CC BY
70
Библиографический список
1. Ковалёв, Ю. 3. Разработка алгоритмов исследования динамически обобщенного электромеханического преобразователя на ЭВМ : автореф. дис. ... док. техн. наук / Ю. 3. Ковалёв. — Москва, 1980. — 40 с.
2. Ковалёв, Ю. 3. Методы решения динамических задач электромеханики на ЭВМ : учебн. пособие / Ю. 3. Ковалёв. — Омск : Изд-во ОмПИ, 1984. — 84 с.
3. Ковалёв, А. Ю. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин : монография / А. Ю. Ковалёв, Ю. 3. Ковалёв, А. С. Солодянкин. — Нижневартовск : Изд-во НГГУ, 2010. - 106 с.
АНДРЕЕВА Елена Григорьевна, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.
КОВАЛЁВ Александр Юрьевич, кандидат техниче-
ских наук, первый проректор Академического института прикладной энергетики.
БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов» Омского государственного технического университета.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства», декан машиностроительного института Омского государственного технического университета.
САВЧЕНКО Антон Анатольевич, ассистент кафедры «Электроэнергетика» Академического института прикладной энергетики.
Адрес для переписки: lenandr02@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 19.12.2011 г.
© Е. Г. Андреева, А. Ю. Ковалёв, С. В. Бирюков, Е. Н. Ерёмин,
А. А Савченко
уДК 621 51 А. П. ЗАГОРОДНИКОВ
A. Н. КАБАКОВ
B. С. КАЛЕКИН Д. В. КАЛЕКИН
Омский государственный технический университет
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЕЙ
Приведены результаты численных и экспериментальных исследований поршневых пневмодвигателей с самодействующими клапанами и различными схемами воздухораспределения.
Ключевые слова: поршневой пневмодвигатель, самодействующий клапан, математическая модель рабочего процесса, схемы газораспределения.
Обеспечение безопасности работ, проводимых в пожаро-взрывоопасных производствах химической, нефтехимической, газовой и горной отраслей промышленности, достигается использованием силового пневмопривода (вместо электрического), недопускающего искрообразование.
Применение пневматической энергии, например, в горных машинах и комплексах при разработке глубоко залегающих полезных ископаемых связано не только с повышенной опасностью взрыва газа и пыли при применении электроэнергии, но и наличием холодильного эффекта от расширения сжатого воздуха; значение последнего существенно возрастает с увеличением глубины разработок и повышением температуры шахтного воздуха в подземных выработках.
Охлаждающий эффект при работе пневматических машин и механизмов влияет на микроклимат не только в отношении снижения температуры, но и уменьшения влажности воздуха. Независимо от вида совершаемой работы воздух на выходе из пневматической машины имеет низкое влагосодержание,
так как основное выпадение влаги происходит на участке трубопровода в 500-900 м от компрессорной станции, расположенной на поверхности. В связи с тем, что микроклимат в забоях глубоких шахт характеризуется не только высокой температурой, но и высокой влажностью атмосферного воздуха, смешение отработанного сухого воздуха с влажным воздухом выработок благоприятно сказывается на улучшении микроклимата [1]. Использование пневматической энергии позволило расширить область применения машин и механизмов особенно в угольных шахтах.
На предприятиях горнодобывающего комплекса для привода комбайнов, врубовых машин, лебедок, маневровых, породопогрузочных и погрузочнотранспортных машин и т.п. самое широкое распространение получили поршневые пневмодвигатели (ППД), рабочая камера которых имеет высокую степень уплотнения за счёт поршневых колец; утечки сжатого воздуха в них невелики, поэтому КПД этих двигателей выше в сравнении с другими типами.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Поршневые пневмодвигатели
Пневмодвигатели Технические данные
1 2 3 4 5 6
Фирма, завод, страна Рабочее давление, МПа Мощность всех моделей конструктивного ряда, кВт Число оборотов выходного вала, об/мин Удельный расход воздуха м3/(кВт-мин) Удельная металлоемкость, кг/(кВт)
Россия, ЗАО «Родниковский машиностроительный завод», П8-12 0,63 8 750 1,02 13,13
Россия, ЗАО «Родниковский машиностроительный завод», П12-12 0,5 12 720 1,05 10,5
Россия, ЗАО «Родниковский машиностроительный завод», П13-16 0,63 13 996 1,02 8,5
Россия, ЗАО «Родниковский машиностроительный завод», П16-25 0,5 16 1500 1,3 6,25
Завод Острой, Чехия 0,4 5,9-55,1 700-1200 0,95-1,16 13,6
Заводы Петровицкой и Рыбницкий, ПНР 0,4 5,5 800 1,02 16,3
«Atlas Copco», Швеция 0,63 1,8-9,6 250-1300 0,95-1,09 10,9-14,96
«Holman», «Broom and Wade», BID Англия 0,38-0,56 2,2-36,8 500-1200 0,8-1,08 15,4-40,8
Кроме того, поршневые пневматические двигатели обладают хорошей пусковой характеристикой, допускают перегрузку, просты по конструкции и в управлении. В качестве источника для пневматических двигателей в настоящее время используется сжатый воздух с давлением на входе 0,4 — 0,63 МПа.
