Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Цели и задачи работы 13
1.1. Анализ проведённых исследований. Области применения спиральных машин 13
1.2. Анализ известных методов расчёта спиральных машин. Цели и задачи исследования 23
Глава 2. Экспериментальные исследования спиральной машины 30
2.1. Описание установки для испытания спирального детандера 30
2.2. Методика проведения эксперимента в режиме детандера 37
2.3. Результаты эксперимента в режиме детандера на воздухе 39
2.4. Результаты эксперимента в режиме детандера на аргоне 42
2.5. Результаты эксперимента в режиме детандера на углекислоте 43
2.6. Результаты эксперимента в режиме детандера на гелии 44
2.7.Описание установки и результаты эксперимента на хладоне R141b 45
2.8. Выход на режим спирального детандера 47
2.9. Зависимость изоэнтропного КПД от температуры на входе
2.10. Испытания в режиме компрессора 50
2.11. Тепловой баланс установки 51
2.12. Определение механических потерь в детандере 53
2.13. Определение потерь на перетечку газа в детандере 55
2.14. Определение потерь на охлаждение масла 58
2.15. Оценка погрешностей эксперимента при работе в режиме детандера 59
2.16. Особенности проведения эксперимента в режиме пневмомотора 61
2.17. Результаты эксперимента в режиме пневмомотора на воздухе 63
2.18. Оценка погрешности эксперимента при работе в режиме пневмомотора 71
Глава 3. Разработка математической модели расчёта спирального детандера 73
3.1. Особенности расчёта машины
3.2. Выбор математического описания геометрии спиралей 76
3.3. Расчёт объёма парной полости 78 Стр.
3.4. Вывод уравнения изменения объёма парной полости 81
3.5. Построение зависимости давления от угла поворота 86
3.6. Оценка потерь на выхлоп или впуск газа 88
3.7. Описание методики расчёта спирального детандера 92
Глава 4. Расчётное определение параметров машины. Разделение потерь 99
4.1. Расчётное определение объёмного расхода 99
4.2. Расчёт КПД, разделение потерь 101
4.3. Расчёт коэффициента быстроходности nуд 106
4.4. Проверка алгоритма расчёта детандера 107
Глава 5. Анализ полученных результатов 109
5.1. Анализ результатов в режиме детандера 109
5.2. Анализ результатов в режиме пневмомотора 113
5.3. Сравнение характеристик при работе в режиме детандера и пневмомотора 115
Глава 6. Рекомендации 117
6.1. Рекомендации по совершенствованию машины 117
6.2. Рекомендации по использованию машины 119
Основные выводы и результаты 122
Условные обозначения 123
Список литературы
- Анализ известных методов расчёта спиральных машин. Цели и задачи исследования
- Результаты эксперимента в режиме детандера на гелии
- Вывод уравнения изменения объёма парной полости
- Расчёт КПД, разделение потерь
Введение к работе
Актуальность работы. В наше время спиральные компрессоры находят всё большее применение: активно вытесняют поршневые машины в холодильной технике и кондиционировании, используются для сжатия воздуха. Это происходит благодаря существенным преимуществам спиральных компрессоров: отсутствие мёртвого объёма, малый шум и вибрации, низкая неравномерность вращения, компактность, малое количество деталей. Существуют и недостатки, из-за которых спиральные компрессоры стали массово производить только последние десятилетия: сложная поверхность спиралей и очень высокие требования к точности их изготовления, большой периметр утечек. В то же время массовый выпуск спиральных детандеров до сих пор не налажен, а интерес к данным машинам стал появляться лишь в последние годы.
Если сравнивать характеристики спиральных и поршневых компрессоров по неравномерности вращения, шумовым характеристикам и изоэнтропному КПД, то преимущество спиральных компрессоров не вызывает сомнений. Геометрическое подобие поршневых компрессоров и поршневых детандеров, спиральных компрессоров и спиральных детандеров даёт основания полагать, что данные соотношения будут верны и при сравнении поршневых и спиральных детандеров. Кроме того, для осуществления процесса расширения в поршневом детандере необходимо наличие клапанов принудительного действия, в то время как спиральные машины могут работать без клапанов. Эти данные показывают, что исследование спирального детандера представляет интерес.
