Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований влияния различных способов охлаждения на рабочий процесс поршневого компрессора
1.1. Влияние способов охлаждения на рабочий Экспериментальные исследования испарите льного охлаждения газов в поршневых компрессорах
1.3. Теоретические исследования испарительного охлаждения газа в поршневой компрессоре Z7
1.4. Исследования рабочего процесса поршневого, компрессора с помощью моделей 34
1.5. Выводы обзора. Задачи исследования 40
2, Исследование процессов во всасывающем трубопроводе компрессора при охлаждений
2.1. Определение размеров капель впрыскиваемой жидкости 44
2.2. Определение количества жидкости, выпадающей в пленку на поверхности всасывающего трубопровода
2.3. Описание тепломассообмена капли с газом Э1
2.4. Метод определения термодинамических параметров двухфазного потока во всасывающем трубопроводе при испарительном охлаждении
2.5. Анализ влияния впрыска жидкости на параметры потока во всасывающей грубопроводе 67
2.6. Выводы S3
Математическая модель ступени поршневого компрессора с испарительнш охлаждением газа
3.1. Задачи моделирования и основные допущения 85
3.2. Основное уравнение изменения состояния газа в рабочей камере . 87
3.3. Структура математической модели и особенноств описания отдельных процессов 90
3.4. Определение некогорых СВОЙСЕВ парогазовой смеси... 98
3.5. Анализ влияния впрыска жидкосги на
рабочий процесс компрессора 400
3.6. Выводы 117
Экспериментальные исследования испарительного охлаждения газа в поршневых компрессорах 420
4.1. Цели и задачи эксперимента 420
4.2. Описание экспериментального сгенда 421
4.3. Методы и средства измерения основных величин. . 429
4.4. Оценка погрешности измерения основных величин 436
4.5. Анализ результатов измерения параметров потока во всасывающем трубопроводе 433
4.6. Результаты экспериментального исследования влияния впрыска воды на рабочий процесс компрессора
4.7. Экспериментальное исследование влияния впрыска пенгана на температуру нагнетания поршневого компрессора . 457
4.8. Проверка адекватности математической модели . 460
4.9. Выводы 465
5 Опытно-промышленная эксплуатация поршневого компрессора с испарительным охлаедением №7
5.1 Выбор объекга №7
5.2. Опыгно-промышленные исследования испаригельного охлаждения воздуха в компрессоре 305 ВП 16/70
5.3. Экономическая эффективность применения испаригельного охлаждения.скимаемого газа
Выводы
Основные выводы . Ш
- Теоретические исследования испарительного охлаждения газа в поршневой компрессоре
- Определение количества жидкости, выпадающей в пленку на поверхности всасывающего трубопровода
- Структура математической модели и особенноств описания отдельных процессов
- Результаты экспериментального исследования влияния впрыска воды на рабочий процесс компрессора
Теоретические исследования испарительного охлаждения газа в поршневой компрессоре
Термодинамические процессы в поршневых компрессорах довольно сложны, о чем можно судить,хотя бы по количесгву диссергацион-ных рабог, посвященных их изучению (только за период с 1970 по 1980 гг. защищено более 15 диссертаций). Введение жидкой фазы в сжимаемый газ намного усложняет описание происходящих процессов.
Одной из первых работ, посвященных теоретическому исследованию компримирования воздуха с охлаждением его путем впрыска воды, являегся статья Г.А. Михайловского / 57 /. В своих исследованиях он принимает, чго сжимается насыщенный влагой воздух, содержащий во взвешенном состоянии мелкие капельки воды. Содержание влаги в капельном сосгоянии предполагавгея в гаком количестве, которое может и должно испаряться в течение процесса сжатия. Смесь воздуха, пара и воды в капельном сосгоянии представляет собой одну систему, сжатие которой рассматривается как равновесный адиабатический процесс, при котором воздух в каждой его точке в любой момент времени является насыщенным. При этом для повышения температуры некогорого количества смеси на I К требуется затратить тепло, расходуемое: - на повышение температуры сухого воздуха; - на повышение температуры содержащегося в воздухе пара ; - на испарение части влаги, содержащейся в капельном состоянии, в количестве, равном повышению паросодержання насыщенного воздуха при возрастании температуры на I К; - на повышение температуры неиспарившейся части влаги на I К.
