ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
імені адмірала Макарова
Радченко Андрій Миколайович
УДК 621.565.93/94:629.5(05)
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СУМІСНОЇ РОБОТИ ПОВІТРООХОЛОДЖУВАЧІВ І КОМПРЕСОРІВ СУДНОВИХ СИСТЕМ МІКРОКЛІМАТУ
Спеціальність 05.08.05
Суднові енергетичні установки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Миколаїв 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник – д-р техн. наук, професор Ставинський Андрій Андрійович,
Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,
завідувач кафедри суднових електроенергетичних систем
Офіційні опоненти:
д-р техн. наук, професор Голіков Володимир Антонович, Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України,
професор кафедри теорії автоматичного управління та обчислювальної техніки;
канд. техн. наук, ст. наук. співробітник Дорош Вадим Семенович, АТВТ "Завод "Екватор" Міністерства промислової політики України
(м. Миколаїв), ст. наук. співробітник
Провідна установа – Одеський Національний морський університет Міністерства освіти і науки України
Захист відбудеться " 17 " жовтня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.01 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова
за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9
Автореферат розісланий "16" вересня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої ради
д-р техн. наук, професор С.С. Рижков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність дослідження. Суднова система мікроклімату (ССМ) відноситься до енергетичних систем життєзабезпечення, призначених для створення умов комфортного перебування екіпажа і пасажирів, а також безпечної експлуатації суднової енергетичної установки (СЕУ) і судна в цілому. Витрати палива на ССМ становлять 1...2 % загальносуднових на суховантажних суднах і понад 30 % – на пасажирських. У ССМ широке застосування одержали повітроохолоджувачі безпосереднього випаровування (випарники-повітроохолоджувачі) і поршневі компресори.
Сумісна робота випарника-повітроохолоджувача (В-ПО) і компресора багато в чому визначає енергетичні показники і надійність експлуатації холодильної машини (ХМ) і ССМ у цілому. Умови ж ефективної експлуатації кожного з цих зв'язаних по холодоагенту елементів випарниково-компресорного вузла висувають протилежні вимоги до параметрів холодоагенту. Так, з погляду теплової ефективності В-ПО доцільна його робота без перегріву пари, коли внутрішня поверхня змійовиків омивається рідким холодоагентом. У той же час для забезпечення безпечної й енергетично ефективної експлуатації компресора сухим ходом необхідно запобігати попаданню в його циліндри краплинної вологи. Відомі схемно-конструктивні рішення випарниково-компресорних вузлів не завжди забезпечують виконання цих протилежних вимог.
Оптимальне проектування випарників вивчалося в роботах А.А. Гоголіна, Ю.В. Захарова, А. Паліводи, Е. Гранріда, Б. Сліпцевича, Дж.М. Чавли й ін. Дослідженню теплового стану компресорів присвячено ряд публікацій і насамперед Ю.В. Захарова, В.Б. Якобсона, В.І. Мілованова, В.С. Дороша, В.М. Шаври, Г.І. Шевчука, В.Ю. Захарова, О.В. Щесюка. Однак взаємна обумовленість параметрів роботи В-ПО і компресора у відомих публікаціях не розглядалася і не враховувалася при проектуванні В-ПО. Не досліджувався вплив режимів роботи компресора на умови різкого зниження теплової ефективності В-ПО через осушення внутрішньої поверхні змійовиків на ділянці течії дисперсної суміші. Не враховувався також вплив перегріву пари відносно диспергованої у ній рідини на теплотехнічні характеристики В-ПО. Це виключало можливість раціонального проектування В-ПО, які значною мірою визначають енергетичну ефективність і безпеку експлуатації випарниково-компресорних вузлів ССМ.
Таким чином, недостатньо висока ефективність існуючих технічних рішень випарниково-компресорних вузлів ССМ викликана відсутністю надійної теоретичної бази проектування повітроохолоджувачів, яка враховує їх спільну роботу з компресорами. Це обумовило необхідність вирішення науково-прикладної задачі підвищення ефективності сумісної роботи повітроохолоджувачів і компресорів ССМ шляхом раціонального проектування та теплогідродинамічного вдосконалення повітроохолоджувачів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Наведені в дисертації матеріали використані в науково-дослідних роботах, виконаних у рамках напрямків розвитку науки і техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсоощадні технології" (1999 2003 рр.), "Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі", № ДР 0101U002952, 0102U005204, 0103U001797.
Об'єктом дослідження є випарниково-компресорні вузли ССМ.
Предмет дослідження – теплогідродинамічні процеси у В-ПО як основному елементі, що визначає енергетичну ефективність і експлуатаційну надійність випарниково-компресорних вузлів ССМ.
Метою наукового дослідження є підвищення ефективності сумісної роботи повітроохолоджувачів і компресорів ССМ шляхом раціонального проектування та теплогідродинамічного вдосконалення повітроохолоджувачів.
Основні задачі наукового дослідження:
? розробка основ теплогідродинамічного розрахунку і математичної моделі В-ПО, що враховують особливості їхньої сумісної роботи з компресорами у складі випарниково-компресорних вузлів ССМ;–
одержання експериментальних даних з теплових потоків у випарниково-компресорних вузлах ССМ і перевірка на адекватність математичної моделі й методики теплогідродинамічного розрахунку В-ПО об'єктам дослідження;–
встановлення закономірностей впливу параметрів роботи компресорів на теплові потоки у суднових В-ПО;–
розробка і дослідження раціональних принципів організації теплогідродинамічних процесів у випарниково-компресорних вузлах ССМ і схемно-конструктивних рішень, які реалізують ці принципи.
