α н – коэффициент теплопередачи с внешней поверхности ограждения, Вт/мК;

αвн – коэффициент теплопередачи с внутренней поверхности ограждения, Вт/мК;

δ – толщина отдельных слоев конструкции ограждения;

λ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала.

Расчет производится в следующей последовательности:

          Рассчитаем все возможные коэффициенты теплопередачи.

а) коэффициент теплопередачи холодильной камеры по формуле (*)

t1 – температура окружающей среды

t2 –температура внутренней холодильной камеры

δ1 – толщина внешней поверхности

δ2 – толщина изоляции

δ3 – толщина внутренней поверхности

λ1 – коэффициент теплопроводности стали

λ2 – коэффициент теплопроводности пенополиуритана

λ3 – коэффициент теплопроводности полистирола

αн = 22,7 Вт/мК                          αвн = 9 Вт/мК

λ1 = 81 Вт/мК

λ2 = 0,029 Вт/мК

λ3 = 0,14 Вт/мК

Все остальные данные возьмем с учетом проектирования

t = 32°С                 t2 = 0° С          δ1 = 0,6 мм          

δ2 = 33 мм             δ3 = 2 мм

k1 = Вт/мК

б) рассчитывается коэффициент теплопередачи низкотемпературной камеры

t = 32°С                 t2 = -20° С          δ1 = 0,6 мм          

δ2 = 44 мм             δ3 = 2 мм             αвн = 3,5 Вт/мК

k2 = Вт/мК

Геометрические размеры холодильника

а) геометрические размеры температурной камеры

где h1 – высота морозильной камеры,

в – глубина морозильной камеры

Внутренний рабочий объем НТК – 80 дм3.

Объем камеры определяется по формуле:

VHTK = α·в·h

Определим высоту камеры:

VHTK = (0,6-0,08·2)(0,6-0,08·2)·h

h = 0,08/0,1936= 0,4132 м

Определим габаритный размер камеры НТК с учетом изоляции и перегородок и учитывая то, что высота отсчитывается от средней линии в перегородке

1 – внутренняя и внешняя стенка

2 – изоляционный слой

          h = h + (8+5) 

          h = 41,32 + (8+5) = 45,4= 0,454 м

б) геометрические размеры холодильной камеры (хк)

    Внутренний объем ХК:

      Vхк = 133 дм3

Объем холодильной камеры определяется по формуле:

Vхк = α·в·h, где

h – действительная высота холодильной камеры

Vхк = 133 дм3 = 0,133 м3            α = 0,6 м            в = 0,6 м

Толщина изоляции и перегородки 80 мм = 0,08 м

Vхк = (0,6-0,08·2)(0,6-0,08·2) h

h = 0,133/0,1936 = 0,686 м

Определим габаритный размер холодильной камеры, с учетом изоляции перегородок и учитывается то, что высота отсчитывается с учетом средней линии:

h2 = h + (8+5) = 68,6 + 13 = 0,817 м

в) геометрические размеры камеры для хранения овощей и фруктов:

    Внутренний объем ХК:

      Vхк = 92  дм3

Объем холодильной камеры определяется по формуле:

Vхк = α·в·h, где

h – действительная высота холодильной камеры

Vхк = 92 дм3 = 0,092 м3            α = 0,6 м            в = 0,6 м

Толщина изоляции и перегородки 80 мм = 0,08 м

Vхк = (0,6-0,08·2)(0,6-0,08·2) h

h = 0,092/0,1936 = 0,475 м

Определим габаритный размер холодильной камеры, с учетом изоляции перегородок и учитывается то, что высота отсчитывается с учетом средней линии:

h3 = h + (8+5) = 47,5 + 13 = 60,5 м

Общая высота холодильника

H = h1 + h2+  h3 = 0, 454+ 0,817+0,605 = 1,85 м

Расчет площадей поверхностей холодильника

Рассчитываем все площади поверхности холодильника:

а) площадь поверхности морозильной камеры НТК

Sнтк = (α – 0,08)(в – 0,08) + (в – 0,08)(h1 – (0,04+0,05))·2 + (α – 0,08)( h1 – (0,04+0,05))·2

Sнтк = 1,215 м2

б) площадь поверхности холодильной камеры:

Sхк = (α – 0,08)(в – 0,08) + (в – 0,08)(h2 – (0,04+0,05))·2 + (α – 0,04)( h2–  (0,04+0,05))·2

Sхк = 3,1784 м2

в)  площадь поверхности камеры для овощей и фруктов:

