Анализ работы поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании при использовании различных охлаждающих жидкостей

поршневой гибридной энергетической машины объемного действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 45-48.

6. Баженов А. М., Щерба В. Е., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Парамонов А. М. Анализ влияния соотношения прямого и обратного потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 45-49.

7. Щерба В. Е., Шалай В. В., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Баженов А. М. Анализ влияния давления нагнетания в компрессорной секции на рабочие процессы и характеристики поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого вида // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 4 (697). С. 49-57.

8. Баженов А. М., Щерба В. Е., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Блинов В. Н. Анализ влияния эксцентриситета на соотношение массовых потоков жидкости в прямом и обратном направлениях в поршневом щелевом уплотнении ступенчатого вида поршневой гибридной энергетической машины объемного действия // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 49-53.

УДК 621.512

АНАЛИЗ РАБОТЫ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ГАЗОВЫМ ОБЪЕМОМ НА ВСАСЫВАНИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ

ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

THE OPERATION ANALYSIS OF A RECIPROCATING HYBRID POWER MACHINE WITH A GAS VOLUME ON SUCTION USING VARIOUS COOLING LIQUIDS

В. Е. Щерба, В. В. Шалай, Е. Ю. Носов, А. С. Тегжанов, В. И. Суриков, А. О. Сигида

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. E. Shcherba, V. V. Shalai, E. Yu. Nosov, A. S. Tegzhanov, V. I. Surikov, A. O. Sigida

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В работе проведен анализ экспериментальных исследований поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании при использовании различных охлаждающих жидкостей. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что дистиллированная вода обеспечивает наибольшее охлаждение цилиндропоршневой группы, увеличение расхода охлаждающей жидкости и увеличение производительности компрессорной секции. В том случае, когда использование воды недопустимо, рекомендуется использовать тосол А-40.

Ключевые слова: компрессор, охлаждение, жидкость, цилиндр, поршневая гибридная энергетическая машина.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-185-190

I. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время благодаря своим неоспоримым преимуществам поршневые гибридные энергетические машины становятся объектом исследования [1, 2].

Поршневые гибридные энергетические машины (ПГЭМОД) с газовым объемом на всасывании позволяют организовать интенсивное охлаждение цилиндро-поршневой группы и собственно компримируемого газа за счет принудительного движения охлаждающей жидкости в рубашечном пространстве компрессора (см. рис. 1). Для принудительного движения жидкости вверх используется перепад давления, образующийся в полости всасывания компрессора при всасывании газа, а при движении вниз - сила тяжести (либо сила тяжести и дополнительный перепад давления) [3, 4].

Необходимо отметить, что основными преимуществами ПГЭМОД с газовым объемом на всасывании являются:

- отсутствие жидкости в рабочей полости компрессора;

- простота конструкции машины за счет отсутствия крейцкопфа и насоса;

- отсутствие дополнительных механических потерь на привод насоса.

Вследствие этого можно считать, что теоретические и экспериментальные исследования, направленные на повышение эффективности и экономичности работы поршневой гибридной энергетической машины, являются важной и актуальной задачей.

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Экспериментальный метод исследования в настоящее время продолжает оставаться основным и наиболее достоверным методом исследования. Вследствие этого при проведении данного исследования воспользуемся экспериментальным методом исследования.

Экспериментальный образец создан на базе серийной компрессорной установки РБ АБЯО-16, имеющей следующие основные характеристики: тип привода - коаксиальный; диаметр поршня - 47 мм; ход поршня -

38 мм. Конструктивная схема экспериментального образца представлена на рис. 1. Машина работает следующим образом.

При ходе поршня 15 вниз в рабочей полости цилиндра 13 происходят процессы обратного расширения и всасывания. Давление в полости 9 падает, а давление в газовой полости картера 2 увеличивается. Под действием образующегося перепада давления жидкость из гидробака 17 поступает в жидкостную рубашку 14 и затем в индикаторную трубку 7. При ходе поршня 15 вверх давление в рабочей полости цилиндра 13 увеличивается (последовательно идут процессы сжатия и нагнетания), всасывающий клапан 10 закрывается и давление всасывающей полости 10 за счет натекания газа увеличивается. При ходе поршня вверх объем подпоршневого пространства увеличивается и давление в нем падает. Под действием перепада давления и силы тяжести жидкость начинает перемещаться из индикаторной трубки 7 через нагнетательный клапан 5 в гидробак. Нагнетательный клапан 5 и всасывающий клапан 8 позволяют организовать циркуляционное движение в системе охлаждения. Теплота сжатия газа, отнятая от поверхности рабочей полости, циркулирующей в рубашечном пространстве жидкостью, отводится через теплообменник 4 окружающей среде.

