Разработка новых критериев оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников

Актуальность темы

Одними из современных научно-технических проблем являются оценка и повышение качества холодильной техники, в том числе бытовых компрессионных холодильников (БКХ). Это вызвано рядом причин, среди которых главенствующее значение придаётся тенденции увеличения на потребительском рынке России новых зарубежных и отечественных моделей данного вида техники. Это относится к продукции таких фирм, как Bosch, AEG, Indesit, Ardo, Liebherr, Samsung, Zanussi, Frigidaire, Candy, Electrolux, Elenberg, Whirlpool, Sharp, Toshiba, LG, Snaige, Бирюса, Смоленск, Саратов, POZIS, NORD, Атлант и т. д. В связи с планируемым вступлением России в ВТО эта тенденция не только сохранится, но и, естественно, будет нарастать. При этом возрастающая конкурентная борьба между фирмами приводит к закрытости информации о конструктивных и эксплуатационных особенностях их продукции. Предметом «ноу-хау» фирм являются и методики, способы, критерии и средства оценки эффективности БКХ.

При решении проблемы оценки качества, эффективности БКХ указанные факторы являются сдерживающими, т. е. условиями временных и информационных ограничений. Наличие этих ограничений приводит к дополнительным затратам времени, средств, использованию технологии «проб и ошибок» и, в итоге, снижению качества и эффективности БКХ.

Очевидно, что эти условия требуют создания и применения новых, универсальных в отношении разных моделей этой продукции подходов, критериев оценки её эффективности и информационной поддержки в процессе реализации и технической эксплуатации.

Таким образом, в условиях временных и информационных ограничений проблема создания и отработки унифицированных критериев и способов оценки эффективности как отдельных термодинамических процессов, так и холодильного цикла БКХ в целом является актуальной.

Целью диссертационного исследования является создание научно обоснованных критериев оценки и анализа термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

Задачи диссертационного исследования;

1. Исследование современного состояния проблемы, методов и средств качественной оценки бытовых компрессионных холодильников и обоснование возможности использования метода подобия функционирования технических систем в качестве базового при достижении поставленной цели.

2. Разработка теоретических положений по созданию новых критериев оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

3. Синтез и экспериментальная апробация новых критериев оценки качества термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

4. Разработка рекомендаций по практическому использованию результатов диссертационного исследования.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является бытовой холодильник компрессионного типа. Предметом исследования являются способы анализа и критерии оценки термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы научные положения методов системного подхода, анализа и обобщения информации, термодинамики процессов холодильной техники, подобия функционирования технических систем, моделирования, алгоритмов и программ.

Научные положения:

— подобие термодинамических процессов, как метод оценки эффективности малых холодильных машин в условиях временных и информационных ограничений;

— в основе создания и использования новых критериев эффективности бытовых компрессионных холодильников рекомендуется использовать положения теории прогнозирования и принятия решений для однокритериальных и многокритериальных задач;

— интенсивность термодинамических процессов, как критерий оценки характера и предполагаемых границ фазовых превращений, процесса снятия перегрева и процесса переохлаждения хладагента при конденсации;

— инварианты подобия процесса конденсации, как критерии соответствия холодильных циклов компрессионных холодильников;

— соотношение интенсивностей переходных процессов в рабочей и нерабочей частях холодильного цикла, как критерий оценки его продолжительности;

— удельная тепловая нагрузка по конденсатору и по испарителю, как критерии оценки энергоэффективности бытового компрессионного холодильника.

Научная новизна диссертации:

1. Анализ известных теоретических положений в области средств диагностики состояния и качественной оценки бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

2. Предложены и обоснованы критерии оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников, включающие, в общем случае, инварианты и индикаторы подобия, интенсивность и градиенты изменения температуры хладагента и окружающей среды при протекании термодинамических процессов.

3. Сформулированы основные принципы разработки новых способов оценки качества термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

— способа определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников;

— алгоритмов и программ расчёта параметров конденсатора и оценки технического состояния бытовых компрессионных холодильников;

— рекомендаций по использованию критериев оценки эффективности термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников в условиях временных и информационных ограничений.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в ходе исследования, обеспечивается:

— использованием в качестве фундаментальной базы исследования разработок отечественных и зарубежных авторов и фирм по вопросам оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников;

— проведением экспериментов с использованием измерительных средств и методов обработки результатов исследований с использованием типового программного обеспечения и пакета оригинальных программ;

— апробацией теоретических выводов на научных конференциях и опубликованием результатов в научных изданиях, в том числе в рекомендованных ВАК России.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на межвузовской (г. Шахты — 2007 г.), Всероссийских (г. Шахты — 2008, 2009, 2010, 2011 гг.- г. Тамбов — 2008 г.), международной (г. Луганск — Украина — 2008 г.), научно-технических конференциях, на конкурсе проектов по программе У.М.Н.И.К., в ЗАО «ИНДЕЗИТ ИНТЕРНЕШНЛ» (г. Липецк — 2008, 2009 гг.), на II международном молодёжном инновационном конвенте ЮФО (г. Ростов-на-Дону — 2010 г.), на VIII выставке инноваций «Высокие технологии XXI века» (г. Ростов-на-Дону -2011 г.). Результаты работы отмечены дипломами Минобрнауки РФ и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, включены в отчёт по НИР ЮРГУЭС 3.09.Ф «Разработка научных основ повышения энергетической эффективности бытовых холодильных машин», выполненной по заданию Рособразования по ведомственной программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 гг.).

