CC BY
39
УДК 621.514
Анализ процесса нагнетания холодильного винтового компрессора
на различных хладагентах
Д-р техн. наук, профессор Носков А.Н., Потапова Д.В., dn.noskoff@rambler.ru Университет ИТМО 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Рассматривается два этапа процесса нагнетания при давлении внутреннего сжатия ниже давления нагнетания. Рассмотрена работа компрессора в составе среднетемпературной холодильной машины на хладагентах R717 и R404а. Приведены зависимости индикаторного КПД компрессора, относительной потери работы компрессора в процессе нагнетания, относительной потери работы компрессора в процессе натекания хладагента в парную полость из камеры нагнетания от геометрической степени сжатия. В режиме среднетемпературной холодильной машины энергетическая эффективность работы винтового компрессора на хладагенте R717 выше, чем на R404а при всех геометрических степенях сжатия.
Ключевые слова: холодильный винтовой компрессор, процесс нагнетания, R717 и R404а.
Discharge process analysis of screw refrigeration compressor
with different refrigerants
D.Sc. Noskov A.N., Potapova D.V. dn.noskoff@rambler.ru
ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
Two stages of process when internal pressure is lower then discharge pressure is considered. Considered compressor operation composed of medium-temperature chiller at refrigerant R717 and R404a. Provides efficiency indicators, relative resistance in discharge process, relative energy loss in inflow process from discharge port depending on volume ratio. In medium-temperature chiller mode energy efficiency of screw compressor on refrigerant R717 above then on R404а of all volume ratios.
Key words: screw refrigeration compressor, discharge process, R717 and R404а.
На энергетические показатели работы холодильного винтового компрессора существенное влияние оказывают процессы сжатия и нагнетания.
Наибольшее распространение в холодильной технике в настоящее время нашли маслозаполненные винтовые компрессоры (ВКМ). Процесс сжатия в холодильном ВКМ протекает в два этапа. Первый этап происходит с момента начала сокращения объема парной полости (ПП) до момента соединения этой полости с окном нагнетания. Второй этап происходит с момента соединения парной полости с окном нагнетания, до момента достижения давлением в этой полости давления в камере нагнетания. Далее следует процесс нагнетания (выталкивания), который продолжается до полного сокращения объема парной полости [1,2].
Анализ индикаторных диаграмм действительного рабочего процесса холодильного ВКМ показывает, что характер протекания второго этапа процесса сжатия и процесса нагнетания в значительной мере определяется соотношением давления в парной полости в момент ее соединения с окном и давления ра и давления нагнетания рн [2]. Наиболее часто встречается режим работы ВКМ,
при котором р < рн. В этом случае, на втором этапе сжатия, происходит натекание рабочего вещества
в парную полость через раскрывающееся окно нагнетания. Этот процесс происходит от угла поворота ведущего (ВЩ) винта, соответствующего соединению полости с окном нагнетания, т.е. угла сжатия (р , до угла, на котором происходит выравнивание давлений в парной полости и в окне нагнетания -
(рв. Затем происходит выталкивание рабочего вещества из парной полости в камеру нагнетания. Этот процесс происходит на угле поворота ВЩ винта от срв до (рс .
Процесс выталкивания сопровождается потерями давления, т.е. среднее по углу поворота давление в рассматриваемой парной полости будет больше давления нагнетания на величину Арн .
Метод определения изменения параметров рабочего вещества ВКМ на первом этапе процесса сжатия приведен в работе [3]. Метод учитывает увеличение давления в ПП в результате сокращения объема, натечек и утечек хладагента из сопряженных парных полостей, тепло и массообмена между паром рабочего вещества и маслом. Расчет параметров щелей, соединяющих парную полость с сопряженными ПП производился по [4]
На втором этапе сжатия в парную полость поступает дополнительная масса пара из камеры нагнетания [1]
dGHam — \^нат ' снат ' ^он „>Рн ' dt,
где Итт ' коэффициент расхода при натекании рабочего вещества в парную полость (1111) через нагнетательное окно; FOH 4р\ - текущее значение суммарной площади цилиндрической и торцовой части окна нагнетания в функции угла поворота ВЩ винта; рн - плотность пара в камере нагнетания.
В качестве модельной скорости принималась скорость потока пара при адиабатном течении.
Среднее значение коэффициента расхода при натекании пара в ПП из окна нагнетания в зависимости от числа Рейнольдса определялось по формуле [1]
^нат = 0,146 -10"2 3 Re+ 0,24-Ю3 +0,1.
Расчет изменения параметров состояния хладагента на этом этапе производится по тем же зависимостям, что и на первом этапе процесса сжатия [3], но с учетом натекающего из окна нагнетания пара.
После того, как давление в парной полости достигнет давления в камере нагнетания, начнется выталкивание пара через нагнетательное окно, при этом давление в парной полости будет выше
давления нагнетания на величину потерь Арн .
Потеря давления в процессе выталкивания оценивалась посредством коэффициента сопротивления определяемого по формуле [1]
о -С2
Ар =1 • " еыт (1)
У н ->выт 2
где рн - плотность пара хладагента по условиям нагнетания; Свыт - средняя скорость выталкивания смеси из полости в рассматриваемом процессе.
Средняя скорость выталкивания смеси из полости в рассматриваемом процессе [1]
сеыт = ^ • *
о 2%п
кес 1
Р* Фс
Ф ^ ^
Фе
где Л - коэффициент подачи компрессора; М?п- полезный объем парной полости; рес - удельная
плотность пара по условиям всасывания; - частота вращения ВЩ винта.
