Использование испарительного охлаждения для увеличения энергетической эффективности бытового холодильника
Лемешко Михаил Александрович,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг»,
Урунов Салават Рашидович,
магистрант кафедры «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг»,
Головина Евгения Игоревна,
старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды».
Донской государственный технический университет.
Одним из направлений улучшения эксплуатационных показателей компрессионных холодильников является совершенствование холодильного цикла, в частности, путем увеличения эффективности теплообменных процессов. Большое влияние на показатели энергопотребления бытовым компрессионным холодильником оказывает эффективность процесса конденсации хладагента [1]. Для герметичных агрегатов производительность конденсатора (кВт) можно выразить следующей зависимостью:
Qk = Qo +Nэ (1)
где Qo – холодопроизводительность компрессора, кВт; NЭ — мощность, потребляемая встроенным электродвигателем, кВт.
Тепловую нагрузку на конденсатор можно также определить, пользуясь основным уравнением теплопередачи:
QK = FkΔtm, (2)
где F — площадь поверхности конденсатора, м2; k — коэффициент теплопередачи, кВт/(м2- К); Δtm — средняя логарифмическая разность между температурами конденсации хладагента и окружающей среды, К.
Из уравнения (2) видно, что при заданном значении коэффициента теплопередачи тепловая нагрузка прямо пропорциональна площади поверхности конденсатора и разности между температурами конденсации хладагента и охлаждающей среды. Очевидно, что если средняя температура охлаждающей среды постоянна, тепловая нагрузка изменяется только при изменении температуры конденсации.
Нами разработан и исследуется новый способ охлаждения конденсатора бытового компрессионного холодильника, существенно снижающий энергопотребление бытового холодильника. Предварительные экспериментальные исследования этого способа [2], показали, что снижение среднесуточного энергопотребления может достигать 16-18 %, преимущественно при температурах окружающего воздуха выше 280 С.
Идея, реализуемая в новом способе, заключается в использовании в бытовых холодильниках принципа испарительного охлаждения конденсатора [3].
Конденсатор холодильного агрегата снабжен устройством увлажнения его поверхности, таким образом, что обеспечивается охлаждение его поверхности, а охлаждение конденсатора осуществляется за счет испарения воды при свободном конвективном теплообмене в окружающей среде или при обдуве вентилятором увлажненной поверхности конденсатора. Достоинством такого способа охлаждения конденсатора является то, что увлажнение поверхности конденсатора с последующим испарением влаги обеспечивает снижение удельного потребления электроэнергии, увеличивая эффективность холодильного цикла, при минимальных энергозатратах на увеличение интенсивности охлаждения. Однако для реализации предложенного способа необходимы конструкторские проработки, и выполнение ряда экспериментальных исследований для различных компоновок системы конденсатор и устройство увлажнения. Известны способы охлаждения конденсатора, в которых используется вентилятор для обдува поверхности конденсатора, и другие методы повышения интенсивности теплообменных процесса при охлаждении хладагента в конденсаторе компрессионного холодильника [4]. Обобщая известные способы и устройства, описанные в научных публикациях и патентных источниках, можно выделить наиболее целесообразные подходы в интенсификации теплообменного процесса между воздухом окружающей среды и поверхностью конденсатора [5]. К ним относятся: увеличение интенсивности естественной конвекции за счет формы и оребрения конденсатора, увеличение площади конденсатора, использование вентиляторов для обдува поверхности конденсатора, использование аккумулятора тепла конденсатора и др. Однако метод реализации испарительного охлаждения в бытовых холодильниках, по-видимому, наиболее перспективен.
Представляют интерес следующие варианты охлаждения поверхности конденсатора путем испарении воды с его поверхности:
- при естественном конвективном теплообмене после увлажнения;
- при принужденной конвекции под воздействием потока воздуха от вентилятора;
- при увлажнении поверхности конденсатора из мелкодисперсионных форсунок;
- при воздействии на поверхность конденсатора воздушно-водяной смесью, с регулированием доли воды;
- увлажнение одновременно поверхности конденсатора и компрессора [6].
- использование талой воды для увлажнения поверхности конденсатора
Рассмотрим варианты увлажнения поверхности конденсатора в методе реализации испарительного охлаждения и обдува поверхности конденсатора. Поверхность конденсатора орошается воздушно-водяной смесью, так что включение/выключение подачи влаги на поверхность конденсатора осуществляется по сигналу с датчика влажности поверхности конденсатора [7]. Для реализации предложенного способа разработаны устройства, реализующие два метода увлажнения поверхности конденсатора.
Первый метод реализует использование эжекции для забора влаги из поддона. Схема этого метода приведена на рис.1.
