Введение к работе
В диссертационной работе поставлена актуальная научная задача, состоящая в совершенствовании рабочих процессов сжатия и расширения воздуха в поршневых компрессорно-расширительньгх агрегатах путем замены принудительного воздухораспределения самодействующими клапанами и использовании более эффективного межступенчатого и концевого охлаждения.
Актуальность темы. Совершенствование конструкций машин и аппаратов, имеющих широкое распространение в различных отраслях промышленности, происходит в направлении снижения металлоемкости и энергоемкости, достижения технико-экономического уровня лучших мировых аналогов, создания новых типов машин, совмещающих в себе несколько функций с целью получения качественно новых результатов.
Поршневые компрессоры, детандеры и пневмодвигатели являются энергетическими машинами. В качестве привода компрессоров, в большинстве своем, применяют электродвигатели. В детандерах и пневмодвигателях используется энергия сжатого воздуха (пневматическая энергия) для получения искусственного холода и механической работы. Т. е. работа их невозможна без компрессоров. На привод компрессоров расходуется около 15 % электроэнергии, вырабатываемой электростанциями России. Причем более 50 % от общего расхода электроэнергии приходится на привод поршневых компрессоров (ПК). Наибольшее распространение получили ПК общепромышленного назначения (более 80 % от всех ПК), воздушные компрессоры с конечным давлением 0,9...1,3 МПа. В этой связи создание и внедрение высокоэффективных ПК и потребителей пневматической энергии следует отнести к одному из важнейших направлений развития современной науки и техники.
Поршневые пневмодвигатели (ПД), использующие энергию сжатого воздуха компрессоров общепромышленного назначения, не имеют альтернативы для привода механизмов и машин пожаро- и взрывоопасных производств предприятий горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, газовой, химической и др. отраслей промышленности. Потребность только горных предприятий в поршневых ПД составляет несколько десятков тысяч в год. Перспективы применения ПД для горных машин и комплексов при разработке глубоко залегающих полезных ископаемых связаны не только с повышенной опасностью взрыва газа или пыли, но и с наличием холодильного эффекта, роль которого существенно возрастает с увеличением глубины разработок, повышением температуры атмосферы в подземных выработках. При этом холодопроизводительность ПД, принципиально не отличающихся от поршневых детандеров, тем выше, чем выше давление сжатого воздуха на входе.
Поршневые детандеры на 90 % закрывают область расширительных машин средней и малой холодопроизводительности. Они получили распространение в циклах сжижения воздуха криогенных установок высокого и среднего давления, гелиевых ожижителях и рефрижераторах и т.п. Эффективность работы поршневых ПД и детандеров, в большинстве своем, связана с наличием воздухо-
распределительных органов. Механизм воздухораспределения у детандеров, золотниковое устройство у ПД - важнейшие узлы, от которых во многом зависит не только экономичность, но и надежность их работы.
Назначение механизма - управление впуском и выпуском воздуха из цилиндра путем принудительного открытия и закрытия соответствующих впускных и выпускных каналов. Наличие принудительной системы воздухораспределения ограничивает возможность повышения числа оборотов, приводит к снижению КПД при работе, на режимах, отличающихся от номинальных. Освобождение конструкции от воздухораспределительного механизма создает определенные предпосылки к повышению эффективности работы расширительных поршневых машин.
Увеличение частоты вращения коленчатого вала детандера позволяет размещать его на одном валу с компрессором, т.е. объединять их в общий детандер - компрессорный агрегат (ДКА). Металлоемкость в целом такой установки снижается. Применение воздуха в качестве холодильного агента в установках умеренного охлаждения создает предпосылки для решения проблемы, связанной с ограничением использования озоноразрушающих хладонов, принятой Монреальским Протоколом 1987 года.
Регулирование давления на входе поршневых пневмодвигателей позволяет менять число оборотов вала при сохранении высокого КПД, что открывает новые возможности реализации идеи агрегатирования, объединении в один передвижной агрегат ПД и дожимающего компрессора одноступенчатого сжатия без водяного охлаждения с использованием выхлопного воздуха ПД для охлаждения компрессора.
Применение при создании новых конструкций ПД, ДКА и пневмодвигатель-компрессорных агрегатов (ПДКА) унифицированных компрессорных баз позволяет сокращать сроки изготовления таких машин, привлекать неспециализированные предприятия, в частности, военно-промышленного комплекса к изготовлению компрессорно-расширительных агрегатов в рамках конверсионной программы
Основная доля теплоты сжатия компрессорных установок (до 90 %) отводится в межступенчатых и концевых холодильниках. В промышленности распространены две системы охлаждения - водяная и воздушная. Обеспечение высокой интенсивности теплообмена за счет совершенствования конструкций теплообменных аппаратов воздушного охлаждения и применение контактных охладителей газа способствует снижению потребления воды и электроэнергии компрессорами.