Производство и использование сжатого воздуха связано с потерями энергии в шахтных пневмосистемах (компрессорном агрегате, пневматической сети и двигателе), в результате чего общий КПД пневматической системы, как правило, не превышает 10 % [2]. С учетом того, что на привод компрессоров расходуется до 30 % вырабатываемой на предприятиях электроэнергии, повышение экономичности и эффективности работы элементов пневматической системы является актуальной задачей.
Основным производителем поршневых пневмодвигателей с кривошипно-шатунным механизмом в России в настоящее время является ЗАО «Родниковский машиностроительный завод» (г. Родники, Ивановской области).
В табл. 1 приведены основные сравнительные характеристики этих пневмодвигателей, выпускаемых заводом и поршневых пневмодвигателей зарубежных стран. Как видно из таблицы, по удельным показателям — удельному расходу сжатого воздуха и удельной металлоёмкости отечественные пневмодвигатели не уступают лучшим зарубежным образцам, по некоторым даже превосходят их.
Для управления потоком воздуха, изменения направления движения рабочего тела в выпускаемых поршневых пневмодвигателях используются золотники, приводимые во вращение от коленчатого вала [3, 4]. Система принудительного золотникового воз-
духораспределения обладает рядом существенных недостатков, связанных со сложностью её изготовления, обслуживания, низкой надежностью, повышенными затратами на трение, значительным падением КПД на режимах, отличающихся от номинальных. ППД в шахтах подвержены ударам, работают в тяжёлых условиях, в среде угольной пыли при часто меняющихся режимах и нагрузках.
Для интенсификации производимых работ, внедрения и использования высокопроизводительного пневмооборудования одним из направлений является дальнейшее повышение давления сжатого воздуха на входе [5, 6].
Одним из путей повышения эффективности работы поршневых пневмодвигателей, как показывают экспериментальные исследования, выполненные в ОмГТУ, является замена принудительного золотникового воздухораспределения на самодействующие клапаны [7, 8]. В результате такой замены ожидается: обеспечение эффективного функционирования с практически неизменным КПД при работе ПД на нерасчетных режимах; снижения потерь на трение; увеличение частоты вращения коленчатого вала; уменьшение утечек рабочей среды.
Движение воздуха в цилиндре поршневого пневмодвигателя может быть организовано по прямоточной, непрямоточной и комбинированным схемам [9 — 12]. Прямоточная схема движения рабочего тела обеспечивается установкой впускных нормально открытых клапанов и исполнением выхлопных окон в стенке цилиндра в конце хода поршня. Непрямоточная схема движения воздуха может быть реализована в пневмодвигателе с нормально открытыми впускными и выпускными клапанами. В пневмодвигателе
с комбинированной схемой движения воздуха должны быть установлены нормально открытые впускные и выпускные клапаны, а в стенке цилиндра выполнены выхлопные окна.
Экспериментально в лабораторных условиях установлено, что однорядный прямоточный пневмодвигатель, выполненный на базе вертикального поршневого компрессора (диаметр цилиндра — 60 мм; ход поршня — 38 мм), может достаточно устойчиво работать с частотой вращения от 300 об/мин и выше. Устойчивое функционирование его (без значительных вибраций) сохраняется до частот вращения порядка 1600—1700 об/мин. Экспериментальный образец, выполненный на базе трёхрядного, Ш-образного поршневого компрессора (диаметры цилиндров — 90 мм; ход поршня — 68 мм) позволял развивать обороты коленчатого вала до 2500 — 2600 об/мин.
На основе математических моделей рабочих процессов, совмещённых с динамикой механизмов движения пневмодвигателей, и разработанного программного средства [13] произведён анализ влияния конструктивных параметров однорядного и Ш-образ-ного пневмодвигателей с самодействующими клапанами при различных схемах воздухораспределения, внешних нагрузках, начальных давлениях сжатого воздуха в установившихся и неустановившихся режимах функционирования.
