Содержание к диссертации
Введение
1. Физика процессов и анализ состоянии работ по исследованию и разработке ЭГД-компрессора 6
1.1. Принцип работы и физика процессов в ЭГД-компрессоре 6
1.2. Состояние вопроса по разработке и исследованию ЭГД -нагнетателей и ЭГД-компрессоров 14
1.3. Основные источники потерь энергии в ЭГД - компрессоре при постоянном напряжении 16
1.4. Особенности работы ступени ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении ., 19
1.5. Состояние вопроса и анализ работ по созданию ЭГД-преобра-зователей энергии при переменном и пульсирующем напряжении 27
Выводы и задачи исследования 29
2. Теоретические исследования и анализ процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 33
2.1. Основные задачи теоретического исследования 33
2.2. Выбор конструктивной схемы ступени ЭГД-компрессора 33
2.3. Выбор рабочего тела 35
2.4. Физическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 37
2.5. Математическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 39
2.5.1. Основные допущения 39
2.5.2. Определение значений конвективного тока и тока смещения в зоне ионизации и образования объемного заряда при пульсирующем напряжении 42
2.5.3. Электрические поля и процессы в зоне ЭГД-преобразования при пульсирующем напряжении 49
2.5.3.1. Уравнение граничной поверхности области (волны) объемного заряда 52
2.5.3.2. Уравнение неразрывности конвективного тока 53
2.5.3.3. Поле объемного заряда при пульсирующем напряжении 56
2.5.3.3.1. Напряженность поля от объемного заряда 59
2.5.3.3.2. Напряженность поля от объемного заряда на втором временном этапе 62
2.5.3.3.3. Осевые составляющие напряженности электрического поля от объемного заряда 63
2.5.3.3.4. Осевая составляющие напряженности электрического поля от объемного заряда на первом временном этапе 64
2.5.3.3.5. Осевая составляющая напряженности электрического поля от объемного заряда на втором временном этапе 69
2.5.4. Уравнение движения 71
2.5.5. Уравнение энергии 76
2.5.6. Уравнение профиля канала 77
2.5.7. Определение образующегося перепада давления и температур в зоне ЭГД-преобразования и диффузоре ступени ЭГД-компрессора 78
2.5.8. Уравнение состояния рабочего тела 82
2.5.9. Уравнение расхода рабочего тела 82
2.5.10. Математическая модель процессов в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 82
2.6. Результаты расчета и анализа нестационарных процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 96
2.7. Методика расчета и анализ потерь в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении 105
3. Экспериментальное исследование ступеней ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении 114
3.1. Задачи экспериментального исследования 114
3.2. Экспериментальный образец для исследования ступеней ЭГД-компрессора 115
3.3. Экспериментальный стенд для исследования ступеней ЭГД-компрессора 120
3.4. Методика экспериментального исследования 121
3.5. Результаты экспериментальных исследований ступеней ЭГД-компрессора 126
3.6. Сопоставление результатов теоретического исследования ступеней с зкеперимеї[ТОМ 133
4. Разработка многоступенчатого экспериментального образца и экспериментального стенда, результаты экспериментального исследования многоступенчатого ЭГД- компрессора 135
4.1. Предварительные исследования пяти ступенчатого ЭГД-компрессора и разработка экспериментального стенда 135
4.2. Разработка многоступенчатого ЭГД-компрессора 137
4.3. Результаты экспериментального исследования многоступенчатого компрессора 143
4.4. Сопоставление результатов экспериментального исследования с расчетом многоступенчатого образца ЭГД-компрессора 145
5. Рекомендации по проектированию, конструированию и применению ЭГД-компрессора 148
5.1. Рекомендации по проектированию и конструированию компрессора 148
5.2. Рекомендации по применению ЭГД-компрессора 152
Заключение и выводы 155
Список использованной литературы 159
- Основные источники потерь энергии в ЭГД - компрессоре при постоянном напряжении
- Физическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении
- Экспериментальный образец для исследования ступеней ЭГД-компрессора
- Сопоставление результатов экспериментального исследования с расчетом многоступенчатого образца ЭГД-компрессора
Введение к работе
Ранее выполняемые работы по изучению и исследованию ЭГД — преобразователей энергии и в частности ЭГД — компрессора, проводились, как правило, при постоянном напряжении питания коронного разряда [15, 16, 17, 18, 49]. Анализ этих работ показал, что при постоянном напряжении питания эмиттера основная рабочая зона ЭГД - компрессора постоянного заполнена объемным разрядом, в результате чего имеют место относительно большие потери энергии от негативного влияния пространственного заряда [15, 49]. Эти потери обусловлены высокой напряженностью поля от объемного заряда в зоне ионизации и появлением в зоне ЭГД — преобразования, так называемого "потенциального барьера", следствием которого является возникновение на отдельных участках рабочей зоны "генераторного режима" работы вместо "насосного" [15, 48, 49], снижающего эффективность работы ЭГД- компрессора.
