Спосіб визначення енергетичної ефективності холодильної машини

Реферат: Винахід належить до галузі випробувань компресійних холодильних машин після їх виготовлення у виробника та під час тривалого використання за місцем встановлення у споживача і може бути застосованим для проведення технічного нагляду за дотриманням вимог із максимально дозволеного споживання електроенергії холодильними приладами і встановлює порядок визначення їх енергетичної ефективності за показниками холодильної продуктивності та споживаної потужності. В способі визначення енергетичної ефективності холодильної машини холодильну продуктивність компресора розраховують за показаннями трьох датчиків температури, один з яких розташовано щільним приєднанням до поверхні випарника на ділянці випаровування хладону, а два інші розміщені всередині об'ємів морозильної і холодильної шаф. По відліку значень температур через визначені проміжки часу протягом циклу роботи холодильної машини розраховують еквіваленти холодильної продуктивності, сталі часу зміни температури у морозильній шафі і коефіцієнти тепловіддачі у випарник для двох ділянок робочого циклу холодильної машини - з включеним компресором та виключеним із охолодженням надлишком тиску хладону у теплообмінному конденсаторі, а холодильна продуктивність компресора є сумою двох її складових, визначених окремо для кожної з двох ділянок циклу у вигляді добутку еквівалента холодильної продуктивності, коефіцієнта тепловіддачі у випарник і площі поверхні випарника. Величину енергетичної досконалості холодильної машини після завершення робочого циклу визначають за відношенням холодильної продуктивності компресора до спожитої холодильником електричної потужності. Спосіб визначення енергетичної ефективності холодильної машини придатний до його реалізації у будь-яких умовах застосування холодильного апарата, одною особою і не потребує розгерметизації, герметизації холодильної машини, застосування складного обладнання, вимірювальних приладів і каталожних даних компресора та двигуна холодильного апарата. Визначення проводять без застосування діаграми циклу холодильної машини, за абсолютними значеннями температур, які вимірюються всередині робочого об'єму холодильного апарата, а тому отримані їх величини позбавлені систематичної похибки від пошуку ентальпії UA 97696 C2 (12) UA 97696 C2 графоаналітичним методом та впливу температури оточуючого середовища, що суттєво підвищує точність способу. UA 97696 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб, що заявляється, належить до галузі випробувань компресійних холодильних машин після їх виготовлення у виробника та під час тривалого використання за місцем встановлення у споживача, може бути застосованим для проведення технічного нагляду за дотриманням вимог із максимально дозволеного споживання електроенергії холодильними приладами і встановлює порядок визначення їх енергетичної ефективності за показниками холодильної продуктивності та споживаної потужності. Відомі способи тестувань холодильних апаратів [Европейский стандарт EN 28187. Бытовые холодильные устройства - холодильники - морозильники - характеристики и методы тестирования. (ISO 8187: 1991 г.)], які передбачують загальне обстеження холодильних шаф, проведення механічних випробувань, випробувань температурних режимів роботи, визначення добового споживання електричної енергії, часу досягнення сталих значень температури тощо. Недоліком означеного стандартом способу тестування холодильних пристроїв слід вважати відсутність будь-яких ознак перевірки їх енергетичній досконалості, а саме визначення холодильної продуктивності компресора, її порівняння із спожитою електричною потужністю і, як наслідок, визначення холодильного коефіцієнта. Відомі способи тестувань компресорів холодильних апаратів [Стандарт СЭВ. СТ СЕВ 66577, Оборудование холодильное. Компрессоры. Методы испытания; Міжнародний стандарт ИСО 917. Компрессоры холодильные. Методы испытаний. Peг. № ИСО 917-74], спрямовані на визначення їх холодильної продуктивності у вигляді додатка масових витрат хладону на різницю значень питомої ентальпії