Рис. 1. Схема охлаждения конденсатора при использовании эжекции: 1 – поверхность конденсатора, 2 – конденсатор, 3 – воздушно-водяная смесь, 4 – вентилятор, 5 – поддон с накопителем воды, 6 – привод вентилятора, 7 – всасывающий патрубок эжектора.
Второй метод заключается в использовании для подачи влаги на поверхность конденсатора плунжерный распылитель с форсунками, оснащенный электромагнитным приводом [8].
При этом способ охлаждения конденсатора заключается в том, что поверхность конденсатора увлажняется мелко-дисперсными каплями из форсунок, и контролируется степень влажности поверхности конденсатора, так что, при ее снижении включается привод форсунок.
Корпус конденсатора, может быть выполнен, например, пластино-трубчатым в виде вертикального расположения конструкции трубчатого змеевика, соединенного пластинками. В состав конденсатора входит поддон для сбора избытка влаги, стекающий с корпуса конденсатора и используемый для сбора талой воды при размораживании. Струя воздушно-водяной смеси покрывает плоскость поверхности конденсатора. В качестве форсунок предложено использовать плунжерные распылители, широко используемые в быту. Форсунки выбрасывают порцию мелкодисперсных капель при нажатии на подпружиненные рычаги. Приводом, обеспечивающим нажатие рычага распылителя, предложено использовать электромагнитный соленоид. Распылитель имеет входной патрубок, конец которого погружен в воду, находящийся в поддоне.
Схема управления соленоидом при этом включает размыкающий контакт, срабатываемый в крайнем положении соленоида. При срабатывании размыкающего контакта цепь питания соленоида размыкается, и плунжер привода возвращается в исходное положение под действием пружины. Возможно использование любой другой конструкции распылителя и его привода. На поверхности корпуса конденсатора, закреплен датчик влажности, который управляет включением привода форсунок.
Способ охлаждения осуществляется следующим образом. Перед включением БХП поддон наполняется водой. При включении компрессора одновременно включается привод форсунок, и поверхность корпуса конденсатора орошается струями воды из форсунок до тех пор, пока датчик влажности не выработает сигнал отключения привода. При 100 % влажности поверхности конденсатора, от сигнала с датчика влажности привод форсунок отключается. По мере работы компрессора и выполнения холодильного цикла, влага с поверхности корпуса конденсатора будет испаряться, охлаждая при этом его поверхность. Влажность поверхности конденсатора будет уменьшаться. При высыхании поверхности конденсатора 4 (уменьшении степени влажности поверхности до устанавливаемого предела) срабатывает датчик влажности на включение форсунок. Включается привод форсунок, выполняется орошение с последующим отключением привода форсунок по сигналу с датчика влажности. Далее процесс орошения повторяется.
Таким образом, изучаемый способ охлаждения конденсатора обеспечивает увлажнение его поверхности с последующим испарением влаги и управление включением /отключением увлажняющих форсунок по мере изменения влажности поверхности конденсатора.
Разработанный способ обеспечивает снижение энергопотребления холодильника, поднимая общий КПД холодильного цикла; обеспечивает, по сравнению с аналогами, упрощение конструкции и увеличение надежности, обеспечивает возможность выполнения конденсатора компактным, с размещением его в нише нижней части холодильника.
Литература
1. Товарас Н.В. Интенсификация тепломассообмена на испарительных конденсаторах холодильных машин: автореф. дис. канд. тех. наук / Н.В.Товарас. – М.: МТИ, 1985. – с. 26.
2. Лемешко М.А. Увеличение интенсивности теплообменных процессов конденсатора компрессионного холодильника / Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2014. № 12. С. 65-69.
3. Испарительные конденсаторы Baltimore Aircoil. ЗАО «ИРИМЭКС» Рекламная информация / http://www.irimex.ru/services/catalog/conditioners/isparitelniye_kondensatoriy_baltimore_aircoil (дата обращения: 10.10.2014).
4. Лемешко М.А Технологии повышения энергетической эффективности бытовых холодильных приборов / Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2014. № 13. С. 188-196.
5. Снижение энергопотребления бытового холодильного прибора путем интенсификации охлаждения конденсатора / Кожемяченко А.В., Лемешко М.А., Рукасевич В.В., Шерстюков В.В. Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 24. № 1 (24). С. 60.
6. Патент РФ № 2511804 МПК F25B1/00. Способ охлаждения герметичного компрессорно-конденсаторного агрегата компрессионного холодильного прибора. Опубл. 10.04.2014.
7. Патент RU №2458291. МПК F25B1/00. Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника. Опубл. 10.08.2012.
8. Патент RU № 2455586. МПК F25B49/02, Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника (Варианты). Опубл. 10.07.2012.
Поступила в редакцию 08.01.2015 г.