Содержание к диссертации
Введение
1. Физические основы и анализ состояния работ по ЭГД насосам 10
1.1. Принцип работы и физические основы ЭГД насоса 10
1.2. Анализ внутренних потерь в проточной части ступени ЭГД насоса 19
1.2.1. Методы нейтрализации негативного влияния пространст венного заряда 22
1.3. Анализ состояния работ по ЭГД нагнетателям 26
1.4. Выводы и задачи исследования 29
2. Теоретический анализ и математическая модель нестацио нарных процессов в ЭГД насосе при питании пульсирую щем напряжением 32
2.1. Задачи исследования 32
2.2. Физические принципы нестационарных процессов в ЭГД насосе при пульсирующем напряжении 32
2.3. Требования к свойствам и выбор перекачиваемой жидкости 48
2.4. Построение математической модели нестационарных процессов в ЭГД насосе при пульсирующем напряжении 54
2.4.1. Определение осевой и радиальной составляющих напряженности электрического поля от приложенного потенциала 56
2.4.2. Определение осевой и радиальной составляющих напряженности электрического поля от объемного заряда 63
2.4.3. Определение уравнения электрического поля 71
2.4.4. Определение конвективного тока 71
2.4.5. Определение профиля канала 78
2.4.6. Определение уравнение движения 81
2.4.7. Оценка эффективности ступени ЭГД насоса при пульси рующем напряжении 85
2.4.8 Математическая модель ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 86
2.5. Результаты расчета и анализ нестационарных процессов в ЭГД насосе при пульсирующем напряжении 92
2.5.1. Результаты расчета токов и анализ их зависимости от величины и частоты подаваемого напряжения 92
2.5.2. Результаты расчета напряженностей и анализ возникновения электрических полей возле эмиттера 94
2.5.3. Результаты расчета давления и анализ его зависимости от величины и частоты подаваемого напряжения 100
2.5.4. Результаты расчета скорости зарядов и скорости рабочего потока 101
2.5.5. Анализ влияния частоты пульсирующего напряжения и длины межэлектродного пространства на эффективность ЭГД процесса 102
2.5.6. Анализ влияния геометрии ступени на расходно-напорную характеристику ЭГД насоса 103
2.5.7. Анализ расходно-напорной характеристики ступени ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 106
2.5.8. Методика расчета и анализ потерь в ступени ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 109
2.6. Выводы 113
3. Экспериментальные исследования ЭГД насоса при пульси рующем напряжении 116
3.1. Задачи исследования 116
3.2. Экспериментальный образец и экспериментальный стенд для исследования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 117
3.2.1. Экспериментальный образец ЭГД насоса 117
3.2.2. Экспериментальный стенд для исследования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 120
3.3. Методика экспериментального исследования 124
3.4. Результаты экспериментальных исследований ЭГД насоса при пульсирующем напряжении и их анализ 125
3.5.Методика обработки и оценки погрешностей экспериментальпых исследований ЭГД насоса при пульсиругощем напряжении... 129
3.6. Выводы 132
3.7. Рекомендации по конструированию ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 134
4. Перспективы применения ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в криогенной и холодильной технике, системах кондиционирования и жизнеобеспечения 137
4.1 Перспективы применения ЭГД насоса при пульсирующем напряжении 137
4.2. Применение ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в криогенной и холодильной технике, системах кондициониро вания и жизнеобеспечения 138
Заключение и выводы 147
Список использованной литературы 149
Приложение
- Методы нейтрализации негативного влияния пространст венного заряда
- Построение математической модели нестационарных процессов в ЭГД насосе при пульсирующем напряжении
- Экспериментальный образец и экспериментальный стенд для исследования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении
- Применение ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в криогенной и холодильной технике, системах кондициониро вания и жизнеобеспечения
Введение к работе
Современные тенденции развития энергетических систем и, в частности холодильных и криогенных установок, выдвигают новые требования к надежности и экологической безопасности работы машин сжатия и расширения, а также требуют улучшения эффективности их работы и степени автоматизации процессов. Эти обстоятельства заставляют вновь обратить внимание ученых на электрогидродинамические (ЭГД) преобразователи энергии.
