CC BY
90
УДК б21-«*21*12 А. П. БОЛШТЯНСКИЙ
Е. Ю. НОСОВ А. Г. КРАМОРОВ
Омский государственный технический университет
РАБОТА ГИДРОДИОДОВ В ЛИНИИ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ПОТОКОМ
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.
Создание высокоэффективной конструкции роторного насос-компрессора является достаточно актуальной задачей для холодильной, криогенной техники и других отраслей промышленности. Основными критериями для оценки его технического уровня остаются индикаторный и механический КПД, массогабаритные показатели, уравновешенность, технологичность, долговечность, надежность, экологические параметры (шум, вибрация).
Одним из путей повышения КПД компрессора является улучшение охлаждения поверхностей теплообмена рабочих полостей, что может быть достигнуто за счет органично встроенного в конструкцию компрессора жидкостного насоса, в качестве запорных органов которого используются гидродиоды [1]. Это позволяет сохранить быстроходность компрессора, т.е. его высокие массогабаритные показатели, при одновременном повышении КПД как за счет лучшего отвода теплоты от сжимаемого рабочего тела и снижения необходимого количества подаваемого в рабочую зону масла, так и за счет возможности уменьшения паразитных перетечек при более точном выполнении зазоров, что становится возможным в связи с меньшими тепловыми искажениями конструкции. В работе [4] приведена методика расчета гидравлической системы такого насоса.
Общей методики расчета гидродиодов в настоящее время не существует, что связано с неопределенностью их конструктивного исполнения, т.к. форма диода имеет много независимых геометрических параметров (отношение диаметров входной камеры и сопла, в общем случае угол наклона диафрагмы в прямом и обратном направлении, толщина диафрагмы, форма кромки сопла и т.д.). Расчет этих элементов, находящихся в стационарном потоке жидкости может быть проведен по методике, описанной в [2 - 4]. Результаты экспериментальной проверки этих расчетов приведены в [5].
Важной для данной конструкции системы охлаждения компрессора проблемой является тот факт, что все рекомендации по проектированию гидродиодов и объяснения их работы в имеющейся литературе приведены для стационарных потоков. В то же время
в рассматриваемой конструкции поток жидкости через гидродиоды является не только не стационарным, но еще и знакопеременным по вектору скорости.
Также существенной является задача определения возможного или оптимального последовательного расположения системы гидродиодов таким образом, чтобы каждый диод полностью выполнял свои функции. В уже упомянутой литературе на этот счет имеются рекомендации, в которых относительное расстояние, выраженное как частное от деления расстояния между диодами на сечение их большего диаметра, разнятся в несколько раз (от 8-10 до 50-100).
Очевидно, что изучение вопросов, связанных с двумя последними перечисленными обстоятельствами, в данном случае применительно к предложенной системе охлаждения РКсКР, являются наиболее актуальным. Следует также отметить, что теоретическое решение этих задач очень сложно, в связи с чем целесообразно провести данное исследование экспериментально в пределах конструкций и их геометрических размеров, которые могут быть непосредственно использованы при проектировании системы охлаждения РКсКР.
Целью данного исследования было проведение опытов по выяснению следующих вопросов:
1. Насколько отличаются расчетные значения прямого, обратного сопротивлений и диодности гидродиодов во всем возможном диапазоне их работы от значений, полученных в реальной гидролинии (очевидно, прежде всего, в зависимости от числа Рейнольдса).
2. Каковы соотношения между геометрическими размерами гидродиодов и дистанции, на которой они установлены в гидролинии, при которых характеристики гидродиодов соответствуют расчетным для единичного гидродиода.
3. В чем особенности использования гидродиодов в пульсирующем возвратно-поступательном потоке жидкости.
В связи с тем, что гидродиод должен встраиваться либо в корпусную часть компрессора, либо непосредственно в начальную часть теплообменного аппарата, естественно предположить, что его наиболее
оптимальной формой будет являться окружность, т.к. эта форма характерна как для каналов в корпусных деталях, так и для соединительных коммуникаций жидкостных систем.
Кроме того, круглые детали являются очень технологичными как с точки зрения их непосредственной обработки при изготовлении, так и с точки зрения инструмента для получения деталей такими высокопроизводительными методами, как обработка давлением.
Для исследования гидродиодов в нестационарном потоке жидкости, имеющем возвратно-поступательное движение, была спроектирована и изготовлена установка, схема которой показана на рис. 1.
Гидродиоды монтируются в прозрачных трубках 3 и фиксируются с помощью прозрачных дистанционных втулок, изготовленных из этого же материала (рис. 2). Такое исполнение позволяет наблюдать за потоком жидкости во время работы системы.
Гидродиоды получены штамповкой из медного листа толщиной 1 мм.
Перед началом исследований была проверена работоспособность установки, для чего в подающую трубку 3 (рис. 1) монтировались одиночные и сдвоенные гидродиоды с различными проходными сечениями и углами и на различных дистанциях I. Испытания проводились с частотой привода насоса пН = 540 мин-1. При этом было установлено следующее.