Было установлено, что диапазон функционирования пневмодвигателя по давлению сжатого воздуха на входе при неизменной внешней нагрузки определяется определённым соотношением конструктивных параметров элементов клапана, изменение этого диапазона при установленных жёсткостях пружин возможно регулированием высоты подъёма запорного элемента. Непрямоточная схема воздухораспределения может быть рекомендована для применения в условиях строго ограниченного подбора конструктивных параметров нормально открытых впускного и выпускного клапанов. Наилучшие показатели работы обеспечиваются для комбинированной и прямоточной схем движения воздуха, которые сопоставимы по удельному расходу, но комбинированная схема имеет более широкий устойчивый диапазон до 30 % в сторону увеличения и уменьшения начального давления от диапазона, характерного для прямоточной схемы.
Минимальный удельный расход сжатого воздуха для прямоточной и комбинированной схем воздухораспределения имеет место при расположении нижнего края выхлопных окон, соответствующего положению поршня в нижней мертвой точке. Смещение положения окон на 0,2 относительного хода поршня в сторону верхней мёртвой точки приводит к увеличению удельного расхода до 10 %.
Для повышенных давлений, начиная от 0,8 МПа, отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D при сохранении объёма, описываемого поршнем за один оборот, должно составлять 0,840,85, для меньших давлений это отношение следует принимать равным 0,640,7. Отклонения S/D отрекомендованных значений на 0,1 в меньшую сторону приводит к увеличению удельного расхода сжатого воздуха на 604 470 %, в большую сторону — на 20430 %.
Величина относительного мертвого пространства а для прямоточной и комбинированной схем составляет 0,3 — 0,4. При уменьшении а < 0,2 удельный расход возрастает в 242,5 раза. Увеличение а до 0,6 приводит к уменьшению мощности на 7 410 % и увеличению удельного расхода на 5 410 %.
Поршневые пневмодвигатели с самодействующим воздухораспределением способны развивать
в 2 4 2,5 раза более высокую частоту вращения вала, чем двигатели с принудительным воздухораспределением.
В целом пневмодвигатели с самодействующими клапанами не уступают зарубежным и отечественным образцам с принудительным воздухораспределением. При давлениях сжатого воздуха порядка 0,63 МПа удельный расход пневмодвигателя с самодействующим воздухораспределением может быть снижен на 20 — 25 %.
Важным фактором, обеспечивающим ускорение внедрения конструкций пневмодвигателей нового типа, а также снижения их себестоимости и материалоемкости, является использование имеющихся унифицированных единиц и создание на их основе типоразмерных рядов новых конструкций. Это обстоятельство позволяет считать целесообразным применение унифицированных компрессорных баз для разработки пневмодвигателей нового типа.
Использование серийно выпускаемых унифицированных компрессорных баз будет способствовать сокращению сроков и затрат на проектирование и изготовление.
Библиографический список
1. Зиневич, В. Д. Поршневые и шестеренные пневмодвигатели горно-шахтного оборудования [Текст] / В. Д. Зиневич, Л. А. Гешлин. — М. : Недра, 1982. — 199 с.
2. Герасименко, Г. П. Комплексное исследование при отработке глубоких месторождений [Текст] / Г. П. Герасименко. — М. : Недра, 1971. - 128 с.
3. Чупраков, Ю. И. Основы гидро- и пневмоприводов [Текст] / Ю. И. Чупраков. — М. : Машиностроение, 1966. — 160 с.
4. Марутов, В. А. Пневмопривод в отечественных и горнорудных машинах [Текст] / В. А. Марутов, Л. И. Пирогов, И. Г. Чер-ноков. — М. : НИИНЕОРМТЯЖМАШ, 1970. — 120 с.
5. Горбунов, В. Ф. О стандартизации качества пневматической энергии [Текст] / В. Ф. Горбунов, Б. Л. Резник, Л. А. Фукс // Стандарт и качество. — 1972. — № 8. — С. 15—16.
6. Кабаков, А. Н. Разработка научных основ совершенствования выработки сжатого воздуха повышенного давления для рудников и шахт [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук /
A. Н. Кабаков. — Новосибирск, 1985. — 44 с.
7. Загородников, А. П. Экспериментальное исследование поршневого пневмодвигателя с самодействующим клапаном [Текст] / А. П. Загородников, В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Компрессорная техника и пневматика. — 2009. — № 1. — С. 19 — 22.
8. Калекин, В. С. Поршневой пневмодвигатель с впускным самодействующим клапаном [Текст] / В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Компрессорная техника и пневматика. — 2011. — № 2. — С. 20 — 25.
9. Пат. 2097576 Российская Федерация, МПК7 Б 01 Ь 9/02, 25/00, Б 01 В 25/02. Поршневой пневмодвигатель [Текст] / Антропов И. А., Ваняшов А. Д., Кабаков А. Н., Калекин В. С., При-луцкий И. К.; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 95114234/06 ; заявл. 08.08.1995 ; опубл. 27.11.1997. — 2 с.
