CC BY
67
УДК 621.577
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ АЭРОДИНАМИКИ ТЕРМОСТАТА ДЛЯ НАРУЖНОГО БЛОКА СПЛИТ-СИСТЕМЫ SHARP AE-X08BE-C
Соломатенко Алексей Викторович, программист, slmtnk@mail.ru,
ООО «Мясной дом Бородина», г. Москва
Кочетков Алексей Сергеевич, старший преподаватель кафедры сервиса,
alesha2701@mail.ru,
Кудров Юрий Владимирович, аспирант кафедры сервиса, yurakudrov@yandex.ru, Сиротенко Яна Александровна, аспирант кафедры сервиса, jana.sirtenk@rambler.ru,
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INTERNAL AERODYNAMICS OF
THERMOSTAT FOR SHARP AE-X08BE-C SPLIT SYSTEM OUTER BLOCK
Solomatenko A.V., Kochetkov A.S., Kudrov Y.V., Sirotenko Y.A.
Сплит-системы с термостатируемыми наружными блоками высокоэффективно обогревают здания и безопасны для окружающей среды. Надежность термостатирования существенно зависит от внутренней аэродинамики термостата. В статье приведены исходные положения, теоретическое обоснование и результаты экспериментального исследования внутренней аэродинамики термостата для наружного блока сплит-системы SHARP AE-X08BE-C. Исследование проведено на макете термостата, изготовленном в натуральную величину. Осуществлены замеры скоростей воздушных потоков при отсутствии и наличии спойлера, перенаправляющего воздушные потоки от горелок к дымоходу, а также поворотного отвода, регулирующего тягу дымохода. Выданы рекомендации по способу и конструкции устройств регулирования притока воздуха для горения и отвода дымовых газов.
Ключевые слова: температурное преобразование теплоты, тепловой насос, сплит-система, обогревающая сплит-система, термостат, спойлер, отвод.
The article shows that split systems with temperature-controlled outer blocks heat buildings very effectively and preserve environment. Temperature control credibility greatly depends on internal aerodynamics of a thermostat. The article provides with the starting points, theoretical grounding and the results of experimental internal aerodynamics research of a thermostat for a SHARP AE-X08BE-C split system outer block. The research was carried out on the full-size thermostat simulator. The authors measured the airflow speeds with and without the spoiler redirecting air flows from the burner to the flue andfrom the turning bend that regulates flue draft. The article gives recommendations concerning the mode and construction of devices regulating air flow for burning and flue-gas extraction.
Key words: temperature transformation of heat, heat pump, split system, heating split system, thermostat, spoiler, bend.
Основоположниками термодинамики (Никола Леонар Сади Карно, Джеймс Прескотт Джоуль, Уильям Томсон-лорд Кельвин, Рудольф Юлиус Иммануил Клаузиус и др.) установлено, что всего единицей механической работы идеальной термодинамической машины можно передать
единиц тепловой энергии из среды низкой температуры Т2 в среду высокой температуры Т, (Т, > Т2, {Т1-Т,)> 0)[1]
В приведенном здесь отношении (1):
\ ■, - абсолютная, по шкале Кельвина температура среды, в которую идеальная термодинамическая машина передает тепловую энергию, отражает внутреннюю энергию высокотемпературной среды относительно нулевого уровня = 0;
7- - абсолютная температура среды, из которой идеальная термодинамическая машина изымает тепловую энергию, отражает внутреннюю энергию низкотемпературной среды относительно того же нулевого уровня Тд = О;
(Т^ — Тг) - разность температур между средами, представляет механическую работу, которую идеальная термодинамическая машина совершает при передаче теплоты из среды низкой температуры в среду высокой температуры и которую также передает в среду высокой температуры.
Передачу теплоты машиной из среды низкой температуры в среду высокой температуру (в направлении, обратном естественному потоку), принято называть преобразованием тепловой энергии, а эффективность данного преобразования оценивать коэффициентом преобразования, равным вышеупомянутому отношению (1):
Из отношения (1) видно, что преобразование теплоты термодинамической машиной тем эффективнее, чем ниже преодолеваемая разность температур (Т1— Т:).
Машины, совершающие такое преобразование, называют ныне тепловыми насосами (ТН).
