ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ
ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ
РЖЕСІК КОСТЯНТИН АДОЛЬФОВИЧ
УДК 621.57.028.041:64.066.8
ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ І БЕЗПЕКИ ПОБУТОВИХ ХОЛОДИЛЬНИКІВ, ЯКІ ПРАЦЮЮТЬ НА ІЗОБУТАНІ
Спеціальність 05.05.14 - Холодильна, вакуумна та компресорна техніка,
системи кондиціювання
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса - 2008
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
ОСОКІН Володимир Васильович,
Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, завідувач кафедри холодильної і торгової техніки.
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
ХМЕЛЬНЮК Михайло Георгійович,
Одеська державна академія холоду, професор, завідувач кафедри холодильних установок;
доктор технічних наук, професор
КРАВЦОВ Владилен Васильович,
Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри технічної теплофізики.
Захист дисертації відбудеться 05.05.2008 року о 11_год., в аудиторії 108 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.087.01 в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, 65082, Україна
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ОДАХ
Автореферат розісланий 03.04.2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої ради
д.т.н., професор В.І.Мілованов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У цей час в малій холодильній техніці найкращими в частині ефективності як холодоагентів і екологічної безпеки є вуглеводні, до числа яких відноситься добре зарекомендувавший себе ізобутан. Стримуючий фактор широкого використання цих речовин у холодильних приладах і пристроях - їх вибухопожежонебезпечність. Нерозв'язаність проблеми забезпечення технічної безпеки працюючих на ізобутані побутових холодильників, морозильників, кондиціонерів та інших пристроїв для виробництва штучного холоду обумовлена насамперед відсутністю достовірних даних про види реальних наскрізних мікроушкоджень компресорних систем, про характер, тривалість і масу витоків з них холодоагенту, про особливості їхнього функціонування при цьому, а також формування, займання від джерела запалювання і горіння ізобутаноповітряної суміші, про ступінь створюваної у зв'язку із цим вибухопожежонебезпеки. Розкриття закономірностей і особливостей протікання зазначених процесів може бути базисом для розробки науково-технічної основи прогнозування і виключення аварійних ситуацій, пов'язаних з витоками ізобутану з компресорних систем, удосконалювання конструкції малої холодильної техніки і відповідних стандартів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Постанови Верховної Ради України «Про основні напрямки державної політики України в області охорони навколишнього середовища, використання природних ресурсів і забезпечення екологічної безпеки», Галузевої науково-технічної програми сталого розвитку побутової техніки України на 2006-2011 роки (наказ Мінпромполітики України від 03.03.2006р. №85), конкретного завдання з науково-технічної програми «Донбас-2020», а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт із ЗАТ «Сервісний центр «Норд»: Забезпечення безпеки конструкції і масового виробництва побутових холодильних приладів, що працюють на ізобутані» - державна реєстрація №105U002723, «Дослідження процесів формування ізобутаноповітряної суміші при витоках ізобутану в побутових холодильниках» - державна реєстрація №0106U008244. У виконанні госпдоговірних НДР здобувач брав участь як відповідальний виконавець.
Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка комплексної науково-технічної основи прогнозування і виключення аварійних ситуацій, пов'язаних з витоками ізобутану з компресорної системи побутових холодильників.
Для її реалізації вирішувалися наступні наукові завдання:
- встановлення особливостей реальних мікроушкоджень магістралей компресорної системи побутових холодильників, характеру, інтенсивності, тривалості і можливої маси витоків через них ізобутану на різних її ділянках з урахуванням його фазового стану;
- з'ясування особливостей термодинамічних і теплофізичних процесів у побутових холодильниках при їх нормальній і аварійній, обумовленої витоками ізобутану з компресорної системи, роботі;
- визначення надійних показників початку аварійної роботи побутового холодильника, що має наскрізні ушкодження в лініях нагнітання та всмоктування холодильної машини;
- розкриття закономірностей процесів формування, займання від джерела запалювання і горіння ізобутаноповітряної суміші в ємностях – аналогах різнотемпературних відділень побутового холодильника, що замкнені та відкриваються, у їхньому компресорно-конденсаторному відділенні при витоках ізобутану з компресорної системи, ступеня впливу на них зовнішніх факторів;
- оцінка ймовірності небезпечного накопичення ізобутану в холодильній шафі і в компресорно-конденсаторному відділенні як працюючого, так і відключеного від електричної мережі холодильника при мікровитоках його з ліній всмоктування та нагнітання холодильної машини;
- візуалізація і термографування процесів займання від джерела запалювання і горіння ізобутаноповітряної суміші в найбільш імовірних місцях витоку ізобутану з компресорної системи побутового холодильника;
- з'ясування ступеня пожежонебезпеки при горінні маси холодоагенту, що реально виділилась з компресорної системи, біля фронтальної поверхні холодильника та в його компресорно-конденсаторному відділенні;
- формулювання з урахуванням результатів виконаних досліджень концептуальної основи підвищення надійності та безпеки побутових холодильників, які працюють на ізобутані;
- розробка інженерних рішень щодо підвищення рівня технічної безпеки при використанні ізобутану як холодоагенту у побутових холодильниках.
Об'єкт дослідження: термодинамічні і теплофізичні процеси в побутовому холодильнику при витоках у ньому ізобутану.
