Разработка и исследование холодильной машины с аккумулятором холода

Четвертая глава посвящена разработке конструкции холодильной машины с аккумулятором холода на базе тепловых труб для условий меняющейся тепловой нагрузки, и регулирования температуры конденсации хладагента.

На рис. 12 показана принципиальная схема системы холодильной установки с аккумулятором холода из тепловых труб.

Холодильная установка с аккумулятором холода из тепловых труб содержит в замкнутом контуре циркуляции хладагента компрессор 1, маслоотделитель 2, конденсатор 3, линейный ресивер 4, дроссель-вентиль 5 и испаритель 6. Аккумулятор холода выполнен в виде теплообменника, в качестве которого использован набор тепловых труб 7, размещенных в баке 8, заполненном водой 9, выполняющей функцию хладоносителя.

Верхние части 10 тепловых труб 7 размещены в испарителе 6, нижние части 11 тепловых труб 7 установлены в баке 8. Насос 12 связан с баком 8 и потребителем холода 13 замкнутым циркуляционным контуром воды. Внутри бака 8 аккумулятора к каждой из тепловых труб 7 дополнительно закреплена теплообменная поверхность, которая выполнена в виде вертикальных однотипных цилиндрических полых секций 14, соединенных с коллекторами - подающими 15 и отводящими 16, подключенными к контуру циркуляции хладагента соответственно трубопроводами - паровым 17 и жидкостным 18. В баке 8 панели 14 и коллекторы 15 и 16 установлены на раме 19 в виде единого блока.

Рис. 12 - Холодильная установка с аккумулятором холода с тепловыми трубами.
В контуре циркуляции хладагента холодильной установки размещены соленоидные вентили (СВ), соответственно: перед конденсатором - СВ20; после конденсатора - СВ21; на трубопроводе 17 - СВ22; на трубопроводе 18 - СВ23, регулирующие расход рабочих сред.

Наличие в составе холодильной установки аккумулятора холода из тепловых труб и его эксплуатация, при переменных по времени суток тарифах оплаты за электроэнергию и резко переменном графике тепловой нагрузки на холодильную установку, а также при значительном изменении параметров окружающей среды в течение суток, позволяет повысить эффективность работы холодильной установки, аккумулируя холод в период действия низкой тарифной стоимости и используя этот холод в период действия высокой тарифной стоимости для снижения температуры конденсации, что в свою очередь снижает суммарные энергозатраты и эксплуатационные расходы на холодильной установке.

В результате технико-экономического анализа выбран оптимальный режим работы вертикально-трубного аккумулятора холода, характеризуемый среднелогарифмической разностью температур _m, скоростью  охлаждающей среды и массой намораживаемого льда. При расчете вариантов с различными значениями _m,  и δ_л определяется та часть приведенных годовых затрат, которая зависит от режима работы аппарата. Оптимальному режиму соответствует вариант с минимумом приведенных годовых затрат. Существование минимума обусловлено характером влияния на экономичность работы испарителя параметров _m и  и величины δ_л. С увеличением _m сокращается площадь теплопередающей поверхности испарителя F и его стоимость, но возрастает температура t₀ в испарителе. Изменение температуры t₀ приводит к возрастанию необратимых термодинамических потерь из-за конечной разности температур между испаряющимся хладагентом и охлаждаемой средой. Следствием этого является увеличение удельной мощности компрессора N_e/Q₀ в холодильной машине. Характер изменения приведенных затрат от параметров (рис. 13,14,15) показывали что оптимальные значения параметров, определяемые минимумом П_уд, лежат в интервале:

- для скорости воды (рис. 13) _вд = 0,25 ÷ 0,32 м/с;

- для разности температур (рис. 14) _m =3,5 ÷ 4 град;

- для толщина намораживаемого льда (рис. 15) δ_л – 8мм;

W_ВД = 0,25
W_ВД =0,27





W_ВД =0,29



б_л.мм
Рис. 15 - Определение оптимального значения толщины намораживаемого льда.

Анализ зависимостей П_уд от δ_л для различных значений скорости движения воды в аккумуляторе показывает, что приведенные затраты на намораживание льда в зависимости от скорости воды _вд и толщины намораживания льда δ_л, имеют слабо выраженный минимум в диапазоне значений δ_л от 7 до 9 мм, что дает основание рекомендовать рабочую толщину намораживания льда 8 мм.
Основные результаты работы

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали:

1. На основании анализа теплообмена в испарителе разработана математическая модель аккумулятора холода, в которой учтены особенности его конструктивного исполнения. Проведенные экспериментальные исследования на фреонах R22 и R134а по определению коэффициентов теплоотдачи от холодильного агента к стенке тепловой трубки, подтверждают адекватность разработанной математической модели и физической картины процесса теплообмена.

2. Получены данные по величине значений коэффициентов теплоотдачи при аккумуляции холода, составляющие от 55 до 520 Вт/м²К при тепловых потоках от 1000 до 4000 Вт/м², которые апроксимируются уравнениями:

- для фреона R22 при Т_о= 263К; α= 3,529q_F^0,7471; при Т_о= 258К; α =0,2008q_F^1,0262

- для фреона R134a при Т_о= 263К; α= 28,99q_F^0,3683;при Т_о= 258К; α= 0,0018q_F^1,5115.