Поскольку разность температур по абсолютной шкале и по шкале Цельсия совпадают, формулу для расчета коэффициента преобразования можно записать в виде:
Кч = Г^ = гт> (2)
1± - |2
где ^ и Т.2 - температуры тех же сред, но по шкале Цельсия.
При приближении разности температур к нулю, (Т± — Т2) —» 0, эффективность преобразования тепловой энергии тепловым насосом, равная отношению теплоты на выходе насоса С2± (отдаваемой высокотемпературным теплообменником насоса среде высокой температуры) к совершенной при этом насосом работе А, становится уникально большой:
к™ = — = = —11--------> »■
Подставив в данную дробь или формулу (2) значение комфортной температуры ^ = —21° С, и значение температуры окружающей среды ^ = 0аС, свойственной мягкой зиме, получим необыкновенно большую для отопительных систем величину коэффициента преобразования:
Т± 2 73,15+1^ 294,15 ... .
Кпр = ■
ч* Та-Т3 ^-1, 21
Т.е. в условиях мягкой зимы идеальный тепловой насос, совершая всего 1 (единицу) механической работы, передает в обогреваемое помещение 14 единиц теплоты, из которых 13 единиц изымаются из окружающей среды, а еще одну единицу добавляет компрессор. Наибольшую эффективность, в данном смысле, показывают тепловые насосы типа «воздух-воздух», широко известные как сплит-системы. Они изымают теплоту непосредственно из воздуха окружающей среды и передают ее также непосредственно воздуху, но в обогреваемых помещениях без преодоления лишних границ между средами с разными механизмами теплопередачи (для преодоления каждой из указанных границ требуется заметная разность пограничных температур).
Столь высокий эффект (К^ = 14) ставит тепловые насосы вне конкуренции по
сохранению окружающей среды: снижает материальные затраты жильцов на обогрев жилищ, расходы ископаемого топлива, запасы которого истощаются, а также химические и тепловые загрязнения планеты, обусловленные обогревом жилищ. По-существу, сплит-системы, работающие на обогрев, обогревают жилища теплотой атмосферы. Но данный эффект достижим при довольно-таки высоких температурах воздуха, из которого изымается теплота.
Заменим в формуле (2) значение температуры окружающей среды с 0“С на минус
:С = С, свойственной зимам в России, и получим почти втрое меньшее значение
коэффициента преобразования:
_ Т.,. _ 273,15+t-L _ 294.15 _ 294,15 _ 5 g
np~J1-T2~ ti-ta _21-(-30)_ 5 1 _
Поскольку данное значение коэффициента свойственно преобразованию теплоты идеальной термодинамической машиной, к которому можно и нужно стремиться, но реально на сегодня удается получить лишь вдвое меньший эффект (5,8/2 = 2,9), а тепловые насосы довольно-таки дорогие устройства, они не получили широкого распространения в странах с холодными зимами. Но если создавать для наружных блоков сплит-систем такие же температурные условия, как в странах с мягкой зимой, сжигая для этого дешевое топливо (природный газ, биогаз, уголь и т.п.), то становится экономически выгодным обогреваться тепловыми насосами и на Крайнем Севере. А именно: сжигать вне жилища дешевое топливо, выделяющее 10 единиц теплоты, и передавать выделившееся тепло в обогреваемые помещения энергоэффективной сплит-системой, затрачивая на осуществление данных процессов всего единицу дорогой электрической энергии. Нет сомнения в том, что многие граждане согласятся с тем, чтобы освободить свои дорогие жилища от опасных и вредных источников теплоты, какими являются работающие на газе или угле водяные системы отопления с их громоздкими котлами, радиаторами и трубопроводами, и заменить их компактными, многофункциональными и эффективными блоками обогревающих сплит-систем.
В целях оценки перспективы преобразования тепловой энергии с приведенной эффективностью посредством бытовой техники была рассмотрена сплит-система SHARP AE-X08BE-C. Эта сплит-система является компонентом климатической камеры, относящейся к оборудованию кафедры сервиса РГУТиС, предназначенной для выполнения научно-исследовательских работ, в том числе по теме «Повышение энергоэффективности в сфере туризма и сервиса». При этом учитывались результаты сравнения холодильных агентов, применяемых в бытовой холодильной технике [2].
