CC BY
10
УДК 621.512
Т.С. Макарова, T.S. Makarova А.И. Прилуцкий, A.I. Prilutsky И.К. Прилуцкий, I.K. Prilutsky
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, Россия
St. Petersburg national research university of information technologies, mechanics and optics, St. Petersburg, Russia
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПЕРЕДНЕЙ И ЗАДНЕЙ ПОЛОСТЕЙ СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
FEATURES OF WORK OF FORWARD AND BACK CAVITIES COMPRESSOR STEPS WITH THE PISTON OF DOUBLE ACTION
Статья посвящена расчетному исследованию работы ступени компрессора с поршнем двойного действия и выявлению причин возникающего в ряде случаев «парадокса», суть которого заключается в том, что при одинаковом относительном мертвом пространстве производительность полости Б с меньшей активной площадью поршня Fe больше, чем полости А, у которой FA > Fe!?
This article has been devoted to the study of the settlement of a compressor stage with double acting piston and identify the causes of a number of cases arising in the "paradox", the essence of which is that at the same relative performance cavity dead space B with a smaller active area of В the piston FB larger than the cavity A, where FA> FB!?
Ключевые слова: компрессор, ступень, производительность, теплообмен, массоперенос, динамика пластин клапанов, коэффициент подачи
ciency
Keywords: compressor, stage, productivity, heat transfer, mass transfer, valve plate dynamics, volume effi-
При расчетно-теоретическом анализе работы ступеней компрессора с поршнем двойного действия в ряде случаев оказывалось, что при одинаковом относительном мертвом пространстве производительность задней полости Б с активной площадью поршня Fe (рис. 1) больше, чем производительность передней полости А, у которой FA > Fe. Такой результат на первый взгляд выглядел парадоксальным, что и побудило авторов выяснить причины данного «парадокса».
Для достижения поставленной цели был спланирован и выполнен численный эксперимент с использованием прикладной программы КОМДЕТ, обеспечивающей комплексную итоговую информацию о текущих и интегральных параметров ступени в цифровой и графической форме. Это позволяет более глубоко вникать в сущность одновременно протекающих и взаимосвязанных рабочих процессов предопределяющих интегральные параметры исследуемого варианта ступени компрессора. При выполнении численного эксперимента было сделано допущение, что относительные мертвые пространства в полостях А и Б ступени одинаковы, т.е. аА = аБ.
116
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
® Si ^FnB X
FnA t ■ ■ -Л1 ) ъ
\ * А > FnB
Рис. 1. Конструктивная схема ступени компрессора с поршнем двойного действия
Объёмная производительность компрессора, приведенная к условиям всасывания Увс, зависит от величины рабочего объёма цилиндра Vh, частоты вращения вала n и коэффициента подачи ступени компрессора X, которые связаны между собой соотношением
Увс = m/рвс (1)
или Увс = X (Vh-n), (2)
где m - массовый расход газа; рвс - плотность всасываемого газа.
При (Vh'n) = const должно выполняться условие Увс ~ X. Следовательно, изменение производительности каждой из полостей (А и Б) любой ступени компрессора должно быть идентичным изменению коэффициента подачи.
Согласно [1] коэффициент подачи можно представить в виде
х = Хд Хт [Хо - (ЛХвс + ЛХнг)] - (Упр + Vв.у + vra). (3)
Для упрощения анализа примем, что ступень герметичная и газ сухой, т.е.
V^, Vв.у и Vвл = 0.
С учетом данного допущения запишем
Увс ~ f (X ),
где X = Хд Хр [Хо - (ЛХ^с + ЛХнг)]. (4)
При заданном относительном мертвом пространстве аА = аБ объемный коэффициент может быть вычислен по формуле справедливой для идеального и реального газа
Хо= 1 - а[(рз / pi) - 1]. (5)
Другие составляющие коэффициента подачи в программе КОМДЕТ вычисляются на основе текущих параметров в характерных точках рабочего цикла i = 1 - 2 - ... Z:
- коэффициент давления Хд = р1 /рвс < 1;
- коэффициент подогрева Хт = Твс / Т1 < 1;
- коэффициенты ЛХвс и ЛХнг, характеризующие запаздывание закрытия всасывающих и нагнетательных клапанов относительно «мертвых точек».
