CC BY
31
УДК 621.56:036:532 Е. Ю. НОСОВ
Ю. А. БУРЬЯН
Омский государственный технический университет
ПУЛЬСАЦИОННЫЙ МИКРОРАСХОДНЫЙ НАСОС В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ АППАРАТОВ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА ГАЗОВЫХ КРИОГЕННЫХ МАШИН
В статье рассматривается конструкция микрорасходного насоса с гидродиодами в качестве запорного элемента, предназначенного для охлаждения аппаратов внешнего теплообмена газовых криогенных машин микрокриогенной техники. Приводятся результаты экспериментальных работ, показавших возможность создания такого насоса.
Экономичность работы газовой криогенной машины (ГКМ), работающей, например, по циклу Гиф-форда - Мак-Магона, зависит от эффективности действия всех ее агрегатов, и, в том числе, аппаратов внешнего теплообмена.
Размеры и масса ГКМ микрокриогенной техники зачас тую играют первостепенную роль, в связи с чем па них накладываются жесткие ограничения, не дающие возможность иметь развитые поверхности теплообмена с внешней средой. Решение этой проблемы возможно путем применения жидкостной системы охлаждения. Однако такая система должна иметь мик-рорасходный насос, который не может быть достаточно миниатюрным, если использовать традиционные схемы насосов объемного и динамического действия, требующих встроенного электропривода с вращательным движением.
Одним из возможных вариан тов миниатюризации источника давления охлаждающей жидкости является использования конструкции насоса, использующего в качестве запорных элементов проточных резистивных гидродиодов, исследование которых нача то работой [ I). Предвари тельные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в стационарном потоке жидкости гидродиоды обладают реальной способностью оказывать разное сопротивление потоку жидкости, двигающемуся в противоположном направлении.
Использование гидродиодов позволяет создать конструкцию жидкостного микрорасходного насоса, включенного в замкнутую систему охлаждения, показанную на рис. I.
Периодическая подача напряжения на обмотку электромагнита вызывает пульсирующее возвратно-поступательное движение поршня (якоря электромагнита) и, следовательно, изменение объема рабочей полости. Таким образом, образуется пульсирующий поток, который, в связи с разным сопротивлением гидродиодов при протекании жидкости в противоположных направлениях, начинает пульсирующее движение в направлении, показанном стрелками. Проходя по трубопроводу гидролинии 5, жидкость охлаждается, а попадая в рубашку б, о гнимаеттеплогу от аппаратов внешнего теплообмена ГКМ.
С целью проверки вышеописанной гипотезы работы гидродиодов в пульсирующем по токе была созда-
Рнс. 1. Схема вибрационного микрорасходного насоса системы охлаждения: 1. Цилиндр из немагнитного материала. 2. Поршень (якорь электромагнита). 3. Пружина возврата. 4. Обмотка электромагнита. 3. Гидролиння-теплообменннк системы охлаждения. 6. Рубашка системы охлаждения аппарата внешнего теплообмена ГКМ. 7. Байпасная линия. 8. Рабочая полость
на экспериментальная установка, моделирующая работу подобного насоса (рис. 2). Работа электромагнитного привода поршня моделировалась кривошипно-ползунным механизмом, приводимым от электродвигателя со сменными шкивами.
Для точного измерения частоты вращения механизма 10 (рис. 2) привода поршня 2 использовался индукционный датчик, представляющий собой мно-говитковую катушку индуктивности (2100 витков провода ПЭЛ-0,1) со стальным сердечником диаметром 8 мм, исполняющую роль статора генератора переменного тока и закрепленную па раме установки, и одного постоянного магнита, закрепленного привода, и выполняющего функцию магнитного возбуждения электрического тока в катушке (рис. 3). Показания с датчика передавались через АЦП на экран монитора ПЭВМ.
Гидродиоды монтируются в прозрачных трубках 3, выполненных из бесцветного органического стекла (плексигласа), и фиксируются с помощью прозрачных дистанционных втулок, изготовленных из этого же материала (рис. 2). Такое выполнение позволяет наблюдать за потоком жидкости во время работы системы.
> Иясос
Им = уя г
Рис. 2. Схема установки для исследования динамических характеристик гидравлических диодов в пульсирующем потоке: I. Цилиндр. 2. Поршень. 3. Трубка с диодами прямого потока. 4. Трубка с диодами обратного потока.