пари хладону на вході до компресора і ентальпії рідини насиченого хладону при температурі, яка відповідає тиску нагнітання на виході з компресора, та на контрольне вимірювання потужності споживаної електричним двигуном приводу компресора в діапазоні робочих температурних режимів. Визначення масових витрат хладону здійснюється по показаннях приладів, які встановлюють в досліджувану систему на ділянці міжвсмоктуванням та нагнітанням парів хладону компресором. Після виходу працюючої холодильної машини в усталений режим роботи, вимірюються: тиск і температура парів хладону на виході з випарника; тиск і температура рідини хладону на виході з компресора; температура оточуючого середовища тощо. При визначенні питомої ентальпії хладону на вході і виході компресора, яка відповідає тиску і температурі в точках виміру, застосовують таблиці або діаграмами "тиск - ентальпія" хладону. Недоліком означених способів тестування холодильних апаратів слід вважати: 1. Потребу спеціальних лабораторних умов та обладнання для його проведення калориметра, манометрів, вимірювача розходу хладону, термоелектричних термометрів, лічильника часу тощо. 2. Розгерметизацію системи досліджуваної холодильної машини для встановлення манометрів тиску, вилучення хладону із системи трубопроводів і поновлення герметизації системи із заправкою хладоном після встановлення датчиків тиску - манометрів. 3. Потребу у проведені аналізу із визначення типу застосованого хладону з метою використання при розрахунку ентальпії саме його діаграми циклу "тиск - ентальпія". 4. Вагому похибку, яка привноситься у розрахунок холодильної продуктивності компресора внаслідок того, що температура потоку тепла, вилученого з камер заморожування та охолодження, значно нижче температури оточуючого середовища і тому у трубопроводі на шляху його ділянки випарник - компресор до нього приєднується надлишок тепла із оточуючого середовища. 5. Заправка наново холодильної машини хладоном та герметизація роблять її іншою за показниками енергетичної ефективності, ніж до розгерметизації і вилучення хладону. Найбільш близьким до заявленого способу, який можна прийняти як прототип, є - Спосіб визначення питомої витрати електроенергії на вироблення холоду [Патент України 50516, 15.10.02. Бюл. № 10, F25B49/00], згідно з яким енергетичну досконалість компресійної холодильної машини визначають за місцем використання холодильного апарата - у споживача, без застосування калориметра та витратоміра хладону, функції яких виконують теплообмінний конденсатор та компресор з електричним двигуном холодильної машини. Для здійснення означеного способу тестування, повинні бути виконані наступні умови: 1. Забезпечено доступ до компресора и конденсатора холодильної машини. 2. Розгерметизовано холодильну систему і вилучено хладон. 3. Визначено тип застосованого хладону і одержано відповідну до нього діаграму циклу "тиск - ентальпія". 4. У відведених місцях на мережі трубопроводів холодильної системи повинні бути виконані зварні роботи по встановленню чотирьох датчиків тиску. 1 UA 97696 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 5. У відповідні місця холодильної машини повинні бути вставлені чотири датчики температури. 6. Поновлено герметичність холодильної машини і здійснено заправку її тим же хладоном і у тій же кількості, як до розгерметизації. 7. Забезпечені і встановлені вимірювальні прилади відповідного класу точності - датчики тиску, датчики температури, лічильник часу, електровимірювальні прилади - вольтметр, амперметр, ватметр. 