В ходе численного эксперимента рассматривалась работа полостей I-й ступени газового компрессора ГУ1-2.5-16 с воздушным охлаждением, с диаметром цилиндра DI=160 мм, диаметром штока ёшт=0А/20Б мм и относительным мертвым пространством аА = аБ = 0,098 , выполненного на У-образной базе с ходом поршня Бп=75 мм и частотой вращения вала n=1500 об/мин. Рабочий режим ступени (полостей А и Б) соответствовал следующим параметрам: рвс =0,1 МПа,рнг =0,42 МПа, Твс =303 К, Кст=0,5.
В ходе численного эксперимента рассматривалась работа ступени на 3-х различных рабочих веществах (воздух и газовые смеси См-2 и См-3), отличающихся величиной газовой постоянной R и показателем адиабаты к.
Результаты расчетного анализа приведены в табл. 1.
117
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Таблица 1
Влияние свойств рабочего вещества на интегральные параметры 1-й ступени газового компрессора
ГУ1-2.5-16-В1-1
Пащ. метщ1 Размер ность Рабочая полость цилиндра
А Б
во - Воздух См-2 См-3 Воздух См-2 См-3
к 1.41 1.16 1.37 1.4 1.16 1.37
R Дж-ХкгЮ 287.2 371.3 343.2 287.2 371.3 343.2
Zsz К 379.9 340.7 377.1 378.8 340.2 376.0
ХшЛ 440.8 379.9 437.0 440.8 379.9 437.0
466.8 388.5 461.2 464.7 387.4 459.1
1 - 0.7316 0.7012 0.7228 0.7520 0.7321 0.7479
h 0.9966 0.99335 0.9952 1.0002 0.9988 0.9999
'к. 0.9460 0.9761 0.9481 0.9458 0.9760 0.9478
¿а 0.8140 0.7712 0.8112 0.8126 0.7717 0.8101
¿¿ж 0.0247 0.0328 0.0323 0.0113 0.0138 0.0126
0.0138 0.0153 0.0125 0.0056 0.0070 0.0065
рз кг/м3 3.251 2.982 2.746 3.274 2.994 2.768
Pi 1.122 0.894 0.938 1.124 0.899 0.942
рз/р! - 2.8975 3.3356 2.9275 2.9128 3.3304 2.9384
Ьк кДж''кг 529.56 388.30 356.26 529.56 388.30 356.26
678.75 566.38 533.90 678.75 566.38 533.90
ilia. 705.35 585.75 564.19 703.1.8 583.29 561.60
mi кг/ч 118.09 87.768 97.556 119.49 90.200 99.565
Vi нм3/мин 1.6332 1.5653 1.6136 1.6526 1.6086 1.6468
Уж. м3/мин 1.712 1.641 1.691 1.7319 1.686 1.726
Примечание: См-2: метан 72%, этан 11%, пропан 6%, бутан 6%, азот 5% - попутный нефтяной газ; См-3: СО (10-12%), СО2 (5-6%), Н2 (15-20%), СН4 (1%); остальное N2.
Анализ полученных интегральных параметров показал, что во всех рассмотренных вариантах ступени независимо от свойств сжимаемого газа коэффициенты подачи X в полости А меньше, чем в полости Б. Для выяснения причин снижения X рассмотрим составляющие коэффициента подачи.
Данные, приведенные в табл. 1, показывают, что коэффициенты Хд и Xp, характеризующие газодинамические и тепловые потери в полостях А и Б практически одинаковы. При а = const и практически постоянной величине р3/р 1 изменение объёмного коэффициента Хо стремится к нулю.
