Анализ и совершенствование систем охлаждения микропроцессоров компьютеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Андреев Александр Иванович

• Андреев Александр Иванович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Андреев Александр Иванович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Обзор существующих систем охлаждения микропроцессоров и способов решения проблемы перегрева

1.1 Системы охлаждения центрального процессора

1.2 Охлаждение высокопроизводительных вычислительных процессоров

1.3 Охлаждение ЦОД

1.4 Охлаждение квантового процессора

1.5 Вывод по результатам главы

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование и построение математических моделей процессов системах жидкостного охлаждения микропроцессора компьютеров

2.1 Материалы и методы

2.2 Расчёт неопределённостей эксперимента

2.3 Экспериментальные данные и построение математических моделей процессов

2.3.1 Результаты исследования жидкостной системы охлаждения

2.3.2 Экспериментальное исследование теплопередачи в жидкостном теплообменнике и построение математической модели процесса

2.3.3 Экспериментальное исследование и математическое моделирование системы жидкостного охлаждения микропроцессора с термоэлектрическими модулями

2.3.4 Экспериментальное исследование и математическое моделирование компрессионной холодильной машины в системе жидкостного охлаждения микропроцессора

2.3.5 Проверка результатов на процессоре с более высокой производительностью

2.3.6 Экспериментальное исследование аккумулятора холода системы жидкостного охлаждения микропроцессора

2.4 Технико-экономический расчёт проекта систем жидкостного охлаждения

2.5 Вывод по результатам главы

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование и математическое моделирование систем жидкостного охлаждения процессоров электронных компонентов крупных вычислительных комплексов

3.1 Методика исследования двухфазного потока в вертикальных каналах

3.2 Расчёт неопределнности экспериментальных исследований двухфазного потока

3.3 Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике двухфазного потока в вертикальных каналах при непрерывной и дискретной парогенерации

3.3.1 Исследование влияние теплового потока на гидросопротивление двухфазного потока в вертикальной трубе

3.3.2 Расчётные данные вычисления гидросопротивлений в теплообменном аппарате при непрерывной парогенерации

3.3.3 Исследование теплообмена при кипении холодильного агента в вертикальной трубе

3.3.4 Модель парообразования при кипении холодильного агента на распределённых источниках нагрева

3.4 Разработка жидкостного охлаждения высокопроизводительных электронных компонентов на базе вертикального испарителя

3.5 Разработка системы охлаждения высокопроизводительных процессоров кипящим потоком хладагента

3.6 Разработка аккумуляторов холода с непосредственным контактом сред для систем охлаждения высокопроизводительных вычислительных микропроцессоров

3.6.1 Метод аккумулирования холода на базе холодильных установок непосредственного контакта сред

3.6.2 Математическая модель процесса аккумулирования и работы холодильной машины

3.6.3 Оптимизационная модель работы холодильных установок с подключением искусственной аккумуляции холода

3.7 Системы жидкостного охлаждения при косвенных методах снижения тепловыделения процессора

3.8 Выводы по результатам главы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и совершенствование систем охлаждения микропроцессоров компьютеров»

Актуальность темы.

Развитие микроэлектроники и появление новых подходов к формированию больших интегральных микросхем, заключающихся в повышение количества активных элементов, формируемых на подложке, и как следствие уменьшение техпроцесса, вплоть до 7 нм., приводит к возникновению задач поддержания температурных и влажностных режимов, а также важности разработки новейших систем охлаждения. Существующие на данный момент системы охлаждения микроэлектроники уже не отвечают требованиям к поддержанию необходимой температуры работы и защиты от перегрева. Эта тенденция просматривается, как в области персональных компьютеров, в частности с появлением процессоров Intel 13 и 14 поколения и их аналогов, имеющих высокое тепловыделение, так и в крупных вычислительных комплексах и суперкомпьютерах.

Так, например, при стресс режимах становится видно, что даже производительные жидкостные системы охлаждения в базовом исполнении не способны удерживать температуру основных компонентов и защищать микропроцессор от перегрева длительное время, в особенности при высоких температурах окружающего воздуха. Поэтому появляется задача введения в систему охлаждения машин и аппаратов холодильной техники для охлаждения электроники и поддержания температурных режимов работы. Прежде всего это касается применения охлаждения на базе термоэлектрических и компрессорных холодильных машин, что позволяет существенно снизить температуру и отвести выделяемую теплоту. Кроме того, перспективным является и применение «бустинг - схем», на базе аккумуляторов холода, которые включаются только при пиковых нагрузках.

Все эти направления требуют детального анализа и совершенствования систем охлаждения микроэлектроники при различных температурах процессоров и их взаимодействия с системой охлаждения, в особенности, это касается

инерционности. Результаты исследований позволяют оценить работу системы в целом, а также каждый её элемент в частности. Важным фактором является также подход к косвенному уменьшению тепловыделения процессоров для уменьшения энергопотребления холодильных машин в составе систем охлаждения.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей функционирования и повышение энергоэффективности работы холодильных машин в системах охлаждения микропроцессорной техники.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

Задача 1 - Обзор и анализ литературных источников и проблематики по исследуемой теме и построение классификации существующих систем охлаждения микропроцессоров.

Задача 2 - Экспериментальное исследование и построение математических моделей теплообмена между микропроцессором и системой жидкостного охлаждения.

Задача 3 - Экспериментальное исследование параметров работы и моделирование систем охлаждения с использованием холодильной техники.

Задача 4 - Применение новых подходов к охлаждению электронной базы персональных компьютеров, крупных вычислительных центров и центров обработки данных (ЦОДов).

Задача 5 - Экспериментальное исследование моделирование процессов в системах охлаждения крупных электронных комплексов.

Задача 6 - Анализ эффективности использования систем охлаждения процессоров персональных компьютеров и рабочих станций.

Методы исследования. В диссертации применялось обобщение передового опыта исследования и эксплуатации систем охлаждения микропроцессоров, разработки систем охлаждения и поддержания параметров работы. В ходе

исследования был проведен модельный эксперимент по исследованию двухфазных потоков, лабораторный эксперимент по использованию систем охлаждения с аппаратами холодильной техники на действующих образцах микропроцессоров компании Intel (последних поколений) для исследования методов получения искусственного холода в системах охлаждения, а также математическое моделирование процессов в элементах систем охлаждения микропроцессоров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проведён анализ и предложена классификация систем охлаждения микропроцессоров.

2. Построена математическая модель теплообмена между микропроцессором и жидкостной системой охлаждения.

3. Проведено экспериментальное исследование и моделирование режимов работы систем охлаждения микропроцессора на базе компрессионных холодильных машин и термоэлектрических модулей.

4. Проведено экспериментальное исследование и моделирование гидродинамики двухфазного кипящего потока в системах охлаждения микропроцессоров крупных вычислительных комплексов.

5. Разработаны новые методы аккумуляции холода в системах охлаждения микроэлектроники.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

Получены расчетные и экспериментальные данные по процессам тепло- и массопереноса и гидродинамики в оборудовании систем охлаждения микропроцессора в зависимости от геометрических и физических факторов. Научная новизна 1 - Предложена новая классификация систем охлаждения микропроцессоров, позволяющая найти новые направления совершенствования существующих образцов.

Научная новизна 2 - Разработаны математические модели теплообмена микропроцессора с жидкостной системой охлаждения.

Научная новизна 3 - Получены результаты экспериментального исследования малых холодильных машин с микроканальными теплообменниками в системе охлаждения микропроцессора и разработаны их математические модели. Научная новизна 4 - Получены результаты экспериментального исследования процессов в системах охлаждения крупных электронных комплексов, предложены методы повышения их энергоэффективности и исследована модель двухфазного потока с кипением на дискретных распределённых центрах парогенерации.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании модели системы охлаждения на базе холодильной машины при взаимодействии с микропроцессором, и разработка новых конструкций и методик расчёта систем охлаждения микропроцессоров, методов аккумулирования холода и режимов работы систем охлаждения.

Объектом исследования является система охлаждения микропроцессора персональных компьютеров и вычислительных комплексов, математические модели систем охлаждения.

Предметом исследования является повышение производительности и энергоэффективности систем охлаждения микропроцессора с применением холодильной техники.

Теоретическая значимость результатов диссертационной' работы в установлении новых сведений о системах жидкостного охлаждения микропроцессоров, их взаимодействии и влиянии на тепловые режимы работы процессора, в разработке математических моделей и зависимостей для определения параметров работы системы охлаждения в зависимости от производительности. Исследована модель движения двухфазных потоков в системах охлаждения производительных систем. Получены модели переходных

режимов работы микропроцессора при охлаждении холодильной машиной. Разработаны методы аккумулирования для систем охлаждения. Построена классификация систем охлаждения микропроцессоров.

Практическая значимость р езультатов диссертационной работы состоит в применении холодильной техники для повышения эффективности систем охлаждения микропроцессоров, как в системах персональных компьютеров и рабочих станций, так и в крупных вычислительных комплексах.

Определение новых терминов и понятий

Применено понятие «бустинг-схема», для систем охлаждения включающихся только при максимальных тепловых потоках от микропроцессора. Применено понятие «двухфазный поток с дискретной парогенерацией» для потоков, кипящих на локальных центрах нагрева.

Применено понятие «аккумуляция холода с непосредственным контактом сред» для методов аккумулирования льда, когда фреон непосредственно контактирует с водяным раствором соли.

Достоверность полученных результатов:

1) При проведении модельного и лабораторного экспериментов применялись сертифицированные и поверенные измерительные приборы.

2) Методы энергетического анализа и оптимизации разрабатывались на основе авторитетных научных источников с помощью современных программных средств.

3) Достоверность разработанной математической модели проверялась сравнением с данными эксперимента.

4) В качестве микропроцессоров использовались только новейшие устройства микроэлектроники, применяемые в настоящий момент.

Внедрение результатов работы

1) Материалы исследования внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров. Разработанный опытный образец используется в научных исследованиях кафедры. Разработаны методические указания для учебного процесса к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Нетрадиционные методы получения низких температур», по дисциплине «Исследование процессов низкотемпературных установок» для магистров направления 16.04.03 на кафедре «Теплоэнергетика и холодильные машины» Астраханского государственного технического университета. Полученные результаты о процессах тепло- и массопереноса используются при анализе результатов и выборе режимов работы систем охлаждения при проектировании в магистерских диссертациях.

