CC BY
58
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.565 Б01: 10.12737/2549
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ СФЕРЫ СЕРВИСА С ГЕРМЕТИЧНЫМИ КОМПРЕССОРАМИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Голубев Олег Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры сервиса, [email protected],
Голубев Андрей Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры общетехнических и естественнонаучных дисциплин,
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва, Российская Федерация
Наибольшая доля энергозатрат в сфере быта и услуг приходится на технические изделия, в составе которых используются холодильные контуры охлаждения. Анализ состояния парка технических изделий с холодильными агрегатами свидетельствует о его недостаточном соответствии современным требованиям. Проведено исследование влияние режимов работы и напряжения питающей электрической сети на энергетические характеристики компрессора. Обоснована и разработана технология повышения энергоэффективности технических изделий сферы сервиса с герметичными компрессорами в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: энергоэффективность, компрессор, энергетические характеристики.
В последние годы как в Европе, так и в России продолжается рост дефицита энергоресурсов и рост стоимости энергоносителей. Перед специалистами многих отраслей, в т.ч. машиностроения и сферы сервиса, стоит первоочередная задача -увеличение энергоэффективности как вновь создаваемых, так и применяемых технологических машин и оборудования за счет снижение их энергопотребления [1].
Как показали исследования, наибольшая доля энергозатрат в сфере быта и услуг приходится на технические изделия, в составе которых используются холодильные контуры охлаждения. В малых холодильных агрегатах и машинах применяются в основном герметичные компрессоры со встроенным электродвигателем, определяющие их общее энергопотребление [2].
Анализ состояния парка технических изделий с холодильными агрегатами сферы быта и услуг свидетельствует о его недостаточном соответствии современным требованиям. Например, в эксплуатации у населения находится свыше 25% бытовых
охлаждающих приборов в количественном отношении со сроком службы свыше 20 лет. Входящие в их состав герметичные компрессоры вследствие несовершенства конструктивного исполнения и технологии изготовления имеют низкие технические характеристики. Так, электрический коэффициент полезного действия компрессора не превышает 30%.
Энергоэффективность герметичных компрессоров, являющихся сложными многокомпонентными системами, зависит от многих факторов. Повышение удельной холодопроизводительности компрессоров неразрывно связано с изучением влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на энергетические потери, обоснованием и разработкой технологии их снижения в процессе эксплуатации.
Целью работы является обоснование и разработка технологии повышения энергоэффективности технических изделий сферы сервиса с герметичными компрессорами в процессе эксплуатации.
Мощность, подводимая к клеммам асинхронного электродвигателя герметичного компрессора, затрачивается на преобразование электрической энергии в механическую, преодоление механических сопротивлений в парах трения, сжатие и нагнетание холодильного агента в циркуляционную систему холодильного агрегата. На коленчатый вал компрессора при обратном расширении пара в цилиндре часть энергии возвращается.
Применительно к конкретному конструктивному исполнению компрессора значения составляющих потребляемой мощности зависит от основных условий эксплуатации: давления пара холодильного агента во всасывающем патрубке (определяется температурой кипения и типом хладагента), давления конденсации (определяется температурой конденсации и типом хладагента) и напряжения питающей сети.
Для обоснования и разработки технологии повышения энергоэффективности холодильного оборудования бытового и сервисного назначения в процессе эксплуатации выявим влияние вышеперечисленных факторов на энергетические характеристики компрессора.
Потребляемая мощность компрессора связана с индикаторной мощностью, механическими потерями и коэффициентом полезного действия электродвигателя зависимостью вида:
N + N
Мэ = . (1)
ПЭД
Для расчета индикаторной мощности компрессора целесообразно воспользоваться одним из методов схематизации процессов, происходящих в цилиндре. Методы основаны на замене действительных процессов на условные, что позволяет описывать весь рабочий цикл простыми термодинамическими зависимостями с требуемой точностью [3].
Схематизация индикаторной диаграммы с потерями давления в клапанах осуществляется в три этапа. На первом этапе схематизируется основная часть индикаторной диаграммы, заключенная между линиями давлений пара во всасывающем и нагнетательном патрубках (рис. 1). На втором и третьем этапах схематизируются части индикаторной диаграммы, расположенные ниже и выше линий давлений пара во всасывающем и нагнетательном патрубках соответственно.
