Метод формирования структуры. определения основных проектных параметров и анализа эффективности парокомпрессионных холодильных систем

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В мире производится и потребляется большое количество холодильных машин, отличающихся типом, назначением, составом оборудования и условиями эксплуатации.

Парк действующих холодильных машин в России насчитывает более 70 млн. единиц, которые потребляют 15 % вырабатываемой в стране электроэнергии. Наибольшее распространение получили парокомпрессионные холодильные системы. Ежегодно в России вводится в эксплуатацию около 6 миллионов холодильных машин различного назначения холодильной мощностью от долей до десятков тысяч киловатт, а также кондиционеров и бытовых холодильников.

Обеспечение конкурентоспособности постоянно требует повышение энергетической, эксплуатационной и экономической эффективности холодильных систем. Ключевое место в этом занимает совершенствование методов проектирования холодильных систем, представляющих сложный многоуровневый комплекс взаимодействующих между собой элементов.

Повышение эффективности разрабатываемых холодильных систем требует всестороннего обоснования выбора рабочих веществ, термодинамических циклов, принципиальных схем, типов базового оборудования, значений множества независимых параметров.

Традиционные методы проектирования трудоемки и малоинформативны. С учетом многообразия проектируемых холодильных систем и множества возможных технических решений для выполнения требований поставленных задач необходима реализация адекватных математических моделей, носящих универсальный характер, позволяющих выполнять  многовариантные расчеты, проводить численное исследование и оценку эффективности альтернативных холодильных систем по заданным целевым функциям (энергетической, экономической и др.).

При подтверждении адекватности модели по ограниченному числу экспериментальных точек численный эксперимент может кардинально сократить объем испытаний создаваемых холодильных машин.

Известные программы расчета и побора оборудования холодильных машин этим требованиям не отвечают. Их область применения строго ограничена конкретными видами принципиальных схем, набором холодильных агентов, конкретным базовым оборудованием. Не проводится расчет характеристик систем в диапазоне рабочих температур.

В связи с изложенным, в настоящей работе поставлена задача совершенствовать метод проектирования холодильных систем с целью повышения их эффективности.

Цель работы Совершенствование метода проектирования холодильных систем с целью повышения их эффективности.

Задачи работы

1. На основании системного подхода разработать иерархию холодильных систем и их элементов для рационального построения математических моделей, описывающих их характеристики и повышения обоснованности выбора рабочих параметров.

2. Определить множество независимых переменных и управляющих воздействий, и распределить их по уровням систем согласно разработанной иерархии.

3. Математически описать формирование облика и определения характеристик систем каждого уровня, позволяющее охватить различное их схемное решение, применение любого холодильного агента, включая смеси, а также всех актуальных типов компрессоров и теплообменных аппаратов.

4. Описать характеристики элементов холодильных систем (компрессоров, теплообменных аппаратов и др.) с использованием универсальных математических подходов.

5. Провести экспериментальное исследование холодильной системы и получить ее внешние характеристики с целью верификации расчетной модели.

6. Провести анализ экспериментальных характеристик созданных и испытанных холодильных систем.

7. Провести численный эксперимент с получением характеристик вариантов холодильных систем и оценить достоверность результатов расчета.

8. Разработать рекомендации по рациональному применению универсального метода расчета для повышения эффективности создаваемых холодильных систем.

Научная новизна работы

1. Разработана иерархическая трехуровневая структура холодильных систем, позволяющая обеспечить инвариантность выбора параметров для каждого уровня в отдельности и установить взаимовлияние параметров различных уровней.

2. Разработано обобщенное описание характеристик компрессоров объемного действия с использованием нейронной сети на основе предложенного набора характеристических параметров для обработки имеющихся массивов опубликованных данных.

3. Установлены определяющие параметры теплообменных аппаратов в рамках проектного расчета системы, достаточные для расчета характеристик систем и последующего конструирования аппаратов.

4. Разработаны методы проектного расчета теплообменных аппаратов с выбором определяющих параметров в спецификационном режиме системы, а также их поверочного расчета в процессе определения характеристик холодильной системы во всем диапазоне изменения режимных параметров

5. Предложены структура и алгоритм использования функции влияния для оценки воздействия изменения исходных условий на результирующие характеристики, в том числе допустимости гидросопротивлений потоков и сходимости в итерационных расчетах.

Практическая значимость работы

Разработан комплекс программ расчета холодильных систем, пригодный для автоматизированного проектирования. Программы использованы в работах ОАО «ВНИИХОЛОДМАШ – ХОЛДИНГ».

Методика расчета термодинамических циклов на любых рабочих веществах используется в учебном процессе кафедры ХКТ МГУИЭ в виде методического пособия к выполнению курсовой работы.

Разработаны рекомендации по практическому применению универсального метода для решения ряда конкретных задач при проектировании и испытании холодильных систем.

Разработаны рекомендации по применению дифференциального или интегрального метода теплового и гидравлического расчетов теплообменных аппаратов на основе предложенной классификации по назначению и типу.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на VIII международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань, 2009 г.); на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, посвященной 90-летию МИХМ-МГУИЭ (Москва, 2010 г.); на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2010 г.); на международной конференции под руководством МАХ «Холод-2011, Проэкология и энергосбережение» (Санкт-Петербург, 2011 г.); на XV международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011 г.)