Предмет дослідження: аварійно працюючий через витік ізобутану побутовий холодильник.
Методи дослідження: фізичне моделювання термодинамічних і теплофізичних процесів у побутовому холодильнику при витоках у ньому ізобутану, електронна мікроскопія мікроушкоджень магістралей холодильної машини, відеозйомка і термографування займання і горіння ізобутаноповітряної суміші в місцях витоків холодоагенту, розрахунки складу і термодинамічних властивостей робочого тіла при витоках холодоагенту з лінії всмоктування і надходження в неї атмосферного повітря.
Наукова новизна отриманих результатів:
- визначені види можливих мікроушкоджень у компресорній системі побутових холодильників, причини зміни їхньої пропускної здатності і розкриті особливості витікання через них ізобутану з урахуванням його фазового стану і взаємодії з компресорним мастилом, ступінь небезпеки розгерметизації ними холодильної машини;
- встановлено і пояснене розходження термодинамічних процесів у побутових холодильниках при витоках холодоагенту з ліній нагнітання і всмоктування, показана наявність при цьому однакових діагностичних ознак їхньої аварійної роботи, наявність небезпеки руйнування лінії нагнітання надлишковим тиском при роботі в режимі невідключення холодильної машини, що має наскрізне ушкодження в лінії всмоктування;
- виявлено і теоретично обґрунтовано зміну складу і термодинамічного стану робочого тіла в заправленій ізобутаном компресорній системі працюючого побутового холодильника, що має наскрізне ушкодження у всмоктувальній лінії, часткового співвідношення ізобутану і повітря у виділеної з неї ізобутаноповітряної суміші після повної його зупинки;
- встановлені невідомі раніше кількісні дані про процеси руху ізобутану в повітрі біля місця безнапірного витоку, поширення фронту його горіння після запалення від теплового імпульсу, про вплив на них зовнішніх повітряних потоків, а також про динаміку зміни температурних полів у зоні горіння реальної маси ізобутану і поблизу її, що визначають ступінь пожежонебезпеки екзотермічних процесів;
- розкрита сутність і ступінь впливу компресорного мастила на займання і горіння ізобутану біля місця розгерметизації лінії нагнітання холодильної машини.
Практичне значення отриманих результатів:
- розроблено стендовий метод дослідження роботи побутових холодильників, що мають наскрізні ушкодження в їхній холодильній машині, який прийнятий для використання у дослідницько-випробувальному центрі УкрНДІПобутМаш – Група «Норд».
- установлені гранична маса ізобутану, що може виділитися через наскрізні ушкодження з ліній нагнітання і всмоктування побутового холодильника до настання режиму роботи компресора із КРЧ=1, а також після повної зупинки його відключенням від електричної мережі, особливості формування, запалення від теплового імпульсу і горіння ізобутаноповітряної суміші біля місця розгерметизації компресорної системи з урахуванням факторів зовнішнього середовища, генезис джерел теплового імпульсу, ступінь пожежонебезпеки, яка створюється при згорянні ізобутану, що виділився, і впливу на екзотермічні процеси компресорного мастила, який виділяється з розгерметизованої системи, що створює основу для вдосконалювання настанов, в частині забезпечення технічної безпеки, щодо конструювання, масового виробництва та сервісного обслуговування побутової холодильної техніки – відповідно, для підприємств-виробників цієї техніки і сервісної служби;
- візуалізовано і термографовано процеси горіння реальної маси ізобутану, а також ізобутану і компресорного мастила біля ймовірних місць їхнього витоку в побутовому холодильнику, що дозволило визначити ступінь небезпеки, яка створюється при цьому для життєдіяльності людини;
- сформульована з урахуванням результатів виконаних досліджень концептуальна основа забезпечення надійності та безпеки побутових холодильників, які працюють на ізобутані, положення якої представлені у двох деклараційних патентах України на винаходи, прийняті для впровадження в Групі «Норд», що підтверджується відповідними актами, можуть бути враховані в загальноєвропейських стандартах на використання ізобутану в побутовій холодильній техніці.
Особистий внесок здобувача в отримані в дисертаційній роботі результати: формулювання завдань і розробка методики досліджень, участь у їхньому проведенні, обробка, аналіз і узагальнення отриманих даних, розробка конструкторських рішень щодо підвищення надійності та рівня вибухопожежобезпеки побутових холодильників, які працюють на ізобутані.
Апробація результатів дисертації – результати її доповідалися і обговорювалися на IV Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології» (Одеса, ОДАХ, 21-23 верес. 2005р.), IV Міжнародній науково-практичній конференції «Актуальні проблеми харчування: технологія і устаткування, організація і економіка» (Донецьк – Святогірськ, ДонДУЕТ, 8-9 верес. 2005р.), Всеукраїнському науково-технічному семінарі «Удосконалювання конструкції і підвищення теплоенергетичної ефективності малих холодильних машин» (Донецьк, ДонДУЕТ, 7-8 верес. 2006р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Промисловий холод і аміак» (Одеса, ОДАХ, 28-30 верес. 2006р.), XI Всеукраїнській науково-технічній конференції «Проблеми охорони праці і техногенно-екологічної безпеки» (Севастополь, СевНТУ, 5-9 жовт. 2006р.), V Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології» (Одеса, ОДАХ, 19-21 верес. 2007р.), щорічних (2005-2008рр.) наукових конференціях викладачів і аспірантів ДонНУЕТ.
