CC BY
6
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 536.75
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-411-412
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТАНОВКИ С РЕГЕНИРАЦИЕЙ ХОЛОДА И РАБОТЫ НА ЕЕ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
М.С. Дзитоев, Ю.В. Татаренко, Р.О. Лашко
В настоящее время как энтропийный, так и эксергетический анализ не теряют своей актуальности при рассмотрении низкотемпературных систем. В работе представлена принципиальная схема низкотемпературной установки, в которой реализуется цикл с детандированием, регенерацией холода и работы. Численное исследование эксергетических параметров установки с теплообменником-регенератором и без теплообменника проведено на примере системы термостатирования 11Г369 для различных рабочих тел, отличающихся термодинамическими свойствами. Применение в низкотемпературной установке теплообменника-регенератора позволяет существенно повысить эксергетический кпд.
Ключевые слова: теплота, работа, низкотемпературная установка, регенерация, компрессор, детандер, теплообменник-регенератор, эксергетический КПД.
Тема эксергетического анализа и понятия эксергии была введена З. Рантом в 20 веке и до сих пор не теряет своей актуальности. Учеными проводились исследования регенерации энергии в форме теплоты (холода) и работы, которая может быть использована для повышения эксергетической эффективности в тепловых машинах [1-7]. В работе [41 подробно рассмотрены основные термины и расчетные формулы при энергетической (эксергетической) оценке различных криогенных установок. Однако, существуют работы, в которых отмечается, что наиболее рациональным при рассмотрении низкотемпературных систем является энтропийно-статистический метод [5-6]. Авторами [7] отмечается, что методики расчета эксергетического анализа низкотемпературных и криогенных систем недостаточно проработаны, в отличии от исследований высокотемпературных процессов. Вводится понятие совокупной изолированной системы, включающей исследуемую техническую систему и окружающую среду. Таким образом, возможно рассчитать процессы, происходящие в рассматриваемой изолированной системе, и определить значение эксергии при любой температуре.
При рассмотрении регенеративного принципа энергообмена в термодинамических циклах очевидно, что это связано с внутренним энергообменом между прямым и обратным потоками рабочего тела. В прямых циклах используется регенерация теплоты, которая способствует увеличению эксергии прямого потока за счет отработавшего в цикле обратного потока, вследствие чего увеличивается максимальная температура цикла и соответственно его работа. В обратных циклах используется регенерация холода, т.е. обеспечивается внутренний теплообмен между обратным холодным потоком низкого давления и прямым теплым потоком высокого давления в специальном теплообменнике-регенераторе. В результате этого холод в цикле получают на более низком температурном уровне. Как в первом, так и во втором случае эксергетический КПД цикла увеличивается.
Регенерация работы не так очевидна. В холодильных компрессорно-детандерных установках, детандерно-компрессорных, обратных циклах Стирлинга предполагается, что реализуется регенерация механической энергии, так как работа расширения детандера непосредственно может быть использована для работы сжатия компрессора. С учетом того, что энергообмен в этих устройствах внутренний и не связан с внешними электромеханическими потерями, они получаются более компактными и экономически более выгодными. В качестве примера оптимальной регенерации теплоты, холода и работы можно привести прямой и обратный циклы Стирлинга. Циклы Стирлинга обладают высокой степенью эксергетического совершенства.
Численное исследование проведено на примере низкотемпературной установки, в которой реализуется цикл с детандированием, регенерацией холода и работы.
Принципиальная схема низкотемпературной установки и цикл, который реализован в Т-з координатах, представлены на рис. 1 и 2.
Процессы, которые будут рассматриваться в данной статье при работе низкотемпературной установки, представлены на рис.2 и имеют следующее назначение:
1-2' - адиабатное сжатие в компрессоре К1 от давлениярг до давлениярз;
2'-2 - изобарный отвод теплоты в холодильнике Х1;
2-3 - изобарный отвод теплоты в теплообменнике-регенераторе ТР;
3-4 - изоэнтропное расширение рабочего тела в детандере Д;
4-5 - изобарный отвод теплоты от охлаждаемого объекта в теплообменнике нагрузки ТН;
5-6 - изобарный нагрев рабочего тела низкого давления в теплообменнике-регенераторе ТР;
6-1' - адиабатное сжатие обратного потока в компрессоре К2;
1'-1 - изобарное охлаждение рабочего тела с давлением р2 до температуры окружающей среды.