Sхк = (α – 0,08)(в – 0,08) + (в – 0,08)(h3– (0,04+0,05))·2 + (α – 0,04)( h–  (0,04+0,05))·2

Sхк = 2,3304 м2

д) площадь поверхности перегородки между морозильной камерой и плюсовой

Sп = (α – 0,1)(в – 0,1) = 0,25 м2

г) площадь поверхности между плюсовой и низкотемпературной камерами

Sп2 = (α – 0,08)(в – 0,08) = 0,2704 м2

Теплопритоки через ограждения

а) теплоприток из внешней среды в морозильную камеру НТК

Q΄1 = k2 · Sнтк ΔТ

Q΄1 = 0,537·1,215 (32-(-18)) = 32,623 Вт

б) теплоприток из внешней среды в холодильную камеру

Q"1 = k2 · Sнтк ΔТ = 0,765 · 3,1784 (32-5) = 77,8 Вт

в) теплоприток из внешней среды в камеру для хранения овощей и фруктов

Q"’1 = k2 · Sнтк ΔТ = 0,765 · 2,3304 (32-0) = 57,05 Вт

Q1 = общий теплоприток  через все ограждения

Q1 = Q΄1 + Q"1 + Q"’1  =32,623 + 77,8 + 57,05  = 167,48 Вт

Тепловая нагрузка от воздухообмена:

Q2 = 0,05 (Q1 + Q3)

Q2 = 0,05 (167,48 + 0,096) = 8,378526 Вт

а) Тепловая нагрузка от воздухообмена в ХК

Q΄2 = 0,05(Q΄1+ Q3΄)

Q΄2 = 0,05(77,8 + 0,09) = 3,89 Вт

б) Тепловая нагрузка от воздухообмена в НТК

Q"2  = 0,05(Q"1  + Q"3)

Q"2  = 0,05(32,623 + 6,25 · 10-4) = 1,63Вт

в) Тепловая нагрузка от воздухообмена в камеру для хранения овощей и фруктов

Q’’΄2 = 0,05(Q΄1+ Q3΄)

Q’’΄2 = 0,05(57,05 + 0,09) = 2,857 Вт

Определяем холодопроизводительность холодильного агрегата для холодильника

Общая тепловая нагрузка:

Q΄0 х.а = Q1 + Q2 + Q3 + Q4, где

Q4 = 1,05 (Q1 + Q2 + Q3)

Q4 = 1,05 (77,8 + 3,89 + 0,096) = 85,87 Вт

Q΄0 х.а = 77,8 + 3,89 + 0,096 + 86 = 167,66 Вт

а) определяем холодопроизводительность холодильного агрегата для ХК

Q΄0 х.а(хк)= Q1΄+ Q2΄+ Q3΄+ Q4΄= 167,66 Вт

Результаты расчета для надежности увеличиваются на  5-10%. Это зависит от достоверности данных, применяющихся при расчете тепловой нагрузки.

Q"0 х.а = 1,05 Σ Qi=1,05( Q΄0 х.а(хк))=1,05*= 176 Вт

б) определяем холодопроизводительность холодильного агрегата для НТК.

Q΄΄0 х.а(нтк)= Q1΄΄+ Q2΄΄+ Q3΄΄+ Q4΄΄=34,253Вт

Результаты расчета для надежности увеличиваются на  5-10%. Это зависит от достоверности данных, применяющихся при расчете тепловой нагрузки.

Q"0 х.а = 1,05 Σ Qi=1,05( Q΄΄0 х.а(нтк))=35,96 Вт

в) определяем холодопроизводительность холодильного агрегата для камеры для хранения овощей и фруктов

Q΄΄0 х.а(нтк)= Q1΄΄+ Q2΄΄+ Q3΄΄+ Q4΄΄=59,9Вт

Результаты расчета для надежности увеличиваются на  5-10%. Это зависит от достоверности данных, применяющихся при расчете тепловой нагрузки.

Q"0 х.а = 1,05 Σ Qi=1,05( Q΄΄0 х.а(нтк))=62,9 Вт

Учитывая, что холодильный агрегат бытового холодильника с некоторым коэффициентом рабочего времени в, равным 0,35 холодопроизводительность холодильного агрегата определяется по формуле:

Q0 х.а = Q"0 х.а   / в

а) холодопроизводительность в (ХК)

Q0 х.а = Q"0 х.а(хк)   / в =502Вт

б) холодопроизводительность в (НТК)

Q0 х.а = Q"0 х.а(нтк) / в=102,75 Вт

в) холодопроизводительность в камере для хранения овощей и фруктов

Q0 х.а = Q"0 х.а(нтк) / в=179,721 Вт

К = 1,1         в = 0,35

2.3 Тепловой расчет компрессора.