Для уменьшения потерь от негативного влияния объемного заряда авторами [13, 14] было предложено проводить питание эмиттерного электрода пульсирующим напряжением. Первые же экспериментальные исследования ступени ЭГД - насоса показали, что при определенных условиях работа ЭГД - насоса значительно улучшается, по сравнению с работой при постоянном напряжении питания [13, 14, 41, 47]. К этому следует добавить, что при выполнении высоковольтного источника питания (ВИП) значительно проще разработать источник при пульсирующем напряжении, чем постоянном. При этом его габариты будут значительно меньше (в зависимости от частоты пульсирующего напряжения).
Эти обстоятельства требуют подробно рассмотреть работу ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении, выявить его особенности протекания процессов и эффективность работы.
Главной целью предложенной работы является повышение эффективности работы электрогазодинамического (ЭГД) компрессора путем применения пульсирующего напряжения питания для холодильной техники и систем кондиционирования.
Основные источники потерь энергии в ЭГД - компрессоре при постоянном напряжении
Несмотря на многочисленные исследования отдельной ступени и многоступенчатых ЭГД - нагнетателей, эффективность их работы остается недостаточно высокой. Последние результаты экспериментальных исследований ступеней и многоступенчатого ЭГД - компрессора с системой электродов: эмиттер - игла, коллектор - конус, проведенные Раханским А.Е. при постоянном напряжении на хладоне R22 при начальном давлении 500 кПа, показали относительно высокую эффективность их работы [17, 49]. Адиабатный КПД многоступенчатого ЭГД - компрессора в оптимальной зоне находился в пределах 32% - 35%. Анализ потерь энергии, приведенный в той же работе, показал, что в ступени ЭГД - компрессора имеют место следующие потери: AN - потери с утечками заряда на стенки канала под влиянием радиальной составляющей поля пространственного заряда, которые в зависимости от питающего напряжения составляют от 11% до 25% от суммы всех потерь; ANq—потери, связанные с преодолением напряженности поля объемного заряда при выходе заряда во внешнюю (рабочую) зону. Они обусловлены постоянным присутствием объемного заряда в зоне ЭГД - преобразоваїшя. При этом в случае питания ЭГД - компрессора постоянным напряжением U вся зона ЭГД - преобразования полностью заполнена объемным зарядом во все время процесса. Вблизи эмиттера напряженность поля от объемного заряда максимальна и направлена в противоположную сторону напряженности от приложенного напряжения. В результате суммарная напряженность возле поверхности эмиттера уменьшается более, чем на половину, резко снижая величину выхода заряда в основную рабочую зону ЭГД - преобразования, уменьшая тем самым и мощность ступени и ЭГД - компрессора в целом. По результатам расчета в [49], потери, связанные с преодолением поля объемного заряда, составляют от 12,5% до 25,0%; ANCT- тепловые или джоулевые потери, обусловлены конечной проводимостью рабочего тела и недостаточно низкой подвижностью образующихся зарядов - ионов. При сжатии рабочего тела в области газа по данным [49] они составляют от 33% до 60%. Особенно они велики при низких давлениях на входе в ЭГД - компрессор, когда подвижность образующихся зарядов относительно высока; ANr - потери на гидравлическое сопротивление и трение в основной рабочей зоне, которые определяются скоростью рабочего потока, конфигурацией и чистотой обработки канала. По данным [49] они составляют 2-3%; ANg - потери в диффузоре, которые показывают, что при торможении потока в диффузоре не вся кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления, часть ее рассеивается в виде тепла.
