CC BY
17УДК 621.59(083)
А. И. П р и л у ц к и й, М. А. М о л о д о в, Е. И. Борзенко, И. К. Прилуцкий
РАБОТА ПОРШНЕВОГО ПАРОЖИДКОСТНОГО ДЕТАНДЕРА ПРИ КОЛЕБАНИЯХ ДАВЛЕНИЯ В ВЫПУСКНОМ ТРАКТЕ
Приведены результаты численного анализа работы высокооборотного многорядного парожидкостного поршневого детандера форсированного по частоте вращения вала и средней скорости поршня. Численный эксперимент базируется на использовании программы расчета, учитывающей реальность рабочего вещества, конечность объемов полостей, примыкающих к цилиндру, и фазовые переходы в течение рабочего цикла. Показана принципиальная возможность повышения на 25-30% массового расхода детандера при оптимизации геометрических параметров элементов выходного тракта и сохранении значения расчетного изоэнтропного коэффициента полезного действия. Приведены результаты оценки интенсивности процессов теплообмена на различных участках рабочего цикла.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: поршневой детандер, парожидкостной рабочий цикл, выхлопной тракт, колебания давления, численный эксперимент, оптимизация, реальность рабочего вещества, теплообмен, фазовые переходы, эффективность, массо-габаритные показатели.
Работа машин объемного действия (МОД) сопровождается колебаниями давления в элементах газовых трактов, примыкающих к рабочему цилиндру. В поршневых компрессорах колебательные процессы в линии всасывания могут сопровождаться повышением производительности. Такой эффект достигается при акустическом наддуве ступени I сжатия, когда при определенном сочетании параметров всасывающего тракта (диаметра d, длины трубопровода /тр и объема впускной полости давление в цилиндре в момент закрытия всасывающих клапанов становится выше давления всасывания рц1 > рвс. Это способствует увеличению массы всасываемого газа за цикл, а следовательно, и повышению производительности компрессора. Подобный эффект может быть достигнут и в поршневых детандерах при рациональном использовании колебаний давления в выпускном тракте.
На рис. 1 приведены схема детандерной ступени (штриховая кривая) и схематизированные процессы в цилиндре (штрих-пунктирная линия) и выпускной камере (сплошная кривая). За исходный принят рабочий цикл 1-2-3-4-5-6-1 в координатах р-ц>, без колебаний давления в выпускной полости (штриховая) при объеме выпускной полости Ук ^ ж>.
В соответствии с теорией поршневых детандеров, при наличии колебаний давления в выпускной полости массовый расход газа за один
л_
ОООФООО=-К----
Рис. 1. Схематизация конструкции и рабочих процессов прямоточной ступени детандера
рабочий цикл (Мц) и в единицу времени (m) определяется уравнениями:
мц = М3 - М5 « М2 - М5 (1)
и
m = Мц n, (2)
где М2, M3 и М5/ — массы газа в цилиндре в процессе расширения (М2 ^ М3) и в момент закрытия выхлопных окон (М5/) на обратном ходе поршня; n — частота вращения вала.
Предварительный расчетный анализ показал, что колебания давления на входе в детандер при продолжительности процесса наполнения Ti_2 ~ С2 = 62/6Л = const не приводят к существенному изменению отношений давления в процессах расширения (р2/р3) и выхлопа (р3/р4) и масс газа в точках 3 и 5 рабочего цикла, а следовательно, не способствуют заметному изменению массового расхода m и конечной температуры газа Тк за детандером.
В случае колебаний давления в выпускном тракте картина меняется качественно: при определенных сочетаниях длины 1тр и диаметра d выпускного трубопровода и объема выпускной камеры Ук можно добиться выполнения условия р5/ ^ рк. При одинаковой продолжительности процесса наполнения массы газа в точках 2 и 3 рабочего цикла сохраняются (М2 ^ М3 = const), а масса газа, остающаяся в цилиндре в конце процесса вытеснения, снижается до М5 = f (р5/ I), что ведет к увеличению производительности детандера m = (М3 — М5> \)и и
отношения давлений в процессе выхлопа р3/р5< при сохранении отношения давлений р2/р3 в процессе расширения.
