1. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ШКАФА ХОЛОДИЛЬНИКА

• 2. Основные понятия и расчет теоретического цикла бытового компрессионного холодильника
• 3. Теплоизоляция шкафа холодильника, расчет толщины теплоизоляционного слоя
• 4. Устройство конденсаторов бытовых холодильников, расчет их конструктивных параметров
• 5. РЕАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ И СИЛОВЫЕ ФАКТОРЫ НАГРУЖЕНИЯ КОНДЕНСАТОРА В ХАРАКТЕРНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ И ОЦЕНКА ЕГО ПРОЧНОСТИ
• 6. Конструктивные особенности испарителей бытовых холодильников и расчет их параметров
• 7. Капиллярная трубка, расчет ее длины
• 8. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
• 9. Влияние режима работы на энергетические характеристики компрессора типа ХКВ для бытовых холодильников
• 10. Определение характеристик температурного поля герметичного компрессора ХКВ
• Библиографический список
• 1. Выбор конструктивных параметров и тепловой расчет шкафа холодильника
• Тепловой (калорический) расчет шкафа холодильника проводят для определения требуемой холодопроизводительности холодильного агрегата, обеспечивающей поддержание в камерах заданных температур.
• Основными исходными данными для калорического расчета являются емкости холодильной и морозильной камер (соответственно V_х и V_м , дм³), заданные (расчетные) температуры в камерах холодильника (t_х и t_м), а также их геометрические размеры и принятая конструкция шкафа.
• Расчет начинают с построения расчетной схемы шкафа холодильника с указанием всех необходимых параметров (рис. 1). Для удобства расчета обозначают каждую стенку шкафа через F_i.
• В целом, общий теплоприток к испарителям (испарителю) холодильника равен суммарному теплопритоку в холодильную и морозильную (или низкотемпературное отделение) камеры, Вт:
• Q=Q_х+Q_м, (1)
• где Q_х - сумма теплопритоков в холодильную камеру, Вт; Q_м - сумма теплопритоков в морозильную камеру, Вт.
• Сумму теплопритоков в каждую из камер холодильника определяют по формуле, Вт:
• , (2)
• где Q₁ - расход холода на теплопередачу через ограждения (стенки) камер, Вт; Q₂ - расход холода на охлаждение и замораживание продуктов, Вт; Q₃ - расход холода на охлаждение воздуха в камерах, Вт; Q₄ - расход холода на различные эксплуатационные нужды, Вт.
• (знак распространяется на стенки шкафа с различной толщиной теплоизоляции , температурного перепада t и площади F)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Рис. 1. Расчетная схема шкафа холодильника
• где k_p - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); F - поверхность ограждения камер по осям, измеряемая по средним линиям (рис. 1), м² (площадь определяется в зависимости от габаритных размеров по таблицам А.1 и А.2); t_н - расчетная температура воздуха снаружи холодильника, С; t_х - расчетная температура воздуха внутри холодильной камеры, С; t_м - расчетная температура воздуха внутри морозильной камеры, С.
• Согласно рекомендациям ИСО и ГОСТ 16317-87 на бытовые холодильные приборы при температуре окружающей среды 16 С (класс Н) или 18 С (класс Т) в режиме наименьшего охлаждения ни одна из трех температур характерных точек камеры охлаждения не должна быть ниже 0 С. Такое ограничение температуры устанавливается из условия обеспечения требуемой минимальной экономичности, так как понижение температуры на каждый лишний градус приводит к повышению затрачиваемой энергии.
• При температуре окружающего воздуха 32 С (класс Н) или 43 С (класс Т) в режиме «Холод» средняя температура в камере охлаждения должна быть не выше 5 или 7 С соответственно, а температуры трех характерных точек должны находиться в пределах 0…10 С. Данное ограничение обеспечивает возможность эксплуатации бытовых холодильников в различных климатических районах:
• t_н=32 С - для холодильников нормального исполнения (класс Н);
• t_н=43 С - для холодильников тропического исполнения (класс Т).
• Расчетная температура воздуха внутри камер t_х и t_м может быть определена как среднее арифметическое значение требуемых температур в геометрических центрах холодильной и морозильной камер.
• Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м²К), внешнего ограждения камер холодильника в зависимости от постановки задачи либо выбирают как расчетное (рекомендуемое) значение (табл. А.3), либо определяют по формуле:
