Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время компрессорные машины широко применяются во многих отраслях промышленности. Они составляют основу технологического оборудования химических производств, используются для выработки силового сжатого воздуха на машиностроительных предприятиях, на металлургических и горно-обогатительных комбинатах, в легкой и пищевой промышленности, в фармацевтическом производстве, при воздухоразделении и т.д. Общая потребляемая мощность компрессорного оборудования составляет около 8% от всего потребления электрической энергии страной. В некоторых отраслях доля электропотребления компрессорным оборудованием достигает 30%.
Опыт практического использования бессмазочных поршневых компрессорных машин, развитая база теоретических знаний и экспериментальных исследований в области рабочих процессов показывают, что температурные режимы ступени компрессорных машин, определяемые, главным образом, температурой нагнетаемого газа, заметно влияют на эффективность функционирования не только ступени или компрессорной машины, но и всей установки в целом. Величина температуры нагнетаемого газа влияет на теплонапряжённость элементов конструкции компрессорной ступени, на экономичность её рабочего процесса, на потери производительности, на условия работы узлов трения и связанные с этим надёжность и долговечность. Следствием повышения температуры нагнетаемого газа является также увеличение массы и габаритных размеров теплообменного оборудования и энергозатрат, связанных с работой системы охлаждения компрессорных установок.
Результаты проведенного обзорного анализа свидетельствуют о существовании технических решений, позволяющих интенсифицировать теплообмен путем увеличения площади внутренней поверхности рабочей камеры, однако во многих случаях это может привести к таким нежелательным явлениям, как подогрев газа на различных участках рабочего цикла и увеличение мёртвого объёма. Кроме того, в настоящее время отсутствуют как методики расчета рабочих процессов компрессорных машин с внутренним оребрением, так и какие-либо данные по экспериментальным исследованиям и практическому применению внутреннего оребрения в компрессорных машинах.
Актуальность данной работы состоит в повышении эффективности рабочего процесса бессмазочных поршневых компрессорных машин путём интенсификации отвода тепла от газа в рабочей камере таких машин за счёт применения внутреннего оребрения, а также в разработке методов определения коэффициента теплоотдачи между газом и оребренной стенкой и расчёта рабочего процесса ступени бессмазочного поршневого компрессора с внутренним оребрением.
Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной фундаментальной НИР по тематическому плану Федерального агентства по образованию РФ 1.11.07 «Разработка методов экспериментального исследования теплового и газодинамического взаимодействия газового потока с оребренными и перфорированными объектами»; госбюджетной НИР «Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины».
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является повышение технико-экономических показателей работы поршневых компрессорных машин путем интенсификации охлаждения газа в оребренной несмазываемой рабочей камере.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Уточнить математическую модель рабочего процесса ступени бессмазочной
поршневой компрессорной машины для возможности расчета теплообмена при
наличии оребрения на поверхностях её рабочей камеры.
2. Разработать метод экспериментального определения коэффициента
теплоотдачи от газа к стенкам рабочей камеры поршневой компрессорной машины
при быстропротекающих процессах и стенд для его реализации с возможностью
исследования гладких и сребренных поверхностей этих стенок.
Разработать экспериментальные стенды и провести экспериментальные исследования рабочих процессов ступени поршневой компрессорной машины с целью проверки используемой математической модели на адекватность и экспериментального определения влияния оребрения на температурные режимы ступени.
Провести параметрический анализ влияния оребрения на рабочий процесс ступени бессмазочной поршневой компрессорной машины и разработать рекомендации по конструированию бессмазочных поршневых компрессорных машин при наличии оребрения в их рабочей камере.
Научная новизна заключается в следующем:
-разработан метод экспериментального определения коэффициента теплоотдачи, осредненного для локальной поверхности рабочей камеры, при быстропротекающих процессах;
-проведен сравнительный анализ значений коэффициентов теплоотдачи при быстропротекающих процессах для гладких и оребренных поверхностей рабочей камеры бессмазочной поршневой компрессорной машины; рекомендована методика для определения коэффициента теплоотдачи для оребренных поверхностей в рамках математической модели рабочего процесса ступени бессмазочной поршневой компрессорной машины;
-на основе проведенных экспериментов уточнена математическая модель рабочего процесса ступени бессмазочной поршневой компрессорной машины при наличии внутреннего оребрения в её рабочей камере;
-разработана новая конструкция проточной части ступени поршневой компрессорной машины с оребрением, обеспечивающая повышение эффективности охлаждения газа в её рабочей камере за счёт ориентации элементов оребрения, учитывающей направления потоков всасываемого и нагнетаемого газа;
-на основании результатов проведённого параметрического анализа определено влияние оребрения на рабочий процесс бессмазочных поршневьгх компрессорных машин и эффективность их функционирования.
Практическая ценность состоит в следующем:
-предложена методика расчета коэффициента теплоотдачи к оребренным поверхностям рабочей камеры бессмазочной поршневой компрессорной машины;
-на основе математической модели разработана программа на языке Turbo Pascal в оболочке Delphi, позволяющая производить расчёты рабочего процесса поршневой компрессорной машины с учетом процесса теплоотдачи к стенкам рабочей камеры при наличии на них внутреннего оребрения;
разработан метод экспериментального определения коэффициента теплоотдачи в рабочей камере бессмазочной поршневой компрессорной машины при быстропротекающих процессах; новизна метода подтверждена патентом РФ;
- разработана конструкция проточной части ступени поршневой компрессорной машины с оребрением, обеспечивающая повышение эффективности охлаждения газа за счёт ориентации элементов оребрения; новизна технического решения подтверждена патентом РФ;
-разработаны рекомендации по конструированию рабочей камеры поршневой компрессорной машины с оребрением и по выбору режимных и конструктивных параметров ступени, в которых применение оребрения целесообразно и эффективно.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:
-использованием в математической модели фундаментальных законов физики, обоснованным выбором расчётной схемы;
-применением современных измерительных приборов, оборудования и компьютерной техники при проведении экспериментальных исследований;
-удовлетворительным совпадением результатов расчёта с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 12 научно-технической конференции по компрессоростроению (Казань, 2001); на IV Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 2002); на II Международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке" (Санкт - Петербург, 2003); на XIII Международной научно-технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в XXI веке"', (Сумы, 2004); на V Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 2004), на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007), на VI Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 2 депонированные рукописи, 7 тезисов докладов, 2 патента на изобретение.
Объём работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 132 страницы текста, 88 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 112 наименований.