Применение ЭГД преобразователей позволяет не только повысить эффективность работы, но и значительно улучшить эксплуатационные свойства холодильных, криогенных и энергетических систем за счет отсутствия движущихся механических частей и смазочных материалов, а именно:
обеспечить полную герметичность, поскольку нет необходимости создавать зазоры для обеспечения движения механизмов;
снизить уровень шума и вибрации;
увеличить надежность и ресурс работы;
работать в условиях низких температур и невесомости;
упростить регулирование производительности за счет изменения напряжения питания на эмиттере.
Перечисленные преимущества говорят о необходимости разработки новых типов высокоэффективных ЭГД преобразователей энергии различного назначения. Проведенные многочисленные исследования и разработки ЭГД преобразователей показывают, что их КПД находится на недостаточно высоком уровне. Максимальные значения КПД современных ЭГД насосов находятся на уровне 20 - 40 % [1 - 3], ЭГД генератора-детандера - на уровне 50 - 60 % [4, 5], ЭГД компрессора - на уровне 30 - 40 % [6 - 8].
Кроме этого, экспериментальные образцы ЭГД преобразователей энергии, исследуемые ранее, не превышали по мощности 20 Вт. Дальнейшее по-
вышение значение КПД и мощности ЭГД преобразователей является одной из важнейших задач их разработки и исследования.
В данной работе решается задача повышения КПД ЭГД насоса, необходимого для подачи хладагентов и других сжиженных газов, создания конструкции ЭГД насоса, способной работать при параметрах реальных энергетических, холодильных и криогенных систем.
Разработка высокоэффективного ЭГД насоса для энергетических, холодильных, криогенных систем и внедрение его в промышленность является актуальной и важной научно—технической задачей и имеет перспективное научное направление в технике и физике низких температур.
Проблема разработки
Теоретический анализ процессов в ЭГД преобразователях проводился большинством авторов при постоянном питающем напряжении и напряженности электрического поля в зоне преобразования [1 - 8]. При этих условиях отмечается негативное влияние объемного заряда на эффективность процессов в ЭГД преобразователях.
Для уменьшения потерь от объемного заряда авторы [9, 10] предложили проводить питание ЭГД насоса на пульсирующем напряжении.
Первые предварительные эксперименты ЭГД насоса при подаче на эмиттер пульсирующего напряжения показали, что при подаче на эмиттер пульсирующего напряжения эффективность процесса при определенных условиях существенно повышается, по сравнению с питанием постоянным напряжением [9, 11].
Экспериментальные исследования проводились на различных образцах ЭГД насосов небольшой мощности не более 20 Вт и одноступенчатых моделях с мощностью менее 1 Вт. Повышение мощности одной ступени путем конструктивной проработки ступени ЭГД насоса является также важной задачей дальнейших теоретических нэкспериментальных исследований.
Детальное теоретическое и экспериментальное исследование процессов, происходящих в новой конструкции канала ЭГД насоса при подаче пульсирующего напряжения, а также вопрос реализации этой технологии в технике являются главной задачей дальнейших исследований процессов ЭГД насосе. Решение этой задачи позволит найти оптимальные условий работы в новой конструкции каналов и электродов с существенным повышением эффективности работы ЭГД насоса.
Научная новизна и основные результаты состоят в следующем:
Определен способ увеличения производительности ступеней ЭГД насоса посредством применения ноцой геометрии проточной части и системы электродов.
Определен метод повышения эффективности ступеней ЭГД насоса посредством применения пульсирующего напряжения.
Разработаны физическая и математическая модели процессов, происходящих в ступени ЭГД насоса при пульсирующем напряжении. Данные модели основаны на исследовании двумерной модели электрического поля и тока, которые позволяют определить величину возникающего конвективного тока, тока смещения и тока проводимости, эффективность работы ступени и ЭГД насоса в целом.
Впервые на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в ступени ЭГД насоса, разработана его многоступенчатая конструкция с питанием от источника тока пульсирующего напряжения для холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Физическая и математическая модели процессов, происходящих в ступени ЭГД насоса при пульсирующем напряжении. Модели созданы с учетом радиальных составляющих напряженностей электрического поля и объ-
ємного заряда, тока, скорости, и позволяют определить величину возникающего конвективного тока, тока смещения и тока проводимости среды.
Результаты теоретического и экспериментального исследования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении.
Рекомендации по разработке и применению ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в холодильной и криогенной технике, системах кондиционирования и жизнеобеспечения.