В качестве объекта исследования выбран поршневой парожидкост-ный детандер, содержащий прямоточную ступень с самодействующим впускным клапаном и с золотником на выхлопе. В седле впускного клапана установлены толкатели, срабатывающие в случаях существенного понижения давления рабочего вещества в начале процесса обратного сжатия р5/. Исследуемый детандер выполнен на форсированной по средней скорости поршня высокооборотной базе 6У0.5, использование которой априори способствует улучшению удельных массогабаритных показателей агрегата. Указанные в табл. 1 основные параметры детандера рн, рк, Тн и т приняты идентичными паспортным параметрам турбодетандера ДГ-1/0.4, входящего в состав ВРУ К-0.25. Мощность, передаваемая на вал турбодетандера (вращающийся с частотой 150 тыс. об/мин), безвозвратно теряется в масляном тор-
Таблица 1
Геометрические и режимные параметры парожидкостного детандера Дж-6У0.5-5-0.6 (Рабочее вещество — воздух)
Параметр Обозначение, Значение
ед. измерения
Диаметр цилиндра Вц, мм 34
Ход поршня £п, мм 98
Относительный ход поршня в процессе наполнения С2 = /^п 0,246
Относительное мертвое пространство а, % 22
Частота вращения вала п, об/мин 1500
Средняя скорость поршня сп = 2Б'п, м/с 4,9
Начальное давление рн, МПа 5
Конечное давление рк, МПа 0,6
Начальная температура Тн,К 168
Начальная энтальпия Лн, кДж/кг 365,08
Конечная энтальпия при изоэнтропном расширении , кДж/кг 306,85
Конечная температура
при изоэнтропном расширении Тк.s, К 90,7
Коэффициент интенсивности теплообмена к 0,5
Перемещение пластины /толкателя
впускного клапана Л-кл/Л-* 0,8/0,5
Зазоры в закрытом клапане и уплотнении поршня 5усл, мкм 0
Интегральные параметры детандера на номинальном режиме работы
Массовый расход рабочего вещества m, кг/ч 1400
Мощность, передаваемая на вал (Жв = Жиндпмех) NB, кВт 18,5
Конечная температура рабочего вещества Тк,К T — T -'-к к.0
Изоэнтропный КПД герметичной ступени r/s 0,88
мозном устройстве, что следует отнести к недостаткам турбодетанде-ров данного конструктивного исполнения.
Большинство существующих математических моделей рабочих процессов МОД и созданных программ расчета основаны на допущении об идеальности рабочего вещества. В данном случае в условиях отрицательной начальной температуры газа Тн и высокого давления газа на входе в детандер рн начальная плотность реального рабочего вещества (воздуха) отличается от аналогичного параметра для идеального газа в 1,3 раза. В связи с этим для анализа рабочих процессов в элементах детандера Дж-6У0.5-5-0.6 была использована универсальная прикладная программа КОМДЕТ-М [1], предусматривающая возможность расчетного исследования компрессорных (КОМ) и де-тандерных (ДЕТ) ступеней на стадии проектирования. В программе учитываются реальные свойства рабочего вещества, колебания давления во входном и выходном трактах и фазовые переходы на отдельных участках цикла.
На первом этапе численного эксперимента была поставлена задача: проанализировать корректность использования упрощенных математических моделей (рабочее вещество — идеальный газ) при изучении колебательных процессов в выпускном тракте парожидкостных детандеров. Полученные результаты приведены в табл. 2 и на рис. 2 и 3.
В результате анализа авторы выявили следующее:
1. При допущении об идеальности газа при заданных режимных параметрах не наблюдается фазовых переходов в течение всего рабочего цикла.
2. При учете реальности газа на участках цикла "жр-4-5-жс" степень сухости рабочего вещества х < 1. В точке жр процесса расширения 2-жр-3 рабочее вещество с массой М3 начинает переходить из газового состояния в парожидкостное. За время процессов выхлопа и вытеснения масса М3 уменьшается до значения М5/ < М3, а степень сухости достигает минимального значения (х ^ ХтШ). В точке жс процесса сжатия 5-жс-6 заканчивается обратный фазовый переход рабочего вещества М5/ из парожидкостного состояния в газообразное, т.е. к началу открытия впускного клапана рабочее вещество в цилиндре находится в газообразном состоянии.
