Работа газовой криогенной машины с микрорасходным компрессором в условиях ограниченной мощности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК и1-":"1-» А. П. БОЛШТЯНСКИЙ

П. Д. БАЛАКИН

Омский государственный технический университет

РАБОТА ГАЗОВОЙ КРИОГЕННОЙ МАШИНЫ С МИКРОРАСХОДНЫМ КОМПРЕССОРОМ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ

В статье рассмотрена возможность использования накопителя механической энергии для организации работы источника давления в микрокриогенной системе, работающей по циклу Гиффорда — Мак-Магона, обеспечивающего работу системы при ограниченной мощности. Приведена конструктивная схема системы, даны основные уравнения для оценки ее параметров на предпроектной стадии.

Одним из перспективных вариантов повышения ресурса работы газовых криогенных машин (ГКМ), работающих по циклу Гиффорда — Мак-Магона, является использование в их составе поршневого микрорасходного компрессора с газостатическим центрированием поршня (ПКГЦП) [1, 2]. Однако, как показали теоретические и экспериментальные исследования [3], экономичность такой конструкции существенно зависит от производительности, и при расходах около 1 м3/ч и ниже, характерных для объектов ГКМ, потери работы от утечек и на центрирование поршня могут достигать 30% от работы цикла. В то же время, увеличение производительности приводит к заметному росту экономичности ПКГЦП, и при расходах порядка 0,2 м3/мин и выше применение газовой смазки поршня становится обоснованной.

Однако при использовании компрессорных машин в автономно и длительно работающих системах, к которым часто относятся ГКМ, к ним предъявляются требования по жесткому ограничению подводимой мощности. В этом случае ПКГЦП может по данному параметру не только уступить основному конкуренту — компрессору с кольцами из самосмазывающихся материалов, но и вообще оказаться негодным в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями.

Повысить экономичность ПКГЦП (и весьма существенно) можно за счет увеличения диаметра цилиндра и производительности компрессора, применяя при этом различные методы регулирования последней. Однако при использовании любого метода регулирования производительности в качестве основного режима работы компрессора заведомо ухудшается его КПД. Таким образом, может оказаться, что, увеличив диаметр цилиндра, например, отжав пружины всасывающих клапанов, можно получить требуемую производительность при таком же низком КПД, какой имел компрессор при малом диаметре цилиндра.

Выходом из данной ситуации может послужить комбинированный метод регулирования производительности, при котором используется режим «пуск-останов» компрессора с одновременным изменением в небольших пределах частоты вращения приводного

вала вблизи точки оптимума. При этом можно использовать время остановки для накопления запаса механической энергии в маломощном приводе за счет применения инерционного аккумулятора.

Схема одноступенчатого ПК (система газостатического подвеса поршня условно не показана) для осуществления предложенного способа приведена на рис. 1, хотя в качестве примера может быть использован любой компрессор объемного действия с периодическим циклом изменения объема рабочей камеры, в том числе и ПКГЦП.

Компрессор работает следующим образом (рис. 1). При запуске избыточное давление газа в ресивере 8 отсутствует и мощности электродвигателя 14 хватает на полную раскрутку своего ротора, вала 13 и массивной части 12 муфты 11 в присоединенном к облегченной части 15 состоянии, поскольку реле 9 разомкнуто и коммутатор 10 поддерживает муфту 11 в замкнутом состоянии. При этом происходит постоянное вращение вала 16, в результате чего поршень 18 совершает возвратно-поступательное движение, изменяя объем полости 3, что приводит к попеременному всасыванию газа через клапан 5 и его нагнетанию через клапан 7 и полость 6 в ресивер 8.

