CC BY
17
УДК 62-97/-98 в. К. ВАСИЛЬЕВ
С. С. БУСАРОВ А. В. НЕДОВЕНЧАНЫЙ М. А. ЧИЖИКОВ Б. С. САЖИН
Омский государственный технический университет, г. Омск
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ БЕССМАЗОЧНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ ДЛЯ СЖАТИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ И КРИОГЕННЫХ ГАЗОВ
Авторами данной статьи р азработанна методика расчёта ра бочих процессов тихоходных длинноходовых поршневых ступеней, верифицированная при использовании в качестве рабочего тела — воздух. Полученные результаты позволили показать, что в тихоходных поршневых компрессорных агрегатах возможно сжатие газа до средних давлений в од ной ступени при у д ов летворении условия по допустимой температуре сжимаемого газа. В св язи с этим необходимо решить вопрос о возможности применения тихоходных ступеней при сжатии различных газов, в том числе и в холодильной и криогенной технике.
Ключевые слова: тихоходная ступень, криогенная техника, холодильные агенты, температура нагнетания.
Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований ЯРМЕР157715Х0203.
В настоящее время подавляющее число компрес- ходных длинноходовых ступеней с многоступенча-сорных агрегатов в качестве привода применяют тыми мембранными и поршневыми агрегатами и ана-
электродвигатели либо двигатели внутреннего сгора- лиза недостатков последних [1, 10, 12—14]. Исследу-
ния. Наиболее часто используемые компрессорные емые компрессорные ступени имеют менее напря-станции имеют частоту вращения коленчатого вала жённый температурный режим, меньшие массо-
более 12,5 об./с, т.е. время цикла составляет 0,08 с габаритные параметры, сниженные виброшумовые и менее [1, 2]. В предлагаемых же конструкциях характеристики, более высокий ресурс работы.
тихоходных ступеней применяется линейный привод, Также наборы из тихоходных ступеней могут позволяющий обеспечить параметр у=5й, где й — иметь различные компоновки, позволяющие раци-
диаметр цилиндра; 5 — ход поршня более 10 [3, 4]. онально разместить их в зависимости от конфигура-В существующих компрессорах общего назначения ции места размещения, что не так просто выполнить
данный параметр принимается в диапазоне 0,4 — 0,8 для рассмотренных выше мембранных и многосту-[4, 5]. Время цикла для рассматриваемых тихоходных пенчатых поршневых компрессоров.
ступеней т может составлять от нескольких десятых В данной работе поставлена задача определить
секунды до 2...6 с. возможность применения тихоходных длинноходо-
В данной работе на примере тихоходного длинно- вых ступеней ПК для сжатия различных по своим
ходового поршневого компрессора [6 — 8] рассмот- физическим свойствам газов. Параметрический ана-
рена возможность сжатия различных газов до давле- лиз выполнен по уточнённой методике расчёта рабо-
ния до 3 МПа в одной ступени. чего процесса [6].
< Проблема сжатия газа в одной ступени до боль- Параметрический анализ режимов охлаждения
ших давлений связана с недопустимым нагревом де- проводился для следующих газов: аммиак, пропано-
талей ступени и вопросами пожаро- и взрывоопас- бутановая смесь, гелий, водород. Были рассмотрены ности. Данная проблема известна давно и описана следующие режимы работы: диаметр цилиндра —
в различных источниках [1, 9—11]. 0,02 м; ход поршня — от 0,2 до 0,5 м; время цикла — Преимущества, которые можно получить, сжимая от 0,25 до 2 с. Тип цилиндро-поршневого уплотне-
газ в одной ступени, очевидны при сравнении тихо- ния — манжетное. Давление всасывания — 0,1 МПа;
о
Таблица 1
Свойства рабочих газов
Сжимаемый газ k Ср, кДж/(кгК) Cv, кДж/(кгК) р, кг/м3 при 20 °С 1, Вт/мК при 20 °С 1106, Пас при 20 °С
Воздух 1,4 1,006 0,717 1,204 0,025 18,1
Аммиак 1,31 2,24 1,709 0,769 0,026 10,0
Пропан 1,130 1,86 1,64 1,882 0,024 8,0
Водород 1,407 14,26 10,1 0,0899 0,18 8,8
Гелий 1,33 5,29 3,98 0,1785 0,136 19,46
Пропан-бутановая смесь 1,13 1,554 1,365 2,703 0,018 7,44
температура всасывания — 293 К; давление нагнетания до 3 МПа. Внешнее охлаждение цилиндра — интенсивное, с температурой окружающей среды — 293 К.