Публікації – основний зміст дисертації опублікований в 15-и статтях у наукових збірниках і журналах, які входять до Переліку спеціальних видань ВАК України; отримано 2 патенти України на винаходи; є додаткові публікації.
Структура і об’єм дисертації. Дисертаційна робота містить передмову, вступ з загальною її характеристикою, включаючи обґрунтування актуальності розробленої теми, п'ять розділів, висновки, список використаної літератури та додатки. Вона представлена на 262 сторінках, включаючи 53 рисунка, 14 таблиць, список використаної літератури з 73 найменувань, додатки на 46 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтуванно актуальність дисертаційної роботи, наведено основні відомості про неї.
Перший розділ роботи присвячений аналізу стану проблеми безпечного використання ізобутану в холодильній техніці.
Виконано аналіз регламентів і встановлених ними методів забезпечення вибухопожежобезпеки при використанні вуглеводнів у малій холодильній техніці. Показано наявність невирішених у цій області питань. Загальний підсумок аналізу стану розглянутої проблеми полягає в наступному: неоднозначність її сприйняття та рішення обумовлено в основному відсутністю достовірних даних про види реальних ушкоджень компресорних систем, про характер, тривалість і масу витоків з них холодоагенту, про особливості їхнього функціонування при цьому, а також формування, займання від джерела запалювання і горіння ізобутаноповітряної суміші, про ступінь створюваної у зв'язку із цим вибухопожежонебезпеки. На основі вищевикладеного були сформульовані мета та завдання досліджень за темою дисертаційної роботи.
Другий розділ дисертації присвячений дослідженням нормальної і обумовленої витоками ізобутану з компресорної системи аварійної роботи побутових холодильників.
Для проведення експериментальних досліджень створений випробувальний стенд на базі широко розповсюдженого в Україні побутового холодильника ДХ-245 із приладами для реєстрації тиску і температури в найбільш характерних пунктах його компресорної системи.
На рис. 1 наведено діаграми зміни тиску в компресорній системі побутового холодильника (доза заправлення ізобутану становила 58,5г) при роботі компресора та після зупинки його термостатом з одночасним повним відключенням від електромережі.
Рис. 1. Діаграми зміни тиску в компресорній системі побутового холодильника при роботі компресора та після зупинки його термостатом з одночасним повним відключенням від електромережі: 1,4 - у лінії нагнітання; 2,3,5 - у лінії всмоктування
На рисунку барограми 1, 4 - у лінії нагнітання, 2,3,5 - у лінії всмоктування. Головне на рисунку: при роботі компресора у всмоктувальній лінії компресорної системи побутового холодильника створюється розрідження, а після його зупинки - тиск у ній стає надлишковим. У зв'язку із цим є очевидним наступний прогноз: витоки ізобутану з всмоктувальної магістралі компресорної системи при наявності в ній наскрізного ушкодження можуть відбуватися тільки після зупинки компресора як температурним реле, так і відключенням від електромережі, при роботі компресора атмосферне повітря буде надходити у всмоктувальну лінію. В лінії нагнітання надлишковий тиск спостерігається як при роботі, так і при стоянці компресора.
На основі статистичного аналізу визначена ймовірність відмов у роботі побутових холодильників через витоки в них ізобутану.
Для встановлення особливостей витоків ізобутану з компресорної системи холодильників і їх роботи за цими умовами зроблено аналіз реальних мікроушкоджень її магістралей, який показав, що найбільш розповсюдженими є пористі і тріщинуваті мікроушкодження – отримані їхні фотографії з використанням електронного мікроскопа при збільшеннях до 500х. Дослідження відповідно до поставлених завдань проведені з використанням фрагментів зазначених мікроушкоджень, які розміщалися в лініях нагнітання або всмоктування. Об’єми витоків ізобутану з лінії нагнітання через наскрізне ушкодження в ній визначали по зниженню рівня води в підключеному до нього через двопозиційний кран мірному циліндрі. Об’єми витоків ізобутану з всмоктувальної лінії під час стоянки компресора і надходячого в неї атмосферного повітря при роботі його визначали по довжині «пробігу» гліцеринових стовпчиків у полукапілярних прозорих трубках, приєднаних до мікроушкодження через двопозиційний кран.
При дозі заправлення компресорної системи холодильника ДХ-245 від 62 до 67г експериментально встановлено, що характер і інтенсивність витоків ізобутану з лінії нагнітання, наявність або відсутність їх залежать від виду мікроушкодження, від стану системи «ізобутан-компресорне мастило», від фазового стану холодоагенту.
Встановлено, що витік ізобутану з нагнітального патрубка компресора через наскрізне мікроушкодження відбувається шляхом пульсуючої дифузії тільки при його роботі: турбулентний рух робочого тіла виключає утворення на внутрішній поверхні магістралі непроникної для газу мастильної плівки. Під час стоянки компресора відбувається «замастилювання» внутрішньої поверхні нагнітального патрубка і, отже, вхідних отворів пор. Максимальна добова маса витоку ізобутану через пористе мікроушкодження становить близько 0,25г, а через тріщинувате – менш ніж 1,5г.
