CC BY
75
188
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
трофизические параметры материалов, используемых в электронной промышленности. Кроме того, предполагается обеспечить вывод исходных данных и результатов расчета в текстовый процессор Microsoft Office Word, а также разработать программный модуль расчета наведенных помех в кабелях, связывающих электронные устройства.
Список литературы:
1. Автоматизированная система АСОНИКА для моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах с учетом внешних воздействий / Под ред. А.С. Шалумова. - М.: Радиотехника, 2013. - 424 с.
2. Куликов О.Е., Шалумов А.С. Разработка подсистемы АСОНИКА-ЭМС для численного моделирования проблем электромагнитной совместимости // Наукоемкие технологии. - 2011. - № 11. - С.79-95.
3. Shalumov A.S., Kulikov O.E. Analysis and maintenance methodology efficiency of shielding of designs of electronic equipment on the basis of numerical modelling of electromagnetic processes // European journal of natural history. -2013. - № 5. - P. 23-24.
ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЫТОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
© Лемешко М.А.*
Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал)
Донского государственного технического университета, г. Шахты
Статья посвящена обобщению исследований и конструкторских изысканий по совершенствованию бытовых холодильников. В частности, вопросу повышения их энергетической эффективности путем применения новых технологий.
Ключевые слова бытовой холодильный прибор, охлаждение конденсатора, испарительное охлаждение, снижение теплопритоков, снижение суточного энергопотребления.
Развитие техники и технологий различных процессов на основе результатов научных исследований, позволили увеличить энергетическую эффективность эксплуатации машин, приборов, оборудования, и, в том числе, бытовых холодильных приборов. Энергетическая эффективность характеризуется, наряду с другими показателями, суточным или годовым энергопотреб-
* Доцент кафедры «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения», кандидат технических наук.
Технические науки
189
лением, которые для большинства производителей являются паспортным показателем качества продукции. Этот показатель характеризует также класс энергопотребления бытовых холодильников.
Согласно директивам Комиссии Евросоюза по энергетике и транспорту ЕС(92/75/СЕЕ,94/2/СЕ, 95/12/СЕ, 2003/66/СЕ) у всех холодильников как и у большинства бытовых товаров должна быть этикетка энергоэффективности ЕС, показывающая основные потребительские свойства товара. Как известно эффективность в использовании приборами энергии обозначается классами -символами от «А», дл «0».Аналогичные требования сформулированы в известном европейском стандарте [1].
Таким образом, для повышения класса энергетической эффективности выпускаемой продукции необходимы исследования по снижению суточного энергопотребления той или иной модели бытового холодильника, используя новые и модернизируя известные технологии. Очевидна актуальность изучения и анализа новых технологий, повышающих энергетическую эффективность бытовых холодильников.
Известно [2], что энергопотребление бытового холодильного прибора зависит от эффективности работы его подсистем, к которым относятся компрессор, конденсатор, испаритель, фильтр-осушитель, вентиляторы испарителей, вентиляторы конденсатора и другие элементы и подсистемы, используемые в бытовых холодильниках.
Нами исследуются вопросы снижения энергопотребления бытовых холодильников за счет оптимизации работы конденсатора холодильного агрегата и рационального управления его работой. При этом главной задачей исследования является интенсификация теплоотвода от поверхности конденсатора при минимальных затратах энергии на эту интенсификацию.
В бытовых компрессионных холодильниках тепло от конденсатора передается окружающему воздуху путем естественного теплообмена, либо путем обдува его поверхности вентилятором [3].
Очевидно, что на работу вентилятора затрачивается электроэнергия.
Снижение потребляемой энергии компрессором, обусловленное понижением температуры конденсации, вследствие использования обдува поверхности конденсатора вентилятором, конкурирует с затратами электроэнергии на работу вентилятора. Сказанное иллюстрируется на графике, приведенном на рис. 1.
Таким образом, очевидна эффективность новой технологии использования вентилятора для охлаждения поверхности конденсатора с целью снижения температуры конденсации в конденсаторе. Включение вентилятора рационально после превышения температуры окружающего воздуха выше определенного значения (участок +), тогда общее потребление энергии (компрессор плюс вентилятор) будет меньше чем при работе холодильника без вентилятора.
190
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Е*ком - мощность компрессора при работе вентилятора,
Егом - мощность компрессора без работы вентилятора,
Ет - мощность вентилятора
Рис. 1. Зависимость потребляемой мощности холодильника от температуры окружающего воздуха.
Охлаждение конденсатора может быть выполнено вентилятором, который использует термоэлектрическую ЭДС [4]. Используя термоэлектрический преобразователь можно обеспечить питание маломощного вентилятора и обдув поверхности конденсатора без дополнительного потребления энергии на вентилятор.
