CC BY
62
УДК 621.56 ББК 31.392
А. И. Мащенко, А. М. Цейтлин
ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПРИВОД КОМПРЕССОРА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СУДОВОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНВЕРТОРА
A. I. Mashchenko, A. M. Tseitlin
ECONOMY OF POWER INPUTS ON THE COMPRESSOR DRIVE OF THE REFRIGERATOR OF THE SHIP SYSTEM OF AIR CONDITIONING USING INVERTER
Уменьшение частоты вращения вала электропривода компрессора в паровой холодильной машине ведет к снижению температурных напоров в конденсаторе и испарителе, вследствие чего температура конденсации хладагента снижается, а температура кипения увеличивается. Это приводит к увеличению холодильного коэффициента и, соответственно, к снижению удельных затрат энергии на производство холода. Актуальна задача определения величины экономии энергозатрат, поскольку это необходимо для оценки экономической целесообразности установки инвертора. Выполнена расчётная оценка величины экономии энергозатрат на привод компрессора паровой холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха. При проведении расчётов принято, что холодильная машина - одноступенчатая без регенеративного теплообменника и процесс сжатия хладагента - адиабатический. Принято, что механический КПД компрессора, КПД электропривода компрессора, изоэнтропийный КПД равны каждый 100 %. Конденсатор - воздушный. Учтено изменение температуры наружного воздуха в течение тёплого периода года. Полученные данные необходимы для определения экономической целесообразности установки инвертора.
Ключевые слова: инвертор, кондиционирование воздуха, паровая холодильная машина, компрессор, конденсатор, воздухоохладитель, хладагент, холодопроизводительность, холодильный коэффициент, энергия.
Reduction of rotation frequency of the compressor electric drive shaft in the steam refrigerator leads to decrease in temperature pressures in the condenser and the evaporator owing to it the temperature of condensation of a coolant decreases, and the boiling temperature increases. It leads to increase in refrigerating factor and, accordingly, to decrease in specific expenses of energy on cold manufacture. The problem of definition of size of economy of power inputs as it is necessary for an estimation of economic feasibility of installation of the inverter is actual. The settlement estimation of size of economy of power inputs on a drive of the compressor of the steam refrigerator of ship central air conditioning system is executed. While carrying out the calculations it is accepted that the refrigerator is a car-one-stage unit without the regenerative heat exchanger and the process of compression of a coolant is isentropic. It is accepted that the mechanical efficiency of the compressor, efficiency of the electric drive of the compressor, isentropic efficiency are equal each 100 %, the condenser is air. Change of temperature of external air during the warm period of the year is considered. The obtained data are necessary for definition of economic feasibility of installation of the inverter.
Key words: inverter, air conditioning, steam refrigerator, compressor, condenser, air cooler, coolant, cooling performance, refrigerating factor, energy.
Использование инвертора для регулирования объёмной производительности компрессора позволяет снижать энергозатраты на производство холода [1]. В [2] проведена оценка зависимости экономии удельных энергозатрат на привод компрессора паровой холодильной машины системы кондиционирования воздуха при регулирования частоты вращения электропривода компрессора инвертором от параметра в = ф2 / фь где ф1 - частота вращения электропривода компрессора без использования инвертора; ф2 - частота вращения электропривода компрессора при использовании инвертора.
В системе кондиционирования воздуха параметр в будет меняться в течение года. Соответственно будет меняться величина экономии энергозатрат на привод компрессора. При определении годовой экономии энергозатрат изменение параметра в необходимо учитывать.
При проведении расчётов экономии энергозатрат на привод компрессора холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха при использования инвертора нами был принят ряд допущений, перечисленных ниже.
Система кондиционирования воздуха - с полной рециркуляцией. Холодильная машина системы кондиционирования - одноступенчатая паровая. Регенеративный теплообменник в холодильной машине отсутствует. Конденсатор холодильной машины - воздушный. Воздухоохладитель холодильной машины - фреоновый. Хладагент R-134a. Отсутствует перегрев паров хладагента перед входом в компрессор. Отсутствует переохлаждение жидкого хладагента перед регулирующим вентилем. Отсутствуют потери давления в потоке хладагента на пути от компрессора до регулирующего вентиля. Отсутствуют потери давления в потоке хладагента от регулирующего вентиля до компрессора. Отсутствуют силы трения в компрессоре - механический КПД компрессора равен 1. Отсутствуют потери в электроприводе компрессора - КПД электропривода равен 1. Процесс сжатия в компрессоре принят адиабатический. Изоэнтропийный КПД компрессора принят равным 1. Компрессор - поршневой. Нагрев газа в компрессоре на фазе всасывания, потери давления во всасывающем и нагнетательном клапанах, перетечки газа через поршневое уплотнение приняты настолько малыми, что ими можно пренебречь. Индикаторный КПД компрессора равен 1.