Таким образом, теплоемкость смеси, содержащей I кг сухого воздуха можно выразить гак: где Срг р )Ср " УДельные геплоемкосги сухого воздуха, пара и воды в капельном состоянии, п) к паросодержание и содержание влаги в ка-.... пельном состоянии на I кг сухого воздуха, didn) , 1 т - скорость испарения по температуре (ско (ІТ росгь изменения паросодержания при" изме нении температуры насыщенного воздуха.
Аналитическими исследованиями было установлено, что при адиабатическом сжатии доля теплоемкости, приходящаяся на последний член в формуле (I.I) составляет 55-65$.
В силу весьма заметных изменений величины теплоемкости в процессе сжагия авгор / 57 / рекомендует в пракгических расчетах пользоваться ее средним значением Cn , рассчитанным по формуле: Аб(п 1г Ч -т, где Т и Т2 - температуры начала и конца процесса сжагия; С - энтальпия сухого насыщенного пара при темпера-гуре Тг ; Ї - энгальпия воды при температуре Т Используя эту формулу, Г.А. Михайловский рекомендует в приближенных расчетах определять величину показателя адиабатического сжагия влажного газа гак: где R- Rr+djRn- газовая постоянная смеси, отнесенная к I кг сухого воздуха1; djf - начальное влагосодержание. Зная, таким образом, величину показателя адиабаты, можно определить работу адиабатического сжагия в компрессоре, отнесенную к I кг сухого воздуха: (1-2)
Расчеты, выполненные по формуле (1.2) и по 3 d -диаграмме, как указывается в работе, довольно точно совпадаю!. Но здесь же отмечается, что при конечной скорости протекания процесса в реальных условиях воздух не будет досгигагь состояния насыщения, как было принято в исследовании. Вследствие этого средняя температура процесса будет несколько выше ожидаемой. По данным П.И. Воропая / 21 / температура нагнетаемого воздуха при впрыске воды в количестве 0,031 кг/кг сухого воздуха на 34,5 К выше температуры конца сжагия насыщенного воздуха, рассчитанной по методике Г.А. Михайловского.
Следует особо отметить монографии Г.А. Михайловского / 59 / и А.В. Болгарского / 8 /, в которых глубоко исследованы различные равновесные термодинамические процессы парогазовых смесей. Отдавая ,, должное глубине и ценности этих теоретических исследований, надо обратить внимание и на некоторую ограниченность возможности их применения по отношению к рабочему процессу поршневого компрессора с впрыском жидкости.
В первую очередь, это относится к допущению равновесности процесса, т.е. совсем не учитывается скорость испарения; предполагается полное испарение вводимой жидкосги точно к моменгу конца процесса сжагия. Практический расчет параметров процессов основан на применении 7-d диаграмм насыщенного воздуха. Это совершенно не возможно реализовать при исследовании процессов сжагия многих газов с впрыском различных жидкостей и их смесей. Кроме того-, предполагается, что сжагие и расширение воздуха происходив адиабатически.
Многие ученые под основной целью своих работ, посвященных теоретическому исследованию рабочего процесса поршневого компрессора с испарительным охлаждением, понимают определение показателя политропы сжагия. Но из-за сложносги процесса приходигся делать много допущений, а получаемые выражения обычно слишком громоздки и содержат переменные, не известные на начальном этапе расчета.