Методи дослідження. Використано фізико-математичний метод дослідження характеристик випарниково-компресорних вузлів ССМ. Математичному моделюванню передувало фізичне, результатом якого була фізична модель процесів, що відбуваються у випарниково-компресорних вузлах ССМ. Теоретичні результати зіставлялися з експериментальними даними власними та інших дослідників. Ефективність схемно-конструктивних рішень випарниково-компресорних вузлів ССМ оцінювалася енергетичними і габаритними показниками.
Наукове положення, що виноситься на захист:
Багатоелементні випарниково-компресорні вузли ССМ, які включають випарник, компресор, відокремлювач рідини, регенеративний теплообмінник або інжектор, задовольняють протилежним вимогам з експлуатації випарників із вологою парою на виході, з одного боку, і компресорів сухим ходом, з іншого, й забезпечують підвищення густини теплових потоків у випарниках на 35...40 % або холодильних коефіцієнтів на 10...20 %.
Наукові результати, які автор захищає на додаток до наукового положення, та їхня новизна:
1. Вперше встановлено, що зростання небезпеки гідравлічних ударів у компресорі при підвищенні температури кипіння відбувається через збільшення вологовмісту дисперсних потоків, обумовленого більш раннім за паровмістом осушенням змійовиків В-ПО з переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії холодоагенту.
2. Вперше розроблено основи раціонального проектування і математичну модель суднового В-ПО, що забезпечують досягнення максимальних густин теплового потоку і включають визначення оптимальної масової швидкості холодоагенту (?w)opt у змійовиках В-ПО та граничного паровмісту переходу від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії, а також враховують перегрів пари відносно диспергованої у ній рідини.
3. Вперше виявлено закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів випарниково-компресорних вузлів ССМ на максимальні густини теплового потоку у В-ПО та відповідні їм оптимальні масові швидкості (?w)opt холодоагенту в його змійовиках. Встановлено, що при оптимальних значеннях масової швидкості (?w)opt В-ПО працює практично в зоні конвективного випаровування, а екстремуми густини теплового потоку мають пологий характер, який допускає 30...40 %-ві відхилення масових швидкостей холодоагенту від оптимальних величин (?w)opt.
4. Встановлено, що для R22 оптимальні масові швидкості складають 150…200, а для холодоагентів R142В ? 100... 150, R600 (н-бутан) ? 50...100 кг/(м2с).
5. Вперше розроблено і реалізовано в схемно-конструктивних рішеннях принципи раціональної організації теплогідродинамічних процесів у багатоелементних випарниково-компресорних вузлах ССМ. Встановлено, що глибока регенерація теплоти і рециркуляція рідини у В-ПО, які виключають осушення змійовиків, забезпечують підвищення густини теплового потоку у В-ПО на 35...40 % або холодильного коефіцієнта на 10...20 % у порівнянні з роботою В-ПО з перегрівом пари, що в свою чергу дозволяє скоротити загальні витрати палива на суховантажних суднах на 0,2...0,4 %, а на пасажирських – на 3...6 %.
Новизна схемних рішень підтверджена 4 патентами України на винахід.
Достовірність результатів дослідження забезпечена коректною постановкою науково-прикладної задачі; задовільним узгодженням даних, одержаних за допомогою математичної моделі, й експериментальних; необхідною точністю експерименту і результатами порівняльного аналізу запропонованих та існуючих технічних рішень.
Наукове значення мають наступні результати дослідження:
закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів на максимальні густини теплового потоку в суднових В-ПО та відповідні їм оптимальні масові швидкості (?w)opt холодоагенту в їхніх змійовиках;
принципи раціональної організації теплогідродинамічних процесів у багатоелементних випарниково-компресорних вузлах ССМ, які випливають із установлених закономірностей;
математична модель суднового В-ПО, що враховує вплив режимів роботи компресора на теплові потоки у В-ПО.
Окрім суднової енергетики отримані наукові результати можуть використовуватися в стаціонарній енергетиці, зокрема при створенні і раціональному проектуванні тепловикористовуючих контурів на низькокиплячих робочих тілах для газотурбінних установок компресорних станцій, а також у системах мікроклімату для залізничного та автомобільного транспорту і стаціонарних об’єктів.
Практичну цінність мають:
методика і програма теплогідродинамічного розрахунку суднових В-ПО, що включають визначення оптимальних масових швидкостей холодоагенту (?w)opt у змійовиках В-ПО, довжини змійовиків, поверхні та числа ходів холодоагенту;
? діапазони оптимальних масових швидкостей для використовуваних і перспективних озонобезпечних холодоагентів;
? раціональні схемно-конструктивні рішення багатоелементних випарниково-компресорних вузлів ССМ.
Практична цінність технічних рішень підтверджена 4 патентами України на винахід.
Основні результати роботи використані організаціями, що проектують і виготовляють кондиціонери ССМ: ЦНДіПІ "Тайфун", м. Миколаїв, при проектуванні суднових кондиціонерів і кондиціонерів для залізничного транспорту (методика і програма теплогідродинамічного розрахунку і визначення оптимальних конструктивних характеристик повітроохолоджувачів безпосереднього випаровування); заводом "Екватор", м. Миколаїв (раціональні схемні рішення і конструктивні характеристики випарниково-компресорних вузлів суднових автономних кондиціонерів). Методика теплового розрахунку повітроохолоджувачів використовується у навчальному процесі НУК.
Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає в розробці математичної моделі В-ПО і програми теплогідродинамічного розрахунку В-ПО у складі випарниково-компресорних вузлів ССМ; у створенні двохетапної методики визначення оптимальних масових швидкостей холодоагенту і геометричних характеристик В-ПО; у встановленні закономірностей впливу режимів роботи компресора на теплові потоки у В-ПО; в одержанні експериментальних даних з теплових потоків і температур у випарниково-компресорних вузлах ССМ; у розробці раціональних схемно-конструктивних рішень, що забезпечують високу теплову ефективність В-ПО і безпечну експлуатацію компресора сухим ходом.
Апробація роботи. Основні результати були апробовані на міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні" (Миколаїв, 2002), "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Миколаїв, 2002), "Сучасні проблеми холодильної техніки і технології" (Одеса, 2002, 2003), Четвертому міжнародному конгресі "Енергетика. Екологія. Людина" (Київ, 2004), "Fifth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems" (Poland, 2001), "The 10th International Symposium on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy" (Poland, 2004).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 20 друкованих наукових праць, у тому числі 12 статей у наукових спеціалізованих виданнях (без співавторів 7), 3 доповіді (без співавторів 1), 5 тез доповідей (без співавторів 3), отримано 4 патенти України на винахід.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів і висновків. У додатках наведено протоколи випробувань суднових кондиціонерів, документи, що підтверджують впровадження основних результатів дослідження.
Обсяг дисертації складає 181 сторінку машинописного тексту і 9 сторінок додатків, 80 малюнків і 3 таблиці. Бібліографія містить 127 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Виконаний у розділі 1 аналіз ефективності роботи ССМ показав, що до В-ПО та компресора як основних елементів, що визначають енергетичні показники і надійність експлуатації ССМ, пред'являються протилежні вимоги. Так, перегрів пари на виході з В-ПО, який гарантує роботу компресора сухим ходом, призводить до різкого зменшення інтенсивності теплопередачі у В-ПО внаслідок осушення його змійовиків із переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії холодоагенту. Внаслідок великого термічного опору на осушених ділянках змійовиків мають місце підвищені температурні напори, що призводить до збільшення питомої роботи компресора і погіршення енергетичних показників холодильної машини і ССМ у цілому. Існуючий підхід до створення випарниково-компресорних вузлів не зовсім коректний, оскільки не враховує вказане зниження теплової ефективності В-ПО.
Оскільки порівняння випарниково-компресорних вузлів і вибір раціональних варіантів повинні виконуватися при оптимальних для кожного варіанта умовах, які забезпечують максимальну їхню енергетичну ефективність, то необхідно розробити методику оптимального проектування В-ПО. Вона дозволяла б визначати максимальні густини теплового потоку і відповідні їм оптимальні масові швидкості холодоагенту в змійовиках В-ПО. Існуючі ж методики не враховують вплив режимів роботи компресора на теплову ефективність В-ПО. Цей вплив полягає в тому, що зі зміною теплового навантаження на В-ПО змінюються тиск на всмоктуванні компресора і, отже, масова продуктивність компресора, тобто витрата холодоагенту через В-ПО. Останнє викликає зміщення границі переходу від змочених до осушених ділянок його змійовиків. При цьому змінюються параметри холодоагенту на виході з В-ПО, від яких у свою чергу залежать безпека експлуатації компресора й енергетичні показники випарниково-компресорних вузлів ССМ. Визначені мета і задачі дослідження.
Хоча ССМ і не є основним споживачем паливно-енергетичних ресурсів на суднах, та все ж не брати до уваги енергетичних втрат, пов'язаних із неефективною роботою випарниково-компресорних вузлів ССМ, не можна. До того ж раціональні технічні рішення, знайдені для випарниково-компресорних вузлів ССМ, цілком можуть бути використані й у суднових системах технічного кондиціонування та рефрижерації, системах мікроклімату на автомобільному і залізничному транспорті, стаціонарних об'єктах.
Обґрунтування вибору напрямку дослідження і гіпотези вирішення задачі підвищення ефективності спільної роботи В-ПО та компресорів ССМ дано в розділі 2. Відповідно до цієї гіпотези енергетично ефективна і надійна робота випарниково-компресорних вузлів ССМ можлива тільки при експлуатації В-ПО з вологою парою на виході і компресора ? із сухою насиченою парою на вході. За критерій оцінки результатів вибору раціональних варіантів вузлів прийнято енергетичний показник ? холодильний коефіцієнт, який являє собою відношення теплового навантаження на В-ПО (холодопродуктивності) до витраченої роботи компресора (його електричної потужності).
Як метод дослідження використано фізико-математичний метод. Задача розрахунку теплообміну вирішувалася у спряженій постановці ? з урахуванням гідравлічного опору ?P двофазових потоків у змійовиках В-ПО та обумовленого ним спаду температури кипіння ?t0 і, отже, збільшення питомої роботи компресора. Методологічну основу теплового розрахунку і математичної моделі В-ПО у складі випарниково-компресорних вузлів ССМ складають положення, що базуються на залежності границі переходу від змочених до осушених ділянок змійовиків В-ПО від витрати холодоагенту (продуктивності компресора) і наявності перегріву пари ?tп щодо краплинної рідини в дисперсній суміші. Справедливість цих положень була підтверджена експериментальними даними інших авторів з тепловіддачі при переході від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії.