3. При заданной жесткости и одинаковом предварительном натяге пружин впускного клапана ко = 3мм (см. табл.2, варианты В1 и В3) допущение об идеальности рабочего вещества приводит к резкому увеличению (в 1,71 раза) относительного хода поршня в процессе наполнения С2 = Б2/$п (см. рис.2, 3), что влечет за собой изменение номера гармоники колебаний давления в выпускном тракте (№гарм), амплитуды колебательных процессов (А) и практически всех интегральных параметров детандера: т, N„„„1, Тк, ц3 и др.
Таблица 2
Параметры детандера Дж-6У0.5-5-0.6 при заданных режиме работы, свойствах рабочего вещества и геометрии выпускного тракта = 200 %, /-тр.вып = 295 мм, ¿тр.вып = 20 мм)
Параметр Ед. Свойства рабочего вещества (воздух)
измерения Идеальный газ Реальный газ
№ варианта - В1 В2 В3
Ло мм 3 2,08 3
№ гармоники 3 3 2
С2 0,4208 0,2460 0,2460
С3/С5 0,8577/0,8571
С 0,0050
Р1 МПа 5,000 5,000 4,864
т К 170,8 171,6 168,7
т > т 107,4 - (Тк>Тк.8) --90,7 99,0- (Тк >Тк.8) --90,7 98,68-(Тк — Т™)--98,68
Р2 МПа 4,271 4,312 4,167
т2 К 162,6 163,3 160,4
Рз МПа 2,049 1,320 1,253
Тз К 131,3 115,7 111,0
Р4 МПа 0,891 0,778 0,596
Т4 К 103,1 99,8 98,6
Р5 МПа 0,446 0,489 0,488
т5 К 84,4 87,3 95,9
Р6 МПа 4,064 4,457 3,682
Тб К 160,6 166,0 154,8
Мз 5,208 3,807 4,881
М5 г 1,765 1,873 2,166
АМз_5 3,443 1,934 2,715
ТОх кг/ч 309,81 174,06 244,4
К.у нм3/мин 4,2869 2,4085 3,3802
^инд.1 АЛн-к п кВт 5,186 3,305 3,491
кДж/кг 0,784(пт) 0,892(пт) 51,36/58,22 0,882(ns)
хд - - - 0,945
^ц.ср Дж -1,3463 -0,5504 +0,2098
Рис. 2. Свернутые индикаторные диаграммы детандера Дж-6У0.5-5-0.6:
----табл. 2, В1;----табл. 2, В2;--табл. 2, В3
р>
\г V (Л ll II 6ч
\ \ \ * \ \ \ \ \ /1 /Л / / //
р\ \ \ \ \з ■л // // п и /ГС
\з \Р \ 1 \ А cd // /ж
У К "Ч ^ 5 ......... N .
4 1 1*. ъг* _ ✓ 5 "'
О 45 90 135 180 225 270 ф, градусы
0 45 90 135 180 225 270 Ф, градусы
Рис. 3. Развернутые индикаторные диаграммы детандера Дж-6У0.5-5-0.6:
----цилиндр; - • - ---выпускная полость (табл. 2, В1);--цилиндр;......
— выпускная полость (табл. 2, В3)
4. Сравнение вариантов исполнения ступеней детандера при постоянном относительном ходе поршня в процессе наполнения С2 = 0,246 (см. табл. 2, варианты В2 и В3) показывает, что и в этом случае допущение об идеальности рабочего вещества приводит к существенным количественным и качественным изменениям параметров детандера (см. рис. 2 и 3). В частности, наряду с изменением номера гармоники и амплитуды колебаний давления и температуры положительное при реальном рабочем веществе среднее значение подведенной за цикл
теплоты (^ц ср = +0,2098 Дж) при идеальном рабочем веществе меняется по величине и знаку и сопровождается значительным изменением интегральных параметров.
Таким образом, использование математических моделей, основанных на допущении об идеальности рабочего вещества, не гарантирует достоверности результатов расчета текущих и интегральных параметров парожидкостных детандеров и сделанных на их основе выводов.
