Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Анализ принципиальных схем машин со встроенными теплообменными аппаратами 13
1.2. Принцип действия и особенности конструкции термокомпрессора с дополнительным поджатием 26
1.3. Краткий анализ методов расчета машин со встроенными тепло обменными аппаратами 35
1.4. Задачи исследования ...39
2. АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ТЕРМОКОМПРЕССОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОДЖАТИЕМ 42
2.1. Анализ идеального свободнопоршневого термокомпрессора с дополнительным поджатием 42
2.2. Математическая модель свободнопоршневого термокомпрессора . 64
2.3. Анализ результатов расчетного исследования термокомпрессора с дополнительным поджатием 84
2.4. Потери тепла через теплоизоляцию, по элементам конструкции и из-за несовершенства работы теплообменных аппарат ов 102
2.5. Анализ действительной модели теплоиспользующего узла сжатия 106
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОКОМПРЕССОРА 114
3.1. Задачи экспериментального исследования 114
3.2. Разработка свободнопоршневого теплоиспользу-ющего узла сжатия для ГКМ 115
3.3. Списание экспериментальной модели термокомпрессора 129
3.4. Методика измерения производительности компресс ора 134
3.5. Определение эффективности термокомпрессора в свободнопоршневой криогенной системе 139
3.6. Стенд для экспериментального исследования 145
3.7. Оценка погрешностей измерений 150
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПРЕССОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОДЖАТИЕМ.155
4.1. Сравнение результатов расчетного и экспериментального исследования 155
4.2. tapeделение влияния основных термодинамических параметров на характеристики термокомпрессора с дополнительным поджатием 160
4.3. Определение влияния конструктивных параметров на характеристики термокомпрессора 168
4.4. Области применения и пути совершенствования свободнопоршневого термокомпрессора с дополнительным поджатием 172
ВЫВОДЫ 182
СПИСШ ЛИТЕРАТУРЫ 184
- Анализ принципиальных схем машин со встроенными теплообменными аппаратами
- Анализ идеального свободнопоршневого термокомпрессора с дополнительным поджатием
- Разработка свободнопоршневого теплоиспользу-ющего узла сжатия для ГКМ
- Сравнение результатов расчетного и экспериментального исследования
class1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Анализ принципиальных схем машин со встроенными теплообменными аппаратами
Применение микрокриогенных систем в различных областях науки и техники обусловливает широкий спектр предъявляемых к ним требований. Наиболее часто таковыми являются высокая эффектив -ность, компактность, простота конструкции и надежность в рабо -те, низкий уровень вибраций, удобство стыковки с объектом ох -лаждения, минимальный вес, возможно больший ресурс работы.
Достаточно полно этим требованиям отвечают газовые крио -генные машины со встроенными теплообменными аппаратами. В нас -тоящее время на основе накопленного экспериментального и теоретического материала создаются различные типы высокоэффективных микроохладителей [25,45,62] , и в технической литературе непрерывно появляются сведения о новых схемах. Большое разнообразие в выборе конструктивных схем при проектировании новой микрокриогенной системы требует от разработчика знания основных особенностей каждого рассматриваемого варианта, умения заранее пра -вильно оценить его возможности. Для этой цели рядом авторов предложено несколько способов классификации ГКМ, основанных на их тех или иных общих признаков. Так, в работах [44,64] в основу классификации авторы закладывают термодинамическую общность протекания процессов.
В работах [2,21,57] классификационным признаком является общность конструктивных элементов, из которых составлены узлы расширения и сжатия. Так, например, в работе [2] все машины со встроенными теплообменными аппаратами делятся на машины с внутренним либо внешним сжатием, у которых полость сжатия свободно сообщается через теплообменные аппараты с полостью расширения,, либо отделена от последней системой клапанов.
Заслуживает внимания так называемый принцип поэлементного преобразования схем, положенный в основу систематизации, пред -ложенной Г.А.Гороховским и А.К.Греэиным [21] . Принципиальные схемы машин, получаемые с помощью этого принципа, образуются путем соединения схемы любого известного узла сжатия со схемой любого известного узла расширения до совпадения газовых маги -стралей Си концов коленчатых валов). Использование этого прин -ципа позволило авторам расширить количество конструктивных ва -риантов ГКМ.
