аспирант с 01.01.2019 по настоящее время
Белгород, Белгородская область, Россия
студент с 01.01.2023 по настоящее время
Курск, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Рассматривается современный способ исследования потоков жидкости посредством компьютерного моделирования в среде SolidWorks Flow Simulation. В качестве исследуемого объекта выступает модель пластинчатого теплообменника конденсатора промышленной холодильной машины. В статье приведено сравнение эффективности теплообмена при работе вентиляторов при различных частотах вращения крыльчатки. Даны общие сведения об использовании SolidWorks Flow Simulation применительно к моделированию процесса охлаждения пластинчатого теплообменника. Применение плавного регулирования частоты вращения каждого из вентиляторов конденсатора обеспечивает такую же эффективность охлаждения, как и при дискретном запуске меньшего количества вентиляторов при номинальной частоте вращения, однако в первом случае может быть достигнута большая энергоэффективность. Проведены исследования, в результаты которых получены значения частот вращения вентиляторов пластинчатого теплообменника конденсатора холодильной машины при различных конфигурациях вентиляторов. Эти величины необходимы для дальнейшего компьютерного моделирования системы управления вентиляторами на базе преобразователя частоты и выявления закономерностей между снижением частоты вращения электродвигателей вентиляторов и снижением их энергопотребления. Установлено, что применение SolidWorks Flow Simulation является мощным инструментом для симуляции низкоскоростных потоков, обеспечивающий параллельное проектирование и позволяя радикально изменить анализ потока жидкости и теплообмена.
пластинчатый теплообменный аппарат, конденсатор, холодильная машина, параметрическое моделирование потока, SolidWorks, вычисления гидродинамики
Введение. Рост потребности в области производства промышленного и бытового холода требует разработки эффективных мер по снижению энергопотребления холодильных установок как с помощью оптимизации работы системы управления, так и с помощью изменений в гидравлической системе установки.
Согласно оценкам Международного института холода, искусственное охлаждения (включая кондиционирование воздуха) потребляет около 17 % всей используемой в мире электроэнергии. Такая оценка МИХ базируется на анализе фрагментарных данных о потреблении энергии по секторам в разных районах мира [1].
Опираясь на данные, приведенные в статье «Оценка энергоэффективности холодильных установок и систем», опубликованной в журнале «Холодильная техника», только промышленные потребители энергии в Российской Федерации смогут экономить по оплате счетов до 14 млрд долл. США в год, если начнут применять энергосберегающее оборудование и технологии, а также устранят очевидные потери энергии при ее передаче [2]. Наибольшей энергоэффективности можно достичь в случае проведения оптимизационных мероприятий, затрагивающих все узлы холодильной машины.
Оптимальное управление конденсацией- важнейшая задача, решение которой позволяет стабилизировать работу холодильной машины в целом, снизить общее энергопотребление, увеличить срок службы электрооборудования и интервалы технического обслуживания.
Материалы и методы. Одним из основных элементов холодильной машины является конденсатор, выполняемый, как правило, в виде пластинчатого теплообменного аппарата [3], посредство которого происходит отвод тепла от горячего пара хладагента и его конденсация. При этом сначала происходит охлаждение горячего газообразного хладагента до температуры конденсации, далее следует сама конденсация и, наконец, происходит охлаждение полученной жидкости [4]. Переохлаждением называют разность между температурой конденсации жидкости при данном давлении и температуры жидкости при этом же давлении. Величина переохлаждения, которая должна находиться в пределах 4–7 К, может быть отрегулирована путем изменения интенсивности обдува конденсатора наружным воздухом. Обдув, как правило, производится посредством вентиляторов, производительность которых подбирается из учета производительности теплообменного аппарата. Принцип работы конденсатора холодильной машины показан на рисунке 1. Для наглядности процесс рассмотрен для фреона R22.