Спиральные машины могут работать при относительно малых мощностях (от 20 Вт до 10 кВт) и степенях расширения (от 2). Исходя из приведённых данных, можно обозначить 5 приоритетных направлений, в которых возможно использование данной машины:
-
Двигатель в цикле Ренкина
-
Компрессор-детандерный агрегат в цикле Чистякова-Плотникова
-
Расширительное устройство в холодильном цикле
-
Пневмомотор
-
Детандер в криогенных циклах
Цель работы. Целью работы является исследование спирального детандера на различных рабочих веществах и создание алгоритма его расчёта.
Основные задачи:
1. Определение экспериментальной зависимости изоэнтропного КПД (s), объёмного расхода, крутящего момента на валу от степени расширения при постоянных частотах вращения для воздуха, аргона, гелия, хладона R141b. Оценка влияния частоты вращения при степени расширения,
соответствующей максимуму s. Экспериментальное определение суммарных потерь на трение и перетечки. Испытания в режиме пневмомотора на воздухе. Построение механических характеристик для различных степеней расширения.
-
Разработка алгоритма теплового и геометрического расчёта спирального детандера с учётом особенностей протекания рабочего процесса.
-
Создание расчётной модели потерь для данной машины и сравнение их с экспериментальными. Оценка распределения потерь при разных режимах.
-
Анализ полученных результатов. Сравнение характеристик с другими типами детандеров и данными других исследований.
-
Выработка практических рекомендаций для совершенствования параметров рабочего процесса и характеристик спирального детандера для повышения термодинамической эффективности.
Научная новизна:
-
Создан алгоритм теплового и геометрического расчёта спирального детандера. Алгоритм был проверен с помощью проведённых экспериментов.
-
Получены данные о работе одного спирального детандера на воздухе, углекислоте, гелии, аргоне, хладоне R141b. Проведено сравнение характеристик при работе на указанных рабочих телах.
-
Получены экспериментальные данные о зависимости изоэнтропного КПД от температуры рабочего тела на входе в детандер.
-
Выявлена стабильная работа спирального детандера при условии подачи на вход машины парожидкостной смеси при работе на R141b.
-
Проведены испытания машины как в режиме детандера, так и в режиме пневмомотора. Проведено сравнение максимума изоэнтропного КПД при работе в режиме детандера и минимума удельного расхода при работе в режиме пневмомотора.
Практическая значимость работы:
-
Разработанный и проверенный алгоритм расчёта позволяет получать геометрические характеристики проектируемых спиральных детандеров.
-
Создана методика проведения эксперимента, с помощью которой возможно испытать другие спиральные детандеры. Полученные значения относительных потерь можно использовать при сборе статистики для машин различных типоразмеров. Эти данные позволят с допустимой инженерной точностью рассчитывать новые спиральные детандеры.
-
Экспериментальные данные показывают, что максимум изоэнтропного КПД примерно одинаков для различных рабочих веществ (доказано для аргона, воздуха, углекислоты, хладона R141b), но достигается при разных степенях расширения. Таким образом, возможно для вновь
создаваемых спиральных детандеров моделировать экспериментом на воздухе работу на других рабочих телах.
-
Проведённые эксперименты в режиме компрессора доказывают возможность обратимости машины.
-
Стабильная работа детандера в парожидкостной области свидетельствует о том, что спиральный детандер способен работать вместо дросселя в парокомпрессионных холодильных машинах.
Внедрение результатов работы.
Данные экспериментальных исследований спиральной машины в режиме пневмомотора использованы в научной работе Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук.
Созданный экспериментальный стенд внедрён в учебный процесс на кафедре «Холодильной, криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Достоверность и обоснованность полученных результатов.