Исходя из этого, приведенные далее результаты численного эксперимента были получены с помощью модернизированной прикладной программы КОМДЕТ-М, учитывающей реальные свойства газа в рабочей камере и в примыкающих к ней элементах ступени, колебательные процессы во впускном и выпускном трактах и фазовые переходы на отдельных участках рабочего цикла.
В общем случае частота и амплитуда колебаний давления в выпускном тракте зависят от свойств криоагента, режима работы детандера (рн, рк, Тн, п), геометрических параметров выпускного тракта (Ук, £тр.вып, ^тр.вып) и продолжительности процесса наполнения. С учетом отмеченных факторов в ходе численного эксперимента дискретно изменялся один из трех указанных параметров выпускного тракта при сохранении остальных параметров постоянными. При заданном режиме работы детандера (см. табл. 1) с учетом номинальной силы принятой при проектировании базы Рб = 0,5 т максимально возможный диаметр цилиндров был принят равным = 34 мм.
Воспользовавшись эмпирической зависимостью
0,4£ц < 4р.вх(вых) < 0,6£ц, (3)
предложенной в работе [2], при Ьтрвып = 0 находим близкий к оптимальному диаметр выходного патрубка ступени детандера ¿трвып = = 20 мм, при котором текущее давление в выхлопной камере в момент закрытия выхлопных окон становится равным заданному конечному давлению р5 ~ рк (рис. 4).
Выполненный авторами статистический анализ показал, что в существующих конструкциях МОД соотношение объема цилиндра Ун и примыкающих к нему полостей Упол лежит в диапазоне УЛол /Ун = = 50... 500 %.
Данные рекомендации учитывались в ходе планирования и проведения второго этапа численного эксперимента, целью которого являлось:
1. Изучение влияния объема выпускной полости на частоту и амплитуду колебаний давления и температуры в выпускном тракте детандера и их взаимосвязи с текущими и интегральными параметрами детандера.
Рис. 4. Текущие параметры рабочего вещества в выпускной полости паро-жидкостного детандера Дж-6У0.5-5-0.6 (воздух — реальный; = 200 %;
^вып.тр = 0; ^вып.тр = const):
---— dXp = 10 мм; — — dXp = 15 мм;--= 20 мм;......— ^ок;------
Рк = 0,6 МПа
2. Обоснование рекомендаций по оптимальному проектированию элементов выпускного тракта детандеров с парожидкостным рабочим циклом.
При отрицательной температуре газа на входе в детандер Тн = = —1050C (168 K) и заданных начальном и конечном давлениях (см. табл. 1) на отдельных участках рабочего цикла возникают фазовые превращения, связанные с переходом рабочего вещества из газового
состояния в парожидкостное и обратно и характеризуемые текущим (х) или интегральным (хд) значением степени сухости рабочего вещества. В табл. 3 приведены результаты численного анализа работы прямоточной детандерной ступени с объемом входной полости У>х ^ то и с конечным объемом Ук выпускной камеры, который варьировался в диапазоне Упол/Ун = 50... 500 % при постоянных диаметре ^вых и длине Ьвыптр выпускного трубопровода. Ступень укомплектована самодействующим нормально открытым впускным клапаном с вмонтированными в седло толкателями, срабатывающими в случаях существенного понижении текущего давления рабочего вещества в начале процесса обратного сжатия (р5/ ^ рк), обусловленного колебательными процессами в выпускном тракте детандера.
Анализ результатов численного эксперимента, приведенных в табл. 3, позволяет сделать следующие выводы:
1. При заданных в табл. 1 режимных параметрах и свойствах рабочего вещества его конечная температура на выходе парожидкостного детандера остается постоянной и равной Тк = Тк з во всем рассмотренном диапазоне соотношений объемов выпускной полости (Увып) и цилиндра (Ун).
2. При различных сочетаниях ^вых, Ьвыптр и Увып возможно существование ряда вариантов исполнения выпускного тракта, близких к оптимальному, при гармониках колебаний, различающихся по частоте и амплитуде.