1. При отсутствии избыточного давления РН в полости 9 (рис. 1) для всех комбинаций размеров гидродиодов и дистанциях I их монтажа происходит постепенное (в течение 1- 2 мин) вспенивание рабочей жидкости, которое начиналось над поршнем насоса и распространялось по 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 цилиндра насоса без разрыва потока. При этом установлено, что при любых комбинаций размеров гидродиодов и дистанции их монтажа достаточно поддерживать давление РН > 0,2 МПа.
При проведении дальнейших экспериментов в полости 9 (рис. 1) всегда поддерживалось избыточное давление.
Исследования одиночного гидродиода в нестационарном потоке жидкости в целом подтвердили выводы, сделанные при испытаниях диодов в стационарном потоке жидкости, а именно — существует оптимальный угол конуса диода и оптимальное соотношение диаметров основания и верхней площадки усеченного конуса (отношение ю/П или П/ю). Кроме того, эффек-
Рис. 1. Схема установки для исследования динамических характеристик гидравлических диодов: 1. Цилиндр. 2. Поршень. 3. Трубка с диодами прямого потока. 4. Трубка с диодами обратного потока. 5. Соединительные трубки - имитатор теплообменника компрессора. 6. Шкалы для определения перепада высот. 7. Кран. 8. Манометр. 9. Газовая полость. 10. Кривошипно-ползун-ный механизм. Электродвигатель привода не показан
Рис. 2. Схема установки гидродиодов в трубках 3 и 4 (рис. 1): 1. Гидродиод. 2. Прозрачная дистанционная втулка.
3. Прозрачная монтажная трубка
тивность работы одиночного диода, так же как и в случае стационарного потока, увеличивается с ростом Re (в данном случае при анализе использовалось значение максимальной величины — ReMдX). Некоторые результаты экспериментов показаны на рис. 3 и 4.
При проведении этих экспериментов гидродиоды устанавливались как в ветвь прямого, так и в ветвь обратного потока (рис. 1). Заметной разницы в результатах не обнаружено.
Перепад Л определялся визуально. При этом на каждой из двух шкал 6 (рис. 1) замечалась верхняя и нижняя граница положения жидкости при ее колебаниях, после чего находилась средняя арифметическая величина Л. При каждом установившемся режиме производилось не менее пяти подобных измерений. За истинную величину принималась средняя арифметическая величина измерений. Эта методика использовалась при обработке результатов и всех последующих опытов.
Следует отметить, что при проведении данных экспериментов измеренные величины Л отклонялись
к, ии
100
75
50
р = 45?
р=б0° р = 30й
О
150
3000
450
Кеыл!!
Рис. 3. Зависимость полученного перепада высот Ь от максимального числа Рейнольдса ReMдX при разных углах в единичных гидродиодов, имеющих ю = 4,5 мм (О/ю = 1,56)
100
75
50
ГУш = 2,33 Л/«) = 1,56
' ГУш= 1,27
1500
3000
4500
Рис. 4. Зависимость полученного перепада высот Ь от максимального числа Рейнольдса ReMдX при в = 450 для разных отношений О/ю для единичных гидродиодов
работы сдвоенных гидродиодов после их взаимного удаления на величину, превышающую восьмикратное отношение Ь/О.
Здесь уместно попытаться объяснить это обстоятельство возможным наличием дополнительного эффекта взаимного влияния гидродиодов. Для этого следует рассчитать объем жидкости Ум, находящийся между гидродиодами на расстоянии 1м = 56 мм, соответствующем максимальному эффекту их работы:
Рис. 5. Зависимость полученного перепада высот Ь от расстояния L между сдвоенными гидродиодами при в = 450 и О/ю = 1,56, пН = 540 мин-1
от принятых за истинную величину не более чем на 5-7%.
Для экспериментального исследования сдвоенных гидродиодов в нестационарном потоке жидкости были выбраны гидродиоды с углом в = 600 и отношением О/ю = 1,56 (О = 7 мм, ю = 4,5 мм). В экспериментах участвовало два гидродиода, установленные в ветви прямого потока. Минимальное расстояние между гидродиодами было равно нулю (один гидродиод устанавливался непосредственно над другим), максимальное — 224 мм.
Некоторые результаты опытов показаны на рис. 5.
Приведенные результаты очень хорошо согласуются с ранее полученными данными при испытании гидродиодов в стационарном потоке жидкости [5], когда было установлено, что сумма переходных зон между двумя гидродиодами составляет около 6-8 максимальных поперечных размеров гидролинии (в данном случае — от пяти до восьми величин О).
Значительный интерес представляет в данном случае явление постепенного, заметного и устойчивого (но не определяющего) снижения эффективности
Результат оказывается Ум = 2154 мм3. Определим теперь объемную производительность насоса УН за один ход:
Г'н= 0,»-яЧЛ^-Л^ 4846,6 ммэ=
где ОП = 21 мм (диаметр поршня), = 14 мм (его полный ход).