Достоверность полученных экспериментальных данных
обеспечивается применением поверенных средств измерения, апробированных методик измерения, использованием классических зависимостей и сравнением с данными других исследований.
На защиту выносятся:
-
Экспериментальные данные зависимости изоэнтропного КПД от степени расширения для воздуха, аргона, гелия, углекислоты, хладона R141b. Зависимость изоэнтропного КПД и удельного расхода от частоты вращения.
-
Зависимость момента трения от частоты вращения и расхода перетечек от степени расширения.
-
Блок-схема расчёта. Результаты расчёта машины для условий максимума КПД при работе на воздухе. Сравнение расчётной зависимости объёмного расхода на выходе из детандера с экспериментальной.
-
Результаты разделения потерь при работе на воздухе на различных режимах.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на 3 конференциях: Международной конференции «Криоген-экспо» (Москва, 2011), Международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2011), Международной конференции «Чиллвента» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 144 страницах текста, содержит 80 рисунков, 34 таблицы и список литературы из 33 наименований.
Анализ известных методов расчёта спиральных машин. Цели и задачи исследования
В работе [3] предложено использование спирального детандера в качестве пневмомотора. Одним из основных параметров, влияющих на конкурентоспособность пневмомотора, является компактность, высокая удельная мощность (мощность на единицу массы машины). Теоретическое исследование показывает, что моментная характеристика спирального пневмомотора практически не отличается от характеристик других типов моторов (Рисунок 1.7). В то же время мощность, отнесённая к единице объёма, у спиральной машины на 40-50 % выше без учёта противоповоротного устройства. Данный факт можно объяснить тем, что объём рабочего механизма у спиральных машин используется более эффективно, чем у пластинчатых – объём рабочих камер меньше занят «металлом», по сравнению с роторно-пластинчатыми машинами.
Зависимости крутящего момента на валу M, мощности N от частоты вращения . Сравнение характеристик пластинчатого (сплошная линия) и спирального (штриховая линия) пневмомотора [3] Британские инженеры A. Goodwin и J. Derby из Energetix Group [22] предложили использовать спиральные пневмомоторы, которые приводят в движение электрогенераторы, как резервне источники электроэнергии. В качестве рабочего тела предложено использовать сжатый воздух, который хранится в баллонах высокого давления. Наполнение баллонов производится компрессором во время стабильной подачи электроэнергии. Механическая мощность регулируется давлением подаваемого воздуха.
Авторы сравнивают данную систему с системами на основе маховиков и свинцовых аккумуляторов. Маховики требуют постоянной работы, что приводит к большим потерям на трение в подшипниках (из-за чего система также изнашивается даже во время простоя). Аккумуляторные батареи обладают небольшим ресурсом, малым количеством циклов перезарядки и требуют замены, поэтому их применение может привести к большим финансовым затратам. В связи с этим система резервного электропитания на основе спиральных пневмомоторов может быть конкурентоспособна. Также авторы приводят характеристики рассматриваемой системы: запуск пневмодвигателя производится в течение 50 мс, выход на режим – в течение 200 мс, электрическая мощность блока – 25 кВт, время автономной работы – около 30 секунд (рассматривается увеличение до 4 часов благодаря большему количеству баллонов).
Данную установку предполагается использовать для компенсации пиковых нагрузок на электрическую сеть, резервного электропитания на короткий промежуток времени (до пуска дизель-генераторов). Авторы указывают на то, что холодный воздух после спиральной машины может полезно использоваться для целей кондиционирования, что позволит также снизить электрическую нагрузку за счёт отключения штатной системы кондиционирования воздуха.
A. Iglesias и D. Favrat в работе [25] также предлагают использовать спиральную машину в системе аккумулирования энергии. Особенностью их подхода является то, что, во-первых, используется спиральный пневмомотор с двумя вращающимися спиралями, во-вторых – для снижения перетечек используются обильный впрыск воды на входе в детандер. Впрыск воды также позволяет приблизить процесс к изотермическому, таким образом увеличив работу на валу. В работе представлены результаты эксперимента – максимальный КПД пневмомотора без впрыска воды составил 30 %, с впрыском – около 55 %.