2) Результаты работы приняты к рассмотрению для внедрения компанией ООО «ЛУКОЙЛ» и получено письмо заинтересованности.

3) Результаты планируется внедрить в вычислительных центрах государственных органов Астраханской области, на что получены письмо заинтересованности.

4) Разработана бизнес модель для серийного выпуска систем охлаждения для персональных компьютеров и малых серверов, изготовлен опытный образец, проведены его испытания и технико-экономический анализ.

5) Результаты работы внедрены в учебный процесс. Разработанный вычислительный комплекс используется в научных исследованиях кафедры. Разработаны методические указания к выполнению лабораторных работ на тему «Охлаждение Пельтье» по дисциплине «Нетрадиционные методы получения низких температур по дисциплине «Исследование процессов низкотемпературных установок» для магистров направления 16.04.03 на кафедре «Теплоэнергетика и холодильные машины» Астраханского государственного технического университета.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

1. 79-я научно-техническая конференция СПб НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г.СПб, 22-26 апреля, 2024 г.

2. Молодежная Школа по физике конденсированного состояния (Школа ФКС-2024), Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", СПб, 11-15 марта, 2024 г.

3. «Математические проблемы механики сплошных сред», посвящённой 105 -летию со дня рождения академика Л.В. Овсянникова, Сибирское отделение российской академии наук, г.Новосибирск, 13-17 мая 2024 г.

4. Международная конференция «Искусственный холод в XXI веке», университет ИТМО 15-17 ноября 2023 г.

5. XXI Всероссийская молодежная Самарская конкурс-конференция по оптике, лазерной физике и физике плазмы, посвященная 300-летию РАН" / Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук 14-18 ноября 2023 г.

6. X научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов ООО «Лукойл-Астраханьэнерго», Астрахань, 2023 г.

7. 67-й Международная научная конференция/ Астраханский государственный технический университет, Астрахань, 2023 г.

8. 68-й Международная научная конференция/ Астраханский государственный технический университет, Астрахань, 2024 г.

9. Научно-техническая конференция с международным участием «Аскеза природных хладагентов в условиях доминирующей неоклиматической реальности», ИТМО, Санкт - Петербург, 26 января 2023 г

10. XI научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов ООО «Лукойл-Астраханьэнерго», Астрахань, 2022 г.

11 . Международный молодежный нефтегазовый научно-технический форум «КАСПИИ - МОРЕ УСПЕХА», секция - «Цифровизация и автоматизация в нефтегазовой отрасли.» г. Астрахань, 12-14 октября, 2022 г.

12. Всероссийская междисциплинарная научная конференция / ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», г.Астрахань, 2022 г.

13. Междисциплинарная конференция «Наука и практика» (2016-2021 годы) АГТУ, г. Астрахань

14. III Международная научная конференция «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (SEWAN-2021), ИТМО, СПб.

15. Международная конференция - «Каспий 2021: пути устойчивого развития», АГУ, г. Астрахань

16. V Международная конференция «Информационные технологии и технические средства управления» (ГССТ-2021), АГТУ, г. Астрахань

17. Андреев, А. И. Экспериментальное исследование гидросопротивлений двухфазного потока при дискретной парогенерации / А. И. Андреев, А. Е. Семенов // III Научно-практическая конференция аспирантов : сборник тезисов, Жуковский, 03 декабря 2024 года. - Жуковский: Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского, 2024. - С. 410.

Личный вклад автора.

Соискатель является участником работы на всех этапах процесса. Соискатель принимал непосредственное участие в получении исходных данных и научных экспериментах. Вся тема исследования выполнена с участием автора, включая разработку экспериментальных стендов и установок, обработку и интерпретацию экспериментальных данных, подготовку основных публикаций по выполненной работе и разработке опытного образца с системой охлаждения с холодильной машиной.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 147 наименований и 5 приложений. Основная работа изложена на 152 страницах, включая 72 рисунка и 9 таблиц.

Публикации.

Основные положения и результаты работы опубликованы в 40 научных работах, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК при Министерстве

науки и высшего образования Российской Федерации, 2 работы в журналах, входящих в международную базу данных Scopus и 7 патентов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, научные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, достоверности научных достижений, публикациях, структуре и объеме диссертации.

Глава 1. Важнейшим компонентом любого компьютера или вычислительного устройства в настоящее время является центральный процессор, поэтому вопросы его стабильной работы являются актуальными и важными. Одним из ключевых факторов стабильной работы процессора является поддержание его температуры на заданном уровне. Охлаждение центрального процессора компьютера, в настоящее время подразделяется на пассивное и активное, и является перспективной задачей как для микроэлектроники, так и для холодильной техники и теплофизики в целом.

Обзор существующих способов охлаждения [1-28] микроэлектроники показал, что на практике чаще всего используются системы воздушного и жидкостного охлаждения. Однако их производительность для последних поколений процессоров уже является недостаточной. Для повышения производительности применяются особые подходы, прежде всего, основанные на методах холодильной техники.

Так в работах [29-47] показаны исследования работы компрессионной холодильной машины в составе системы охлаждения микропроцессора. Исследование термоэлектрических модулей в составе систем охлаждения процессоров показано в работах [48-68]. В работах [69-79] показаны другие способы охлаждения и методы понижения тепловыделения процессоров, в том числе высокопроизводительных рабочих станций [80-89]. В связи с новыми поколениями процессоров эти подходы требуют особого внимания и исследования.

Эти же методы характерны и для крупных систем - вычислительных комплексов, центров обработки данных и суперкомпьютеров. Метод жидкостного охлаждения, позволяющий существенно повысить эффективность теплообмена, применяется, в основном, при охлаждении мощных тепловыделяющих элементов свыше 200 - 300 Вт. При этом жидкостное охлаждение усложняет конструкцию за счет вспомогательных устройств (насос, емкость для жидкости, теплообменник и другие). Перспективным направлением в области высокопроизводительных вычислений для оборудования с высокой плотностью размещения (20 - 30 кВт на стойку и выше) является также использование систем охлаждения, базирующихся на погружении в диэлектрическую жидкость базовых компонентов кластера -серверов. Данная технология позволяет обеспечить высокую экономию электроэнергии, затрачиваемой на охлаждение (до 40-65%) [90]. В остальном решения схожи с представленными ранее. И также подразделяются на водяное и воздушное [91-100].

При работе на самом нижнем температурном уровне в компьютерах, основанных на сверхпроводимости - квантовых компьютеров жидкостное охлаждение на основе криогенных методов также получило широкое распространение охлаждение жидкими средами [101-106].

Все представленные способы охлаждения, отнесённые к разным видам технологий, решают одну главную задачу, отвод тепла от электронных компонентов с целью поддержания нормальной работы. На основании литературного обзора и анализа ранее проведённых исследований была построена классификация систем охлаждения, учитывающая современные исследования и появившиеся технологии, охватывающие все температурные уровни охлаждения.

Приведённые исследования на различных температурных уровнях показывают необходимость повышения производительности систем охлаждения с помощью методов получения искусственного холода, что требует детального исследования вопросов теплопередачи в жидкостных теплообменниках и аппаратах этих систем как для персональных компьютеров, так и для крупных

вычислительных комплексов различных типов, включая косвенные методы понижения тепловыделения электронных компонентов.

Глава 2. Исследование процессов теплообмена в системах жидкостного охлаждения основывалось на изучении теплопередачи между процессором и охлаждающей средой. Помимо этого, были проведены исследования параметров систем жидкостного охлаждения с устройствами искусственного холода, прежде всего компрессионной холодильной машиной и термоэлектрическими модулями, при различных режимах работы электронных компонентов. Все эксперименты проводились на действующих образцах микропроцессоров (в качестве объекта охлаждение использовались микропроцессоры - Intel i7 core 13700k OEM, Intel i9 core 14700k OEM, Intel Pentium 4 (533)) с контролем температурных режимов. Для измерения температуры в ходе экспериментов были изготовлены и установлены термопары типа Т (медь - константан), которые были тарированы по трём реперным точкам.

В качестве реперных точке были приняты - температура кипения воды (дистиллированная, технология - 2 ступенчатый осмос), тройная точка воды, тройная точка галлия (марка Гл-0) - согласно МТШ-90, точность термопар - 0,1 оС. Также была применена термобатарея с 8 спаями (по 4 с каждой стороны) для измерения разности температур с точностью 0,1 оС. Тарировка проводилась с помощью термостата лабораторного - BHS-1 и дистиллированной воды. В качестве вольтметра для измерения термоЭДС использовался универсальный вольтметр -В7-78/1 с точностью измерения 0,1 мкВ.

Для измерения и контроля расхода теплоносителя использовался ротаметр -Raifil проточный FM02, точность измерения - 0,02 л/мин.

Для измерения скорости и температуры воздуха использовался термоанемометр DT-8880, с точностью измерения 0,1 м/с и 0,2 оС соответственно. Температура окружающей среды составляла 25-33 оС и измерялась по ртутному лабораторному термометру с точностью 0,1 оС. Стресс режим и отслеживание температуры процессора проводилось с помощью программ AIDA64 и AIDA64 Extreme Edition с точностью в пределах 1,5 % (-1 оС). Для измерения оборотов

вентиляторов использовался лазерный тахометр - DT-2234C+, с точностью 60 об/мин. Максимальная погрешность измерения теплового потока составила 5Qmax= 19,2 * 10-2. Максимальная относительная погрешность измерения температур составила 5 = 16,7 *10-2.

Были исследованы два микроканальных теплообменника - с тонкими рёбрами и призматическими выступами. Экспериментальное исследование систем жидкостное охлаждения (СЖО) компьютеров подразделялось на четыре этапа, в первом исследовалось влияние температуры и расхода теплоносителя на температуру компонентов микропроцессора (рисунок 1), его потребляемую мощность и теплопередачу в жидкостном теплообменнике - рисунок 2.

125

40 50 60 70 80 90 100

Температура процессора, °С

Рисунок 1 - Экспериментальные зависимости температуры процессора (а) от температуры входящей в теплообменник воды, мощности процессора от температуры входящей в теплообменник воды (б), мощность процессора от температуры процессора (в), при расходах

0.3 л/мин (▲), 0.55 л/мин (®), 1 л/мин (•)

ai

Ш 4 LlT

♦

J

у 4

► ¡J < » 1С

, 1 1 f 1_ 1 r~ ■ < г ► F- i < ► < iJ !

