Minimalizacja energii napędowej w zamrażarce do badania mrozoodporności

W pracy [1] przedstawiono problem optymalizacji przebiegu temperatury powietrza owiewającego próbkę badanego na mrozoodporność betonu.

Cechą charakterystyczną tego rodzaju badania jest wielokrotne poddawanie próbki naprzemiennym zmianom temperatury powietrza od +20 do -20°C, zgodnie z odpowiednimi wymaganiami normatywnymi [5]. Praktyczna realizacja badań odbywa się w odpowiednio do tego celu zaprojektowanych komorach, wyposażonych zarówno w urządzenia chłodnicze, jak i grzewcze. Umożliwiają one swobodne programowanie wymaganych zmian temperatury w czasie [7, 8].

Artykuł ten jest rozwinięciem pracy [1] i podejmuje temat poszukiwania minimum energii do napędu urządzeń z funkcjami chłodzenia i grzania oraz zmienną w czasie wydajnością. Konieczność projektowania wyrobów, których produkcja i eksploatacja ma możliwie mały wpływ na środowisko (w tym także oznaczania ich odpowiednią klasą efektywności energetycznej), wydaje się dzisiaj oczywista. W Unii Europejskiej wydano w tej sprawie odpowiednie akty prawne (np. [9, 10]). Wszelkiego rodzaju komory testowe trudno zaliczyć wprawdzie do produktów mających znaczny wpływ na globalne zapotrzebowanie na energię, ale również w odniesieniu do nich powinny być stosowane metody optymalnego projektowania i eksploatacji.

Symulacja numeryczna działania komory do badań mrozoodporności w warunkach nieustalonych

W celu zbadania możliwości zmniejszenia zapotrzebowania na energię napędową przez odpowiednie sterowanie wydajnością urządzeń, przy cyklicznych zmianach temperatury w komorze testowej określonej konstrukcji, zastosowano eksperyment numeryczny.

Schemat modelowanej zamrażarki, wraz z badanymi próbkami betonu, przedstawia rysunek 1. Obiekt podzielono na piętnaście podukładów o skończonej pojemności cieplnej, przy czym stan każdego z nich określa jednoznacznie temperatura. Podział na poszczególne podukłady jest następujący:

•    obudowa komory (blacha zewnętrzna i wewnętrzna, izolacja termiczna podzielona na trzy warstwy),
•    powietrze wewnątrz komory,
•    parowacz (ścianka wymiennika i czynnik chłodniczy),
•    nagrzewnica elektryczna,
•    elementy konstrukcyjne wewnątrz komory (półki i ścianka oddzielająca parowacz z nagrzewnicą),
•    badana próbka wg [1, 5] (mieszanina zamrażająca, warstwa powietrza, kostka betonowa, arkusz gumowy i izolacja termiczna).


Do obliczenia zmiennych w czasie wartości temperatury poszczególnych podukładów wykorzystano metodę bilansów elementarnych [2]. Model obliczeniowy, w postaci nieliniowego układu równań różniczkowych zwyczajnych, został sformułowany z zastosowaniem równań bilansu dla próbki betonu, przedstawionych w [1] oraz algorytmu obliczeń wydajności urządzenia chłodniczego ze sprężarką wyporową na czynnik R507, opisanego w [2].

Autor: Marek ŻAK

Źródło: Ch&K 12/2011