Указанная информация позволяет предположить, что использование спиральной машины в качестве пневмомотора также может быть перспективно.
По типу смазки спиральные машины делятся на две группы: маслозаполненные и сухие. Применение маслозаполненных спиральных машин в криогенной технике затруднительно: температура хлопьеобразования самых устойчивых к холоду кремнийорганических жидкостей, использующихся для смазки, составляет примерно минус 120 С, что гораздо выше нормальной температуры кипения жидкого азота. В то же время, если сравнивать безмасляные поршневые детандеры и спиральные машины, можно отметить, что срок службы фторопластового уплотнения в поршневых детандерах составляет порядка 2000-3000 часов [12], в то время как срок службы до ремонта спиральных безмасляных компрессоров Atlas Copco составляет более 10000 часов. Эксперименты показывают, что снижение температуры от 80 К до 20 К приводит к снижению коэффициента трения фторпласта по хромированной поверхности [12], что даёт основания полагать, что спиральная безмасляная машина, работающая в режиме криогенного детандера, будет иметь ресурс больший, чем при работе в режиме компрессора. Также в данном случае могут быть важны и другие преимущества спиральных детандеров: отсутствие системы газораспределения, относительно большая быстроходность и компактность.
Предварительная оценка показывает, что спиральный детандер может быть конкурентоспособным при замене поршневого детандера в криогенных установках.
В книге [18] приведена информация по использованию, геометрическому и силовому расчёту спиральных компрессоров. Кроме того, что информацию также можно использовать для расчета спиральных детандеров, нужно отметить, что в данном источнике прямо сказано о возможности использования спиральных детандеров: «В заключение напомним, что спиральный компрессор может работать с ещё большим успехом (с более высоким КПД, чем компрессор) в качестве детандера или газового мотора».
Методики расчёта спиральных компрессоров разной степени проработанности описаны в разных исследованиях. Однако, на данный момент описание методики расчёта непосредственно спирального детандера отсутствуют. Нужно отметить, что спиральный компрессор и детандер геометрически подобны, поэтому методика расчёта компрессора с небольшими изменениями может быть применена для детандера во многих случаях.
Результаты эксперимента в режиме детандера на гелии
Таким образом, в экспериментальном стенде вместо электромагнитного тормоза был установлен асинхронный электродвигатель, питаемый частотным преобразователем. Так как двигатель присоединён к датчику крутящего момента, при вращении вала можно узнать момент сопротивления механических потерь. Было установлено, что спирали прижимаются одна к другой при частоте вращения около 1000 об/мин. Данное событие можно отследить по скачкообразному росту крутящего момента и соответствующему звуку, сопровождающему касание спиралей.
Зависимость момента сопротивления трения от частоты вращения Для получения данных с точностью до второго знака после запятой была использована система сбора данных на компьютере, так как сам измеритель отображает значение только до одного знака. График показывает, что зависимость примерно линейная на данном отрезке. И уравнение этой прямой легко использовать в расчётах. Однако, найти точку перехода к квадратичной зависимости в данном эксперименте найти не удалось.
Несмотря на то, что утечки газа в спиральном детандере практически отсутствуют, перетечки газа могут быть существенными. Рассчитать их для реальной машины затруднительно из-за крайней сложности измерения радиального зазора между спиралями. Можно воспользоваться двумя способами определения перетечки.
Первый способ - замерить расход газа при застопоренном роторе. Если принять, что расход перетечки не будет зависеть от частоты вращения, то, застопорив ротор, можно однозначно определить расход перетечки в зависимости от давления на входе (степени расширения). Так как расход перетечки значительно меньше общего расхода, измерить этот расход стоящим на стенде ротаметром не получится. Для этого можно использовать анемометр; зная площадь сечения выходной трубки, определить расход.