Поршневые манжеты могут быть выполнены из таких материалов, как «криолон 3», фторпласт 4. Данные материалы хорошо работают до температуры 160 °С, что соответствует 433 К [5]. Для определённости, в качестве определяющего параметра для оценки возможности применения того или иного газа в качестве рабочего тела в тихоходных длинноходо-вых поршневых ступенях принята средняя температура нагнетания. В табл. 1 представлены характеристики исследуемых газов.
Расчётная схема объекта исследования подробно описана в работе [3].
Основные допущения, принятые при выполнении расчётного анализа [1, 4, 9]:
1. Газовая среда непрерывна и гомогенна.
2. Моделируемые процессы обратимы, равновесны и квазистатичны.
3. Параметры состояния рабочего газа изменяются одновременно по всему объёму рабочей камеры.
4. Изменение потенциальной и кинетической энергии газа пренебрежимо мало.
5. Теплота трения поршневых уплотнений не подводится к газу.
6. Параметры состояния в полостях всасывания и нагнетания постоянны
7. Течение рабочего газа через газораспределительные органы и конструктивные зазоры принимается адиабатным и квазистационарным.
8. Теплообмен между газом и стенками рабочих полостей конвективный и может быть описан формулой Ньютона — Рихмана.
9. Теплообмен на внешних поверхностях стенок деталей, формирующих рабочую камеру, определяется при постоянном по времени коэффициенте теплоотдачи, выбранном для рассматриваемого участка теплообменной поверхности.
10. В стенках рабочей камеры отсутствуют внутренние источники тепла.
Определение нестационарных граничных условий на внутренних поверхностях стенок рабочей камеры ступени производятся путем расчета рабочего цикла ступени поршневого компрессора с использованием математической модели рабочих процессов этого цикла, базирующейся на общепринятой системе упрощающих допущений и основных расчётах уравнений, включающих уравнение закона сохранения энергии для тела переменной массы, уравнение мас-
сового баланса, уравнение состояния, следствие закона Джоуля для внутренней энергии газа, уравнения расхода газа через клапан и конвективного теплообмена между газом и стенками рабочей камеры. Математические модели компрессорной ступени такого типа классифицируются как модели второго уровня и широко применяются в практике исследования и проектирования компрессоров объёмного принципа действия [1].
Уравнение конвективного теплообмена между рабочим газом и стенками рабочей камеры, используемое применительно к внутренним поверхностям расчётных элементов, формирующих поверхности стенок рабочей камеры, определяет величину нестационарного циклического теплового потока между этими поверхностями и рабочим газом и, следовательно, взаимозависимые процессы теплопроводности через отдельные участки стенок рабочей камеры, параметры состояния рабочего газа и интегральные характеристики рабочего цикла.
Граничные условия на внешней поверхности стенок рабочей камеры носят слабопеременный характер, обусловленный малой амплитудой изменения температуры стенок за время рабочего цикла [4, 5] и практически постоянными параметрами охлаждающей среды. Комплексным параметром, характеризующим условия внешнего теплоотвода, является приведенный коэффициент теплоотдачи anp, а также температура охлаждающей среды.
В общем случае анализ формирования нестационарных температурных полей в стенках рабочей камеры может быть проведён путём решения заданной задачи теплопроводности для системы конструктивных элементов, формирующих рабочую камеру ступени, со взаимозависимыми быстроизменяющи-мися граничными условиями на внутренней поверхности стенок рабочей камеры, обусловленные характером изменения параметров состояния, поверхностей и теплофизических свойств газа, и с нестабильно изменяющимися граничными условиями внешней поверхности стенок рабочей камеры [11]. Разработанная методика расчёта реализована в программном пакете PASCAL.
