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

Обработка массива данных проводилась с использованием нейронной сети, обученной по методу обратного распространения ошибки по следующим обоснованным в работе определяющим параметрам:

— тип компрессора;

— исполнение (сальниковое, бессальниковое или герметичное);

— теоретическая объемная производительность Vт, м3/ч;

— частота вращения рабочих органов, n;

— отношение давлений πк;

— температура конденсации холодильного агента, tк, °С;

— нормальная температура кипения холодильного агента Ts, К;

— молекулярная масса холодильного агента μ.

Нейронные сети (рис. 2) представляют собой обучаемые алгоритмы, что является одним из главных их преимуществ. Обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами.

Выбор нейронной сети в качестве алгоритма обработки обуславливается отсутствием четких связей между входными и выходными параметрами, необходимостью выполнять обобщение и прогнозирование поведения характеристик в не рассматриваемом диапазоне исходных условий, необходимостью получения уравнений, описывающих с достаточной точностью охваченный массив данных.

Уравнение, описывающее значение выходного сигнала от j-го нейрона в сети можно представить в виде:

              ,              (2)

где N — количество нейронов на предыдущем слое; — коэффициент связи от i-го нейрона на предыдущем слое к j-му нейрону текущего слоя; индекс «0» означает единичный нейрон, т.е. выходное значение сигнала от которого равно 1; — выходное значение сигнала от i-го нейрона предыдущего слоя, — выходное значение сигнала от j-го нейрона текущего слоя; f — передаточная функция. В сетях описывающих рабочие коэффициенты в качестве передаточной функции была использована функция Гаусса:

              .              (3)

Нейронные сети специализированны по типу и исполнению компрессора имеет 5 входов (см. рис. 2). Было выбрано 6 скрытых слоев в сети и 36 нейронов в каждом слое. В этой конфигурации нейронная сеть выдает наибольшее количество «правильных» ответов (коэффициент детерминации ).

В результате обработки массива 60000 данных по семидесяти компрессорам с применением нейронной сети, получены обобщенные зависимости рабочих характеристик компрессоров, отражающие современный уровень их развития.

На рис. 3 представлена обобщенная характеристика для следующего набора определяющих параметров: поршневой, бессальниковый компрессор, n = 25 c–1, Vт = 4,51×10-3 м3/с, холодильный агент R22, tк = 40°C. Значения коэффициентов для реального компрессора, отвечающего этому набору, нанесены в виде точек. Отклонение находится в пределах 3 %

Реальные значения для множества компрессоров отклоняются от обобщенных зависимостей в сторону повышения для лучших компрессоров на 5 % и в сторону ухудшения для менее эффективных компрессоров примерно на 7 %.

Среди вспомогательных аппаратов КС важнейшими являются те, применение которых формирует заданный термодинамический цикл. Вид аппарата определяет физические процессы, протекающие в нем.

В состав математической модели КС входят энергетические и балансные уравнения сохранения, обеспечивающие качественную и количественную оценку параметров вспомогательных аппаратов в составе системы, которые решаются в процессе синтеза характеристик КС.

Целесообразно дать количественную оценку требуемой точности определения параметров КС. Для этой цели в работе предлагается использовать функцию влияния изменения заданного параметра на холодильный коэффициент.

В четвертой главе приведена математическая модель формирования характеристик ХС II и III уровней.

Ко второму уровню холодильной системы относится холодильная машина (ХМ). Характеристики ХМ формируются в результате взаимодействия характеристик компрессорной системы и параметров основных теплообменных аппаратов.

На стадии проектного расчета в спецификационном режиме определяют характеристические параметры основных аппаратов достаточные для расчета характеристик ХМ для заданных значений температур охлаждаемой ts2, и охлаждающей tw1 среды, а также разности температур:

— массовые скорости рабочих сред;

— гидравлические и эквивалентные диаметры;

— длину каналов;

— площадь теплообменной поверхности.

На стадии поверочного расчета определяются характеристики во всем рабочем диапазоне ХМ .

Ключевое место в математической модели ХМ занимает расчет теплообменных аппаратов, проводимый в составе системы. Используемые теплообменные аппараты разделены по следующим признакам:

1) вид (по назначению);

2) тип (по организации потоков).

Разработаны рекомендации по первичному выбору некоторых характеристических параметров (массовых скоростей, гидравлических диаметров, степеней оребрения) для каждого типа аппарата.

В основе поверочных и проектных расчетов аппаратов различного вида в зависимости от их типа применены два различных метода расчета:

— интегральный метод, в основе которого положены средневзвешенные величины температурного напора и коэффициентов теплоотдачи рабочих сред и гидросопротивления по всей поверхности аппарата.

— дифференциальный метод, осуществляемый при помощи разбиения тепловой нагрузки аппарата на участки, в каждом из которых средний температурный напор и коэффициенты теплоотдачи принимаются постоянными.

Особый подход требуется для расчета воздухоохладителей и конденсаторов с воздушным охлаждением, в которых организуется канальное по холодильному агенту течение и перекрестное по воздуху. В этих аппаратах коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к ребристой поверхности существенно ниже. чем для холодильного агента (;), и коэффициент теплопередачи определяется воздушной стороной. Применение в этом случае дифференциального метода расчета не целесообразно, так как он не повысит достоверность результатов.

Интегральный метод строится на основе модели идеального смешения. Балансовые уравнение составляют для всего объема вещества. Система уравнений, описывающая данную гидродинамическую модель в стационарном режиме и составляемая для обеих рабочих сред, приведена ниже.