8. Визначено тип асинхронного двигуна, компресора та встановлені їх номінальні і каталожні дані. 9. Після увімкнення холодильної машини до мережі живлення вона повинна відпрацювати тривалий проміжок часу щоб увійти в, так званий, усталений режим роботи компресора. Вхідними величинами щодо розрахунку холодильної продуктивності є тиск і температури на вході і виході випарника та компресора. Відповідно до них, за допомогою діаграми циклу холодильної машини "тиск - ентальпія", та такої, яка відповідає типу застосованого хладону, графічно знаходять значення питомої ентальпії на вході і виході випарника та компресора. За їх значеннями розраховують питому холодильну продуктивність випарника та питому роботу стискування компресора і, відповідно до останньої, масову витрату хладону. Одночасно із визначенням питомої роботи стискування компресора вимірюється споживана двигуном компресора активна потужність. За каталожними даними електричного двигуна компресора проводять розрахунок його корисної потужності на валу. Ця потужність, разом з коефіцієнтом корисної дії компресора, є додатком при визначенні питомої роботи стискування компресора. Холодильна продуктивність, що підлягає визначенню, розраховується як сума добутків значень питомої холодильної продуктивності випарника і масової витрати хладону за весь визначений проміжок часу робочого циклу. Активна складова електричної енергії, споживаної двигуном компресора холодильної машини, і визначена як сума добутків вимірюваних значень активної потужності на інтервали проміжку часу робочого циклу, будучи поділеною на величину холодильної продуктивності, тобто питома витрата електроенергії на вироблення холоду, розглядається як оцінка енергетичної досконалості холодильної машини і апарата в цілому. Спосіб, що пропонується, має обмежений попит внаслідок складності у реалізації, потребує тривалої підготовки, високої кваліфікації складу обслуговуючого персоналу, порушення герметичності системи холодильної машини, а також тому, що йому властиві усі недоліки відомих способів тестування холодильних машин за винятком потреби у зовнішньому калориметрі і вимірювачі розходу хладону. Вищенаведені умови, які потрібно здійснити на початку тестування, не дозволяють застосовувати його масово - за місцем використання холодильного приладу. Задача, на вирішення якої спрямовано винахід, полягає у тому, щоб усунути усі названі недоліки, а тестування холодильного машини здійснювати за непрямою ознакою енергетичної ефективності - температурою, без застосування складних вимірювальних приладів, розгерметизації холодильної машини та безпосередньо за місцем її використання і одною особою. Поставлена задача вирішується шляхом визначення холодильної продуктивності компресора непрямим методом - по значеннях трьох температур, які вимірюються на випарнику і всередині корисних об'ємів морозильної та холодильної шаф протягом одного циклу роботи компресора в упорядкованому режимі. Енергетична ефективність розраховується як відношення холодильної продуктивності компресора до спожитої двигуном привода компресора активної потужності. Спосіб реалізується у такій послідовності (дивись креслення). Датчик температури 1, який вимірює температуру випаровування хладону, розташовано у морозильній шафі 2 щільно приєднаним до поверхні випарника 3 і віддаленим від входу капіляра у випарник на відстань 50...100 мм. Датчик температури 4, який вимірює температуру у морозильній шафі 2, розташовано всередині її об'єму. Датчик температури 5, який вимірює температуру об'єкта зберігання у холодильній шафі 6, щільно приєднано до металевої пластині 7 масою 20...50 г і розташовано всередині її об'єму. Після включення холодильного апарата 9 до мережі живлення та виходу його холодильної машини (К1+К2+РВ+В) в упорядкований режим роботи, для якого тривалість часу циклів між послідовними включеннями двигуна компресора не відрізняється більш ніж на 5 %, через однакові інтервали часу , які дорівнюють 5 % від часу циклу , роблять відлік значень температури з трьох датчиків 1, 4, 5. Одночасно, ватметр 8, через який включено холодильний апарат 9 до мережі живлення, вказує споживану двигуном 10 привода компресора потужність під час його роботи протягом циклу, який тестується. Починається тестування холодильної продуктивності з моменту включення двигуна компресора при 2 UA 97696 C2 5 одночасному включенні тумблера 11, який увімкне електричний секундомір 12 для відліку значень температур t1, t5, t4 1 потужності P1 на початку циклу i – 1 = 1 і, у подальшому, через рівні проміжки часу - інтервали і = 2,..., / , та завершується в момент його наступного включення із одночасним вимкненням тумблера 11 - для