Входными данными являются следующие величины: температура всасывания; давление нагнетания и давление всасывания; газовая постоянная; теплоёмкость газа; коэффициент теплопроводности; диаметр цилиндра; ход поршня; величина мёртвого объёма (мм); обороты коленчатого вала; характеристики материала из которого сделаны детали, образующие рабочую камеру (плотность; теплоёмкость; коэффициент теплопроводности); толщина стенок; площадь
Тер, К 540 520 500 480] 460
к33
440-
420 400380360340320-
3
i
2
5 1
0,2
0,3
0,4
05
S.m
Рис. 1. Зависимость средней температуры газа от хода поршня при давлении нагнетания Рн = ЗМПа и времени цикла т = 1 с: 1 — воздух; 2 — аммиак; 3 — гелий; 4 — водород; 5 — пропан-бутановая смесь
клапана; коэффициент расхода; коэффициенты теплоотдачи на внешних поверхностях по участкам.
Выходными данными являются следующие изменяющиеся по времени параметры: температура газа; давление газа; объём газа; температура элементов стенок рабочей камеры; масса газа в рабочей камере; тепловые потоки. А также интегральные характеристики: количество тепла, отданное или принятое по рабочим процессам; средняя температура нагнетания.
На рис. 1 — 3 представлены результаты расчётов рабочих процессов бессмазочных тихоходных ступеней при сжатии различных газов.
Из полученных графиков видно, что для различных газов температуры нагнетания различны для одинаковых режимов работы. Одни газы имеют большой запас по температуре нагнетания по сравнению с допустимой, другие же даже при длительных временах цикла имеют температуру, близкую к максимально допустимой, либо вообще температуру выше допустимой.
Очевидно, что применение бессмазочных тихоходных длинноходовых ступеней для сжатия того или иного газа возможно в определённых диапазонах режимных и конструктивных параметров. Наиболее широкие диапазоны при допустимой средней температуре нагнетания из рассматриваемых газов имеют воздух, аммиак и пропан-бутановая смесь. Перспективным направлением исследования является определение диапазонов режимных и конструктивных параметров тихоходных ступеней, для которых возможно применение того или иного газа в допустимом диапазоне температур.
Библиографический список
l.Plastinin P., Fedorenko S. Simulation of Transient Gas-Temperatures in Cylinders of Reciprocating Compressors Using Identification Techniques with a Mathematical Model //International Compressor Engineering Conference. 1978. 295 p. URL: http://docs.lib.purdue.edu/icec/295 (дата обращения: 20.03.2017).
Рис. 2. Зависимость средней температуры газа от хода поршня при давлении нагнетания Рн = ЗМПа
и времени цикла т =0,5 с: 1 — воздух; 2 — аммиак; 3 — пропан-бутановая смесь
Рис. З. Зависимость средней температуры газа от хода поршня при давлении нагнетания Рн = 3 МПа
и времени цикла т = 0,25 с: 1 — воздух; 2 — аммиак; 3 — пропан-бутановая смесь
2. Пластинин П. И. Расчёт и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ. М.: ВИНИТИ, 1981. 168 с.
3. Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Громов А. Ю., Титов Д. С., Бусаров И. С. Математическое моделирование процессов теплообмена в рабочей камере тихоходной ступени поршневого компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 2016. № 6. С. 6-10.
4. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2000. 456 с.
5. Фотин Б. С. Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К. [и др.]. Поршневые компрессоры. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 372 с.
6. Yusha V. L., Busarov S. S., Goshlya R. Yu., Nedovenchanyi А. V., Sazhin B. S., Chizhikov М. А., Busarov I. S. The experimental research of the thermal conditions in slow speed stage of air reciprocating compressor // International Conference on Oil and Gas Engineering, 0GE-2016. Omsk, 2016. P. 297-302. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.706.
7. Yusha V. L., Dengin V. G., Karagusov V. I., Busarov S. S. Theoretical analysis of the working process of the superlow rotary low expense piston compressor with the increased piston stroke // 8th International Conference on Compressors and Coolants. Slovakia, Papiernicka. 2013. Book of abstracts. P. 22.