Довгострокові дослідження витоків ізобутану через пористе мікроушкодження в нагнітальному патрубку компресора, які відбувалися протягом 118 діб, показали істотні коливання, незалежно від початкової дози заправлення, добових об’ємів його виділення і тиску в лінії нагнітання, відсутність кореляційного зв'язку між ними. Найбільш імовірна причина зазначених проявів – відкладення щільних компонентів компресорного мастила, що підтверджується фотографією такого компонента при збільшенні 500х, на внутрішніх поверхнях магістралей компресорної системи в умовах дії сил адсорбції і поверхневого натягу та наступне їх «змивання» при роботі компресора. За даними досліджень, у цих умовах витоки ізобутану через пористе мікроушкодження можуть відбуватися протягом 1,5 років до початку режиму роботи компресора із КРЧ=1. Незалежно від початкової дози заправлення ізобутану в компресорній системі ДХ-245 (при дослідженнях вона змінювалася від 62 до 67г), його залишкова маса, при якій компресор починає безперервно працювати в режимі невідключення термостатом від електромережі, становить близько 57г.
Представлені на рис. 2 графіки відображають процеси в побутовому холодильнику при роботі його з витоками ізобутану з нагнітального патрубка компресора (початкова доза заправлення його 62 грама).
Рис. 2. Графіки зміни в часі (48 діб) наростаючих об’ємів виділення з нагнітального патрубка компресора через пористе мікроушкодження ізобутану (1), КРЧ (2), добової витрати електроенергії (3), тиску в лініях нагнітання (4) і всмоктування (5) перед зупинкою компресора, температури на поверхні випарника (6) у той же момент часу
У цьому випадку ,
, ,
, .
Холодильник почав працювати без відключення від електромережі після 27 діб досліджень, при залишковій масі ізобутану в системі близько 57г.
Аналогічні, але більш швидкоплинні процеси відбуваються при роботі холодильника з витоками ізобутану з нагнітального патрубка компресора через тріщинувате мікроушкодження.
При переустановці пористого мікроушкодження на ділянку лінії нагнітання між конденсатором і фільтром-осушувачем витік ізобутану з неї не відбувається також і при роботі компресора: не проявляється дія капілярних сил для робочого тіла, що перебуває в рідкому стані, - взаєморозчинних ізобутану і компресорного мастила.
При переустановці тріщинуватого мікроушкодження на ділянку лінії нагнітання між конденсатором і фільтром-осушувачем відбувається його руйнування внаслідок циклічного впливу рідкого робочого тіла вже на початку першої години роботи компресора – утворюється макроушкодження, через яке виділяються в мірний циліндр газоподібний ізобутан і компресорне мастило. Втрата ізобутану з компресорної системи (початкова доза заправлення 67г) до критичної маси – близько 57г відбувається протягом однієї години роботи холодильника, наслідок чого – КРЧ=1 і зниження температури на поверхні випарника майже на 5оС. Протягом 4-х годин аварійної роботи холодильника втрата маси ізобутану з компресорної системи становить близько 26г. При цьому , , , , температура в холодильній камері .
Основні особливості роботи побутового холодильника з витоком ізобутану з лінії нагнітання полягають в зниженні тиску в компресорній системі і температури на поверхні випарника.
Аналогічні дослідження були проведені при наявності наскрізного ушкодження у всмоктувальній лінії холодильної машини при використанні реального дефектного фрагменту із розмірами на рівні нижнього порога макроушкодження. Зроблене раніше прогнозне припущення виявилося вірним: при роботі компресора у всмоктувальну лінію надходить зовнішнє атмосферне повітря, при стоянці його відбувається виділення з неї ізобутану. За відомими довжинами «пробігу» гліцеринових стовпчиків у газовій і повітряній лініях вимірювального пристрою визначені об’єми витоку ізобутану з всмоктувальної лінії та надходження в неї атмосферного повітря і, як результат, визначено величини їхньої маси. При дослідженнях встановлена можливість «промерзання» у випарнику морозильної камери наскрізного ушкодження (з розмірами прохідних каналів на рівні нижнього порога макроушкодження), припинення у зв'язку із цим витоків з нього ізобутану і надходження в компресорну систему атмосферного повітря (у холодильній камері це неможливо, тому що в ній постійно підтримується плюсова температура).
Представлені на рис. 3 графіки відображають процеси в побутовому холодильнику при роботі його з наскрізним ушкодженням у всмоктувальній лінії (початкова доза заправлення ізобутану 67г).
Рис. 3. Графіки зміни в часі наростаючих об’ємів виділення з випарника ізобутану (1), надходження в нього атмосферного повітря (2), тиску в лінії нагнітання перед пуском (3) і зупинкою (4) компресора, у лінії всмоктування - відповідно, (5) і (6), температури перед зупинкою компресора на поверхні випарника (7) і в пакетах-імітаторах (8), добової витрати електроенергії (9), КРЧ (10)
У цьому випадку , - залежність від експериментальних значень , - залежність від теоретичних значень , .
