Підвищення ефективності сумісної роботи повітроохолоджувачів і компресорів суднових систем мікроклімату

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.08.05 Суднові енергетичні установки

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СУМІСНОЇ РОБОТИ ПОВІТРООХОЛОДЖУВАЧІВ І КОМПРЕСОРІВ СУДНОВИХ СИСТЕМ МІКРОКЛІМАТУ

Виконав Радченко Андрій Миколайович

Миколаїв 2005



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 та інжектора або регенеративного теплообмінника забезпечує експлуатацію випарника-повітроохолоджувача з вологою парою на виході, а компресора із сухою парою на вході. Для обґрунтування цієї гіпотези та вибору раціональних схемно-конструктивних рішень випарниково-компресорних вузлів виконано аналіз їхньої енергетичної ефективності при максимальних для кожного варіанта густинах теплового потоку в повітроохолоджувачах і відповідних оптимальних масових швидкостях холодоагенту в змійовиках з урахуванням сумісної роботи повітроохолоджувача та компресора. Встановлено, що багатоелементні випарниково-компресорні вузли ССМ, які включають випарник-повітроохолоджувач, компресор, відокремлювач рідини, регенеративний теплообмінник або інжектор, забезпечують підвищення густини теплових потоків у випарниках-повітроохолоджувачах на 35...40 % або холодильних коефіцієнтів на 10...20 %.

енергетичний судновий компресорний інжектор



1. 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.

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.

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 (сw)_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 (сw)_opt холодоагенту в його змійовиках. Встановлено, що при оптимальних значеннях масової швидкості (сw)_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 (сw)_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 %.

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 (сw)_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 (сw)_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.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

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 Дt₀ 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 Дt_п 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 q_max (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 х_гр, що відповідає осушенню стінки змійовиків В-ПО з переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії, та визначення оптимальної, якій відповідає q_max, масової швидкості холодоагенту (сw)_opt у змійовиках В-ПО з урахуванням х_гр і перегріву пари відносно диспергованої в ній рідини на ділянці поверхні В-ПО з х > x_гр. При знаходженні х_гр за основу було взято метод, розроблений Хьюіттом (Великобританія), який враховує вплив уносу й висадження крапель на товщину пристінної плівки рідини.

На наведені залежності масової швидкості рідини в пристінній плівці (w)_пл від поточного паровмісту x для R22 при t₀ = 0 єС і різних масових швидкостях двофазової суміші w у трубках В-ПО з внутрішнім діаметром d_вн = 8 мм. Точки перетину кривих із віссю х (при (w)_пл = 0) визначають початок осушення стінки х_гр0. Його завершенню відповідає граничний паровміст х_гр.

Як видно, збільшення w, тобто витрати холодоагенту через В-ПО (продуктивності компресора), викликає зменшення граничного паровмісту х_гр, а значить і більш раннє осушення змійовиків В-ПО. Оскільки при зміні температури кипіння t₀ у характерному для ССМ діапазоні від 10 до +10 єС продуктивність компресора збільшується приблизно в два рази, то в методиці теплового розрахунку та математичній моделі В-ПО обов'язково треба враховувати відповідне зменшення х_гр. Знайдені величини х_гр використовувалися при розрахунку максимальної густини теплового потоку q_max і відповідної їй оптимальної масової швидкості (сw)_opt.

Наявність максимуму густини теплового потоку q обумовлена наступним.

Із збільшенням сw коефіцієнти тепловіддачі при кипінні _a і теплопередачі k зростають, але зростає також гідравлічний опір ?P. Через обумовлений ним спад температури кипіння Дt₀ при фіксованій температурі кипіння на виході з випарника t₀₂ підвищується t₀₁ і, отже, зменшується температурний напір між охолоджуваним повітрям і киплячим холодоагентом. Протилежний вплив сw 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; R_з ? термічний опір забруднень і матеріалу стінки; - степінь оребрення; t_в1 і t_в2 ? 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 Дt₀ через гідравлічний опір ДР розраховується з рівняння Клаузіуса?Клапейрона

.



Тут r ? питома теплота фазового переходу; _п і _ж ? питомі об'єми пари і рідини.

Гідравлічний опір ДР 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 = Ф_ж²(dP/dZ)_ж,

де коефіцієнт пропорційності Ф_ж обчислюється зі співвідношення

Ф_ж = Ф_п/X_tt = X_tt¹+ 2,85X_tt^0,48,

в якому параметр Мартінеллі-Нельсона X_tt 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 = ж_ж(w)²(1 - х)²/(2d_внж),

де коефіцієнт тертя для турбулентної течії знаходиться за законом Блазіуса

ж_ж = 0,3164Re_ж^0,25,

Re_ж = (сw)(1 ? x)d_вн/_ж.



При певному значенні сw функція q = k має максимум. Цю масову швидкість (сw)_opt вважаємо оптимальною.

