ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ КАМЕРЫ НА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Определение характера изменения эксергетических показателей холодильной камеры в зависимости от температурного поля в ней было проведено на основе эксергетического анализа системы. Тепловой и эксергетический расчёты данной установки показали энергетическую эффективность работы каждого элемента в отдельности, а также установки в целом, позволили выявить причины снижения эффективной работы. Определено влияние температурного поля камеры на холодопроизводительность, а также факторы, влияющие на это поле. Ключевые слова: эксергетическое исследование, термодинамический анализ, энергетическая эффективность, температурное поле.

Ключевые слова:
эксергетическое исследование, термодинамический анализ, энергетическая эффективность, температурное поле
Текст
Введение Целью исследований являлось определение характера изменения эксергетических характеристик охлаждаемой камеры от температурного поля в её объёме. Учебная установка и камера, на которых проводились исследования, находятся во втором корпусе, в аудитории 107 Астраханского государственного технического университета. В учебном процессе проводились испытания, связанные с изучением принципа работы холодильной установки и её особенностей. Регулирующие и контролирующие приборы позволяют менять режим работы и измерять необходимые параметры. Описание исследуемой установки Исследуемая установка (рис. 1) состоит из компрессора 1, конденсатора 2, рекуперативного теплообменника 3, регулирующего вентиля 5 и испарителя 8. Компрессор 1 сжимает и перекачивает пары холодильного агента R22. Далее пар холодильного агента поступает в горизонтальный кожухотрубный водяной конденсатор 2 с конденсацией хладагента в межтрубном пространстве. Затем сконденсировавшийся холодильный агент из конденсатора поступает в рекуперативный теплообменник 3. В теплообменнике происходит охлаждение холодильного агента, после которого, через фильтр-осушитель 4, хладагент подается в регулирующую станцию. После регулирующего вентиля 5 холодильный агент поступает в воздушный испаритель с вынужденной циркуляцией воздуха, подвешенный на потолке (на высоте 1,5 м над полом). Выкипевший R22 движется через рекуперативный теплообменник и, подогревшись, поступает на всасывание в компрессор. С помощью установленных термопар и измерительного восьмиканального прибора ОВЕН УКТ38 были произведены необходимые замеры, характеризующие работу установки и камеры. При помощи манометров было установлено давление всасывания и нагнетания. Мощность привода компрессора измерялась ваттметром. Рис. 1. Схема исследуемой установки: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – фильтр; 5 – регулирующий вентиль; 6 – стекло для наблюдения; 7 – электродвигатель на вентилятор испарителя; 8 – испаритель (воздухоохладитель); 9 – гильза с термометром; 10 – счетчик расхода воды Для измерения расхода воды, поступающей в конденсатор, на входном патрубке установлен счетчик расхода воды 10, с помощью которого определяется расход воды за определенный промежуток времени. Температуру воздуха в камере определяли в трёх местах: у пола, на входе в воздухоохладитель, на выходе из воздухоохладителя. Для определения среднего значения замеры каждого параметра проводились трижды. Размер холодильной камеры: длина – 2 м, ширина – 2 м, высота – 2 м. Стены изолированы, но пол и потолок изоляции не имеют. Методика проведения эксергетического анализа заключается в следующем [1, с. 3]: 1. Тепловой расчет. 2. Эксергетический расчет. 