Допущением в данном случае будет являться то, что расход утечки не зависит от частоты вращения, что может не совсем совпадать с реальностью из-за наличия масла. При большой скорости распределение масла в зазорах может меняться.
Второй способ – определить перетечки из зависимостей объёмного расхода от частоты вращения детандера. Так как для машин объёмного типа действия зависимость объёмного расхода от частоты вращения представляет собой прямую линию, то чтобы найти расход перетечки, нужно экстраполировать эту линию до значения частоты вращения, равной 0. Таким образом можно проверить первый способ.
Получив расход перетечки, можно рассчитать коэффициент потерь на перетечку при данных условиях: Fпер # вых Eпер = = пер (2.10) F#вых Был проведён эксперимент по определению перетечки при степени расширения от 1 до 5 при застопоренном вале. Скорость воздуха измерялась анемометром, и, для диаметра поперечного сечения 40 мм измерялся расход перетечки (Рисунок 2.27).
Зависимость расхода перетечки от степени расширения При оптимальной степени расширения производился эксперимент по выявлению зависимости КПД от частоты вращения. Так как в эксперименте также фиксировался и расход, можно построить зависимость расхода от частоты вращения (Рисунок 2.28).
Были произведены дополнительные замеры температуры масла в маслобаке после эксперимента, которые показали, что температура масла примерно равна комнатной (т.е. приблизительно температуре на входе в детандер). Это можно объяснить тем, что заполнение маслобака происходит периодически (раз в 15-20 минут) и тем, что после маслоотделителя масло по ходу эксперимента медленно стекает в специальный резервуар (на схеме не указан, см. приложение) и успевает отогреться. Масло дополнительно нагревается в насосе. 2.15. Оценка погрешностей эксперимента при работе в режиме детандера
Основной параметр, который был получен в эксперименте -изоэнтропный КПД. В связи со сложностью расчёта энтальпий по другим параметрам, особенно в случае оценки погрешности, примем, что для воздуха допустимо использовать в данном случае формулу определения изоэнтропного КПД по температурам, приняв теплоёмкости на входе и выходе из машины равными:
Основная приведённая относительная погрешность электронного датчика давления составляет ±0,2 %, что в диапазоне от 0 до 16 бар соответствует абсолютной погрешности ±0,032 бар. Класс точности прибора 0,25, для того же диапазона давлений получаем ±0,04 бар. Суммарная абсолютная погрешность избыточного давления на входе, таким образом: ЛРвх= ±0,072 бар Примем, что давление на выходе измеряется точно, так как соответствует атмосферному и примерно равно 1 бару. Тогда абсолютная погрешность определения степени расширения равна погрешности определения давления на входе:
Вывод уравнения изменения объёма парной полости
Остальные радиус-векторы записываются аналогично предыдущему. Также для построения спиралей вводятся дополнительные параметры: щ - начальный угол построения спиралей, рад. ср2 - конечный угол построения спиралей, рад. Выбор параметров e и r0 очень важен, так как данные параметры влияют на размеры спирали и толщину её стенки. Так, увеличение эксцентриситета при постоянном значении полярного радиуса приведёт к уменьшению толщины стенки. Очень большая толщина стенки ведёт к увеличению металлоёмкости и габаритов машины, низкая - к опасности отгибания стенки и увеличения радиального зазора с ростом перетечек.
Выбор параметров 1 и 2 влияет на степень расширения и объёмный расход детандера. Также стоит сказать, что в некоторых случаях 1 требуется взять больше обычного для размещения в центральной области спирали крепления подшипника. Это может понадобиться при использовании, например, двухсторонней спирали.
Построим спираль по указанным уравнениям для следующих параметров: е=0,0085 м, г0=0,0038 м, щ=ж/2, (р2=4,7ж.
Как видим, построение спирали на ЭВМ не составляет большого труда. Также не составляет труда вывести по данным уравнениям таблицу точек спиралей для изготовления их на станках с ЧПУ.
