CC BY
23
УДК 621.312:621.036:532
Е. Ю. НОСОВ Е. А. ПЛВЛЮЧЕНКО
Омский государственный технический университет
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РОТАЦИОННЫХ КОМПРЕССОРОВ С КАТЯЩИМСЯ РОТОРОМ
В статье рассмотрены два варианта компрессоров с катящимся ротором и внутренним источником давления жидкости — объемным и динамическим. Последний организован путем использования гидродиодов в гидравлической линии охлаждения. Численный и натурный эксперименты показали возможность и полезность применения рассмотренных конструктивных вариантов для реального использования при проектировании новых машин.
Работа компрессора объемного действия основана на сжатии газообразной среды от давления всасывания до давления потребителя. При этом отношение давлений в одной ступени может достигать восьми, десяти и более. В связи с этим схема компрессора должна обеспечивать хорошее охлаждение газа в процессе его сжатия с целью как снижения работы процесса, так и обеспечения работоспособности конструкции в целом. С учетом этого обстоятельства следует стремиться использовать такие технические решения, которые обеспечивают максимальное отношение поверхности теплопередающих поверхностей рабочей камеры к ее объему.
К таким конструкциям относятся ротационные машины с катящимся ротором, нашедшие широкое применение в холодильной и микрокриогенной технике, в которых широко используется регенеративный и смесительный теплообмен.
Смесительный теплообмен организуется впрыском мелкодисперсной охлаждающей жидкости во всасывающий патрубок или непосредственно в камеру машины. При этом происходит охлаждение сжимаемого газа, уплотнение зазоров рабочих поверхностей, смазка трущихся деталей. Однако одновременно велика вероятность попадания масляной аэрозоли потребителю, что очень часто является недопустимым явлением.
Регенеративный теплообмен наиболее эффективен при отводе теплоты сжатия через стенку рабочей камеры к охлаждающей жидкости, однако он требует установки отдельного источника давления жидкости, усложняет конструкцию машины и не исключает
Таблица I
Положения вентилей К1-К5 при различных вариантах работы машины
Наименование вентиля на схеме рис. 1 Работа в режиме жидкостного насоса Работа в режиме компрессора Работа в режиме насос-компрессора
К1 Закрыт Открыт Открыт
К2 Открыт Закрыт Закрыт
КЗ Открыт Закрыт/Открыт Открыт
К4 Открыт Закрыт/Открыт Открыт
К5 Закрыт Открыт/Закрыт Закрыт
необходимость подачи смазочной жидкости к трущимся деталям и для уплотнения зазоров. Последнее особенно актуально для ротационных машин с катящимся ротором. Очевидно, что наибольшее влияние на перетечки газа, снижающие КПД работы машины, оказывают зазоры между разделительной пластиной и ротором, между пластиной и боковыми поверхностями цилиндра.
Таким образом, для наиболее эффективного охлаждения ротационной машины с катящимся ротором необходимо решить две конструктивные задачи:
1. Обеспечить хорошее уплотнение в зоне действия разделительной пластины.
2. Наиболее органично ввести в конструкцию машины жидкостный насос для смазки трущихся частей.
В работах [1,2] предложены возможные варианты конструкции компрессоров, обладающих вышеперечисленными свойствами.
В первом варианте [1] конструкция может работать в режиме только компрессора, только жидкостного насоса или и насоса, и компрессора одновременно. Общая схема конструкции приведена на рис. 1, в табл. 1 приведены положения вентилей К1 — К5 при различных вариантах работы машины.
Рис. 1. Пневмогидравлическая схема компрессора: 1. Источник жидкости. 2. Жидкость. 3. Приемный фильтр. 4. Потребитель давления жидкости. 5. Компрессор.
6. Всасывающий газовый фильтр. 7. Фильтр грубой очистки масла. 8. Газовый фильтр.