5. Соединительные трубки - имитатор гндролинии и теплообменника аппарата внешнего теплообмена ГКМ.
6. Шкалы для определения перепада высот. 7. Кран.
8. Манометр. 9. Газовая полость. 10. Кривошнпно-ползунный механизм
Рис. 3. Схема установки индукционного датчика: 1. Неподвижная стойка. 2. Обмотка. 3. Сердечник (выполняет функцию крепления обмотки). 4. Магннтопровод в виде болта крепления магнита. 5. Постоянный магнит в виде шайбы
Перед началом исследований была проверена работоспособность установки, для чего в подающую трубку 3 (рис. 4) монтировались одиночные и сдвоенные гидродиоды с различными проходными сечениями и углами и на различных дистанциях I. Испытании проводились с частотой привода насоса пн = = 400 мин"'. При этом было установлено следующее.
1. При отсутствии избы точного давления Рп в полости 9 (рис. 2) для всех комбинаций размеров гидро-диодов и дистанциях £их монтажа происходит постепенное (в течение 1—2 мин) вспенивание рабочей жидкости, которое начиналось над поршнем насоса и распространялось но всему объему гидравлической схемы. При этом невозможно было визуально установить наличие или отсутствие перепада уровня рабочей жидкости по шкалам 6. Просмотр слайдов, полученных при фотографировании жидкости в районе шкал 6. также не дал положительных результатов. Это явление следует объяснить существенными силами инерции, действующими на жидкость при ее возвратно-поступательном движении, что приводит к отрыву столба жидкости от поршня насоса и возникновению кавитационных процессов.
2. Подача избыточного давления в полость 9 позволила избежать вспенивания жидкости, т.к. при ходе поршня насоса вниз этого давления оказывалось достаточно для проталкивания жидкости в объем ци-линдра насоса без разрыва потока. При этом установ-
I лено, что при любых комбинаций размеров гидроди-
Рис. 4. Схема установки гидродиодов в трубках 3 н 4 (рис. 2): I. Гидроднод. 2. Прозрачная дистанционная втулка. 3. Прозрачная монтажная трубка
А, мм
900
600
300
100
/ — »=540 ими'1
// п„= 400 ми |
п 1«290 1 .ян1
1 2 3 4 5 Л/д.игт
Рис. 5. Зависимость перепада давления Л, полученного за счет вибрационного насоса при установке гидродиодов в количестве Л7Д в одной (нагнетательной) линии при следующих размерах: Э = 45°, <о = 3 мм. Рабочая среда - масло «Индустриальйое20|»г температура 300 °С
одов и дистанции их монтажа достаточно поддерживать давление Рп > 0,3 МПа.
Некоторые результаты испытаний показаны на рис. 5. Из полученных графиков хорошо видно, что эффективность работы насоса существенно зависит от количества гидродиодов и частоты возвратно-поступательного движения поршня. В частности, увеличение частоты движения поршня приводит к значительному росту перепада давления, создаваемого насосом, и в то же время смещает оптимальное количество гидродиодов в меньшую сторону. Последнее объясняется тем, что одновременно увеличение эффективности работы гидродиодов с увеличением их количества в линии, показанное в [ 1 ], приводит к росту сопротивления линии, в которой они установлены. В то же время при проведении данного эксперимента сопротивление линии всасывания оставалось минимальным, т.к. в ней отсутствовали гидродиоды, и жидкость практически пульсирует в большей степени именно в этой «пустой» линии, не испытывая действия гидродиодов. Установка гидродиодов в обеих линиях позволяет увеличить получаемый насосом перепад давления с увеличением количества гидродиодов. Увеличение размера со и увеличение угла £ позволяет переместить максимум эффективности насоса в сторону большего количества гидродиодов.
При проведении экспериментальных работ также было уст ановлено существенное влияние дистанции между гидродиодами одной линии на эффективность их работы.
Таким образом, экспериментальные исследования позволили установить, что предложенная конструк-
ция вибрационного насоса может быть успешно использована в миниатюрных конструкциях микрокриогенной техники для интенсификации процессов о твода теплоты в аппаратах внешнего теплообмена, т.к. полученные перепады давления вполне достаточны для прокачки жидкости через полости теплообменников.