Оптимальным вариантам выпускного тракта, помеченным звездочкой, как и предполагалось, соответствуют минимальные давления в цилиндре в момент закрытия выхлопных окон р5 = 0,5±0,1 МПа при выполнении условия р5 ^ рк = 0,6 МПа.
В настоящем исследовании при С2 = 0,246, Ьвыптр = 295 мм и ^вых = 20 мм оптимальными можно считать варианты с относительным объемом выпускной полости Увып = 75 % (№гарм = 3) и 200% (№ гарм = 2), в которых достигается максимальный изоэнтропный КПД Пя = А^н-к/А^н-к.в = 0,88 в сочетании с максимальным расходом рабочего вещества т = 241±3 кг/ч, превышающим на 21,9% массовый расход детандера при отсутствии колебаний давления в выпускном тракте (см. табл. 3, столбец У.ьш = то).
В оптимальных вариантах снижение давления в точке 5 рабочего цикла р5 ^ влечет за собой незначительное уменьшение величины Нк что приводит к приращению разности энтальпий | ДЛ.н- к = — Нк ^ и, соответственно, к увеличению изоэнтропного КПД детандера (на 3,9%) по сравнению с вариантом без колебаний давления на входе и выходе ступени.
Таблица 3
Параметр« парожидкостного детандера Дж-6У0.5-5-0.6У при колебаниях
давления в выпускной полости переменного объема (рн = 5 МПа, Рк = 0,6 МПа, Тн = 168 К, п = 25 с-1, С3 = С5 = 0,8577, Ьвып.тр = 295 мм,
¿вых = 20 мм)
Параметр Ед. изме- Объем выпускной полости Увып, %
рения VBbm = то 50 75* 100 200* 300 400 500
Zитераций 40 20 (шаг расчета ^ 0,1 градуса)
■■-гармоники - 4 3 3 2 2 2 2
pi МПа 5,001 4,972 4,910 5,000 4,864 5,002 5,004 5,000
Ti 169,4 169,5 169,0 170,1 168,7 170,5 169,5 169,4
T -<- ст К 133,3 134,5 132,2 131,1 132,4 135,0 133,9 -
T = T 98,68
Сб 0,0149 0,0050 0,0536 0,0233 0,0161
С2 и const 0,2460 0,2460 0,2452 0,2452 0,2460 0,2444 0,2460 0,2460
Р2 МПа 4,178 4,177 4,181 4,178 4,167 4,180 4,174 4,174
T2 К 160,2 160,4 160,5 160,5 160,4 160,8 160,2 160,2
Рз МПа 1,255 1,252 1,251 1,251 1,253 1,248 1,253 1,254
T3 К 110,8 110,9 110,9 111,0 111,0 111,0 110,8 110,8
Р4 МПа 0,601 0,647 0,786 0,791 0,596 0,760 0,659 0,638
T4 К 98,7 99,7 102,6 102,7 98,6 102,1 100,0 99,6
Р5 МПа 0,624 0,520 0,507 0,590 0,488 0,739 0,647 0,628
T5 К 99,2 96,7 96,4 98,5 95,9 101,7 99,8 99,3
Рб МПа 4,740 3,990 3,855 4,737 3,682 4,737 4,738 4,740
T6 К 166,7 158,5 156,9 167,4 154,8 167,7 166,8 166,8
К.у нм3/мин 2,7723 3,2406 3,2943 2,9005 3,3802 2,2042 2,6642 2,7531
Мз 4,909 4,892 4,883 4,876 4,881 4,855 4,907 4,908
М5 г 2,682 2,289 2,236 2,546 2,166 3,085 2,766 2,697
ЛМз-5 2,183 2,603 2,647 2,330 2,715 1,770 2,141 2,211
т1.ц кг/ч 200,45 234,31 238,19 209,72 244,4 159,37 192,63 199,06
h /h Юн/ 11гк.в 365,08/306,86
ЛНн-к.з кДж/кг 58,22
Нк 315,68 314,10 313,58 315,37 313,72 317,96 316,33 316,06
ЛЛн-к 49,40 50,98 51,50 49,71 51,36 47,12 48,75 49,02
Фд.1 кВт 2,751 3,318 3,408 2,896 3,487 2,086 2,608 2,710
^инд.1 2,741 3,323 3,398 2,901 3,491 2,052 2,605 2,715
ЛРвып.п МПа - 0,24 0,54 0,36 0,32 0,34 0,15 0,105