Они составляют от 2% до 5%. Как видно из анализа процессов в ступенях ЭГД — компрессора основные потери энергии составляют: АЫф - потери с утечками заряда на стенки канала под влиянием радиальной составляющей объемного заряда; ANq- потери, связанные с преодолением пространственного заряда при входе зарядов в зону ЭГД - преобразования, и ANCT-тепловые или джоуливые потери, обусловленные конечной проводимостью и относительно высокой подвижностью образующихся зарядов - ионов в рабочей среде. Последние потери ANfj обусловлены только выбранной рабочей средой. Известно [9, 15,31, 45, 49], что если увеличить плотность рабочей среды или повысить ее давление, то подвижность образующихся ионов - зарядов начинает резко понижаться. Как следствие уменьшаются потери ANCT и повышается эффективность процессов ЭГД - преобразования. Если производить процесс ЭГД - сжатия в двухфазной области: пар + жидкость, - при этом жидкость находится в дисперсном состоянии, то подвижность образующихся ионов — зарядов также значительно уменьшается, соответственно повышается эффективность процессов ЭГД - преобразования. Потери AN p и ANq обусловлены только объемным зарядом, находящимся в рабочей зоне ЭГД - преобразования. Для снижения потерь АЫф и ANq необходимо уменьшить негативное влияние поля объемного заряда, и тем самым повысить эффективность процесса ЭГД - преобразования. Экспериментальные исследования, показанные в работе [13], а также теоретические исследования, проведенные в работах [13,14,19,41,47], показали, что одним из способов уменьшения негативного влияния объемного заряда является перевод питающего напряжения ифп с постоянного, на пульсирующее U(jwv(t). Эффективность такого перевода экспериментально показана в [13] на работе ЭГД - насоса. Рассмотрим здесь работу ступени ЭГД - компрессора при питании его пульсирующим напряжением, схема которого показана на рис. 1.3.
Физическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении
Физика процессов и принцип работы ступени ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении описаны в 1-ой главе. В этой главе рассматриваются основные допущения, принятые при построении математической модели, и обозначены граничные и начальные условия, границы области образования объемного заряда, вязкостного взаимодействия образовавшейся волны униполярного объемного заряда с нейтральным потоком и нейтрализации объемного заряда на поверхЕїости коллекторного электрода и деионизатора.
Все процессы образования униполярного объемного заряда, вязкостного взаимодействия зарядов с нейтральным потоком и нейтрализации (рекомбинации) объемного заряда происходят в области между поверхностью эмиттериого электрода и поверхностью коллектора и внешней граничной поверхностью объемного заряда.
Процессы образования объемного заряда и формирования конвективного тока происходят в области между острием эмиттерного электрода с поверхностью Ро 2л:то Дго и граничной поверхностью Г], названной внутренней областью коронного разряда, чехол короны (рис 2.1). Здесь г0-радиус тонкостенной трубки-иглы эмиттерного электрода; Дго - толщина стенки трубки; F0 - поверхность, генерирующая процессы образования объемного заряда. В области между поверхностью Гд и поверхностью Г[ при напряжении питания U„o(t) U суммарная напряженность поля Е 0 во время горения коронного разряда несколько выше, чем начальная напряженность зажигания разряда Е . При этих условиях в ней происходят все молекулярно-кинетические и электрохимические реакции образования униполярного объемного заряда и формирование конвективного тока [23,29,42,57]. Кроме конвективного тока J„Q при пульсирующем напряжении в этой области имеет место и ток смещения JCQ. На граничной поверхности Г] напряженность поля EJQ В0 время горения коронного разряда to остается величиной постоянной и равной начальной напряженности зажигания Е . Во внутренней же области между границами Гд и Г во время горения коронного разряда Е о Е .
