесс конденсации, включающий в себя снятие перегрева, фазовые превращения, переохлаждение; адиабатный процесс расширения; изотермический процесс парообразования с перегревом хладагента (рисунок 1). С учетом этого допущения разработаны частные (дифференцированные) и обобщенные (интегрированные) критериальные модели подобия термодинамических процессов холодильных циклов бытового компрессионного холодильника.

Установлены необходимые и достаточные условия подобия функционирования термодинамических процессов БКХ. К таким условиям относятся:

-подобие функционирования исследуемого термодинамического процесса холодильных циклов их аналогам (в частном случае самой подсистеме или ее заданному состоянию) по дифференцированным критериям;

-подобие функционирования исследуемого термодинамического процесса холодильных циклов его аналогу (в частном случае самому исследуемому процессу) по интегрированным критериям.

Рисунок 1 – Структурно-функциональная схема термодинамических процессов

холодильного цикла в БКХ

При исследованиях за основную, целевую подсистему БКХ принят холодильный агрегат, а за определяющие подсистемы - холодильная и морозильная камеры.

Основными принципами формирования критериев оценки эффективности термодинамических процессов являются:

-представление холодильного цикла системой с последовательным объединением подсистем – термодинамических процессов получения холода;

-исследование термодинамики процессов на основе анализа инвариантов и индикаторов подобия, интенсивности и градиента температур в реперных точках холодильного агрегата, холодильной и морозильной камер, а также температуры окружающей среды.

Предложены и теоретически обоснованы интегрированные критерии оценки энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников:

- временной критерий - f (соотношение интенсивностей изменения температуры в рабочей и нерабочей частях холодильного цикла), т.е.

= f,

определяемый в диссертационной работе на основе условия

;

- критерии энергоэффективности по конденсатору и испарителю, (удельная тепловая нагрузка на конденсатор и на испаритель) соответственно, К/вт:

, , (3)

где - средняя по серии опытов разность температур начала и окончания процесса переохлаждения конденсатора; - затраченная мощность; - средняя разность температур в начале и в конце рабочей части холодильного цикла в j-й точке испарителя.

Предложены и теоретически обоснованы дифференцированные критерии оценки эффективности термодинамических процессов холодильных циклов:

- критерий относительной интенсивности процесса снятия перегрева хладагента h:

, (4)

где – средняя, по серии экспериментов, разность температур в реперной точке участка перегрева конденсатора и средняя температура окружающей среды за период времени от момента включения Твкл до выключения Твыкл холодильного агрегата;

- критерий интенсивности процесса переохлаждения хладагента :

, (5)

где - средняя разность температур в i-й точке зоны переохлаждения;

- критерии оценки качества и условия определения фазовых состояний хладагента.

Критерием оценки качества фазовых состояний является градиент изменения температуры по времени в i-ом участке трубы конденсатора, т.е.:

, (6)

где j – номер реперной точки по длине трубы; - градиент изменения температуры в j-ой реперной точке i-го участка трубы, определяемый по выражению:

, (7)

где - величина изменения температуры трубы в j-ой точке i-го участка за время .

Условиями определения фазовых состояний хладагента по длине трубы конденсатора являются:

- для участка снижения перегрева газовой фазы

при ; (8)

- для участка парогазовой фазы

при ; (9)

- для участка жидкостной фазы

при ; (10)

-инварианты подобия термодинамических процессов и самих холодильных циклов бытового компрессионного холодильника представляют собой симплексы отношений температур в соответственных реперных точках в соответственные моменты времени:

, … …, (11)

где n – номер реперной точки; индекс «i» обозначает номер процесса, сравниваемого с другим, аналогичным процессом (сi±1).

Таким образом, определены виды и математическое представление критериев оценки и анализа эффективности термодинамических процессов холодильных БКХ: снятие перегрева хладагента; фазовые превращения хладагента при конденсации; переохлаждение жидкого хладагента. Кроме того, предложены критерии оценки энергоэффективности в целом холодильного цикла по конденсатору и по испарителю.