Практическая ценность работы состоит:
в создании методики расчета ступеней ЭГД насоса при пульсирующем напряжении на основе теоретических и экспериментальных исследований;
в создании эффективной многоступенчатой конструкции ЭГД насоса при пульсирующем напряжении.
Реализация б промышленности
Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ООО «НТК «Криогенная техника» (г. Омск).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», (Омск, 2001); на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, машин и механизмов» (Омск, 2002); Третей международной конференции «Повышение эффективности и безопасности воздухораздели-тельных установок» (Одесса, 2002); на Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2003); Ш-м Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск, 2005).
Методы нейтрализации негативного влияния пространст венного заряда
Уменьшение негативного влияния объемного заряда является одной из важнейших задач повышения эффективности ЭГД насоса, так как дополнительно затрачиваемая энергия на преодоление поля объемного заряда затем необратимо теряется и рассеивается в виде тепла.
Снизить влияние поля объемного заряда возможно за счет уменьшения межэлектродного расстояния. Высокая интенсивность преобразования энергии характерна для области ВШ1ут.2 внутренней зоны коронного разряда, вследствие наличия высокой концентрации ионов и высокого значения напряженности электрического поля (рис, 1.2). Малая длина этой области определяет небольшие потери по сравнению с внешней областью разряда. Если размеры межэлектродного промежутка будут сравнимы с размерами внутренней области разряда, то вклад поля объемного заряда в общее поле будет мал. Поэтому следует стремиться к увеличению доли преобразования энергии в области BBI1jT,2 коронного разряда, уменьшая общую длину межэлектродного промежутка. С другой стороны, уменьшение межэлектродного промежутка приводит к уменьшению диэлектрической прочности среды и увеличивает вероятность пробоя при сравнительно низких напряжениях.
В [35] Борок А. М. для устранения влияния поля пространственного заряда на эффективность ЭГД процессов предложил конструкцию ЭГД нагнетателя с нейтрализацией пространственного заряда специальными электродами в виде нейтрализующих сеток. Однако, ни конструкции нейтрализующих сеток, ни описания процессов нейтрализации пространственного заряда в работе не рассматриваются. Борок A.M. приводит два сравнительных расчета ЭГД нагнетателей: без нейтрализации и с нейтрализацией пространственного заряда. Без нейтрализации пространственного заряда степень повышения давления составила 1,02, а с нейтрализацией пространственного заря да, когда установлены нейтрализующие сетки, степень повышения давления составила 3.
При низкой эффективности нейтрализации зарядов на коллекторе наблюдается вынос достаточно большого объема заряженных частиц в рабочую зону, где электрическое поле направлено против движения заряженной жидкости. В этом случае потери давления будут прямо пропорционально среднерасходной плотности выносимого заряда и напряжению питания. Величина выносимого заряда определялась путем измерения распределения тока по длине секционированного электрода, расположенного за коллектором и электрически соединенного с ним. В интервале напряжений от 30 до 40 кВ при измерении расхода ПМС-1,5 от 4 до 10 см3/с величина вынесенного заряда достигает 22 % от заряда, производимого эмиттером. Уменьшение плотности заряда по длине коллектора электрода происходит по экспоненциальному закону и определяется отношением времени нахождения зарядов во внутренней полости коллектора по времени электрической релаксации.