ч ч 1 ■ ■ Tl 1 1 . il ! ■

► 1 Г 1 1 ~1 —1 — i ■

1 F

10

20 30 40

Температура воды на входе, °С

50

60

Рисунок 2 - Зависимость характеристики кТ (Тпроц) теплообменника от температуры охлаждающей воды при расходах 0.3 л/мин (▲), 0.55 л/мин (®), 1 л/мин (•)

На основании экспериментальных данных построена математическая модель взаимодействия системы жидкостного охлаждения с микропроцессором и основных параметров системы.

На втором этапе, в систему был включён термоэлектрический модуль - TEC -12706 в двух вариантах (1- термоэлектрический модуль установлен на сокете, 2 -термоэлектрические модули охлаждают теплоноситель) расположения в системе охлаждения. На данном этапе исследовалась взаимная работа всех компонентов, в особенности параметров термоэлектрических модулей и электронных компонентов процессора. Уровень температур элементов термоэлектрической холодильной машины в составе системы охлаждения показан на рисунке 3.

Рисунок 3- Уровень температур при работе термоэлектрической холодильной машины в теплообменнике процессора (температура процессора) - • и термоэлектрической холодильной машине - ▲, а также горячего спая Пельтье - холодного спая Пельтье - ◊, средняя

температура воды в контуре- *

Параметры работы термоэлектрического модуля при установке на сокете, рассчитанные в программе показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Холодопроизводительность (а) и СОР (б) термоэлектрического модуля при работе в системе охлаждения с жидкостным теплоотводом, РР - рабочий режим в ходе

эксперимента

В ходе эксперимента холодильный коэффициент составил 0,5. Высокие значения холодильного коэффициента поддерживались благодаря эффективному отводу теплоты от горячего спая за счёт башенных кулеров, оснащённых тепловыми трубами. При этом использовался тот же микроканальный теплообменник.

Все полученные данные показывают, что применение термоэлектрических модулей для охлаждения является перспективным для высокопроизводительных процессоров, однако, стабилизирует температуру процессора на уровне выше +70 оС при работе в стресс режиме.

Особенно следует отметить малую инерционность термоэлектрических модулей при охлаждении теплоносителя и выход системы на максимальную мощность за короткое время, что особенно важно при колебаниях производительности электронных компонентов системы.

Несмотря на все положительные факторы применения термоэлектрических модулей при охлаждении процессоров с различным тепловыделением, минусом является значение холодильного коэффициента ниже 1. Это факт приводит к высокому энергопотреблению системы охлаждения, сопоставимому с потреблением вычислительной части компьютера.

На третьем этапе исследовались параметры взаимной работы системы охлаждения с компрессионной холодильной машиной на базе миникомпрессора ротационного типа ST19DC12H с частой вращения 3500 об/мин и рабочим объёмом 1,9 куб.см/об, в качестве хладагента применён R134a (тетрафторэтан - CH2FCF3), а в качестве теплоносителя дистиллированная вода. В качестве объекта охлаждении использовались процессоры Intel i7 core 13700k OEM и Intel i9 core 14700k OEM для проверки результатов. Параметры работы компрессора в ходе эксперимента показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 - Расчётные параметры работы компрессора: а) - холодопроизводительность, б) - потребляемая мощность при температурах конденсации: ◊ - +30 оС, ® - +40 оС, +50 оС

, х - +60 оС

На основании полученных экспериментальных и расчётных данных была построена математическая модель холодопроизводительности, холодильного коэффициента и потребляемой мощности компрессора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андреев Александр Иванович, 2025 год

Список источников

1. Цокова П. X, Архитектура персонального компьютера // Межотраслевые исследования как основа развития научной мысли: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Саратов, 27 августа 2022 г.). Стерлигамак: АМН, 2022. С. 163-164.

2. Яновский А. А,, Симоновский А. Я., Хаустов П. А. Перспективы развития и моделирования систем охлаждения процессоров ПК с использованием магнитной жидкости в качестве охлаждающей среды // Междунар. студен, науч. вести. 2015. № 3-4. С. 498-499.

3. Мажигов О. Д., Джунусова А. Б.. Жуматаева Ж. Е. Использование элементов Пельтье для охлаждения современных компьютеров // Приоритетные направления развития образования и науки: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 09 апреля 2017 г.). Чебоксары: Интерактив плюс, 2017. Т. 2. С. 71-73.

4. Давыденко Е. Л, Су Ц. Международный рынок товаров ПЕСТ: современные тенденции и особенности развития китайского сегмента // Вестн. Ин-та экономики НАН Беларуси. 2021. Вып. 3. С. 83-98.

References

1. Tsokova P. Kli. Arkhitektiira personal'nogo kornp'i-utera. Mezhotraslevye issledovaniia kak osnova razvitiia nauch-noi mysli [Hie architecture of a personal computer. Intersectoral research as a basis for the development of scientific thought].

Materialy Mezhdimarodnoi nauchno-piakticheskoi konferentsii (Saratov, 27 avgusta 2022 g.). Sterlitamak, AMI Publ., 2022, Pp. 163-164.

2. Ianovskii A. A,, Simonovskii A. Ia., Khaustov P. A. Perspektivy razvitiia i modelirovaniia sistem okhlazhdeniia protsessorov PK s ispol'zovaniem magnitnoi zliidkosti v kachestve okhlazhdaiushchei sredy [Prospects for the development and modeling of PC processor cooling systems using magnetic fluid as a cooling medium]. Mezhdunarodnyi stu-dencheskii nauclmyi vestnik 2015, no. 3-4, pp. 498-499.

3. Mazhitov O. D., Dzhunusova A. B.. Zhumataeva Zli E. Ispol'zovanie elementov Pel't'e dlia okhlazhdeniia sovre-mennykh komp'iuterov. Prioritetnye napravleniia razvitiia obra-

5. Алексеева К. Ю. Сравнительная характеристика разных систем охлаждения компьютера: жидкостная и воздушная // Наука, техника и образование. 2018, № 5 (46). С. 83—85.

6. Зимина Л. В. Российский рынок информационных технологий: состояние, тенденции // Образование и наука без границ: фундамент, и приклад, исслед. 2016. №1. С. 85-90.

7. Компьютеры (рынок России) / ТАВУЗЭДЖ.. 1ЖЬ: Ьнрэ: ги/ик1ех .рЬр/Статья: Компьютеры (рынок_России) (дата обрашения: 15.04.2023).

8. Ткачев В. В. Анализ потребительских предпочтений на российском рынке компьютерной техники в современных условиях // Экономика и бизнес: теория и практика. 2023. № 4-2 (98). С. 165-167.

9. Воронцовский А. В. Управление инвестициями: инвестиции и инвестиционные риски в реальном секторе экономики. М.: Юрайт. 2023. 391 с.

10. Погодина Т. В. Инвестиционный менеджмент. М.: Юрайт, 2023. 306 с.

zovaniia i nauki [The use of Peltier elements for cooling modem computers. Priority areas for the development of education and science]. Materialy Mezhdimarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Cheboksary, 09 aprelia 2017 g). Cheboksary, Interaktiv plius Publ., 2017. Vol. 2. Pp. 71-73.

4. Davydenko E. L.. Su Ts, Mezhdunarodnyi rynok to-varov IKT: sovremennye tendentsii osobennosti razvitiia kitaiskogo segmenta [Tlie international market of ICT goods: current trends and features of the development of the Chinese segment]. Vestnik Instituía ekonomiki NAN Belarusi, 2021, iss. 3, pp. 83-98.

5. Alekseeva K. Iu, Sravnitel'naia kharakteristika raznykh sistem oklilazlideniia komp'iutera: zhidkostnaia i vozdushnaia [Comparative characteristics of different computer cooling systems: liquid and air]. Nauka, tekhnika i obrazovanie, 2018, no. 5 (46), pp. 83-85.

Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies. 2023. N. 3 ISSN2073-1574 (Print), ISSN2225-0352 (Online)

_Ship power plants and propulsion systems

Научная статья УДК 621.565.2

https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-3-65-73 EDN ОгХХЁЬ

Оптимизации режимов работы судовой холодильной установки с аккумулятором искусственного холода

Александр Евгеньевич Семенов, Александр Иванович Андреевм

Астраханский государственный технический университет, Астрахань, Россия, [e-mail]'

Аннотация. Исследуются способы оптимизации работы холодильной установки для рыбопромышленных и рефрижераторных судов с дополнительным включением устройств искусственной аккумуляции холода. Разработана новая технология аккумулирования холода на базе холодильной машины с непосредственным контактом сред и выработки льда. В качестве холодильного агента взят RC318 - фреон, не образующий кристаллогидратов. На основе этого была проведена оптимизация работы холодильной одноступенчатой машины методом множителей Ла-гранжа по целевой функции энергозатрат, рассчитанная по снижению потока эксергии в системе. Полученные данные свидетельствуют о том, что применение аккумуляции холода на судах актуально и перспективно для снижения затрат энергии на работу холодильного оборудования и повышения автономности судов рыбопромыслового флота. Оптимизация по рассматриваемой методике приводит к двум режимам работы холодильной машины, наиболее оптимально выгодным по условиям эксплуатации при выработке холода. Оптимизация проведена для двух схем включения аккумулятора холода в систему хладоснабжения. Предтоженные методы оптимизации позволяют снизить энергозатраты холодильных установок до уровня расчетных нагрузок, а пиковые нагрузки компенсировать с помошью холода из аккумуляторов, Дальнейшие исследования в этом вопросе направлены на уменьшение габаритов аккумулятора, повышение его энергоэффективности и выработки рекомендаций по включению в общие схемы судовых холодильных установок на базе математических моделей оптимизации и натурных экспериментов. Также планируется дальнейшее совершенствование методов аккумуляции холода на базе льдогенерации при непосредственном контакте сред внутри холодильных установок.

Ключевые слова: аккумулирование холода, охлаждение при непосредственном контакте сред, рефрижераторное судно, судовые холодильные установки, энергоэффективность, метод Лагранжа

Для цитирования: Семенов А. Е., Андреев А. И. Оптимизации режимов работы судовой холодильной установки с аккумулятором искусственного холода // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2023. № 3. С. 65—73. https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-3-65-73. EDN OZXXEL.