В диссертации представлены теоретически обоснованные также критерии оценки эффективности таких термодинамических процессов: сушка и фильтрация, дросселирование, регенеративный теплообмен, сжатие хладагента.

В третьей главе сформулированы основные принципы, алгоритмы разработки новых способов оценки эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности БКХ, представлены примеры способов интегрированной и дифференцированной оценки эффективности.

Алгоритм создания новых способов состоит из этапов: постановка цели и задач исследования эффективности; выбор критерия оценки эффективности; выбор аналога для сравнения эффективности; определение условий однозначности и граничных условий эффективности по аналогу; определение (методом экспертных оценок или расчетом) значений критериев оценок по аналогу и представление этих значений в виде, удобном для сравнения; разработка методики проведения исследования термодинамического процесса и выбор аппаратного обеспечения; проведение измерений параметров процесса, входящих в критериальное выражение и обработка данных с целью их представления в виде, удобном для сравнения с аналогичными данными по аналогу; сравнение данных между собой с учетом граничных условий эффективности и принятие решения.

Рассмотрены новые способы оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников: «Способ определения параметров компрессионной холодильной машины» по патенту РФ № 2168681 и «Способ определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников» по патенту РФ № 2354899.

Сущность способа определения параметров компрессионной холодильной машины по патенту РФ № 2168681 заключается в том, что при определении параметров термодинамических процессов, как подсистем холодильного цикла, используются выражения в виде критериев подобия функционирования, составленные из искомых, измеряемых и априори известных параметров

(12)

где i - критерий подобия; Yi - искомый параметр; Xj - измеряемые параметры; Zк – априори известные параметры;,, - показатели степени при параметрах.

Сначала, подставляя в критериальные выражения нормативные, соответствующие, например работоспособному состоянию процесса-аналога, значения измеряемых (температура, давление хладона), искомых (например холодопроизводительность по конденсатору, зазор в цилиндро-поршневой группе, длина труб конденсатора и т.п.) и априори известных параметров (теплоемкости, плотности хладона и т.п.), рассчитывают по (12) нормативные значения критериев подобия (i критериев) по yi-му параметру аналога. Затем определяют действительные значения измеряемых параметров реального термодинамического процесса. Принимая нормативные значения критериев подобия величинами постоянными, i=idem, после подстановки в критериальные выражения измеренных и априори известных параметров, рассчитывают значения искомого параметра по уравнению (12), решенному относительно этого искомого параметра. Сравнивают рассчитанные и нормативные значения искомого параметра, формулируют вывод о соответствии исследуемого термодинамического процесса его аналогу. Когда определяется соответствие, подобие процессов, сравнение ведется по индикаторам или инвариантам подобия (11).

Сущность способа определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников по патенту РФ № 2354899 заключается в том, что исследование термодинамических процессов холодильных циклов производят путем измерения в заданный период эксплуатации холодильника, температуры хладагента в реперных точках холодильного агрегата, холодильной и морозильной камер и температуры окружающего воздуха. Рассчитывают значения инвариантов подобия функционирования процессов холодильного агрегата. Сравнивают эти рассчитанные значения инвариантов подобия с соответственными, принятыми за нормативные, значениями инвариантов подобия процесса аналога с исходным (работоспособным, априори эффективным и т.п.) значениями и делают вывод о соответствии технического состояния процесса и в целом холодильника заданному состоянию.

В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований эффективности термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников с использованием способов анализа и критериев оценки.

Для проверки адекватности выдвинутых теоретических положений и разработанных критериев оценки эффективности была проведена серия экспериментов, соответствующих поставленной цели и видам критериев. При этом эффективность, корректность критериев и исследуемых процессов проводилась путем сравнения результатов по исследуемому и базовому холодильникам.