Рассчитать объём парной полости в зависимости от угла поворота подвижной спирали можно также по методике, описанной в [9] и [10]. В данных работах предлагается получить объём парной полости за счёт интегрирования через уравнения геометрии спиралей, описанные в предыдущем параграфе.
С помощью интегрирования можно получить площадь парной полости, а, помножив на высоту, получить объём парной полости. Площадь парной полости образуется за счёт интегрирования разностей квадратов радиус 79 векторов спиралей. Для условий расширения длина парной полости равна углу от одного до другого «соприкосновения» спиралей, что составляет 2. Поэтому становятся ясны пределы интегрирования. Если мы принимаем, что изменение угла соприкосновения равно изменению угла поворота подвижной спирали, то пределы интегрирования включают интервалы от текущего угла поворота спирали (-2) до . Получить объём одной полости, зная объём парной полости, просто - нужно поделить объём на
Также можно написать уравнение для условий вытеснения газа через боковую часть спиралей. Когда происходит раскрытие спиралей и выход газа через их боковую часть, особенность заключается в том, что второго «соприкосновения» спиралей уже нет, и площадь надо считать от первого «соприкосновения» до конечного угла построения спиралей. В данном случае площадь не увеличивается, как в первом случае, а, наоборот, уменьшается и стремится к 0, когда «соприкосновение» доходит до конца спирали. В таком случае, легко преобразовать уравнение (2.11): 7(0) = jj2fafa02 " г22 ( р - л, e)2)dq (3.12) Тут стоит отметить то, чем будут отличаться расчы компрессора и детандера. Для компрессора параметр в будет уменьшаться от некоторого постоянного значения, соответствующего углу закрутки спиралей. Для детандера - увеличиваться. Но необходимо помнить, что начало расширения в детандере происходит не с начального угла спиралей. С этого момента начинается только заполнение спиралей газом. Начало расширения будет происходить как минимум через один поворот после угла начала спиралей, когда полости спиралей закроются. Однако и это происходит далеко не всегда. Даже когда парная полость закрылась, образовалась, через входное отверстие может продолжать поступать газ. В этом случае необходимо считать углом начала расширения угол
перекрытия спиралями входного отверстия, когда газ уже не может поступать в эти парные полости.
Для того чтобы убедиться, что данный подход можно использовать, следует составить зависимость объёма полости от угла поворота подвижной спирали для примера, указанного в предыдущем параграфе. Угол начала расширения примем равным в Зтг (Рисунок 3.2). Рисунок 3.2. Зависимость объёма полости К(м3) от угла поворота подвижной спирали (р (рад). Сплошной линией показано расширение газа, точками показано вытеснение газа через боковую часть спиралей. Пунктиром показано увеличение объёма в последующей полости Видим, что численное интегрирование прошло успешно, и, как и ожидалось, объём полости линейно возрастает. 3.4. Вывод уравнения изменения объёма парной полости
Указанный выше способ нахождения объёма полости и изменения объёма полости может быть использован для решения прямой задачи – определения характеристик детандера с уже известными параметрами e, r0, h и т.д. При нынешнем уровне развития ЭВМ, скорость расчёта является удовлетворительной. Однако для решения обратной задачи требуется подбор параметров для нахождения детандера с требуемой мощностью (холодопроизводительностью). Так как для подбора требуется совершить не один, а десятки или сотни таких же расчётов, скорость определения параметров может стать неудовлетворительной. По Рисунку 3.2 можно видеть, что функция объёма полости при расширении газа в детандере представляет собой практически прямую линию. Данный факт также отмечается в литературе, например в [18].
В то же время основным процессом, геометрически определяющим машину, является как раз процесс расширения газа в детандере, так как процесс выталкивания газа в идеальном случае не требует затрат энергии. Поэтому в расчёте имеет смысл учитывать только процесс расширения газа.
