Анализ факторов, определяющих работоспособность системы кондиционирования транспортно-технологических машин

Полный текст

Современные транспортно-технологические машины стали комфортными благодаря созданию комфортного микроклимата в салоне системой кондиционирования. Система кондиционирования – это совокупность устройств, которые позволяют охлаждать воздух в салоне транспортно-технологической машины и очищать его от влаги и посторонних запахов. Поэтому в условиях реальной эксплуатации важно обеспечивать работоспособность системы кондиционирования транспортно-технологической машины.

Одной из основных причин потери работоспособности системы кондиционирования является утечка хладагента. Проанализируем возможные пути утечек хладагента в системе кондиционирования и установим их величины. В качестве объекта исследований выбрана система кондиционирования автомобиля ГАЗель Next. На данный автомобиль устанавливаются агрегаты системы кондиционирования компании «Delphi». Выбор данной системы обусловлен наличием полного комплекта конструкторской документации завода- изготовителя необходимой для расчета [1].

На рисунке 1 представлены возможные пути утечек хладагента в системе кондиционирования автомобиля не связанные с потерей герметичности.

Рис. 1. Возможные утечки хладагента в системе кондиционирования: 1 – утечки в соединениях компрессора; 2 – утечки в редукционном клапане.

Анализируя рис. 1 можно предположить, что фактическая подача, КПД компрессора и всей системы кондиционирования в целом в бóльшей степени зависят от внутренних утечек хладагента внутри компрессора и утечек через редукционный клапан. В компрессоре объемная внутренняя утечка хладагента оказывает более сложное влияние на фактическую объемную подачу. В процессе эксплуатации компрессора хладагент протекая через зазоры распределительной и поршневых соединений снижает фактическую подачу компрессора. При этом утечка в поршневых соединениях, не позволяет отклонить качающий узел компрессора на необходимый угол, что приводит к существенному снижению подачи и падению величины КПД всей системы кондиционирования в целом. В свою очередь утечки через редукционный клапан также снижают КПД всей системы кондиционирования.

По данным производителей компрессоров – Denso (Южная Корея), Delphi (Великобритания), Nissens (Дания), Luzar (Украина), Valeo (Франция) и др. наиболее важными техническими характеристиками являются подача Q, крутящий момент M, мощность N, коэффициент полезного действия (КПД). Справедливы следующие зависимости [1–5]:

$Q=\frac{Vg · n · {\eta }_v}{1000}, M=\frac{1.56 · V_g∆p}{100 · {\eta }_{mh}}, N=\frac{Q · ∆p}{612{\mu }_t}.$                                        (1)

где Q – фактическая подача, л/мин; V_g– рабочий объем, см³; n – частота вращения, мин⁻¹; Δр – разность давлений на входе и выходе, МПа; η_v – коэффициент подачи хладагента (0,95); η_h – механический КПД; η_t – полный КПД; М – приводной крутящий момент, Н∙м; N – мощность.

Наиболее точную и достоверную оценку технического состояния компрессора дает его КПД. Выразим из выражений (1) КПД:

${\eta }_t = {\eta }_v{\eta }_h = \frac{15.6 · Q · ∆p}{M · n}.$                                                                           (2)

Механический КПД зависит от потерь энергии на трение в самом компрессоре. КПД компрессора определяется исходя из следующего выражения:

${\eta }_v=\frac{1000 · Q_{к}}{V_{g }·n } = \frac{Q_{к}}{Q_m}.$                                                                                     (3)

Анализ выражения (3) показывает, что КПД зависит от отношений теоретической подачи Q_т и фактической подачи компрессора Q_к. Значения фактической подачи компрессора можно определить из уравнения баланса подачи хладагента:

${\text{Q}}_{\text{k}}{\text{ = Q}}_{\text{m}}\text{- }\sum q_{ут}$,  тогда ${\eta }_v=$$\frac{Q_m-\sum q_{ут}}{Q_m}$                                                 (4)

где$\sum q_{ут}$ – суммарная внутренняя утечка хладагента в компрессоре при номинальных режимах работы.

На рисунке 2 представлены возможные пути утечек хладагента в компрессоре.

Рис. 2. Пути утечек хладагента в компрессоре: q_ca – утечка в соединении «сальник – вал компрессора»; q_пор – утечка в соединении «поршень – отверстие блока цилиндров»; q_пл – утечка в соединении «прижимная пластина – крышка компрессора»; q_рк – утечка в соединении «клапан – отверстие крышки компрессора».

