CC BY
12
- Технические науки -
РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ФАЗ РАБОТЫ КОМПРЕССОРОВ БЕЗДРОССЕЛЬНОЙ
ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
А.С. Кизуров, канд. техн. наук, старший преподаватель Государственный аграрный университет Северного Зауралья (Россия, г. Тюмень)
DOI: 10.24411/2500-1000-2020-11373
Аннотация. Для определения фаз работы компрессоров бездроссельной теплонасос-ной установки составлены 4 расчетные схемы, которые учитывают геометрические особенности кривошипно-шатунного механизма, время открытия и закрытия клапанов, координату поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала. К расчетным схемам введены ограничения для дальнейшего составления математических моделей. Результатом составления расчетных схем представлена аналитическая зависимость определения мгновенного значения координаты поршня цилиндра в зависимости от геометрии элементов кривошипно-шатунного механизма и от угла поворота коленчатого вала компрессора.
Ключевые слова: компрессор, хладагент, тепловой насос, клапан, фаза, кипение, конденсация, нагрев, охлаждение, испаритель, конденсатор, дроссель, ресивер.
Теплонасосная установка (ТНУ) - устройство, состоящее из компрессора, конденсатора, дросселя, испарителя, рабочего тела (хладон, фреон) и работающее по обратному циклу Карно с целью переноса тепловой энергии от менее нагретого тела (низкопотенциального источника теплоты) более нагретому телу (высокопотенциальному источнику теплоты) за счет работы компрессора. ТНУ является одним из представителей холодильной машины, предназначенной для переноса тепла в направлении градиента температуры (в сторону увеличения). К конструктивным особенностям современных ТНУ относятся наличие рекуперативного теплообменника и ресивера.
Многообразие современных ТНУ объединяет конструктивная особенность - наличие дросселя (устройство для снижения давления рабочего тела в процессе движения через сужение с последующим расширением). Наличие дросселя вносит ограничения в регулировании режимов работы ТНУ.
В большинстве случаев регулирование параметров работы ТНУ осуществляется посредством включения и выключения компрессора, при этом его производительность во включенном состоянии остается неизменной, как и производительность
дросселя. Такой принцип регулирования обеспечивает поддержание заданных давлений в контурах нагрева и охлаждения (как следствие температур испарителя и конденсатора) в номинальных диапазонах.
Применение инверторного привода компрессора (изменение производительности) при неизменном сечении дросселя при водит к одновременному изменения давлений как в конуре нагрева, так и в контуре охлаждения (как следствие температуры испарителя и конденсатора изменяются) в определенной зависимости, т.к. объем системы и масса рабочего тела остаются неизменными.
Таким образом современные конструкции и принципы регулирования ТНУ не позволяют осуществлять независимое регулирование температур испарителя и конденсатора в соответствии с требованиями некоторых технологических процессов.
Для устранения этого недостатка (независимого регулирования температур нагрева и охлаждения) разработано устройство - бездроссельная теплонасосная установка (БТНУ). Конструкция БТНУ лишена дросселя, взамен него установлен второй компрессор [1, 2].
При такой схеме, когда компрессор выполняет либо работу сжатия, либо работу
Технические науки -
разряжения с соблюдением требуемого изменения давления и расхода рабочего тела, необходима система управления фазами (открытие/закрытие клапанов от угла поворота).
Существующие компрессоры холодильного оборудования либо не имеют возможности изменения фаз открывания и закрывания клапанов. На основании вышеуказанных предпосылок была сформулирована цель: Описание фаз работы компрессора бездроссельной теплонасосной установки.
Для достижения цели были сформулированы Задачи:
- составить расчетные модели определения фаз работы компрессоров бездроссельной теплонасосной установки;
- сформулировать аналитическую зависимость координаты поршня от угла пово-
рота для определения фаз работы компрессоров бездроссельной теплонасосной установки.
Расчетная модель определения фаз работы компрессоров бездроссельной ТНУ
Конструкция бездроссельной теплона-сосной установки рассмотрена в нескольких публикациях [1-8].
Отличительной особенностью БТНУ является наличие двух контуров, разделенных компрессорами, таким образом для поддержания установившегося режима работы БТНУ достаточно поддерживать равную производительность компрессоров по массе. Допустив симметрию системы (равенство объемов контура нагрева/охлаждения, равенство поперечного сечения трубок в контурах) составим часть расчетной схемы:
Рис. 1. Часть расчетной схемы расчета фаз работы компрессора
Расчетной схемой (рис.1) предусмотрено движение поршня, что приводит к изменению объема системы на величину ёУ, при этом цилиндр компрессора сообщается с объемами VI и У2 посредством клапанов, которые должны обеспечивать ре-
гулируемое управления с целью вариации ёУ. Примеры управления клапанами рассмотрим на фазовой диаграмме работы компрессора (рис. 2) при движении рабочего тела из области с объемом У1 в область с объемом У2.
