Бытовые холодильники

В блок управления холодильника-морозильника входят следующие комплектующие  изделия: лампа освещения ХК, пускозащитное  реле, один конденсатор, датчик-реле температуры, выключатель освещения.

ХК комплектуется полками  выполненные из оргстекла, овощными сосудами и сосудом для масла  с крышкой. МК комплектуется полкой с обрамлением и льдоформой.

Примем размеры и параметры  холодильника-морозильника следующие:

 

- общий объем холодильника, дм³    495

- полезный объем холодильника, дм³             247.5

- полезный объем МК, дм³                        37

- количество компрессоров, шт              2

- хладогент       R134a

- габаритные размеры (В/Ш/Г), мм   1800/500/550

- масса, кг                  86

6.1. Расчет основных элементов конструкции холодильника

1. Расчет теоретического цикла

В основе работы бытовой  компрессионной холодильной машины лежит теоретический цикл, которой  называется циклом с регенеративным теплообменником.

Перед расчетом теоретического цикла  выполняется построение теоретического цикла холодильной машины в одной  термодинамических диаграмм состояния  холодильного агента.

Для построения теоретического цикла используется исходные данные и диаграмма состояния i-lg p   хладагента R134a. Исходные данные:

Хладагент R 134a

Температура кипения To= -25 C

Температура конденсации  Tk= 55 C

Температура всасывания Tвс = -10 C

Удельная энтальпия точки 3 определяется из уравнения теплового баланса  по формуле:

i₃ - i₃ = i₁ - i₁

i₃ = i₃ - i₁ + i₁

По известным термодинамическим  параметрам состояния определяется величины характеризующие цикл, и  сводятся в таблицу.

По формуле находим  i₃.

 

i₃ = 280 - (410 - 385,4) = 255,4 кДж/кг

Эта энтальпия соответствует  температуре 40 С.

По известным параметрам состояния  таблицы производиться расчет теоретического цикла.

• дельная массовая холодопроизводительность:

q_o = i₁ – i₄ = 385 – 255 = 130 (кДж/кг)

• Удельная объемная холодопроизводительность:

q_v = q_o / v_i = 130 / 0,185 = 702,7  (кДж/м)

• Количество теплоты, отводимой из конденсатора:

q_k = i₂ – i₃ = 470 – 283 = 187 (кДж/кг)

• Работа компрессора в адиабадическом процессе сжатия:

L = i₂ – i₁ = 470 – 412 = 58 (кДж/кг)

• Холодильный коэффициент:

E = q_o / L = 130 / 58 = 2,24 ;  2 < E < 6 – цикл эффективный

Параметры хладагента.

№ Т	t , °C	P, мПа	V, м3/кг	i, кДж/кг	S, кДж/кгК
1	-25	0,127	0,160	385	1,73
1΄	10	0,127	0,185	412	1,85
2	55	0,640	0,014	470	1,72
2΄	95	0,640	0,017	440	1,85
3	55	0,640	-	283	-
3΄	40	0,640	-	255	-
4	-25	0,127	-	255	0,40

 

Теоретический цикл для хладагента R 134a

 

2. Расчет теплового баланса холодильника
1. Расчет теплопритоков через стенки холодильника

Исходными данными для  расчета являются: габаритные размеры  холодильника: высота a = 1,80 м, ширина b = 0,50 м, глубина c = 0,55 м, толщина наружного слоя из углеродистой стали δ_н = 0,003 м, толщина слоя теплоизоляции из пенополиуретана δ_mn =0.065,толщина внутреннего слоя из полистирола δ_вн =0,003м, значения коэффициента теплопроводности слоев

λ_н = 81 Вт/мК, λ_mn = 0.025 Вт/м, λ_вн = 0,14 Вт/мК, коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности стенки α_вн = 9 Вт/м² К, коэффициент теплопередачи от наружной поверхности стенки α_нар = 22,7 Вт/м² К, средняя температура в камере  холодильника -9°С, температура окружающей среды 32°С.