Потребляемые мощности вентиляторов воздухоохладителя и конденсатора тоже настолько малы, что ими можно пренебречь.
Температура теплопередающей поверхности воздухоохладителя всегда выше температуры точки росы поступающего в воздухоохладитель воздуха, поэтому конденсации водяного пара из обрабатываемого воздуха в воздухоохладителе не происходит. Инвертор не подключён к электроприводам вентиляторов воздухоохладителя и конденсатора, поэтому производительность этих двух вентиляторов при изменении параметра в не изменяется. Ввиду постоянства производительности вентиляторов конденсатора и воздухоохладителя коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха в конденсаторе и воздухоохладителе постоянны. Изменениями коэффициентов теплоотдачи со стороны фреона в конденсаторе и воздухоохладителе пренебрегаем вследствие их малости, поэтому коэффициенты теплопередачи в конденсаторе и воздухоохладителе приняты постоянными. Значения температуры наружного воздуха принимались равными таковым для г. Астрахани в соответствии с [3, табл. 3.А «Повторяемость температур наружного воздуха в часах по сухому термометру»]. Температура воздуха на входе в конденсатор принята равной температуре наружного воздуха.
Температура воздуха в кондиционируемых помещениях в соответствии с [4, табл. 31 «Требуемые микроклиматические условия в жилых, общественных и служебных помещениях судов»] - для летнего периода в жилых и общественных помещениях, в служебных помещениях без тепловыделений людей для района плавания тропики - принята равной Увн = 25 °С. Температура воздуха на выходе из воздухоохладителя принята равной температуре воздуха в кондиционируемых помещениях.
Принято, что теплопритоки в кондиционируемые помещения определяются только тепло-притоками через наружные ограждения. Величинами остальных теплопритоков (от солнечной радиации, от людей, от оборудования, от освещения) пренебрегаем вследствие их малости. При таком допущении требуемая холодопроизводительность Q0 подчиняется зависимости
Q0 ^огр -^огр (Ун УвнХ (1)
где ^огр - площадь поверхности наружных ограждений кондиционируемых помещений; £огр -коэффициент теплопередачи наружных ограждений кондиционируемых помещений.
Расчёты проводились в определённой последовательности. Вначале в первом расчётном режиме была определена объёмная производительность компрессора У в режиме, когда требуемая холодопроизводительность холодильной машины максимальна. При этом частота вращения приводного вала электропривода также максимальна (в = 1). Требуемая холодопроизводительность принята равной Q0\ =100 кВт. Температура наружного воздуха в этом режиме была принята в соответствии с [5, прил. № 4 «Расчётные параметры наружного воздуха»] для параметров Б тёплого периода года г. Астрахани Ун1 =33 °С. Температура конденсации принята Уи = 48 °С. Температура кипения принята У01 = 10 °С.
С помощью компьютерной программы «Соо1раск» [6] были определены:
- объёмная производительность компрессора У1 = 131,4512 м3/ч;
- теплопроизводительность конденсатора Qк\ = 116,9 кВт;
- потребляемая компрессором мощность N = 16,9 кВт;
- холодильный коэффициент 801 = 5,91716.
Температура воздуха на выходе из конденсатора принята равной У21 = 38 °С. Температура воздуха на выходе из воздухоохладителя принята равной = 20 °С.
Были вычислены коэффициенты ак и а0 в соответствии с [2]:
ак = Qк\ *1п [(Ук1 - Ун1)/(Ук1 - У21 )]/(Ул - УнО; а0 = Qo\ *1п [(Увн - У01)/(Ук1 - «л )]/(У01 - *п).
Согласно расчётам,
ак = 11,69 кВт/°С; а0 = 10 кВт/°С.
Затем были вычислены водяные эквиваленты воздуха в конденсаторе Wk и воздухоохладителе W0 по следующим зависимостям:
^ = Qк\ /(У21 - Ун1);
^ /(Увн - У11).
Согласно расчётам,
Wк = 11,69 кВт/°С; W0 = 20 кВт/°С.
Вычислены коэффициенты h\ и ^ по формулам:
hк1 ак ^Г;
h2 = а0 /Wo.
Согласно расчётам,
h\ = 1,098; h2 = 0,4055.
Вычислены коэффициенты 5к и 50 по следующим формулам:
5к = (1 - е-«) Wк;
^0 = (1 - ек2) Wo.
Согласно расчётам, 5к = 8,195; 50 = 6,66.
Затем проводились расчёты при температуре наружного воздуха Ун < Ун1.