В технике получения холода известно применение, так называемого испарительного охлаждения. Например, известны разработки [5] в которых поверхность конденсатора увлажняется, а затем обдувается вентилятором. Интенсивный поток воздуха, пропускаемый вдоль увлажненной поверхности конденсатора, приводит к интенсивному испарению воды с его поверхности и его охлаждению. Нами проводятся исследования возможности использования испарительного охлаждения конденсатора в бытовых холодильниках.
Согласно разработкам [6, 7, 19] охлаждение конденсатора (или конденсатора и компрессора) может быть осуществлено путем увлажнения его поверхности водой из мелкодисперсионных форсунок с приводом. Привод форсунок используется кратковременно и незначительно сказывается на суммарной потребляемой мощности холодильника, в тоже время испарительное охлаждение позволяет снизить температуру конденсации и уменьшить энергопотребление холодильного агрегата на 15-25 % (в зависимости от температуры окружающего воздуха [8].
Технические науки
191
Схема увлажнения поверхности конденсатора с использованием эжек-ции приведена на рис. 2.
1 - увлажняемая поверхность, 2 - конденсатор,
3 - поток воздушно-водяной смеси, 4 - вентилятор, 5 - поддон, 7 - узел эжекции.
Рис. 2. Схема увлажнения поверхности конденсатора
Нами также предложен способ использования талой воды для реализации испарительного охлаждения [9]. В этом способе талая вода после процедуры разморозки самотеком стекает по желобку в котором закреплен змеевик конденсатора.
Охлаждение поверхности конденсатора компрессионного холодильника, включающий использование талой воды и увлажнением этой водой поверхности конденсатора, выполняется так, что из сборника талой воды в холодильном шкафе или из другого источника воды в холодильнике вода направляется в желобок. Остатки талой воды направляются в емкость на компрессоре.
На энергопотребление бытового холодильника большое влияние также оказывает совершенство теплоизоляции холодильного шкафа, а также вопросы снижения теплопритоков при открывании дверей камер бытового холодильника. Рассмотрим новую технологию снижения теплопритоков в камеры холодильника.
Известно [2], что теплопритоки в каждую из камер холодильника определяют по формуле, Вт:
XQ _ Q1 + Q2 + Q3 + Q4> (1)
где Q1 - расход холода на теплопередачу через ограждения камер, Вт;
Q2 - расход холода на охлаждение (замораживание) продуктов, Вт;
Q3 - расход холода на охлаждение воздуха в камерах, Вт;
Q4 - расход холода на различные эксплуатационные нужды, Вт.
192
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Снижение первой группы теплопритоков возможно путем увеличения толщины стенок шкафа холодильника или использованием новых теплоизоляционных материалов, в основном синтетических материалов (пенополиуретана, полистерола, минеральной ваты и др.). Авторами предложена новая технология изготовления стенок холодильного шкафа, существенно снижающая теплопритоки через эти стенки [10]. Эта технология заключается в том, что внутренний и внешний корпуса холодильного шкафа соединены герметично, а теплоизолирующий наполнитель выполнен из материала с низкой теплопроводностью в форме пластин с полыми ячейками, которые приклеиваются к поверхностям корпуса холодильного шкафа и дверей. Между ячейками выполнены каналы - воздуховоды, а полость между корпусами - вакуумирована. Фрагмент теплоизоляции такого холодильного шкафа приведен на рис. 1.
Использование такой технологии позволяет снизить удельное потребление энергии холодильника и увеличить ресурс работы системы охлаждения.
Рассмотрим теплопритоки, которые связаны с тепломассобменными процессами при открывании дверей холодильника.
Охлажденный воздух, из камеры холодильника, имеющий большую плотность чем воздух окружающей среды, при открывании дверей, выходи наружу и движется в виде потока вниз холодильного шкафа
При этом установлено, что на теплопритоки в камеры холодильника влияют: как скорость открывания дверей, угол нахождения двери в открытом положении, температура в помещении и температура в камере, форма и геометрия камер, тип и конструкция дверей и других деталей холодильника.
Однако интенсивность истечения охлажденного воздуха при открывании дверей и замещение его теплым воздухом окружающей среды, в существенной степени зависит от температуры окружающей среды. Этот вопрос нами изучен более подробно. Используя методы газодинамики, удалось разработать математическую модель движения охлажденного воздуха из камер холодильника [11]. В основу положены следующие зависимости:
Технические науки
193
1. Уравнения Навье-Стокса динамики вязкого газа, отнесенные к единице массы:
Р~^Г = рР ~ grad (^р + — р ■ divv'j+Div^pS),
р dV = pF - grad | p + p p-divV J + 2Div (pX ),
(2)
где V — вектор скорости потока в каждой точке пространства; р - плотность газового потока; р - давление, действующее на газ в каждой точке;
F = [Fx; Fy; F^ — вектор внешних объемных сил, действующих на газ в каждой точке пространства;
ju - коэффициент динамической вязкости;
S — тензор скоростей деформаций;
,, Ti Эи dv dw
aivv =-----1---1----дивергенция вектора скорости;
Эх Эх Эг
u,v,w — проекции вектора скорости V на координатные оси OX,OX OZ.