Рис. 1. Принципиальная схема низкотемпературной установки с регенерацией: К1 - основной компрессор; Х1 - концевой холодильник компрессора К1; ТР - теплообменник-регенератор; Д - детандер; ТН - теплообменник нагрузки; К2 - дополнительный компрессор; Х2 - концевой холодильник компрессора К2;
Дв - двигатель
Рис. 2. Изображение цикла низкотемпературной установки в 7-\ координатах
В установившемся режиме холодильная установка работает следующим образом. Газ с давлением рг и температурой Т1 подается на вход в компрессор К1. В процессе сжатия в компрессоре давление и температура газа увеличиваются до величинырз и Тг (процесс 1-2'). Проходя через теплообменник Х1 газ охлаждается до температуры Т1 и направляется в теплообменник-регенератор ТР, в котором охлаждается до температуры Тз (процесс 2'-3) и поступает в детандер Д. В детандере газ высокого давления изоэнтропно расширяется с совершением внешней работы до давления р1 (процесс 3-4), при этом его температура уменьшается до величины То. В процессе 4-5 холодный газ направляется в теплообменник нагрузки ТН, где нагревается до температуры Тз за счет подвода теплоты от охлаждаемого объекта, и подается как обратный поток в теплообменник-регенератор ТР. В теплообменнике-регенераторе ТР обратный поток отдает теплоту прямому потоку газа (процесс 5-6) и с температурой Т1 направляется на вход в компрессор К2. В компрессоре газ сжимается до давления рг (процесс 6-1') и после охлаждения в теплообменнике Х2 поступает на вход в компрессор К1. Далее все процессы повторяются.
Согласно рис.2 удельные холодопроизводительности низкотемпературных циклов с регенерацией (6-1'-1-2'-2-3-4-5-6) и без регенерации (6-2"-2-4'-6) будут отличаться на количество теплоты, эквивалентное площади б-4'-4-в, а удельная работа цикла с регенерацией работы меньше, чем без регенерации, таким образом эксергетиче-ский КПД цикла с регенерацией работы больше, чем цикла без регенерации [8-10].
Численное исследование проведено на примере системы термостатирования РКК 11Г369.
В качестве рабочих тел при исследовании рассмотрены воздух и метан со следующими параметрами:
давление (см. рис. 2): р1 = 0,1 МПа; рг = 0,283 МПа; рз = 0,8 МПа;
газовые постоянные и коэффициент адиабаты: Кв = 287,1 Дж ; Км = 578,27 Дж ; кв = 1,4; км = 1,31.
кг К кг К
Значение температур согласно рис. 2 представлены в табл. 1.
Суммарная работа сжатия цикла с регенерацией работы определяется как
£ = £ + (1) 412
где согласно [2]
4р1 = я?
= ЯТ;
к-1
к-1 ПГ
-1
к -1
к-1
' Р2 V"
Р1
- 1
(2)
(3)
Значения температур в узловых точках цикла системы термостатирования
Таблица 1
Рабочее вещество Т1 = Тг= Тб Т2. Т2„ II 5Г3 Т4 Т4"
Параметр К
Воздух 300 403,7 543,4 270 149 165,6
Метан 300 383,6 490,7 270 165 183,4
Работа сжатия цикла без регенерации [2] рассчитывается как
- ,к-1 "
4 = я? к
к-1
' Рз V к
Р1
-1
(4)
Результаты численного исследования работы сжатия циклов для двух рабочих тел с регенерацией и без регенерации представлены в табл.2. Экономия работы за счет введения регенерации составляет для низкотемпературной установки на воздухе - 14,7 %, на метане - 12,2 %.
Величина работы сжатия с РТО и без РТО
Таблица 2
Рабочее вещество —-— ' С 4 !р 'к 4 А!
——— " Параметр кДж/кг кДж/кг кДж/кг кДж/кг кДж/кг
Воздух 104,34 104,34 208,68 244,61 35,93
Метан 183,39 183,39 366,78 417,69 50,91
Удельная холодопроизводительность цикла без РТО [2] равна
Ч0- = /6 - /4.. (5)
Удельная холодопроизводительность цикла с РТО равна
Чо = /5 - /4. (6)
Эксергия холодопроизводительности циклов по средней температуре холодного потока Тср одинакова [2, 4] и определяется как
т - Т4
ср 1\
еЧо = Чо
где согласно [2, 4]
Тср
V сР 7
(7)
т = Тз + Т0 и Т = Чо + Т ср 0 1 о - _ -'З-
2
Работа цикла с регенерацией будет равна без регенерации
4р = £ -<
!бр = !к Ч0'.