Отсюда следует два подхода нейтрализации заряда: 1. Увеличение длины коллекторного электрода до 0,3.,.0,5 метра, которое позволит увеличить время нахождения заряда во внутренней полости коллектора. 2. Увеличение скорости процесса нейтрализации посредством введения зарядов противоположного знака в толщу заряженной жидкости, позволит повысить проводимость жидкости и снизит время электрической релаксации. Авторами [38] было создано устройство нейтрализации заряда, которое не требует специального источника питания. Устройство представляет собой пассивный (индукционный) нейтрализатор, устанавливаемый в коллектор ячейки ЭГД насоса, эффективность его действия составляет 100 %. Авторы [39] исследовали многоступенчатый ЭГД насос при постоянном напряжении с системой электродов: кольцевой эмиттер - конфузор. Для уменьшения выноса зарядов после коллектора они предложили две конст рукции нейтрализаторов: нейтрализатор шнекового типа и конфузор с центральным телом (нейтрализатор пассивного типа). Эффективность нейтрализатора первого типа составляет 99,28 %, второго типа - (//= 99,93 %. Эффективность нейтрализаторов /оценивали по следующей формуле: на эмиттере. Кроме указанных выше методов нейтрализации негативного влияния пространственного заряда, существуют еще три метода, которые заключаются в следующем: установка экранирующих или секционированных металлических колец по длине зоны преобразования [40], применение каналов с ре-зистивным проводящем слоем [41], выполнение каналов по типу открытой струи [15]. Но на практике эти методы оказались не достаточно эффективными. Поэтому авторы [9, 10] предложили разделить основные ЭГД процессы (ионизация, зона преобразования, рекомбинация) во времени. Разделить эти процессы во времени возможно путем питания короны прерывистым напряжением (пульсирующим напряжением). В результате такого питания короны образующийся конвективный ток, а, следовательно, и объемный заряд поступает порциями в зону преобразования, которые разделены между собой нейтральной средой. Первые предварительные эксперименты показали, что при питании ЭГД насоса пульсирующим напряжением, график которого показан на рис. 1.6, эффективность процесса при определенных условиях существенно повысилась [10], по сравнению с питанием постоянным напряжением.
Построение математической модели нестационарных процессов в ЭГД насосе при пульсирующем напряжении
Одной из часто встречающихся в работах причин большого расхождения теоретических и экспериментальных характеристик ЭГД нагнетателей является отсутствие анализа влияния объемного заряда и геометрии канала электродов на эффективность процессов ЭГД преобразования при построение математических моделей [79]. В теоретическом анализе процессов применялось одномерное или квазиодномерное приближение при условии постоянства напряженности электрического поля (Е =const) в зоне преобразования энергии [15]. Это, в свою очередь, исключило из рассмотрения поле объемного заряда. Кроме того, при анализе процессов, происходящих в ЭГД нагнетателе, делались допущения, что ток проводимости гораздо больше конвективного тока аЕ »q We. Отсюда поле зарядов Ее в жидкости мало по сравнению с внешним полем Е0 Ее « Е9 [74]. В работах [43] теоретические исследования процессов в ЭГД насосе проводились при напряженности электрического поля возле эмиттера равном нулю, что не отражает реальную физическую картину процессов ионизации. При создании физической и математической моделей для ЭГД насоса с системой электродов (рис. 1.10) при пульсирующем напряжении опирались на математическую модель, указанную в [10]. Физическая модель содержит следующие допущения: - несжимаемость перекачиваемой среды; - рабочую среду рассматриваем как сплошной континуум, состоящий из двух компонентов: нейтрального потока жидкости с плотностью р = const и потока заряженных частиц (объемного заряда) с плотностью q(x,t), которая рассматривается как ионный газ; - постоянство диэлектрической проницаемости перекачиваемой жидкости с= const; - пренебрежение диффузионными процессами; - пренебрежение передачей тепла от стенки канала к потоку и наоборот, а также переносом тепла теплопроводностью в осевом направлении; - электрический заряд, образовавшейся в жидкости при условии неравномерного электрического поля, как и в случае коронного разряда газа, является униполярным и имеет знак потенциала эмиттера; - ионизация в жидкости обусловлена электрохимическими процессами, поверхностной ионизацией и автоэлектронной эмиссией; - скорость потока изменяется по длине канала и остается постоянной по времени d\V/dt«\, т.к. питание ЭГД насоса производится с отно сительно высокой частотой пульсирующего напряжения и скорость потока не успевает изменяться с такой же частотой; - движение пространственного заряда происходит порциями одного и того же знака (в частности, отрицательного знака), которые разделены между собой свободным от зарядов пространством. Математическая модель разработана в квазиоднОхМерном приближении при нестационарном протекании процессов и позволяет оценить влияние поля пространственного заряда на эффективность работы насоса при пульсирующем напряжении.