2. Уравнение неразрывности потока в векторной форме имеет вид: др д(ри) d(pv) djpw) _ dt дх ду dz
(3)
Решение этих уравнений с применением рада допущений позволило получить базовую систему для нахождения скоростей потока при его свободном истечении из холодильной камеры в стационарном режиме [12]:
(
\дх dz / р '
aw \ Life п
—u+—w =mg-—w* дх dz i p
(4)
Для снижения теплопритоков, обусловленных открыванием дверей камер холодильника авторами разработаны технологии и конструкторские решения, минимизирующие эти теплопритоки.
Первое направление достижения цели - уменьшение времени нахождения двери холодильника в открытом состоянии. Для этого предложено две новые технологии. Первая - предложено полки внутри шкафа холодильника изготавливать круглой формы, с возможностью их вращения вокруг центральной оси, что обеспечит более быструю укладку и извлечение продуктов [13]. Вторая - корпус холодильника снабжен прозрачной шторкой, которая закрыта при открывании основной двери шкафа, но обеспечивает обзор содержимого полок и нахождения нужного продукта, что также уменьшает время нахождения двери камеры холодильника в открытом состоянии [14].
194
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Уменьшение объема замещения охлажденного воздуха достигается также применением емкости для её наполнения холодным воздухом [15].
В таком холодильнике на задней стенке холодильного шкафа установлена эластичная емкость для кратковременного хранения холодного воздуха. К емкости подведены всасывающий и нагнетательный клапаны, которые выведены в камеру холодильника.
Для ускорения поиска нужного товара и тем самым для уменьшения времени нахождения двери в открытом состоянии, разработан морозильный ларь, с карусельным механизмом перемещения корзин с продуктами [16]. Шкаф морозильного ларя снабжен кольцевыми направляющими, которые размещены на боковых, больших по длине сторонах внутри холодильного шкафа. Для холодильников большого объема при их частичном заполнении продуктами целесообразно применять технологию изменения объема камер [17].
В некоторых бытовых холодильниках вместе с основной дверью холодильной камеры используются дополнительные двери для каждой полки камеры или вместо дверей применяются выдвижные ящики. Для уменьшения выхода охлажденного воздуха предложена технология перекрывать соседние полки специальными заслонками [18]. Полки имеют щелевидные прорези. При закрытых дверях обеспечивается теплообмен между полками, при открывании двери или выдвижении ящика соседние полки заслонками, препятствующими движению воздуха.
Выводы
Предложенные технологии предназначены для снижения энергозатрат при получении холода. Учитывая массовость использования холодильной техники, реализация новых технологий может принести значительный экономический эффект и пользу государству.
Список литературы:
1. ISO 50001:2011 «Energy management systems - Requirements with guidance for use».
2. Вейнберг Б.С. Бытовые компрессионные холодильники / Б.С. Вейн-берг, Л.Н. Вайн. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 272 с.
3. Снижение энергопотребления бытового холодильного прибора путем интенсификации охлаждения конденсатора / А.В. Кожемяченко, М.А. Ле-мешко, В.В. Рукасевич, В.В. Шерстюков // Инженерный вестник Дона. -2013. - Т. 24, № 1. - С. 60.
4. Патент на изобретение RU № 2468307. МПК F25B 1/00 Опуб.
27.11.2012, бюл. № 33. Устройство охлаждения конденсатора компрессионного холодильника / М.А. Лемешко, Д.В. Русляков, В.А. Пахнюк, Д.В. Соколов.
5. Испарительные конденсаторы Baltimore Aircoil. ЗАО «ИРИМЭКС» Рекламная информация [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.iri-
Технические науки
195
mex.ru/services/catalog/conditioners/isparitelniye_kondensatoriy_baltimore_aircoil (дата обращения: 10.04.2014).
6. Патент на изобретение RU № 2458291 МПК F25B 1/00 Опуб.
10.08.2012, бюл. № 22 Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника / М.А. Лемешко, С.П. Петросов, А.В. Кожемяченко, С.Н. Алехин и др.
7. Патент на изобретение RU № 2455586 МПК F25B49/02 Опуб.
