Экономия энергозатрат на привод компрессора холодильной машины системы кондиционирования воздуха при использовании инвертора

УДК 621.56

В. П. Гаврилкин, О. Н. Кладов, А. М. Цейтлин

ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПРИВОД КОМПРЕССОРА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНВЕРТОРА

V. P. Gavrilkin, O. N. Kladov, A. M. Tseitlin

CONSERVATION OF ENERGY EXPENSES ON COMPRESSOR DRIVER OF THE REFRIGERATING MACHINE OF THE AIR CONDITIONING SYSTEM USING INVERTER

Инвертор обеспечивает плавное уменьшение объёмной производительности компрессора за счёт изменения частоты вращения электропривода компрессора паровой холодильной машины системы кондиционирования воздуха. При этом, вследствие повышения давления кипения хладагента в воздухоохладителе и понижения давления конденсации в конденсаторе, увеличивается значение холодильного коэффициента, чем и определяется снижение удельных энергозатрат на производство холода. Актуальна задача определения экономии энергозатрат, поскольку установка инвертора требует дополнительных капитальных затрат, и необходимо определить, насколько экономически целесообразна такая установка. Проведены расчёты зависимости величины экономии энергозатрат от уменьшения частоты вращения электропривода компрессора. Полученные данные необходимы при оценке экономической целесообразности установки инвертора.

Ключевые слова: инвертор, кондиционирование воздуха, паровая холодильная машина, компрессор, конденсатор, воздухоохладитель, хладагент, холодопроизводительность, холодильный коэффициент, энергия.

The inverter provides a smooth decrease in the compressor capacity by changing the operating speed of the electric compressor drive of steam refrigerating machine of the air conditioning system.

In this case, due to increase in boiling pressure of refrigerant in evaporator and the condensation pressure reduction in the condenser the refrigeration efficiency increases that determines a reduction of specific energy inputs for cold production. The problem of determining energy savings becomes actual, since the installation of the inverter requires additional capital expenditures, and it is necessary to determine how much such a facility is economically expedient. Calculations of the dependence of the energy savings on reduction of the operating speed of the electric compressor drive are made.

The received data is necessary for assessment of the economic feasibility of an inverter installation.

Key words: an inverter, air conditioning, a steam refrigerator, a compressor, a condenser, an air cooler, coolant, cooling capacity, refrigeration efficiency, energy.

Инвертор обеспечивает плавное уменьшение объёмной производительности компрессора за счёт изменения частоты вращения ф электропривода компрессора паровой холодильной машины системы кондиционирования воздуха.

При этом, вследствие повышения давления кипения Р0 хладагента в воздухоохладителе и понижения давления конденсации Рк в конденсаторе, повышается холодильный коэффициент е0, чем и определяется снижение удельных энергозатрат на производство холода. В этой связи актуальна задача определения экономии энергозатрат, поскольку установка инвертора требует дополнительных капитальных затрат, и необходимо определить, насколько экономически целесообразна такая установка.

Нами были проведены расчёты зависимости величины экономии энергозатрат от уменьшения частоты вращения ф.

В качестве хладагента выбран R-134a. Принято, что используется цикл одноступенчатой паровой холодильной машины без регенеративного теплообменника. В расчётах принят ряд допущений. Адиабатический КПД, коэффициент подачи компрессора равны 100 % каждый; перегрев пара хладагента на входе в компрессор, переохлаждение жидкого хладагента на входе в регулирующий вентиль, потери давления в трубопроводах холодильной машины, механиче-

ские потери в компрессоре и потери в электроприводе компрессора, изменения коэффициентов теплопередачи в конденсаторе и воздухоохладителе при изменении температуры теплопередающей поверхности и удельных тепловых потоков настолько малы, что ими можно пренебречь. Температура воздуха на входе в конденсатор ^ = 35 °С, на входе в воздухоохладитель = 25 °С. Температура теплопередающей поверхности воздухоохладителя выше температуры точки росы воздуха, поступающего в воздухоохладитель, и поэтому осушения воздуха в воздухоохладителе не происходит. Принято, что производительность вентиляторов конденсатора и воздухоохладителя не регулируется инвертором, и поэтому массовая производительность каждого из этих вентиляторов постоянна.