Повышение интенсивности теплообмена в водяных теплообменниках непосредственного контакта с жидкостью путем использования для этих целей вращающегося барботажного слоя позволяет увеличивать поверхность фазового контакта, снижать брызгоунос, уменьшать габаритные размеры аппаратов с непосредственным контактом теплоносителей.
Вышесказанное позволяет считать актуальными вопросы, связанные с изучением основных рабочих процессов ПК, ПД, ДКА и ПДКА, промежуточных и концевых холодильников; с разработкой принципиально новых конструктивных
решений узлов и систем, работающих на высоких частотах вращения коленчатого вала; созданием методик расчета, оптимизацией рабочих процессов и конструктивных соотношений элементов и отдельных узлов машин и аппаратов на основе выявления и учета физических закономерностей и обобщения имеющихся теоретических и экспериментальных материалов.
Работа выполнена по плану важнейших НИОКР в рамках Единого заказ-наряда в области машиностроения, раздел "Вакумная техника", утвержденного Минообразования России в соответствии с решениями 10-11 -й Международных конференций по компрессоростроению.
Цель работы. Разработка научных и практических основ совершенствования процессов сжатия и расширения воздуха в компрессорно-расширительных агрегатах путем замены принудительного воздухораспределения самодействующими клапанами и использования более эффективного промежуточного и концевого охлаждения.
Задачи работы:
-
Обобщение и развитие теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию процессов в рабочих полостях и проточной части ПК, ПД, ДКА и ПДКА с самодействующими клапанами, использующих более эффективное межступенчатое и концевое охлаждение.
-
Разработка и усовершенствование математических моделей процессов, алгоритмов и программ расчета ПК, ПД, ДКА и ПДКА с регулируемой производительностью на основе уравнений сохранения энергии, массы, состояния, динамики самодействующих клапанов, учитывающих связь компрессорных и компрессорно-расширительных ступеней.
-
Разработка конструкций физических моделей ПД и ДКА с самодействующими нормально - открытыми впускными клапанами с регулируемой высотой подъема запорных элементов, эффективных теплообменных аппаратов межступенчатого и концевого охлаждения.
-
Проведение комплекса экспериментальных и численных исследований с целью установления адекватности математических моделей процессов и изучение влияния конструктивных и режимных параметров на работу компрессорно-расширительных агрегатов.
-
Проведение экспериментальных исследований для получения новой информации по гидродинамике, теплообмену, тепло- массообмену и разработке инженерной методики расчета центробежно-барботажных аппаратов (ЦБА) с непосредственным контактом теплоносителей.
6. На основании разработанных инженерных методик и математических мо
делей процессов предложить рекомендации по созданию типоразмерных
рядов ПД и компрессорно-расширительных агрегатов на современных комп
рессорных базах с поршневыми усилиями 2,5...16 кН.
Методы исследований. В работе реализован комплексный подход к решению научной проблемы, включающий обобщение и анализ литературных материалов, данных практики; применение теоретических и экспериментальных методов исследований с использованием физических и математических моделей, методов
теории подобия при постановке опытов и обработке результатов экспериментов в теплообменных и тепло-массообменных аппаратах, проведение численных экспериментов на персональных ЭВМ.
Достоверность и обоснованность полученных в работе научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованными расчетными схемами, применением методов теории подобия, математическими моделями процессов компрессорно-расширительных агрегатов, основанными на фундаментальных законах физики, термодинамики, гидродинамики, теплопередачи и тепло-массо-обмена, метрологическими характеристиками, используемого оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментом.
На зашиту выносятся:
конструкции пневмодвигателей, компрессорно-расширительных агрегатов и результаты экспериментальных исследований процессов сжатия и расширения в поршневом пневмодвигателе и детандер-компрессорном агрегате с самодей ствующими впускными клапанами;
математические модели процессов сжатия и расширения компрессоров, компрессорно-расширительных агрегатов с самодействующими клапанами, межступенчатым и концевым охлаждением : водяным в аппаратах при непосредственном контакте теплоносителей; воздушным - на теплообменных поверхностях с пористым оребрением;
результаты экспериментальных исследований регулирования давления нагнетания отжимом клапанов первой ступени на части хода поршня форсированных по давлению поршневых компрессоров общепромышленного назначения;
конструкции рекуперативных теплообменников воздушного охлаждения с пористым оребрением и центробежно-барботажных аппаратов с непосредственным контактом газа и жидкости;
результаты экспериментальных исследований теплообмена и газодинамических сопротивлений теплообменников с пористым оребрением, процессов тепло- и массообмена и газодинамики, методика инженерного теплового и конструктивного расчета центробежно-барботажных аппаратов с непосредственным контактом теплоносителей.