9. Потребитель сжатого газа. 10. Источник газа. К - кран (вентиль), Т - теплообменник, Д - дроссель
Рис. 2. Схема установки для испытания насоса а - при наличии, б - при отсутствии обратных клапанов в полости жидкостного насоса: 1. Цилиндр. 2. Ротор. 3. Впускное окно. 4. Газовая полость. 5. Нагнетательный газовый клапан. 6. Газовый манометр. 7. Фильтр-маслоотделитель. 8. Регулятор давления газа. 9. Подвод к газовому расходомеру. 10. Газовый ресивер. II, 12, 13. Мерные жидкостные емкости. 14. Регулятор давления жидкости. 15. Жидкостный манометр. 16. Жидкостный нагнетательный клапан. 17. Жидкостный всасывающий клапан. 18, 19. Подпружиненные разделительные пластины. 20. Полость жидкостного насоса
Особенностью работы такой конструкции является априори практически полная отсечка впускного газового окна от нагнетательного газового клапана. Эту функцию выполняет насосная полость, играющая в данном случае роль гидрозатвора. Просачивающаяся из этой полости через зазоры между пластинами и торцовыми поверхностями цилиндра жидкость поддавлением необходимадля смазки трущихся поверхностей деталей машины. Теплообменник Т1 может находиться в рубашке корпуса насоса.
С целью опытной проверки основных особенностей работы насоса был изготовлен модельный образец с диаметром ротора 60 мм, его толщиной 16 мм и эксцентриситетом приводного кривошипа — 4 мм. Две разделительные подпружиненные пластины толщиной 8 мм расположены под углом 90°. Рабочая жидкость — масло И-20. Зазоры в сопряжениях, ограничивающих рабочую камеру, ;— 10 — 20 мкм. Привод насоса осуществляется от электродвигателя переменного тока через клиноременную передачу со сменными шкивами, обеспечивающими следующий набор частот вращения ротора: 500, 750, 1000, 1500 мин1.
Исследовалось два варианта работы в режиме насос-компрессора. В первом варианте схема практически не отличалась от изображенной на рис. 1 (см. также рис. 2а). Во втором варианте из жидкостного насоса были удалены обратные самодействующие клапаны, и жидкость из насосной полости вытеснялась только за счет изменения объема серповидного пространства (рис. 26).
На первом этапе были проведены эксперименты по схеме «а», их результаты показаны на рис. 3. На втором этапе были проведены эксперименты по схеме «б», их результаты показаны на рис. 4.
Результаты проведенных экспериментов позволяют сделать следующие выводы.
1. Перетечки жидкости из полосги жидкостного насоса в газовую полость существенно зависят от давления в последней, а точнее — от перепада давления между этими полостями. Причем с увеличением частоты вращения ротора разность между перетечками при сравнительно низкой и сравнительно высокой разностью давлений между полостями становится меньше. Последнее, очевидно, связано с тем, что при повышении частоты вращения неодина-
6 4 2
0 2 4 6 8 Р,, бар
Рис. 3. Зависимость перетечек Оп из жидкостной полости в газовую и далее в емкость 11 (в процентах от теоретической объемной производительности жидкостного насоса) от давления Рг нагнетания газовой полости при давлении нагнетания жидкости 6 бар и частоте вращения ротора (мин '): 1. 1500. 2. 1000. 3. 750. 4. 500
О
20 15
10
* 2 4 6 8 Рг, бар
Рис. 4. Зависимость производительности Ож бесклапанного жидкостного насоса (в процентах от его теоретической объемной производительности) от давления Рг нагнетания газовой полости при разном уровне Н жидкости в емкости 12 относительно среднего уровня полости насоса (частота вращения ротора - 1500 мин ', вентиль 14 полностью открыт): 1. Н = 0,05 м. 2. Н = 0,02 м. 3. Н = 0,01 м. 4. Н = 0
ково возрастают потери в нагнетательных клапанах газовой и жидкостной полостях, а также увеличиваются силы инерции, препятствующие проходу жидкости через микрозазор между торцами разделительной пластины и боковыми стенками цилиндра и между пластиной и ротором.
2. При отсутствии клапанов в жидкостной полости насоса можно обеспечить прокачку жидкости в режиме охлаждения при небольшом сопротивлении системы теплообменников и условии, что источник охлаждающей жидкости будет находиться примерно на одном уровне с сечением жидкостной полости насоса.