Рассматривая парогазовую смесь в адиабатном процессе сжагия с фазовыми превращениями, Г.А. Мухачев / 61 /, исходя из условия, что процесс является обратимым изоэнгропическим, выводит формулу показателя политропы сухого газа в двухфазном адиабатическом процессе
Определение количества жидкости, выпадающей в пленку на поверхности всасывающего трубопровода
В результате проведенного анализа работ по охлаждению поршневых компрессоров установлено, что применение водяного рубашечного охлаждения цилиндров не обеспечивает должного снижения температуры нагнетаемого газа, что в летнее время года приводит зачастую к необходимости остановки компрессора, либо к другим нежелательным последствиям.
Испарительное охлаждение газа впрыском небольшого количества жидкости во всасывающий трубопровод компрессора позволяет решить указанную проблему. Однако, на эффективность испарительного охлаждения влияют многочисленные факторы, такие как режим работы компрессора, тонкость распиливания жидкости, тип и место установки форсунки. Поэтому одно и го же количество впрыскиваемой жидкости приводит к различным результатам.
Выявлена возможность применения углеводородного конденсата, состоящего в основном из пентана, для испарительного охлаждения попутных нефтяных газов. Но исследований влияния впрыска аналогичных легкоиспаряющихся жидкостей на работу компрессора практически не проводилось.
Существующие методики расчета, основанные на полигропной модели рабочего процесса, не позволяют достоверно определять те изменения рабочего процесса компрессора, которые произойдут при впрыске жидкости. Основные недостатки проведенных теоретических исследований рабочего процесса поршневого компрессора при испарительном охлаждении следующие.
1. Исследовался, в основном, процесс сжатия и в значительной меньшей степени - процесс расширения. Исследования процессов всасывания и выталкивания проведены лишь для микрокомпрессора со специфической организацией впрыска воды в большом количестве (до 5 кг/кг воздуха).
Методики расчета процесса сжатия в компрессоре с испарительным охлаждением основаны на допущении его равновесносги и адекватности сжатию насыщенного газа. Такое допущение является грубым даже в случае применения в качестве впрыскиваемой жидкости воды. При впрыске легкоиспаряющейся углеводородной или иной жидкости рассматривать процесс сжатия как равновесный процесс-насыщенного газа вовсе неправомерно.
3. Выведенные формулы для определения показателя политропы сжатия газа при испарительном охлаждении слишком неточны и неопределенны для уточненного расчета и слишком громоздки для приближенного расчета. Кроме того, они пригодны лишь в случае полного испарения введенной жидкости в момент конца процесса сжатия.
4. Большинство существующих методик предполагает использование J d диаграмм, таблиц воды и водяного пара, что не может быть приемлемо в случае испарительного охлаждения газов и их смесей жидкостью, отличной от воды.
5. Ни одна методика расчета, основанная на полигропной схематизации рабочего процесса, не учитывает кинетики испарения впрыс киваемой жидкости.
Указанные недостатки можно устранить, исследуя и рассчитывая рабочий процесс поршневого компрессора при испарительном охлаждении газа с помощью математической модели, основанной на фундаментальных физических зависимостях. В то же время разработанные к настоящему времени математические модели имеют определенные недостатки и не годятся для расчета процессов, происходящих в компрессоре при впрыске небольшого количества воды (до 15-20 г/кг газа) при относительно гонком распыле. Их нельзя применять для расчета и анализа рабочего процесса компрессора при впрыске легко-испаряющихся жидкостей.
Можно считать совершенно неизученными процессы, происходящие во всасывающем трубопроводе при впрыске в него жидкости, и их влияние на процессы в рабочей полости. Поэтому четкие и обоснованные рекомендации тонкости распиливания впрыскиваемой жидкости, ее расхода, типа и места монтажа форсунки отсутствуют.
На основании вышеизложенного, можно сформулировать основные задачи работы:
1. Разработать методику расчета параметров двухфазного потока при впрыске жидкосги во всасывающий трубопровод компрессора 2. Теоретически и экспериментально исследовать процессы во всасывающем трубопроводе поршневого компрессора при впрыске в него воды и углеводородных соединений.
3. Разработать математическую модель рабочего процесса ступени поршневого компрессора с испарительным охлаждением газа.