Рис. 1. Структурная схема конденсатора холодильной машины
В точке А пары с температурой t= 70℃ попадают в конденсатор под давлением P= 14 Бар. На участке А-В перегрев паров снижается при том же уровне давления P= 14 Бар. В точке В начинается процесс конденсации, продолжающийся до точки С, в которой пары полностью конденсируются, и остается только жидкость с температурой t= 38℃ и давлением P= 14 Бар [5].
Воздух, проходящий через теплообменник конденсатора c начальной температурой tae нагревается до температуры tas. Детальный график процесса теплопереноса представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Изменение температуры воздуха при охлаждении конденсатора
tk – показания температуры конденсации;
Δθ – разность температур.
Перепад температуры в конденсаторе с воздушным охлаждением рассчитывается согласно формуле:
(1)
Снижение интенсивности теплообмена конденсатора может привести к уменьшению охлаждения паров хладагента, в результате чего давление повышается до аномально высокого значения. В случае роста давления конденсации электродвигатель компрессора начинает потреблять больше электроэнергии, поскольку должен передать рабочему органу больше мощности. Давление на всасывающей магистрали также снижается, что приводит к ухудшению охлаждения электродвигателя компрессора. Таким образом двигатель потребляет больший ток при ухудшении условий для охлаждения обмоток, что приводит к срабатыванию системы защиты и блокированию компрессора системой управления.
Конденсатор холодильной машины имеет, как правило 2 и более вентилятора. Использование нескольких вентиляторов позволяет производить их запуск по мере необходимости согласно дискретным уровням давления нагнетания в зависимости от внешних условий, таких как температура окружающей среды, уровень загрязненности теплообменника конденсатора.
При этом вентиляторы запускаются посредством механических реле давления, настроенных на различные уровни давления с шагом в 2–4 Бар, или с помощью релейных выходов контроллера системы управления. Ввиду дискретности запуска вентиляторы вращаются с постоянной частотой вращения без возможности плавного регулирования [6]. В результате этого могут происходит резкие перепады давления и повышаться уровень энергопотребления вентиляторов.
Одним из способов повышения энергоэффективности работы вентиляторов конденсаторов холодильной машины является модернизация системы управления с помощью внедрения преобразователей частоты (ПЧ), позволяющих производить плавное регулирование частоты вращения сразу всех вентиляторов, при этом должна обеспечиваться такая же эффективность теплообмена, как и в случае с дискретной работой вентиляторов на максимальной частоте вращения [7].
Для определения целесообразности использования ПЧ необходимо произвести оценку скоростей вращения вентиляторов при работе от ПЧ при той же эффективности охлаждения, какую обеспечивают 1, 2 и 3 дискретно запущенных вентилятора при работе на максимальной частоте вращения. При этом в качестве показателя для оценки эквивалентности процесса охлаждения использована температура хладагента на выходе из конденсатора.
Основная часть. Исследование произведено с помощью среды компьютерного моделирования SolidWorks и модуля SolidWorks Flow Simulation. Данное программное обеспечение позволяет производить моделирование потока жидкости и газа и вычисления параметров разрабатываемого изделия [8]. С помощью программного пакета SolidWorks Flow Simulation произведено моделирование течения хладагента через пластинчатый теплообменник конденсатора холодильной машины с 3 вентиляторами.
Задача моделирования состоит в том, чтобы построить геометрическую модель пластинчатого теплообменника и произвести исследование процесса охлаждения при дискретном запуске одного вентилятора на максимальной частоте вращения в сравнение с запуском всех трех вентиляторов с некой скоростью X при одинаковой эффективности охлаждения.
Принятые условия однозначности при проведении моделирования [9]:
- однозначно определена геометрия исследуемого объекта. Построена 3D-модель теплообменника конденсатора;
- заданы параметры жидкости: ее тип, условия течения;
- cформированы граничные условия.
