CC BY
20
УДК 521.51
экгпрримрнтальнор иггпрдованир рабочих процргсов тихоходной длинноходовой ступени пори небого компрессора
Б. Л. Юша. с. С Бусгров, Р. Ю Гошля. А. Б. ПедовсечаныЁ.
И с. Бусарсв. Л- с. Тптоз
Омский государственный технический университет, с. Омск, Россия
Лннонтция — До настоящего времена отсутствуют экспериментальные данные по параметрам состояния газа в рабочей камере тихоходных длшшоходовых ступеней. Для исследования рабочих процессов поршневых воздушных тихоходных ддннноходовых компрессоров с линейным приводом разработан стенд с целью получения экспериментальных данных по параметрам состояния газа в рабочей камере, а также сравнение полученных результатов., с результатами математического моделирования. Для измерения давления применен датчик ДД(1,0, а для намерения мгновенной температуры газа разработан дат-
ч11к 1е.миер<и>ры на баз* «O.miihk-jiíüiи» i ерчшчорл Пилпшы жснернмен! t 1ьные ;<ibuiíi.m<mi 11 mihu-венных параметров состояния гяза ^давления а температуры) в рабочей камере при водяном охлаждении цилиндра для различных режимов работы п охлаждения рабочей камеры. Зксперпментяльао подтверждено lyuieiльенние в. шниие внешнею охлаждения на ie>iuep.u> рный режим шкокодшш д.шнаи\о-довон ступенп. А также получение удовлетворительных результатов при сравнении экспериментальных данных п данных полученным с помошью математической модели.
Ключгоыс слова: длппиоходобон поршневой компрессор, температура нагнетания, иидпкпториая дна грамма, температурная диаграмма.
I. В ВЕЛЕНИЕ
Теоретическая опенка режимов работы поршневых тихоходных длинноходовых компрессоров. выполненная на базе разработанной математической модест. показала эффективность применения таких ступеней особенно лрн использовании интенсивного внешнего охлаждения ступени [I, 2]. В существующей литерзтуре [i, 4. i»] ав.орали предложены методики расчш рабочих щхл.ессин дня конхре.ных мншнн. iiapaMcipti которых («xji-ношенне диаметра и хода порхня) сущсствснно отличаются от параметров исследуемой ступени [81. Таким ооразом. проведение экспериментальных исследований рабочих процессов тихоходных длиннохсдсвых ком-арессороз xbjucioí актуальной задачей.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Задача проводимых, ¿кснер.чмешальныл исследований - получение удовлетворительных результатов ири сопоставлении экспериментальных данных и результатов математического моделирования.
Целью экспериментальных исследовании являлось подтверждение проведенных ранее теоретических исследований [1.2. 8] и одновременно получение данных для данной конкретной ступени по расчёту' коэффициента теплоотдачи па внутренней поверхности рабочей камеры.
Ш. ТЕОРИЯ
Для проведешь экспериментальных ис еле до запил разработан экспериментальный стенд с лниейпым лрн задом На риг i представлена измерительная схеms портштечого кемпреггора
Стевд состоит кг рамы с двумя ярусами. 11а нижнем ярусе располагается бак для масла и насосный агрегат для подачн масла к гпдроднлиндру. На верхнем ярусе расположены фильтр, дроссель, обратный клапан, гндро-рагпределителч гидрпгтшшндр и одноступенчатый пертчневпй компрессор
Поршень 1 приводится в движение через шток 2 от штока гндрецплнндра. который, з свею очередь, приводится в действие от гндроаккумуляторной станции Поскольку разработанная ступень является ступенью без гтлатси. уплотняющие манжеты ^ угтаночлечнт»-е на порчтие 1 ичтотонпены из самогмачываюптегося материала капоолона Основание 4 устанавливается на общую фундаментную раму. Поршень I движется в цилиндре 5. В верхней части ступени установлена клапанная плита 6. 'Ла плита выполнена гладкой с отфрезерованными пазами и отверстиями для установки оборудования. Над плитой располагается крышка 7. Между плитой 6 н крышкой 7 образуется полость, через которую можно прскачнЕзть как воздух, так н воду, тем самым меняя режим охлаждения. Датчик давления 10 и датчик температуры 9 используются для определения соответственно давления и темнерагуры сжимаемою газа в рабочей камере В пишу 5 вмшшфшкшы термопары 8 лих определения температуры эпутрелпеб и внешней поверхности лл!пы б. Регистр алия дпшшх с термопар происходит с помощью вольтметра 11 Данные с датчика температуры и датчика давления поступают на ттифроипи осцишто-.раф 13 через усилитель 12 и выводятся на ¿кран персонально! о кимиьклера 14.