4. Экспериментально и с помощью математической модели исследовать влияние режима впрыска воды и углеводородной жидкосги на термодинамические процессы, происходящие в поршневом компрессоре.
5. На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований разработать практические рекомендации по применению испаригельного охлаждения в воздушных и газовых поршневых компрессорах.
Структура математической модели и особенноств описания отдельных процессов
Математическая модель рабочего процесса ступени поршневого компрессора с испарительным охлаждением газа сосгавлена в виде отдельных блоков, с помощью которых определяются основные геометрические размеры рабочей камеры, коэффициент теплоотдачи, масса паров жидкости, образующихся с поверхности капель, параметры газовой и жидкой фаз, теплофизические свойства фаз.
Построение модели рабочего процесса при испарительном охлаждении следует начинать, на наш взгляд, с верхней мертвой точки (ВМТ). Так как в основе модели лежит итерационный метод расчета, го сначала нужно задаваться температурой газа в конце процесса выталкивания. Давление газа в ВМТ с достаточной степенью точности может быть принято равным давлению в нагнетательной полости, так как при подходе поршня к ВМТ скорость его стремится к нулю, что приводит к уменьшению депрессии в нагнетательных клапанах до пренебрежимо малых величин. В результате нескольких циклов расчета, согласуя принягое и полученное значения температуры в ВМТ,можно получить истинные значения параметров газовой и жидкой фаз в каждый момент времени во всех четырех стадиях рабочего процесса.
Текущее перемещение поршня, объем и поверхность рабочей камеры определяюгся по обычным кинематическим зависимостям / 66 / и не нуждаются в пояснениях.
Количество тепла, подводимого к газу от стенок рабочей камеры за малый промежуток времени ОТ , определяется по известному уравнению: Ма-ъМТс Т} - (3-б) Коэффициент теплоотдачи ос , входящий в это уравнение, удобно определять по методике СВ. Федоренко / 84- /, если геометрические размеры компрессора лежат в пределах: = 0,19-0,305 м; _SL = 0,41-0, где . z— L - определяющий размер; у/г "fr ft + \Д/ 2 " определяющая скорость; Wn. - мгновенная скорость поршня на L - ом шаге. /1 = 0,0092 + 0,0021-6 - 0,0196 А. J" Х4 = -0,4 + 0,18 + 1,78 &- ; ц Х2 = I при 0f7r Хг =0,5 при 7r lf 2w Если геометрические размеры компрессора с цилиндрами двойного действия на входят в указанный диапазон, можно пользовагься л приведенной формулой, принимая А = 0,3 0,4; а Х1 - 0,8, либо другими рекомендациями, например / 66 /
Ниже рассмотрим особенности описания отдельных стадий рабочего процесса - всасывания, сжатия, выталкивания и расширения. Процесс всасывания Началом процесса всасывания считаем момент достижения давления в цилиндре значения, равного: Р=Рк Р ,Єс где Др п " наименьший перепад давления, необходимый для с полного открытия всасывающего клапана.
За время ог коленчатый вал повернется на угол %{р и объем камеры увеличится на $V При этом в камеру поступит первая порция (1 = 1) смеси, масса газовой фазы которой / 87 /:
Порция смеси, поступившая в цилиндр, привнесла и капли жидкости, массой где Ug= Clfap -ипл-dfa/fe+2ПЛ) - относительное количест во капельной жидкости во всасываемом газе. Каждая порция капель рассматривается отдельно от других порций, вошедших в цилиндр, то есть на каждом новом шаге счета число исследуемых порций капель ( j ) будет возрастать на единицу. Начальный диаметр капель каждой J -й порции равен средне-объемному диаметру капель спекгра во всасывающем трубопроводе вблизи клапана.
Диаметр капель каждой порции изменяется в соответствии с законом Срезневского (2Д2). Температура капель (формула (2.27) и константа испарения (формула (2.33) одинаковы для всех порций на каждом шаге счета, так как они определяются внешними условиями, едиными для всех порций.