Original article

Optimization of operating modes of ship refrigeration plant with artificial cold accumulator

Alexander E. Semen ov, Alexander I. Andreevш

Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russia, [e-mail]

Abstract. Hie ways of optimizing the operation of a refrigeration unit for fishing and refrigerated vessels with the additional inclusion of artificial cold storage devices are investigated. For this purpose, a new technology of cold storage has been developed on the basis of a refrigerating machine with direct contact between media and ice production. The refrigerant RC318 was taken as freon which does not form crystalline hydrates. Based on this, the optimization of the operation of a single-stage refrigeration machine was carried out using the Lagrange multiplier method for the target function of energy consumption, calculated by reducing the exergy flow in the system. Hie data obtained show the relevance and prospects of using cold accumulation on ships to reduce energy costs for the operation of refrigeration equipment and increase the autonomy of fishing vessels. Optimization according to the given method leads to two

© Семенов A, E., Андреев А. И., 2023

Вестник Астраханского государственного технического университета.

Серия: Морская техника и технология. 2023. № 3 ISSN 2073-1.174 (Print), ISSN2225-0352 (Online)

Судовые энергетические установки н машинно-овижнтельные. комплексы

modes of operation of the refrigerating machine, as tlie most optimally beneficial in terms of operating conditions during the generation of cold. Optimization was carried out for two schemes for including a cold accumulator m tlie cold supply system. Hie proposed optimization methods make it possible to reduce tlie energy consumption of refrigeration units to the level of design loads, and to compensate for peak loads with the help of cold fr om batteries. Further research ill this matter is aimed at reducing the size of tlie battery, increasing its energy efficiency and developing recommendations for inclusion ill the general schemes of ship refrigeration plants based on mathematical optimization models and field experiments. It also plans to further improve the methods of cold accumulation based on ice generation with direct contact of media inside refrigeration units.

Keywords: cold accumulating, direct contact coolmg. refrigerator ship, marine refrigeration units, energy efficiency. Lagrange method

For citation: Semenov A. E.. Arrdreev A. I. Optimization of operating modes of ship refrigeration plant with artificial cold accumulator. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2023;3:65-73. (In Russ.). https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-3-65-73. EDX OZXXEL.

Введение

Широкое применение холодильных установок на морских судах ставит задачу снижения потребляемой энергии при выработке холода и поиска энергоэффективных технологий. Особенно актуальным это является для судов рыбодобываюшего и перерабатывающего сектора: траулеров, плавбаз, рефрижераторных судов и т. д. Выработка холода на низкотемпературном уровне требует высоких энергозатрат, что приводит к существенному расходу ресурсов и уменьшению автономности судов.

Для уменьшения потерь в ходе работы рефрижераторных установок в литературе изложено несколько способов, большая часть из которых сводился к изменению режимов работы холодильных машин и введению дополнительного оборудования. Так. например, в работах [1. 2] приведены данные, свидетельствующие о существенном расходе топлива на обеспечение стабильной работы установок, обеспечивающих поддержание необходимой низкой температуры в трюмах рефрижераторных судов. На транспортных рефрижераторах на выработку электроэнергии, потребляемой системами охлаждения, которые обеспечивают сохранность грузов {мороженой и консервированной рыбной продукции, фруктов и т. п.) в трюмах и камерах хранения, расходуется 10-20 % топлива. Большие перепады температур в воздухоохладителях (ВО) и высокие кратности циркуляции воздуха свидетельствуют о значительных резервах сокращения потребляемой вентиляторами мощности за счет уменьшения термических и аэродинамических сопротивлений ВО.

Другим путем уменьшения энергозатрат является применение аккумуляторов холода и оптимизация режимов работы холодильной машины с введением дополнительного переохлаждения с помощью холода на базе методов термоэкономического анализа [3] или эксергического анализа [4. 5].

Применяемые математические методы оптимизации подтверждают, что в режимах работы холодильных установок есть факторы, позволяющие

повысить эффективность их работы, прежде всего в алгоритмах управления. В работе [б] представлен метод интенсификации эксплуатационных параметров аммиачной холодильной машины путем обработки информации о вероятных отказах оборудования и информации качественного характера. Основу для метода составляет идентификация аммиачной холодильной машины как источника нештатных эксплуатационных ситуаций и последующее использование полученных данных из интеллектуальной имитационной модели для идентификации нештатных эксплуатационных ситуаций перед пуском и во время работы аммиачной холодильной машины. Однако необходимо иметь в виду, что значения основных параметров аммиачной холодильной машины зависят от наружных и внутренних условии эксплуатации, поэтому при оиенке допустимости тех или иных значений эксплуатационных параметров следует проводить ряд сложных технических расчетов.

В результате анализа всех изложенных путей был разработан метод, охватывающий как технические. так и математические методы повышения эффективности работы холодильных установок на судах. Наиболее результативным кажется применение аккумуляции искусственного холода путем использования мощности приводов холодильных установок в часы снижения нагрузок и потребление аккумулированного холода в периоды пиковых нагрузок. Особенно это важно для регионов, в которых использование естественного способа аккумуляции невозможно Например, работы рыбопромысловых судов в южных морях.

Целью настоящей работы является оптимизация параметров работы холодильных установок рыбопромышленных судов при использовании систем искусственного аккумулирования холода.

Актуальность заключается в создании методов снижения энергопотребления и уменьшения затрат на эксплуатацию судовых холодильных установок.

Новизна работы обусловлена использованием новых способов аккумулирования холода и мето-

Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies. 2023. N. 3 ISSN2073-1574 (Print). ISSN2225-0352 (Online)

_Ship power plants and propulsion systems

дов оптимизации на их Сазе с целью снижения энергозатрат.

Метод искусственного аккумулирования холода на базе холодильных установок непосредственного контакта сред

В классической холодильной машине тепло от хладагента передается хладоносителю через теп-лообменную стенку испарителя, что ограничивает поверхность теплообмена, в результате чего холо-допроизводительность напрямую зависит от площади теплопередающей поверхности. Для компенсации этого необходимо максимально увеличить поверхность теплообмена. Однако для увеличения поверхности контакта и улучшения эффективности охлаждения и льдообразования можно использовать непосредственный контакт сред. т. е. взаимо-

действие хладагента и хладоноситела напрямую.

Если взять за основу фреон, то при контакте с водой образуются при определенных условиях кристаллогидраты или водяной лед.

Если же получившийся лед накапливать и в дальнейшем использовать, то возникает предположение создания машинного способа аккумулирования холода за счет поглощения тепла хладагентом при контакте с водяным раствором.

Разработанный способ [7] основан на тех же принципах. За основу взят хладагент ЯС318 из-за отсутствия образования кристаллогидратов, аккумулирование при льдообразовании в кристаллизаторе и последующее омыванне льда потоком хла-доносителя. который в дальнейшем направляется для обеспечения холодом потребителя, схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Установка ч ш аккумулирования холода: 1 -кристаллизатор; 2- линия всасывания: 3 - компрессор типа РУДГ»: 4 - конденсатор: 5 - линия нагнетания: б'-чпллер; 7 — регулирующий венлнль; S - жидкостная линия; 9 - насос смеси раствора и льда: 10 - бак-аккумулятор; 11 - насос возврата раствора: 12 - теплообменник;

13-16. IS. 21 - запорные вентили: 17 - гпдроциклон: 19 - влагоотделилель; 20 - линия выравнивания: 22 - насос чнллера: 23 - линия возврата хладагента: 24. 25 - линии подачи и возврата холода: 26- мешалка

Fig. 1. Cold storage unit: 1 - crystallizes 2 - suction line:.-) - compressor type Roots; 4 - condenser; 5 - discharge line: 6 - chiller: 7 - control valve: i - liquid line: 9 - solution and ice mixture pump: 10 - storage tank: 1 1 - solution return pump: 12 - heat exchanger; 13-16. IS. 21 - shut-off valves; 1 7 - hydrocyclone, 19 - dehumidifier; '< - equalization line: 22 - chiller pump: 23 - refrigerant return hue: 24. 25 - cold supply and return lines: 26 - stirrer

Хладагент подается в кристаллизатор I из конденсатора 4 через регулирующий вентиль 7. где вскипает, забирая тепло из раствора хлорида натрия, образуя кристаллы льда, меньшая часть жидкого хладагента уносится насосом 9. а большая часть в виде парожидкостной смеси поступает в отделитель жидкости 19. где отделяется жидкий

хладагент. Затем пар хладагента сжимается в компрессоре .1 и конденсируется в конденсаторе 4. после чего дросселируется и поступает в кристаллизатор 1. Раствор хлорида натрия с образовавшимися кристаллами льда и каплями жидкого хладагента подается насосом 9 через открытый вентиль 16 в гидроциклон 17. где из смеси отделяется хлада-

Вестник Астраханского государственного технического университета.

Серия: Морская техника и технология. 2023. М 3 ISSN2073-1574 (Print), ISSN2225-0352 (Online)

Судовые энергетические установки н машинно-овижчтелъные комплексы

гент II возвращается в кристаллизатор 1 через запорный вентиль 76'. Раствор со льдом подается в бак-аккумулятор 10. где лед накапливается в верхней части. В режиме аккумулирования холода запорные вентили 13 и 14 закрыты. Раствор хлорида натрия забирается с помощью насоса 11 из нижней части бака-аккумулятора 10 и подается в кристаллизатор 1. где снова смешивается с хладагентом для образования льда. В режиме подачи холода потребителю вентили 15 и 16 закрыты, а вентили 13 я 14 открыты, теплый раствор подается в верхнюю часть бака-аккумулятора 10. где охлаждается льдом, и холодный раствор с помощью насоса 11 направляется в теплообменник 12, где нагревается теплом от потребителя, а затем возвращается в бак-аккумулятор 10. Тепло конденсации хладагента отводится с помощью чиллера 6. оснащенного насосом 22. подающего холодную жидкость в конденсатор 4. Для выравнивания давления в кристаллизаторе 1 и баке-аккумуляторе 10 имеется уравнительная линия 20 с запорным вентилем 21. Для интенсификации процесса раствор в кристаллизаторе 1 постоянно перемешивается мешалкой 26.

