CC BY
38
Расчёт эксплуатационных параметров бытовой холодильной
машины
А. С. Луганский, А.А. Хмызенко, Н. А. Целигоров Донской государственный технический университет
Аннотация: Рассмотрена модель бытовой холодильной машины (БХМ). Определена холодопроизводительность, тепловая нагрузка, проведен расчет компрессора и эксплуатационных параметров, построен цикл холодильной машины в р^ координатах. Ключевые слова: Бытовая холодильная машина, температура, холодильная камера, тепловая нагрузка, холодопроизводительность, компрессор, теплопритоки.
Введение
В процессе создания и эксплуатации холодильных комплексов важными этапами являются диагностика и исследование тепловых режимов холодильных установок [1-3], являющихся нелинейными системами управления с неопределенностями [4,5]. Исследование этих систем методами математического моделирования позволяет определить соответствующие параметры и элементы холодильных установок при изменяющихся в широких пределах возмущающих воздействиях и температурных значениях для их точного регулирования [6,7].
В системе жизнеобеспечения человека бытовая холодильная машина (БХМ) обеспечивает поддержание заданного температурного режима для хранения продуктов питания в холодильной камере [8]. Её основная функция заключается в передаче теплоты от продуктов питания (охлаждаемой среды) к воздуху в помещении (нагреваемой среде). В БХМ механической работа компрессора обеспечивает сжатие фреона, что в конечном случае приводит к охлаждению холодильной камеры, выбрасывая теплоту в окружающую среду, что подтверждается диаграммой холодильного цикла [9].
Постановка задачи
Требуется составить алгоритм и провести расчет эксплуатационных
параметров бытовой холодильной машины. Объектом исследования параметров БХМ является стенд-тренажер «Холодильник - 1» (рис. 2).
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6519
I J
Рис. 2. - Общий вид экспериментально-диагностического комплекса «Холодильник - 1»
Исходные данные
Общие параметры экспериментально-диагностического комплекса
«Холодильник - 1» приведены в табл.1.
Таблица 1.
Показатель Значение
Общий объем БХМ, л 37
Полезный объем МК, л 6
Полезный объем ХК, л 36
Температура в МК, оС не выше -4
Температура в ХК, оС не ниже / не выше 2 / 5
Суточный расход электроэнергии при температуре окружающего воздуха 25 оС, Втхч 0,308х103
Электрическая мощность, Вт 70
Габаритные размеры БХМ, мм Высота Ширина / Глубина 510 435/470
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6519
Для данной установки имеются необходимые данные для проведения расчета (табл. 2).
Таблица 2.
Наименование характеристики Величина
Геометрические размеры холодильника, (ШхВхГ), см 43.5х51х47
Внутренний рабочий объем, л 42
Внутренний объем холодильной камеры, л 36
Внутренний объем низкотемпературной камеры, л 6
Температура окружающей среды ^кр.ср,°С 18
Температура холодильной камеры ^,°С 2
Холодильный агент R600а
Толщина стенок БХМ равна 40мм.
Материал наружной стенки БХМ - углеродистая сталь (Ст3), 0,5 мм. Изоляционный материал - пенополиуритан, 37,5 мм.
Материал внутренней стенки шкафа холодильной установки - полистирол, 2мм.
Решение задачи
Проектирование и расчет бытовых холодильных машин основан на исходных данных температур, нагреваемой и охлаждаемой среды. За основу расчета возьмем определение теплопритоков из окружающей среды в холодильную камеру [10].
I. Расчет тепловой нагрузки Теплопритоки Ох Вт через стенку охлаждаемой камеры холодильника рассчитываются по формуле для расчета теплопередачи:
й = каАТ,
где Ох - теплопритоки, Вт;
к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 хК;
о - площадь наружной поверхности теплообмена, м2, ДТ - разность температур воздуха по обе стороны стенки холодильной камеры, К;
Коэффициент к теплопередачи рассчитывается по формуле:
к = 1/
г 1 3 3 3 1 л
— + — + — + — + —
. а X X X а ,
V н 1 2 3 вн у
где ан - коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к внешней поверхности холодильной камеры Вт/м хК;
авн - коэффициент теплоотдачи от воздуха в холодильной камере к её внутренней поверхности, Вт/м хК;
5 -толщина 1-го слоя многослойной конструкции холодильной камеры;
X - коэффициент теплопроводности ¿-го слоя.
II. Расчет коэффициента и теплопередачи
Данные для расчета коэффициента теплопередачи приведены в табл.3
Таблица 3
Данные Численное значение
ан,, Вт/( м2 хК) 23,8
авн, Вт/(м2хК) 7
XI, Вт/(мхК) 80
Х2, Вт/(мхК) 0,028
Х3, Вт/(мхК) 0,15
51, мм 0,6
52, мм 36,5
53, мм 3
Рассчитываем коэффициент теплопередачи к1 стенки холодильной камеры:
, ,,, 1 0,6 х10_3 36,5 х10_3 3 х10_3 1ч
-+ --+ —-+-+ —) = 1,50 2 ...