Принято, что в первом расчётном режиме не используется понижение ф инвертором, объёмная производительность компрессора составляет У1 = 360 м3/ч, температура конденсации ^ = 50 °С, температура кипения t0l = 10 °С, температура воздуха на выходе из конденсатора ^31 = 40 °С, на выходе из воздухоохладителя - t41 = 20 °С, ф = ф1.

Расчёты проводились в определенной последовательности. Вначале с помощью компьютерной программы Соо1Раск для первого расчетного режима, в котором не используется понижение ф, были определены: холодопроизводительность Q01 = 267,552 кВт, потребляемая на привод компрессора мощность N = 48,382 кВт, теплопроизводительность конденсатора Qk1 = 315,933 кВт, холодильный коэффициент е01 = 5,53.

Затем были вычислены параметры ак и ав в соответствии с формулами из [1]:

ак = кк  = QK1  1п[

где кк - коэффициент теплопередачи в конденсаторе; - площадь теплопередающей поверхно-

сти конденсатора

ав = кв^в = Qol  1n[

где кв - коэффициент теплопередачи в воздухоохладителе; ^в - площадь теплопередающей поверхности воздухоохладителя.

Согласно расчётам,

ак = 25,62 кВт/°С; ав = 21,5344 кВт/ °С кВт/°С.

Водяные эквиваленты воздуха в конденсаторе Жк и воздухоохладителе Ж0 вычислялись по следующим формулам:

= Qкl/

^0 = ^^^01/

Согласно расчётам,

Жк = 63,1866 кВт/°С; Ж0 = 53,5104 кВт/°С.

Затем рассчитывался второй режим, при котором ф уменьшалась инвертором до ф2 < ф1. Объёмная производительность компрессора У2 во втором режиме определялась по формуле

У2 = V  Ь,

где Ь = ф2/ф1.

Температура конденсации и температура кипения во втором режиме в первом приближении принимались равными таковым для первого режима: = ^; t02 = t01.

Затем с помощью программы Соо1Раск по значениям У2, tк2, t02 определялись холодопро-

изводительность Q02, потребляемая компрессором мощность Ы2, теплопроизводительность конденсатора Qк2, холодильный коэффициент е02.

Далее вычислялись уточнённые значения ^2 и t02 по следующим зависимостям:

tк2 = ^ + QK2/[WK

где

С1 = ак/жк;

t02 = ^ - Qo2/[Wк

где

Ъ = ас/Го.

Далее по уточнённым значениям ґк2 и ґ02 с помощью программы СооІРаск определялись уточнённые значения Qк2 и Q02. По уточнённым значениям Qк2 и Q02 с помощью зависимостей (6)-(9) снова уточнялись значения ґк2 и ґ02. Далее, по уточнённым значениям ґк2 и ґ02, с помощью программы СооІРаск определялись ещё более уточнённые значения Qк2 и Q02.Такое последовательное уточнение Qк2 и Q02 с помощью программы СооІРаск, а затем уточнение ґк2 и ґ02 с помощью зависимостей (6)-(9) повторялось многократно для достижения точности определения этих параметров. Результаты расчётов представлены в табл. 1.