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 6 опубликованных печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением научно-обоснованного метода экспериментального исследования и использованием гостированных поверенных приборов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 151 страницу основного текста, включая 46 рисунков, 14 таблиц и 3 приложения. Список литературы содержит 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы совершенствования методов проектирования холодильных систем, показана сложность и многопараметричность холодильных систем, обозначена перспективность создания универсального метода расчета характеристик холодильных систем, и сформированы цели работы.

В первой главе представлена характеристика предмета проектирования холодильных систем и их элементов. Приведен обзор доступных источников (публикации, расчетные программы), имеющих отношение к достижению в поставленной работе цели и оценена целесообразность использования имеющихся в них результатов. Рассмотрены работы по существующим программам и методикам, предназначенным для расчета характеристик холодильных систем и их элементов (компрессоров, теплообменных аппаратов и др.) и процессов в них (теплопередачи, гидродинамики и т.д.). Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе разработана структура холодильных систем и формирование основных характеристик.

Холодильная система представляет собой сложный комплекс взаимодействующих между собой элементов. Разработчику предстоит установить значения многих переменных (примерно 10…15 на каждый элемент).

Рис. 1. Обобщенная структура холодильных систем

На рис. 1 представлена обобщенная структура холодильных систем. Метод расчета и анализа характеристик холодильных систем базируется на рассмотрении их как совокупности подсистем и входящих элементов согласно принципам системного подхода: представление системы как совокупности элементарных единиц (уровней), описание их основных характеристик, а затем синтез элементов в целое (описание характеристик системы). На каждом уровне определяются параметры, которые участвуют в формировании характеристик. Каждому из выбранных уровней системы соответствуют характерные температуры, определяющие его режим работы.

Характеристики холодильных систем второго уровня формируются в результате взаимодействия с характеристиками системы первого уровня и параметров основных теплообменных аппаратов (испарителей и конденсаторов). Характеристические параметры основных теплообменных аппаратов (гидравлические диаметры проходных сечений аппарата, степень оребрения; площадь теплообменной поверхности; длина каналов) определяются в составе холодильной системы второго уровня в спецификационном режиме расчета. Этих параметров достаточно для расчета характеристик во всем диапазоне температур и для последующего конструирования аппарата.

Характеристики третьего уровня формируются в результате взаимодействия с характеристиками системы второго уровня и параметров внешних тепло- и массообменных аппаратов (градирня, технологический аппарат охлаждения объекта и др.).

Математическая модель холодильной системы каждого уровня решает две взаимосвязанные и взаимодополняющие задачи:

1) расчет параметров для определенного сочетания независимых параметров, т.е. проектный расчет;

2) расчет внешних характеристик в необходимом диапазоне изменения независимых параметров, т.е. поверочный расчет.

С помощью обеих задач проводятся численные эксперименты, раскрывающие влияние на внешние характеристики изменения независимых параметров.

Иерархическая структура создает условия для оценки эффективности не только по конечному интегральному показателю, но и по его составным частям. Оценка эффективности системы каждого уровня производится по трем видам критериев: энергетическому, массогабаритному и экономическому.

В третьей главе приведена математическая модель формирования характеристик ХС I уровня (компрессорной системы, КС).

КС состоит из ступеней сжатия (компрессоров) и вспомогательной теплообменной аппаратуры, осуществляющий заданный термодинамический цикл. Характеристики КС формируются в результате взаимодействия параметров термодинамического цикла с характеристиками компрессорных ступеней и вспомогательных теплообменных аппаратов.

На стадии проектного расчета определяют основные параметры КС для ожидаемых значений температур кипения t0 и конденсации tк, а также холодопроизводительности Q0 в спецификационном режиме: рабочее вещество, принципиальную схему, термодинамический цикл, параметры ступеней компрессора и вспомогательных аппаратов.

Важную роль в КС на стадии проектного расчета играет термодинамический цикл, так как он дает первичное представление об эффективности принятой схемы и выбранного холодильного агента.

Написание программы, реализующей расчетный метод, потребовало применение системы универсального обозначения рабочих точек и унифицированных уравнений определения параметров термодинамического цикла.

На стадии поверочного расчета определяются характеристики в рабочем диапазоне КС (рабочих температур кипения t0, и конденсации tк) , с выбранными компрессорными ступенями и теплообменными аппаратами. Для расчета термодинамических свойств веществ использована унифицированная база данных REFPROPTM 9.0, интегрированная в программу посредством библиотеки динамической компоновки. Для дальнейших расчетов целесообразно выразить характеристики графическими или аналитическими зависимостями, полученными при помощи интерполяции.

Характеристики КС главным образом определяются, безразмерными коэффициентами, характеризующими объемную и энергетическую эффективность компрессоров, а именно коэффициентом подачи λ и КПД η:

              ,               (1)

Они формируются в результате взаимодействия различных факторов, связанных с условием работы и конструкцией компрессора. При наличии экспериментальных данных по конкретному компрессору, в расчете можно использовать их аппроксимациями по отношению давлений πк и температуре конденсации tк: . При проектировании ХС лишь в ограниченных случаях можно располагать экспериментальными данными для конкретной ступени сжатия, поэтому в большинстве случаев нами используются обобщенные характеристики, полученные в результате обработки массива данных каталога производителей компрессоров (Bitzer, Copeland, Danfoss, Bock, Embraco и др.). Рассмотрены три типа компрессора: поршневой, винтовой и спиральный в сальниковом, бессальниковом и герметичном исполнениях.