Висока енергетична ефективність випарниково-компресорних вузлів можлива тільки за умови досягнення у В-ПО максимальних густин теплових потоків. Тому в розділі 3 були розроблені методика теплогідродинамічного розрахунку В-ПО, що забезпечує знаходження максимальної густини теплового потоку qmax (відповідно мінімальної поверхні), і математична модель В-ПО, який працює сумісно з компресором у складі випарниково-компресорного вузла ССМ.
На відміну від існуючих розроблена методика включає два додаткових етапи: знаходження граничного паровмісту хгр, що відповідає осушенню стінки змійовиків В-ПО з переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії, та визначення оптимальної, якій відповідає qmax, масової швидкості холодоагенту (сw)opt у змійовиках В-ПО з урахуванням хгр і перегріву пари відносно диспергованої в ній рідини на ділянці поверхні В-ПО з х > xгр. При знаходженні хгр за основу було взято метод, розроблений Хьюіттом (Великобританія), який враховує вплив уносу й висадження крапель на товщину пристінної плівки рідини.
На рис. 1 наведені залежності масової швидкості рідини в пристінній плівці (w)пл від поточного паровмісту x для R22 при t0 = 0 є? і різних масових швидкостях двофазової суміші w у трубках В-ПО з внутрішнім діаметром dвн = 8 мм. Точки перетину кривих із віссю х (при (w)пл = 0) визначають початок осушення стінки хгр0. Його завершенню відповідає граничний паровміст хгр.
Як видно, збільшення w, тобто витрати холодоагенту через В-ПО (продуктивності компресора), викликає зменшення граничного паровмісту хгр, а значить і більш раннє осушення змійовиків В-ПО. Оскільки при зміні температури кипіння t0 у характерному для ССМ діапазоні від 10 до +10 ?С продуктивність компресора збільшується приблизно в два рази, то в методиці теплового розрахунку та математичній моделі В-ПО обов'язково треба враховувати відповідне зменшення хгр.
Знайдені величини хгр використовувалися при розрахунку максимальної густини теплового потоку qmax і відповідної їй оптимальної масової швидкості (?w)opt.
Наявність максимуму густини теплового потоку q обумовлена наступним. Із збільшенням ?w коефіцієнти тепловіддачі при кипінні a і теплопередачі k зростають, але зростає також гідравлічний опір ?P. Через обумовлений ним спад температури
кипіння ?t0 при фіксованій температурі кипіння на виході з випарника t02 підвищується t01 і, отже, зменшується температурний напір між охолоджуваним повітрям і киплячим холодоагентом. Протилежний вплив ?w на k і і обумовлює існування максимуму функції q = k.
Вираз для густини теплового потоку, віднесеної до внутрішньої поверхні труб (на стороні киплячого холодоагенту), має вигляд
,
де в коефіцієнт тепловіддачі до повітря, віднесений до зовнішньої ребристої поверхні; Rз - термічний опір забруднень і матеріалу стінки; – степінь оребрення; tв1 і tв2 - температура повітря на вході і виході з В-ПО.
Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні a обчислюється при поточному значенні х за рівняннями для пузиркового кипіння і конвективного випаровування. Із знайдених величин a береться більша.
Спад температури кипіння ?t0 через гідравлічний опір ?Р розраховується з рівняння Клаузіуса?Клапейрона
.
Тут r - питома теплота фазового переходу; п і ж - питомі об’єми пари і рідини.
Гідравлічний опір ?Р знаходиться за методом Локкарта-Мартінеллі, відповідно до якого втрати тиску на тертя двофазового потоку dP/dZ виражають через аналогічну величину для однієї, наприклад, рідкої фази (dP/dZ)ж: dP/dZ = Фж2(dP/dZ)ж, де коефіцієнт пропорційності Фж обчислюється зі співвідношення
Фж = Фп/Xtt = Xtt1+ 2,85Xtt0,48,
в якому параметр Мартінеллі-Нельсона Xtt визначається за формулою
,
де п і ж ? коефіцієнти динамічної в'язкості пари і рідини; п і ж ? відповідні масові густини.
Втрати тиску на тертя рідкої фази:
(dP/dZ)ж = жж(w)2(1 – х)2/(2dвнж),
де коефіцієнт тертя для турбулентної течії знаходиться за законом Блазіуса жж = 0,3164Reж0,25, а Reж = (сw)(1 - x)dвн/ж.
При певному значенні ?w функція q = k має максимум. Цю масову швидкість (?w)opt вважаємо оптимальною.
Характер зміни коефіцієнта теплопередачі k, температурного напору , спаду температури кипіння ?t0 і густини теплового потоку q в залежності від масової швидкості ?w для холодоагенту R22 при температурі кипіння t02 = 0 є?, повітря на вході і виході tв1 = 25 єС і tв2 = 15 єС, степені оребрення = 16, dвн = 8 мм наведено на рис. 2.