Данная математическая модель существенно отличается от математической модели, указанной [10] и имеет следующие отличия: - учтены радиальные составляющие напряженности от внешнего электрического поля и напряженности от объемного заряда; - вычисляются значения конвективного тока, тока смещения и тока проводимости; - учтены радиальные составляющие тока и скорости; - питание короны обеспечивается пульсирующим напряжением, описываемым уравнением (2.4) (добавление составляющей UH обеспечивает отсутствие возможности возникновения генераторного режима (гл. 2.2) в отличие от модели [10]). Рассмотрим произвольный объемный заряд в какой-то фиксированный момент времени (рис. 2.7 и 2.8). На рис. 2.8 показана схема расположения эквипотенциальных поверхностей А(-С,ЙДА",-/И,- и силовых линий внешнего электрического поля E9(x,t), которые расположены перпендикулярно первым. Эквипотенциальные поверхности bfifijdfoni, где / - номер поверхности, имеют сложную торобразную форму с диаметром тора, равным диаметру кольцевого эмиттера и имеющий образующую, состоящую из сектора круга радиусом г, = Ojbi \ = \ Q\di \ =е,- и высотой h= \J}di \ и двух наклонных отрезков сД и kpii I, каждый из которых параллелен боковой поверхности коллектора АВ и CD (рис. 2.8). Величина вектора напряженности внешнего электрического поля E fcrj), для всех точек, принадлежащих данной поверхности / имеет различный угол наклона 0, к оси Ojx для сектора круга (а=0)и постоянный угол наклона а (а=л/4)цпя отрезков сД и [ ,ш/1. Рассмотрим поперечное сечение канала 47iR$ уи,- /2. Через него проходит множество эквипотенциальных поверхностей, каждая из которых имеет свою величину напряженности внешнего поля
Экспериментальный образец и экспериментальный стенд для исследования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении
Ранее проведенный анализ показал [2, 3], что наиболее оптимальной формой эмиттера, которая позволит достигнуть наибольшего расхода перекачиваемой жидкости, является тонкостенный цилиндр, заостренный со стороны коллектора; коллектор - кольцевой конус (рис. 3.1). Диаметр коронирующего электрода рекомендуется выбирать в пределах 8...20 мм с радиусом кривизны ко-ронирующей кромки 10...20 мкм. При выборе оптимальных диаметров канала и кольцевого зазора в коллекторе необходимо учитывать, что напор, развиваемый ступенью, обратно пропорционален площади проходного сечения кольцевого отверстия в коллекторе, а расход рабочего тела прямо пропорционален этой площади в коллекторе ступени. Уменьшение площади отверстия в коллекторе ступени может привести к резкому возрастанию гидравлического сопротивления ступени и насоса в целом. В таблице 3.1 представлены основные конструктивные размеры используемой ступени ЭГД насоса с отверстиями в коллекторе. Поэтому диаметр отверстий выбирался из необходимости обеспечения определенного напора и расхода. Количество отверстий в коллекторе с диаметром dj принято равным 18 (ик — 18).
Выбор материалов электродов ступени ЭГД насоса проводился на основе результатов исследований, проводимых в работе [23, 24]. ЭхМиттер необходимо изготавливать из тугоплавких материалов с высокой тепло- и электропроводностью, таких как никель, молибден, нихром и т.д. В качестве материала для эмиттера была выбрана нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. Коллектор выполнен из алюминиевого сплава АмГб (рис. 3.2).
При проектировании экспериментального образца ЭГД насоса особое внимание обращалось на выбор материала проточной части. Как показано в [77], непосредственный контакт материала проточной части с зоной ионизации и преобразования энергии оказывает огромное влияние на конфигурацию элек трического и гидравлического полей. Вдобавок к этому, электрические и физические процессы, происходящие на поверхности проточной части насоса, влияют на процессы ионизации рабочего тела, адсорбцию зарядов на стенках и пробой межэлектродного пространства. Для обеспечения эффективной работы ЭГД насоса при собственной проводимости жидкости т= КГ Ом-см)"1 электрическая проводимость материала проточной части должна быть существенно ниже этого значения [77]. Механические свойства материалов проточной части имеют второстепенное значение. Механические и прочностные свойства материалов проточной части имеют существенное значение в случае, если перекачиваемая жидкость относится к агрессивным или криогенным жидкостям.
В качестве диэлектрического материала для проточной части был выбран фторопласт 4, он обладает низким пределом прочности при растяжении тр= 15 ... 30 МПа/м , значение диэлектрической проницаемости составляет е= 1,9...2,2, с точки зрения технологической обработки фторопласт 4 хуже, чем капрон, но у капролона е= 4...5, что обуславливает поверхностные негативные эффекты [81].