Направление модернизации сплит-системы SHARP AE-X08BE-C указали результаты теоретического исследования ее эффективности при размещении наружного блока в термостате (при температурах термостатирования до +50°С, рисунок 1). Основным элементом термостата является кожух 3-слойной конструкции: снаружи и внутри - пластиковые или металлические оболочки, пространство между которыми заполнено теплоизолятором, например, пенополиуретаном. Толщина теплоизолятора не
меньше 100 мм, поскольку разность температур воздуха снаружи (минус 30°С) и внутри (плюс 50°С) термостата может достигать 80°С и более. На хорошую теплоизоляцию кожуха термостата можно и нужно потратиться, особенно по мере истощения запасов ископаемого топлива и угрожающе больших тепловых загрязнений планеты, приводящих к потеплению климата и иным истекающим отсюда отрицательным последствиям антропологического воздействиям человека на среду обитания. Общий вид термостата при условно прозрачном теплозащитном кожухе показан на рисунке 1.
Рисунок 1 - Наружный блок сплит-системы внутри термостата - 3-слойного кожуха с газовой горелкой, размещенной в его нижней части (разрез - лицевая панель условно отрезана): 1 - наружный блок на кронштейнах; 2 - кожух термостата на тех же кронштейнах;
3 - газовые горелки на тех же кронштейнах; 4 - канал притока воздуха для горения;
5 - дымоход со стационарным отводом.
Наружный блок 1 установлен на двух кронштейнах обычным образом. К этим же кронштейнам присоединена подвеска кожуха 2 (условно не показана), назначение которой
- укрывать наружный блок при отрицательных температурах атмосферы и защищать его от прямых солнечных лучей в летнее время, когда сплит-система работает на охлаждение.
Газовые горелки 3, подогревающие воздух под кожухом при работе сплит-системы в режиме обогрева, размещены под наружным блоком на тех же самых кронштейнах. Суммарная мощность горелок равна мощности охлаждения воздуха теплообменником наружного блока плюс потери тепла через кожух и дымоход. Горелки включаются только
при температурах воздуха ниже +8 °С и если блок укрыт кожухом. При выполнении данных условий осуществляется регулируемая подача газа к горелкам в объеме, обеспечивающем тепловой баланс между теплотой горения и поглощения ее теплообменником наружного блока при температуре термостатирования порядка. Регулирование контролируется по температуре воздуха в термостате.
Для горения необходим приток свежего воздуха. Свежий воздух поступает к горелкам через отверстие 4 в нижней панели теплоизолирующего кожуха. Дымовые газы отводятся через отверстие, выполненное в верхней панели кожуха. Данное отверстие снабжено дымоходом с отводом 5, который усиливает и стабилизирует тягу и защищает пространство под кожухом от атмосферных осадков.
Вентилятор наружного блока не только обдувает теплообменник, но и создает потоки воздуха, которые могут помешать нормальной работе газовых горелок и даже задуть их. Например, инфракрасные газовые нагреватели работают нормально лишь в потоках воздуха со скоростью не более 1 м/с. Для газовых горелок открытого огня допустимые скорости обдува воздухом и того ниже. Таким образом, надлежит организовать внутри термостата две зоны: высокоскоростную - для наружного блока, и низкоскоростную - для газовых горелок. Надлежащие скорости воздуха в высокоскоростной зоне, как показали замеры, измеряются метрами в секунду, а в низкоскоростной должны практически отсутствовать.
В целях экспериментального исследования внутренней аэродинамики термостата наружного блока обогревающей сплит-системы SHARP AE-X08BE-C изготовлен его аэродинамический макет, повторяющий геометрию внутренней поверхности кожуха. Данный макет устанавливался на кронштейны крепления к стене термостатируемого блока, а зазор между макетом и стеной герметизировался. Общий вид макета показан на рисунке 2. Макет состоит из двух плоских боковин, соединенных сверху, спереди и снизу листом поликарбоната толщиной 2 мм (путем огибания боковин листом). Надлежащая жесткость свободных краев листа поликарбоната обеспечена продольными рейками. По периметру образовавшегося кожуха приклеено уплотнение, применяемое для герметизации оконных конструкций. Его назначение - минимизировать утечки воздуха через зазор между кожухом и стеной, на которой кожух установлен.
В боковинах имеются отверстия, которые закрываются съемными заглушками. При замере скорости воздуха внутри термостата одно из этих отверстий открывали и вводили через него датчик скорости воздушного потока согласно программе эксперимента и выбранным реперным точкам.