визначення реального часу тестування . Включення двигуна компресора 10 відстежується за показаннями ватметра 8. За поточними значеннями температур з трьох датчиків, отриманих на кожному інтервалі часу, розраховують їх середні значення t 1,mid (i)  0,5 t 1(i)  t 1 i  1  , t 5,mid (i)  0,5 t 5 (i)  t 5 i  1  , t 4,mid (i)  0,5 t 4 (i)  t 4 i  1  , еквівалент теплового потоку, який вилучено з об'єму холодильних шаф у оточуюче середовище 10 Qp (i)  t 1,mid (i)  t 4,mid (i)    t 5,mid (i)    Qp (i  1) , 3600  2  та споживану електричну енергію W (i)  P1(i) 15   W (i  1) , 3600 в яких і - номер проміжку часу - інтервалу. Після вимкнення двигуна компресора, коли вимірювана ватметром потужність стане нульовою, але цикл охолодження ще продовжується завдяки випаровуванню хладону надлишком тиску, утвореним у теплообмінному конденсаторі 13, розраховують сталу часу перехідного процесу спаду температури у морозильній шафі Tp  t 1(i)  t 4 (i) t 1(i)  t 4 (i)  t 1(1)  t 4 (1)   (i  1) , відповідний до неї коефіцієнт тепловіддачі у випарник 20 25 30 35 40 45 50 kp  ch , 2Tp кількість теплового потоку, вилученого з внутрішнього об'єму шаф холодильника під час працюючого компресора, Q0 р = kрFQр(i) і спожиту холодильною машиною за цей час електричну потужність W = W(i). Відлік температур протягом часу циклу охолодження з вимкненим компресором продовжується аналогічно. На кожному інтервалі часу j = i + 1,..., /  розраховують середні значення температур t1,mid(j), t5,mid(j), t4,mid(j), еквівалент теплового потоку Q n(j), який вилучено з об'єму холодильних шаф у оточуюче середовище при вимкненому компресорі, сталу часу перехідного процесу зростання температури у морозильній шафі T n, для якої t1(j) = t5(j) кількості інтервалів  /  - i - 1, відповідний до неї коефіцієнт тепловіддачі у випарник kn і кількість теплового потоку Q0n, вилученого з внутрішнього об'єму шаф холодильника. В наведених виразах с - питома теплоємність металу випарника, h - товщина ребра пластинчастого випарника,  - питома вага металу випарника, F - поверхня охолодження випарника на дві сторони. Після наступного включення двигуна компресора тестування циклу охолодження завершується, секундомір 11 вимикається тумблером 10 для відліку загального часу дослідження . Холодильну продуктивність компресора протягом циклу тестування роботи холодильної машини визначають як суму кількості теплових потоків, вилучених з об'єму холодильних шаф при працюючому і вимкненому компресорі Q0 = Q0P + Q0n. Енергетичну ефективність холодильного апарата розраховують як відношення холодильної продуктивності компресора до спожитої за час тестування електричної потужності  = Q0/W. Чим вище отриманий показник, тим досконаліше холодильна машина. Значне підвищення ефективності і точності способу тестування досягається шляхом визначення холодильної продуктивності компресора за непрямою її ознакою - температурою, без попередньої розгерметизації холодильної машини, із подальшими аналітичними розрахунками коефіцієнтів тепловіддачі у випарник, що виключає потребу у застосуванні діаграми циклу роботи компресора. На відміну від прототипу, в якому по вимірюваних значеннях тиску і температури на вході і виході випарника та компресора за допомогою діаграми циклу холодильної машини "тиск ентальпія" знаходять значення питомої ентальпії, розраховують питому холодильну продуктивність випарника та питому роботу стискування компресора і, відповідно до останньої, 3 UA 97696 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 - масову витрату хладону, а холодильну продуктивність компресора розраховують як суму добутків значень питомої холодильної продуктивності випарника і масової витрати хладону за весь визначений проміжок робочого часу циклу, у способі тестування, що пропонується, холодильна продуктивність компресора розраховується за показниками трьох датчиків температури, один з яких щільно прилягає до поверхні випарника на ділянці випаровування хладону, а інші два розміщені всередині об'ємів морозильної і холодильної шаф. По відліку значень температур через визначені проміжки часу протягом циклу роботи