Тепловой приток при передаче через стенку рассчитывается по формуле:

 

Q_ct=KS∆T

где S – площадь стенки,

∆T- разность температур воздуха по обе стороны стенки,

К- коэффициент теплопередачи  через стенку, равный

 

где  α_вн - коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности стенки, Вт/м ² К,

δ_i- толщина слоя (м),

λ_i - коэффициент теплопроводности слоя (Вт/м К),

α_нар - коэффициент теплопередачи от наружной поверхности стенки,           Вт/м ² К,

Определяем разность температур:

∆T=32-(-9)=41°С,

Определяем площади передней, задней, боковой, нижней и верхней  стенок:

Вычисляем площади передней и задней стенок

S₁= S₂=a*b=1.80*0.50=0.9 м²

Вычисляем площади боковых  стенок

S_бок= S₃= S₄=a*c=1.80*0.55=0.99 м²

Вычисляем площади нижней и верхней стенок

S _п=S₅= S₆=b*c=0.50*0.55=0.275 м²

Вычисляем коэффициент теплопередачи  через стенку

 

Вычисляем теплопередачу  через переднюю и заднюю стенки

Q₁=Q₂=K*S₁*∆T=0.36*0.9*41=13.284 Вт

Вычисляем теплопередачу  через боковые стенки

Q₃=Q₄=K*S₃*∆T=0.36*0.99*41=14.6124 Вт

Вычисляем теплопередачу  через нижнюю и верхнюю стенки

Q₅=Q₆=K*S₅*∆T=0.36*0.275*41=4.1Вт

Определяем суммарные  теплопритоки через стенки

Q_ст = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ =

= 13.284+13.284+14.6+14.6+4.1+4.1=63.968 Вт

6.2.2. Расчет теплопритоков от охлаждаемых продуктов

Задача: Рассчитать расход холода на охлаждение и замораживание продуктов (например, мяса говяжьего) в холодильнике  с объемом холодильной камеры - V_x =247.5 л и объемом морозильной камеры V_M =37 л.

Расход холода на охлаждение и замораживание продуктов в  камерах холодильника может быть определен по формуле:

 

где G_Х- количество продуктов, помещающихся в камере охлаждения, кг;

G_М- количество продуктов, помещающихся в морозильной камере, кг;

i_H-начальное теплосодержание продуктов, определяемое при температуре окружающей среды;

i_X и i_M- конечные теплосодержания охлаждаемых и замораживаемых продуктов при соответствующих температурах;

86400- число секунд в  сутках, с.

При известных емкостях холодильной  V_x и морозильной камеры V_M масса размещающихся продуктов в них ориентировочно может быть определено из расчета размещения 0,2 кг продуктов в 1л емкости холодильной камеры и 0,5кг - в 1л емкости морозильной камеры, т.е.

G_x=0,2V_x

G_m=0,5V_M

Отсюда получим

G_x=0,2V_x=0,2*247.5=49.5 кг

G_m=0,5V_M=0,5*37=18.5 кг

Определяем расход холода на охлаждение и замораживание продуктов  в камерах холодильника:

Q_x = [ ∑G_x (i_H - i_x) +  ∑G_m (i_H - i_m)/ 86400 =

=[49.5*(296.8 - 232.4) + 18.5*(296.8 - 13)/ 86400=0.098 кВт.

6.2.3. Эксплуатационные теплопритоки

Расход холода на разные эксплуатационные нужды (на охлаждение лампочки электроосвещения, воздуха, проникающего через не плотности и пр.)Q_э принимают равным 0,2Q_ст

Q_э=0,2Q_ст=0,2*63.968=12.7936 Вт

При открывании двери в  процессе эксплуатации холодильника происходит естественная смена воздуха, вследствиечего в камеру вносится некоторое количество тепла и влаги.

Определить теплопритоки при открывании и закрывании дверей с достаточной точностью практически  невозможно. Обычно принимают этот теплоприток равным 2-5% от суммы теплопритока через ограждение и теплопритока от продуктов.

Определяем теплопритоки от воздухообмена при открывании дверей

Q_в=0,05*(Q_x + Q_ст) = 0,05*(0.098+63.968) =3.2033Вт

6.3. Расчет холодопроизводительности

Холодопроизводительность  равна сумме теплопритоков

Q = Q_ст + Q_х + Q_э + Q_в = 63.968+0.098+12.7936+32033 = 0.0800629кВт

6.4. Тепловой расчет холодильной машины

Удельная массовая холодопроизводительность определена в разделе 2.2.

Определяем массовый расход хладагента- массовую подачу компрессора

M = Q/q₀ = 0.0800629/152.13 = 0.00053 кг/с

Определяем объемный расход хладагента - объемную подачу компрессора

 

V_g = M*V₁ = 0.00053*0.1932 = 0.0001024 м³/с

Определяем коэффициент  подачи компрессора в зависимости  от степени сжатия Р_к/Р_и

Р_к/Р_и=11,115/1,15=9,665

λ=0,55

Определяем описанный  объем компрессора

V = V_g/λ = 0.0001024/0.55 = 0.00019

Вычисляем теоретическую (адиабатную) мощность компрессора

N_t = M*(i₂ – i₁) = 0.00053*(462 - 408.21) =0.02851кВт

Определяем действительную (индикаторную)  мощность

N_i = N_t/η_i = 0.02851/0.7 = 0.0407 кВт

где  - индикаторный к.п.д.