Рисунок 2 - Замер параметров внутренней аэродинамики термостата для наружного блока сплит-системы SHARP AE-XQ8BE-C (используется макет натуральной величины).
В первом варианте макет не имел спойлеров, перенаправляющих воздушные потоки, создаваемые вентилятором наружного блока. К тому же, отсутствовал поворотный отвод на входе в дымоход, и результаты испытаний были неудовлетворительными: скорости воздуха в зоне установки газовых горелок превышали допустимые значения, а во входном и выходном отверстиях, наоборот, были допустимо малы.
После анализа неудачи в конструкцию аэродинамического макета были внесены изменения. Во-первых, установлен спойлер (его видно на рисунке 2) между наружным блоком и смежной с ним лицевой панелью кожуха, который направлял воздушный поток от зоны горения к дымоходу. Во-вторых, стационарная заслонка на входе в дымоход была заменена на поворотный отвод, направляющий воздух в дымоход в случае его поворота входным отверстием навстречу потоку. При отклонении от данного положения в ту или иную сторону эффективное сечение отвода уменьшается. Соответственно, уменьшается и тяга в дымоходе.
Твердотельная модель спойлера, созданная в программе SolidWorks, изображена на рисунке 3, а продольный разрез поворотного отвода на входе в дымоход и вид отвода изнутри термостата - на рисунке 4 и рисунке 5.
Рисунок 3 - Спойлер, перенаправляющий воздушные потоки в термостате, и его установка на кронштейнах наружного блока (кожух термостата условно не показ).
Рисунок 4 - Продольный разрез твердотельной модели отвода поворотного на входе в дымоход термостата наружного блока сплит-системы:
1 - отвод поворотный; 2 - привод отвода; 3 - дефлектор.
Рисунок 5 - Вид на отвод поворотный изнутри термостата:
1 - отвод поворотный; 2 - привод отвода; 3 - верхняя панель кожуха термостата.
После доработки конструкции макет был вновь испытан, и уже с положительным результатом: скорости воздуха в зоне установки газовых горелок были незначительными, а поворотный отвод продемонстрировал высокую эффективность как средства регулирования притока воздуха для горения и удаления дымовых газов из термостата. Таким образом, опытом установлены технические решения, разделяющие пространство внутри термостата на высокоскоростную и низкоскоростную зоны и обеспечивающие устойчивую работу газовых горелок в широком диапазоне климатических условий.
Замерялись скорости воздуха в характерных, реперных точках внутреннего пространства термостата. Начало декартовой системы координат, координаты реперных точек и замеренные в них скорости воздуха вдоль осей координат приведены в таблице 1 для варианта отсутствия регулирующих элементов, и в таблице 2 для варианта наличия таких элементов. Кроме того, результаты замеров иллюстрированы на рисунке 6 и на рисунке 7 в виде векторов скоростей воздуха вдоль осей координат, исходящих из точки их замера. За начало системы координат принят левый нижний угол термостата,
примыкающий к стене. Ось I направлена по внутренней кромке нижней панели кожуха. Ось - по внутренней кромке боковой панели кожуха, а ось Ъ - перпендикулярно лицевой
панели в направлении от стены.
Таблица 1 - Экспериментальные данные о воздушных потоках в термостате наружного блока сплит-системы при отсутствии элементов, регулирующих воздушные потоки
№ точки Координаты реперной точки по осям декартовой системы координат (х,у,7 - рисунок 3 и 4), мм Проекции скорости в точке на оси той же системы координат, м/с
оси х У ъ х У ъ
1 450 50 150 1.2 0.6
2 450 100 150 0.7 - 0.6
3 450 150 150 1.2 - 0.8
4 450 200 150 1.6 - 0.5
5 450 250 150 1.5 - 0.7
6 100 100 250 0 0 1.6
7 50 450 400 1.8 0.7 1.2
8 100 450 100 1.4 0.6 1.3
9 200 450 400 0.5 0.8 2.2
10 450 0 150 0 0.3 0
11 350 900 250 0 0.35
Таблица 2 - Экспериментальные данные о воздушных потоках в термостате наружного блока сплит-системы при наличии элементов, регулирующих воздушные потоки
№ точки Координаты реперной точки по осям декартовой системы координат (х,у,2 - рисунок 3 и 4), мм Проекции скорости в реперной точке на оси той же системы координат, м/с
1 450 50 150 0 - 0
2 450 100 150 0 - 0
3 450 150 150 0.1 - 0
4 450 200 150 0 - 0
5 450 250 150 0 - 0.1
6 100 100 250 0 0 0.1
7 50 450 400 1.8 0.7 1.2
8 100 450 100 1.4 0.6 1.3
9 200 450 400 0.5 0.8 2.2
10 450 0 150 0 1 0
11 350 900 250 0 1 0
Рисунок 6 - Макет термостата и эпюра скоростей воздуха в реперных токах при отсутствии элементов, перенаправляющих воздушные потоки.