Экспериментальные исследования ддиппеходовой тихоходной ступени проводились лрн следующих уело чи!пс одн.иначности- геометрические условия - диаметр цилиндра - f),11 м; ход поршня - f),? м граничные условия - температура охлаждающей среды - 293К. охлаждающая среда - вода, физические условия - сжимаемый таз воздух; начальные условия начальная температура таза 293 К. давление эсасыэашш ОД МПа, давление нагнетания -0.4-0,5 МПа
Для получения экспериментальных данных был использован датчик давления ДДб.О и датчик температуры, выполненный на базе «буеннкового» термнетора [12, 13J (рюс.2).
Принципиальная измерительная схемы изображена на рис. 1. Пои запуске гидростанция начинает работать з замкнутом режиме со сбросом рабочей жидкости в бак до тех пор. лока с блоЕа управления не придёт сигнал управления соленоидом парораспределителя. После срабатывания соленоида рабочая жидкость поступает з рабочую ijcj.ceib j идрошишкдра. и ПК начинает работать. С помощью цифровою осшииюхрафа 13 на монн.ор
персонального компьютера 14 выводились графики изменения температуры и давления внутри полости цнлнн-Дра.
Эксперимент проводился прн двух режимах охлаждения стенок рабочей камеры: с интенсивным охлажде-шгем путем прокачки воды черео рубашку цилиндра и без водяного охлаждения.
УГПГ1
г^г
Рис. 1 Схема экспериментального стенда: 1 - поршень; 2 - шток, 3 - уплотняющие кольца; 4 - основание; 5 -цилиндр; 6 - плита 7 - крышка; 8 - термопары; 9 - датчик температуры; 10 - датчик давления; 11 - милливольтметр; 12 - усилитель; 13 - электронный осциллограф; 14 - персональный компьютер
Рис. 2. Зонд для измерения температуры.
Датчик температуры на базе «бусинковего термнегора
ГУ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕК703 Полученные экспериментальные результаты подтверждают данные, полученные прн математическом моделировании, что в дальнейшем позволит получать результаты с помощью математической модели без проведения дорогостоящих экспериментов. Так же получено экспериментальное подтверждение эффективности при-мекении ииеттгне-о охлаждения .для раггма-рина^мых ступеней
По.решносхъ измерения мгновенной температуры 1.ри использований бусинковош гермнетора [10].
дл = ^д. 7 , (1) где .5/ - погрешность мультнметра, определяемая погрешностью прибора, 0,34%; Л -погрешность термометра, определяемая погрешностью прибора, 0,1%;
öv - шлрсдшосгь BUJibiMcipa. определяема* ншреишос.ыи иияЗора. 0.3%. öF - ишрешнисть расчсга но иилучснной нтериолированной формуле, 1.3%.
¿¿-Vo,342-l-0,l2-KU2 + L5: -1,57%.
Разшща между экспериментальными и расчётными даииыми по температуре газа не более 7,5%.
Погрешность настройки времени цикла определяется точностью электронного осциллографа и гоггалляет 0,05%.
Определим приборную погрешность [9J при тарировке датчика давления, определяемую по формуле [11J:
где 5ц - относительная погрешность датчика давления, %;
омн - относительная погрешность образцового манометра. %;
о0 относительная погрешность осциллографа, %.
Относительная погрешность датчика давления пэ паспорту 5д=1.4%. Относительная погрешность образцового манометра 5мч=1%. Относительная погрешность для осциллографа определяется паспортом 5о=0.05%. D данном случае приборная погрешность является общей погрешностью, поскольку методика измерения напряжения лри ачшогнении эксперимента, и при проведении тарировки соиертпенно одинаковы Также не учи-MRa-лось влияние случайных факторов. Их можно будет исключить, если некоторые значения, полученные при экспериментальном измерении, будут выпадать из общей системы. I огца оощая погрешность датчика давления равна
= 7М2-1' + 0,052 = L 72%.