В результате обработки индикаторных диаграмм рабочего процесса ВКМ получена зависимость от критерия Яе [1]
6,857-Ю6
^еыт Яе+121,7-103
По методу представленному в работах [1...5] был произведен расчет рабочего процесса холодильного ВКМ, работающего на различных рабочих веществах, и построена расчетная индикаторная диаграмма винтового компрессора.
Были определены следующие величины, характеризующие работу компрессора, в зависимости от геометрической степени сжатия 8. Индикаторный КПД компрессора
Л/ =4 /ц,
где Ь8 - работа компрессора при изоэнтропном сжатии; Ь - индикаторная работа компрессора,
определенная по площади индикаторной диаграммы.
Относительной потери работы компрессора в процессе нагнетания
аьн=АЬн/Ц,
где определялась по величине площади на расчетной индикаторной диаграмме, соответствующей процессу выталкивания.
Потеря работы компрессора из-за процесса натекания АЬнап] в случае, когда ра < ри,
определялась как разница площади индикаторной диаграммы с учетом и без учета натечек из окна
нагнетания. Величина А1^нат определялась аналогично величине
Расчеты были произведены для винтового компрессора имеющего следующие основные геометрические характеристики.
Соотношение числа зубьев ведущего и ведомого винтов 5/6; внешний диаметр ведущего винта 137,5 мм; внешний диаметр ведущего винта 107,6 мм; относительная длина винтов 1,46; ход ведущего
«-* 3 1
вита 215 мм; полезный объем парной полости 326,4 см ; частота вращения ведущего винта 49 с- ; профили зубьев винтов выполнены по [6].
Расчеты были проведены при работе компрессора на озонобезопасных хладагентах Я717 и
Я404а.
Рис. 1. Зависимость индикаторного КПД компрессора Т|г от геометрической
степени сжатия 8^
Рис. 2. Зависимость относительной потери работы компрессора в процессе нагнетания от
геометрической степени сжатия 8^
Рис. 3. Зависимость относительной потери работы компрессора в процессе натекания АLHam от
геометрической степени сжатия Zp
Были выбраны следующие режимы работы компрессора [7,8].
Режим работы компрессора в составе среднетемпературной холодильной машины на хладагентах R717 и Я404а: температура кипения - 15 0С, температура конденсации +30 0С. Аммиак и хладон R22 широко используются в промышленных холодильных установках. При работе ВКМ на этом температурном режиме был рассмотрен смесевый хладагент R404а, так как в настоящее время он находит применение в качестве альтернативы R22.
При расчете термодинамических и теплофизических параметров хладагентов использовались работы [9.. .13].
Результаты расчетов приведены на рис. 1,2,3.
Выполненные расчеты показали, что в режиме среднетемпературной холодильной машины энергетическая эффективность работы винтового компрессора на хладагенте R717 выше, чем на R404а при всех геометрических степенях сжатия, прежде всего из-за большей потери давления при нагнетании хладагента R404а вследствие большей его плотности в процессе выталкивания.
Полученные данные позволяют более обосновано подойти к выбору озонобезопасных хладагентов при работе винтового компрессора на различных режимах.
Список литературы
1. Носков А.Н., Зверев Д.И, Тарасенков Д. Расчет процесса нагнетания маслозаполненного холодильного винтового компрессора // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2014. №1.
2. Носков А.Н. Расчет процесса сжатия холодильного винтового компрессора // Компрессорная техника и пневматика. -1997. - № 1-2. - С. 35-39.
3. Носков А.Н., Зимков А.А. Расчет процесса сжатия маслозаполненного холодильного винтового компрессора // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2013. №1.
4. Носков А.Н. Расчет изменения зазоров между профильными поверхностями винтового компрессора // Вестник Международной академии холода. 2013. № 3. С. 27-30.
5. Носков А. Н., Зимков А.А. Расчет процесса всасывания маслозаполненного холодильного винтового компрессора // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2012. №1.
6. Пат. 2109170 России, МКИ F 04 С 18/16. Зубчатое зацепление винтового компрессора / Носков А.Н. 1998. - Бюл. №11.
7. Бараненко А.В., КалюновВ.С., РумянцевЮ.Д. Практикум по холодильным установкам - СПб.: Профессия, 2001. -270 с.
8. Крупененков Н.Ф. К вопросу применения эффекта Ранка-Хильша (вихревая труба) на предприятиях по производству колбасных изделий // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2013. № 1. С. 23.
9. Бараненко А.В. Итоги работы МАХ в в 2012 - 2013 годах // Вестник Международной академии холода
10. Бухарин Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. Л.: Машиностроение. 1983. -214 С.
11. Рыков С.В., Кудрявцева И.В., Демина Л.Ю. Единое уравнение состояния R717, учитывающее особенности критической области // Вестник Международной академии холода. 2009. № 4. С. 29-32.
12. Рыков С.В., Самолетов В.А., Рыков В.А. Линия насыщения аммиака // Вестник Международной академии холода. 2008. № 4. С. 20-21.
13. Тимофеев Б.Д., Николаев В.А., Нагула П.К. Модифицированные озонобезопасные смесевые хладагенты - заменители // Вестник Международной академии холода. 2014. № 1. С. 16-18. . 2013. № 2. С.3-12.