Экспериментальная модель ЭГД насоса (рис. 3.4) состояла из набора 20 ступеней, установленных последовательно (рис. 3.1), которые исследовались как отдельно, так и совместно. Экспериментальный стенд (рис. 3.5) представляет собой замкнутый герметичный циркуляционный контур, который состоит из ЭГД насоса 3, расходомера 1, манометров 8, баллона с жидким хладоном 5, источника высокого напряжения (ИВН) 6, микроамперметра 7. Регулирование давления в контуре производилось с помощью дроссельного вентиля 2.
Рабочее давление в контуре, достигаемый перепад давлений статистическое давление в ЭГД насосе измерялись образцовыми манометрами со шкалой 0... 16 кгс/см . Класс точности манометра 0.4.
В качестве расходомера использовалась капиллярная трубка из нержавеющей стали с диаметром 6x0,5мм и длиной 50 мм. Создаваемый перепад давлений измерялся преобразователем разности давлений Сапфир-22М-ДД-Ех модель № 2440. Пределы измерений данного прибора составляют от 0 до 63 кПа, а предел допускаемой основной погрешности - ± 0,25 %. Контроль значения вы ходного сигнала осуществлялся вольтметром постоянного тока от источника питания 24 В.
Конвективный ток в ЭГД насосе измерялся микроамперметром Ml36 в комплексе с шунтом Р26 через заземляющий контур, позволяющим измерять пределы измерения тока от 0,1 мкА до 1000 мкА, класс точности микроамперметра 1.0 (рис. 3.5).
Рабочее напряжение, подаваемое к ЭГД насосу от источника высокого напряжения: пульсирующее с выходным однополярным напряжением 50 кВ с регулируемой частотой от 100 до 5000 Гц и минимальной составляющей постоянного напряжения на уровне от 5 до 30 кВ, максимальная выходная активная мощность — 300 Вт. Предел погрешности по напряжению составляет ± 0,3 %, по частоте - ± 0,25 %.
В соответствии с требованиями к высоковольтным установкам ГОСТ 12.3.019-80 экспериментальный стенд был размещен за защитным ограждением с обязательным заземлением ограждения и стенда. Высоковольтная установка состоит из экспериментального стенда (рис. 3.5), защитного ограждения и панели управления (рис. 3.6 и 3.7). На панели управления установлены автоматический выключатель питания стенда, рубильник блокировки питания, пускатель, подающий питание на стенд, кнопки управления, киловольтметр и микроамперметр с переключателями пределов измерений. Кроме этого, на панели управления установлена звуковая и световая сигнализации, высвечивающая надпись «ИСПЫТАНИЕ опасно для жизни» при включении пускателя и подающая кратковременный звуковой сигнал.
Применение ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в криогенной и холодильной технике, системах кондициониро вания и жизнеобеспечения
ЭГД насос при пульсирующем напряжении может быть использован для сжатия и перекачивания любой жидкссти или газа, обладающих свойствами «слабопроводящей» среды, т.е. удельную проводимость сг=1(Г ...10" Омм. К таким веществам относят бензин, керосин, дизельное топливо, элегаз, различные органические и минеральные масла, кремнийорганическую жидкость; различные фторорганические диэлектрические жидкости (таких как R 12, R 113, R114, R215, R212, R214, R218), а также газообразные хладагенты при давлениях выше атмосферного; жидкие криопродукты - азот, кислород, метан (R 50) и др.; различные смеси газов с жидкими и газообразными хладагентами; теплые диэлектрические жидкости (перфторгептан C7Fi6 октафтортолуол C7F8» пер-фтороктан CgFig); хладагенты R12B2 (галлон 1202), R12B1 (галлон 1211), Rl 14В2 (галлон 2402), использующиеся в пожарной технике и т.д. Что касается применения ЭГД насосов для перекачки озонобезопасных хладагентов, таких как R404a, R407c, R410a и др., то необходимо непосредственное проведение экспериментов на этих хладагентах, так как данных по ним в литературе мало. Опыты на хладагенте R134a и R142b проводились в работах [6, 81]. При разработке конкретной конструкции ЭГД устройства прежде всего необходимо ориентироваться на технические требования, предъявляемые заказчиком.