Дослідження проводилися до початку роботи компресора холодильника із КРЧ=1. Робота холодильника з невідключенням від електромережі термостатом починається після витоку з компресорної системи через наскрізне ушкодження у випарнику 4,5г ізобутану і надходження в неї 1,5г атмосферного повітря. Максимальне добове виділення ізобутану з лінії всмоктування холодильної машини із зазначеним вище розміром наскрізного ушкодження близько 0,6г. Гранична маса ізобутану 4,5г, що виділилася на протязі декількох діб циклічної роботи холодильника, створює теоретично (при рівномірному розподілі в повітрі) вибухонебезпечну концентрацію в морозильній камері і не створює її в холодильній камері.
Основні відмінні риси роботи холодильника при наявності наскрізного ушкодження у всмоктувальній лінії – підвищення в компресорній системі тиску і зниження температури на поверхні випарника. Зменшення маси ізобутану в компресорній системі через його витік призводить до зниження тиску робочого тіла, а надходження в неї атмосферного повітря, що, на відміну від ізобутану, не конденсується, – до підвищення тиску. Переважним фактором, що впливає на зміну тиску в компресорній системі, є підсмоктування в неї атмосферного повітря. Зниження температури на поверхні випарника, як і збільшення КРЧ, обумовлені не тільки зменшенням маси ізобутану в компресорній системі, але також погіршенням термодинамічних властивостей робочого тіла через додавання до нього атмосферного повітря. Зазначена маса ізобутану 4,5г є граничною для виділення холодоагенту з лінії всмоктування компресорної системи з оптимальною дозою заправлення його 67г: з початком роботи компресора в режимі невідключення від електромережі в неї підсмоктується атмосферне повітря, збільшення маси якого приводить до подальшого підвищення тиску робочого тіла.
Розкривають причину підвищення тиску в лінії нагнітання при роботі холодильної машини з наскрізним ушкодженням у лінії всмоктування та зниження при цьому температури на поверхні випарника дані, отримані експериментальним шляхом (рис.3) і розрахунковим методом. У конденсаторі при наявності атмосферного повітря і появі рідкої фази ізобутану загальний тиск Р газової суміші становлять величини тиску повітря Рв і насичених пар холодоагенту : Р=Рв+ . Величина Р визначається за показаннями манометра в лінії нагнітання між компресором і конденсатором, - за наявними довідковими даними залежно від вимірювальної температури конденсації холодоагенту. У розрахунках враховується стискальність ізобутану при різних значеннях температури насичення. За результатами математичної обробки довідкових даних, коефіцієнт стискальності насиченого газоподібного ізобутану . Коефіцієнт стискальності повітря при величинах тиску до 106 Па дорівнює одиниці з погрішністю менше 1%.
Концентрація ізобутану в молярних відсотках у суміші з повітрям
, (1)
де і - кількість моль, відповідно, ізобутану і повітря в суміші.
Величини та визначаються з рівнянь
, (2)
. (3)
При цьому
, (4)
або з урахуванням
, (5)
звідки після відповідних перетворень
(6)
і, отже, . (7)
У підсумку виконання розрахунків отримані дані про процентне співвідношення ізобутану і повітря, що перебувають над шаром рідкого ізобутану в конденсаторі холодильної машини. У зв'язку зі збільшенням об’ємів витоків ізобутану з випарника побутового холодильника, надходження в нього атмосферного повітря відбуваються в лінії нагнітання зміни состава реальної газової суміші – концентрація ізобутану в молярних відсотках зменшується зі 100 до 60,6%, наслідком чого є зниження тиску насичених пар ізобутану – з 0,58 до 0,50МПа, температури його конденсації – з 42,3 до 36,7оС і підвищення абсолютного тиску робочого тіла – с 0,58 до 0,88МПа. Виявлена тенденція підвищення тиску в лінії нагнітання холодильної машини у зв'язку з підсмоктуванням атмосферного повітря у випарну лінію під час роботи компресора дає підставу зробити висновок про неприпустимість при цьому функціонування холодильника в режимі невідключення термостатом від електромережі. Надмірне підвищення тиску в лінії нагнітання може бути причиною руйнування її та компресора з виділенням назовні значної маси робочого тіла.
Отже, очевидне розходження термодинамічних процесів у побутових холодильниках при роботі їх з наскрізними ушкодженнями в лініях нагнітання і всмоктування. В обох випадках діагностичні ознаки роботи побутового холодильника з витоком ізобутану - підвищення КРЧ і добової витрати електроенергії, стабільне зниження температури на поверхні випарника. При роботі компресора із КРЧ=1 з лінії нагнітання через наскрізне ушкодження буде виділятися ізобутан до практично повного «вироблення» його з компресорної системи, а в лінію всмоктування через наскрізне ушкодження буде надходити атмосферне повітря, нестисливість якого обумовлює підвищення тиску в магістралях холодильної машини.