Анализируя текущие параметры ступени, полученные в ходе численного эксперимента (см. рис. 2 - 4), приходим к тому же выводу, поскольку:
- давление и температура газа (р1, Т1), а следовательно, и его плотность р1 в начале процесса сжатия практически одинаковы, что указывает на идентичность коэффициентов Хд
и Хг;
- различия в условных скоростях газа W, омывающего теплообменные поверхности полостей А и Б ступени, и соответствующих им текущих коэффициентов теплоотдачи а (см. рис. 3) практически не просматриваются, вследствие чего текущая и средняя за цикл мощность теплового потока q в полостях А и Б практически одинаковы;
- в силу рассмотренных выше факторов количество теплоты Q, подводимой к газу + Q (или отводимой от газа - Q) на различных участках рабочего цикла (см. рис. 4) практически одинаково в полостях А и Б ступени.
118
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Рис. 2. Текущие параметры ступени компрессора: светлая линия - Полость А; темная линия - Полость Б
Рис. 3. Фрагменты тепловых процессов в ступени компрессора: светлая линия - Полость А; темная линия - Полость Б (см. также с. 120)
119
Рис. 3. Окончание
Таким образом, различие в коэффициентах подачи полостей А и Б ступени с заданными геометрическими размерами, режимными параметрами и условиями охлаждения в данном случае можно объяснить только различиями в динамике движения клапанных пластин и величинах ДХвс и ДХнг, учитывающих дополнительные объёмные потери обусловленные запаздыванием закрытия всасывающих и особенно нагнетательных клапанов. Следует отметить, что в литературе описаны аналогичные парадоксы [3], причины которых авторы обоснованно объясняли влиянием свойств рабочего вещества, условиями охлаждения ступеней и различиями в удельной тепло-обменной поверхности рабочих полостей Бт.о = f (R, к и S/D).
Помимо указанного, применение программы КОМДЕТ позволило более глубоко проанализировать закономерности изменения параметров газа в любом из процессов рабочего цикла. На рис. 5 показан рабочий цикл ступени в координатах Т-S, анализ которого позволяет отметить качественную и количественную идентичность знакопеременного теплообмена процессов расширения 3'-4 и сжатия 1'-2 в полостях А и Б. В то же время отчетливо видно, что количество теплоты подведенной на участке всасывания 4-4'-1 полости Б существенно выше, чем в полости А при том же процессе 4-4'-1, что соответствует повышенной внутренней поверхности теплообмена полости Б за счет боковой поверхности штока. Та же картина в полостях А-Б наблюдается и в процессах нагнетания 2-2'-3, но с отводом теплоты от газа.
Рис. 4. Интенсивность теплообменных процессов на различных участках цикла ступени компрессора
120
510 т, К 430 390 350 310
¿70 6
Рис. 5. Выходная информация программы КОМДЕТ о рабочем цикле
ступени компрессора в координатах T-S: светлая линия - Полость А; темная линия - Полость Б
Таким образом, выявленный «парадокс» представляет собой не что иное, как определенную закономерность комплексного влияния одновременно протекающих, взаимосвязанных и противоположно влияющих на интегральные параметры ступени процессов. В рассмотренном случае превалирующим фактором является запаздывание закрытия всасывающих и нагнетательных клапанов, минимум которых соответствует максимальной величине коэффициента подачи и производительности ступени компрессора.
Библиографический список
1. Прилуцкий, И.К Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах: учеб. пособие / И. К. Прилуцкий, А. И. Прилуцкий. - СПб.: СПбГАХПТ, 1995. - 194 с.
2. Программа КОМДЕТ (инструкция пользователю): метод. указания к практическим занятиям студентов направлений 140400 и 140500 всех форм обучения / И. К. Прилуцкий, А. И. Прилуцкий, Д. Н. Иванов, И. А. Арсеньев. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - 18 с.
3. Прилуцкий, А. И. Объёмная производительность поршневого компрессора Vвс=f(рвс, Твс, R) = const !? / А. И. Прилуцкий, И. К. Прилуцкий // Компрессорная техника и пневматика. - 2013. - № 3. - С. 35-41.
г ч! 2
э* 2' 2 \\
/j' /
V Vр С ffC
\ 4« 4" 1 1" /г
1 1-
¡.680 6700 6-720 s, КДж/{Кг -К) 6.760