• , (4)
• (знак суммы говорит о наличии нескольких слоев ограждения; однако обычно стенки камер и корпуса шкафа не учитывают, так как они представляют очень незначительное термическое сопротивление в сравнении со слоем теплоизоляции)
• где _н и _в - коэффициенты теплоотдачи соответственно от наружного воздуха к внешним стенкам шкафа и от внутренних поверхностей стенок шкафа к воздуху камер, Вт/(м²К); - толщина слоя ограждения стенки шкафа, м; - коэффициент теплопроводности слоя ограждения, Вт/мК (значения коэффициента теплопроводности материалов, используемых в качестве теплоизоляции, приведены в таблице А.4).
• По результатам экспериментов Васильковского завода холодильников (Украина) принимают _н = _в = 11,63 Вт/(м²К). По другим данным [5] _н =3,0…4,0 Вт/(м²К), _в =1,2…1,5 Вт/(м²К).
• Расход холода на охлаждение и замораживание продуктов, Вт:
• где G_х - количество продуктов, помещающихся в холодильной камере, кг/сут; G_м - количество продуктов, помещающихся в морозильной каме-ре, кг/сут; i_н - начальное теплосодержание продуктов, определяемое при температуре окружающей среды (табл. А.5), кДж/кг; i_х, i_м - конечное теплосодержание охлаждаемых и замораживаемых продуктов при соответствующих температурах, кДж/кг.
• В соответствии с ГОСТ 16317-87 G_х и G_м определяются исходя из того, что мощность замораживания продуктов в холодильных приборах должна быть на каждые 10 дм³ морозильной камеры, не менее: для компрессионных однокамерных холодильников - 0,5 кг/сут; для компрессионных двухкамерных холодильников - 0,7 кг/сут; для компрессионных морозильников - 1,0 кг/сут. Мощность охлаждения продуктов в холодильных камерах должна быть не менее 0,5 кг/сут на каждые 10 дм³ объема хо-лодильной камеры.
• C учетом выше изложенного, кг/сут:
• где V_м, V_х - объем морозильной и холодильной камер, дм³; P_м, P_х - мощность замораживания и охлаждения продуктов, кг/сут.
• Конечная температура охлаждения продуктов может быть взята 5 С, а замораживания -15 С. Для упрощения расчетов в качестве продукта выбирают обычно масло сливочное.
• Расход холода на охлаждение воздуха в холодильной и морозильной камерах, Вт:
• ,
• ,
• где a_x и a_м - кратность смены воздуха соответственно в холодильной и морозильной камерах (a_x=10...15; a_м=2...3 в сутки); V_x, V_м - объем холодильной и морозильной камер, м³; _х, _м - плотность воздуха камер, кг/м³ (табл. А.6); i_нв - теплосодержание воздуха, окружающего холодильник (снаружи), кДж/кг (табл. А.7); i_хв, i_мв - теплосодержание воздуха в холодильной и морозильной камерах холодильника, кДж/кг (табл. А.7).
• Теплосодержание воздуха выбирают в зависимости от его относительной влажности , значение которой определяют из таблицы А.8.
• Расход холода на разные эксплуатационные нужды (на охлаждение лампочки электроосвещения, воздуха, поступающего через неплотности и др.) трудно выразить аналитически, поэтому в бытовых холодильниках он может быть взят в размере 20 % от основных теплопритоков через ограждения камер Q₁, Вт, т.е.
• Q₄=0,2Q (8)
• Из рассмотренных теплопритоков в бытовых холодильниках наибольшее значение имеют Q₁ и Q₂. Остальные теплопритоки Q₃ и Q₄ обычно не превышают 10-15 % от общего расхода холода Q.
• Требуемая холодопроизводительность холодильного агрегата Q_О, Вт:
• , (9)
• где В - коэффициент рабочего времени (в соответствии с ГОСТ 16317-87 в установившемся режиме работы КРВ должен быть не более 0,9. Для расчетов обычно принимают В = 0,5...0,7).
• Следует отметить, что при расчете холодильников используют два основных режима работы: номинальный и стандартный. Номинальный режим служит для определения расхода электроэнергии при температуре окружающего воздуха, характерной для среднегодовых условий эксплуатации (значение номинального расхода электроэнергии указывается заводом-изготовителем в паспорте холодильника). Для номинального режима работы холодильников обоих исполнений (умеренного и тропического) установлены средние значения температуры окружающего воздуха t_окр=25 С и температуры в холодильной (плюсовой) камере t_х=5 С. Стандартный режим служит для оценки температурно-энергетических показателей аппаратов. Стандартные условия испытаний холодильников в исполнении для умеренного климата: t_окр=32 С, t_х=5 С, в исполнении для тропического климата: t_окр=43 С, t_х=7 С [5].