Процесс моделирования работы производился одним подходом:
- заданный тип задачи: внешняя задача (но с условием наличия подобласти течения) [10];
- подключённые физические модели:
течение жидкости/газа;
теплопроводность;
гравитация;
- вид текучей среды: воздух, хладагент;
- характеристика течения: ламинарное и турбулентное;
- термодинамические параметры окружающего воздуха: температура 20 ℃, давление 101 Па
При расчете используются математические модели теплопереноса Фурье и модель движения вязкой осреднённой по Ньютону жидкости Навье-Стокса [11].
В декартовой системе координат систему уравнений Навье-Стокса можно представить следующим образом:
(2)
(3)
(4)
где t – время, u- скорость среды, 
- плотность среды, P- давление среды, 
- внешние массовые силы, E- энергия единичной массы среды, 
- тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме среды, 
- тензор вязких сдвиговых напряжений, - дифференциальный тепловой поток.
Построение 3D-модели теплообменника произведено с помощью стандартных средств SolidWorks. При этом использован твердотельный способ моделирования сборки объектов, которым в дальнейшем был назначен необходимый материал [12]. Внешний вид построенной геометрической модели представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Внешний вид спроектированной модели конденсатора холодильной машины
Для оценки эффективности охлаждения необходимо использовать геометрические модели вентиляторов конденсаторов, используемых в промышленности. Были приняты 3 вентилятора Weiguang YWF4D-500-S-145/65-G с диаметром 500 мм, производительностью в 7964 м3/ч и номинальной частотой вращения 1400 об/мин.
Начальными и граничными условиями модели являются:
- вещество – хладагент: R507A;
- материал трубки конденсатора – медь
- материал пластин конденсатора – алюминий;
- материал корпуса – сталь;
- математическая модель турбулентности – стандартная κ-ε модель [13];
Начальные параметры хладагента на входе в трубку конденсатора:
- температура 41 ℃;
Определение эффективности конденсатора холодильной машины при работе одного центрального вентилятора с частотой вращения 1400 об/мин приведено на рисунках 4–8.
Рис. 4. Параметры работы вентиляторов (1x1400 об/мин)
Рис. 5. Температура потока хладагента в трубке (1x1400 об/мин)
Рис. 6. Температура на поверхности трубки (1x1400 об/мин)
Рис. 7. Температура на поверхности пластин (1x1400 об/мин)
Рис. 8. Распределение потоков воздуха при охлаждении
(1x1400 об/мин)
Далее произведена симуляция, в ходе которой произведен расчет скорости вращения всех 3-х вентиляторов при обеспечении той же эффективности охлаждения [14], т. е. при совпадении температуры хладагента на выходе из конденсатора. Результаты моделирования представлены на рисунках 9–13.
Рис. 9. Параметры работы вентиляторов (3x250 об/мин)
Рис.10. Температура потока хладагента в трубке (3x250 об/мин)
Рис. 11. Температура на поверхности трубки (3x250 об/мин)
Рис. 12. Температура на поверхности пластин (3x250 об/мин)
Рис. 13. Распределение потоков воздуха при охлаждении (3x250 об/мин)
В результате моделирования выявлено, что работа одного вентилятора с частотой 1400 об/мин эквивалентна работа трёх вентиляторов с частотой 250 об/мин. Так как при таких условиях температура хладагента на выходе составила 39,85 ℃.
Далее произведена симуляция, в ходе которой произведен расчет скорости вращения 2-х вентиляторов из группы при обеспечении той же эффективности охлаждения, т. е. при совпадении температуры хладагента на выходе из конденсатора. Результаты моделирования представлены на рисунках 14–18.
Рис. 14. Параметры работы вентиляторов (2x525 об/мин)
Рис. 15. Температура потока хладагента в трубке (2x525 об/мин)
Рис. 16. Температура на поверхности трубки (2x525 об/мин)
Рис. 17. Температура на поверхности пластин (2x525 об/мин)
Рис. 18. Распределение потоков воздуха при охлаждении (2x525 об/мин)
В результате моделирования выявлено, что работа двух вентиляторов с частотой 525 об/мин эквивалентна работа одного вентиляторов с частотой 1400 об/мин. Так как при таких условиях температура хладагента на выходе составила 39,85 ℃. Графическая зависимость температуры хладагента от частоты вращения вентиляторов для данного случая приведена на рисунке 19.