Рассчитываем эффективную  мощность компрессора на валу компрессора

N_в = N_i/η_м = 0.0407/0,85 = 0.0479 кВт

где - механический к.п.д., учитывающий потери на трение.

На основе полученных характеристик выбираем компрессор. Выбран компрессор EmbracoNBT 1118Z с холодопроизводительностью 225 Вт,

потребляемым током 0,60 А, потребляемой мощностью 121 Вт и массой 10,7 кг.

6.5. Расчет конденсатора

Исходными данными для  расчета являются: тепловая нагрузка на конденсатор, температура конденсации  хладагента Т_к=43,5°С, температура воздуха на входе в конденсатор Т_в1= 32°С, коэффициент теплопередачи К=63 Вт/м∙К.

Конструкцию конденсатора принимаем  в виде оребренной медной трубки диаметром 11х1,0.

Тепловая нагрузка на конденсатор

Q_k = Q + N_i = 0.0800629 + 0.0407 = 0.1207629 кВт

Теплопередача через стенки конденсатора осуществляется за счет теплопроводности. Поэтому производительность конденсатора определяют по основному  уравнению теплопередачи:

 

где Q_k – производительность конденсатора;

F – площадь поверхности конденсатора;

∆t_m- средняя логарифмическая разность температур между температурами конденсации холодильного агента и окружающей среды.

Температуру воздуха Т_в2 на выходе из конденсатора,  исходя из условий принятых выше, принимаем равной

Т_в2= Т_в1+7=32+7=39°С

Определяем среднюю логарифмическую  разность температур ∆t_m между температурами конденсации холодильного агента и окружающей среды

 

Определяем площадь поверхности  конденсатора  F

F = Q_k/k∆t_m = 120.7629/63*7.468 = 0.257 м².

 

7.Основные направления  совершенствования

Современные холодильники, за очень редким исключением, не имеют  индикации температуры внутри рабочей  камеры, что не позволяет реально  оценить  работу терморегулятора  и  эффективность теплоизоляции.  Используемые в большинстве холодильников  механические терморегуляторы с  термобаллоном  и капиллярной  трубкой  к тому же  имеют низкую надёжность и точность работы.

 

Рис. 11. Электрическая схема  терморегулятора с индикацией

Предлагаемое устройство устанавливается взамен  штатного терморегулятора. На передней стенке холодильника монтируется блок индикации температуры,   переменный резистор  R18  для изменения  уставки и самовозвратная кнопка  SB1  для  контроля  установки  рабочей температуры (рис. 11).  Датчиком температуры служит малогабаритный медный термометр сопротивления  градуировки 5 Ом, который устанавливается  внутри рабочей камеры, а проводники протягиваются через штатное  отверстие для механического  терморегулятора, к задней стенке холодильника, где монтируется основной блок регулятора.  Настройка

 прибора производится  до установки в холодильник.  Вначале настраивается блок индикации.  Подбором резисторов R1, R2  добиваются  величины напряжения на выводе 36 микросхемы DA1,  равной 1,00В, затем  приступают к настройке основного  блока. Вместо термометра сопротивления  устанавливается постоянный прецизионный  резистор сопротивлением 50,00 Ом или  магазин сопротивлений. Подстроечным  резистором R5 добиваются нулевых  показаний цифрового индикатора. Следует иметь ввиду, что резисторы  измерительного моста должны  быть подобраны как можно точнее.

Если настройка не получается, можно исключить резистор R3 для  расширения зоны настройки, но это может  снизить временную стабильность показаний. Далее вместо  датчика  температуры устанавливают постоянный резистор с сопротивлением, равным сопротивлению датчика при выбранной  температуре, например 47,00 Ом,  что  соответствует температуре -14,00 град.С.  Регулировкой подстроечного резистора R16 добиваются этих показаний на цифровом индикаторе. Соответствие сопротивления  и температуры  датчика можно  определить с помощью специальной  программы.  Подстроечный резистор R11 служит для линеаризации характеристики в границах диапазона температур -200 град.С ... +200 град.С.  При использовании  устройства в качестве терморегулятора  холодильника  ползунок резистора  должен находится в среднем положении.  Резистором R23устанавливают гистерезис рабочей характеристики, который  должен быть в пределах 2 .. 3 град.С.   В  устройстве желательно применять  операционные усилители прецизионного  ряда,  двойные или одиночные, например,  КР140УД20,  К140УД14  или  зарубежные аналоги. Интегральный стабилизатор отрицательного напряжения DA4  -  LM7905,  LM79L05. Выбор остальных активных элементов не критичен.