Характер зміни коефіцієнта теплопередачі k, температурного напору , спаду температури кипіння Дt₀ і густини теплового потоку q в залежності від масової швидкості сw для холодоагенту R22 при температурі кипіння t₀₂ = 0 єС, повітря на вході і виході t_в1 = 25 єС і t_в2 = 15 єС, степені оребрення = 16, d_вн = 8 мм.

На наведені густини теплового потоку: середня для всієї поверхні змійовика q, для зони інтенсивного кипіння q' (на ділянці змійовика зі змоченою поверхнею ? від входу до х_гр) і зони випаровування краплинної вологи в паровому потоці при сухій стінці q" (при х>х_гр). Значення (сw)_opt0 відповідає q'_max, а (сw)_opt q_max.

Як видно, екстремум залежності q = f(сw) досить пологий і допускає великі (більше 30 %) відхилення масової швидкості (сw) від оптимального значення (сw)_opt при незначному (менше 5 %) зниженні густини теплового потоку q в порівнянні з максимальною величиною q_max. Тому за величину оптимальної масової швидкості (сw)_opt можна прийняти її значення (сw)_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: t_в1, I_в1, G_в, G_а, х₁, t₀₁, Р₀₁, t_п, d_вн, d_н, L, .

Вихідні параметри: Q₀, q, t_в2, I_в2, 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 L_i. На кожній i-й ділянці з рівнянь теплового балансу по холодоагенту й повітрю і теплопередачі визначалися параметри повітря (температура t_вi+1, ентальпія I_вi+1), холодоагенту, кількість теплоти

Q_i = q_id_внdz,

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:

Q_i = q_id_внdz = 0,25рd_вн²(w)rdх.

Густина теплового потоку q_i знаходиться як

q_і = k_іі.

При цьому спад температури кипіння Дt_0і, який входить до _і, обчислюється за законом Клаузіуса?Клапейрона через гідравлічний опір ДР_і. На ділянці змійовика В-ПО зі змоченою рідиною поверхнею стінки (при х < x_гр) тепловіддача розраховується за рівняннями для киплячого холодоагенту, а на ділянці змійовика, зайнятій дисперсною сумішшю (при х > x_гр), ? як для чистої пари. До виразу для логарифмічної різниці температур и_i входить заздалегідь невідома температура повітря на виході з i-ї ділянки t_вi+1, яка залежить від теплового потоку Q_i на цій ділянці:

t_вi+1 = t_вi Q_i/(G_в·_н с_в).



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 = (I_в1 ? I_в2)/[с_в(t_в1 ? t_в2)],

де с_в ? теплоємність вологого повітря.

Оскільки до наведених вище залежностей для Q_i і t_вi+1 входить густина теплового потоку q_i, яка заздалегідь невідома, то процедура розрахунку включає ітераційний цикл по q_i.

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 х_гр, який відповідає осушенню стінки змійовика, і враховує перегрів пари Дt_п у дисперсній суміші щодо краплинної рідини на ділянці змійовика з х > x_гр.

Про ефективність використання поверхні В-ПО можна судити за значеннями локальних його параметрів, розрахованих за допомогою математичної моделі. Умови роботи В-ПО: t_в1 = 25 С і t_в2 = 15 С, t₀₂ = 0 С, на виході суха насичена пара (х₂ = 1,0). Як видно, при граничному паровмісті х_гр = 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". 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; з переохолодженням рідини високого тиску в РТО, змійовик якого обтікають усмоктувані компресором пари і в РТО, на поверхні змійовика якого кипить рідкий холодоагент, що накопичується у ВР.

Як видно, схема 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. У випадку схеми 2 переохолодження рідини в РТО було невеликим ? близько 10 єС. 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 q_Е з розрахунковими q_т. Результати порівняння наведені у вигляді відношення значень q_т і q_Е.

Як видно, розрахункові значення q_т задовільно узгоджуються з експериментальними q_Е: 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, 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 х_гр) і великими густинами теплового потоку q'. Другий це кінцевий ТО, в якому відбувається довипаровування крапель рідини в паровому потоці (х х_гр) 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 (сw)_opt) приблизно на 20 % менше, ніж q' у випарній частині.

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.

Робота В-ПО зі змоченою поверхнею може бути здійснена також шляхом рециркуляції в ньому рідкого холодоагенту, наприклад інжектором. Така схема забезпечує зростання q в порівнянні зі схемою 1 на 35...45 %. З підвищенням приріст q більш значний, тобто ефект від переходу на рециркуляцію зростає.

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 Р_вс (відповідно t₀) і, отже, зменшується степінь підвищення тиску Р_к/Р_вс 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 з приростом на 10...15 %. Схема 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 (сw)_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 (сw)_opt і дозволяє за останні приймати значення (сw)_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.



ПУБЛІКАЦІЇ

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. № 506 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.

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.

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.

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. 96-97.

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. 95-96.

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.

Размещено на Allbest.ru