S V
Рис. 3. Развернутая ппднкатерпая диаграмма при эремеш! цикла 2 с (Рп-О.ЗМПа): I - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная кривая
На рис 3 предстаолепы индикаторные диаграммы, полученные экспериментально и расчётпым путём для давления нагнетания - 0,3 ХШа. Видна удовлетворительная сходимость результатов з течение всего процесса.
Т,Кк
S, м
Рис. 4. Изменение мгновенной температуры газа в рабочей камере лри времени цикла 2 с, без водяного охлаждения (Рн=0,ЗМПа) I - icupciüicüKaa кривая. 2 - э&еиершдешальши! кривая
На рис. 4 представлены зависимости мгновенной температуры газа в рабочей камере, полученные экспериментально и расчётным путём длд режима без интенсивного охлаждения. Бидна удовлетворительная сходимость результатов в процессе сжатия и нагнетания и большая разнила результатов экспериментальных исследований и теоретического расчета r процессе обратного расширения и всасывания
Г, ,<•
340
270
S, и
Рис. 5. Изменение мгновенной температуры газа в рабочей камере при времени цикла 7 с с интенсивным водяным охлаждением (Ри=Г),ЧМТТа)-1 - теоретическая кривая. 2 - ^ки.еркмен аальная кривая
На рис 5 представлены зависимости мгновенной температуры газа, в рабочей камере полученные экспериментально и расчётным путём для режима с интенсивным охлаждением. Билла удовлетворительная сходимость результатов а процессе ежзтня и нагнетания и большая разница результатов экспериментальных исследований и теоретического расчета в процессе обратного расширения и всасывания.
Р, Ша 0,5
0,25-0,1-
5 V
Рис. б. Развернутая индикаторная диаграмма при времени цнклз 1 с (Ун=С,о\Ша): 1 - теоретическая кривая. 2 - ^ки.еркмен аальная кривая
На рис. 6 представлены индикаторные диаграммы, полученные экспериментально и расчётным путём для давления нашегании - 0.5 МПа. Вацна удивле1.вори1ельная сходнмисхъ резулыашв в течение всею процесса.
Рис. 7. Изменение мгновенной температуры i аза в рабочей камере при времени цикла 2 с. без водяного охлаждения £Рн=0,5МПа): I - теоретическая кривая; '1 - экспериментальная кривая
На.рисунке 7 иргдгглклгны хмж:им1х:ги мгнокгнной чгмнгр-муры vaha н риГючгй ччл/грг нилучг.ннме мкгиг-римешально и расчёшым нутёи для делима без ишенснв.чии' охлаждения. Видна удовлетворительная сходимость результатов в процессе сжатия и нагнетания н большая разница результатов экспериментальных иссле-
Д1ШНИЙ И irUJiriWH IOl O рж.чгы X 11])Ш1,ПГГ гбрЧ! HUIC1 ¡ЫГШИрГНИН И кглгк кяних
На рис £ представлены зависимости мгновенной температуры газа з рабочей камере, полученные экспериментально к расчетным путем для режима с интенсивным охлаждением. Видны удовлетворительная сходимость результатов в процессе сжатия и нагнетания н большая разница результатов экспериментальных исследований и теоретического расчета з процессе обратного расширения и всасывания.
На рне 3-8 представлены экспериментальные н тссрстнчсксис зависимости изменения температуры газа в цилиндре для режима с интенсивным охлаждением н без охлаждения ступсии для давления нагнетания С.З и 0.5 МПа и времени рабочего цикла - 2 с. а также индикаторные диаграммы Видно, что одной из проблем данных ступеней являются утечки вследствие длительно ста цикла - отсутствует выраженная горизонтальная «площадка:) в процессе нагнетания. Разнила в результатах по мгповешюй температуре газа для теоренпеексп и окспе рнментальной кривой состазляст ас более 7%, для мгновенного давления не более 2%. Уменьшение температуры газа при режиме интенсивного охлаждения по сравиепшо с пеохлаждаемой ступенью составляет 2С ЗОК. Что естественно положительно сказывается как па теплонапряжёпиом состоянии деталей, формирующих рабо чую камеру, так и на возможности прнмеие:шя сжатого газа бес дополшгтелыюго охлаждения лотре6:ггелем
Полуденные экспериментальные результаты подтверждают теоретически полученные данные по перепек тшшему прпменепшо тихоходных дшпюходовых компрессорных ступеней. Особенно ценные результаты по температуре сжимаемого гзза, учитывая, что при адиабатном сжатии температура воздуха составила бы 4СН и ЛИ К при дашшх условиях проведешь эксперимента для давлении нагиетапня 0,3 и U,i> MI la соответственно, то полученные выигрыши пэ температуре составляют 6Ь УОК.