ns 0,849 0,876 0,885 0,854 0,882 0,809 0,837 0,842
Хд 0,956 0,947 0,944 0,955 0,945 0,970 0,960 0,959
Q1-2=^нап -0,57 -0,55 -0,59 -0,61 -0,59 -0,55 -0,56
Q2-3 ^расш 0,0765 0,1004 0,0480 0,0223 0,0507 0,1070 0,0899
Q3-4 ^выхл 0,2462 0,2584 0,2439 0,2309 0,2384 0,2633 0,2523
Q4-5=^выт Дж 0,2285 0,2269 0,2199 0,2178 0,2110 0,2547 0,2368
Q5-б ^сжат 0,2772 0,3540 0,3195 0,2205 0,3338 0,2763 0,2871
Q6— 1 ^впуск -0,09 -0,03 -0,04 -0,05 -0,03 -0,19 -0,11
^ц.ср 0,1729 0,3518 0,2044 0,0322 0,2098 0,1590 0,1969
3. Холодопроизводительность детандера Q = m t •AhH-K t при колебаниях давления в выпускном тракте с оптимальными геометрическими размерами в рассматриваемых случаях возрастает на 24% (№гарм = 3) и на 27% (№°гарм = 2).
4. При заданной геометрии выпускного тракта (Ьвыплр и ¿вып.тр = = const) по мере увеличения объема выпускной полости снижается амплитуда колебаний давления Ар = f (Кып), а следовательно, и уровень вибраций детандерного агрегата и его комплектующих узлов. Вместе с тем рост объема Кып сопровождается увеличением внутренней теплообменной поверхности выпускной полости, что негативно отражается на температуре рабочего вещества на выходе детандера.
5. Самодействующий впускной клапан ступени детандера, работающей в условиях интенсивных колебаний давления в выпускном тракте, должен комплектоваться толкателями, обеспечивающими работоспособность ступени при переменных давлениях р5 < рк в процессе обратного сжатия.
6. Расчетная индикаторная мощность отдельного ряда детандера при Кып = 200 % составляет ^индЛ = 3,5 кВт. Поэтому при шестиряд-ной базе индикаторная мощность исследуемого детандера будет равна ^ивд.д = 21 кВт, что примерно вдвое меньше расчетной нагрузки базы 6У0,5. Следовательно, при увеличении относительного хода поршня в момент закрытия впускного клапана до рекомендуемых значений C2.max < 0,5 массовый расход воздуха через исследуемый парожид-костный детандер может быть увеличен примерно вдвое при сохранении конечной температуры рабочего вещества Тк = TK S и гарантии минимального изоэнтропного КПД на уровне nS = 0,72 ... 0,75.
Научный интерес, на взгляд авторов, представляют результаты оценки интенсивности процессов теплообмена в цилиндре паро-жидкостного детандера на отдельных участках рабочего цикла. При анализе приведенных на рис. 5 расчетных зависимостей необходимо учитывать следующие факторы:
• скорости обтекания газом внутренних поверхностей цилиндра практически одинаковы в детандерах различного исполнения, поскольку определяются заданным значением критерия скорости потока газа M ~ f (cnFn/F^), имеющего довольно узкий диапазон значений: 0,1 < M < 0,2;
• максимальная условная скорость газа (Жусл ~ 25... 30 м/с, см. рис.5,б) наблюдается в момент закрытия впускного клапана, когда сечение щели клапана при ~ 55° становится близким к нулю; на остальных участках рабочего цикла скорости газа снижаются и лежат в диапазоне от 5 до 14 м/с.