Одним из главных заказчиков может выступить ВПК для военных нужд. В этой области особую роль отводится бесшумности, малому энергопотреблению, автоматизации процесса, простоте обслуживания. Всем этим требованиям соответствует ЭГД насос. На рис. 4.2 показан пример использования ЭГД насоса при пульсирующем напряжении в низкотемпературной системе, перекачивающего жидкий хладон в замкнутом контуре. Данная холодильная система может работать в трех режимах, в зависимости от температуры окружающей среды 10.с. 1. При t ос 20 С (летний период) система работает как компрессорная холодильная система, в которой сжатие газообразного хладона происходит в компрессоре 1 с последующей конденсацией его в наружном конденсаторе 2 и дросселированием в терморегулирующем вентиле 4 и отборе тепла у потребителя в испарителе 5 (цикл обозначен линией I, вентили В2, В5 открыты, остальные закрыты). 2. При t ос. 20 С (весеннее-осенний период) хладон перед дросселем начинает вскипать, поэтому его поддавливают ЭГД насосом 3 (цикл обозначен линией II, вентили В2, Вз, Вб открыты, а вентили В], В4, В5 закрыты). 3. При t 0с. 1И — температуры в испарителе (зимний период), компрессор 1 отключается и насос 3 перекачивает хладон через наружный конденсатор 2, где он охладился за счет холода из окружающей среды, к потребителю в испарите ле 5 без дросселирования хладона (цикл обозначен линией III , вентили Вь В3, В4 открыты, а вентили В2, В5, В6 закрыты). Данная холодильная система с ЭГД насосом может найти широкое применение в районах с относительно холодными зимами и, в частности, в Омской области.
Работа одной холодильной установки только в течение 3-х месяцев в году при номинальной производительности 40 кВт с учетом расходов на капитальные затраты, связанные с установкой ЭГД насоса, позволяет сэкономить свыше 20000 кВт-ч электроэнергии [87, 88]. ЭГД насос при пульсирующем напряжении может найти применение для охлаждения воды в температурном интервале 1...35 С с помощью хладона R12 со степенью сжатия 2,6 [89]. ЭГД насос при пульсирующем напряжении может найти применение для перекачки продуктов разделения воздуха. Применение ЭГД насоса возможно в воздухоразделительных установках высокого давления типа СКДС, МКДС малой производительности, узел ректификации которых для уменьшения высоты установки выполнен в виде разрезного аппарата двукратной ректификации 2 и 3, показано на рис. 4.3. В этом случае с целью повышения коэффициента извлечения кислорода и улучшения процесса ректификации в колонне высокого давления 2 подача жидкого кислорода из нижнего конденсатора 4 в верхний 5 производится с помощью ЭГД насоса. Такая подача жидкого кислорода более надежна в работе по сравнению с газлифтами и использованием турбонасосов [37,90 - 92]. Кроме этого, более широкое использование низконапорные ЭГД насосы могут найти для прокачки криогенных жидкостей с температурой 77 - 150 К (азот, кислород, изопентан, хладоны и др.) в циркуляционных контурах для обеспечения высокотемпературных сверхпроводящих устройств охлаждения и криостатирования радиоэлектронных приборов и датчиков. У такой криогенной системы отсутствуют вибрация и шум и, в конечном счете, не создаются помехи в работе приборов [90]. На рис. 4.4 представлена установка по улавливанию легких фракций углеводородов на основе криогенной машины Стирлинга при хранении нефтепродуктов на АЗС и нефтебазах. В состав установки входит криогенная машина Стирлинга 1 с конденсатором 2, емкость для хранения жидкого азота 3, линия слива жидкого азота 4 из конденсатора 2 в емкость 3, линия подачи жидкого азота 5 с ЭГД насосом 6, расположенным в емкости 3, контактный теплообменник 7, внутри которого в слое сжиженных паров легких углеводородов 8 расположен охладитель 9, линия подачи насыщенных паров азота 10 с дроссельным вентилем 11 к конденсатору 2 криогенной машины Стирлинга, резервуар с нефтепродуктами 12, линия подачи паровоздушной смеси 13 с раздаточной гребенкой 14, расположенной в слое сжиженных паров легких углеводородов 8, линия удаления воздуха 15 из теплообменником 7. Установка для улавливания паров легких углеводородов работает следующим образом. В начале эксплуатации установки в емкости 3 запасается расчетное количество жидкого азота. В процессе работы установки жидкий азот испаряется в охладителе 9, а его пары азота конденсируется в конденсаторе 2 криогенной машины Стирлинга 1.