На рис. 3 наведені густини теплового потоку: середня для всієї поверхні змійовика q, для зони інтенсивного кипіння q' (на ділянці змійовика зі змоченою поверхнею ? від входу до хгр) і зони випаровування краплинної вологи в паровому потоці при сухій стінці q" (при х>хгр). Значення (?w)opt0 відповідає q'max, а (?w)opt qmax.
Як видно, екстремум залежності q = f(сw) досить пологий і допускає великі (більше 30 %) відхилення масової швидкості (?w) від оптимального значення (?w)opt при незначному (менше 5 %) зниженні густини теплового потоку q в порівнянні з максимальною величиною qmax. Тому за величину оптимальної масової швидкості (сw)opt можна прийняти її значення (?w)opt0, обчислене для змоченої ділянки змійовика.
На базі наведеної методики розроблено математичну модель В-ПО у складі випарниково-компресорного вузла ССМ. Критерієм теплової ефективності В-ПО була густина теплового потоку q, віднесена до внутрішньої поверхні змійовика В-ПО.
Вхідні параметри: tв1, Iв1, Gв, Gа, х1, t01, Р01, tп, dвн, dн, L, .
Вихідні параметри: Q0, q, tв2, Iв2, x2, t02, Р02.
Модель дозволяє обчислювати локальні по довжині змійовика В-ПО гідродинамічні (падіння тиску dP/dz і збільшення паровмісту dх/dz) і теплові параметри киплячого холодоагенту та повітря (коефіцієнти тепловіддачі й теплопередачі, температурні напори i, густину теплового потоку).
Довжина змійовика L розбивалася на ділянки довжиною Li = dz (рис. 4). На кожній i-й ділянці з рівнянь теплового балансу по холодоагенту й повітрю і теплопередачі визначалися параметри повітря (температура tвi+1, ентальпія Iвi+1), холодоагенту (тиск Рi+1 = Рi – – dP, паровміст xi+1 = xi + dx і температура кипіння t0i+1 = t0i - dt0), кількість теплоти Qi = qidвнdz, відведеної від повітря на i-й ділянці.
Збільшення паровмісту dx на i-й ділянці змійовика обчислюється з рівності кількостей теплоти, підведеної у процесі теплопередачі та сприйнятої холодоагентом у процесі кипіння:
Qi = qidвнdz = 0,25рdвн2(w)rdх.
Густина теплового потоку qi знаходиться як qі = kіі. При цьому спад температури кипіння ?t0і, який входить до і, обчислюється за законом Клаузіуса?Клапейрона через гідравлічний опір ?Рі. На ділянці змійовика В-ПО зі змоченою рідиною поверхнею стінки (при х < xгр) тепловіддача розраховується за рівняннями для киплячого холодоагенту, а на ділянці змійовика, зайнятій дисперсною сумішшю (при х > xгр), ? як для чистої пари.
До виразу для логарифмічної різниці температур ?i входить заздалегідь невідома температура повітря на виході з i-ї ділянки tвi+1, яка залежить від теплового потоку Qi на цій ділянці:
tвi+1 = tвi Qi/(Gв·н св).
Коефіцієнт вологовипадання на зовнішній поверхні н приймається для всього В-ПО постійним і обчислюється за ентальпіями і температурами повітря на вході і виході з В-ПО як
н = (Iв1 - Iв2)/[св(tв1 - tв2)],
де св ? теплоємність вологого повітря.
Оскільки до наведених вище залежностей для Qi і tвi+1 входить густина теплового потоку qi, яка заздалегідь невідома, то процедура розрахунку включає ітераційний цикл по qi.
Сумарний тепловідвід від одного змійовика В-ПО знаходиться як
,
а від усього В-ПО з n1 змійовиками: Q0 = n1 Q01.
Особливістю розробленої математичної моделі є те, що вона на відміну від існуючих моделей включає знаходження граничного паровмісту хгр, який відповідає осушенню стінки змійовика, і враховує перегрів пари Дtп у дисперсній суміші щодо краплинної рідини на ділянці змійовика з х > xгр.
Про ефективність використання поверхні В-ПО можна судити за значеннями локальних його параметрів, розрахованих за допомогою математичної моделі. Умови роботи В-ПО: tв1 = 25 С і tв2 = 15 С, t02 = 0 С, на виході суха насичена пара (х2 = 1,0). Як видно з рис. 5, при граничному паровмісті хгр = 0,95 відбувається різке зниження q. Зменшення q обумовлене падінням коефіцієнта тепловіддачі до холодоагенту a, який стає навіть нижче коефіцієнта тепловіддачі до повітря в і викликає зниження коефіцієнта теплопередачі k в цілому. Довжина змійовика L, що припадає на випаровування дисперсної суміші, складає близько 1,5 м, тобто майже 20 % від загальної довжини.
З метою перевірки адекватності математичної моделі В-ПО та виявлення резервів удосконалення випарниково-компресорних вузлів ССМ були виконані експериментальні дослідження суднового кондиціонера з відокремлювачем рідини (ВР) і РТО на стенді ВАТ "Завод "Екватор" (рис. 6). Їхні результати наведені в розділі 4.
Включення ВР і РТО до складу випарниково-компресорних вузлів забезпечувало виконання протилежних вимог до параметрів холодоагенту з безпечної експлуатації компресора сухим ходом, з одного боку, і ефективної роботи В-ПО зі змоченими змійовиками, з іншого.