Процессы вязкостного взаимодействия униполярного объемного заряда с нейтральным потоком происходят в области между границей Г] и поверхностью коллекторного электрода ЇЇ деиопнзатора. В ней напряженность поля Ezx(M) ниже Е - начальной напряженности. Внешней боковой поверхностью этой области является граничная поверхность Tq(x,t) (рис. 2.1). Именно в этой области происходит вязкостное взаимодействия объемного заряда с нейтральным потоком.
Так как при пульсирующем напряжении U pQ(t) объемный заряд возникает определенными порциями — волнами, то и движение этой порции зарядов происходит в рамках внешней граничной поверхности Г„(і.) волнами со скоростью Wq(x,t), которая изменяется как в пространстве, так и во времени.
Внешняя граничная поверхность rq(x,t) определяется радиальной составляющей напряженности поля Er(x,t), которая возникает как от объемного заряда в этой области - Eq(x,t), так и приложенного напряжения -Еу хД), названной внешней напряженностью.
Процессы рекомбинации объемного заряда происходят на поверхности коллекторного электрода и деионизатора, где область объемного заряда соприкасается с этими поверхностями. Ре ком би пирующая поверхность начинается при х = Lq и кончается поверхностью деионизатора в отверстие коллекторного электрода с радиусом гк на всей длине LQ.
При разработке математической модели процессов в ступени ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении были использованы основные классические понятия и уравнения, принятые в ряде классических учебниках электродинамики, термодинамики и газодинамики [1, 12, 24, 25, 28, 29, 30, 35, 39, 42, 45,48,51,52, 53, 54,55,60]. При этом были приняты следующие допущения: процессы зарядообразования униполярного объемного заряда и процессы вязкостного взаимодействия зарядов с нейтральным потоком условно разделены между собой в пространстве границей Г] (рис. 2.1 и рис. 2.2); в связи с относительно высокой частотой / пульсігрующего напряжения скорость потока Wx не успевает изменяться с такой же частотой, поэтому она не изменяется со временем, d\V/dt«l, она изменяется только по длине канала; объемный униполярный заряд с плотностью qx(t) имеет место только за пределами условной границы П, на поверхности которой во время образования объемного заряда напряженность поля Е0= Е - начальной напряженности, и которая поддерживается постоянной во время горения короны, Е = const; процессами передачи тепла теплопроводностью вдоль оси канала х пренебрегаем; химические реакции в зоне ЭГД - преобразования энергии отсутствуют; компоненты смеси униполярного заряженного потока в одном и том же сечении канала х имеют одинаковую температуру, и теплообмен между зарядами и нейтральными частицами, а также между жидкой фазой и паром отсутствует;
Экспериментальный образец для исследования ступеней ЭГД-компрессора
Предложенная конструкция ступеней ЭГД- компрессора показана на рис. 1.1 и 3.1. Эта конструктивная схема ступеней ЭГД - компрессора разработана, исходя из необходимого расхода для бытовых домашних холодильников и малых систем кондиционирования. Массовый расход в них составляет то= 0,5 3 г/с. Как показали проводимые ранее экспериментальные исследования ступеней ЭГД - насоса и ЭГД - компрессора [13, 13а» 18, 48, 49, 61] для таких расходов достаточно выбрать наиболее изученную и относительно эффективную ступень с системой электродов: эмиттер - игла, коллектор - конус с центральным отверстием. В такой системе электродов и расход, и напор в основном определяются размерами диаметра (радиуса) отверстия в конусном коллекторе, который при таких расходах должен находиться в пределах dK= 0,8 - 2 мм. При этом необходимо помнить, что напор, развиваемый в таких ступенях, обратно пропорционален площади проходного сечения отверстия в коллекторе, а расход рабочего тела — прямо пропорционален площади этого же проходного сечения в коллекторе.