Проведены эксперименты по двум направлениям. Эксперименты первого направления выполнены на базе современного холодильника марки Bosch (рисунок 2) двух модификаций: с горизонтальными трубами проволочно-трубчатого конденсатора и аналогичного конденсатора, но с чередующимися секциями наклонных труб. Причем, во втором случае было принято во внимание обоснованное во второй главе предположение о том, что изменение наклон туб конденсатора позволяет изменять гидросопротивление и интенсивность процесса теплопередачи в трубах конденсатора, а, следовательно, изменение эффективности всех термодинамических процессов и, в том числе, процесса фазовых превращений хладагента при конденсации.

Эксперименты второго направления проводились на компрессионных холодильниках марок Bosch и ЗИЛ, то есть, на примере современного, зарубежного холодильника с двумя последовательными испарителями и отечественного холодильника с одним испарителем. Кроме оценки эффективности критериев и процессов задачей второго направления было исследование достоверности допущения о физическом подобии термодинамических процессов в компрессионных холодильниках разных марок.

Обобщенная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 3. При планировании экспериментов были использованы положения теории подобия. При этом определялось количество объектов и экспериментов.

Рисунок 2 – Экспериментальный стенд

Рисунок 3 – Состав экспериментального стенда

Эксперименты проводились при постоянном дискретном измерении (не менее 85 измерений за холодильный цикл) температуры в установленных реперных точках конденсатора, холодильной и морозильной камер, температуры окружающей среды, напряжения и силы тока, потребляемой мощности, влажности окружающего воздуха в соответствии с требованиями ГОСТ 16317 – 87 «Приборы холодильные электрические бытовые. Общие технические условия» (дата последнего изменения 19.04.2010). При оценке погрешности измерений был принят ряд допущений.

Первое допущение заключается в том, что, так как критерии представляют собой отношения однородных величин и измерение ведется одними и теми же приборными средствами, отношение абсолютных погрешностей измеряемых величин можно принять незначительным и мало влияющим на оценку эффективности термодинамических процессов в условиях временных и информационных ограничений.

Второе допущение. Так как температура окружающей среды однозначно влияет на параметры термодинамических процессов, а используемые новые критерии оценки включают в себя такую величину, как отношение температуры или разности измеряемых температур в реперных точках к температуре окружающей среды, то при однозначных и равных изменениях величин числителя и знаменателя за счет изменения температуры окружающей среды значений этих соотношений не изменится. Следовательно, для указанных условий изменением температуры окружающей среды можно пренебречь.

Третье допущение. Так как коэффициент теплопроводности стенок труб или листа конденсатора в процессе всех экспериментов можно принять практически постоянным, то оценку тепловых процессов, происходящих в конденсаторах, можно вести по наружной температуре стенки конденсатора.

Результаты измерений обрабатывались как с помощью собственного программного обеспечения пирометра – Fluke View Forms, так и с помощью прикладных программ, типа Mathcad 14 и Microsoft Office Excel. При этом по выражениям для соответственных критериев оценки (глава 2) рассчитывались их значения и оформлялись графики, диаграммы сравнения.

Исследование подобия термодинамических процессов бытовых компрессионных холодильников.

В ходе эксперимента было произведено сравнение термодинамических процессов бытовых компрессионных холодильников Bosch и ЗИЛ, с целью проверки условия подобия их соответственных термодинамических процессов и распространения полученных результатов при последующих исследованиях на другие процессы и марки холодильников. Графики инвариантов подобия (действительные и линии тренда) представлены на (рисунках 4 и 5).

В процессе эксперимента были измерены температуры в соответственных точках конденсаторов исследуемых холодильников и определены значения индикаторов и инвариантов подобия. Разброс значений индикаторов и инвариантов относительно значения по базовой точке (№1) не превысил 7% для рабочей части холодильного цикла и 4% для нерабочей части.

Рисунок 4 – Графики к исследованию инвариантов подобия процессов холодильников Bosch и ЗИЛ в рабочей части холодильного цикла

Рисунок 5 – Графики к исследованию инвариантов подобия процессов холодильников Bosch и ЗИЛ в нерабочей части холодильного цикла

Таким образом, как видно из графиков и расчетов процессы, протекающие в холодильниках Bosch и ЗИЛ, можно считать подобными с допустимой степенью несоответствия. Следовательно, поставленная цель этого эксперимента достигнута.