Рисунок 1 - Схематизация индикаторной диаграммы Работа компрессора за один оборот коленчатого вала определяется в этом случае
как:
Ц = Ь' +МШ +АЬНГ, (2)
где ЬI - работа, соответствующая площади основной части схематизированной индикаторной диаграммы;
АЬВС - потери работы, соответствующие площади индикаторной диаграммы,
расположенной ниже линии РКМ1;
АЬНГ - потери работы, соответствующие площади индикаторной диаграммы, которая расположена выше линии РКМ2.
Один из возможных вариантов схематизации основной части действительной индикаторной диаграммы заключается в замене ее равноценной по площади фигурой, ограниченной линиями Ркм\ , Ркм2 и эквивалентными политропами процессов сжатия и обратного расширения.
Эквивалентный показатель политропы сжатия, вследствие теплообмена между паром и стенками рабочей полости, меньше показателя адиабаты. Для поршневых компрессоров он определяется по формуле
пс = ахк, (3)
где а1 - эмпирический коэффициент.
Показатель эквивалентной политропы обратного расширения находится по соотношению
Пр = а2 Пс ,
(4)
где а2 - эмпирический коэффициент.
Значение работы за один оборот коленчатого вала, соответствующей площади основной части схематизированной индикаторной диаграммы, находится по уравнению
Т' = Р V
^ i гкы У н
(1+с )
п
п
Пс -1
Р
1 км 2
Р
у1 км 1 у
п„
п„
Рк
км 2
Рк
км1
Р
км2
Р
у1 км 1 у
(5)
= Ркм V [(1 + с))с - сОр ]
где Vh - описанный объем поршня за один ход.
Наибольшие падения давления в нагнетательном и всасывающем самодействующих клапанах компрессоров происходят при их открытии. Перепад давлении между нагнетательной и рабочей полостями в момент открытия нагнетательного клапана составляет 300-350 кПа и практически не зависит от отношения рабочих давлений. Разность давлений между полостью цилиндра и полость всасывания в момент открытия всасывающего клапана составляет 80-120 кПа. По мере протекания процессов всасывания и нагнетания градиент падения давлений в клапанах снижается [2].
Основываясь на экспериментальных данных, потери работы во всасывающем и нагнетательном клапанах можно представить в виде условных треугольников (рис. 1).
В этом случае значение работы за один оборот коленчатого вала, соответствующее площади схематизированной индикаторной диаграммы, расположенной ниже линии давления пара во всасывающем патрубке, определяется по формуле
АР —
1 - с
(
Рк
X
Р
V КМ 1 J
-1
РКМ1 ' СВС ' Обо ,
(6)
где АРВС - потери давления в момент открытия всасывающего клапана;
сВС - средние за процесс всасывания относительные потери давления пара.
Значение работы за один оборот коленчатого вала, соответствующее площади схематизированной индикаторной диаграммы, расположенной выше линии давления пара в нагнетательном патрубке, определяется по уравнению
1 + с
АР —
А1нг =АРНГ- V •-
(
РК
X
КМ 2
Р
V км 1 J
-1
= РКМ 2 ' СНГ ' 0НГ 5
(7)
Р
КМ2
Р
V км 1 J
где АРНГ - потери давления в момент открытия нагнетательного клапана;
сНГ - средние за процесс нагнетания относительные потери давления пара.
По найденным из уравнений (5), (6) и (7) величинам рассчитывается индикаторная работа компрессора за один оборот коленчатого вала:
Ц = РкмV [(1 + с)& -сдр + сс
ВС 0ВС + СНГ 0НГ \ . (8)
Индикаторная мощность численно равна произведению работы компрессора за один оборот на частоту вращения коленчатого вала.
Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от нагрузки на валу и напряжения питающей сети:
и2
п„ = п - т„
и2
(п - пН )
(9)
где тс - коэффициент загрузки двигателя;
п, пН - соответственно синхронная и номинальная частота вращения; иН,и - номинальное и действительное значение напряжения питающей сети. Из уравнений (7) и (8) получается:
Н
М = РКМ1V* Ц1 + С) бс - сОр + жвс Овс + жнг
МЛ2Н , ч п--е-н(п-пн )
. М^и ^ н\
(10)
Мощность трения в герметичном компрессоре расходуется на преодоление сопротивлений движению и работу масляного насоса. Полный расчет мощности трения с дифференцированным учетом всех слагаемых сил сопротивлений движению связан со значительными трудностями, поэтому в практике компрессоростроения для определения внешних интегральных характеристик наиболее часто используют эмпирические зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных. С учетом мощности трения в подшипниках коленчатого вала, передаточном механизме и вращающихся частях о холодильный агент механические потери компрессора находятся по уравнению
N = N + N + N (11)
1УТР 1УТР. В ТР .П ВЕНТ. V1-1/
Расчет энергетических характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором целесообразно проводить в относительных единицах, базой для которых являются номинальные значения соответствующих величин.
Потери в электрической машине переменного тока подразделяются на потери в стали, возникающие в стальных участках магнитной цепи, переменные потери в роторе в обмотке статора, добавочные потери и механические потери. Пренебрегая влиянием полей рассеивания и трением ротора о холодильный агент, электромагнитные потери в асинхронном электродвигателе можно определить по формуле
Мэд = Мм 1 + ММ 2 + Мст . (12)
Относительная величина потерь в стали, в свою очередь, складывается из потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов и при постоянной частоте тока в сети равна:
М
СТ
М
1УСТН
' и V
V ин У
(13)
При ненасыщенной магнитной системе электродвигателя и без учета активных потерь холостого хода относительное значение переменных потерь в обмотке статора и в роторе является пропорциональным относительной величине приведенного тока ротора. Из схемы замещения однофазного асинхронного электродвигателя относительная величина приведенного тока ротора находится по уравнению
/ '2
^ 2Н \
М.н Sн
С учетом зависимостей (11), (12), (13) и (14) получается выражение для определения коэффициента полезного действия электродвигателя при различной эффективной мощности на валу и напряжениях питающей сети:
Пэд =
N.
N + АКН
А
N
еН У
Цн
и
2 ' и л2
V ЦН у
(15)
где АКН - потери в электродвигателе в номинальном режиме.
От нагрузки на валу и напряжения питающей сети зависит и другой важнейший показатель электрических машин - коэффициент мощности, который показывает, какая часть от полной мощности используется для полезной работы электродвигателя и какая часть связана с загрузкой электросетей излишней реактивной мощностью:
оо8ф =
У
1а
+ У
(16)
1 р
где У1а, у - активная и реактивная составляющие тока статора.
Из формул (15, 16) и схемы замещения асинхронного электродвигателя относительными значениями реактивного тока статора и коэффициента мощности при номинальной эффективной мощности компрессора определяется текущее значение коэффициента мощности:
1
00Б ф =
1 + ЧФ2
Г и л4
Лу
А
N
еН У
(17)
Энергетические характеристики компрессоров рассчитаны во всем возможном диапазоне их работы, при изменении температуры кипения от 243 до 268 К, температуры конденсации от 303 до 328 К и напряжения питающей сети от 160 до 240 В (рис. 2-5). В рассматриваемом диапазоне расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышают по индикаторной мощности 4%, по потребляемой мощности 5%. Полученные расхождения могут быть объяснены принятыми допущениями и неучтенными потерями, имеющими место во всасывающем и нагнетательном каналах компрессора и асинхронном электродвигателе. Тем не менее сходимость расчетных и опытных данных следует признать удовлетворительной, что дает основание использовать
Н
данный метод расчета для анализа влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на характеристики компрессора.
N Вт 130
110
90
70
Рисунок 2 - Зависимость индикаторной мощности компрессора
а
0,65 0,60 0,55
Рисунок 3 - Зависимость КПД электродвигателя
и = 220 В, с = 0,03 у у у
II II 5, 6, X X п" 6 3 0 м п" 6 3 0 м х у У ✓ У у Тк =328 К
> ✓ ✓ / у у
✓ / ^ у / ^^ 1 Тк =303 К
/ у
243 248 253 258 263 Т0, К
и = 160 В Тк = 328 К, с = 0,03
- - - ~ . — * *
и = 220 В ** ** у —У " —^
г \ уГ * Г ' ✓ > \и = 24 1 1 0В - Ч = 6,9 Ч = 5,( } х 10" 6 м3 } х 10" 6 м3
243 248 253 258 263 Т0, К
N3, Вт 130
110
90
70
сое 9 0,65
0,60
0,55
0,50
0,20 0,25 0,30 0,35 с
Рисунок 4 - Зависимость энергетических характеристик компрессора N
±13 220
Рисунок 5 - Зависимость относительных значений потребляемой мощности
Анализ расчетных зависимостей, представленных на рисунках 2-5 показывает, что низкая энергетическая эффективность компрессора бытового холодильника обусловлена несогласованностью параметров встроенного асинхронного электродвигателя и собственно компрессора. Максимум КПД электродвигателя при напряжении питающей сети 220 В достигается в области высоких значений температур кипения. При
температурах кипения 243-253 К степень полезного преобразования электрической энергии в механическую составляет 58-62%.