10.07.2012, бюл. № 19. Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника (варианты) / М.А. Лемешко, Д.В. Русляков, Ф.В. Корниенко,
B. А. Пахнюк и др.
8. Лемешко М.А. Увеличение интенсивности теплообменных процессов конденсатора компрессионного холодильника // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014. - № 12. - С. 65-69.
9. Патент на изобретение RU №2521424 МПК F25D49/02 Опуб. 27.06.2014, бюл. № 18. Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника / М.А. Лемешко, А.В. Кожемяченко, В.В. Рукасевич, В.В. Шер-стюков, М.И. Романова, И.Г. Дейнека.
10. Патент на изобретение RU № 2451884. МПК F25D 11/02 Опуб.
27.05.2012, бюл. № 15. Шкаф бытового холодильника / М.А. Лемешко,
C. П. Петросов, А.В. Кожемяченко, Т.Г. Дейнека, С.Ю. Сапронова, В.И. Ла-летин, Ф.В. Корниенко и др.
11. Лемешко М.А., Мицик М.Ф. Математическая модель свободного истечения охлажденного воздуха из камеры бытового холодильного прибора // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказкий регион. Серия: Технические науки. - 2013. - № 4 (173). - С. 16-18.
12. Лемешко М.А., Лалетин В.И., Мицик М.Ф. Определение скоростей движения охлажденного воздуха при открывании дверей шкафа бытового холодильного прибора [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. -2011. - Т 18. - № 4. - С. 390-397. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ma-gazine/archive/n4y2011/604 (доступ свободный).
13. Патент на изобретение RU 2418248 МПК F25D 25/02 опуб. 10.05.2011, бюл. № 13 Бытовой холодильник (варианты) / М.А. Лемешко, С.П. Петросов, А.П. Климов, В.И. Лалетин, Ф.В. Корниенко, А.Ю. Капля.
14. Патент на изобретение RU 2402727 МПК F25D 23/02. Опуб.
27.10.2010, бюл. № 30. Холодильник бытовой / В.И. Лалетин, М.А. Лемеш-ко, С.Н. Алехин.
15. Патент на изобретение RU 2416060, МПК F25D 11/00. Опуб.
10.04.2011, бюл. № 10. Бытовой холодильник / В.И. Лалетин, М.А. Лемешко, С.Н. Алехин, А.П. Климов.
16 Патент на изобретение RU 240 27 21 МПК F25D 3/00. Опуб. 27.10.2010, бюл. № 30. Морозильный ларь / М.А. Лемешко, А.П. Климов.
196
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
17. Патент на изобретение RU № 2234036 С1. МПК 7 F25D11/00. Опуб 10.08.2004. Холодильник бытовой / М.А. Лемешко, А.В. Кожемячен-ко, С.Н. Алехин, А.А. Загоскин, А.М. Лемешко.
18. Патент на изобретение RU 2152569 МПК 7 F 25 D11/00. 04.08.1998. Публ. заявки 27.04.2000. Холодильник бытовой электрический (варианты) / М.А. Лемешко, А.В. Кожемяченко, И.В. Кривенко, А.Ю. Жебровский, Д.Г. По-неделков, В.В. Чистяков
19. Патент на изобретение RU № 2511804, 10.04.2014. Способ охлаждения герметичного компрессорно-конденсаторного агрегата компрессионного холодильного прибора / М.А. Лемешко, С.П. Петросов, Ф.В. Корниенко, В.А. Аристархов, Ю.П. Кривоносов, Е.А. Рабичев.
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДНЕГО ТЕПЛООБМЕНА ОТДЕЛЬНОСТОЯЩИХ КВАДРАТНЫХ ПРИЗМ1
© Мокшин Д.И.* *, Коробков С.В.*
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Томск
Приведены результаты цикла экспериментальных исследований средних коэффициентов теплоотдачи различных моделей зданий на специальном аэродинамическом стенде, включающем в себя дозвуковую аэродинамическую трубу, исследуемые тепловые модели, устройства для задания тепловых граничных условий, измерительные термодатчики и аппаратуру для регистрации их показаний. В статье представлены графики изменения среднего коэффициентов теплоотдачи моделей зданий и сооружений при разных числах Рейнольдса Re и при двух крайних углах атаки воздушного потока ф = 0 и 45 градусов.
Ключевые слова средняя теплоотдача, число Рейнольдса, угол атаки воздушного потока, внешний теплообмен, физическое моделирование.
На кафедре «Технология строительного производства» проводятся исследования структуры течения воздушного потока[1-4], расчета динамических величин [5-13], а также расчеты локального и среднего коэффициентов теплоотдачи [14-24] для уточнения технологии проектирования с целью повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий.
1 Данные исследования проводятся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в 2013-2015 гг. (проект №13-08-00505-а).
* Аспирант, ассистент.
* Доцент, кандидат технических наук.