Использование данного метода позволяет резко сократить затраты энергии на аккумулирование. Расчетные данные доказали, что метод непосредственного контакта фаз более чем на 40 % энерго-выгоден по сравнению с известными способами льдогенерации

Применение подобной конструкции в судовых системах позволяет оптимизировать работу холодильных машин и повысить их энергоэффектив-ностъ.

Оптимизационная модель работы холодильных установок с подключением искусственной аккумуляции холода

Рассмотрим две схемы оптимизации холодильной установки (рис. 2):

- аккумулированный холод используется для переохлаждения хладагента при пиковых нагрузках, тем самым повышая производительность (рис. 2. с(у.

- аккумулированный холод используется для поддержания низкой температуры в объектах охлаждения. тем самым сглаживая пиковые нагрузки на установку (рис. 2.6).

Щ

а

5 <

Рис. 2. Схемы холодильной установки с аккумулятором холода: а - аккумулированный холод используется для переохлаждения: 6 - аккумулированный холод используется для поддержания низкой температуры в объектах охлаждения: 1 — компрессор: 2 - конденсатор: 3 - теплообменник переохлаждения. 4 - терморегулирующий вентиль: 5 - испаритель: 6 - аккумулятор холода: 7 - теплообменник дополнительного охлаждения

Fig. 2. Schemes of a refrigeration v.n.t with a cold accumulator: a - accumulated cold is used for supercooling: 6 - accumulated cold is used to maintain a low temperature in cooling objects: 1 - compressor: J - condenser; 3 - subcooling heat exchanger: 4 - expansion valve; 1 - evaporator; 6 - cold accumulator: 7 - additional cooling heat exchanger

К различным элементам холодильной машины подводится энергия. При этом работа и теплота рассматриваются как различные формы передачи энергии. Следует учесть, что теплота в теплооб-менных аппаратах и аккумуляторе холода подво-

дится при различных температурных потенциалах. Поэтому необходимо выбрать единую меру оценки различных форм передачи энергии. В качестве такой величины может быть выбрана эксергия. В связи с потерями в отдельных элементах холо-

Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies. 2023. N. 3 ISSN2073-1374 (Print). ISSN2225-0352 (Online)

_Ship pow plants and propulsion system!

дальней установки для получения полезного эффекта может быть использована только часть подведенной эксергни.

Рассмотрим методику оптимизации на базе энергетических параметров. Для этого рассмотрим две методики оптимизации на базе термодинамического анализа.

Схема оптимизации по схеме рис. 2. а приведена на рис. 3. схема оптимизации схожа с оптимиза-

цией. представленной в работе [3], и повторяет ее с учетом искусственной аккумуляции холода. Область 1 включает в себя основную схему холодильной установки без испарителя (компрессор, конденсатор. регулирующий вентиль и насосы подачи охлаждающей воды в конденсатор: область 2 - теплообменник переохлаждения, насосы подачи в теплообменник, льдоаккумулялор: область 3 -вентиляторы ВО.

Рис. 3. Термодинамическая схема одноступенчатой холодильной установки с аккумулятором искусственного холода с переохлаждением хладагента

Fig. .3. Thermodynamic scheme of a single-stage refrigeration unit with an artificial cold accumulator with refrigerant subcooling

В каждой из зон учитывается стоимость входящего в ее состав оборудования: еп - для привода компрессора, е12 - для вентилятора конденсатора. е22 - насоса. е2з - льдоаккумулятора и е.}1 - вентилятора ВО. Осуществляется передача эксергни: к области 2 от области 1 - е2. к области 3 от области 2 - е}. Полная входящая эксергия в область Г - Еъ в область 3 - Е-,. Приращение эксергии охлаждаемой среды равно Е0, передача эксергни в охлаждающую среду - е0. В качестве независимых переменных рассматриваются разности температур в теплообменниках и среднелогарифмические разности температур между рабочим агентом и средой в аппаратах: ДГК - между рабочим телом и охлаждающей средой в конденсаторе: ДГир - охлаждающей средней на входе и выходе из конденсатора: ДГф - фреона, входящего в теплообменник и выходящего из теплообменника: ЛТ10 - между рабочим телом и охлаждающей средой в теплообменнике: АТ30] - охлаждающей среды, входящей в теплообменник и выходяшей из теплообменника: Д7>, -между рабочим телом и охлаждаемой средой в ВО: АТво - охлаждаемой среды, входящей в ВО и выходящей из ВО.

Критерием оптимизации выберем энергозатраты на эксплуатацию:

и = ЕЛеи + е12+еп - е22 + е31).

сЮ

dU

du

du

du

Минимум энергопотребления сводится к режимам работы холодильной установки, достигаемой при наибольшем термодинамическом совершенстве при условии минимальных разниц в теплообменниках:

с/Л Тъ ¿А1то с1АТ„ с!АТъс г/Д1ф

Величины потоков эксергни между областями имеют следующий вид:

■ е3 = Е}(Е0, АТа. АТт):

где Гох - температура охлаждаемого объекта. =С: Гос- температура окружающей среды. СС

Величины отдельных потоков эксергни представляются аналогично, как и в методе оптимизации [3]:

е11=Еш(е1,АТ^АТщ,У.

£г2 ДГ^);

с':: = ^.о-ДТф):

Р31 = Е,Лео>АТо-

''з: = Е^(е0. ДГ„).

Вестник Астраханского государственного технического университета.

Серия: Морская техника и технология. 2023. М 3 ISSN2073-1574 (Print), ISSN2225-0352 (Online)

Судовые, энергетические установки и машинно-движительныв комплексы

Применяя решение оптимизационной задачей с помощью множителей Лагранжа. получаем решение для оптимизации при условии, что Лагранжиан как совокупность энергии системы должен сводиться к минимуму, для этого производные Лагранжа относительно разницы температур в теп-лообменных аппаратах стремятся к нулю:

dL dAT

dL dAT^

dL с! AT,,

dL d&T

dL

dAT

где L - Лагранжиан системы.

Множители Лагранжа (л) в рассматриваемом случае соответственно определяют потоки эксер-гии. подводимой к каждой последующей зоне

(1)

dAT

где А.,, л,. А, - множители Лагранжа. определяемые из производной по эксергии:

de,

А;=— (£„); ае1

К. -——(£, + \2Е2). de.

(2)

(3)

(4)

Решение системы уравнений (1) с учетом выражений (2)-(4) позволяет определить значения переменных, соответствующих оптимальному режиму работы холодильной установки с аккумулятором искусственного холода, который обеспечивает минимум затрат энергии.

Другая схема оптимизации по схеме рис. 2. 5 приведена на рис. 4 и отличается тем, что аккумулированный холод идет на потребности в холоде при пиковых нагрузках для облегчения работы холодильного оборудования.

Критерии оптимизации приняты такие же. как и в первом случае. Методика расчета полностью сохраняется с учетом новой схемы на рис. 4. В этом случае потоки эксергии между областями имеют более сложный вид для оптимизации:

е3 = Е3 (е,, Е„. ДГ0. ДГвс.); е0 =Е0(е2, е.. О0.Тох.Тс:).

Рис. 4. Термодинамическая схема одноступенчатой холодильной установки с аккумулятором искусственного холода с дополнительным охлаждением объекта охлаждения

Fig. 4. Thermodynamic scheme of a single-stage refrigeration unit with an artificial cold accumulator with additional cooling of tlte cooling object

Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies. 2023. N. 3 ISSN2073-15^4 (Print% ISSN2225-0352 (Online)

_Ship power plants and propulsion systems

Отдельные потоки и стоимости сходны с первой схемой, разница тишь в том. что энерпи от аккумуляции направляется на выработку дополнительного холода для объекта охлаждения:

= ^(е2.АТк,АТ^):

!=£„{е,,ДГ„ДГ„р);

: •Ч,1-'

[ = Е,^(е„.АТ0.АТЪО!, ДГТ 0, ДГф); .=Е„(^,ДГ0,ДГ„,ДГ„,ДГф).

Используя метод решения через множители Ла-гранжа. имеющие аналогичный вид с (2)-(4). приходим к их общему виду для схемы рис. 3. б и общей системы уравнений оптимизации

Применяя метод Лагранжа для решения уравнения оптимизации, мы используем только множители (3). (4). т. к. холод от аккумуляции используется параллельно с холодом от испарителя холодильной машины:

= (EJ = 0:

- = (0 = °: Р

- = (хз£з) = 0;

d ATt с!

dATr d

dATT d

<1 A?, d

(?)

dAT0 d

= (E3-l3E3) = 0: = (X.E.) = 0: - = {E3 + X3E3) = 0.

c/AT

Решив уравнение (5). можно вычислить минимизацию энергозатрат.

На рис. 5 приведено решение средних затрат энергии на привод холодильной машины с учетом затрат энергии на аккумулировании холода. В качестве объекта оптимизации выбрано судно -большой морозильный рыболовный траулер типа «Пулковский меридиан», предназначенный д.ля лова. замораживания и хранения рыбы, переработки рыбной продукции. Для хранения рыбы используются два трюма объемом 2 140 м3 со спеиификаии-оннон температурой хранения -28 °С. Холодопро-изводительносгь двухступенчатого компрессорного агрегата при температуре кипения -45 °С и температуре конденсации 36 ЭС равна 540 кВт. потребляемая мощность электродвигателей - 590 кВт.

Согласно графику при условиях покрытия пиковых нагрузок при аккумуляции в течение 6 ч

оптимальное соотношение мощности аккумулятора к мощности холодильной системы составляет 20-25 %.

Результаты и обсуждение

Оптимизация по представленной методике относительно энергозатрат приводит к двум режимам работы, наиболее выгодным для выработки холода.

Первый связан с тем. что в периоды пиковых нагрузок на холодильной установке увеличивается степень переохлаждения за счет аккумулированного холода, что позволяет снизить затраты, т. к. на пиковых нагрузках увеличивается производительность холодильной установки за счет снижения балластного пара после регулирующего вентиля.

Второй - это включение аккумулятора холода параллельно с испарителем, т. е. на пиковых нагрузках аккумулированный холод забирает часть теплопритоков. снижая максимальную нагрузку на холодильную машину.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, однако решение оптимизационной задачи свидетельствует о том. что аккумулятор должен работать периодически для наиболее выгодного режима. Более того, время накопления должно быть больше времени потребления.