Проведенные наблюдения показывают, что при проектировании конструкции такой машины значительное внимание следует уделять сопротивлению клапанов газовой и жидкостной полости (очевидно, параметры клапанов подлежат оптимизации), а также величине зазоров в сопряжениях, ограничивающих рабочие камеры.
Второй способ интенсификации теплообмена в компрессоре с катящимся ротором связан с использованием в качестве распределительных устройств, организующих направленное проталкивание жидкости через систему охлаждения, гидродиодов, не имеющих подвижных частей. В качестве гидродиодов на первом этапе освоения конструкции выбраны наиболее простые — сопловый и диффузорный. Расчет этих элементов, находящихся в стационарном потоке жидкости, может быть проведен по методике, описанной в [3, 4].
В работе [2] приведена методика расчета гидравлической системы такого насоса, общая и гидравлическая схема которого приведены на рис. 5 и 6.
Построенная на уравнениях (2) математическая модель теоретически дала положительный прогноз возможности использовать гидродиоды для однонаправленного проталкивания жидкости через систему охлаждения. Однако для подтверждения теоретических предпосылок перед началом проектирования необходимо экспериментально подтвердить основные положения расчетных формул для определения гидравлического сопротивления и диодности гидравлических ветвей конструкции.
Целью данного исследования было проведение опытов по установлению поправочных коэффициентов, позволяющих применять известные зависимости для расчета. Кроме того, необходимо выяснить, на какой дистанции можно устанавливать последовательно диоды для увеличения сопротивления диодной части гидролинии, что должно улучшить ее характеристики, т.к. желательно, чтобы сопротивление диодной части гидролинии было сопоставимо, а желательно и больше, чем сопротивление подводящих трубопроводов.
Для проведения экспериментов была спроектирована и изготовлена установка для проливки диодов диафрагменного типа (рис. 7).
Эксперименты проводились при установке стальных пластин 3 толщиной 1 мм под разными углами б (30°, 45°, 60°) и с разными размерами со при П = 20 мм при разных давлениях подачи и при разном количестве диодов (один и два).
В качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода при контроле ее температуры. Фиксировались такие параметры, как перепад давления на гидролинии (показания дифференциального манометра 5), давление подачи жидкости (манометр 11), расход жидкости (расходомер 9, секундомер). В конце каждого опыта в поток жидкости впрыскивалось подкрашивающее вещество, и на видеокамеру фиксировалось распределение этого вещества в потоке. Последнее проводилось с целью выяснения расстояния, через которое поток, пройдя диод, приходит в исходное состояние, т.е. в состояние, в котором он был до диода. Некоторые результаты опытов показаны на рис. 8- 13.
Рис. 5. Схема компрессора с питанием системы охлаждения внутренним жидкостным насосом: 1. Цилиндр. 2. Ротор. 3. Приводной вал. 4. Полость сжатия-нагнетания. 5. Жидкостная рубашка. 6. Воздушный нагнетательный клапан. 7. Пружина. 8. Всасывающий жидкостный клапан. 9. Нагнетательный клапан. 10. Пластина. 11. Всасывающее окно. 12. Полость всасывания. 13. Нагнетательный канал. 14. Теплообменник. 15. Линия нагнетания газа. 16. Отделитель жидкости
Рис. 6. Гидравлическая схема системы охлаждения:
1. Насосная полость. 2. Гидродиоды. 3. Полости рубашки охлаждения цилиндра. 4. Бак. 5. Теплообменники. 6. Всасывающая ветвь. 7. Нагнетательная ветвь. О - суммарный расход; О, - расход во всасывающей ветви; О - расход в нагнетательной ветви
V
Слив
V-
1 6
Рис. 7. Конструктивная схема установки для испытания гидродиодов:
1. Корпус. 2. Паз. 3. Пластины. 4. Соединительные муфты. 5. Дифференциальный манометр. 6. Герметизирующие крышки. 7. Стеклянные стенки. 8. Дроссель слива. 9. Расходомер. 10. Дроссель подачи.
