CC BY
25
УДК 64.066.22 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-107-111
СТРУЙНАЯ АЭРАЦИЯ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ВОДОСБЕРЕЖЕНИЯ ПОСУДОМОЕЧНОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
ET AERATION AS A FACTOR FOR ENERGY EFFICIENCY AND WATER CONSERVATION DISHWASHER CONTINUOUS
© 2016 г. Л.В. Ларина, О.Б. Тихонова, Д.В. Русляков, А.Ю. Тихонов, А.А. Торопов
Ларина Людмила Васильевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технические системы ЖКХ и сферы услуг, ИСОиП (филиал) ДГТУ, г. Шахты, Россия. E-mail: Ludmila-larina2010@mail.ru
Тихонова Ольга Борисовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технические системы ЖКХ и сферы услуг», ИСОиП (филиал) ДГТУ, г. Шахты, Россия, E-mail: tudd@mail.ru
Русляков Дмитрий Викторович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технические системы ЖКХ и сферы услуг», ИСОиП (филиал) ДГТУ, г. Шахты, Россия, E-mail: ruslyakof@ yandex.ru
Тихонов Александр Юрьевич - студент, кафедра «Международные отношения», ФГАОУ ВПО ЮФУ, г. Шахты, Россия, E-mail: tau 9501@mail.ru
Торопов Алексей Александрович - студент, ТМО-РЬ21, ИСОиП (филиал) ДГТУ, г. Шахты, Россия.
Larina Ludmila Vasilyevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Institute of Service Sector and Entrepre-neurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. E-mail: Larina2010_ludmila@mail.ru
Tihonova Olga Borisovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Institute of Service Sector and Entrepre-neurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia. E-mail: tudd@mail.ru
Ruslyakof Dmitriy Victorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Institute of Service Sector and En-trepreneurship (branch) Don State Technical University, Shak-hty, Russia. E-mail: Ruslyakof@yandex.ru
Tihonov Alexandr Uryevich - student, Southern Federal University, Shakhty, Russia. E-mail: tau 9501@mail.ru
Toropov Alexandr Alexandrovich - student, Institute of Service Sector and Entrepreneurship (branch) Don State Technical University, Shakhty, Russia.
Статья посвящена количественной оценке энергоэффективности и водосбережения посудомоечной машины непрерывного действия. Рассмотрены вопросы оценки энергоэффективности и водосбережения посудомоечной машины непрерывного действия путем аэрирования моющей жидкости, когда воздух предполагается нагнетать воздушным компрессором (не входящим в состав машины) в водную магистраль машины. В связи с этим объём поступающей в рукава крыльчатки моющей жидкости может быть уменьшен. Предложена схема аэрации рабочей жидкости, которая позволяет сократить расход воды, поступающей в рабочую камеру машины. При этом давление воды на входе в водоразборную систему может быть понижено, что позволит переводить режим работы гидронасоса в более экономный и сократить соответствующее потребление воды и электроэнергии. В статье учтены потребление электроэнергии компрессором, а также дополнительные затраты на его приобретение. Предложенная схема аэрации рабочей жидкости позволяет сократить расход воды, поступающей в рабочую камеру машины, на 36 %, при этом давление воды на входе в водоразборную систему может быть понижено с 5 до 3,2 атм (на 36 %). Эффективная полезная мощность насоса с системой аэрации будет уменьшена в 1,56раза и составит 2,12 кВт. Мощность нагревателей воды, объем которой c системой аэрации составит 0,64 В, будет уменьшена на 36 % и составит 15,4 кВт. Суммарная мощность составит 17,52 кВт.
Ключевые слова: посудомоечная машина; энергоэффективность; водосбережение; аэрация; диаметр сопла; струя; давление; скорость.
The article is devoted to quantify energy efficiency and water saving dishwashers. In the article the questions of assessment of energy efficiency and water efficiency of dishwashers with a continuous action by aeration of the cleaning fluid when the air pump is supposed to be an air compressor (not included with machine) to water the trunk of the car. In this regard, the volume received into the sleeves of the impeller of washing liquid can be reduced. In the article the scheme of the aeration of the working fluid, which allows to reduce the consumption of water supplied to the working chamber of the machine. The inlet water pressure in a hydrant system can be reduced, which will make it possible to transfer the mode of operation of the hydraulic pump in a more economical and appropriate to reduce water and energy consumption. The paper takes into account the power consumption of the compressor, as well as additional costs to purchase it. The proposed scheme of aeration of the working fluid allows to reduce the consumption of water supplied to the working chamber of the machine, at 36 %, while the inlet water pressure in a hydrant system may be reduced to 5 ATM. to 3.2 ATM. (36 %). Effektivnaya the output power of the pump with the aeration system will be reduced to 1,56 % 2,12 kWh. Power water heaters, volume c with aeration system will be of 0,64 V is reduced by 36 % and up to 15,4 kW. The total capacity will be drain rate is 17,52 kW.