Пиковые нагрузки в судовых системах возникают в период наибольших теплопритоков. например при увеличении температуры окружающего воздуха или при увеличении объема обрабатываемой продукции. Как подтверждают результаты исследований [8-10] береговых холодильных систем. пиковые нагрузки на систему составляют лишь малую часть дня. однако для их покрытия необходимо проектировать холодильные установки на максимальную мощность.

Предложенные методы оптимизации с помощью введения аккумуляции позволяют снизить мощность холодильных установок до уровня расчетных нагрузок, а пиковые нагрузки компенсировать с помошью холода из аккумуляторов.

В работе [7] доказано, что благодаря новому подходу можно существенно снизить энергозатраты на процесс аккумуляции и в целом затраты на эксплуатацию и первоначальную стоимость холодильных установок рефрижераторных судов.

Следует отметить, что в оптимизации не учтены потери эксергии при переходных процессах. В более полной модели оптимизации следует учитывать падения давления в теплообменных аппаратах [11]. а также колебания температуры воды в зависимости от широты промысла, на которой работает судно.

Вестник Астраханского государственного технического университета.

Серия: Морская техника и технология. 2023. № 3 ISSN 2073-1574 (Print), ISSN2225-0352 (Online)

Судовые энергетические установки и магштно-движителъные комплексы

100 15D

Потребляемая мощность аккумулятору кВт

Pile. 5. noTpeo.THeMM moiijhoctb xojioaHjiBHOH MaiHKHbi c Hcn0jiB30BaHHeM aKKyMyrurropa xono^a Fig. 5. Power consumption of the chiller using the cold accumulator

Заключение

Проведенные исследования и конструкторские изыскания подтверждают, что применение новых способов аккумулирования в системах хладоснаб-жения процессов на рыбопромысловых судах позволяет снизить затраты на эксплуатацию и стоимость холодильных установок. Приведенная методика оптимизации дает понять, что в зависимости от схемы применения аккумулятор холода повышает эффективность холодильной машины и. более того, обеспечивает работоспособность на пиковых нагрузках при схемах включения, представленных в работе.

Оптимизация, проведенная методом Лагранжа. позволяет провести оптимизацию параметров холодильной установки с включенным в ее состав аккумулятором холода. В работе представлены две наиболее рациональные схемы включения, позволяющие выбрать наиболее экономичную схему.

Дальнейшие исследования в этом вопросе направлены на уменьшение габаритов аккумулятора. повышение его энергоэффективности и разработку рекомендаций по включению в общие схемы судовых холодильных установок на базе математических моделей оптимизации.

Список источников

1. Радченко Н. П.. Летош Е. В.. Дорош В. С. Направления сокращения потребления топлива судовыми системами рефрижерапии // Зб1рник наукових праць. 2007. № 1 (412). С. 97-101.

2. Дорош В. С и др. Энергосберегающие воздухоохладители систем охлаждения рефрижераторных судов // Авиац.-косм, техника и технология. 2007. № 10. С'. 179-183.

3. Крайнев А. А.. Сериков С. А. Оптимизация режимов работы холодильной установки с аккумулятором естественного холода с использованием метода терыожономи-ческого анализа // Вести. Межлунар. акад. холода. 2014. №1. С. 55-58.

4. Харлампиди Д. X., Тарасова В. А. Структурный термодинамический анализ парокомпрессорной холодильной машины // Техн. газы. 2012. № 5. С. 5~-66.

5. Пархомов М. М. Эксергетический анализ пароком-пресснонной холодильной установки Н Науч. журн. I [ И

ИТМО. Сер.: Холодильная техника и кондиционирование. 2010. № 2. С. 45-53.

6. Путилин С. С. Использование математических моделей и методов системного анализа для оптимизации управления работой аммиачной холодильной установки // Прнкаспнй. журн.: упр. и высок, технологии. 2013. 3. С. 33^-2.

7. Пат. 2766952 С1 Рос. Федерация. МПК Е250 3/00. Способ аккумулирования холода и устройство для его осуществления / Семенов А. Е„ Андреев А. И. № 2021124868: заявл. 23.08.2021: опубл. 16.03.2022.

8. Денисихина Д. М.. Самолетов VI. В. Почему холодильная машина работает неэффективно? // АВОК: вентиляция. отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение н строит, теплофизика. 2017. № 4. С. 18-29.

9. Дохоян Е. В. Энерго эффективная система кондиционирования в помещениях с большими теплопоступлення-ми // Иииовац. методы проектирования строит, коиструк-

Analysis on non-stationary gyroscopes and their application in measurement technology

A I Andreev and A P Perekrestov

Astrakhan State Technical University, Tatishclieva 16. Astrakhan, 414056. Russia E-mail: rap 123 S©mail.ru

Abstract. In this work, the main subjects of research are: 1) analysis of the process of rotation of a Chinese top on a flat surface, 2) analysis of the main dependencies and an explanation of the rise of the center of gravity of the top during rotation due to nonlinear friction and the resulting force of the overturning top on the upper axis. Also, an analytical study of the motion of the top along the plane and the laws of rotation was carried out. the rotation of the top was analyzed from the point of view of asymmetry during rotation. The top-top spinning top is an interesting case of raising the center of gravity during rotation. The simplest model of a Chinese top can be a dynamic symmetric inhomogeneous ball, the center of mass of which lies oil the axis of dynamic symmetry, but does not coincide with its geometric center. The precession of the Chinese top is based on dry friction. The occurrence of a gyroscopic deflection moment is based on the frictional force. Considering the simplest top-type top. one can distinguish the main forces acting oil this body, as well as its characteristics that determine the precession. Based on this fact, it is possible to propose the use of this body of revolution as a working medium for instalments such as tribometers and gravimeters. In the first case, this makes it possible to increase the accuracy of the device, in the second, to create a new scheme for measuring gravitational fields. The relevance of this work is the analysis of the rotation of the Chinese top and the possibility of its tise in measuring instruments.

1.Introduction

Consider a Chinese spuming top. aka Thomson's spiimiug top, in particular its procession from coups to tlie "leg'' of the spinning top. The top-top spinning top is an interesting case of raising the center of gravity during rotation. Tlie simplest model of a Chinese top can be a dynamic symmetric inhomogeneous ball, the center of mass of which lies on the axis of dynamic symmetry, but does not coincide with its geometric center [ 1 ]. This issue was considered by V.F. Zhuravlev and D.M. Klimov [2] from tlie point of view of introducing dry friction at tlie point of contact. This model fully explains the procession of the Chinese spinning top. However, it should be understood that when the Chinese top rotates, the ratio of its moments of inertia relative to various axes does not remain constant, which allows us to make adjustments to tlie existing models for describing the Chinese top. The forces causing the top to deviate from the vertical position depend on friction and. as a consequence, on the roughness of the surface on which the Spuming top precession occurs, which makes it possible to use this effect in measuring technology, primarily in the design of tribometers. By measuring the forces with which the top tends to move away from tlie vertical position, you can accurately identify the friction force acting on the base and find the coefficient of friction [3].

Also, the rate of change of the top's position depends on its moment of inertia. So, if we asstune that the coefficient of friction and the speed of rotation of the top are known, we can say what mass the top has in a given precession. This simple conclusion makes it possible to use non-stationary gyroscopes in devices for measuring the gravitational field. This class of instruments can be useful both for measuring

[feci (Z)B Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution ILr^^HZ^^d -it this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

congestion on aircraft and space vehicles, and for vehicles intended for the study of distant space objects To explain the operation of such devices, one must initially turn to the theory of gyroscopes, namely, to the precession of the tip-top (Chinese top).

The scientific novelty lies in the analysis of the physics of the tip-top and its application in technology. At the moment, the Chinese spimiing top, which has received its final theory in recent years, is very little used in practice. However, the process of its variable precession allows us to speak about its prospects in industry, in particular in measuring instruments.

2.The movement of the center of mass during rotation and deviation of the axis of symmetry

hi the general case, the deviation of the Chinese top from symmetry and the rise of its center of gravity is explained by the appearance of a moment of force from the friction force, which in this case is the force that deflects the body from a state of stable equilibrium. Since the center of mass is located above the fulcrum, the moment of force arising from friction tends to raise the center of gravity (figure 1):

Figure 1 - distribution of the main forces during the rotation of a top type top.

In this figure, point O is the point of contact between the surface and the point of application of the friction force, M is the moment of the friction force, point G is the center of mass of the top, vector r is the radius vector from the point of the center of mass to the point of contact, w is the angular velocity. When the body rotates around its own axis of the figure, the angular momentum is co-directed with it, while the friction force is directed in the direction opposite to the motion, then the gyroscope equation has its classical form of a vector product [4]. Taking a top-type top for a symmetrical gyroscope at the beginning of our movement, we will take the following:

[•-■' ] (1)

where F$- - friction force, r - radius vector drawn from the center of mass of the top to the point of the pop;

Let us describe the movement of the center of gravity of the Tip-Top during its procession. We denote by point A - the center of gravity, by point B - the top of the whirligig of the top and the center of application of the external force, by point B - the point of contact of the top with the surface during rotation and the cent of application of the friction force. Draw axes through all points. This procession is shown in figure 1:

By B-eie;e3 we denote a basis rigidly connected to tlie top at a given moment in time. Referring to article, by analogy, let us take the center of gravity for the body being carried at a given moment. If the top rotated in a stable position, then its angular momentum could be considered as:

Kn =Ja> + K^, (5)

where Jco - top's inertia tensor in the B-eieie? basis. KJ"' is the angular momentum of the center of gravity A relative to the B-eieie? basis.

However, the top-type top constantly changes the position of the center of gravity during rotation, which means that equation 5 must be rewritten for each position of the center of gravity during rotation, and have the form:

_ dco dJ re¡ ar ar

(6)

where dt - change in time:

It should be noted that in addition to changing the angular velocity, it is necessary to take into account the change in the axial moment of inertia dJ (change in the moment of action). The kinetic energy of the top can then be defined as:

d(coT )dco dJ d{coT)

2dr dr

d t

*K'

(7)

where T,el is the kinetic energy of the top's center of mass;

We apply KSning's theorem to determine the total kinetic energy of the system, during the procession of the center of mass of the top, we obtain the total energy:

E — T + U — T

_ d[(i>T \jdco dJ d[aT )

2dr dr

dr

* K'r + r" + m

d

da dr

(8)

where m - mass of the top. i - unit vector of the vertical, e - unit vector directed along the vector of the center of mass of the top a = ae.