23,8 80 0,028 0,15 7 Вт/(иГ хК)
Теплопритоки через тепловую изоляцию холодильной камеры холодильной установки:
а) теплоприток 0\К Вт, из внешней среды в холодильную камеру
С>Г= К^Т, йх= 1,50 X 0,58 х (18-2) = 13,98, Вт.
б) Тепловая нагрузка ОТ, Вт, от воздухообмена в ХК
0Т= 0,5-ОГ, 0% =0,5 13,98 = 6,99, Вт.
Определяем холодопроизводительность <20ха холодильного агрегата для холодильника.
а) определяем холодопроизводительность ()0 х.а холодильного агрегата для ХК:
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6519
0?м=0?+0?> йо.,а = 13,98 + 6,99= 20,97 , Вт. Результаты расчета для надежности увеличиваются на 10%. Это
зависит от достоверности данных, применяющихся при расчете тепловой
нагрузки [10].
Учитывая, что холодильный агрегат бытового холодильника с некоторым коэффициентом рабочего времени в, равным 0,34 холодопроизводительность холодильного агрегата определяется по формуле:
д хк -11
, ,,= 20,97 • 1,1 /0.34 = 67,8, Вт.
в
Ш. Термодинамический расчет компрессора
Выполним термодинамический расчёт компрессора. Исходные данные:
О0ха = 67,8 Вт, хладагент ЯбООа, Т0 = 2 °С ; Тк = 18 °С. Строим холодильный цикл в р-1 координатах (рис. 4).
Enthalpy [bJ/kg]
Рис. 4. - Цикл холодильной установки в p-i координатах Параметры ХМ, измеренные в контрольных точках тренажёра при нормальном режиме работы приведены в табл.4.
Таблица 4.
Параметры Контрольные точки
1 2 3 4 5 6 7
Т, К 286 338 311 311 305 255 255
кДж/кг 585 655 605 295 275 275 535
1. Удельная массовая холодопроизводительность Я0 1 кг агента, Дж/кг:
Яо = О? - Ч), Яо = 535 х 103 - 275 х 103 = 260 х 103, Дж/кг.
2.Массовый расход ш (подача) газа на входе в компрессор, кг/с:
= 61 8 =о?оооз кг/с
260 хЮ3
3. Объёмный расход газа Уд (объёмная подача газа) на входе в компрессор,
м3/с:
Уд=т-и1з Уд =0,0003 х 0,500 =0,015х10"2 м3/с.
4.Тепло, отводимое от рабочего тела в конденсаторе (поступающее в помещение):
Оконд ={Н-иУ ™, Вт., Оконд = (655-295) • 103 • 0,0003 = ОД08, Вт.
5.Удельная работа компрессора 18 (техническая работа хладагента со знаком минус):
= Ч -1, К = (655 - 585) -103 = 70-103, Дж/кг.
6. Теоретический холодильный коэффициент ет:
8т = Ц0! 18 , £Т= 260-103 /70-103 = 3,71
7. Степень Т повышения давления газа в компрессоре:
П = , п = 52 = 6,50 Ри 0,8 .
8. Объем V , описываемый поршнем компрессора, м3/с: Коэффициент 1 подачи компрессора принимаем 1 = 0,440
. Ул т> 0,015-Ю"2 0/1 1Л_5 3,
Г = V = —- = 34х 10 5 , м /с.
Я 0,440
9. Теоретическая мощность N компрессора, Вт:
Ыт = тх(/2 ЫТ = 0,0003х(655-585)х 103 = 21 , Вт.
,
10. Действительная мощность N компрессора, Вт:
N = N.
21 0
N = = 30 , Вт.
Ъ 0,700
Индикаторный к.п.д. Ъ принят по среднему значению [11]. 11. Мощность МПРИВ привода, Вт:
N
N
30
ПРИВ
— Ъмех 0,850
12. Теоретическая работа компрессора:
= 35,3, Вт.
ь =
п
п -1
1 2
п-1
11
Для адиабатного процесса п=1,4.
1 4
I =—--0,8-105- 0500
к 1,4 -1
V" 1 У
1,4-1 1,4
6,5 -1
= 99,123 •Ю3 Дж/кг.