Проведённые работы позволят в дальнейшем применять данное оборудование как нз существующем стенде, так н па ряде других экснеримеш-ал^лых стеидсв, проводить лабораторные работы с использованием разрабо тайных программ и методик испытаний
Прикладные научные не следования и экспериментальные разработки проводятся при финансовой поддержке государства в л:ше Мннобрнаукн России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFlviEFIS 7715X0203
СИЛСОА .1И'1КРА1У?Ы
1. Yusha V. L., Den gin V. С.. Karagusov V I., Busarov S. S. Thcorcacal analysis ot the wcrioae process of the superior rotar/ low expense piston compressor with the increased piston stroke // 31 International Cocfcrcncc cn Compressors and Coolants: book of abstracts. Papicrmcka. Slovakia, 2013. P. 22.
S,.u
Рис. 8. Изменение мгнозениой температуры газа в рабочей камере при времени цикла 2 с. с интенсивным водяным охлаждением (Рн=Э.5МПа): 1 - теоретическая кривая: 2 - экспериментальная кривая
V. ОБСУЖДЕНИЕ ГЕЗУЛЬТАГОБ
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
2. Yusha V. L., Dengm V. G.. Busarov S S., Nedovenchanyi A. V. Grornov A. Yu. The estimation of Thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages ш reciprocating compressors // International Conference on Oil and Gas Engineering. OGE-2015 P. 264-269 doi:10 1016/j.proeng 2015.07.333.
3. Plasriiiiii P., Fedorenko S. Simulation of Transient Gas-Temperatures in Cylinders of Reciprocating Compressors Using Identification Techniques With a Mathematical Model // Internationa 1 Compressor Engineering Conference. 197 S P. 295. URL: http://docs.lii purdoe edu/icec/29S_
4. Chrustalev B. S., Zdalinsky V. В Bulanov V_ P. Mathematical Model of Reciprocatmg C ompressor With One or Several Stages for the Real Gases // International Compressor Engineering Conference, 1996 P. 11 OS. URL: http ://docs.lib.purdue. edu/icec .''T1 OS
5. Юша В Л.. Бусаров С. С . Криницкий В. И. Исследование процессов теплопередачи в ступени поршневого компрессора при симметричном температурном поле // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2007 № б. С. 59-66.
6. Luszczycti М.. Cyklis P., Zelasko J. Dev eloped Mathematical Model of the Self-Acting Valves of the Reciprocating Compressor and Its Application for Tongue Valves // International Compressor Engineering Conference, 1992. P 918. URL: http://docs.lib.purdue.edu/Kec/91S
7. Perevozchikov ML ML, Pirumov I. В., Chrustalyov B. S., Ignatiev K. S., Taha A. Low Flow Displacement Compressor: Thermodynamical Process Analysis //International Compressor Engmeermg Conference, 1992. P. 937. URL: littp:// docs.lib.purdue. edu/icec /9 3 7
S. Юша В. Л., Карагусов В. И.. Бусаров С. С. Моделирование рабочих процессов тихоходных длннноходо-вых поршневых компрессоров // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2015. № 3. С. 21-24.
9. Bland J.Martin. Douglas G. Altnian. Statistics notes: measurement error. Brnj 313.7059. 1996. 744 p.
10. Cochran W. G. Errors of Measurement ш Statistic // Technometiics. 1968. Vol.10, no. 4. P. 637-666. URL: littp J/www j stor. org/stable/12 6 7450
11. Krstev L, Helwig A., Miiller G. [et al ] Detection of random vapour concentrations using an integrating diamond gas sensor// Sensors and Actuators B: Chemical. 2014. Vol.195. P. 603.
12. Гендин Г. С. Все о резисторах: справ, нзд. М . 2000 192 с.
13. Дубровский В. В. Резисторы: справ. М.,1991. 528 с.