MM
0,4 0,2
J* жр
Жг
\ 1 1 1 1 1 1 if --- --- —V 1 п
1 1 1 1 1 1 ¡1 1 V - ^ок 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 ¡1 1 \ 1 \ 1 1 1
1 1 1 1 1 1 ¡1 1 Ii \ \ 1 i 1 1 1
а,
Вт/(м2-К)
400 200
60
2 Р
120
3 Жр
180 4
240
ф, градусы
жс с
а \ vi 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 □
/ / 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 А , W 1 1 1 1 1
/ ~~7 / / У I I 1 | 1 1 1 1 1 1 J Х- X 1 \ L
/ 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 " | 1 \ 1 1 1
OK'
СМ2
2 1 0
г г усл>
м/с
16
Ö, Дж
0 60 120 1 2 Р 3 Жр 4
180 240
б
Ф, градусы Жс С 6
-0,2 -0,4 -0,6
0ср.ц _\ 1 1 1 У У \/ «■■"II 1 1 Н— ч ! Ч 1
N. ,. — >: / \ ---- ; 1 1 1 1 11 • ! Ч 1
\ г / ' н 1 1 1 1 1 1 1 1 1 <1 —ц 1
\ ч ч у [ ч ( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 __1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 J_1
Nq, ВТ
-30 -70 -110 -150
О 60 120 180 240 ф, градусы
в
Рис. 5. Теплообмен в ступени детандера Дж-6У0.5-5-0.6 (табл. 2, В3)
• усредненный по внутренней поверхности цилиндра текущим коэффициент теплоотдачи а изменяется аналогично переменной по углу поворота вала ф условной скорости газа Жусл = f (ф). Отсюда следует, что при соблюдении условия M ^ const коэффициент теплоотдачи а слабо зависит от частоты вращения вала;
• время контакта рабочего вещества со стенками цилиндра обратно пропорционально частоте вращения вала т = 1/n, в то время как отношение продолжительности любого из процессов к времени цикла независимо от частоты вращения вала остается неизменным.
Совокупность указанных факторов предопределяет интенсивность процессов теплообмена на отдельных участках цикла (см. табл. 3 и рис. 5, в) и объясняет причины снижения влияния теплообмена на текущие и интегральные параметры парожидкостного детандера по мере увеличения частоты вращения вала.
Обобщая результаты выполненного численного эксперимента, можно сделать следующие выводы:
1. Рабочий цикл парожидкостного поршневого детандера при отрицательной начальной температуре криоагента характеризуется фазовыми переходами из газового состояния в парожидкостное в процессах расширения-выхлопа и обратным фазовым переходом в процессах выте снения-сжатия.
2. Характерной особенностью парожидкостных поршневых детандеров является постоянство конечной температуры рабочего вещества (Тк = Ткз) при различной продолжительности процесса наполнения.
3. Колебания давления в выпускном тракте поршневого паро-жидкостного детандера могут быть использованы для повышения на 25... 30% массового расхода криоагента при сохранении изоэнтроп-ного КПД на уровне, соответствующем номинальному режиму работы детандера.
4. При различных сочетаниях объема выпускной полости, длины и диаметра выпускного трубопровода возможно существование ряда вариантов исполнения выпускного тракта, близких к "оптимальному" при гармониках колебаний, различающихся по частоте и амплитуде.
5. Обоснование оптимальных геометрических параметров выхлопного тракта следует проводить на основе анализа результатов численного эксперимента, базирующегося на апробированных прикладных программах расчета, учитывающих реальные свойства рабочего вещества, конечность объемов присоединенных к цилиндру полостей и возможность прямых и обратных фазовых переходов в течение цикла.
6. Парожидкостные поршневые детандеры на базе 6У0.5-98-1500 при параметрах, приведенных в табл. 1, и С2 ^ 0,5 будут иметь следующие технико-экономические показатели: массовый расход воздуха т = 3000 кг/ч, Тк = Тк з, индикаторную мощность ^инд « 40 кВт и изоэнтропный КПД = 0,72 ... 0,75.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прилуцкий И. К., Прилуцкий А. И., Иванов Д. Н.,
Арсеньев И. А. Программа КОМДЕТ (Инструкция пользователю). Метод.
указания. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009.
2. Оптимизация рабочих циклов, конструкций ступеней и комплектующих
узлов компрессорных и расширительных машин объемного действия / И.К. Прилуцкий, А.И. Прилуцкий, Д.Н. Иванов и др. / Под ред. проф. Прилуцкого И.К.
Метод. указания. - СПб.: СПбНИУ ИТМОИХиБТ, 2012. - 58 с.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