11. Манометр. 12. Устройство для ввода подкрашивающего вещества
Из рассмотрения показанных на этих рисунках графиков можно сделать следующие выводы.
1. В целом характер экспериментальных и расчетных зависимостей проявляет определенную идентичность. Вполне вероятно, что расхождение вызвано
с
30
25
20
15 10
V -н
\
Л
2000
4000
6000
8000 Не
Рис. 8. Экспериментальная зависимость
коэффициентов сопротивления прямого (£пр) и обратного (Сое' потоков от числа Рейнольдса Ие при угле а= 45° и а> = 4 мм
Д 2,0 1,5 1,0
г
У 1
\ У
200
400
600
800
Ле
Рис. 9. Зависимость диодности Д от числа Рейнольдса Не при угле а = 45° и а> = 4 мм: 1. Расчет. 2. Эксперимент
С 15 10 5 О -5
\
у , /Спр >
V /
-—
Д 2,5 0
-2,5 -5,0
7 /
г- -1
0 1000
3000
5000
7000
Ие
Рис. 11. Зависимость диодности Д от числа Рейнольдса Ие при а=45° иа>=10 мм: 1. Расчет. 2. Эксперимент
1000 2000 3000 4000 5100 6000 7000 ие
Рис. 12. Зависимость коэффициентов сопротивления прямого (£пр) и обратного потоков от числа Рейнольдса Ие при а= 45° и т = 16 мм
100 200 300 400 500 600 700 800 Ие
д
5 4 3 2 1
0,3
1 N
2
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Ие
Рис. 10. Зависимость коэффициентов сопротивления
прямого (¡;ПР) и обратного (0,,.) потоков от числа Рейнольдса Ие при угле а = 45° иш = 10 мм
Рис. 13. Зависимость диодности Д от числа Рейнольдса Ие при а = 45° и т = 16 мм: 1. Расчет. 2. Эксперимент
3 в
о
отличием проходных сечений каналов (в эксперименте — прямоугольное сечение, а приведенные в литературе формулы справедливы для круглых сечений).
2. Как и следовало ожидать, разность между сопротивлениями прямого и обратного потока снижается при увеличении относительного проходного сечения диодов (отношение со/О).
3. Наиболее устойчивые характеристики диодности лежат в зоне турбулентного режима.
Наблюдения за распределением частиц подкрашенной жидкости в зоне действия диодов показали, что в условиях данного эксперимента при турбулентном режиме движения жидкости характеристики потока по длине восстанавливаются через 6 — 8 максимальных размеров (в данном случае — диагоналей) сечения свободной от диодов части гидравлической линии.
Полученные выводы могут стать основой для разработки модельного образца гидравлической линии (рис. 6) с целью физического моделирования протекающих в ней процессов.
Заключение
Рассмотренные схемы компрессоров с катящимся ротором имеют определенные преимущества по сравнению с известными и могут стать основой для
проектирования реальных конструкций, обладающих повышенными термодинамическими характеристиками.
Библиографический список
1. Щерба В.Е., Болштянский А,П., Павлюченко Е.А. Форва-куумный насос-компрессор с интенсивным охлаждением/ Вакуумная техника и технология. Материалы XIII науч,- тех-нич. конф. с заруб, участием. М.: МГИЭМ, 2006. С.119-122.
2. Щерба В.Е., Носов Е.Ю., Болштянский А.П. Применение гидродиодов в системе охлаждения форвакуум-насоса с катящимся ротором/ Вакуумная техника и технология. Материалы XIII науч.-технич. конф. с заруб, участием. М.: МГИЭМ, 2006. С.114-118.
3. Лебедев И. В., Трескунов С. Л., Яковенко В. С. Элементы струйной автоматики. М.: Машиностроение, 1973. - 360 с.
4. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 464 с.
НОСОВ Евгений Юрьевич, старший преподаватель кафедры ГМиТЭ.
ПАВЛЮЧЕНКО Евгений Александрович, старший преподаватель кафедры ГМиТЭ.
Статья поступила в редакцию 04.12.08 г. ® Носов Е. Ю., Павлюченко Е. А.