Исходные данные для расчета:

Q0 х.а  = 837,79 Вт, R 134а,

То = -250С ; Тк = 550С; Твс = 100С

Расчет компрессора:

1) удельная холодопроизводительность 1-го килограмма агента

qo = i1 – i4

qo = 385 – 255 = 130 кДж/кг

2) массовый расход, паро-массовая подача компрессора

М = Qoха / qo =  837,79 · 10-3 / 130 = 0,0064 (кг/с)

3) объемный расход, парообъемная подача компрессора

     Vд  = M · V'1 = 0,0064 · 0,15 = 0,00096 (м3/с)

4) коэффициент подачи компрессора в зависимости от степени сжатия Рк / Ро

                 Е = Рк / Ро = 1,5 / 0,125 = 12                        λ = 0,75

5) описанный объем компрессора

V = Vд / λ = 0,00096 / 0,75 = 0,00128 м3

-         теоретическая мощность компрессора

NT = M (i2 – i1)

          NT = 0,0064 (470 - 385) = 0,544 кВт

-         действительная мощность компрессора

Ni = NT / ηi = 0,544/0,7 = 0,777 кВт

-         эффективная мощность компрессора

Ne = Ni / ηм , где

ηм = механический КПД, учитывающий потери на трение ;

ηi – индикаторный КПД компрессора

Ne = 0,777 / 0,85 = 0,914 кВт

По эффективной мощности и холодопроизводительности подбираем компрессор ХКВ8 – 1ЛМ УХЛ.

2.4 Расчет конденсатора.

Конденсатор холодильного агента является теплообменным аппаратом, в котором хладагент отдает тепло охлаждающей его среде.

В агрегатах бытовых холодильников в соответствии с условием их эксплуатации применяют конденсаторы с воздушным охлаждением.

Исходные данные для расчета: конденсатор изготовлен из медных трубок оребренных листовым алюминием; коэффициент теплоотдачи от R 134а к стенкам трубки конденсатора αх.а = 1030  ; коэффициент теплоотдачи от стенки  трубки конденсатора окружающей среде αв = 19,5 ; толщина стенки трубки конденсатора        δi = 0,65 · 10-3 м;      коэффициент теплопроводности меди λi = 332;температура конденсации хладона R 134а  Тк = 550С; температура воздуха на входе в конденсатор Тв1 = 360С; температура воздуха на выходе из конденсатора Тв2 = 400С.

Площадь конденсатора: F = , где

Qk – производительность конденсатора, Вт;

к – коэффициент теплоотдачи, Вт/мК;

Δtm – средняя логарифмическая разность между температурами холодного агента и окружающей среды.

Производительность конденсатора определяется по формуле:

Qk = (i1 – i3)M, где

М - массовая подача компрессора;

i1, i3 '– удельная энтальпия в точках 1 и 3'_

Qk = (385 - 255)·0,0064 = 0,832 кДж/с = 715,52 ккал/час

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

к = = 19,13

Средняя логарифмическая разность  между температурами холодильного агента и окружающей среды определяется :

Δtm = [(Тк – Тв1) – (Тк – Тв2)] / 2,3 lg[(Тк – Тв1)/ (Тк – Тв2)],где

Тв1, Тв2  - температуры воздуха на входе и выходе из конденсатора,

Тк – температура конденсации

Δtm =

По формуле определяем площадь конденсатора:

F= Q0/k* Δtm, где

Q0 – производительность конденсатора, Вт

F = , где

Тепловая нагрузка на конденсатор

Qкон = Qo · KQ сж , где

КQ сж – коэффициент сжатия;

КQ сж = 1,64

Qкон = 837,79 · 1,64 = 1373,9 Вт

2.5 Расчет испарителя.

Испаритель – это устройство, которое абсорбирует тепло в холодную систему. Испаритель устанавливают в охлаждаемом пространстве. Тепло поглощается в результате кипения хладагента в каналах испарителя.