Исследование процесса снятия перегрева хладагента проведено на холодильниках марки Bosch, но с разными конденсаторами (рисунки 6 и 7). Установлено, что процесс снятия перегрева хладагента в конденсаторе с трубами без уклона заканчивается (рисунок 6) после реперной точки №10, а в конденсаторе с наклоном (рисунок 7) труб – до точки №10.

Рисунок 6 – Графики процесса снятия перегрева хладагента в трубах без уклона, точки 8, 10, 20

Рисунок 7 – Графики процесса снятия перегрева хладагента в трубах с уклоном, точки 8, 10, 20

Значение коэффициента снятия перегрева в первом случае равно h=2,2, а во втором случае, при разных уклонах в секциях змеевика, h=(2,47…3,1).Из этого следует вывод о том, что конденсатор с уклоном труб эффективнее конденсатора, принятого за аналог.

Исследование процесса переохлаждения хладагента выполнено в реперной точке №20, которую хладагент «проходит» уже полностью сконденсировавшимся. Установлено, что (рисунок 8 по сравнению с рисунком 6) наличие уклона интенсифицирует процесс снятия перегрева (с увеличением уклона Т20 уменьшается с 5°С до 2,7°С при изменении температур отключения холодильника Твых с 27,2°С до 24,9°С).

Рисунок 8 – Графики процесса переохлаждения хладагента

Значение коэффициента эффективности процесса переохлаждения в первом случае равно =26,3. При разных же уклонах труб в секциях змеевика изменяется, по мере увеличения уклона, с 32 до 41,7.

Исследование процесса изменения фазового состояния хладагента выполнено путем анализа критерия его интенсивности . Значения критерия интенсивности определены с учетом изменения температуры в реперных точках по длине конденсатора.

Анализ графика фазового состояния по каждой реперной точке конденсатора (рисунок 9) позволяет сделать вывод о значительном колебании интенсивности в процессе холодильного цикла во всех реперных точках конденсатора без уклона его трубопровода.

Рисунок 9 – Графики интенсивности изменения температуры в трубах без уклона, точки 8, 10, 20

Рисунок 10 – Графики интенсивности изменения температуры в трубах с уклоном, точки 8, 10, 20

Иной характер фазовых превращений и перемещение хладагента по длине конденсатора наблюдается в конденсаторе с его секционностью и наличием уклона в некоторых секциях (рисунок 10).

Так с увеличением угла наклона от 5 до 8 мм интенсивность значительно снижается и в конечной секции №5 становится равной нулю.

Таким образом, на этом участке температура стабилизируется, а также стабилизируется жидкостная фаза с дальнейшим ее переохлаждением. В работе дан численный анализ интенсивностей фазовых состояний хладагента в процессе конденсации на всех участках конденсатора. Этот анализ позволил сделать вывод о том, что принятый в данном случае критерий оценки может быть использован для определения условных границ фазовых состояний.

Исследование временного критерия.

Из анализа научных публикаций (глава 1) известно, что отношение времени рабочей части холодильного цикла к времени нерабочей части в стандартном режиме равно 0,5-0,7. Определение интенсивностей теплопотоков (теплоотбора и теплопритока) в испарителе холодильника выполнялось путем измерения градиентов температур и расчета соотношения по зависимости (1). Во всех экспериментах соотношение интенсивностей теплопотоков изменялось в границах от 2,6 до 2,8, что соответствовало теоретическому интервалу значений (32,45) при стандартном соотношении и . Таким образом, коэффициент рабочего времени при экспериментальном исследовании холодильного цикла в целом находится в пределах стандартных значений и сделан очевидный вывод, подтверждающий корректность выражения (2): чем интенсивней теплоприток в охлаждаемую камеру, тем более увеличивается длительность рабочей части холодильного цикла.

Исследование энергоэффективности холодильного цикла.

В качестве критериев оценки энергоэффективности был принят критерий энергоэффективности переохлаждения хладона и критерий энергоэффективности отбора тепла в холодильной и морозильной камерах .