Известно, что процесс изменения объёма парной полости в зависимости от угла поворота вала описывается прямой линией. Линия остаётся близкой к прямой при любых значениях e и r0 при положительной толщине спиралей. Данный факт наталкивает на мысль о том, что возможно существует гораздо более простое, аналитическое, не требующее численного вычисления интегралов решение. Причём зависимость должна быть линейной, раз на графике она близка к прямой линии. Даже небольшое отклонение от прямой линии может быть не критично, если укладывается в погрешность инженерного расчёта.
Попытки прямого, аналитического вычисления интеграла ни к чему не привели, потому что после подстановки параметров подынтегральное выражение становится чрезвычайно сложным. Перевод в полярную систему координат также затруднён из-за наличия слагаемых, отвечающих за переменную толщину спиралей. Попытка упрощения спирали с заменой её на простую спираль Архимеда может привести к ошибкам, особенно при малой толщине спирали, когда вклад слагаемых, отражающих переменную толщину и профилирование начального участка, особенно велик. В связи с этим начались поиски альтернативного решения данной задачи.
Расчёт КПД, разделение потерь
Как видим, максимальные потери происходят из-за перетечек. Для уменьшения перетечек необходимо более точно изготавливать пары спиралей, чтобы радиальный зазор был минимален. Но стоит отметить, что у современных спиральных компрессоров только 30 % перетечек – радиальные, поэтому для уменьшения суммарных потерь необходимо также совершенствовать торцевые уплотнения.
Ещё один способ уменьшения относительной потери на перетечки газа – увеличение частоты вращения. Но нужно помнить, что в этом случае возрастают потери на трение, с которыми также необходимо бороться.
Для снижения потерь на трение необходимо совершенствовать материал торцевых уплотнений, оптимизировать площади соприкасающихся поверхностей, а также улучшать характеристики противоповоротного устройства и подшипников. Не исключено применение газовой смазки как в подшипниках, так и в паре спиралей, что может значительно снизить потери на трение. Например, в работе [15] проведено исследование газового подвеса поршней холодильных компрессоров. Выявлено, что у поршневых компрессоров с газовой смазкой КПД выше, чем у смазываемых маслом при прочих равных условиях.
Для уменьшения потерь на охлаждение масла необходимо снижать расход масла, поступающего в машину. Для этого можно использовать системы принудительной смазки с поступлением масла непосредственно к паре спиралей. Решением проблемы может быть также полезное использование холода от масла, выходящего из машины. Полностью решить эту проблему позволит использование машин сухого расширения.
При работе на степенях расширения значительно ниже оптимальных могут резко возрасти потери на впуск газа. Для снижения потерь на впуск газа можно воспользоваться впускными клапанами на боковой внешней части спиралей. Такие клапана будут добавлять порции рабочего тела в пары спиралей в случае, если давление в них будет ниже, чем на выходе.
Расчёты показывают, что спиральный детандер может работать достаточно эффективно при степенях расширения значительно выше оптимальных. Однако стоит помнить о том, что в момент раскрытия спиралей разность давлений между парной полостью и выходом из машины может достигать намного больших значений, чем между парными полостями внутри машины. Это обстоятельство может привести к механическому повреждению спиралей из-за высоких газовых сил. Поэтому для спирального детандера, работающего в данных режимах, целесообразно увеличить толщину на последних 0,5 оборота закрутки спиралей.
В ходе исследования было выявлено, что потери на выхлоп незначительны по сравнению с другими потерями. Таким образом, можно рассмотреть вариант спирального детандера, в котором холод будет производиться в основном за счёт процесса выхлопа, а не в процессе изоэнтропного расширения. Данное решение позволит значительно снизить закрутку спиралей, а, следовательно габариты и потери на трение. Относительные перетечки также снизятся за счёт того, что рабочий процесс в машине будет происходить быстрее, на меньшем угле поворота вала. Можно будет увеличить и частоту вращения за счёт снижения сил инерции от уменьшения габаритов подвижной спирали.