При приближении давления нагнетания в ресивере 8 к некоторой заранее установленной величине (несколько большей давления потребителя — узла вытеснителя ГКМ) обороты двигателя 14 начинают падать в связи с его ограниченной мощностью, возросшим сопротивлением со стороны газовых сил, возникающих в процессе сжатия в полости 3, и потерей запаса энергии вращающихся масс. При достижении в ресивере 8 этого наперед заданного давления контакты реле 9 замыкаются, что приводит к размыканию силовых контактов коммутатора 10 и размыканию частей 12 и 15 муфты 11, в результате чего движение поршня 8 останавливается. При этом потребляемая компрессором мощность резко падает и двигатель 14, будучи постоянно подключенным к электрической сети, начинает раскручивать свой ротор, вал 13 и часть 12 муфты 11 до тех пор, пока его обороты не станут равны оборотам холостого хода. В этот момент

Рис. 1. Схема компрессора с комбинированной системой

регулирования производительности: 1. Картер. 2. Цилиндр. 3. Рабочая полость. 5. Всасывающий

клапан. 6. Полость всасывания. 7. Нагнетательный клапан. 8. Ресивер. 9. Реле давления. 10. Коммутатор. 11. Электромагнитная муфта сцепления. 12. Массивная приводная часть муфты. 13. Приводной вал. 14. Электродвигатель. 15. Пассивная облегченная часть муфты. 16. Коленчатый вал. 17. Шатун. 18. Поршень. 19. Палец. 20. Датчик частоты вращения

или чуть позже давление в ресивере 8 падает до номинального давления узла вытеснителя ГКМ в связи с постоянным истечением газа, контакты реле 9 размыкаются, а контакты коммутатора 10 замыкаются, подключая муфту 11 к источнику электроэнергии, в результате чего части 12 и 15 приходят в сцепленное состояние, передают вращение на вал 16, и поршень 18 начинает совершать возвратно-поступательное движение. Это движение происходит с постепенным замедлением в связи с ограниченной мощностью электродвигателя 14 и постоянным расходованием запаса энергии вращающихся масс.

Запаса энергии вращающихся масс и энергии, подводимой от электрической сети через двигатель 14, хватает на совершение работы сжатия массы газа, необходимой для устойчивого питания узла вытеснителя. При падении давления газа в ресивере 8 контакты реле 9 размыкаются и цикл работы повторяется.

Если потребитель начинает расходовать больше газа, чем это предусмотрено (например, в связи с потерей герметичности), обороты двигателя 14 падают до критических раньше, чем давление в ресивере 8 поднимается до нормы. В этом случае срабатывает датчик частоты вращения 20, передавая сигнал на размыкание коммутатору 10, который отключает часть 12 муфты 11 независимо от давления в ресивере 8, что предотвращает перегрузку двигателя 14 и потребление им из сети повышенного расхода энергии.

При размыкании муфты 11 двигатель 14 снова раскручивает вращающиеся массы при остановленном поршне 18, и цикл работы повторяется.

Очевидно, что при осуществлении вышеприведенного рабочего процесса должно выполняться равенство затрачиваемой и подведенной энергии:

где йБПРИВ - полное изменение энергии вращающихся масс, !ИЗ - полная изотермическая индикаторная работа компрессора за время т вращения двигателя.

Если предположить, что частота вращения приводного двигателя меняется по закону, близкому к линейному, то для вычисления величины 1ИЗ в первом приближении можно воспользоваться следующим выражением:

( 2 )

где Юидх и юшн - максимальная и минимальная частота вращения приводного вала под максимальной нагрузкой и на холостом ходу, 1УД - удельная (на 1 кг газа) изотермическая работа теоретического компрессора, затраченная на получение сжатого газа за один рабочий цикл; V - рабочий объем камеры сжатия компрессора; р - плотность всасываемого газа; т - отрезок времени, в течение которого двигатель вращается в присоединенном к механизму привода состоянии (муфта сцепления замкнута).

С другой стороны,

^ИВ - ^ЛПА"'

(3)

где йБМАХ - изменение энергии вращающихся масс, изменение энергии привода за счет энергии,

ЭДВ

подводимой от электродвигателя за время т.