I. Подбор компрессора для данной холодильной установки
Исходя из полученных данных холодопроизводительности £?0 х.а=
67,8Вт и термодинамического расчёта подбираем компрессор для данной холодильной установки. Одним из наиболее соответствующих и доступных вариантов является компрессор АСС Я-600а ИУУ44АА
Рис. 5. Холодильный компрессор ЫУУ44АА
Производитель: АСС (Австрия) Цена: 2 900 р
Характеристики:
Модель:
Мощность:
Температура:
Тип:
Хладагент:
НУУ44АА 71 Вт -23,3°С
низкотемпературный Я600а
и
Исходя из концепции импортозамещения, так же можно рассмотреть и другой вариант компрессора - производства России. Производитель: ОАО «КЗХ Бирюса» (Россия). Цена: 1200 р
Характеристики:
Модель: КВ0-70
Мощность: 70 Вт
Температура: -18°С
Тип: низкотемпературный
Хладагент: R134a
Рис. 6. Холодильный компрессор КВ0-70
Заключение
На основе имеющихся технических характеристик был проведен расчет эксплуатационных параметров бытовой холодильной машины, на примере стенда тренажера «Холодильник - 1». Проведенный расчеты теплопритоков, коэффициента теплопередачи, холодопроизводительности и термодинамического расчета компрессора позволили осуществить подбор модели компрессора, как зарубежного, так и отечественного производства.
Литература
1. Лемешко М. А. Способ определения технического состояния компрессионного холодильника по режиму работы компрессора // В сборнике: Инновации в технологиях возделывания сельскохозяйственных
культур. Материалы международной научно-практической конференции. 2015. С. 339-344.
2. Кожемяченко А.В., Лемешко М.А., Петросов С.П. Способ локального определения технического состояния компрессионного бытового холодильного прибора // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2013/1644.
3. Тихонова О.Б., Русляков Д.В. Интерактивные средства обеспечения эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4-2.
URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4p2y2012/1429.
4. Целигоров Н.А., Мафура Г.М., Целигорова Е.Н. Математические модели неопределенностей систем управления и методы, используемые для их исследования // Инженерный вестник Дона, 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4t2y2012/1340
5. Tseligorov N., Tseligorova E., Mafura G. Robust absolute stability analysis of a temperature control system for an enclosed space// Conference: 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON). pp. 356-359.
6. Seki M., Osajima A., Nakane A., Sato H., Watanabe K. Perfomance of Refrigeration Cycle with R32-R34a and R32- R125 Based on the Reliable Thermodynamic Property Data // Proc. 1994 Int. Refrig. Conf. - Purdue Univ., US. - 1996.07.19 - 22. - pp. 67-72.
7. Иванов Р.А., Целигоров Н.А. Использование программы EEV Selection для измерения параметров кондиционера легкового автомобиля // Тенденции развития науки и образования. 2019. № 47-6. c. 50-52.
8. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. пособие для вузов // 3-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. школа, 1980.— 459 с.
9. Розенфельд Л.М., Ткачев А.Г. Холодильные машины и аппараты. — М.: Государственное издательство торговой литературы, 1960. — 649с.
10. Кругляк И.Н. Бытовые холодильники (устройство и ремонт): учеб. пособие. — М.: Легкая индустрия, 1974. — 205с.
11. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники: справочник. - М.: Колос, 1998. - 631 с.
References
1. Lemeshko M.A. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "Innovatsii v tekhnologiyakh vozdelyvaniya sel'skokhozyaystvennykh kul'tur": (trudy). Moscow. 2015. pp. 339-344.
2. Kozhemyachenko A.V., Lemeshko M.A., Petrosov S.P. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/rmagazine/archive/N2y2013/1644.
3. Tikhonova O.B., Ruslyakov D.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2012. № 4-2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/N4p2y2012/1429.
4. Tseligorov N.A., Mafura G.M., Tseligorova E.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/N4t2y2012/ 1340.
5. Tseligorov N., Tseligorova E., Mafura G. Conference: 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON). pp. 356-359.
6. Seki M., Osajima A., Nakane Y., Sato H., Watanabe K. Proc. Int. Refrig. Conf. Purdue Univ., US. 1994. pp. 67-72.
7. Ivanov R.A., Tseligorov N.A. Tendentsii razvitiya nauki i obrazovaniya. 2019. № 47-6. pp.50-52.
8. Nashchokin V.V. Tekhnicheskaya termodinamika i teploperedacha: ucheb. posobiye dlya vuzov [Technical thermodynamics and heat transfer: studies. manual for universities]. Moskva. HS. 1980. 459 p.
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6519
9. Rozenfel'd L.M., Tkachev A.G. Kholodil'nyye mashiny i apparaty [Refrigerators and devices]. Moskva. GITL. 1960. 649 p.
10.Kruglyak I.N. Bytovyye kholodil'niki (ustroystvo i remont) [Household refrigerators (device and repair)]. Moskva. LI. 1974. 205 p.
11.Babakin B.S., Vygodin V.A. Bytovyye kholodil'niki i morozil'niki: spravochnik [Household Refrigerators and Freezers: A Guide]. Moskva. Kolos, 1998. 631 p.