Указанные критерии определялись после проведения серии измерений температуры в реперных точках конденсаторов с уклоном и без уклона труб в процессе экспериментов по зависимостям (3).

Результаты экспериментов и значения критериев энергоэффективности холодильника отражены в гистограмме (рисунок 11). Анализ гистограммы (рисунок 11) энергоэффективности переохлаждения хладона показывает, что наклон труб значительно снижает значения критерия . Так, если брать средние значения критерия по эксперименту без уклона труб 1 и по эксперименту с углом наклона труб 2 конденсатора, то можно отметить корректность этого утверждения, то есть >.

Рисунок 11 – Энергоэффективность переохлаждения хладона

Таким образом, доказано, что удельная тепловая нагрузка на конденсатор с наклонными трубами меньше, чем на конденсатор с горизонтальными трубами, т.е. энергоэффективность холодильного агрегата в первом случае выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих способов, критериев и тенденций оценки эффективности термодинамических процессов бытовых компрессионных холодильников показал, что в условиях временных и информационных ограничений необходимы новые нучно-практические подходы, универсальные критерии и способы оценки их энергоэффективности.

2. Сформулированы теоретические положения о синтезе критериев оценки термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников, базирующиеся на принципах метода подобия функционирования технических систем.

3. Обосновано использование интенсивности и градиента температур в реперных точках, температуры окружающей среды для оценки эффективности термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников. Обоснованы теоретические положения об адекватности отражения критериями оценки особенностей термодинамических процессов.

4. Разработаны критерии оценки эффективности термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников: интенсивность процесса переохлаждения жидкого хладагента; интенсивность процесса снятия перегрева хладагента после компрессора; интенсивность фазовых превращений хладагента при конденсации; критерии эффективности бытовых компрессионных холодильников по теплообменным процессам в конденсаторе и испарителе. При этом разработаны инварианты и индикаторы для установления подобия термодинамических процессов.

5. Разработан «Способ определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников» (патент РФ № 2354899); разработаны алгоритмы и программы: «Система формирования и оценки технического состояния бытовых компрессионных холодильников» (свидетельство РФ № 2011610748) и «Программное обеспечение для расчета параметров конденсатора – подсистемы бытового компрессионного холодильного прибора на основе метода подобия функционирования технических систем» (свидетельство РФ № 2008612338).

6. Экспериментально подтверждено, что предложенные и теоретически обоснованные критерии являются универсальными для достоверной оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников, степень подобия термодинамических процессов которых доказана с помощью инвариантов и индикаторов подобия. Расхождение результатов не превысило 7%.

7. При экспериментальных исследованиях процесса переохлаждения хладагента в конденсаторе установлено, что критерий «эффективность процесса переохлаждения» обладают высокой чувствительностью к изменениям условий однозначности. Так при установленном среднем значении этого критерия по базовому аналогу конденсатора холодильника, равном 26,3 значения этого критерия для эксперимнтального холодильника, с повышенной теплоотдачей и пониженным гидросопротивлением трубок змеевика конденсатора, это значение изменялось в пределах от 32,1 до 41,7 (увеличение эффективности в 1,3 раза). Аналогично, и для критерия «интенсивность процесса снятия перегрева» в соответственных условиях: при среднем, базовом значении критерия h=2,2 значения критерия по экспериментальному холодильнику изменялись в пределах от 2,47 до 3,1 (увеличение эффективности в 1,25 раза).

Разработаны рекомендации по оценке взаимного влияния термодинамических процессов и обобщенной критериальной оценке энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников.

8. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика сравнительного определения границ и анализа фазовых состояний хладагента в процессе его конденсации.

9. Разработаны рекомендации по созданию и применению способов анализа термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников испытательными лабораториями фирм-изготовителей малых холодильных машин, торговыми и сервисными центрами при предпродажной подготовке и технической эксплуатации этого вида техники, учебными заведениями при подготовке специалистов и научных кадров.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:

1. Русляков Д.В. Исследование фазового состояния конденсируемого хладагента в конденсаторе бытового компрессионного холодильника / Русляков Д.В., Першин В.А. // Технология машиностроения: обз. анал., науч.-техн. и произв. жур.–М.: Технология машиностроения, 2010. –№ 12.–С. 38-40.