Научная новизна. Впервые экспериментально подтверждена работоспособность пневмодвигателя и детандера в составе ДКА с самодействующими клапанами в услбвиях работы на низком начальном давлении (до 0,1 МПа). Получены зависимости углов открытия и закрытия впускных самодействующих кольцевых клапанов от жесткости пружин, максимальной высоты подъема запорных элементов, величины относительного мертвого пространства. Установлено влияние углов открытия и закрытия впускных клапанов на интегральные показатели работы ПД и детандера. Усовершенствована математическая модель рабочих процессов многоступенчатого ПК. Разработаны и экспериментально проверены математические модели рабочих процессов ПД, ПДКА, и ДКА, построенные на основе дифференциального уравнения термодинамики тела переменной массы, с учетом динамики самодействующих клапанов и связи ступеней на основе равенства массовых расходов компрессора и ПД (детандера) за цикл. Получена зависимость
для определения коэффициента давления для самодействующих впускных клапанов ПД и детандера. Разработаны конструкции теплообменных аппаратов воздушного охлаждения с пористым оребрением и ЦБА с непосредственным контактом теплоносителей. Проведены экспериментальные исследования по определению газодинамических и тепловых характеристик пористых пластин и теплообменников воздушного охлаждения с пористым оребрением. Получены безразмерные зависимости для расчета гидравлических сопротивлений и теплоотдачи пористых ребер. Теоретически решена задача определения толщины барботажного слоя. Проведены эксперименты по исследованию гидродинамики и тепло- массообмену в ЦБА с непосредственным контактом теплоносителей. Результаты экспериментальных исследований приведены в виде безразмерных зависимостей. Предложена инженерная методика теплового и конструктивного расчета ЦБА с непосредственным контактом теплоносителей. Конструкции ПД, компрессорно-расширительных агрегатов, теплообменных и центробежно-барботажньгх аппаратов защищены авторскими свидетельствами и патентами России.
Практическая ценность. Разработанные на основе математических моделей процессов в ПК, ПД, детандерах программы расчета для персональных ЭВМ, инженерные методики позволяют проектировать ПД, ПДКА и ДКА, проводить анализ и оптимизацию их основных конструктивных и режимных параметров. Предложены типоразмерные ряды поршневых ПД, ПДКА и ДКА. Полученные экспериментальные данные и инженерные методики расчета контактных аппаратов и результаты экспериментальных исследований воздушных теплообменников с пористым оребрением могут быть использованы при разработке конструкций межступенчатых и концевых холодильников компрессорно-расширительных агрегатов. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре компрессорных и холодильных машин и установок Омского государственного технического университета.
Реализация работы. Основные результаты исследований и программы расчета получили реализацию на предприятиях города Омска: АО "Омский каучук", АО "Цирконгеология", Иртышское речное пароходство, ПО им. Баранова, АО "Азот", (г. Кемерово), ОАО завод пнематических машин "Пневматика" (г.Санкт-Петербург).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 1-й ВНТК "Молодые исследователи и конструкторы-химическому машиностроению" (Дзержинск, 1977); на 5-й ВНТК "Повышение эффективности и совершенствование компрессорных машин и установок" (Москва, 1978); на 3-й ВНТК молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения (Краснодар, 1981); на 6-й ВНТК по компрессоростроению (Ленинград, 1981); на 3-й ВНТК по холодильному машиностроению (Одесса , 1982); на 5-м семинаре кафедр и групп теплофизического профиля вузов Сибири и Дальнего востока (Кемерово, 1986), на ВНТК "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности" (Владивосток, 1989); на 8-й ВНТК "Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей отраслей
топливно энергетического комплекса" (Сумы, 1989); на 1-й МНТК "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1995); на 2-й МНТК "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1997); на МНПК "Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых, биологических и медицинских отходов, осадков сточных вод" (Пенза, 1997); на 1-й МНТК "Экология человека и природы" (Иваново, 1997); на 11-й МНТК по копрессорной технике; (Казань, 1998); на МНТК "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века" (Санкт-Петербург, 1998); на ВНТК "Прогрессивные технологии и оборудование пищевых производств" (Санкт-Петербург, 1999); на 5-й ВНТК "Перспективные материалы, технологии, конструкции" (Красноярск, 1999).
Отдельные результаты работы экспонировались на ВДНХ в павильоне "Электрификация СССР" на тематической выставке "Экономия тепловой и электрической энергии в народном хозяйстве" (раздел "Интенсификация производства и технологических процессов") и отмечены бронзовой медалью (Москва, 1981 г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 1 учебное пособие, получено 3 авторских свидетельства, 3 патента России, 3 свидетельства на полезные модели.
Объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Диссертации содержит: 260 страниц текста, 120 рисунков, 14 таблиц. Список литературы включает 247 наименований.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. И.К. Прилуцкому за ценные советы и постоянное внимание к работе, к. т. н., доц. В.А. Плотникову за данные им консультации и участие в проведении исследований ЦБА, ассистенту А.Д Ваняшову и аспиранту Е.Г. Бычковскому за помошь, оказанную при проведении исследовательских работ, начальнику Омского района водных путей Иртышского речного пароходства Ю.В. Сухову за техническую помощь.