3. Расчет эксергетического КПД. 4. Анализ результатов численного эксперимента. Исходные данные для проведения эксергетического анализа приведены в табл. 1. Таблица 1 Расчетные параметры системы Параметр t, °С 1 испытание 2 испытание 3 испытание Температура паров холодильного агента при входе в компрессор t1 19,2 20 20,3 Температура паров холодильного агента при выходе из компрессора t2 126,6 120,1 116,3 Температура паров холодильного агента при входе в теплообменник t1´´ 7,85 9,3 10,5 Температура паров холодильного агента при выходе из конденсатора t5 30 35,7 33,5 Температура жидкого холодильного агента перед регулирующим вентилем t6 23,05 29,9 28,9 Температура воды при входе в конденсатор tw вх 12,35 12,8 12,3 Температура воды при выходе из конденсатора tw вых 29,7 35,3 32,9 Средняя температура в камере tкам –10,23 –7,52 –3,03 Расход воды в конденсаторе Gw, кг/с 0,044 0,03 0,04 Температура наружного воздуха t нар, °С 17 17 17 Мощность привода компрессора N, кВт 2,215 2,4 2,4 С целью проведения анализа для различных условий эксплуатации разработана программа на языке Basic, с модулями на С#. Блок-схема программы представлена на рис. 2. С использованием разработанной программы был проведен эксергетический расчет. Результаты программного расчета представлены на интерфейсе. Пример интерфейса одного из испытаний приведён на рис. 3. Рис. 2. Блок-схема и алгоритм программы эксергетического анализа Рис. 3. Интерфейс программы эксергетического анализа на 2-е испытание Для анализа характера зависимости эксергетического КПД от температурного поля в камере за параметр была принята средняя температура воздуха в местах замера по всем режимам. Результаты расчета приведены в табл. 2. Таблица 2 Расчётная температура в камере Средняя температура в определенном месте камеры по результатам 3-х испытаний К Eqo, кДж/кг Т1кам. ср 267,03 14,29 Т2кам. ср 263,08 25,07 Т3кам. ср 267,22 13,79 Тср. кам. 1–3 265,78 17,68 Результаты численного эксперимента представлены в виде графической и эмпирической зависимостей на рис. 4. Рис. 4. График зависимости эксергетической холодопроизводительности от температуры внутри камеры Анализ результатов исследования позволил сделать вывод о том, что в системе перепад между значениями температуры воздуха (температурный напор) в камере и кипения холодильного агента значительно больший, чем оптимальный, что приводит к увеличению расхода мощности. Результаты расчёта приведены в табл. 3. Таблица 3 Температурный напор в камере и расход мощности Температурный напор t, К N, кВт Δϴ1 18,77 2,4 Δϴ2 18,47 2,22 Δϴ1 21,64 2,4 Результаты численного эксперимента приведены в виде графической и эмпирической зависимостей на рис. 5. Рис. 5. График зависимости потребляемой мощности от температурного напора в камере Анализ зависимостей на рис. 4 показал, что с увеличением средней местной температуры воздуха в камере величина эксергетического КПД уменьшается. Это объясняется тем, что при постоянной температуре окружающей среды увеличение температуры охлаждаемого воздуха снижает работоспособность потока (согласно определению понятия эксергии) [2]. Относительное изменение КПД по объёму составляет 268 %, что свидетельствует о недопустимо большой неравномерности температурного поля [3]. Анализ зависимости на рис. 5 показывает, что повышение затраченной мощности с увеличением температурного напора в камере является значительным. Так, при температурном напоре в 22 К, в сравнении с оптимальным значением 10 К, затраченная мощность больше на 16,7 %. Выводы 1. В результате исследования выявлено влияние неравномерности температурного поля в охлаждаемой камере на величину эксергетических показателей её работы. В качестве влияющих факторов можно отметить неудовлетворительное состояние изоляционного контура (в данном случае – отсутствие изоляции пола и потолка); частое открывание дверей (особенно заметно для камер малого объёма). 2. Результаты испытания в виде полученных зависимостей можно рекомендовать для проведения анализа работы сходных промышленных холодильных установок.
Список литературы

1. Галимова Л. В. Термодинамическая эффективность холодильной системы на примере пластинчатого льдогенератора / Л. В. Галимова, Т. К. Гуиди // Материалы IV Междунар. конф. «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, ноябрь 2009 г. СПб., 2009.

2. Бродянский В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 c.

3. Курылев Е. С. Холодильные установки / Е. С. Курылев, Н. А. Герасимов. М.: Энергия, 1970. 158 с.