Патенты и свидетельства о регистрации программного продукта:

2. Патент РФ № 2354899 МПК F25B 49/02 G01M 19/00 Способ определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников / Русляков Д.В., Першин В.А., Кожемяченко А.В. и др., заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС».- Заяв. № 2007120003/06 от 29.05.2007г., Опубл. бюл. №13, 2009.

3. Патент РФ № 96638 МПК F25B 49/00. Квазивиртуальный многофункциональный тренажер по бытовым холодильным приборам / Першин В.А., Русляков Д.В., Тихонова О.Б. и др., по заявке № 2010111283 от 24.03.2010г., Бюл. №22, 2010.

4. Программное обеспечение для расчетов параметров конденсатора – подсистемы бытового компрессионного холодильного прибора, на основе метода подобия функционирования технических систем / Свидетельство РФ о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2008612338 // Першин В.А., Русляков Д.В., Кожемяченко А.В., и др. Зарегистрировано 14.05.2008г.

5. Система формирования и оценки технического состояния бытовых компрессионных холодильников / Свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610748 // Русляков Д.В., Першин В.А., Тихонова О.Б. и др. Зарегистрировано 11.01.2011г.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций:

6. Русляков Д.В. Обобщенные модели математического обеспечения непрерывной поддержки заданного технического состояния изделий в процессе их жизненного цикла / Русляков Д.В., Першин В.А., Тихонова О.Б. // Альманах современной науки и образования. – Тамбов, №1 (8), 2008. – С. 151-157.

7. Русляков Д.В. Способ поддержки жизненного цикла бытовых холодильных приборов методом подобия функционирования систем / Русляков Д.В., Першин В.А., Кожемяченко А.В. // ВIСНИК Схiдноукранського нацiонального унiверситету iменi Володимира Даля № 2 (120)– Луганск, 2008.- С. 241-245.

8. Першин В.А. Методы подобия функционирования технических систем как основа имитационных проектных моделей малых холодильных машин / Першин В.А., Русляков Д.В., Кожемяченко А.В., Кушнир И.Б. // Современные проблемы машиностроения, информационных технологий и радиоэлектроники: межвузовский сб. науч. тр./ редкол.: С.А. Кузнецов [и др.]; ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – 66с.

9. Першин В.А. Квазивиртуальный многофункциональный тренажер по бытовым холодильным приборам / Першин В.А., Русляков Д.В., Тихонова О.Б. // Актуальные проблемы техники и технологий: сб. науч. трудов / редкол.: Н.Н. Прокопенко [и др.]; ГОУ ВПО «Юхно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. – С. 85-87.

10. Русляков Д.В. Исследование процессов конденсации хладагента в бытовых компрессионных холодильниках методом подобия функционирования технических систем / Русляков Д.В., Першин В.А. // Актуальные проблемы техники и технологий: сб. науч. трудов / редкол.: Н.Н. Прокопенко [и др.]; ГОУ ВПО «Юхно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. –С. 29-30.

11. Русляков Д.В. Эффективность термодинамических циклов компрессионных холодильников / Русляков Д.В. // Актуальные проблемы техники и технологий: сб. науч. трудов / редкол.: Н.Н. Прокопенко [и др.]; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. –С. 46-51.

12. Першин В.А. Концепция CALS-технологий в сфере бытовых машин и приборов: монография / Першин В.А., Петросов С.П., Русляков Д.В., Тихонова О.Б. // Шахты. Изд-во ЮРГУЭС, 2010. – 108с.

Личный вклад диссертанта в работах, опубликованных в соавторстве:

[1, 6-9] – подготовка материала и написано 80% работы; [3,4] - подготовка описания, 20%; [5, 12]– предложена идея и написано 45% работы; [10,11] – проведены расчеты и анализ, написано 60% работы.