Повышение экономичности работы компрессора и, следовательно, энергоэффективности технических изделий сферы сервиса с холодильным контуром возможно за счет регулирования величины питающего напряжения после запуска. В диапазоне температур кипения 243-248 К и температур конденсации 303-328 К при уменьшении величины питающего напряжения с 220 до 160 В потребляемая мощность компрессора снижается на 14-20%, а коэффициент мощности электродвигателя возрастает на 25-30%. Снижение индикаторной мощности, вследствие изменения частоты вращения ротора электродвигателя, в указанном диапазоне режимов работы не превышает 1,5%.
Для снижения величины питающего напряжения асинхронного электродвигателя целесообразно использовать тиристорный регулятор, который изменяет амплитуду напряжения без изменения ее частоты. Силовая часть регулятора напряжения образована тиристорами, включенными во встречно-параллельную схему, и обеспечивает протекание тока в оба полупериода напряжения сети. Управление тиристорами осуществляется с помощью системы импульсно-фазового управления, которая подает на тиристоры импульсы управления. К основным преимуществам таких регуляторов следует в первую очередь отнести низкую себестоимость изготовления, высокий коэффициент полезного действия и достаточную надежность в процессе эксплуатации.
Литература
1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Петросов, С.П. Научные основы повышения эффективности бытовых холодильников компрессионного типа: дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.13. - М., 2007. -375 с.
3. Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры: учеб. пособие для вузов / П.И. Пластинин. - 3-е изд., доп. - М.: Колос, 2006. - 465 с.
DEVELOPING A TECHNOLOGY OF IN-SERVICE ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENT OF COMMERCIAL-GRADE HERMETIC-COMPRESSOR-EQUIPPED ITEMS UTILIZED IN THE SPHERE OF SERVICE
Golubev Oleg Petrovich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Service, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, [email protected],
Golubev Andrei Petrovich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of General Engineering and Science, Russian State University of Tourism and Service, Moscow,
Russia, [email protected]
Cooling loop devices account for the biggest part of energy consumption in the sphere of consumer goods and services. The results of an analysis of the current status of the refrigerating device pool reveal its deficiency in terms of modern requirements. The article presents the results of research into the impact of the working pattern and voltage of the electric network on the output performance of compressors. The researchers develop and substantiate a technology of in-service energy efficiency improvement of commercial-grade hermetic-compressor-equipped items.
Key words: energy efficiency, compressor, output performance.
References
1. Federal'nyi zakon Rossiiskoi Federatsii ot 23 noiabria 2009 N261-FZ "Ob energosberezhenii i o povyshenii energeticheskoi effektivnosti i o vnesenii izmenenii v ordel'nye zakonodatel'nye akty Rossiiskoi Federatsii [RF Federal Law N261-FZ of November, 23, 2009, 'On Energy Efficiency and Output Performance Improvement and on the Amendments to Individual Legislative Acts of the Russian Federation
2. Petrosov, S.P. Nauchnye osnovy povusheniia effektivnosti bytovykh kholodil'nikov kompressionnogo tipa [Scientific framework for improving the efficiency of household compressor refrigerators]. Dissertatsiia doktora tekhnicheskikh nauk [A doctoral thesis]. Moscow, 2007.- p.375.
3. Plastinin, P.I. Porshnevye kompressory [Reciprocal compressors]. Uchebnoe posobie dlia vuzov [Astudent teaching manual]. 3-e izd., dop. [3rd edition, revised]. Moscow: Kolos Publ., 2006. - 465 c.