аЕЕ.

(4)

(5)

где т - приведенная к радиусу г суммарная масса вращающихся частей.

Общую массовую секундную производительность компрессора определим как

М=УА- р

Юл

Юл

Т„ +Т

(6)

где тр - время разгона вращающихся масс при отключенном механизме привода, для определения которого запишем очевидное равенство:

(7)

Теперь можем получить уравнение равенства энергий:

Ат(% гУ (с

МАХ

■ СО

Чш

М=

К рч

ЭДВ

4 (я гУ ■ т ((О^^

(8)

(9)

-'МАХ / ' " ЩБ

Уравнения (8) и (9) можно решить одним из оптимизационных методов с наложением ограничений или методом простого перебора, задавая желаемые конструктивные и режимные параметры, и таким образом определить в первом приближении характеристики привода для осуществления способа ком-

бинированного регулирования производительности при ограниченной мощности N3^.

Библиографический список

1. Абакумов Л. Г., Деньгин В. Г., Кулиш Л. И. Исследование конструктивных схем газостатического поршневого подвеса компрессора// Химич. и нефтяное машиностр.-1993. - № 5. - С. 12-14.

2. Абакумов Л. Г., Деньгин В. Г., Кулиш Л. И. Влияние параметров газостатического поршневого уплотнения на работоспособность компрессора/ НПО «Криогенмаш». - Балашиха, Моск. обл., 1991. - 16 с. - Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш 02.08.91, № 2205-ХН91.

3. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 406 с.

БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и машин».

Дата поступления статьи в редакцию: 16.11.2007 г. © Болштянский А.П., Балакин П.Д.

УДК 621.56:621.59 В. Е. ЩЕРБА

П. Д. БАЛАКИН А. А. ГЛОТОВ

Омский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ КРИОГЕННОЙ МАШИНЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАКОНА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРШНЯ И ВЫТЕСНИТЕЛЯ

В статье рассматривается работа гидравлических диодов в системе жидкостного охлаждения ротационного компрессора при пульсирующем потоке жидкости. Описаны постановка задачи, конструкция экспериментального стенда, методика проведения опытов, результаты и их обсуждение.

Эффективность работы газовой криогенной машины (ГКМ) существенно зависит от постоянства скорости газа, проходящего через регенератор [1, 2]. Этого можно, в принципе, добиться в конструкциях машин, у которых во время выравнивания давлений (процессы впуска и выпуска) поршень останавливается в соответствующей мертвой точке, а во время хода движется с постоянной скоростью. Как утверждают авторы [1], ни один из известных механизмов не удовлетворяют указанным требованиям. В связи с этим в действительных машинах расход газа через регенератор не является постоянной величиной, и во время процессов впуска и выпуска расход в 2,5-3 раза превосходит среднюю величину.

На рис. 1 изображены некоторые схемы типичных конструкций ГКМ.

Подробное описание рабочих циклов этих машин приведено в работах [1, 2 и др.], а здесь важно подчеркнуть, что для перемещения поршня и вытеснителя должен использоваться механизм, обеспе-

чивающий их возвратно-поступательное движение. В конструкции «а» движение вытеснителя 3 синхронизируется с работой клапанов 6, в конструкции «б» движение вытеснителя 3 синхронизируется с движением поршня 2.

В последнем случае синхронизация обеспечивается приводом от единого коленчатого вала или от двух синхронизированных зубчатым зацеплением двух коленчатых валов. При этом кривошипы, приводящие в движение поршень и вытеснитель, повернуты один относительно другого на оптимальный угол для обеспечения рабочего цикла (обычно, от 700 до 900).

Помимо кривошипно-шатунного механизма используются также синхронизированные кулисные приводы, известны попытки предложить и оригинальные конструкции (см., например, [3]). Реальное применение последних неизвестно.

Поиск конструкций приводов возвратно-поступательного движения, в которых возможно было бы корректировать закон перемещения поршня, позволил