8. Yusha V. L., Dengin V. G., Busarov S. S., Nedovenchanyi A. V., Gromov A. Yu. The estimation of thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages in reciprocating compressors / Eds.: A. V. Myshlyavtsev, V. A. Likholobov, V. L. Yusha // Procedia Engineering. International Conference on Oil and Gas Engineering (0GE-2015), 25-30 April 2015. Omsk, 2015. Vol. 113. P. 264269. ISBN 978-1-5108-0988-8.
9. Chrustalev B. S., Zdalinsky V. B., Bulanov V. P. Mathematical Model of Reciprocating Compressor With One or Several Stages for the Real Gases // International Compressor Engineering Conference. 1996. P. 1108. URL: http://docs.lib.purdue.edu/icec/ 1108 (дата обращения: 30.03.2017).
10. Михайлов А. К., Ворошилов В. П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат, 1989. 290 с.
11. Прилуцкий И. К., Прилуцкий А. И. Расчёт и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. СПб.: СПбГАХПТ, 1995. 193 c. ISBN 5-230-10678-6.
12. Perevozchikov M. M., Pirumov I. B., Chrustalyov B. S., Ignatiev K. S., Taha A. Low flow displacement compressor: thermo-dynamical process analysis // International Compressor Engineering Conference. 1992. P. 937. http://docs.lib.purdue.edu/icec/ 937.
13. Алтухов С. М. О долговечности работы мембран компрессоров // Химическое и нефтяное машиностроение. 1965. № 5. С. 8-11.
15. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. 232с.
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
НЕДОВЕНЧАНЫЙ Алексей Васильевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ЧИЖИКОВ Максим Александрович, магистрант гр. ТМОм-162 факультета «Элитное образование и магистратура».
САЖИН Богдан Сергеевич, магистрант гр. Хм-151 факультета «Элитное образование и магистратура». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 03.04.2017 г. © В. К. Васильев, С. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный, М. А. Чижиков, Б. С. Сажин
удк 621.314 в. с. КЛИМАШ
Б. Д. ТАБАРОВ
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, г. Комсомольск-на-Амуре
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ_
Предлагается м агнитно-тиристорное пускорегулирующее устройство на в ысокой стороне трансформаторной подстанции взамен механического переключающего устройства. Оно обеспечивает управляемое включение и выключение силового трансформатора под н агрузкой и стабилизацию напряжения у потребителей н а заданном уровне. Исследования в среде Ма1!аЬ штатной и новой схемы показали, что предлагаемое устройство ог раничивает пусковые токи, просадку н апряжения и ударные электродинамическое усилия, действующие н а обмотки трансформатора, а выключение производится без тока и дуги через контакты выключателя. Ключевые слова: трансформаторные подстанции, регулирование н а пряжения под нагрузкой, пропускная способность электропередачи, коэффициенты мощности и полезного действия.
Введение. В настоящее время трансформаторные подстанции не оснащаются устройствами силовой электроники. В их комплект входит различная коммутационная аппаратура. Это высоковольтные и низковольтные выключатели, предназначаемые для подключения силовых трансформаторов к сети и нагрузке, и механические переключающие устройства типа ПБВ и РПН [1—6] для дискретного регулирования напряжения при отключенном силовом трансформаторе от сети и при работе под нагрузкой.
К недостаткам существующих выключателей с механическими контактами следует отнести включение при одновременном замыкании контактов во всех трех фазах, которые сопровождаются переход-
ными процессами с большими бросками токов и просадками напряжения в сети. Кроме этого, выключение разрывом электрической цепи механическими контактами сопровождается дугой. Все это приводит к дополнительным потерям в силовых трансформаторах и в сети, увеличению материалоемкости, удорожанию и сокращению срока службы электрооборудования. Кроме этих недостатков, РПН создает еще более тяжелые режимы для силовых трансформаторов, поскольку при переключении отпаек возникают межвитковые короткие замыкания с ударными токами и электродинамическими усилиями в высоковольтных обмотках трансформаторов. Мало того что РПН сам по себе сложное