Результаты экспериментального исследования влияния впрыска воды на рабочий процесс компрессора
При начальном диаметре капель воды О-в = 30 мкм небольшое, увеличение расхода газа происходит из-за частичного испарения жидкости в процессах высасывания и расширения. Испарение воды в процессе расширения, как указывалось ранее, приводит к некоторому снижению линии расширения, а, следовательно, .к увеличению продолжительности всасывания.
Аналогичным образом объясняется и увеличение расхода газа при впрыске пентана. Вследствие более интенсивного испарения пен-тана в процессе всасывания, увеличение расхода в этом случае больше, чем при впрыске воды и может составлять 5+5,5%.
Индикаторная мощность и удельная работа
Влияние испарительного охлаждения на номинальную индикаторную мощность и удельную номинальную работу компрессора можно проследить по рис. 3.9, а, б и рис. 3.10 а, б. Изменение режима впрыска жидкости оказываею сложное влияние на указанные параметры работы компрессора.
При испарительном охлаждении впрыском и воды, и пентана удельная номинальная индикаторная работа уменьшается. Уменьшение индикаторной работы будет тем больше, чем большая доля жидкости испаряется в процессе сжатия. Уменьшение удельной работы в исследуемом диапазоне расходов охладителя при впрыске пентана больше, чем при впрыске воды. Максимальное уменьшение удельной работы наблюдается при впрыске пентана в количестве 60 75 г на I кг газа при диаметре капель 50 80 мкм и составляет 7,5%.
Номинальная индикагорная мощность при испарительном охлаждении водой уменьшается. Уменьшение мощности в основном определяется долей жидкости, испарившейся в процессе сжатия и может составлять 2-г5%.
Увеличение расхода газа при впрыске пенгана за счет интенсивного его испарения при (Хв = 20 мкм приводит к тому, что,хотя удельная работа уменьшается, номинальная индикагорная мощность при этом может не изменяться. В случае впрыска воды гоже может наблюдаться аналогичное явление. Именно поэтому почти при всех расходах воды при диаметре капель а$ = 10 мкм снижение мощности меньше, чем при % = 20 30 мкм.
Таким образом, если основной целью применения испарительного охлаждения является увеличение подачи компрессора, го оледу-ег выбирагь режим впрыска с возможно малым диамегром капель. Если назначением испарительного охлаждения является повышение экономичности, го есть уменьшение удельной работы, го следует выбирагь такой режим впрыска, при котором основная масса вводимой жидкости испаряется в процессе сжатия. Для пенгана оптимальными параметрами можно считать de = 0,05 0,1 и ав = 50 мкм, а для воды щ = 0,01+0,02 и Qg = 10 мкм. Причем, использованием пенгана для испарительного охлаждения достигается больший эффект, чем использованием воды.
Разработанная матемагическая модель ступени поршневого компрессора с испарительным охлаждением позволяет рассчитывать и исследовать влияние на рабочий процесс режима впрыска жидкости и параметров компримируемого газа.
Анализ результатов моделирования рабочего процесса поршневого компрессора с испарительным охлаждением и без него позволяв і сделать следующие выводы.
1. При применении испарительного охлаждения температурная диаграмма компрессора сущесгвенно изменяется, а индикаторная диаграмма изменяется незначительно.
2. Температура нагнетания почти линейно снижается при уве личении относительного расхода жидкости при любом размере капель. Снижение температуры нагнетания может достигать 50 60 К.
3. Снижение температуры нагнетания при впрыске воды существенно зависит от размеров капель, а при впрыске пентана - практически не зависит.
4. Снижение температуры нагнетания при испарительном охлаждении практически не зависит от температуры и относительной влажности поступающего в цилиндр газа.
5. Эффективность применения испарительного охлаждения тем выше, чем выше степень повышения давления.
6. С ростом давления всасывания эффективность применения впрыска воды снижается, а эффективность применения впрыска пентана практически не зависит от начального давления. Поэтому при давлении всасывания больше 0,5 1,0 МПа использовать пентан предпочтительнее, чем воду.
