РАЗДЕЛ 2. ВЛИЯНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ БЫТОВЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ НА КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ. МОДЕЛИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ФЛЮИДНОЙ ДИНАМИКИ
Снижение эмиссии парниковых газов в процессе жизненного цикла бытового холодильника во многом зависит от характера процессов тепло- и массопереноса, которые оказывают значительное влияние на свойства и сроки хранения продуктов. Одна из основных задач повышения качества бытового холодильника - обеспечение равномерных тепловлажностных полей в холодильной камере. Это приводит к уменьшению порчи продуктов и способствует энергосбережению. Сложная геометрия распределения продуктов при загрузке делает чрезвычайно сложной задачу оптимальной конфигурации и наилучших режимов хранения эмпирическим путем. Современные вычислительные методы компьютерной флюидной динамики CFD (Computer Fluid Dynamics) позволяют с высокой точностью решить основные уравнения баланса массы, энергии и импульса для сложных конфигураций без упрощающих предположений. Применительно к целям диссертационной работы в данном разделе рассматривается моделирование реальных процессов гидродинамики и теплопередачи в камерах бытового холодильника, выполненных CFD методами, что уменьшает дорогостоящее натурное экспериментирование и оптимизацию параметров непосредственно на протяжении жизненного цикла выпускаемого изделия. Основной упор при выполнении расчетов был сделан на предсказание полей скоростей и температур в морозильной и холодильной камерах, что позволяет улучшить как дизайн выпускаемого изделия, так и сократить сроки приемо-сдаточных испытаний. Теоретический CFD анализ и последующие натурные эксперименты моделей бытовых холодильников, выпускаемых АО НОРД, создают научно-техническую базу для принятия решений по отбору изделий бытовой техники с минимальной эмиссией парниковых газов.
2.1. Выбор модельного прототипа бытового холодильника ДХ-241. Основные параметры
Оценка эффективности холодильных систем рассматривается на примере бытового холодильника ДХ-241, для которого выполнены необходимые расчеты полей скоростей и температур при различных внешних условиях. На рис. 2.1 представлена реальная конфигурация серийно выпускаемого холодильника ДХ-241.
Рис. 2.1. Внешний вид холодильника ДХ-241
Ниже приведены данные по основным геометрическим и эксплуатационным характеристикам и Интернет сайты, на которых даются пояснения по выбору указанных параметров.
Габариты
Высота (см) - 148 http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=108
Ширина (см) - 57.4
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=109
Глубина (см) - 61
Емкость
Общий объем (л) - 246
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=112
Объем холодильной камеры (л) - 198
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=113
Объем морозильной камеры (л) - 48
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=114
Основные характеристики
Оттаивание холодильной камеры - капельное
Оттаивание морозильной камеры - ручное
Кол-во компрессоров - 1
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=3226
Хладагент R600a - изобутан
Мощность замораживания (кг/сутки) - 3
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=116
Автономное сохранение холода (ч) - 16
Энергопотребление (кВтч/год) - 292
Класс энергопотребления B
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=158
Вес (кг) 57
http://www.byttehnika.ru/popup.php?action=field_description&id=1
Приведенные геометрические характеристики холодильника ДХ-241 были положены в основу моделирования полей скоростей и температур как в морозильной. так и холодильной камерах.
2.2. Уравнения баланса
Нахождение полей скоростей и температур в камерах бытовых холодильников в трехмерном пространстве является результатом решения системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, которые описывают законы сохранения массы, импульса и энергии. Попытки моделирования процессов тепло- и массопереноса на основе аналитических подходов слишком далеки от реальной картины распределения скоростей и температур в холодильных камерах. Поэтому адекватную картину теплового поведения холодильной системы могут дать лишь современные численные методы компьютерного моделирования. Вычислительные алгоритмы базируются на методе конечных элементов и сводятся к решению системы алгебраических уравнений, полученных в результате дискретизации основных уравнений баланса массы, импульса и энергии [19 - 24]
,
где для компактности использовано правило суммирования Эйнштейна (i,j =1,2,3), ? - плотность, Ui - компоненты скорости, Н - энтальпия, Р - давление, - источники, - эффективные коэффициенты вязкости и диффузии, ? - динамическая вязкость, ?t - турбулентная вязкость, Pr - молекулярное число Прандтля, Prt - постоянная модели турбулентности, t - время.
В работе для моделирования полей использовали метод конечных объемов [25 - 27], в котором основные уравнения баланса, записанные в локальной форме, интегрируются по выделенному контрольному объему. Например, для уравнения энергии соответствующий интеграл равен
(2.4)
где nj - единичный вектор нормали к поверхности, F и V - поверхность и объем выделенного контрольного объема ( рис. 2.2).
Интегрирование по поверхности и объему проводится численно на сетке при помощи стандартных методов. В методе конечных объемов, выделенные объемы определяются элементами. Все зависимые переменные, включая компоненты давления и скорости, хранятся в узлах элемента. Схема дискретизации, принятая в работе, базируется на алгоритмах, разработанных в [28 - 29]. Схема разбиения полевых поверхностей [28 - 29], обладает тем преимуществом, что дискретные уравнения баланса, выражающие законы сохранения физических величин, выполняются по всему конечному объему. Соответствующее объединение более мелких конечных объемов в более крупные позволяет выдержать условия сохранения и уменьшит