Результаты работы, выводы и рекомендации использованы предприятиями: ЗАО «Прогресс» (г. Шахты), ЗАО «Рембыттехника» (г. Ставрополь), в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» при подготовке специалистов, магистрантов, а также в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. Результаты проведённых исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе в журнале, входящем в перечень ВАК РФполучено два патента РФ на изобретение и полезную модель, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМопубликована монография.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературных источников из 113 наименований.

Выводы по главе.

1. В главе рассмотрена общая методика и средства экспериментальных исследований. Выделены экспериментальные исследования дифференцированной и интегрированной оценки эффективности термодинамических процессов.

2. Экспериментально доказано подобие термодинамических циклов БКХ Bosch и ЗИЛ.

3. Проверена адекватность и возможность использования таких критериев, как:

— снятие перегрева и переохлаждение хладагента в конденсаторе;

— определение фазовых превращений;

— критерий оценки соотношения продолжительности рабочей и нерабочей частей холодильного цикла БКХ;

— критерий энергетической эффективности по конденсатору и испарителю.

4. Исследована адекватность критериев оценки эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ существующих способов, критериев и тенденций оценки эффективности термодинамических процессов бытовых компрессионных холодильников показал, что в условиях временных и информационных ограничений необходимы новые научно-практические подходы, универсальные критерии и способы оценки их энергоэффективности.

2. Сформулированы теоретические положения о синтезе критериев оценки термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников, базирующиеся на принципах метода подобия функционирования технических систем.

3. Обосновано использование интенсивности и градиента температур в реперных точках, температуры окружающей среды для оценки эффективности термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников. Обоснованы теоретические положения об адекватности отражения критериями оценки особенностей термодинамических процессов.

4. Разработаны критерии оценки эффективности термодинамических процессов и энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников: интенсивность процесса переохлаждения жидкого хладагентаинтенсивность процесса снятия перегрева хладагента после компрессораинтенсивность фазовых превращений хладагента при конденсациикритерии эффективности бытовых компрессионных холодильников по теплообменным процессам в конденсаторе и испарителе. При этом разработаны инварианты и индикаторы для установления подобия термодинамических процессов.

5. Разработан «Способ определения технического состояния подсистем бытовых компрессионных холодильников» (патент РФ № 2 354 899) — разработаны алгоритмы и программы: «Система формирования и оценки технического состояния бытовых компрессионных холодильников» (свидетельство РФ № 2 011 610 748) и «Программное обеспечение для расчёта параметров конденсатора — подсистемы бытового компрессионного холодильного прибора на основе метода подобия функционирования технических систем» (свидетельство РФ № 2 008 612 338).

6. Экспериментально подтверждено, что предложенные и теоретически обоснованные критерии являются универсальными для достоверной оценки эффективности бытовых компрессионных холодильников, степень подобия термодинамических процессов которых доказана с помощью инвариантов и индикаторов подобия. Расхождение результатов не превысило 7%.

7. При экспериментальных исследованиях процесса переохлаждения хладагента в конденсаторе установлено, что критерий «эффективность процесса переохлаждения» обладает высокой чувствительностью к изменениям условий однозначности. Так, при установленном среднем значении этого критерия по базовому аналогу конденсатора холодильника, равном 26,3 значения этого критерия для экспериментального холодильника, с повышенной теплоотдачей и пониженным гидросопротивлением трубок змеевика конденсатора, это значение изменялось в пределах от 32,1 до 41,7 (увеличение эффективности в 1,3 раза). Аналогично, и для критерия «интенсивность процесса снятия перегрева» в соответственных условиях: при среднем, базовом значении критерия к—2,2 значения критерия по экспериментальному холодильнику изменялись в пределах от 2,47 до 3,1 (увеличение эффективности в 1,25 раза). Разработаны рекомендации по оценке взаимного влияния термодинамических процессов и обобщённой критериальной оценке энергетической эффективности бытовых компрессионных холодильников.

8. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика сравнительного определения границ и анализа фазовых состояний хладагента в процессе его конденсации.

9. Разработаны рекомендации по созданию и применению способов анализа термодинамических процессов и энергоэффективности бытовых компрессионных холодильников испытательными лабораториями фирм-изготовителей малых холодильных машин, торговыми и сервисными центрами при предпродажной подготовке и технической эксплуатации этого вида техники, учебными заведениями при подготовке специалистов и научных кадров.