Таблица 1

ь У2, м3/ч « ОС *-к» С «о, °С 0к2, кВт 0)2, кВт Лг2, кВт £о

0,95 342 49,5 10,432 305,362 259,843 45,532 5,71

0,9 324 48,9803 10,8863 294,446 251,775 42,671 5,9

0,85 306 48,446 11,358 283,261 243,427 39,834 6,11

0,8 288 47,902 11,843 271,671 234,651 37,019 6,34

0,75 270 47,337 12,353 259,757 225,536 34,221 6,59

0,7 252 46,752 12,888 247,469 216,024 31,446 6,87

0,65 234 46,146 13,449 234,762 206,066 28,696 7,18

0,6 216 45,521 14,035 221,569 195,588 25,981 7,53

0,55 198 44,872 14,651 207,87 184,566 23,303 7,92

0,5 180 44,193 15,304 196,643 172,977 20,666 8,37

0,45 162 43,486 15,993 178,795 160,713 18,082 8,89

0,4 144 42,751 16,721 163,25 147,688 15,562 9,49

0,35 126 41,978 17,497 146,957 133,843 13,114 10,21

0,3 108 41,164 18,325 129,08 119,054 10,754 11,07

0,25 90 40,303 19,216 111,7 103,2 8,5 12,14

0,2 72 39,391 20,174 92,47 86,092 6,378 13,5

0,15 54 38,416 21,214 71,954 67,537 4,417 15,29

0,1 36 37,37 22,35 49,92 47,261 2,659 17,77

0,05 18 36,238 23,603 26,07 24,91 1,16 21,47

По полученным значениям холодильного коэффициента во2 вычислялась относительная экономия энергозатрат на производство единицы холода г за счёт использования инвертора по формуле

г =

Результаты вычислений г представлены на рис. 1 и в табл. 2.

Рис. 1. Зависимость относительной экономии энергозатрат на производство единицы холода

при использовании инвертора г от Ь

Таблица 2

Зависимость относительной экономии энергозатрат на производство единицы холода при использовании инвертора г от Ь

ь 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

г 0,0315 0,0627 0,0949 0,1278 0,1609 0,1951 0,2298 0,2656 0,3018 0,3393

Продолжение табл. 2

ь 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

г 0,378 0,4173 0,4539 0,5005 0,5445 0,5904 0,6383 0,6888 0,7424

При изменении объёмной производительности компрессора У1 значения г остаются без изменений при пропорциональном изменении произведений площади теплопередающей поверхности на коэффициент теплопередачи в конденсаторе и воздухоохладителе и массовой производительности вентиляторов, подающих воздух в конденсатор и воздухоохладитель.

В соответствии с (1), (3) произведение площади теплопередающей поверхности конденсатора 1 на коэффициент теплопередачи в конденсаторе кк11 для компрессора объёмной производительностью У1Ь м3/с, должно быть равно:

^11  кк11 = 256,2  Уц кВт/°С.

Аналогично, в соответствии с (2), (4), произведение площади теплопередающей поверхности воздухоохладителя ¥в11 на коэффициент теплопередачи в воздухоохладителе кв11 для компрессора объёмной производительностью У11, м3/с, должны быть равно:

^в„  кв11 = 215,344  У11 кВт/°С.

Водяной эквивалент воздуха в конденсаторе Жк11 для компрессора объёмной производительностью У11, м3/с, должен быть равен:

ЖкП = 631,866  Уц кВт/°С.

Водяной эквивалент воздуха в воздухоохладителе W011 для компрессора объёмной производительностью У11, м3/с, должен быть равен:

Ж011 = 535,104  У11 кВт/°С.

При соблюдении условий (11)-(14) значения г из табл. 2 и рис. 1 верны и для случая, когда У11 Ф У1. Кроме того, в этих случаях можно определять холодопроизводительность Q011, потребляемую компрессором мощность И11 и теплопроизводительность конденсатора Qk11, пользуясь данными табл. 1, по следующим уравнениям:

Qol1 = Q02  У11/У1 = 10  Q02  У11 кВт,

^ = N  У11/У1 = 10  N2  У11 кВт,

Qк11 = Qк2  У11/У1 = 10  QK2  У11 кВт.

Таким образом, произведена численная оценка экономии энергозатрат на привод компрессора паровой холодильной машины системы кондиционирования воздуха при регулировании частоты вращения электропривода компрессора инвертором. Полученные данные необходимы при оценке экономической целесообразности установки инвертора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен / С. Н. Богданов и др.; ред. Э. И. Гуйго. -М.: Агропромиздат, 1986. - 320 с.

2. Компьютерная программа Соо1Раск.

Статья поступила в редакцию 16.06.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Гаврилкин Владимир Петрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.org.

Gavrilkin Vladimir Petrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.org.

Кладов Олег Николаевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.ru.

Kladov Oleg Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.ru.

Цейтлин Александр Матвеевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.org.

Tseitlin Alexander Matveevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.org.