холодильної машини розраховуються еквіваленти холодильної продуктивності, сталі часу зміни температури у морозильній шафі і коефіцієнти тепловіддачі у випарник для двох ділянок робочого циклу холодильної машини - з включеним компресором та при охолодженні надлишком тиску хладону у конденсаторі, а холодильна продуктивність компресора є сумою двох її складових, визначених окремо для кожної з двох ділянок циклу, у вигляді добутку її еквівалента холодильної продуктивності, коефіцієнта тепловіддачі у випарник і площі поверхні випарника. Величина енергетичної досконалості холодильної машини робочого циклу визначається відношенням холодильної продуктивності компресора до спожитої холодильником електричної потужності. Таким чином, спосіб тестування здійснюється за показаннями трьох датчиків температури, ватметра, лічильника часу, придатний до його реалізації у будь-яких умовах застосування холодильного апарата і одною особою, не потребує розгерметизації, заправки хладоном і поновлення герметизації холодильної машини, застосування складного обладнання, вимірювальних приладів і каталожних даних компресора та двигуна холодильного апарата. Тестування проводиться без застосування діаграм циклу холодильної машини, за абсолютними значеннями температур, які вимірюються всередині робочого об'єму холодильного апарата, а тому отримані їх величини позбавлені систематичної похибки від пошуку ентальпії графоаналітичним методом та впливу температури оточуючого середовища, що суттєво підвищує точність способу. Відомості, які підтверджують можливість здійснення способу. Усі ділянки холодильного апарата, на яких способом тестування передбачено розміщення вимірювальних приладів щодо визначення енергетичної ефективності холодильної машини, легкодоступні, датчики температури можуть бути виготовлені або застосовані їх промислові аналоги, герметична холодильна система безпечна в експлуатації і надійна у роботі. Суттєве прискорення процесу з отримання кінцевого результату при застосуванні запропонованого способу тестування може бути досягнуто шляхом обробки отриманих результатів на ПЕОМ. Позначення на фігурі: 1. Датчик температури. 2. Морозильна шафа - МШ. 3. Поверхня випарника - В. 4. Датчик температури. 5. Датчик температури. 6. Холодильна шафа - ХШ. 7. Металева пластина. 8. Ватметр - PW. 9. Компоненти холодильника. 10. Електричний двигун - М приводу компресора - К1. 11. Тумблер включення лічильника часу. 12. Електричний секундомір - S. 13. Теплообмінний конденсатор - К2. РВ - регулюючий вентиль. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Спосіб визначення енергетичної ефективності холодильної машини з урахуванням холодильної продуктивності компресора і спожитої його двигуном електричної потужності протягом часу одного циклу роботи в усталеному режимі, за яким вимірюють температуру за показниками датчиків температури, встановлених у відповідних місцях, який відрізняється тим, що для визначення холодильної продуктивності компресора використовують показання трьох датчиків температури, один з яких розташовано щільним приєднанням до поверхні випарника на ділянці випаровування хладону, два інші розміщені всередині об'ємів морозильної і холодильної шаф, за цими показаннями через визначені проміжки часу протягом циклу роботи холодильної машини розраховують еквіваленти холодильної продуктивності, сталі часу зміни температури у морозильній шафі і коефіцієнти тепловіддачі у випарник для двох ділянок робочого циклу холодильної машини - з включеним і виключеним компресором, холодильну продуктивність 4 UA 97696 C2 5 компресора визначають як суму кількості теплових потоків, вилучених з об'єму холодильних шаф при включеному і вимкненому компресорі, визначених окремо на кожній з цих двох ділянок циклу як добуток еквівалента холодильної продуктивності, коефіцієнта тепловіддачі у випарник і площі поверхні випарника, а енергетичну ефективність холодильної машини визначають як відношення холодильної продуктивності компресора до спожитої холодильним приладом за цей час електричної потужності. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5