(8) (9)
Таблица 3
Итоговые расчетные значения основных параметров низкотемпературного цикла_
Рабочее вещество —— ___—— Параметр Ч0, кДж/кг Т), К Т К ср' р , кДж/кг Ч0 !, кДж/кг Пе
Воздух с РТО 121,9 391,17 330,6 11,28 86,78 0,13
без РТО 105,14 374,51 322,3 7,27 139,47 0,052
Метан с РТО 222,8 372,58 321,3 14,08 143,98 0,098
без РТО 198,4 361,34 315,7 9,87 219,29 0,045
Эксергетический КПД можно определить следующим образом:
с регенерацией работы:
= уЧ (10)
'ср
без регенерации работы:
пбр =у^ (11)
Анализируя результаты численного исследования, представленные в табл.3, видно, что эксергетический КПД цикла с регенерацией работы больше, чем цикла без регенерации. За счет использования регенерации работы возможно повысить эксергетический КПД более чем на 50 % (при работе на воздухе на 60 %, при работе на метане на 54 %).
На основании вышеизложенного можно резюмировать следующее:
при эксергетическом исследовании низкотемпературных установок с регенерацией работы и без регенерации работы существенное влияние оказывают свойства рабочего вещества, а именно показатель адиабаты и газовая постоянная.
применение регенерации работы позволяет достичь повышения эксергетического КПД более чем на 50 %.
Список литературы
1. Архаров А.М. Криогенные системы: учебник. М.: Машиностроение, 1996. 576 с.
2. Дзитоев, М.С. Криогенная техника и системы термостатирования: учеб. / М.С. Дзитоев, М.М. Пеньков, А.А. Кожанов, И.В. Наумчик, А.В. Шевченко, В.В. Мартынов - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2012. 351 с.
3. Теплотехника: учебник для вузов / под общ. ред. А.М. Архарова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 876 с.
4. Бродянский В.М., Тащина А.Г. Методика расчета схем криогенных установок. Рефрижераторы и ожижители. Конспект лекций. М.: МЭИ, 1972. 85 с.
5. Архаров А.М. О некоторых особенностях термодинамического анализа низкотемпературных систем // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер Машиностроение, 2010. С. 29-40.
6. Архаров А.М. Почему эксергетический вариант термодинамического анализа нерационален для исследования основных низкотемпературных систем // Холодильная техника, 2011. № 10. С. 8-12.
7. Степанова В.С. Методы определения эксергии теплоты для исследования низкотемпературных и криогенных процессов. / В.С. Степанова, Т.Б. Степанова, Н.В. Старикова // Системы Методы Технологии. Методы определения, 2018. № 2 (38). С. 63-69.
8. Веретельник Т.И. Эксергетический анализ химико-технологических систем // Вестник ЧДТУ, 2008. № 1. С. 192-195.
9. Нестерчук Е.С. Эксергия и эксергетический баланс термодинамических процессов // Вестник молодых ученых ИВГУ, 2001. № 1. С. 122-125.
10. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / под ред. А.А. Долинского, В.М. Бро-дянского. Киев: Наукова думка, 1991. 360 с.
Дзитоев Марат Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Татаренко Юлия Валентиновна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. ФМожайского,
Лашко Руслан Олегович, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF THE PROPERTIES OF THE WORKING BODY OF A LOW-TEMPERATURE PLANT WITH COLD REGENERATION AND OPERATION ON ITS EXERGETIC CHARACTERISTICS
M.S. Dzitoev, J. V. Tatarenko, R.O. Lashko
At present, entropy analysis does not lose its relevance when considering low-temperature systems. The paper presents a schematic diagram of a low-temperature plant in which a cycle with expansion, cold regeneration and work is implemented. A numerical study of the exergy parameters of the installation with a heat exchanger-regenerator and without a heat exchanger was carried out using the example of a 11G369 thermostating system for various working fluids that differ in thermodynamic properties. The use of a heat exchanger-regenerator in a low-temperature plant can significantly increase the exergy efficiency.
Key words: heat, work, low-temperature plant, regeneration, compressor, expander, heat exchanger-regenerator, exergy efficiency.