For a symmetric top, it follows from the theorem on the change in the angular momentum that the equations of motion of the system under consideration have a first integral describing tlie conservation of the projection of the angular momentum onto the vertical. For a tip-top top. the angular momentum changes, and then the formula for a symmetric top can be rewritten:

_ .7 i do dJ I d t dr

dK \h

(9)

From the source [6] . we will show the diagram of the positions of the tip-top top (figure 4):

h/r

1 1 unstab 2 It stab o> Ktr

|®H ' I IV ,fable

stab» <(fo

h/h

1 O.

O' * K .

Figure 4 - stable positions of a tip-top top.

In figm'e 4 Jx is the moment of inertia about the axis of symmetry. Jz is the moment of inertia about the mam central axis perpendicular to the axis of symmetry. Region I corresponds to unstable rotation of the top at all angular velocities, region II - to stable rotation at sufficiently high angular velocities <•• (Oct Region III corresponds to stable rotation at low angular velocities co <cocr, region IV - to stable rotation at arbitrary co. The critical angular velocity co depends on the moments of inertia ,TX. Jz of the distances r, li and the body weight P = mg [7].

(h-r)*P

■(10)

A Chinese top, untwisted to t»> 03ct and placed on a plane vertically, will be in the region of instability, and the top will turn over on its leg. The angular velocity co included in the above formulas is above the critical one, for changing the position of the center of mass of a tip-top [8], [9], [10].

3. Changing the axial moment of inertia and angular momentum of the tip-top top

It should be said that a change in the position of the center of mass of a top-top top during its rotation entails a change in the moment of inertia of the top (the moment of inertia relative to the main axis of rotation is considered).

J = wR dT

(11)

where J" is the exact moment when the top tiuns over on the stem.

It is also necessary to take into account that R is also changing, since the classical Chinese top is not a perfect ball, but a truncated ball. Then:

R =

dr dr

(12)

where r is the distance to the points of a rigid body at a given time.

After the top is turned over oil the leg. its moment of inertia does not change until the moment when the top stops and falls. Then the angular momentum of such a top can be written, using formulas 10 and 11, we obtain the angular momentum of the top.

t

dL = co*J = co J m R~ dT (13)

o

From this formula, it becomes clear that a change in the moment of inertia of the top. due to the moment of force from friction (as mentioned above), changes its angular momentum, until the top turns over on the leg.

The given regularities are of practical value and can be used in measuring equipment. 4.Practical value.

The use of a Chinese spinning top in technology brings with it a number of advantages and allows you to improve existing and create new devices and methods. So, for example, the measurement of the friction force by the force arising during rotation suggests the creation of a tribometer based on a body similar to a Chinese top (figure 5).

Figure 5 - Circuit of the friction mechanism, based on the Chinese top.

As can be seen from formula (1), the cause of the deflection of the top is the friction force, which makes it possible to create devices for its detection. This can be done as follows. The body is untwisted from the electric motor to the required revolutions and is placed on the object under study, as a result of which, by measuring the moment of force, it is possible to establish the friction force, and through it the desired coefficient of friction. This method of measurement makes it possible to carry out direct studies of surface friction and to increase the accuracy of tribometiic measurements in general.

In addition, it is possible to create potentiometers (figure 6).

Formulas (S-10) show that the rate of change in the angle of precession of a non-stationary gyroscope also depends on the acceleration of gravity. This means that by measuring the rate of change in the angle of deflection of the top from the initial position during rotation, it is possible to accurately establish the acceleration of gravity, and as a consequence, the mass of the gravitating source or the overload acting oil the body, which allows us to speak of the prospects of using tip-top tops in gravimeters

This can be done in the following way. The axis of the top is fixed and can only move in one plane. By the deflection of the top of spinning top during rotation, it is possible to calculate the reaction of the support and the acceleration of gravity, thereby determining the gravitational constant. This device can be used as a gravitational field meter, and a g-force and weightlessness meter in aviation and space technology.

5. Conclusion

The use of asymmetric non-stationary gyroscopes in measuring instruments will improve their accuracy and pave the way for further research both in the field of instrumentation and in the field of solid mechanics. The use of a tip-top grinder in measuring technology allows direct measurement of the friction force and the coefficient of friction and roughness for various materials with increased accuracy hi addition, based on the physical model of the precession of this top. it becomes possible to measure the force of gravity, which means that it leads to the possibility of creating a device for continuous measurement of changing gravitational fields, which is important both for aviation technology m terms of measuring congestions and for space technology. Further studies of the tip-top top will be able to clarify important aspects of its physics and prospects for application in technology.

References

[1]. N. I. AmePkin On the Motions of a Rigid Body Containing Two-Degree-of-Freedom Control

Moment Gyros with Dissipation in Gimbal Axes. Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk Mechanics of Solids. A. pp 19-30

[2]. Zliuravlev. V G The Model of Dry Friction in the Problem of the Rolling of Rigid Bodies. Journal

of Applied Mathematics and Mechanics 0021-8928 62(5) pp 705-710

[3]. Yu. L. Bolotin, A. V. Tin. and V. V. Yanovskii 2002 Nonlinear friction as a mechanism of directed

motion, Technical Physics A1. 803

[4]. Ambrosio J.A C 2003 Impact of rigid and flexible multibody systems: deformation description and

contact model. Virtual Nonlinear Multibody Systems 103 pp 57-81

[5]. Karapetyan, A.V 2008 Global Qualitative Analysis of Tippe Top Dynamics. Izvestiya Rossiiskoi

Akademii Nauk Mechanics of Solids 2008 3 pp. 33-41

DOI: 10.24143/2073-1574-2020-2-92-99 УДК 532.55

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРО TIIRÜE НИЕ ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТОВ В ТРУБАХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ С УДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

В. Г. Букин, А. И. Андреев, А. В. Букин

Астраханский государственный технический университет, Астрахань. Российская Федерация

Проведено сравнение потерь напора при движении кипящего хладагента в горизонтальных и вертикальных испарителях. Рассчитаны, сопоставлены и проанализированы значения всех составляющих гидросопротнвления: потерн на трение, местное сопротивление, на ускорение потока и нивелирный напор. Получены графические зависимости потери напора двухфазного потока от плотности смеси и высоты аппарата, а также влияния гидросопро-тивленип на изменение температуры кипения. Отмечено, что исследование эффективности вертикальных испарителей имеет две главные составляющие: определение теплоотдачи и гидросопротивлений при кипении рабочих тел в вертикальных трубах. Рассматривается вторая часть исследования. Вертикальные испарители имеют большую высоту, чем горизонтальные. что приводит к большим потерям при преодолении нивелирного напора большего столба двухфазного потока. Другие составляющие гидросопротивления в горизонтальном и вертикальном аппарате сопоставимы, хотя потери на трение и местные сопротивления в вертикальном могут быть и меньше. В вертикальном аппарате главные потери приходятся на преодоление нивелирного напора, остальные потери меньше, чем в горизонтальном, поэтому при конструировании вертикальных аппаратов нельзя пользоваться соотношением длины аппарата к его диаметру, которое рекомендуется для горизонтальных (Lid для горизонтального и вертикального равно 6). Соотношение для вертикальных аппаратов должно быть существенно меньше. Эксперименты, выполненные на водовоздушной модели, подтвердили. что Lid вертикальных испарителей должно быть в диапазоне 1.0+2. Более точные значения этого параметра могут быть установлены при проведении экспериментов с хладагентом R410А.

Ключевые слова: гидросопротивление, двухфазный поток, паросодержание, испаритель. хладагент.

Для цитирования: Букин В. Г.. Андреев А. И. Букин А. В Гидравлическое сопротивление при кипении хладагентов в трзгбах горизонтальных и вертикальных испарителей судовых холодильных машин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2020. № 2. С. 92-99. DOI: 10.24143/2073-15742020-2-92-99.

Введение

Наиболее эффективный и часто применяемый в холодильной технике затопленный испаритель мало применяется в судовых холодильных установках, г. к. требует для заполнения большую массу дорогостоящего фреона: кроме того, в условиях качки при свободном уровне жидкого хладагента в испарителе возможно попадание жидкости во всасывающий тракт компрессора, что приводит к серьезным авариям. Еще одним недостатком этих испарителей является возможность замерзания хладоносителя в трубах при нарушении технологического режима, что приводит к разрыву труб и выходу установки из строя на долгое время.

Применяемые в настоящее время испарители с внутритрубным кипением хладагента выпускаются только в горизонтальном исполнении. Они лишены вышеперечисленных недостатков, но у них ниже коэффициент теплопередачи, поэтому они имеют большую теплообменную поверхность, что увеличивает их габариты и стоимость. В этих испарителях невозможно достичь равномерного распределения хладагента во все трубы пучка, поэтому в некоторых нижних трубах будет избыток хладагента, что может привести к гидроудару в компрессоре, а в верхних - недостаток. что уменьшит эффективное использование теплообменной поверхности

Вертикальные испарители с внутритрубным кипением фреона лишены указанных недостатков и предполагают высокую эффективность. У них минимальное заполнение хладагентом, замерзание хладоноситедя в трубах не возможно, нет свободного уровня жидкости и лучшее распределение хладагента по трубам Все это характеризует вертикальные испарители с внутритрубным кипением как высокоэффективные и безопасные аппараты с меньшей стоимостью, удобные в эксплуатации и занимающие меньшую плошадь. что особенно важно в судовых условиях.

Исследование эффективности вертикальных испарителей имеет две главные составляющие: определение теплоотдачи и гидросопротивлений при кипении рабочих тел в вертикальных трубах. В настоящей работе рассматривается вторая часть исследования.

Вертикальные испарители, конечно, имеют большую высоту, чем горизонтальные, что приводит к большим потерям при преодолении нивелирного напора большего столба двухфазного потока. Друтие составляющие гидросопротивления в горизонтальном и вертикальном аппаратах сопоставимы, хотя потери на трение и местные сопротивления в вертикальном могут быть и меньше.

Литературный обзор [1-3] свидетельствует, что с ростом паросодержания гидросопротивление существенно изменяется, при этом в двухфазном потоке оно значительно превышает сопротивление при движении жидкости с той же массовой скоростью. Определение потерь напора в испарителе является важным этапом для расчета аппарата, т. к. это влияет на температуру кипения фреона.