Игольчатый электрод в такой системе выбирался из тугоплавких материалов с высокой тепло- и электропроводимостью, типа никеля, молибдена, нихрома и т.п. Диаметр коронирующего электрода выбирался в пределах do=0,4 1мм, с радиусом заточки коронируюшей части 10-20 мкм, а длину свободного конца иглы (или трубки малого диаметра) 6-8 мм. Диаметр основного канала не играет существенной роли в эффективности работы ступеней, но поверхность коллектора должна быть относительно большой. Поэтому диаметр основного канала выбирался в пределах Dc= 6 - 12 мм и более-Как показали экспериментальные исследования, у такой "оптимальной" ступени с системой электродов: эмиттер - игла, коллектор - конус с центральным отверстием, имеются свои недостатки. 1. Несмотря на относительно малые размеры диаметра центрального отверстия в коллекторе, часть образующихся зарядов в потоке проскакивает через это отверстие, ухудшая работу последующих ступеней. 2. Игольчатые электроды, изготовленные непосредственно из проволоки такого малого диаметра CIQ= 0,4 - і мм, как правило, не обладают достаточной жесткостью и трудно совместить окончание заостренной части иглы с осью центрального отверстия в канале, что также ухудшает работу ступеней.
Поэтому для устранения указанных недостатков и улучшения работы ступеней с такой системой электродов, нами предложен новый вариант ступеней с аналогичной системой электродов, который показан на рис. 1.1 и 3.1.
Вместо игольчатого электрода предлагается тонкостенная никелевая трубка диаметром do= 0,8 — 1,5 мм с толщиной стенки Arg= 0,01 - 0,02 мм. Такая трубка более жесткая и устойчивая по сравнению со стержнем (проволокой) такого же диаметра и ее легче заострить до необходимой толщины. Конвективный ток, образующийся возле заостренной поверхности такой трубки, несколько больше во время коронного разряда, чем у заточенного стержня такого же диаметра, что повышает мощность ступени.
Кроме этого, для улучшения процесса рекомбинации в отверстие коллектора вставлен специальный деионизатор-втулка, который увеличивает поверхность коллектора в центральной части канала, где проходит наибольшее количество заряженных частиц-ионов. На выходе деионизатора поток, проходящий по кольцевому отверстию, поворачивает дважды на 90 градусов, что способствует полной рекомбинации потока. В результате такой конструкции, поток на выходе из коллектора становится, практически нейтральным. Кольцевой зазор между деионизатором и корпусом коллектора в зависимости от расхода и давления потока составляет Дгк = 0,3 -1,0 мм.
При проектировании ступеней экспериментального образца особое внимание уделялось выбору материалов эмиттера, основного канала и коллектора с деионизатором. Как показали эксперименты, непосредственный контакт материалов проточной части с униполярно заряженным потоком, существенно влияет на процессы ионизации, ЭГД - преобразования и рекомбинации [54], а также на напряжение пробоя межэлектродного промежутка. В качестве основного материала коллектора и основания эмиттера выбраны нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, а непосредственно коронирующей части эмиттера - никелевая трубка диаметром 0,8 -1,5 мм с толщиной стенки 0,01 мм. При определении основных размеров последующих ступеней учитывалось изменение плотности рабочей среды в процессе сжатия от ступеней к ступеням. Различные варианты изготовленных коллекторов, эмиттеров и диэлектрической проставки - канала показаны на рис.3.2 и 3.3, которые имеют разные диаметры, как коллектора, так и эмиттера в зависимости от давления и расхода рабочего тела.
Сопоставление результатов экспериментального исследования с расчетом многоступенчатого образца ЭГД-компрессора
Вольтамперные характеристики, которые определяют затраченную мощность N3 (рис. 4.8), были сняты при различных начальных давлениях ри = 3; 4; 5; 6; 7 бар. Величина эффективного тока JQ является среднеарифметической суммой значений токов в ступенях. В отличие от вольтамперных характеристик одной ступени, подобные характеристики в многоступенчатом ЭГД - компрессоре более пологие. При этом, чем выше начальное давление рп, тем ниже расположена характеристика и тем меньше потребление тока. Эффективность процесса ЭГД - преобразования при этом существенно растет.