3. Для разработанной математической модели выбран численный метод решения дифференциальных уравнений, проверена сходимость и точность предлагаемого метода расчета. Расхождение не превышает 5%.

4. На основе разработанной программы для ЭВМ выполнены численные исследования рабочих характеристик аккумулятора холода и получены их уравнения:

- для производительности аккумулятора по намораживанию льда

m_ak = 412,22 б_л ^-,02005 для фреон R22; m_ak = 355,29 б_л ^-0,1234 для фреон R134a;

- для числа циклов намораживания и оттаивания льда

n_цикл = 105,55 б_л ^-1,601 для фреон R22; n_цикл = 90,971б_л ^-1,5239 для фреон R134a.;

- для времени намораживания и оттаивания льда

τ_зам =227,58б_л ^1,6963 для фреон R22; τ_зам = 262,6б_л ^1,6211 для фреон R134a.

τ_от = 1990,8t_гр ^-1 для фреон R22; τ_от =2596,9t_гр ^-1 для фреон R134a.

5. Установлено, что максимальная производительность аккумулятора имеет место при намораживании льда толщиной около 8 мм.

6. Количество льда, намороженное в процессе аккумуляции, достаточно для снижения температуры конденсации в период дневной пиковой нагрузки на холодильную установку на 3 - 4 град, что позволяет снизить общее энергопотребление установки на 8-10%.

7. В соответствии с особенностями климатических условий Республики Ливан разработана холодильная машина с аккумулятором холода на базе тепловых труб. Новое техническое решение схемы холодильной машины защищено патентом РФ на изобретение.
Список опубликованных работ по теме диссертации

1. 
   Хамие Х.Н., Шляховецкий В.М. К проблеме проектирования систем хладоснабжения с аккумуляцией холода в условиях Ливана / Тезисы докладов международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии – третьему тысячелетию» - Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2000г.– 492 с.
   
2. 
   Хамие Х.Н., Шляховецкий В.М. Особенности проектирования систем холодоснабжения при нестационарных теплопритоках и переменной величине стоимости электроэнергии / Материалы второй региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» - Краснодар: Изд-во КГАУ, 2001г. – 280 с.
   
3. 
   Хамие Х.Н., Шляховецкий В.М. Обоснование условий применения аккумуляторов холода при многоставочных тарифах, нестационарных теплопритоках и энергоснабжении в республике Ливан / Материалы международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» - Санкт-Петербург: Изд-во С-П ГУН и ПТ, 2001г. – 482 с.
   
4. 
   Хамие Х.Н., Шляховецкий В.М. Экономические аспекты применения аккумуляции холода на холодильниках при хранении сельхозпродукции в условиях Ливана / Материалы 3-ей научно-практической конференции «Пищевая промышленность на рубеже веков: состояние, проблемы и перспективы» - Алма-Аты: Изд-во АТУ, 2001г. – 392 с.
   
5. 
   Хамие Х.Н., Шляховецский В.М. Повышение эффективности показателей холодильной установки путем стабилизации технико-экономических характеристик в условиях республики Ливан / Тезисы докладов третьей региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука – ХХI веку» - Майкоп: Изд-во МГТИ, 2002 г. – 254 с.
   
6. 
   Хамие Х.Н., Шляховецский В.М. Экспериментальный стенд для проведения макетных исследований вертикальных теплообменных аппаратов / Сборник докладов Юбилейной международной научно-практической конференции « Пищевые продукты XXI века» - М.: Изд-во МГУПП, 2001г. -61с.
   
7. 
   Хамие Х.Н., Шаззо Р.И., Расчет холодильной машины с аккумулятором холода / Хранение и переработка сельхозсырья - М., №3, 2006г. - 64с.
   
8. 
   Hamie H.N., Shlachovetsky V.M. Les possibilities de la reduction des depenses d′energie sur une installation frigorifique par l′utilisation d′un accumulateur du froid pour la baisse de la temperature de condensation / Lebanon-Beirut, AL MOUHANDESS, Revue trimestrielle publiee par l′ordre des ingenieurs et des architectes de beyrouth, № 16, printemps 2003. – 104c.
   
9. 
   Hamie H.N., Shlachovetsky V.M. Recherches sur la transmission de chaleur dans la maquette du refroidisseur effectif-accumulateur du froid / Lebanon-Beirut, AL MOUHANDESS, Revue trimestrielle publiee par l′ordre des ingenieurs et des architectes de beyrouth, № 20, hiver 2005 – 112c.
   
10. 
    Пат. 2190813. С1 7 F 25 B 7/00, F 28 D 15/02 Холодильная установка с аккумулятором холода из тепловых труб / Шляховецский В.М., Хамие Х.Н. (РФ) - № 2001105728; Заявл.28.02.2001, Опубл. 10.10.2002., Бюл.№ 28.