Значения температуры наружного воздуха Ун < Ун1 и повторяемость значений температуры часов г с такими значениями температуры наружного воздуха за месяц и за год были приняты в соответствии с [3, табл. 3 «Повторяемость температур наружного воздуха в часах А. По сухому термометру»] для г. Астрахани. Принятые значения представлены в табл. 1.
Таблица 1
Принятая в расчётных режимах повторяемость значений температуры наружного воздуха в месяц, часов z
— - № расчетного режима Параметр — 2 3 4 5 6 7 8 9
Максимальная температура Утах , °С 32,9 31,9 30,9 29,9 28,9 27,9 26,9 25,9
Минимальная температура Уть, °С 32 31 30 29 28 27 26 25
Повторяемость значений температуры в месяц, часов г Апрель 0 1 0 1 1 1 0 0
Май 1 2 4 6 10 13 28 25
Июнь 11 18 25 34 37 34 56 54
Июль 17 24 43 36 57 46 58 60
Август 19 21 21 31 33 43 55 47
Сентябрь 2 2 8 8 5 8 13 11
Октябрь 0 0 0 0 0 0 1 1
Повторяемость значений температуры в год, часов г - - - - - - - -
При температуре наружного воздуха Ун2 < Ун1 требуемая холодопроизводительность Q02 может быть найдена в соответствии с (1) по формуле
Qo2 = Qo\( Ун - Увн )/((Ун1 - Увн ). (2)
Температура конденсации Ук при температуре наружного воздуха Ун может быть определена из зависимости
Ук = Ун + Qк /5к, (3)
где Qk - теплопроизводительность конденсатора при температуре наружного воздуха Ун.
Температура кипения У0 при температуре наружного воздуха Ун может быть определена из зависимости
У0 = Ун - Qo /^0. (4)
Расчёты в каждом расчётном режиме проводились в такой последовательности.
1. Определялась расчётная температура наружного воздуха Ун по формуле Ун = 0,5(Утах + Утт).
2. По формуле (2) определялась требуемая холодопроизводительность:
Qoа = Qo\(Ун - Увн)/((Ун1 - Увн ) = 12,5 (Ун - Увн) кВт.
3. Принимались в первом приближении температура конденсации Ук = Ук1 = 48 °С, температура кипения У0 = У01 = 10 °С.
4. С помощью компьютерной программы «Соо1раск» по величинам Q0a, Ук, У0 определялись в первом приближении теплопроизводительность конденсатора Qка, холодильный коэффициент 8оа.
5. По формуле (3) определялось уточнённое значение температуры конденсации
Ук = Ун + Qка /sк = Ун + 0,122026 Qкa.
6. По формуле (4) определялось уточнённое значение температуры кипения
У0 = Увн - Qoа /So = Увн - 0,1501502 Qoа.
7. С помощью компьютерной программы «Соо1раск» по уточнённым значениям Q0a, У^, У0 определялись уточнённые значения теплопроизводительности конденсатора Qка, холодильного коэффициента 80а.
8. Повторялись действия по пп. 5-7 для получения с достаточной точностью значения холодильного коэффициента 80а.
9. Принимались в первом приближении температура конденсации Ук = Ук1 = 48 °С, температура кипения У0 = У01 = 10 °С.
10. С помощью программы компьютерной программы «Соо1раск» по величинам объёмной производительности компрессора У = У = 131,4512 м3/ч, Ук, У0 определялись в первом приближении холодопроизводительность Q0б, теплопроизводительность конденсатора Qкб, холодильный коэффициент 80б при работе компрессора в режиме максимальной частоты вала электропривода (в = 1), т. е. без использования инвертора.
11. По формуле (3) определялось уточнённое значение температуры конденсации:
Ук = Ун + Qкб /sк = Ун + 0,122026 ^б-
12. По формуле (4) определялось уточнённое значение температуры кипения:
У0 = Увн - Qoб /so = Увн - 0,1501502 Qoб.
13. С помощью компьютерной программы «Соо1раск» по уточнённым значениям Q0б, Ук, У0 определялись уточнённые значения теплопроизводительности конденсатора Qкб, холодильного коэффициента 80б.
14. Повторялись действия по пп. 5-7 для получения с достаточной точностью значения холодильного коэффициента 80б.
15. Вычислялись энергозатраты за месяц и за год при использовании инвертора по формуле
Еа Q0а г/80а,
где г - повторяемость значений температуры часов в месяц, год (табл. 1).
16. Вычислялись энергозатраты за месяц и за год без использования инвертора по формуле
Еб = 00а г/80б.
17. Вычислялась экономия энергозатрат за месяц и за год при использовании инвертора по формуле
С =.Еб - Еа.