Расчет гидросопротивления двухфазного потока

Общий перепад давления между двумя сечениями канала складывается из перепадов, необходимых для преодоления нивелирного напора Дунш, потерь на трение Др^, местных сопротивлений Ар,.с. а лакже потерь на ускорение жидкой и паровой фазы Доус:

Ар = Дуаш + 4Угр+ А^мс + 4Рус

Схемы для расчета гидравлических сопротивлений в трубе горизонтального и вертикального испарителя и характер движения двухфазного потока в них приведены на рис. 1

¿^ХА

\ХА

хн

3

--—^-1

1Г !

Хлвдвноситель

хтёанигилшь

Рис. 1. Схемы для расчета вертикального и горизонтального испарителей: а - вертикальный испаритель: о - горизонтальный испаритель: 1 - передняя крышка: 2 - задняя крышка: 3 - кожух: 4 - труба; 5 - уровнемер

В испарители хладагент подается после регулирующего вентиля, где дросселируется и частично превращается в пар. В условиях расчета массовое паросодержание на входе в испаритель составляет х = 0.15. что соответствует снарядному режиму движения. В трубах горизонтального фреонового испарителя выявлены следующие режимы: снарядный, волновой и расслоенный. Кольцевой режим при тепловых нагру зках, соответствующих работе фреоновых испарителей, не отмечен [1, 4, 5]

В трубах вертикального фреонового испарителя при паросодержании на входе х = 0,15 отмечается снарядный режим, который затем плавно переходит в кольцевой [4, 6, 7]

За базу расчета взят корпус горизонтального фреонового испарителя И-24 диаметром 350 мм. имеющего трубы длиной 2 м. диаметр трубы - 14 мм. среднее расстояние между трубами прямого и обратного хода хладагента з ' = 160 мм (символами ' и " обозначаются параметры, относящиеся к жидкой и паровой фазе соответственно). Этот же корпус используется и в вертикальном аппарате, конструктивная разница аппаратов только в крышках.

Расчет выполнен для хладагента Б1410А при температуре кипения /а = —10 °С и удельной тепловой нагрузке д = 5 кВт/м"

Определяющим фактором для расчета потерн напора является массовая скорость сор, кг (м" с). которая при движении в трубе равна массе хладагента, подаваемой в единицу потока площади сечения трубы в секунду

®Р™ =

qf

5-0.176

К1"-О5 238.(1-0.15) -0,00015 ®Рвч,г =14,5кг/(м'-с),

= 29 кг/(м2-с);

где массовое паросодержание на входе в испаритель после регулирующего вентиля, по диаграмме Р -/(давление - энтальпия) .г = 0.15:/- площадь поверхности грубы, м2; 5 - площадь сечения трубы, м2; ш - скорость, м/с; р - плотность, кг/м3; г - теплота, парообразование, Дж кг (кДж/кг).

Важным параметром двухфазного потока является истинное паросодержание ф . иллюстрирующее, какую часть сечения трубы занимает пар. В этих условиях по [2] среднее значение ф = 0,87 при значении среднего массового паросодержания ~х = 0,57.

Тогда нивелирный напор

Аршт =[фр"+(1-Ф)р'к/,, где I), - высота подъема двухфазного потока, м; ° - ускорение свободного падения, м/с';

Ду„ЙЕ.гор= [0.87 ■ 20+ (1 -0.87) ■ 1 209] ■ 9.81 ■ 0.16 = 275 Па; Арт

= 3 441 Па.

Согласно расчету Арнш, велико и значительно больше, чем Аршв гор, и это подтверждает ранее высказанное предположение об определяющем влиянии высоты вертикального аппарата на потери в нем

Потери давления на трения двухфазного потока [4]:

V, 1)],

2 а р

где ; - коэффициент сопротивления потока (£, = 0,03): у - коэффициент, учитывающий влияние потока по [1] (и = 1,5); (1 - диаметр трубы, м; / - длина трубы, м; ш0 - скорость циркуляции, м/с:

юр

со, =0.024; сол =0.012.

О гор 0 верт '

Тогда

031 209,0.024У

1 209

[1 + 1,5-0,57 ■(--1)] = 150 Па; =19 Па.

0.014 ' 20

В работе [5] представлен другой вид формулы для расчета Д/>тр:

: Ь (сор)'

d 2р"

"Vt,

где - коэффициент, учитывающий влияние потока (утр = 0.7). Тогда

дс=о,оз-

4 292 0,014 2-20

•0,7 = 0.03 ■ 285-20-0,7 =121 Па; Ар"

15 Па.

Судовые энергетические установки и машинно-двнжительные комплексы Отношение результатов расчетов по [1, 4] составило примерно 20 "о.

Потери напора на трение в горизонтальном аппарате больше, чем в вертикальном, вследствие большего значения массовой скорости в нем.

Потери напора на преодоление местных сопротивления для двухфазного потока по [1, 5]:

-,/:И ' U],

2 Р

где х - массовое паросодержание в местном сопротивлении: см - коэффициент местного сопротивления (принимаем по [6]): £ы для внезапного сужения из крышки в трубу равен 0,5: см для внезапного расширения из трубы в крышку равен 1; см для поворота на 180°:

= 0,168—= 0.168-^— = D 0,014

1.

где R - средний радиус поворота потока.

Последовательность местных сопротивлений при движении хладагента в горизонтальном испарителе: сужение из передней крышки в трубу, расширение из трубы в заднюю крышку, поворот на 180". сужение из задней крышки в трубу, расширение из трубы в переднюю крышку. В вертикальном испарителе: сужение из нижней крышки в трубу, расширение из трубы в верхнюю крышку.

Тогда потеря напора в местных сопротивлениях

Ду"р = 2 +13 + 6 + 20 + 22 = 63 Па; Ду'Г = 1 + 5 = б Па.

Потеря напора в местных сопротивлениях в вертикальных аппаратах меньше вследствие меньшего их числа в нем

Полеря напора на ускорение рассчитывается как разность количества движения между рассматриваемыми сечениями канала. Потери напора на ускорение по [1]:

ЬРус =(p'®o)2(.v2 -У,)-

(1-х f

где у =--1---—■ v'l - сечение в начале трубы; v2 - сечение в конце трубы.

( Р» р'(1-о) ' "

Тогда потери напора на ускорение

4fC = (p4)2 (>'з " >',) = (1 209 ■ 0,024}2 ■(0.040-0.0037) = 31 Па; Др^ =8 Па.

Общая потеря напора в горизонтальном испарителе длиной L = 2 м и диаметром г/ = 0,35 м: Afrop = ДЛив + Д^тр + ДУмс + Д/V= 275 + 121 + 63 + 31 = 490 Па.

Общая потеря напора в вертикальном испарителе высотой L = 2 м и диаметром d = 0,35 м: дР = Дрш+ ДУгр+ ДУмс+ Арус = з 441 + 15 + 6 + 8 = 3 470 Па.

Сравнение подтвердило, что главные потери в вертикальном испарителе - это потери на преодоление нивелирного напора, остальные потери несущественны, меньше, чем в горизонтальном аппарате. Естественно, что для вертикальных аппаратов нужно рекомендовать меньшие значения соотношения длины аппарата и его диаметра, чем те, что приняты в горизонтальных. Кроме того. АрЯИЪ зерт зависит от плотности двухфазного потока в трубе.

На рис. 2 приведены результаты расчета изменения потерь нивелирного напора в вертикальном аппарате от его высоты и плотности рабочего вещества рсм .

Заключение

Потери давления в горизонтальном испарителе с кипением хладагента внутри труб невелики. все составные части Ар соизмеримы, и трудно выделить параметр, который бы дал существенное уменьшение Ар при изменении конструкции аппарата.

В вертикальном аппарате главные потери приходятся на преодоление нивелирного напора, остальные потери меньше, чем в горизонтальном, поэтому при конструировашш вертикальных аппаратов нельзя пользоваться соотношением длины аппарата к его диаметру, которые рекомендуются для горизонтальных. Так, в данном примере Пс! для горизонтального и вертикального аппаратов равны б. Это соотношения для вертикальных аппаратов должно быль существенно меньше.

Эксперименты, выполненные на водовоздушной модели, подтвердили, что Не/ вертикальных испарителей должно быть в диапазоне 1+3. более точно значения этого параметра будут уточнены при проведении экспериментов с хладагентом К410А.

В вертикальнолрубных аппаратах с ростом тепловой нагрузки уменьшаются общие потери напора, что не приводит к значительному повышению температуры кипения и уменьшению температурного напора в аппарате.

1. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Обобщение экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену при течении двухфазных потоков внутри труб /У Вести. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2006. №6(35). С. 108-115.

2. Малышев А. А., Киссер К. В.. Зайцев А. В. Истинные параметры кипящих хладагентов в трубках и каналах // Вестн. Междунар. академии холода. 2017. № 2. С 53-56.

3. Ейдеюе А. И., Никишин М. Ю.. Кошелев С. В. Потери давления на трение при кипении хладагента в трубах//Вестн. Междунар. академии холода. 2014. № 1. С. 64-67.

4. Кутепов А. М, Стерман Л. С., Стюишн Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высш. шк.. 1986. 447 с.

5. Дан плача Г. Я., Богданов С. Я, Пеанов О. П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. Ленинград: Машиностроение. 1986. 303 с.

6. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Книга по Требованию. 2012. 466 с.

7. Bukin V G.. Кипит A. Yu., Minetn• Yu. V. Generalization of experimental data on a heat transfer and a flow fi'iction at boiling of mixture ozonefriendly refrigerating agent R407C in a horizontal pipe with twisted tabulators // Science and Technology: International Journal of Scientific Articles "Association of Universities of Pre-Caspian States"". 2006. X. 4. P." 69-73.

Букин Владимир Григорьевич - Россия. 414056, Астрахань: Астраханский государственный технический университет: л-р теки. наук, профессор: профессор кафедры теплоэнергетики н холодильных машин: Ьикш\^@таИ.ш.

Андреев Александр Иванович - Россия. 414056. Астрахань: Астраханский государственный технический университет: магистрант кафедры теплоэнергетики и холодильных машин: [e-mail].

Букин Александр Владимирович - Россия. 414036. Астрахань: Астраханский государственный технический университет, доцент кафедры теплоэнергетики и холодильных машин: [e-mail].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Статья поступила в редакцию 27.03.2020

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