Рн - область с пониженным давлением; Рв - область с повышенным давлением Рис. 2. Фазовая диаграмма работы компрессора
- Технические науки
Рис. 3. Расчетная схема определения изменения объема ёУ
Изменение объема ёУ при условии постоянства давления (открыт только один клапан) описывается расчетной схемой (рис. 3) на примере поршневого компрессора.
При рассмотрении расчетных схем следует внести ограничения:
- впускной клапан открывается в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ);
- закрытие выпускного клапана осуществляется в момент, когда поршень находится в ВМТ;
- изменение давления происходит, когда оба клапана закрыты, при теплопередача не осуществляется (соотношение газообразная фаза/жидкая фаза не изменяется);
- открытие выпускного клапана осуществляется, когда давление внутри цилиндра и в сообщающемся объеме равны;
- объем цилиндра компрессора в ВМТ равен 0.
Расчетная схема определения координаты поршня от угла поворота представлена на рис.4.
/fC ь
НМТ х(ф) ВМТ у О рТф) 100
Рис. 4. Расчетная схема определения координаты поршня (доли объема) в зависимости от угла поворота коленчатого вала компрессора
На основании отдельных составных частей расчетной схемы определения фаз работы компрессора БТНУ (рис. 1-4) были составлены аналитические зависимости.
Аналитические зависимости определения координаты поршня для определения фаз работы компрессоров бездроссельной ТНУ
х(ф) = г(С0Бф
Согласно рис.4 при угле ф=180 градусов цилиндр находится в положении нижней мертвой точки (НМТ) и его координата х(180)=1-г, а при угле 0 градусов (ВМТ) координата принимает максимальное значение х(0)=1+г.
Выводы. Составленные расчетные схемы определения фаз работы, составленные
При составлении аналитической зависимости были введены следующие ограничения:
- длина плеча 1 (рис. 4) больше хода поршня;
- в расчетах введена величина к=1/г, при этом к>2.
Аналитическое выражение определения координаты поршня:
д/к2 — соз2ф)
для поршневого компрессора бездроссельной теплонасосной установки с криво-шипно-шатунным механизмом, предназначены для составления аналитических зависимостей, в частности определения координаты поршня в зависимости от угла поворота.
- Технические науки -
Библиографический список
1. Юрицин С.А., Кизуров А.С., Лапшин И.П. Бездроссельная теплонасосная установка. Свидетельство о государственной регистрации патента на изобретение RUS 2614133 от 22.03.2017 г.
2. Кизуров А.С. Бездроссельная теплонасосная установка с регенеративным теплообменником. Свидетельство о государственной регистрации патента на полезную модель RU 198970 U1 от 05.08.2020 г.
3. Юрицин С.А. Регулирование параметров теплонасосной установки / С.А. Юрицин, А.С. Кизуров // Вестник ГАУ Северного Зауралья. - 2014. - №6-5 (86). - С. 82-85.
4. Юрицин С.А., Кизуров А.С., Лапшин И.П. Математическая модель переходных процессов в компрессоре теплонасосной установки // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. - 2016. - №3. - С. 115-122.
5. Лапшин И.П., Кизуров А.С., Юрицин С.А., Шарутин Н.А. Обоснование принципиальной схемы бездроссельной теплонасосной установки // В сборнике: Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции. Материалы I Всероссийской научно-практической конференции. - 2017. - С. 13-16.
6. Юрицин С.А., Кизуров А.С., Лапшин И.П. Предпосылки обоснования конструктивных параметров и режимов работы теплонасосного оборудования // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. - 2017. - № 2 (37). - С. 121-127.
7. Кизуров А.С., Климин А.А. Методика расчета параметров рабочего цикла бездроссельной теплонасосной установки // В сборнике: Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения. Сборник материалов LIV Студенческой научно-практической конференции, посвящённой 75-летию Победы в Великой Отечественной войне. 2020. С. 462-467.
8. Kizurov A.S. Modernization of the heat pump installation for drying wheat // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614(1), 012068.
CALCULATION DIAGRAMS OF THE PHASES OF OPERATION OF THE HEAT PUMP UNIT COMPRESSORS WITHOUT A CHOKE
A.S. Kizurov, Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer Northern Trans-Ural State Agricultural University (Russia, Tyumen)
Abstract. To determine the phases of operation of the compressors of the without a choke heat pump installation, 4 calculation schemes have been drawn up, which take into account the geometric features of the crank mechanism, the time of opening and closing the valves, the coordinate of the piston depending on the angle of rotation of the crankshaft. Restrictions are introduced to the calculation schemes for the further compilation of mathematical models. The result of the compilation of calculation schemes is the analytical dependence of determining the instantaneous value of the cylinder piston coordinate depending on the geometry of the elements of the crank mechanism and on the rotation angle of the compressor crankshaft.
Keywords: compressor, refrigerant, heat pump, valve, phase, boiling, condensation, heating, cooling, evaporator, condenser, choke, receiver.