Результати обробки експериментальних даних свідчать про те, що пара в дисперсній суміші перегріта відносно краплинної рідини більш ніж на 5 С: при таких перегрівах паровміст на виході з В-ПО, обчислений за замірюваними параметрами, залишався менше 1. Це підтверджується також даними Чеддока й ін.
Експериментальні дані були використані для порівняння ефективності наступних схемних рішень випарниково-компресорного вузла: простої схеми без РТО і ВР (схема 1 на рис. 7); з переохолодженням рідини високого тиску в РТО, змійовик якого обтікають усмоктувані компресором пари (схема 2), і в РТО, на поверхні змійовика якого кипить рідкий холодоагент, що накопичується у ВР (схема 3).
На рис. 8 наведені експериментальні дані по температурах рідкого R22 високого тиску після конденсатора tu і РТО tРТО, пароподібного R22 на виході з В-ПО t02" і на всмоктуванні в компресор tвс" у залежності від температури кипіння. Глибина переохолодження рідини в РТО характеризується різницею температур tРТО' рідини після конденсатора і на виході з РТО.
Як видно, схема 3 забезпечує найбільш глибоке переохолодження. При цьому перегрів пари на усмоктуванні в компресор відсутній, що сприяє ефективному охолодженню вбудованого електродвигуна й інших елементів компресора. Густина теплового потоку у В-ПО також найбільша (рис. 9). У випадку схеми 2 переохолодження рідини в РТО було невеликим ? близько 10 ?С. Частина змійовика В-ПО при цьому зайнята дисперсною сумішшю з украй низькою інтенсивністю тепловіддачі. Відповідно і густини теплового потоку на ній були невисокі.
Адекватність математичної моделі встановлювалася шляхом порівняння експериментальних величин густини теплового потоку qЕ з розрахунковими qт. Результати порівняння наведені у вигляді відношення значень qт і qЕ (рис. 10).
Як видно, розрахункові значення qт задовільно узгоджуються з експериментальними qЕ: розбіжність не виходить за межі довірчого інтервалу 15 % (при довірчій імовірності обмірюваних величин 68 %) і знаходиться в довірчому інтервалі 20 % (при довірчій імовірності 90%).
Аналіз теплової ефективності В-ПО й енергетичної ефективності випарниково-компресорних вузлів при різних схемних рішеннях виконано в розділі 5. В-ПО з перегрівом пари на виході (рис. 11, а), по суті, об’єднує в одному змійовику два послідовно встановлених по ходу холодоагенту теплообмінника (ТО): перший це ефективний випарник зі змоченою внутрішньою поверхнею змійовика (х хгр) і великими густинами теплового потоку q'. Другий це кінцевий ТО, в якому відбувається довипаровування крапель рідини в паровому потоці (х хгр) і перегрів пари з украй низькими інтенсивністю тепловіддачі від стінки до пари і теплопередачі в цілому. Відповідно і густини теплового потоку q" на ньому в 34 рази менші, ніж у випарній частині. В результаті середня для всієї поверхні змійовика В-ПО густина теплового потоку q (при (?w)opt) приблизно на 20 % менше, ніж q' у випарній частині.
Для схеми 3 з кипінням рідини, що не випарилася у В-ПО, на поверхні змійовика РТО, встановленого у ВР, перевищення q складає 35...40 % (рис. 11, б). При цьому x2<xгр і вся поверхня В-ПО змочена рідким холодоагентом.
Кінцеву ділянку звичайно виконують у вигляді РТО, який служить, з одного боку, для довипаровування крапель рідини і перегріву пари після В-ПО, а з іншого для переохолодження рідкого холодоагенту високого тиску після конденсатора (схема 2). Як видно з рис. 11, б, густина теплового потоку q у В-ПО для схеми 2 на 10...15 % вище, ніж для схеми 1.
Робота В-ПО зі змоченою поверхнею може бути здійснена також шляхом рециркуляції в ньому рідкого холодоагенту, наприклад інжектором (схема 4). Така схема забезпечує зростання q в порівнянні зі схемою 1 на 35...45 % (рис. 12). З підвищенням приріст q більш значний (рис. 13), тобто ефект від переходу на рециркуляцію зростає.
Локальні теплові характеристики В-ПО при різних схемах випарниково-компресорних вузлів наведені на рис. 14.
Ефект від інтенсифікації теплопередачі за рахунок вилучення режимів сухої стінки було виражено також енергетичним показником холодильної машини холодильним коефіцієнтом . Збільшення при роботі В-ПО зі змоченою поверхнею змійовика досягається завдяки більш інтенсивній теплопередачі, в результаті чого зменшуються температурні напори, підвищується тиск на усмоктуванні компресора Рвс (відповідно t0) і, отже, зменшується степінь підвищення тиску Рк/Рвс в компресорі й питома його робота.
Результати аналізу показують, що найбільш ефективним є схемне рішення 4, що забезпечує збільшення на 15...20 % у порівнянні зі схемою 1. За ним йде схема 3 з приростом на 10...15 %. Схема 2 із РТО після В-ПО не дає відчутного енергетичного виграшу: збільшення становить усього лише 3...6 %.