Рисунок 7 - Макет термостата и эпюра скоростей воздуха в реперных токах при наличии элементов, перенаправляющих воздушные потоки.
Замеры скорости воздуха внутри термостата выполняли приборами:
- дифференциальным цифровым манометром Тєбіо 510 с трубкой Пито;
- термоанемометром «ТЕБТО 405-У1»;
Технические характеристики дифференциального манометра Тєбіо 510:
Температура хранения, °С Рабочая температура, °С Тип и количество батарей Срок службы батареи, час Габариты, мм Вес 90 гр
Диапазон измерений, кПа Погрешность, кПа Разрешение, кПа
-40...+70
0...+50
2 элемента тип " ААА" 50
119x46x25
0...100
±0,03
0,01.
Дифманометр Тєбіо 510 комплектуется трубкой Пито и соединительными шлангами.
Термоанемометр Тєбіо 405-У1 измеряет скорость, температуру и рассчитывает объемный расход. Модель анемометра внесена в Государственный Реестр СИ под № 17273-06.
Скорость, м/с Температура, °С Объемный расход, м3/ч Рабочая температура, °С Температура хранения, °С Батарейки, шт/размер Ресурс батареек, час. Самоотключение, мин. Погрешность:
Скорость, м/с
Температура, °С Разрешение:
Скорость, м/с Температура, °С
от 0 до +10 от -20 до +50 от 0 до +99990 от 0 до +50 от 20 до +70 3/ААА 20 5
±(0.1 ±5% от изм. зн.) (от 0 до 2);
±(0.3 ±5% от изм. зн.) (от 2.1 до 10) м/с. ±0.5 (-20... +50).
0,01
0,1
ВЫВОДЫ:
1. Скорость воздуха внутри термостата для наружного блока обогревающей сплит-системы в зоне предполагаемой установки газовых горелок равна в среднем 1^2 м/с при отсутствии элементов, регулирующих воздушные потоки.
2. Многократное снижение скорости воздуха в зоне горения вплоть до нормативной величины достижимо установкой элементов, регулирующих воздушные потоки внутри термостата, в частности, спойлера, перекрывающего зазор между наружным блоком и лицевой панелью кожуха и, тем самым, перенаправляющего воздушный поток за блоком от зоны горения к дымоходу.
3. Расчетный приток воздуха в термостат для горения и соответствующий отвод дымовых газов из термостата осуществимы поворотом синхронно мощности горения отвода, установленного на входе в дымоход и ориентированного относительно скорости набегающего потока.
Литература
1. Дж. Фен. Машины. Энергия. Энтропия. М.: Мир, 1986. 336 с., ил.
2. Сумзина Л.В., Максимов А.В., Кудров Ю.В. Сравнительный анализ циклов бытового холодильника на хладагентах Ю34а, Я600а // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2012. Т. 8. № 2. С. 57-59.
3. Дубасов В.Т., Бондарев Е.Н, Рыжов Ю.А. Аэрогидромеханика: учебник. М.: Машиностроение, 1993. 608 с.
4. Анализ энергетической эффективности использования природного газа для систем теплоснабжения с тепловыми насосами / И.А. Султангузин, А.В. Албул, А.А. Потапова, А.В. Говорин // Наука и техника в газовой промышленности. 2011. № 4. С.112-116.
5. Энергосберегающие СКВ с воздушными тепловыми насосами для жилых помещений / О.Я. Кокорин, Н.В. Товарас, Е.В. Фирсов, Ю.В. Шульгин // Холодильная техника. 2011. № 4. С. 45-52.