Рис. 19. Графическая зависимость температуры хладагента от частоты вращения вентиляторов
Полученные данные могут быть использованы для определения энергоэффективности использования преобразователей частоты в системе управления вентиляторами конденсатора [15]. Для этого будет вычислена частота питающей сети вентилятора, при которой частота вращения крыльчатки совпадет с частотой, вычисленной в рамках данного исследования [16].
Выводы
- Рассмотренный метод исследования потоков жидкости в среде SolidWorks Flow Simulation позволил произвести исследование процесса охлаждения пластинчатого теплообменника с протекающих по нему хладагентом.
- Экспериментально установлены скорости вращения одновременного вращающихся вентиляторов конденсатора холодильной машины в сравнении с дискретно запущенными вентиляторами на максимальной частоте вращения.
- Построена графическая зависимость температуры хладагента на выходе из конденсатора холодильной машины от частоты вращения 2-х вентиляторов.
1. Роль холода в мировой экономике. 38-я Информационная записка МИХ по холодильным технологиям (июнь 2019 г.) // Холодильная техника. 2020. Т. 109. № 5. С. 6-13. https://doi.org/10.17816/RF104029
2. Оценка энергоэффективности холодильных установок и систем // Холодильная техника. 2013. № 10. С. 22-29.
3. Кущев Л.А., Саввин Н.Ю. Тепловизионные исследования оригинальной пластины теплообменника // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2021. № 1. С. 38-45. DOIhttps://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-1-38-45.
4. Азизов. Д., Сайдиев Ф. Основы холодильной техники и технического обслуживания холодильных систем. Ташкент: Baktria press, 2017. 176 с.
5. Конденсаторы воздушного охлаждения [Электронный ресурс]. URL: https://www.xiron.ru/content/view/31686/28/ (дата обращения: 20.08.2023).
6. Иващенко Е.Ю., Зверок А.С. Холодильные машины: учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-36 20 01 «Низкотемпературная техника». Минск: БНТУ, 2020 г. 82 с.
7. Виноградов А.Б., Коротков А.А. Алгоритмы управления высоковольтным многоуровневым преобразователем частоты. ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина». Иваново, 2018. 184 с.
8. Лунева С.К. Моделирование процессов тепломассопереноса в программной среде SolidWorks/FlowSimulation // ТТПС. 2018. №2 (44). С. 27-31.
9. Обобщенный закон ньютона [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/8375555/page:7/ (дата обращения: 20.08.2023).
10. Попов А.Ю. Моделирование распределения воздушного потока в программном комплексе solidworks flow simulation // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2017. №3-3. С. 74-77.
11. Соловьев А.Н., Глазунова Л.В. Моделирование процесса охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры в SOLIDWORKS // Вестник Донского государственного технического университета. 2010. Т. 10, № 4(47). С. 466-473.
12. Зиновьев Д.В. Основы проектирования в SOLIDWORKS 2016. ДМК-Пресс, 2017. 277 c.
13. Коркодинов Я. А. Обзор семейства k-ε моделей для моделирования турбулентности // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2013. Т. 15, № 2. С. 5-16.
14. Корниенко Ф.В. Увеличение эффективности испарительного конденсатора компрессионных холодильных машин // Инженерный вестник Дона. 2012. № 3(21). С. 231-234.
15. Применение преобразователей частоты для управления вентиляторами конденсаторов и градирен [Электронный ресурс]. URL: https://drives.ru/standartnye-resheniya/ventilyatory-kondensatorov-i-gradiren/?ysclid=llpels2syi112043113 (дата обращения: 20.08.2023).
16. Кореньков Е.В. Применение частотного регулирования в системах вентиляции для повышения энергоэффективности // Вестник магистратуры. 2022. №2-2 (125). С. 32-34.