10. Пат. 2151302 , Российская Федерация, МПК7 Б 01 Ь 9/
02, Б 01 В 25/02, Б 03 С 1/08. Поршневая расширительная машина [Текст] / Ваняшов А. Д., Кабаков А. Н., Калекин В. С., Прилуцкий И. К. ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 98107039/06 ; заявл. 13.04.1998 ; опубл. 20.06.2000. — 2 с.
11. Пат. № 2206791, МПК7 Б 04 В 39/10, 53/10. Поршневая расширительная машина [Текст] / Ваняшов А. Д., Калекин
B. С., Коваленко С. В., Калекин В. В.; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 2001122558/06 ; заявл. 09.08. 2001 ; опубл. 20.06.2003. — 2 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
12. Калекин, В. С. Поршневые пневмодвигатели с самодействующими клапанами [Текст] / В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров : матер. Всерос. науч.-практ. конф. — Уфа : Изд-во УГНТУ, 2006. — С. 253 — 258.
13. Загородников, А П. Программное средство для рационального конструирования поршневых пневмодвигателей и агрегатов [Текст] / А П. Загородников, В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Компрессорная техника и пневматика. — 2011. — № 6. —
С. 6—12.
ЗАГОРОДНИКОВ Антон Павлович, старший преподаватель кафедры «Информатика и вычислительная техника».
КАБАКОВ Анатолий Никитович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». КАЛЕКИН Вячеслав Степанович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа. Стандартизация и сертификация».
КАЛЕКИН Дмитрий Вячеславович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика и вычислительная техника».
Адрес для переписки: kalekinvc@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.12.2011 г.
©А. П. Загородников, А. Н. Кабаков, В. С. Калекин,
Д. В. Калекин
УДК 628.8:534.8 : 629 В. И. КАРАГУСОВ
А. В. БУБНОВ С. Н. ЛИТУНОВ
Омский государственный технический университет
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЙ
ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ
КОНДИЦИОНЕР
Современное состояние развития термоакустических систем позволяет использовать их для создания бортовых транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха с подводом энергии путем сжигания газа. Использование такого подхода позволяет перейти к экологически чистым технологиям климатехники, а также улучшить потребительские свойства транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха. Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, термоакустическая система, транспорт, природный газ.
В настоящее время бортовые системы кондиционирования воздуха (СКВ) строятся, как правило, по парокомпрессионному циклу с фреонами (хла-донами) в качестве рабочих тел. Такие СКВ содержат экологически неблагоприятные рабочие тела и требуют их дозаправки в процессе эксплуатации из-за утечек в атмосферу. Применение СКВ, отбирающих мощность с вала ДВС для работы компрессора, связано с потерями мощности на валу ДВС, увеличением расхода топлива, снижением динамических характеристик транспортного средства и использованием механических узлов и передач, в которых возникают трение и износ.
Во время работы автомобильных бортовых парокомпрессионных СКВ возникает противоречие: кондиционер работает практически на полную мощность в летнее время в пробках и на остановках, когда двигатель работает на минимальных оборотах и минимальной мощности, которой обычно не хватает для работы СКВ. При увеличении скорости автомобиля мощность, отбираемая СКВ с вала двигателя, значительно увеличивает время разгона и расход топлива. Работа таких кондиционеров невозможна при неработающем двигателе. Кроме того, требования Монреальского протокола стимулируют разработчи-
ков искать альтернативные решения для построения экологически чистых систем охлаждения и СКВ.
Анализ известных трансформаторов теплоты показал, что наиболее эффективное, технически простое и надежное решение может быть реализовано на термоакустическом эффекте: в прямом термодинамическом цикле тепловая энергия преобразуется в акустическую, а в обратном термодинамическом цикле акустическая энергия генерирует холод (термоакустический эффект Карла Саундхауса и Петра Рийке) [1, 2].
Г азообразного рабочее тело нагревается в прямом термодинамическом цикле, и под действием термо-акутического эффекта теплота преобразовывается в энергию акустических колебаний, которая затем в обратном термодинамическом цикле преобразуется в тепловую. При этом в одном теплообменнике теплота выделяется (происходит нагрев), в другом теплота поглощается (происходит охлаждение). Таким образом, при нагревании одной части устройства на другой происходит генерация холода, что позволяет создать бортовую теплоиспользующую СКВ.
Значительное количество автомобильного транспорта в настоящее время переводится на природный газ, как на одно из самых экономичных и экологичных