На рисунке 3 представлены возможные утечки хладагента в редукционном клапане.

Рис. 3. Пути утечек хладагента в редукционном клапане: q_ред.к – утечка в соединении «редукционный клапан – отверстие корпуса».

Уравнение баланса основных источников суммарной утечки хладагента в системе кондиционирования можно представить в следующем виде:

$\sum q_{ут}\approx \mathbf{K}·q_{пор}+ q_{са}+q_{пл} + q_{рк} + q_{ред.к}+ ... + q_{\chi }$.                        (5)

где К – количество поршней компрессора, находящихся в зоне рабочего давления, шт.; q_χ – расход потерь сжатия (заполнение «мёртвых» объемов), при прочих равных условиях допускается принимать его за константу (q_χ = const).

Анализ работы компрессора показал, что в зоне высокого давления, когда происходит утечка рабочей жидкости, находятся 3 поршня из 5. Остальные 2 поршня в этот момент находятся в зоне низкого давления, поэтому в нашем случае коэффициент К для выражения (5) будет равен 3.

Тогда принимая во внимание все обозначенные допущения, общее уравнение баланса основных источников суммарной утечки хладагента ∑qутдля системы кондиционирования транспортно-технологических машин примет следующий вид:

$\sum q_{ут}\approx 3·q_{пор}+ q_{са}+q_{пл} + q_{рк} + q_{ред.к}+ ...$                             (6)

Согласно закону Пуазейля, утечку хладагента через эксцентричный кольцевой зазор можно представить в виде [1–5]:

$q_{ут}= \frac{\mathrm{\pi d}∆P{z}^3}{12L\mu }\left(1+\frac{3}{2}{\epsilon }^2\right)$, м³/с                                                          (7)

где z – кольцевой зазор в соединении, м; d – средний диаметр кольцевой щели, м; L – длина поршня, м; μ – динамическая вязкость, Па·с; ε – эксцентриситет уплотнения, м; ΔP – перепад давления, Па.

Утечка хладагента через капиллярную щель (торцовый зазор) между неподвижными плоскими стенками определяется по выражению:

$q_{ут}= \frac{\mathrm{\pi d}∆P{z}^3}{12L\mu {10}^3}$, м³/с                                                                       (8)

где b – ширина щели, м; z – зазор между плоскими стенками щели, м; L – длина щели в направлении тока жидкости, м.

Для поиска наиболее значимых соединений выражения 6, оказывающих наибольшее влияние на величину суммарной утечки определим величину утечки хладагента в соединениях нового компрессора и редукционного клапана экспериментальным путем и сравним с значениями, полученными по аналитическим выражениям (7) – (8).

Рассчитаем утечки хладагента в системе кондиционирования транспортно- технологических машин. Для соединений «поршень – отверстие блока цилиндров», «клапан – отверстие крышки компрессора» и «редукционный клапан – отверстие корпуса» расчеты производим по выражению (7). Для соединений «сальник – вал компрессора» и «прижимная пластина – крышка компрессора» расчеты производим по выражению (8).

Расчеты утечек хладагента выполним при следующих условиях. Разобьем обозначенные соединения на две зоны действия давления – зона высокого давления ΔP = 1,76∙10⁶ Па и зона низкого давления ΔP = 0,22 ∙10⁶ Па. В зоне высокого давления находятся следующие соединения: «поршень – отверстие блока цилиндров»; «клапан – отверстие крышки компрессора»; «редукционный клапан – отверстие корпуса» и «прижимная пластина крышка компрессора», а в зоне действия низкого давления находится только соединение «сальник – вал компрессора». Расчеты утечек для всех обозначенных соединений производим при максимальных значениях технологических зазоров для новых соединений.

При расчетах были приняты следующие значения, так для соединения «поршень – отверстие блока цилиндров» максимальный технологический зазор равен z = 46 ∙10⁻⁶ м, средний диаметр кольцевой щели равен d = 0,023 м, длина поршня равна L = 74,5 ∙ 10⁻³ м. В зоне высокого рабочего давления находятся 3 поршня.

Для соединения «клапан – отверстие крышки компрессора» максимальный технологический зазор равен z = 16 ∙10⁻⁶ м, средний диаметр кольцевой щели равен d = 0,016 м, длина запирающего пояска клапана равна L = 16,76 ∙ 10⁻³ м.