Розроблені методика і програма розрахунку оптимальної масової швидкості холодоагенту у В-ПО, довжини і числа його змійовиків, а також рекомендації з оптимальних масових швидкостей холодоагенту та схемно-конструктивних рішень випарниково-компресорних вузлів були використані ЦНДіПІ "Тайфун" і заводом "Екватор" при проектуванні та виготовленні В-ПО і ВР з РТО суднових автономних кондиціонерів. Окрім суднових результати дослідження можуть бути реалізовані в системах мікроклімату для автомобільного, залізничного транспорту і стаціонарних об'єктів, у суднових морозильних апаратах, тепловикористовуючих установках для суднової та стаціонарної енергетики.
ВИСНОВКИ
1. У дисертації вирішено важливу для суднової енергетики науково-прикладну задачу підвищення ефективності сумісної роботи повітроохолоджувачів і компресорів ССМ шляхом раціонального проектування та теплогідродинамічного вдосконалення повітроохолоджувачів.
2. Багатоелементні випарниково-компресорні вузли ССМ, які включають випарник, компресор, відокремлювач рідини, РТО або інжектор, забезпечують підвищення густини теплових потоків у В-ПО на 35...40 % або холодильних коефіцієнтів на 10...20 % у порівнянні з традиційною роботою В-ПО з перегрівом пари на виході, що дозволяє скоротити загальні витрати палива на суховантажних суднах на 0,2...0,4 %, а на пасажирських – на 3...6 %.
3. Вперше встановлено, що з підвищенням теплового навантаження на В-ПО (зі збільшенням тиску кипіння і відповідно продуктивності компресора) небезпека гідравлічних ударів у компресорі зростає через збільшення вологовмісту дисперсних потоків, обумовленого більш раннім за паровмістом осушенням змійовиків В-ПО.
4. Вперше розроблено основи раціонального проектування і математичну модель суднового В-ПО, що забезпечують досягнення максимальних густин теплового потоку. На відміну від існуючих математична модель включає визначення оптимальної масової швидкості холодоагенту в змійовиках В-ПО і граничного паровмісту переходу від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії, а також враховує перегрів пари відносно диспергованої в ній рідини.
5. Встановлено, що для R22 оптимальні масові швидкості складають 150…200, а для холодоагентів R142В ? 100...150, R600 (н-бутан) ? 50...100 кг/(м2с).
6. Вперше виявлено закономірності впливу режимних параметрів (перегріву пари відносно диспергованої рідини та пари на виході з В-ПО, продуктивності компресора, температури повітря), схемних рішень і конструктивних характеристик (степеня оребрення В-ПО, діаметра трубок) випарниково-компресорних вузлів ССМ на максимальні густини теплового потоку у В-ПО і відповідні їм оптимальні масові швидкості (?w)opt холодоагенту в його змійовиках. Встановлено, що при оптимальних значеннях масової швидкості В-ПО працює практично в зоні конвективного випаровування, а екстремуми густини теплового потоку мають пологий характер, який допускає 30...40 % відхилення масових швидкостей холодоагенту від оптимальних величин (?w)opt і дозволяє за останні приймати значення (?w)opt, розраховані для змочених рідиною ділянок змійовиків В-ПО.
7. На основі виявлених закономірностей розроблено і реалізовано в схемно-конструктивних рішеннях раціональні принципи організації теплогідродинамічних процесів у випарниково-компресорних вузлах ССМ. Встановлено, що глибока регенерація теплоти і рециркуляція рідини у В-ПО, які виключають осушення змійовиків, забезпечують підвищення густини теплового потоку у В-ПО на 35...40 % або холодильного коефіцієнта на 10...20 % у порівнянні з циклом без регенерації. Традиційна регенерація з перегрівом усмоктуваних компресором парів і роботою В-ПО у режимі "сухої стінки" недоцільна, оскільки зростання густини теплового потоку у В-ПО незначне і складає 10...15 %. Із збільшенням степеня оребрення, швидкості повітря і його температури ефективність глибокої регенерації та рециркуляції рідини у В-ПО зростає.
8. Результати роботи можуть бути використані крім суднових у системах мікроклімату на автомобільному й залізничному транспорті, на стаціонарних об'єктах, у суднових морозильних апаратах, у тепловикористовуючих установках для суднової та стаціонарної енергетики.
Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:
1.Радченко А.Н. Повышение надежности работы герметичных компрессоров судовых систем кондиционирования воздуха // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ, 2002. № 1 (379). С. 5260.
2. Ставинский А.А., Радченко А.Н. Повышение эффективности охлаждения герметичных компрессоров судовых кондиционеров со встроенными электродвигателями // Зб. наук. праць. Миколаїв: НУК, 2004. № 4 (397). С. 85–91.
3. Радченко А.Н. Анализ эффективности испарительно-компрессорных узлов судовых систем микроклимата // Зб. наук. праць. Миколаїв: НУК, 2004. № 5 (398). С. 92–99.
4. Радченко А.Н. Исследование условий эффективной работы воздухоохладителей судовых автономных кондиционеров // Холодильная техника и технология. ? Одесса: ОГАХ. ? 2004. - №. 3. ? С. 27–31.
5. Радченко А.Н. Экспериментальные характеристики транспортного кондиционера повышенной надежности // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Сер. Двигуни та енергоустановки: Зб. наук. праць. – Харків: ХАІ. – 2003. – Вип. 40/5. – С. 47-50.
6. Радченко А.Н. Рациональное проектирование охладителей газа с фазовым переходом холодильного агента // Промышленная теплотехника. 2003. Том 25. № 4. С. 5759.