Анализ идеального свободнопоршневого термокомпрессора с дополнительным поджатием
С целью выявления качественного влияния основных конструктивных и термодинамических параметров на работу компрессора на первом этапе исследования была рассмотрена его идеальная модель. Для получения достаточно простых расчетных зависимостей сделаны следующие основные допущения:
- изотермичность протекания процессов в рабочих полостях;
- отсутствие гидравлического сопротивления органов газораспределения и теплообменник аппаратов;
- мгновенность и полнота перепуска газа в крайних положениях вытеснителя;
- отсутствие перетечек газа между полостями компрессора.
На рис. 2.1 показана принципиальная схема свободнопоршневого термокомпрессора с дополнительным поджатием, а также индикаторная диаграмма его холодной полости. Шток компрессора имеет каналы и соединяет холодную полость компрессора с дополнительной в крайних положениях вытеснителя. В эти моменты давление во всех полостях машины выравнивается. При движении вытеснителя холодная и дополнительная полости разобщены, и на шток действует разность давлений, всегда направленная в сторону перемещения вытеснителя.
Разработка свободнопоршневого теплоиспользу-ющего узла сжатия для ГКМ
Проведенный в разделе 2 анализ свободнопоршневого теп -лоиспользующего узла сжатия позволил выявить влияние на его работу и взаимосвязь отдельных конструктивных и термодинамических параметров. Это дало возможность предложить ряд меро-риятий, направленных на улучшение рабочих характеристик компрессора [23,24,40,41] . Рассмотрим некоторые из них.
В разделах 2.1. и 2.3 было установлено влияние размеров дополнительной полости под штоком на характеристики узла сжатия. Из анализа индикаторных характеристик компрессора уста -новлено, что для практических нужд величину нижнего предела параметра Oi желательно иметь не ниже d « 4,0...5,0. В то же время увеличение объема полости под штоком увеличивает габариты и вес машины, поскольку для этой полости, все время находящейся под давлением, близким к среднему давлению цикла кСр , при увеличении ее объема необходимо увеличивать толщину стенок для обеспечения прежних прочностных характеристик.
Принципиальная схема компрессора, предложенного в [12} (см. рис. 3.1), позволяет избавиться от указанных недостат -ков. Этот компрессор содержит блок теплообменных аппаратов (поз. 6,7 и 8) и дифференциальный вытеснитель (поз. 2), установленный в цилиндре (поз. I), с образованием горячей и холодной полостей (поз. 3,4). Шток вытеснителя (поз. выполнен неподвижным, а дополнительная полость (поз. 5) располагается внутри поршня-вытеснителя. Газораспределительный механизм (поз. 10) сообщает рабочие полости с дополнительной в крайних положениях вытеснителя. Компрессор снабжен всасывающим и нагнетательным клапанами (поз. 11,12). Для уменьшения потерь тепла в дополнительную полость вытеснитель снабжен теплоизолирующей надставкой. Работа такого узла сжатия полностью аналогична работе компрессора, описанного в разделе 2.1.
Сравнение результатов расчетного и экспериментального исследования
Проведенный при помощи математической модели анализ позволил выявить конструктивные и термодинамические параметры, наиболее сильно влияющие на работу свободнопоршневого тепло -использующего узла сжатия и наметить области их рационального изменения. Одной из основных задач экспериментального исследования является проверка адекватности принятой математической модели действительным процессам, протекающим в свободнопоршне -вом теплоиспользующем компрессоре, и правильности полученных рекомендаций.
Сравнение результатов расчета и эксперимента проводилось по индикаторным характеристикам узла сжатия. Для сравнения с полученными экспериментальными данными были проведены расчеты при тех же, что в опытах, значениях параметров.
На рис. 4.1 представлены расчетные и экспериментальные зависимости изменения давления в холодной полости термокомп -рессора с дополнительным поджатием Ук от хода вытеснителя X при максимальной степени повышения давления, то есть при за -крытых всасывающем и нагнетательном клапанах. Наблюдаемые отклонения экспериментальной кривой давления от расчетной объясняются, по-видимому, перетечками газа через уплотнения штока и вытеснителя, неточностью определения гидравлического сопротивления газовых коммуникаций и отсутствием в математической модели учета теплообмена газа со стенками цилиндра. Учет всех вышеперечисленных факторов позволит повысить точность расче -тов, но это приведет к усложнению математической модели. Как видно из графиков, максимальные отклонения абсолютных величин давлений не превышает 8 %, что можно считать вполне приемле -мым при принятых допущениях.