Keywords: dishwasher; energy efficiency; water saving; aeration; diameter of a nozzle; stream; pressure; speed.
Одним из путей повышения энергоэффективности [1] и водосбережения посудомоечных машин непрерывного действия, нашедших наибольшее распространение на предприятиях сферы услуг [2, 3], является диспергирование (аэрирование) моющей жидкости воздухом. Количественные методы оценки эффективности [4, 5] работы посудомоечной машины позволяют при этом оценить эксплуатационную эффективность машины теоретическими расчетами.
При аэрировании моющей жидкости воздух предполагается нагнетать воздушным компрессором (не входящим в состав машины) в водную магистраль машины. В связи с этим объём поступающей в рукава крыльчатки моющей жидкости может быть уменьшен. Так, например, при уменьшении мнимого диаметра отверстий сопел для подачи жидкости до 3,2 мм (при мнимом диаметре сопла для подачи воздуха 1,8 мм) встаёт задача определения параметров процесса мойки посуды. Причём скорость моющей жидкости при выходе из сопла крыльчатки диаметром 5 мм должна быть равной значению, соответствующему паспортным характеристикам машины, обеспечивающему качественное омывание посуды [6].
Разбрызгивающая крыльчатка в посудомоечной машине представляет собой вращающийся полый корпус, выполненный из полимерного материала, с диаметрально расположенными рукавами (крыльями) серпообразной формы с образованными в них отверстиями - соплами
для выхода моющей жидкости, омывающей установленную в камере машины посуду.
Для расчёта параметров форсунки при аэрации струи определим силу давления Р струи воды в посудомоечной машине на поверхность изделия по формуле [7]
d 2 P = р-ю ,
4
(1)
где р - плотность воды; d - диаметр сопла; ю -скорость истечения струи, принимаемая по паспортным данным посудомоечной машины.
Выполнив по формуле (1) вычисления, получим:
Р = 103 3-14(5'10"3)2 33,32 = 4
Принимаем в случае аэрации равными скорости истечения водяной и воздушной струй:
Ювод =Ювозд = 33,3 м/с.
Исходя из того, что при аэрации сила давления воздушно-водяной струи на поверхность должна быть равна полученному значению Р = = 21,8 Н, представим уравнение (1) в виде
„ 3,14(4, -х)2 2 3,14х2 2
Р = Р---® вод +Рвозд---®возд, (2)
4
4
где dс - диаметр сечения сопла до аэрации; - x) - диаметр мнимого сечения сопла, умень-
шенныи на величину х при аэрации; рвозд - плотность воздуха при давлении 5 -105 Па.
Подставив в выражение (2) численные значения, имеем:
103 314х
21,8 =-3,14(0,005-х)233,32 +р--33,32 .
44
Опустив промежуточные вычисления, получаем квадратное уравнение вида
х2 -0,01х+25-10-6 -3,6 = 0.
Решая его относительно х, наИдем значение, на которое уменьшится диаметр сечения сопла при аэрации, мм:
Рассчитаем напор Н моющей жидкости (величину постоянную при прочих равных условиях) в соответствии с паспортными характеристиками машины.
Из формулы для определения скорости истечения рабочей жидкости из насадки (сопла)
u = ф
(
2g
P - P
\
H +
v Рв g j
определим напор Н:
2 20 u -ф 2 g
H = -
P - P
± o ± a
V Рв g j
ф22 g
(3)
х = 0,005+1,8 = 1,805.
Подставляя численные значения, получим:
То есть использование аэрации позволяет сократить расход воды на 36 %.
Поскольку для сохранения качества мытья посуды за счёт диспергирования (аэрирования) моющей жидкости воздухом, нагнетаемым воздушным компрессором (не входящим в состав машины) в водную магистраль машины, и уменьшением в связи с этим объёма поступающей в рукава крыльчатки моющей жидкости (мнимый диаметр отверстий сопел для подачи жидкости уменьшился до 3,2 мм) встаёт задача определения параметров процесса мойки посуды, при которых скорость моющей жидкости при выходе из сопла крыльчатки, равная значению, соответствующему паспортным характеристикам машины, обеспечивала бы качественное омыва-ние посуды [8].