Стоит также отметить, что спиральный детандер – одна из немногих машин, в которой потенциально возможно реализовать противоточный теплообмен, совмещённый с изоэнтропным расширением. Технически это можно реализовать за счёт циркуляции потока газа или жидкости внутри неподвижной спирали. Таким образом будет осуществляться теплообмен между потоком расширяющегося газа и другим потоком, идущим внутри неподвижной спирали; теплопередача будет осуществляться через стенку неподвижной спирали. Подводя теплоту во время расширения, можно добиться увеличения холодопроизводительности и избавиться от одного теплообменного аппарата в цикле.
Спиральный детандер может найти применение в областях, где не требуется большая холодопроизводительность, степень расширения, например, для охлаждения кабин, работающих в тяжёлых температурных условиях.
Успешное проведение испытаний на хладоне даёт основания полагать, что спиральная машина может найти применение в цикле Ренкина и цикле Чистякова-Плотникова.
Испытания показали, что спиральный детандер может работать в широком диапазоне частот вращения без существенного снижения КПД, что может быть использовано в установках, работающих в большом диапазоне расходов, а также в системах пневмопривода, где требуется различная частота вращения на валу без использования дополнительных механизмов.
Спиральный детандер позволяет работать в широких пределах по степеням расширения, что может быть полезно при его использовании в силовых циклах, работающих при разных температурах источника теплоты.
Эта особенность может быть полезна в системах пневмопривода с изменяющимся давлением питания.
Наличие масла в маслозаполненном спиральном детандере может рассматриваться не только как недостаток, но и как преимущество. Расход масла можно увеличить настолько, что его наличие будет оказывать значительное влияние на рабочий процесс. Таким образом можно увеличить мощность на валу за счёт приближения процесса к изотермическому, что может стать преимуществом при использовании машины в качестве пневмомотора.
Механизм спиральной машины более компактен по сравнению с кривошипно-шатунным механизмом в связи с тем, что рабочее движение кривошипно-шатунного механизма происходит перпендикулярно оси вращения, а у спирального механизма – по оси вращения. Использование же кулачковых поршневых машин или машин с косой шайбой, лишённых указанного недостатка, может быть недопустимо в связи с их гораздо меньшим ресурсом и низкой надёжностью. Таким образом, имеет смысл использовать спиральные машины для транспортных и прочих систем, где требуется компактность.
У спирального детандера отсутствует мёртвый объём. А получаемая степень расширения при изоэнтропном процессе зависит только от закрутки спиралей. Таким образом, можно создать спиральный детандер с большой закруткой спиралей, позволяющей получить высокую степень расширения. При замене поршневого детандера на спиральный нужно помнить, что спиральный детандер не требует раскрутки внешним приводом при старте. При любом положении вала при подаче газа на незапущенную машину, она выдаёт ненулевой крутящий момент на валу.
Эксперимент показал, что одна и та же машина может эффективно работать режимах как компрессора, так и пневмомотора. Это важно для создания пневматических накопителей энергии. При избытке электроэнергии можно использовать машину в режиме компрессора и закачивать газ в ресиверы, при недостатке – в режиме пневмомотора, и компенсировать недостаток за счёт накопленной энергии. Нужно отметить, что данный вид накопления энергии эффективен только в том случае, если давление в ресивере примерно равно давлению воздуха, подаваемого в машину. Для этого необходимо использовать ресиверы большого объёма, чтобы давление в них не падало значительно на этапе работы пневмомотора.
Не исключено использование спиральной машины в качестве расширительного устройства в парокомпрессионных холодильных машинах. Однако в этом случае условия работы машины будут крайне нестандартными – на входе в детандер необходимо подавать переохлаждённую жидкость, которая будет кипеть по мере увеличения объёма парной полости. Для данной задачи требуется особое профилирование спиралей, а также дополнительные исследования по возможности возникновения гидроудара. Решение этой проблемы является темой отдельного исследования.