Отношение (УН/УП) = 2,25, близко к двум, т.е. почти равно количеству гидродиодов.
Как видно из работ [2 - 4] действие диафрагменно-го резистивного диода основано на том, что прямой поток практически не испытывает дополнительного сопротивления и определяется в основном площадью проходного сечения отверстия диафрагмы.
Обратный поток сопровождается делением, при котором часть жидкости закручивается в обратном направлении, образуя зоны устойчивого вихря и препятствует потоку, в результате чего его живое сечение существенно уменьшается, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления [3].
Однако это объяснение справедливо только для установившегося режима течения и не учитывает явлений, происходящих в некоторый момент времени, который можно считать начальным, т.е. момент, в который только начинается движение жидкости, и в котором режим течения неустойчив.
Наиболее вероятно, что при смене направления движения, особенно в обратном потоке, имеет место струйный эффект, когда при формировании потока и его делении часть жидкости, закручиваясь у препятствия, динамически действует на ту часть потока, которая продолжает движение близко к его оси (рис. 6). В этом случае происходит временное дополнительное сужение потока.
Для максимального использования этого эффекта с целью увеличения сопротивления обратному потоку жидкости, само время его действия должно быть равно времени одного хода поршня насоса. Это условие выполняется в том случае, если объем жидкости, взаимодействующий с парой гидродиодов, будет близок к объему жидкости, проходящей через насос за один ход поршня. То есть отношение УН/УП должно быть близко к двум, что и выполняется при I и 1м .
С учетом полученных выше результатов, проведены опыты с гидродиодами с углом в = 600 и отношением О/ю = 1,56 (О = 7 мм, ю = 4,5 мм), лН = 540 мин-1, установленными в ветви прямого потока в количестве N на дистанции 56 мм. Результаты опыта показаны на рис. 7.
Рис. 6. Предполагаемая схема течения жидкости между парой гидродиодов в начальный момент времени после смены направления движения потока: а — часть потока, препятствующая течению, б — часть потока, пытающегося пройти через гидродиод
Рис. 7. Зависимость создаваемого перепада от количества гидродиодов, установленных в прямом потоке (пунктирной линией обозначена ожидаемая зависимость)
Рис. 8. Зависимость создаваемого перепада Ь2 от количества гидродиодов, установленных в обоих потоках, N - количество гидродиодов в каждом из двух потоков
(пунктирной линией показан ожидаемый характер зависимости)
Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что зависимость создаваемого перепада давления от числа последовательно установленных гидродиодов имеет слабо выраженный параболический характер.
В то же время можно было ожидать, что эта зависимость окажется практически линейной. Однако само отклонение экспериментально полученного графика от прямой линии лежит в пределах погрешности эксперимента.
На втором этапе данных исследований были проведены опыты с парами таких же гидродиодов,
устанавливаемых в обоих потоках. То есть в каждый поток одинаковые гидродиоды устанавливались парами — один гидродиод в прямой поток, один — в обратный и т.д. Частота вращения привода насоса также составляла 540 мин-1.
Результаты экспериментов показаны на рис. 8.
Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что зависимость развиваемого устройством перепада давления Ь от количества гидродиодов практически линейное.
Сравнение данных, показанных на графиков рис. 7 и 8, позволяют заметить, что установка гидродиодов во второй (обратный) поток по количеству, равному числу гидродиодов в первом (прямом) потоке не привела к автоматическому удвоению результата, хотя отношение перепадов давления (Л2/Л1) практически одинаково во всем диапазоне чисел диодов и составляет примерно 1,7 вместо ожидающихся 2,0.
Учитывая опыт проведения экспериментов со стационарным потоком жидкости [5], это отклонение следует отнести к влиянию характеристик всей гидролинии на получаемые результаты.
Библиографический список
1. Патент РФ № 2305207 С1. Ротационный компрессор /А.П. Болштянский, Е.Ю. Носов; Заявка № 2005135596/06; Заявлено 16.11.2005; Опубл. 27.08.2007. Бюл. № 24.
2. Лебедев И. В., Трескунов С. Л., Яковенко В С. Элементы струйной автоматики. М.: Машиностроение, 1973. — 360 с.
3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 464 с.
4. Щерба В.Е., Носов Е.Ю., Болштянский А.П. Применение гидродиодов в системе охлаждения форвакуум — насоса с катящимся ротором/ Вакуумная техника и технология. Материалы XIII науч. технич. конф. с заруб. участием. М.: МГИЭМ, 2006. С.114 — 118.
5. Носов Е.Ю., Павлюченко Е.А. Интенсификация охлаждения ротационных компрессоров с катящимся ротором/ Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». № 10(48), декабрь 2006 г. С. 55 — 58.
БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
НОСОВ Евгений Юрьевич, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». КРАМОРОВ Александр Георгиевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
Дата поступления статьи в редакцию: 30.10.2007 г. © Болштянский А.П., Носов Е.Ю., Краморов А.Г.