Розроблений і реалізований розрахунково-графічний метод визначення маси ізобутану і повітря у виділеної з усмоктувальної лінії в холодильну шафу газоповітряної суміші після примусової зупинки компресора з моменту початку його роботи із КРЧ=1. За основу прийняті результати експериментальних досліджень. У зв'язку зі збільшенням теплоприпливів у холодильну шафу, що не компенсуються роботою холодильної машини, виявилися неминучими фазові переходи холодоагенту у випарній лінії компресорної системи. Внаслідок кипіння ізобутану ріст тиску у випарній лінії виявився випереджальним в порівнянні з підвищенням тиску в лінії нагнітання. Точки з парними чисельними значеннями абсолютного тиску і температури в ті самі моменти часу виявляються на lgр-h – діаграмі для R600a лівіше прикордонної кривої х=0, тобто в області ненасиченої рідини. Опускаємо ці точки за відповідними ізобарами на зазначену прикордонну криву і визначаємо ізобари, що відповідають початку кипіння ізобутану. Отже, перше положення кожної розглянутої точки відповідає абсолютному тиску у випарнику газової суміші, друге – парціальному тиску газоподібного ізобутану над його рідкою фазою, а різниця величин тиску – парціальному тиску атмосферного повітря в реальній газовій суміші. Об'ємні ( ) і масові () частки кожного компонента в газовій суміші визначені за формулами, відповідно:
, (8)
, (9)
де - тиск i-того компонента, - тиск газової суміші, - молярна маса i_того компонента, молярна маса ізобутану і повітря, відповідно, 58 і 29г/моль.
Маса виділених з випарника ізобутану і повітря визначена за формулами, відповідно:
, (10)
, (11)
де V – об’єм (л) виділеної з випарника ізобутаноповітряної суміші, і – об'ємна частка, відповідно, ізобутану і повітря, і – щільність (г/л), відповідно, ізобутану і повітря.
Відповідно до розрахунків, об'ємна частка ізобутану в газовій суміші, що виділяється з випарника, підвищується протягом біля 55-и годин від початку досліджень із 0,4 до 0,98 і втримується на максимальному рівні до кінця експерименту (залишковий тиск у компресорній системі 0,11МПа). За отриманими даними, в 8,9л ізобутаноповітряної суміші, що виділилася з випарника непрацюючого холодильника, маса ізобутану і повітря становить, відповідно, 17,7 і 1,48г. Відповідно до розрахунків, концентрація ізобутану в морозильній камері може перевищити верхню концентраційну межу займистості, у холодильній камері може перебувати в концентраційних межах займистості - за умови його рівномірного розподілу в їхньому об’ємі. Отже, якщо при циклічній роботі холодильника (початкова доза заправлення холодоагенту 67г), що має наскрізне ушкодження в лінії усмоктування, маса ізобутану, яка виділяється з компресорної системи до настання режиму невідключення компресора термостатом від електромережі, не перевищує 4,5г, то після примусової зупинки холодильної машини з випарної системи виділяється ще маса його 17,7г. Загальна маса ізобутану, що виділилася, - близько 1/3 від дози заправлення. Вищевикладене необхідно враховувати при підготовці аварійно працюючого холодильника (КРЧ=1) до сервісного обслуговування.
У третьому розділі роботи представлено результати дослідження особливостей формування і горіння ізобутаноповітряної суміші при витоках холодоагенту з компресорної системи побутового холодильника. Теплові імпульси створювалися газовими електрозапальничками, процеси запалення і горіння ізобутану в місцях його витоку реєструвалися відеокамерою - у роботі представлені характерні стоп-кадри екзотермічних процесів від їхнього початку до завершення. Установлені з урахуванням специфіки конструкції і роботи побутових холодильників невідомі раніше явища: відшарування ізобутану від малорухомого атмосферного повітря в закритій ємності - аналог охолоджуваного відділення холодильної шафи (10г його відшаровуються від повітря протягом часу біля 2-х хвилин, після чого виключається запалююча дія теплового імпульсу в шарі «розливу» і над ним), «витікання» його вниз безперервною масою зі швидкістю близько 0,07м/с у звичайних для приміщень мікрокліматичних умовах при відкриванні її, горіння після спалаху від зовнішнього джерела запалювання в руслі «витікання», поширення полум'я зі швидкістю близько 2м/с зверху вниз, близько 2,5м/с знизу нагору – залежно від місця знаходження теплового імпульсу, догорання ізобутаноповітряної суміші в ній з викидом полум'я назовні, зсув русла «витікання» і горіння газу зовнішнім вентиляційним струменем, що має швидкість 0,4м/с і більше (гранична швидкість для приміщень 0,6м/с), у напрямку її руху, «стікання» його в компресорно-конденсаторному відділенні холодильника від місця безнапірного витоку на підлогу і «розтікання» по ньому, незважаючи на наявність теплової депресії при роботі компресора і обумовленого нею висхідного руху повітря зі швидкістю близько 0,25м/с. За даними досліджень, маса ізобутану 10г «випливає» з ємності, що відкрилася, протягом не більше 10с (час, на який в реальних умовах відкривають двері холодильної шафи). Природно, протягом цього часу зазначена в другому розділі роботи маса холодоагенту 0,6 і 4,5г (максимальна добова і гранична при циклічній роботі холодильної машини) повністю «витече» із охолоджуваного відділення, що відкрилося. При цьому «витікаючий» ізобутан здатний спалахнути від теплового імпульсу, віддаленого від відкритого прорізу ємності: по вертикалі вниз - при швидкості горизонтального вентиляційного струменя в площині прорізу до 0,4м/с, на вертикальному контурі його з підвітряної сторони при швидкості її близько 0,6м/с; при збільшенні швидкості