а) испаритель холодильной камеры (ХК)

Листотрубный испаритель. Поверхность испарителя определяется по формуле:  f = ПdLφ , где

f- поверхность испарителя , м2

d- наружный диаметр змеевикового трубопровода испарителя ,м

L- длина змеевикового трубопровода, м

φ- коэффициент оребрения, равный отношению оребренной поверхности к поверхности, как если бы оребрения не было

φ = (2n + Пd + 2d)/Пd, где

n – расстояние между ветвями змеевика

d = 0,008 м; n = 0,032 м

φ = (2*0,032+3,14*0,008+2*0,008)/(3,14*0,008) = 4,185

Длину змеевикового трубопровода определяют по формуле:

L = Q`1/[[Пdφ(t-tn){A((t-tn)/0,5Пdφ)1/4+0,98*5,7*[(((t+ 273)/100)4-((tn+ 273)/100)4 )/( t-tn )]]

L = 3,33 м

Определяем поверхность испарителя холодильной камеры

f=3,14*0,008*3,33*4,185=4,4 м2

Площадь поверхности определяется по формуле

                                 S=(n+d)L

                                 S= (0,032+0,008)*3,33=0,13  м2

б)  испаритель морозильной камеры (НТК)

Листотрубный испаритель. Поверхность испарителя определяется по формуле: f = ПdLφ , где

f- поверхность испарителя , м2

d- наружный диаметр змеевикового трубопровода испарителя ,м

L- длина змеевикового трубопровода , м

φ- коэффициент оребрения , равный отношению оребренной поверхности к поверхности , как если бы оребрения не было.

           φ = 4,185

 Длина змеевикового трубопровода L=7,9 м

                                                  f =0,83 м2

  Площадь поверхности оребрения

                                                    S=(0,032+0,008)*0,83=0,04 м2     

в ) испаритель в камере для хранения овощей и фруктов

Листотрубный испаритель. Поверхность испарителя определяется по формуле:  f = ПdLφ , где

f- поверхность испарителя , м2

d- наружный диаметр змеевикового трубопровода испарителя ,м

L- длина змеевикового трубопровода, м

φ- коэффициент оребрения, равный отношению оребренной поверхности к поверхности, как если бы оребрения не было

φ = (2n + Пd + 2d)/Пd, где

n – расстояние между ветвями змеевика

d = 0,008 м; n = 0,032 м

φ = (2*0,032+3,14*0,008+2*0,008)/(3,14*0,008) = 4,185

Длину змеевикового трубопровода определяют по формуле:

L = Q`1/[[Пdφ(t-tn){A((t-tn)/0,5Пdφ)1/4+0,98*5,7*[(((t+ 273)/100)4-((tn+ 273)/100)4 )/( t-tn )]]

L = 3,33 м

Определяем поверхность испарителя холодильной камеры

f=3,14*0,008*3,33*4,185=4,4 м2

Площадь поверхности определяется по формуле

                                 S=(n+d)L

                                 S= (0,032+0,008)*3,33=0,13  м2

                              3 Конструкторская часть

3.1 Усовершенствованный терморегулятор

У многих дома имеются холодильники STINOL-104, которые служат очень долго, но выявлена характерная особенность для этого типа холодильников, выход из строя терморегулятора с периодичностью один раз в 2 - 3 года. Замена терморегулятора на новый в мастерской по обслуживанию холодильников данную проблему не решает так как он выйдет из строя через этот срок. Приобрести новый терморегулятор, чтобы установить его самостоятельно, не удалось - его продавали по совершенно неприемлемой цене, включающей стоимость установки.

Поэтому  столкнувшись с такой проблемой, и решил занялся усовершенствованием холодильника STINOL-104. Предлагаемое вниманию  самодельное устройство не просто заменяет штатный терморегулятор. Предусмотрены дополнительные функции, призванные защитить холодильник во многих аварийных ситуациях, случающихся во время эксплуатации. Слабое место всех компрессорных холодильников — перегрузка электродвигателя, приводящего в действие компрессор, при его повторном через короткое время после остановки включении. Причина перегрузки — довольно долго сохраняющееся в конденсаторе холодильного агрегата высокое давление хладоагента.

Руководство по эксплуатации холодильника STINOL требует, чтобы длительность выдержки между выключением и повторным включением компрессора была не менее 3 мин. Но при характерных сегодня неожиданных отключениях и повторных включениях электроэнергии выполнить это требование, не «призвав на помощь» электронику, не представляется возможным. Для защиты электродвигателя в холодильниках имеется тепловое реле. Обычно оно совмещено с пусковым реле и называется пускозащитным [1]. Однако практика свидетельствует о неэффективности подобной защиты.

Как и любой другой электроприбор, холодильник полезно защитить и от значительных отклонений напряжения сети от номинальных 220 В. Большое число публикаций на эту тему (например, [2, 3]) свидетельствует об актуальности проблемы как в сельских районах, так и в больших городах.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8