— уравнение теплового баланса

                            (3)

— уравнение гидравлического расчета

              .              (4)

Расчет воздухоохладителей и конденсаторов воздушного охлаждения также основывается на уравнениях (3)…(4) с учетом методики предложенной Гоголиным, которая учитывает процесс влаговыпадения на поверхности ребра со средним значением температуры ребристой поверхности. В этом случае тепловое уравнение (3) можно записать в виде

,

где — массовый расход воздуха, кг/с; — теплоемкость воздуха, кДж/(кг К);  — осредненная температура поверхности труб, К.

— приведенный к внутренней поверхности коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); — тепловой коэффициент влаговыпадения; — коэффициент эффективности ребра

Дифференциальный метод строится на основе модели идеального вытеснения. Выходные переменные изменяются только по одной пространственной координате. Балансные уравнения в этом случае составляют для элемента поверхности:

— уравнение теплового баланса:

                            (5)

— уравнение гидравлического расчета

                            (6)

В двухфазных потоках используется модель раздельного течения. С учетом этого уравнение (27) преобразуется к виду

,

где — истинный коэффициент паросодержания; — поправка Мартиннелли на трение в двухфазном потока; — плотности насыщенного пара и насыщенной жидкости, соответственно, кг/м3.

Аппараты проектируются по возможности с минимальными гидросопротивлениями (эквивалентное изменение температуры насыщения не превышает 2 К). поэтому уравнения (5), (6) могут быть интегрированы по отдельности. Таким образом, в проектном расчете задачу определения площади теплообменной поверхности можно разделить на два этапа

Рис. 4. Распределение температур по длине канала в пластинчатом аппарате. Тепловая нагрузка Q0 = 400 кВт, рабочее вещество — аммиак; площадь поверхности 70,3 м2; эквивалентный диаметр 5,44 мм; расход хладоносителя Gs = 13×104 кг/ч; расход холодильного агента Ga = 1,286×103 кг/ч; число пластин 127; высота пластин 1 м; ширина пластин 0,4 м.

На первом этапе методом Рунге-Кутты четвертого порядка решается уравнение (4) (уравнение теплового баланса) для каждой рабочей среды в теплообменном аппарате, а также уравнение, определяющее тепловой баланс теплообменной поверхности с начальными и граничными условиями , , , в случае противоточной организации течения. В результате этого расчета определяют длину L и площадь F теплообменной поверхности аппарата, а также распределение температур рабочих сред и стенки (рис. 4).

На втором этапе определяют величины падения давления по уравнениям (5) или (6), которые также решаются методом Рунге-Кутты четвертого порядка с начальным условием .

При поверочном расчете характеристик ХМ в диапазоне температур ts2 и tw1. рабочие температуры t0 и tк и тепловые нагрузки аппаратов определяют итерационным методом.

Количественная оценка требуемой точности определения температур t0 и tк производится с использованием функции влияния температур на холодильный коэффициент. .

Оценка допустимости падения давления в потоке рабочего вещества проводилась также с использованием функции влияния. При значении относительного приращения функции менее –0,001 (–0,1 %) полагается, что влияние данного параметра становится несущественным. Из неравенства следует, что допустимое падение давления по отношению к холодильному коэффициенту составляет .

Зависимость аппроксимирована прямой, которая выражением , где — давление кипения, бар. Подобные зависимости могут быть определены для любого аппарата.

Точность уравнений, описывающих процессы теплообмена и гидродинамики, оказывает существенное влияние на результирующую погрешность математической модели. Выбор зависимостей для расчета этих процессов производился на основе анализа новейших отечественных и зарубежных исследований. Принятые зависимости сформировали базу данных специализированную по типу процесса, типу аппарата, применяемому холодильному агенту и диапазону режимных параметров.

Методика расчета технологических аппаратов ХС III уровня аналогична представленной в данной главе с тем отличием, что охлаждающей и охлаждаемой средами являются потоки промежуточных теплоносителей, и свойства хладагентов в расчетах не используются. Набор параметров, достаточных для расчета характеристик холодильных установок и дальнейшего конструирования аппаратов также аналогичен за исключением градирен, в расчете которых присутствует массообмен.

К третьему уровню также относятся системы, в которых один или оба промежуточных теплоносителей отсутствуют (охлаждаемой средой является воздух и/или тепло отводится к атмосферному воздуху).

В пятой главе проведено экспериментальное и численное исследование вариантов холодильных машин. В качестве объекта экспериментального исследования была выбрана водоохлаждающая холодильная машина (рис. 5).

Экспериментальный стенд представляет собой водоохлаждающую холодильную машину с пластинчатым испарителем, конденсатором воздушного охлаждения и поршневым герметичным компрессором (рис. 3). Холодильный контур на рабочем веществе R22 включает в себя:

Компрессор — герметичный, поршневой с объемной производительностью, 6,6 м3/ч

Испаритель — пластинчатый, паянный с поверхностью теплообмена 0,05 м2

Конденсатор — трубчато-ребристый с поверхностью теплообмена 0,48 м2

Регулирование подачи холодильного агента в испаритель осуществляется при помощи механического ТРВ. Измерения проводились в стационарных режимах, когда производительность холодильной машины становится равной мощности, подводимой на клеммы ТЭНов. Тепловую нагрузку в процессе эксперимента изменяли от 3,1 до 5 кВт, при двух расходах воды через испаритель Gs: 0,4 и 0,28 кг/с. Регистрация и обработка результатов измерений производилась автоматически при помощи преобразования аналогового сигнала в цифровой с выводом результатов на компьютер.