7. Радченко А.Н. Экспериментальное исследование эффективности регенеративного цикла холодильной машины кондиционера // Холодильная техника и технология. – 2003. – № 4. – С. 40–44.
8. Радченко А.М. Підвищення енергетичної ефективності автономного кондиціонера // Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація / Вісник НУ "Львівська політехніка". Львів: НУ "Львівська політехніка". 2004. № С. 7781.
9. Радченко А.Н., Сирота А.А. Прогнозирование условий снижения тепловой эффективности испарителей с внутритрубным кипением холодильного агента // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Сер. Двигуни та енергоустановки: Зб. наук. праць. – Харків: ХАІ. – 2003. – Вип. 41/6. – С. 77-80.
10. Радченко А.Н., Сирота А.А. Особенности теплового расчета испарителей теплоиспользующих контуров на низкокипящих рабочих телах // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Сер. Двигуни та енергоустановки: Зб. наук. праць. – Харків: ХАІ. – 2003. – Вип. 42/7. – С. 73-77.
11. Радченко А.Н., Андреев А.А. Использование теплоты дисперсных потоков в системах испарительного охлаждения // Холодильная техника и технология. ? Одесса: ОГАХ. 2003. № 6. С. 11–14.
Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:
12. Radchenko A. Experimental investigation of self container conditioner with increased reliability // Proceedings of the 10 International Symposium on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy: HTRSE2004. Szczecin, Poland. 2004. – P. 793797.
13. Stavinsky A.A., Radchenko A.N., Radchenko N.I. Improvement of the motor for hermetic refrigeration compressor // Fifth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems. Poland. 2001. Р. 538.
14. Radchenko A.N., Skorodumov А.P. Calculation of heat transfer during cooling the motor of hermetic refrigeration compressor // Fifth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems. Poland. 2001. Р. 511514.
15. Радченко А.Н., Андреев А.А. Оптимальные массовые скорости НРТ в испарителях теплоиспользующих контуров // Холодильная техника и технология. – 2003. – № 4. – С. 5–9.
16. Радченко А.Н. Повышение эффективности совместной работы поршневого компрессора и воздухоохладителя системы судового микроклимата // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Тезисы докладов 3-й междунар. науч.-техн. конф. – Николаев: УГМТУ. – 2002. ? С. 9697.
17. Радченко А.Н. Некоторые пути сокращения потерь холодопроизводительности при охлаждении встроенного электродвигателя судового герметичного холодильного компрессора // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Тезисы докладов 3-й междунар. науч.-техн. конф. – Николаев: УГМТУ. – 2002. ? С. 9596.
18. Радченко А.Н. Исследование условий совместной работы испарителя и компрессора системы судового микроклимата // Міжнар. конф. Кораблебудування: освіта, наука, виробництво. ? Миколаїв: УДМТУ. ? 2002. ? Том 2. – С. 199–200.
19. Ставинский А.А., Радченко А.Н. Совершенствование герметичного холодильного компрессора со встроенным асинхронным электродвигателем // Міжнар. конф. Кораблебудування: освіта, наука, виробництво. ? Миколаїв: УДМТУ. ? 2002. ? Том 2. – С. 226–228.
20. Радченко А.Н., Есин А.И. Экспериментальное исследование энергетической эффективности судового автономного кондиционера // Міжнародний енергоекологічний конгрес "Енергетика. Екологія. Людина": Тези доповідей. ? Київ. ? 2004. ? C. 34.
21. Патент України № 69913А Герметичний компресор. Ставинський А.А., Радченко А.М. ? Бюлетень. – 2004. – № 9.
22. Патент України № 69908А Парокомпресорна холодильна машина. Радченко А.М., Радченко М.І., Хомуленко О.П. ? Бюлетень. – 2004. – № 9.
23. Патент України № 49371А Парокомпресорна холодильна машина. Радченко М.І., Радченко А.М. ? Бюлетень. – 2002. – № 9.
24. Патент України № 69907А Холодильна машина. Радченко А.М., Радченко М.І., Єсін О.І. ? Бюлетень. – 2004. – № 9.
Особистий внесок здобувача у праці, що опубліковані у співавторстві: [2, 15] - особливості впливу режимів роботи компресора й інших параметрів на теплову ефективність В-ПО; [9] ? основні положення розрахунку умов осушення змійовиків В-ПО; [10] - двохетапна методика визначення оптимальних масових швидкостей холодоагенту і геометричних характеристик В-ПО; [11, 13, 19, 22–24] ? раціональні схемно-конструктивні рішення, що забезпечують високу теплову ефективність В-ПО і надійність експлуатації суднових холодильних компресорів; [14] ? особливості розрахунку тепловіддачі у процесі охолодження герметичного холодильного компресора ССМ; [20] ? експериментальні дані з теплових потоків у випарниково-компресорних вузлах ССМ; [21] ? спосіб охолодження компресора та його елементів.
АНОТАЦІЯ
Радченко А.М. Підвищення ефективності сумісної роботи повітроохолоджувачів і компресорів суднових систем мікроклімату. ? Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 – суднові енергетичні установки. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2005.
Дисертація присвячена підвищенню енергетичної ефективності та безпеки експлуатації суднових систем мікроклімату шляхом теплогідродинамічного удосконалення випарниково-компресорних вузлів. В основу вирішення поставленої задачі покладено гіпотезу, згідно з якою включення до складу випарниково-компресорних вузлів відокремлювача рідини