повітряного потоку від 0,4 до 0,6м/с русло «витікання – видування» і горіння ізобутану розвертається на 90о за ходом його руху. Процеси запалення і горіння ізобутаноповітряної суміші досить швидкоплинні: тривалість згоряння 10г ізобутану деяким більше 2с. Зазначена в другому розділі роботи максимальна добова маса витоку ізобутану менше 1,5г з нагнітального патрубка компресора через тріщинувате мікроушкодження і навіть масу його 10г (зі слідами компресорного мастила), що виділяється протягом однієї години з лінії нагнітання на ділянці між конденсатором і фільтром-осушувачем, не створює небезпеки утворення з повітрям вибухонебезпечної концентрації внаслідок розтягнутості газовиділення в часі, протягом якого ізобутан встигає опуститися вниз, «розтектися» по підлозі і розсіятися в навколишньому просторі. За даними досліджень, час розведення 10г «витікаючого» ізобутану до безпечної концентрації обчислюється десятками секунд при швидкості руху зовнішнього повітря близько 0,1м/с. Експериментально встановлено, що в цей проміжок часу можливе запалення «розтікаючого» по підлозі ізобутану від теплового імпульсу біля фронтальної поверхні холодильника, поширення полум'я під днищем з викидом його в компресорно-конденсаторне відділення. Отже, ізобутан при мікровитоках з лінії нагнітання компресорної системи не накопичується під холодильником і поблизу нього - у нормальних умовах експлуатації, не виноситься в навколишній простір висхідним повітряним потоком внаслідок прояву теплової депресії при роботі холодильної машини. Таким чином, наявність мікроушкоджень у лінії нагнітання компресорної системи побутових холодильників не знижує рівень їх вибухопожежобезпеки. Очевидна помилковість закладеного в європейських стандартах положення про допустимість заправлення компресорної системи побутової холодильної техніки 150г ізобутану на тій підставі, що у випадку його витоку він рівномірно розподілиться в об’ємі приміщення, де вона встановлена, до концентрації менше нижньої межі займистості. У зв'язку з тим, що виділена з випарної системи циклічно працюючого холодильника гранична маса ізобутану 4,5г (при початковій дозі заправлення 67г) не створює вибухонебезпечну концентрацію в повітрі холодильної камери (за умови рівномірного розподілу в ньому), опускається в її донну частину, а при відкриванні дверей «випливає» назовні, очевидна допустимість розміщення у верхній частині її електротехнічних виробів без засобів вибухозахисту. У зв'язку з імовірністю макровитоків ізобутану з лінії нагнітання і неминучим «стіканням» його вниз, клемна колодка і пускозахисне реле можуть виявитися у випадку їхнього ушкодження джерелом запалення ізобутаноповітряної суміші - їх декларуємий вибухозахист не має обґрунтування.
Четвертий розділ дисертації присвячено дослідженням пожежонебезпеки при запаленні і горінні ізобутану, «витікаючого» з холодильної машини на різних її ділянках.
Зроблено аналіз і узагальнення даних про властивості ізобутану як вибухопожежонебезпечної речовини. Отримано робоче рівняння для розрахунку теплового ефекту реакції окислювання ізобутану при різних значеннях температури (справедливо до Т=1000К). Питоме тепловиділення при згорянні ізобутану 45,56МДж/кг, при повнім згорянні маси ізобутану від 40 до 75г (доза заправлення компресорної системи вироблених у Європі холодильників) загальне тепловиділення може скласти від 1,82 до 3,42МДж.
Проведено дослідження температурних полів у зонах горіння ізобутану і робочого тіла при витоках у лініях, відповідно, всмоктування і нагнітання компресорної системи. Термографічна зйомка (одночасно з відеозйомкою) виконувалася з використанням тепловізорів IR Flex Cam Pro 320 і ISG K 6800 (виробництво США). Горіння протягом 1,6с 10г ізобутану, що випливає з відкритої морозильної камери, не викликає термічну деструкцію щільних шторних тканин, що знаходяться в полум'ї з температурою 477,9…612,8оС біля фронтальної поверхні холодильника (природно, дерево і пластик у цих умовах не займаються). Отже, згоряння зазначеної маси ізобутану, що більш ніж у два рази перевищує можливу масу витоку холодоагенту (4,5г) з лінії всмоктування працюючого холодильника до настання режиму невідключення компресора термостатом від електромережі, не створює небезпеки виникнення пожежі (є небезпека одержання опіків). Доведено термографуванням і відеозйомкою, що при одномоментній повній розгерметизації нагнітальної лінії працюючої холодильної машини (руйнування тріщинуватого мікроушкодження гідропульсацією, під дією надмірного тиску робочого тіла при наявності в ньому повітря) відбуваються займання від джерела запалювання при температурі близько 270оС викидаємого з неї компресорного мастила, наступне горіння на повітрі ізобутано-мастильного аерозолю і потім ізобутаноповітряної суміші (температура у вогнищі горіння 498,23…514,98оС). Отже, розчинність ізобутану в компресорному мастилі впливає на вибухопожежонебезпеку, але не убік зменшення її, як вважають деякі фахівці, а убік істотного зниження нижньої температурної межі займистості робочого тіла. Показано, що при горінні на повітрі робочого тіла, що витісняється компресором з лінії нагнітання при її повній розгерметизації, температура біля задньої панелі холодильника перевищує 665оС, внаслідок чого протягом 20...26с відбувається термічна деструкція поверхневого шару теплоізоляції - виникає вогнище пожежі. Горіння робочого тіла може відбуватися до практично повного «вироблення» його з холодильної машини (тепловий захист компресора не спрацьовує), при цьому вибухові прояви відсутні.