Dzitoev Marat Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Tatarenko Yulia Valentinovna, candidate of technical sciences, docent, lavrtat@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
414
Lashko Ruslan Olegovich, adjunct, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 621.7.09
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-415-416
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТЯХ КОЛЛЕКТОРА
А.А. Королев, А.В. Королев, В.В. Жалнин
Предложена математическая модель формирования дискретного микрорельефа на поверхности коллекторов электродвигателей постоянного тока. Микрорельеф формируется путем протягивания абразивной ленты между обрабатываемой поверхностью и прижимным роликом. Целью нанесения данного микрорельефа является снижение износа в коллекторной паре, так как в процессе ее работы созданные впадины дискретного микрорельефа заполняются графитом, что снижает трение между щетками и коллектором. Определены математическое ожидание и СКО глубины отпечатков от зерен в зависимости от основных влияющих факторов: зернистости абразивной ленты, силы ее прижима к обрабатываемой поверхности, твердости обрабатываемого материала, упругости материала ленты.
Ключевые слова: дискретный микрорельеф, накатка, глубина впадин, вероятностные параметры, моделирование.
Постановка проблемы. Одним из важнейшим фактором выхода из строя электродвигателей постоянного тока является изнашиваемость щеток при взаимодействии с коллектором. Поэтому задача уменьшения трения между щетками и коллектором является основополагающей для повышения работоспособности электродвигателей. Как показали многочисленные исследования [1-4], на трение и износ щеток влияют множество различных факторов, в число которых входят и различного рода деформации и адгезионые свойства материалов и многие другие. Но, к сожалению, до сих пор не существует какого-либо единственного объяснения теории износа электрощёток при взаимодействии их с коллектором электродвигателей.
Цель статьи. В данной статье предлагается математическая модель формирования дискретного микрорельефа с замкнутым контуром способом протягивания абразивной ленты относительно обрабатываемой поверхности, позволяющая определить глубину и ее среднее квадратическое отклонение отпечатков на обрабатываемой поверхности абразивных зерен.
Изложение основного материала. Как показали эксплуатационные испытания, нанесение на поверхность коллектора микродвигателей дискретного микрорельефа в виде замкнутых углублений существенно повышает их долговечность и надежность [11]. Для дальнейшего развития этого направления повышения работоспособности электродвигателей постоянного тока предложен эффективный способ нанесения дискретного микрорельефа и математическая модель процесса его формирования.
Сущность способа заключается в следующем (рис.1).
Абразивная шкурка с рабочим рельефным слоем 3, изготовленная в соответствии со стандартом ГОСТ 5009-82 [5] располагается между используемым прижимным роликом 2 и выбранной заготовкой 1 (рис.1 а).
Процесс формирования дискретного микрорельефа состоит из 2-х этапов:
- На первом этапе происходит прижатие абразивной шкурки 3 к поверхности заготовки 1 с заданной силой Р так, что абразивные зерна шкурки 3 создают на обрабатываемой грани углубления (микровпадины) с соответствующей глубиной к Процесс обработки поверхности заготовки 1 выполняется специально подобранной по ширине шкуркой 3 (рис.1 б);
- На втором этапе осуществляется протягивание используемой шкурки между заготовкой 1 и роликом 2 с подачей S. Важной особенностью данной части процесса является свободное вращение объектов 1 и 2 вокруг своих осей, несмотря на действие сил трения. Зерна рабочего рельефного слоя заготовки абразивной шкурки, протягиваемой вдоль заготовки, формируют замкнутые углубления с соответствующим шагом а. Окончанием данного этапа и процесса формирования поверхности в целом является осуществление заготовкой полного оборота;
После завершения 2-х этапов происходит отвод прижимного ролика 2 от заготовки 1 и удаление абразивной шкурки 3 из рабочей области. Удаляемая шкурка может быть использована повторно. Следующим процессом дальнейшей обработки может быть заполнение, созданных углублений специальным антифрикционным материалом.
Для расчета получаемой глубины к образованных углублений, мы должны учесть тот фактор, что она зависит от многих случайных факторов. Для ее определения рассмотрим геометрию взаимодействия зерна с коллектором (рис.2).
Из рис. 2 видно, что
к - (а - с) - (и-Л), (1)
где а - диаметр зерна; и - величина его деформации при проникновении в обрабатываемую деталь (коллектор); Л -толщина подложки абразивной ленты; с - расстояние между рабочей поверхностью прижимного ролика и обрабатываемой поверхностью заготовки.
Из полученной формулы (1) можно сделать вывод, что существует зависимость величины упругой деформации абразивного зерна и от глубины вдавливания зерна в обрабатываемую поверхность ^ определить которую можно при помощи выражения [6], характеризующего деформацию зерен под действием внешней силы:
и - 2Р Л 2\ (2)
г • Е•kXl 415