Для соединения «редукционный клапан – отверстие корпуса» максимальный технологический зазор равен z = 16 ∙10⁻⁶ м, средний диаметр кольцевой щели равен d = 0,013 м, длина запирающего пояска клапана равна L = 4,85 ∙ 10⁻³ м.

Для соединения «прижимная пластина – крышка компрессора» в качестве максимального технологического зазора между плоскими стенками принимается суммарная шероховатость зоны уплотнения распределителя, которая равна Ra 0,2 мкм, в качестве ширины щели принимается расстояния между окошками пластины в зоне действия давления b = 4 мм, в качестве длины щели взят участок с 3 поршнями в зоне действия высокого давления L = 17,4 мм.

Для соединения «сальник – вал компрессора» в качестве максимального технологического зазора принимается суммарная шероховатость зоны уплотнения, которая равна Ra 0,2 мкм, в качестве ширины щели принимаем ширину зоны уплотнения b = 3 мм, в качестве длины щели длина окружность зоны уплотнения L = 81,64 мм. Результаты расчетов утечки хладагента в обозначенных и проанализированных соединениях системы кондиционирования сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Максимальные утечки хладагента в системе кондиционирования

Анализ таблицы 1 показал, что наибольший вклад в утечку хладагента вносят соединения, находящиеся в зоне высокого давления: «поршень – отверстие блока цилиндров»; «клапан – отверстие крышки компрессора»; «редукционный клапан – отверстие корпуса». Наименьший вклад в утечку вносят «прижимная пластина – крышка компрессора» и «сальник – вал компрессора».

Таким образом, проведенные исследований позволили установить соединения, которые вносят значительный вклад в утечку хладагента – это «поршень – отверстие блока цилиндров»; «клапан – отверстие крышки компрессора»; «редукционный клапан – отверстие корпуса». Остальные соединения из дальнейших исследований исключены, так как их влияние на величину утечки хладагента в системе кондиционирования незначительное.

Тогда уравнение баланса основных источников суммарной утечки хладагента в системе кондиционирования примет следующий вид:

$\sum q_{ут}= 3·q_{пор}+ q_{рк} + q_{ред.к}$                                                     (9)

Подставив выражения (7) – (8) в выражение (9) и проведя некоторые преобразования и упрощения, получим качественную оценку суммарной утечки хладагента в системе кондиционирования автомобиля:

$\sum q_{ут}=\frac{∆p}{\mu }\left(3·k_1·z_{пор}^3+ z_{рк}^3+k_3·z_{ред.к}^3\right)$.                                 (10)

где k₁-k₃ – постоянные коэффициенты, определяющие характеристики истечения хладагента, зависящие от формы зазора; z_пор. – кольцевой зазор в соединении «поршень – отверстие втулки блока цилиндров» компрессора, мм; z_рк–кольцевой зазор в соединении «регулировочный клапан – отверстие крышки компрессора», мм; z_ред.к – кольцевой зазор в соединении «редукционный клапан – отверстие корпуса», мм.

Анализируя функциональную зависимость (10) можно сделать вывод, что величину КПД (η_с) системы кондиционирования транспортно-технологических машин можно представить как функцию зависящую от разности давлений ∆р, вязкости хладагента μ и от зазоров в соединениях:

${\eta }_{с} = f(∆р, \mu , z_{пор}, z_{рк}, z_{ред.к})$.                                              (11)

Таким образом, в выражении (11) представлена группа факторов, оказывающих влияние на работоспособность системы кондиционирования транспортно-технологических машин (на величину КПД). Для детального изучения степени влияния факторов на параметр оптимизации необходимо провести многофакторный эксперимент, который позволит установить связь КПД с величинами зазоров в ответственных соединениях элементов системы кондиционирования.

Об авторах

С. В. Пьянзов

Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия

П. А. Ионов

Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия

Р. Ф. Шунихин

Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия

А. А. Фиклинов

Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Возможные утечки хладагента в системе кондиционирования: 1 – утечки в соединениях компрессора; 2 – утечки в редукционном клапане.

Скачать (48KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Пути утечек хладагента в компрессоре: qca – утечка в соединении «сальник – вал компрессора»; qпор – утечка в соединении «поршень – отверстие блока цилиндров»; qпл – утечка в соединении «прижимная пластина – крышка компрессора»; qрк – утечка в соединении «клапан – отверстие крышки компрессора».

Скачать (58KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Пути утечек хладагента в редукционном клапане: qред.к – утечка в соединении «редукционный клапан – отверстие корпуса».

Скачать (15KB)

Метаданные