2. Основные понятия и расчет теоретического цикла бытового компрессионного холодильника

Рассмотрим теоретический цикл холодильного агрегата компрессионного холодильника с одним дроссельным устройством (капиллярной трубкой). Такая конструкция холодильного агрегата применяется в однокамерных холодильниках с одним испарителем в низкотемпературном отделении или в двухкамерных холодильниках с двумя испарителями (один в холодильной камере, второй - в морозильной), когда испарители соединены последовательно (вначале, обычно, испаритель морозильной камеры, в котором происходит основное кипение холодильного агента, затем испаритель холодильной камеры, в котором происходит докипание хладагента). Причем в этом случае капиллярная трубка располагается на входе в испаритель морозильной камеры, из которого хладагент поступает в испаритель холодильной камеры по соединительной трубке с нормальной пропускной способностью, не создающей падения давления и эффект дросселирования. Таким образом, кипение хладагента в обоих испарителях происходит при одинаковом давлении кипения Р_о.

Расчет теоретического цикла ведется в следующем порядке. Задаются режимом работы холодильника:

– температура кипения t_О, С;

– температура конденсации t_к, С;

– температура всасывания паров хладагента на входе в кожух компрессора t_вс, С;

– температура переохлаждения жидкого хладагента на входе в капиллярную трубку (на выходе из конденсатора) t_п, С.

Строится цикл в диаграмме i-lgP или S-T (рис. 2.1; диаграмма i-lgP для хладона R12 приведена в приложении Б.1). По диаграмме i-lgP и по таблицам для сухого насыщенного и перегретого пара, приведенных в приложении Б, определяются параметры точек, необходимые для расчета (табл. 2.1). Данные по хладагентам (R134а и АСТРОН 12) приведены в приложении Г.

Таблица 1

Параметры узловых точек

В бытовых холодильниках применяют конденсаторы с воздушным охлаждением (с естественным движением воздуха (конвективным) со скоростью до 2…3 м/с или принудительным от вентилятора со скоростью более 3 м/с).

Проволочно-трубные (ребристотрубные) конденсаторы представляют собой плоский змеевик из стальной трубы с наружным диаметром 4,8...6,5 мм и толщиной стенки 0,8...1,0 мм (реже из медной трубки с внутренним диаметром 3…4 мм), к которому с обеих сторон друг против друга приварены точечной электросваркой стальные прямые отрезки проволоки диаметром 1,0...2,5 мм, коэффициент оребрения K_ор =3,0...10.

В производстве встречаются два варианта: с горизонтальными трубами и вертикальными ребрами; с вертикальными трубами и горизонтальными проволоками.

Листотрубный щитовой конденсатор представляет собой стальной лист с просечками, к которому припаян или прикреплен скобами змеевик из медной трубки диаметром 5,0 мм и толщиной стенки 1,0 мм. Толщина листа 0,5...1,0 мм. Шаг труб в змеевике 35...60 мм, коэффициент оребрения K_ор =7,0...10.

Применяют также прокатно-сварные конденсаторы из алюминиевых листов толщиной 1,5 мм. Конденсаторы бытовых холодильников характеризуются относительно большой массовой скоростью движения хладона в трубках: 5,0…10 кг/(м²с).

Расчет конденсаторов заключается в определении площади их теплопередающей поверхности F_к по формуле, м²:

 , (22)

где Q_к - тепловая нагрузка на конденсатор, Вт (определяется из расчета теоретического цикла); - плотность теплового потока, Вт/м²; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); - средняя логарифмическая разность температур между охлаждаемым воздухом и конденсирующимся хладоном, град.

Плотность теплового потока для конденсаторов с естественным движением воздуха q_F=90…120 Вт/м², для прокатно-сварных конденсаторов q_F=175 Вт/м², для конденсаторов с принудительным движением воздуха q_F=290…525 Вт/м² при скорости воздуха 4…5 м/с [9].

Значение определяется по формуле, С:

, (23)

где и - разность температур воздуха и хладагента соответственно на входе и выходе из конденсатора, С.

В практических расчетах, вследствие небольшого изменения температур воздуха и хладагента, логарифмическая разность может быть заменена средней арифметической разностью =12…14 С (при скорости движения воздуха =4…5 м/с =10 С).

Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле, Вт/(м²К):

, (24)

где _х - коэффициент теплоотдачи от холодильного агента к стенке трубы (для R12 значения _х=120…230 Вт/(м²К)) [9]; _в - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воздуху (для расчета принимают _в=23…93 Вт/(м²К)) [9]; - толщина стенки трубы, м; - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(мК) (табл. В.1).