Исходными данными для расчёта являются следующие параметры:
- режим истечения жидкости для воды Н=12-13 м;
- коэффициент истечения (коэффициент скорости) жидкости через насадку ф = 0,85 [9];
- давление моющей жидкости, обеспечиваемое гидронасосом машины [9], Р0 = 5-105 Па;
- атмосферное давление Ра = 101,3 кПа [9];
- плотность воды рв = 9,8-103 кг/м-3 [9];
- начальная скорость истечения струи рабочей (моющей) жидкости из сопла, согласно паспортным данным посудомоечной машины, составляет и = 33,3 м/с.
(33,3)2 -(0,85)2 2-9,81
H=-
^5-105 -1,01105 ^ 9,8-103 -9,8
-=118,9 м.
(0,85)2 -2-9,81
Из уравнения потока (уравнения непрерывности) [9] рассчитаем начальную скорость истечения рабочей жидкости из сопла при условии её аэрации:
SlVl = S2V2,
где S1 - площадь сечения сопла до аэрации рабочей жидкости; S2 - площадь сечения сопла (мнимая) при аэрации; V1, V2 - начальная скорость истечения из сопла рабочей жидкости до и после аэрации,
V2 =
S1V1 _ kR-V r12v1
kr2
R 2
здесь Я1 и Л2 - радиусы сопла до аэрации рабочей жидкости и после соответственно).
Подставляя численные значения величин, получим:
V2 =
(0,025)241,67 (0,016)2
= 101,73 м/с.
Из расчёта видно, что скорость истечения рабочей жидкости после аэрации увеличилась более чем в два раза.
Реализация такой скорости рабочей жидкости может привести к нарушению работоспособности машины. Поэтому, учитывая, что скорость рабочей жидкости, обеспечивающая требуемое качество омывания посуды, не должна превышать 42 м/с (в соответствии с паспортными данными машины [9]), определим давление Ро рабочей жидкости, развиваемое гидромотором машины, при котором скорость рабочей жидкости равна 42 м/с при мнимом диаметре сопла 3,2 мм.
Для определения давления Ро воспользуемся пропорцией линейной зависимости изучаемых параметров процесса мойки посуды:
- давление жидкости Р] при диаметре сопла Д1 = 5 мм составляет 5 -105 Па;
- давление жидкости Р2 при диаметре сопла Д2 = 3,2 мм - неизвестно.
При подстановке численных значений искомое давление Р2 определим из соотношения
Р Д2Р1 3,2-5-105 5 П
Р2 =—=-= 3,2-10 Па = 3,2 атм.
N,
эф.н
pQh
^ф.ан 0,64 pQh
= 1,56 .
Д1
5
То есть эффективная полезная мощность насоса с системой аэрации будет уменьшена в 1,56 раза и составит 2,12 кВт. Мощность нагревателей воды, объем которой с системой аэрации составит 0,64 Q, будет уменьшена на 36 % и составит 15,4 кВт. Суммарная мощность - 17,52 кВт
Таким образом, экономия энергии за счет применения системы аэрации
N^ -N^.a = 27,7 - 16,72 = 10, 98 кВт.
Оснащение посудомоечной машины воздушным поршневым компрессором [10], например, марки Remeza СБ4/ С - 100.OL30 [9] (мощностью 2,2 кВт, производительностью 330 л/мин, стоимостью 31747 руб.), обеспечит окупаемость затрат на приобретение компрессора (при стоимости киловатт-часа - 4,42 руб.) в течение 3,5 месяцев эксплуатации посудомоечной машины.
Таким образом, предложенная схема аэрации рабочей жидкости позволяет сократить расход воды, поступающей в рабочую камеру машины на 36 %, при этом давление воды на входе в водоразборную систему может быть понижено с 5 до 3,2 атм (на 36 %), что позволит переводить режим работы гидронасоса в более экономный и сократить соответствующее потребление воды и электроэнергии.
Так, например, в посудомоечной машине кассетного типа МПК - 1400 [7] для подачи воды используется насос мощностью 3,3 кВт, а мощность нагревателей воды - 24 кВт, что в сумме составляет 27,7 кВт.
Эффективную полезную мощность насоса определим по формуле
^эф = PQн,
где p - давление рабочей жидкости до аэрации, Па; Qн - расход рабочей жидкости до аэрации, л/с.
После применения системы аэрации давление рабочей жидкости может быть уменьшено на 36 %. Отношение эффективной полезной мощности насоса Ыэф н до аэрации к эффективной полезной мощности насоса после аэрации
^эф.ан составит:
Литература
1. Русляков Д.В., Тихонова О.Б. К вопросу эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Вестн. Иркутского гос. техн. ун-та. 2014. № 8 (91).
2. Тихонова О.Б. Разработка системы интерактивных средств обеспечения эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Шахты: ЮРГУЭС, 2012. 26 с.
3. Тихонова О.Б. Русляков Д.В., Петросов С.П. Особенности технической эксплуатации и сервиса посудомоечных машин // Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. № 4(30). С. 26 - 30.