У п'ятому розділі дисертації сформульовано з урахуванням результатів виконаних досліджень концептуальну основу підвищення надійності та безпеки побутових холодильників, які працюють на ізобутані. Показано необґрунтованість і марність застосування в сучасних моделях холодильників засобів захисту наявних електротехнічних виробів як потенційних джерел небезпечного теплового імпульсу, можливість забезпечення вибухозахисту при використанні деяких з них компонованими рішеннями: вони повинні перебувати вище місць можливого витоку ізобутану з компресорної системи. Запропоновано конструкцію герметичного компресора (захищена деклараційним патентом України) з розміщенням пускозахисного реле на верхній частині холодильної шафи (під сервіровочною площиною) або в коробці вилки штепсельного рознімання. Розроблені і представлені відповідні принципові електричні схеми побутового холодильника з винесеним з кожуха компресора пускозахисним реле. Накопичення ізобутану в холодильній шафі при витоках його з лінії усмоктування під час стоянок компресора можна виключити влаштуванням у холодильній шафі дренажних каналів для «стоку» його в навколишній простір і розсіювання в ньому (конструкція холодильної шафи із дренажними каналами захищена деклараційним патентом України). Результати проведених досліджень із відеозйомкою свідчать про можливість «перетікання» ізобутану по каналам діаметром 6 мм під дією гравітаційних сил, горіння створюваної газоповітряної суміші біля устя його спалахами при наявності тут джерела запалювання (швидкість згоряння ізобутану набагато перевищує швидкість перетікання по каналу і утворення з повітрям горючої суміші) і неможливості поширення по ньому полум'я - полум'я не проскакує по дренажному каналу.
ВИСНОВКИ
У дисертації представлені експериментальні дані і теоретичні узагальнення для створення комплексної науково-технічної основи прогнозування і виключення аварійних ситуацій, пов'язаних з витоками ізобутану з компресорної системи побутових холодильників. При цьому встановлено наступне.
1. Характер та інтенсивність витоків ізобутану з лінії нагнітання, наявність або відсутність їх залежать від виду мікроушкодження (пористе або тріщинувате), стану системи «ізобутан - компресорне мастило», фазового стану холодоагенту.
2. Наявність у лінії нагнітання пористого мікроушкодження не представляє небезпеки взагалі, тріщинувате мікроушкодження в ній може руйнуватися під дією пульсацій робочого тіла і перетворюватися в макроушкодження: прогресуючий витік робочого тіла відбувається під дією перепаду тиску; існує можливість «промерзання» наскрізного пошкодження у випарнику морозильної камери.
3. Особливість роботи побутового холодильника з витоком ізобутану з лінії нагнітання - зниження тиску в компресорній системі і температури на поверхні випарника, роботи його при наявності наскрізного ушкодження в лінії всмоктування - підвищення тиску в нагнітальній лінії внаслідок підсмоктування атмосферного повітря (при цьому змінюються склад і властивості холодоагенту) і зниження температури на поверхні випарника.
4. Холодильна машина з оптимальною дозою заправлення ізобутану 67г починає працювати із КРЧ=1 у випадку витоку його з лінії нагнітання при залишковій масі 57г, а у випадку витоку з лінії всмоктування - при втраті маси 4,5г і підсмоктуванні 1,5г атмосферного повітря, причому зазначена маса ізобутану, що виділяється, гранична: при роботі компресора в режимі невідключення від електромережі в систему надходить повітря, неконденсуємість якого обумовлює небезпеку руйнування лінії нагнітання більшим надлишковим тиском робочого тіла.
5. Можливе накопичення значної маси ізобутану (не менш 1/3 оптимальної дози заправлення для ДХ-245) у донної частини закритих відділень холодильної шафи непрацюючого побутового холодильника, що має наскрізне ушкодження в блоці випарників, згоряння якої створює реальну термічну небезпеку.
6. При безнапірному витоку з компресорної системи, ізобутан «стікає» вниз навіть у висхідному повітряному потоці, що свідчить про помилковість установлення граничної дози заправлення ізобутану в компресорній системі (до 150г), виходячи із припущення про рівномірний розподіл його у випадку витоку в об’ємі приміщення, у якому вона перебуває.
7. Згоряння при функціонуванні холодильника «витікаючого» з холодильної шафи ізобутану (можливе займання його від зовнішнього теплового імпульсу, місце небезпечного знаходження якого залежить від напрямку і швидкості вентиляційного струменя) не створює у зв'язку зі швидкоплинністю (не більше 2с) небезпеки виникнення пожежі, однак реальна небезпека отримання опіків; при розташуванні джерела теплового імпульсу біля місця ушкодження магістралі холодильної машини, що перебуває під надлишковим тиском, спочатку запалюються пари компресорного мастила при температурі близько 270оС, потім згоряють аерозоль та ізобутаноповітряна суміш; горіння в