Библиографический список
1. Щерба В.С.. Носов Е.Ю., Болштяискнй А.П. Применение гидродиодов в системе охлаждения форвакуум-насоса с катя-
щимся ротором/ Вакуумная техника и технология. Материалы XIII Науч.-технич. конф. с заруб, участием. М.: МГИЭМ. 2006. С.114-118.
НОСОВ Евгений Юрьевич, преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления».
Статья поступила в редакцию 15.09.08 г. ©ЕЮ. Носов, ЮА Бурьян
Книжная полка
Попов, С. А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин [Текст] : учеб. пособие для втузов / С. А. Попов, Г. А. Тимофеев ; под ред. К. В. Фролова. - 6-е изд., стер. - М. : Высш. шк., 2008. - 456, [ 1 ] с. : рис. - (Для высших учебных заведений). - ISBN 978-5-06-005952-6.
В книге изложены общие методы проектирования механизмов и основы механики машин и приборов различного назначения; расчеты даны с использованием аналитических и графических методов, приведена методика составления алгоритмов и применения стандар тных подпрограмм вычислений на ЭВМ.
Минин, Л. С. Расчетные и тестовые задания по сопротивлению материалов [Текст] : учеб. пособие для вузов по дисциплине «Сопротивление материалов» / Л. С. Минин, В. Е. Хроматов, Ю. П. Самсонов ; под ред. В. Е. Хроматова. - 2-е изд., перераб. - М. : Высш. шк., 2008. - 221, [3] с. : рис., табл. -ISBN 978-5-06-005941-0.
Включены типовые задачи для самостоятельного решения по основным разделам курса сопротивления материалов: растяжение-сжатие стержней, расчеты на прочность и определение перемещений при изгибе плоских и прос транственных стержневых систем, устойчивость стержней, изгиб балок на упругом основании, расчет оболочек но безмоментной теории и осесимметрично нагруженных тел вращения, вращающихся валов. Для каждой задачи представлены по 24 расчетные схемы и таблицы числовых данных. Приведены примеры решения всех задач с использованием программного обеспечения MathCAD и задачи для текущего контроля знаний студентов в тестовой форме. К пособию может быть приложен CD с программами, соответствующими главе 2.
Соколовский, З.Н. Расчетно-графические работы по сопротивлению материалов в MS EXCEL [Текст] : учеб. пособие / 3.11. Соколовский, Е. П. Степанова, М. А. Федорова; ОмГТУ. - Омск, 2008. -78 с. : рис., табл.
Рассматриваются основные теоретические сведения, справочные .материалы и указания к выполнению на ПЭВМ расчетно-графических работ и домашних заданий по статике и динамике стержней и стержневых систем.
I lo вопросам приобретения — (3812) 65-23-69 Е mail: libdireclor® omíjlu.ru
Половинкин, А. И. Основы инженерного творчества [Текст] : учеб. пособие / А. И. Половинкин. -3-е изд., стер. - СПб. ; М. ; Краснодар : Лань, 2007. - 360, [1] с. : рис., табл. - (Учебники для вузов. Специальная литература). - Библиогр.: с. 349-351. - ISBN 978-5-8114-0742-2.
В учебном пособии изложены основные понятия инженерного творчества (функциональная структура, технический объект, физический принцип действия, критерии развития и др.), используемые в различных эвристических и машинных методах. Описаны наиболее распространенные эвристические методы, такие как мозговой штурм, метод эвристических приемов, морфологический анализ и синтез, функционально-стоимостной анализ. Приведены описания машинных методов поискового проектирования и конструирования, используемых для поиска улучшенных физических принципов действия и технических решений. Материал иллюстрирован на примерах из различных областей техники.
Зайцев, Г. Н. История техники и технологий [Текст] : учеб. для вузов по специальности «Экономика и управление на предприятии машиностроения» / Г. Н. Зайцев, В. К. Федю кии, С. А. Атро-шенко ; под ред. В. К. Федюнина. - СПб. : Политехника, 2007. - 414, [2] с. : рис. - (Учебник для вузов). -Имен, указ.: с. 402-407. - ISBN 978-5-7325-0605-1.
Изложена история развития техники и технологий от первобытного общества до конца XX в. Подробно рассмотрено развитие основных машиностроительных технологий в мире и в России со времен Древней Руси: ковка и штамповка, сварка, литье и обработка резанием и др.