Следует обратить внимание на то, что при ри= 3 бар возможность работать при более высоких напряжениях, выше 25 кВ, ограничивает ІіфО значение пробивного напряжения ипр, которое в этом случае не превышает Unp= 28 кВ. В то же время при рн = 5 и 7 бар возможности работать при более высоких напряжениях значительно расширяется, свыше 40 кВ. а чем выше рабочее напряжение ОфО, тем эффективнее работа ЭГД-компрессора, и тем выше адиабатный КПД ЭГД-компрессора, который в этом случае может достигать 50 % и выше.
Расходно-напорные характеристики (рис. 4.9) многоступенчатого ЭГД — компрессора были сняты при начальном давлении рн = 5 бар и различном эффективном напряжении U(p0= 20, 25, 30 кВ. Как и для одной ступени характеристики многоступенчатого ЭГД - компрессора в значительной степени зависят от питаемого эффективного напряжения U Q Наибольшая эффективность и наибольшее значение адиабатного КПД было достигнуто в экспериментальном образце многоступенчатого ЭГД - компрессора при эффективном напряжении 30 кВ и равно T]s= 43 % . При этом массовый расход m был равен т=
2,4 г/с при перепаде давления Др=2300 - 500=1800 кПа. Частота пульсирующего напряжения была равна/= 1000 Гц.
Для сравнения расчетных и экспериментальных величин были рассчитаны вольтампсрная и расходно-напорная характеристики и зависимости адиабатного КПД от расхода газа для многоступенчатого ЭГД — компрессора. За основу расчета была принята математическая модель процессов в ступени ЭГД - компрессора, предложенная в (2.126-2.183). Конечные величины, полученные при расчете предыдущих ступеней, были начальными условиями для расчета последующих ступеней.
Для расчета 1-ой ступени были взяты начальные условия, принятые в эксперименте: ри= 5 бар; эффективное напряжение питания \J3(h=25 кВ;/= 1000 Гц. Таким образом были рассчитаны все 328 ступеней многоступенчатого ЭГД - компрессора. Значение адиабатного КПД, полученное для многоступенчатого ЭГД - компрессора, вычислялось как средней нте гральная величина расчетных значений КПД для каждой ступени. Расчетная расходно-напорная характеристика изображена пунктирными линиями, соответственно, на рис.4.9, где представлены экспериментальные расходно-напорные характеристики многоступенчатого ЭГД - компрессора.
При сопоставлении основных расчетных и экспериментальных величин: затраченных значений тока Joti,, мощности N0(jj, и полученных значений перепада давлений Дрі; расходов ш,; а также адиабатного КПД rjs- установлено, что расчетные и экспериментальные величины отличаются друг от друга не более, чем на 15%. Это говорит о тоді, что основные физические условия и допущения, принятые при разработке математической модели, были корректными и отвечали реальным условиям изменения основных электрических характеристик и физических величин рабочей среды, как подвижность, вязкость и др.
Результаты экспериментальных исследований 5-ти ступенчатого и многоступенчатого образца ЭГД-компрессора показали:
1. Развиваемые напоры (перепады давлений) в установленных последовательно ступенях суммируются, при этом несколько увеличивается и расходы рабочего тела с увеличением числа ступеней, и тем выше, чем больше эффективное напряжение U g 2. Вольт-амперные и расходно-напорные экспериментальные характеристики многоступенчатого образца ЭГД-ко.мпрессора показали возмож ность эффективной работы ЭГД-компрессора при начальном давлении рабочей среды рп 3-5 бар и напряжении питания U n 25 кВ,
Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими показало, что они отличаются друг от друга при всех значениях начального давления p!t напряжений UpQ не более, чем на 15%.
Разработанная конструкция многоступенчатого ЭГД-компрессора способна эффективно работать как в малых холодильных установках, так и в системах кондиционирования.