18. Вычислялись суммы энергозатрат Еа2_9 за месяц по расчётным режимам № 2-9 отдельно за месяцы с мая по октябрь и за год без использования инвертора.
19. Вычислялись суммы энергозатрат Еб2-9 за месяц по расчётным режимам № 2-9 отдельно за месяцы с мая по октябрь и за год без использования инвертора.
20. Вычислялись суммы экономии энергозатрат ц2-9 отдельно за месяцы с мая по октябрь и за год по расчётным режимам № 2-9 при использования инвертора.
21. Вычислялась относительная экономия энергозатрат с в месяц отдельно по расчётным режимам № 2 за май - октябрь по формуле
с = г/£ (5)
где г - сумма экономии энергозатрат в месяц; f - сумма энергозатрат за год без использования инвертора. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Экономия энергозатрат при использовании инвертора по месяцам года, %
Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь
Экономия 0,23 3,36 11,69 15,41 11,71 2,18 0,01
22. Вычислена относительная экономия энергозатрат с за год по формуле (5) при условии, что r - сумма энергозатрат за год при использовании инвертора. Она оказалась равной с = 44,69 %.
Выводы
1. Вычислена величина предполагаемой относительной экономии энергозатрат на привод компрессора холодильной машины судовой системы кондиционирования воздуха, которая оказалась равной 44,59 % от затрат энергии без использования инвертора в периоды времени, когда снижение частоты вращения вала инвертором целесообразно.
2. Как следует из результатов расчётов, основная часть экономии приходится на июнь, июль и август. Экономия в апреле и октябре крайне мала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карякин А. И. CLINT: новый подход к промышленному охлаждению воздуха / А. И. Карякин. Холодильная техника. 2012. № 12. С 16-18.
2. Гаврилкин В. П. Экономия энергозатрат на привод компрессора холодильной машины системы кондиционирования воздуха при использовании инвертора / В. П. Гаврилкин, О. Н. Кладов, А. М. Цейтлин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2011. № 2 (52). С. 16-20.
3. Строительные нормы и правила. Часть II, раздел А. Глава 6. Строительная климатология и геофизика. СНиП II-A. 6-72. М.: Стройиздат, 1973, 320 с.
4. Зубаров Д. Л. Вентиляция и кондиционирование воздуха на атомных судах / Д. Л. Зубаров,
В. М. Рубан. Л.: Судостроение, 1968. 340 с.
5. Строительные нормы и правила. Часть II, раздел А. Глава 33. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. СНиП II-33-75. М.: Стройиздат, 1976. 111 с.
6. Компьютерная программа «Coolpack»: www.twirpx.com.
REFERENCES
1. Kariakin A. I. CLINT: novyi podkhod k promyshlennomu okhlazhdeniiu vozdukha [CLINT: new approach to the industrial air cooling]. Kholodil'naia tekhnika, 2012, no. 12, pp. 16-18.
2. Gavrilkin V. P., Kladov O. N., Tseitlin A. M. Ekonomiia energozatrat na privod kompressora kholodil'noi mashiny sistemy konditsionirovaniia vozdukha pri ispol'zovanii invertora [Economy of power inputs
on the compressor drive of the air conditioning refrigerating system using inverter]. Vestnik Astrakhanskogo go-sudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 2 (52), pp. 16-19.
3. Stroitel’nye normy i pravila. Chast' II, razdel A. Glava 6. Stroitel'naia klimatologiia i geofizika [Construction norms and regulations. Part II, section A. Unit 6. Construction climatology and geophysics]. SNiP II-A. 6-72. Moscow, Ctroiizdat, 1973, 320 p.
4. Zubarov D. L., Ruban V. M. Ventiliatsiia i konditsionirovanie vozdukha na atomnykh sudakh [Ventilation and air conditioning at nuclear ships]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1968. 340 p.
5. Stroitel’nye normy i pravila. Chast’ II, razdel A. Glava 33. Otoplenie, ventiliatsiia i konditsionirovanie vozdukha [Construction norms and regulations. Part II, section A. Unit 33. Heating, air ventilation and conditioning]. SNiP II-33-75. Moscow, Ctroiizdat, 1976. 111 p.
6. Komp’iuternaiaprogramma «Coolpack» [Computer software ''Coolpack'']: www.twirpx.com.
Статья поступила в редакцию 12.03.2013, в окончательном варианте - 12.09.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мащенко Андрей Иванович — Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; kxm@astu.org.
Mashchenko Andrey Ivanovich — Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electric Equipment and Ship Automatics"; kxm@astu.org.
Цейтлин Александр Матвеевич — Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.org.
Tseitlin Alexander Matveevich — Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machine"; kxm@astu.org.