Коэффициент теплоотдачи _в зависит от ориентации конденсатора в пространстве и определяется по критериальным уравнениям соответственно:

- для конденсаторов, расположенных в горизонтальной плоскости:

Nu=0,39Gr^0,23; (25)

- для конденсаторов, расположенных в вертикальной плоскости:

Nu=0,46Gr^0,23, (26)

где Nu - критерий подобия Нуссельта.

(27)

где - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК) (табл. В.2); Gr - критерий подобия Грасгофа.

, (28)

где d_н - наружный диаметр трубы змеевика конденсатора, м; t_п - температура поверхности конденсатора, С; t_окр - расчетная температура окружающей среды, С; - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с (табл. В.2).

Температуру поверхности конденсатора t_п определяют по следующей зависимости, С:

, (29)

где t_к - температура конденсации паров хладагента, С.

С точностью, достаточной для инженерных расчетов, коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности конденсатора в окружающую среду _в может быть также определен по уравнениям, Вт/(м²К):

- для конденсаторов с горизонтальным расположением труб:

_в =11,2+0,1t; (30)

- для конденсаторов с вертикальным расположением труб:

_в =9,2+0,06t, (31)

где t =(t_к -t_окр) - температурный напор, С.

Данные уравнения справедливы для диапазона t =(5…30) С.

Обычно коэффициент теплопередачи находится в пределах: k=20…50 Вт/(м²К) - для конденсаторов с принудительным движением воздуха; k=9…12 Вт/(м²К) - для конденсаторов с естественным движением воздуха [9].

В зарубежных литературных источниках приводится эмпирическая формула для определения коэффициента теплопередачи конденсатора ком-прессионного холодильника k, Вт/(м²К):

k=5,47(t_п -t_окр)^0,25. (32)

Требуемая площадь поверхности змеевика конденсатора F_зк , м²:

, (33)

где K_ор - коэффициент оребрения.

Длина змеевика конденсатора L_зк, м:

, (34)

где d_к =0,5(d_н + d_вн)=(d_н-) - средний диаметр змеевика конденсатора, м; d_н - наружный диаметр трубы змеевика конденсатора, м; d_вн - внутренний диаметр трубы змеевика конденсатора, м; - толщина стенки трубы змеевика конденсатора, м.

Площадь дополнительной теплопередающей поверхности конденсатора (ребер или листа) F_к.доп, м²:

F_к.доп = (F_к - F_зк). (35)

Отсюда, общая длина ребер ребристотрубного конденсатора L_к.р , м:

, (36)

где d_р - диаметр ребер конденсатора, м.

5. Реальные тепловые и силовые факторы нагружения конденсатора в характерных режимах работы холодильных агрегатов и оценка его прочности

Тепловая нагрузка на конденсатор определяется режимом работы, обусловливающим соответствующие значения термодинамических характеристик и агрегатное состояние рабочего тела. Как правило, в конденсатор (в условиях холодильной машины) поступает перегретый пар. В случае, если в конденсаторе происходит переохлаждение хладона, то из аппарата выходит переохлажденная жидкость.

Весовой расход холодильного агента, кг/с

, (37)

где Q_к - тепловая нагрузка на конденсатор (определяется из расчета теоретического цикла) - для бытовых холодильников Q_к = 200…300 Вт; i₂, i₃ - энтальпия хладона на входе и на выходе конденсатора (для расчетов энтальпию определить из справочных таблиц для t_K = 55 С).

При исследовании водяного конденсатора массовый расход охлаждающей среды, кг/с:

G_ОХЛ =, (38)

где с_Р - удельная теплоемкость охлаждающей среды, кДж/кгК (табл. 2); - температура охлаждающей среды на входе и на выходе конденсатора, ^оС.

Таблица 2

Удельная теплоемкость воды

Если в качестве охлаждающего тела используется воздух окружающей среды, то среднелогарифмическая разность температур определяется по формуле, С:

, (39)

где t₂, t₁ - соответственно температура воздуха на выходе и на входе в конденсатор (температуру t₁ можно принять равной температуре окружающего воздуха t_ОКР), С; t_н - температура наружной поверхности стен-ки, С.

Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха _В производят через критерии Рейнольдса и Нуссельта.

Критерий Рейнольдса определяют по формуле:

Re = w_Вd_н/, (40)

где w_В - скорость воздуха (в условиях естественной конвекции w_В 1,5/с); d_н - наружный диаметр труб конденсатора, м; - кинематическая вязкость воздуха, м/с² (табл. 3).

Таблица 3