4. Тихонова О.Б., Русляков Д.В. Интерактивные средства обеспечения эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Электронный журнал «Инженерный вестн. Дона». 2012. № 4 (2). С. 3.
5. Ларина Л.В., Смирнов В.В. Критерии оценки эффективности процессов интенсифицированной гигротермиче-ской обработки (ИГО) на этапах формирования требуемого качества изделия // Электронный журнал «Инженерный вестн. Дона». 2012. № 4 (2). С. 12.
6. Замалеев З.Х., Посохин В.Н., Чефанов В.М. Основы гидравлики и теплотехники. СПб.: Лань, 2014. 352 с.
7. Лебедев В.С. Основные процессы, машины и аппараты предприятий бытового обслуживания. М.: Легкая индустрия, 1976. 400 с.
8. Ларина Л.В., Першин В.А., Смирнов В.В. Один из методов математического описания гигротермической обработки заготовок верха обуви // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. 2009. № 1. С. 123 - 127.
9. www.volgograd.pulsen.ru/products/kompressor_remeza_ol30_ 5274522 (дата обращения: 10.02.2016).
10. Тихонова О.Б., Русляков Д.В. Интерактивные средства обеспечения эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Инженерный Вестник Дона [Электронный ресурс]: электрон. науч. инновац. журн 2012. № 4-2. Режим доступа: http://www.ivdon.ru. Загл. с экран. № гос. регистрации 042110096.
References
1. Ruslyakov D.V., Tikhonova O.B. K voprosu ekspluatatsionnoi effektivnosti bytovykh kholodil'nykh priborov [To a question of operational efficiency of household refrigerating appliances]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, no. 8 (91). [In Russ.]
2. Tikhonova O.B. Razrabotka sistemy interaktivnykh sredstv obespecheniya ekspluatatsionnoi effektivnosti bytovykh kholodil'nykh priborov. Diss. kand. tekhn. nauk [Development of the system of interactive means of ensuring of operational efficiency of household refrigerating appliances. Cand. tech. sci. diss.]. Shakhty, YuRGUES, 2012, 26 p.
3. Tikhonova O.B., Ruslyakov D.V., Petrosov S.P. Osobennosti tekhnicheskoi ekspluatatsii i servisa posudomoechnykh mashin [Features of technical operation and service of dishwashers]. Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa, 2014, no. 4(30), pp. 26-30. [In Russ.]
4. Tikhonova O.B., Ruslyakov D.V. Interaktivnye sredstva obespecheniya ekspluatatsionnoi effektivnosti bytovykh kholodil'nykh priborov [Interactive means of ensuring of operational efficiency of household refrigerating appliances]. Elektronnyi zhurnal «Inzhenernyi Vestnik Dona», 2012, no. 4 (2), pp. 3. [In Russ.]
5. Larina L.V., Smirnov V.V. Kriterii otsenki effektivnosti protsessov intensifitsirovannoi gigrotermicheskoi obrabotki (IGO) na etapakh formirovaniya trebuemogo kachestva izdeliya [Criteria for evaluation of efficiency of processes of the intensified gigro-termichesky processing (IGP) at stages of formation of the required quality of product]. Elektronnyi zhurnal «Inzhenernyi Vestnik Dona», 2012, no. 4 (2), pp. 12. [In Russ.]
6. Zamaleev Z.Kh., Posokhin V.N., Chefanov V.M. Osnovy gidravliki i teplotekhniki [Fundamentals of hydraulics and heating engineers]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2014, 352 p.
7. Lebedev V.S. Osnovnye protsessy, mashiny i apparaty predpriyatii bytovogo obsluzhivaniya [Main processes, cars and offices of public service establishments]. Moscow, Legkaya industriya, 1976, 400 p.
8. Larina L.V., Pershin V.A., Smirnov V.V. Odin iz metodov matematicheskogo opisaniya gigrotermicheskoy obrabotki zagotovok verkha obuvi [One of methods of the mathematical description of gigrotermichesky processing of preparations of top of footwear]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2009, no. 1, pp. 123-127. [In Russ.]
9. Available at: www.volgograd.pulsen.ru/products/kompressor_remeza_ ol30_5274522 (accessed 10.02.2016).
10. Tikhonova O.B., Ruslyakov D.V. Interaktivnye sredstva obespecheniya ekspluatatsionnoi effektivnosti bytovykh kholodil'nykh priborov [Interactive means of ensuring of operational efficiency of household refrigerating appliances]. Inzhenernyi Vestnik Dona [Elektronnyi resurs], 2012, no. 4-2. Available at: http://www.ivdon.ru
Поступила в редакцию 30 марта 2016 г.