Масло

Рис. 1. Конструктивная схема экспериментального образца: 1-картер, 2-газовая полость картера, 3-предохранительный клапан, 4-теплообменник, 5-нагнетательный клапан, 6-окно всасывания компрессора, 7-индикаторная трубка, 8-всасывающий клапан, 9-полость всасывания, 10-всасывающий клапан компрессора, 11-полость нагнетания, 12-нагнетательный клапан компрессора, 13-рабочая полость цилиндра, 14-жидкостная рубашка, 15-поршень, 16-цилиндр, 17-гидробак

При проведении экспериментальных исследований, менялись охлаждающие жидкости, угловая скорость и давление нагнетания при постоянном значении давления, температуры всасывания газа и температуре окружающей среды. В качестве охлаждающих использовались следующие жидкости: антифриз 240, дистиллированная вода, масло Т-1500У, тосол А-40.

Таким образом, охлаждающие жидкости имели разную вязкость и теплоемкость. Частота вращения приводного вала менялась от 800 до 1100 об/мин, давление нагнетания компримируемого газа менялось от 2 бар до 4 бар. Давление всасывания рвс=1 бар, температура всасывания Тс = 293 К. В качестве выходных параметров, при проведении экспериментальных исследований, измерялись:

- температура цилиндропоршневой группы;

- температура нагнетаемого газа;

- расход охлаждающей жидкости;

- расход компримируемого газа.

В качестве датчиков температуры были использованы термисторы KPD/MF5A-682H-398H-G типа NTC (с отрицательным ТКС) с номинальным сопротивлением 6.8 кОм при i=250C. Необходимо отметить, что выбор термисторов обусловлен их высокой чувствительностью, малоинерционностью и компактностью.

Измерение расхода жидкости осуществлялось мерным способом с погрешностью измерения 5.6%. Измерение расхода газа проводилось термоанемометрическим датчиком расхода газа с погрешностью измерения 3%. Для измерения частоты вращения электродвигателя использовался частотный преобразователь ZVF67 фирмы «Sassin», позволяющий плавно (с шагом 0.1Гц) изменять частоту питающего напряжения в диапазоне от 0 до 50Гц.

При проведении экспериментальных исследований использовался классический план. В качестве независимых параметров выбраны: охлаждающая жидкость; давление нагнетания компрессора; частота вращения коленчатого вала; температура цилиндропоршневой группы; температура нагнетаемого газа; расход охлаждающей жидкости; расход компримируемого газа.

III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основной целью использования жидкости в данной гибридной энергетической машине является охлаждение цилиндропоршневой группы компрессорной секции. Интенсивное охлаждение можно достичь, используя жидкость с высокой теплоемкостью, малой плотностью и малой вязкостью. Величина удельной теплоемкости у дистиллированной воды по отношению к другим используемым в эксперименте жидкостям самая большая. Так, у антифризов и тосолов величина удельной теплоемкости составляет 85...90% от воды, а у масла Т-1500У величина удельной теплоемкости меньше, чем теплоемкость воды более чем в 2 раза. Вязкость антифриза и тосо-ла, а также масла, превышает вязкость воды. Так, вязкость антифризов превышает вязкость воды в 1.3.1.5 раза, а масло имеет кинематическую вязкость при t = 500С в 9 раз больше, чем вода.

Таким образом, исходя из проведенного теоретического анализа, наилучшее охлаждение компрессора будет достигаться при использовании воды, что и подтверждается экспериментальными исследованиями.

На рис. 2 представлено изменение температуры верхней части цилиндра при изменении давления нагнетания для разных охлаждающих жидкостей. Наибольшая температура верхней части цилиндра наблюдается при использовании масла, наименьшая - при использовании воды. Значение температуры при использовании антифриза и тосола, находится между температурами цилиндра, при использовании воды и масла, причем применение тосола для охлаждения более предпочтительно. Максимальная разница в температурах составляет примерно 7 К при рн =3 бар.

Аналогичный характер изменения температур наблюдается в средней и нижней части цилиндра. Улучшение охлаждения цилиндропоршневой группы при использовании воды обусловлено не только увеличением теплоемкости, но и расходом охлаждающей жидкости.

На рис. 3 представлено изменение расхода охлаждающей жидкости при увеличении давления нагнетания, при использовании различных охлаждающих жидкостей.

Анализируя представленные результаты, можно сделать следующие выводы:

1. Расход воды на всем диапазоне изменения давления нагнетания превышает расход масла и других жидкостей.

2. С увеличением давления нагнетания разница в расходах жидкостей уменьшается.

3. Максимальное расхождение в расходах воды и масла наблюдается прирн =2 бар и составляет 23%.

Улучшение охлаждения цилиндропоршневой группы при использовании воды вызывает уменьшение температуры нагнетаемого воздуха. Это уменьшение составляет около 1К (см. рис. 4).

Улучшение охлаждения компримируемого газа приводит к повышению производительности и к.п.д. машины.

При использовании воды увеличение производительности компрессора, по сравнению с компрессором без использования системы жидкостного охлаждения, составляет при рн =4 бар 9%, а при использовании масла - 7.8%

(см.рис.5). Максимальное расхождение в увеличении производительности машины наблюдается при рн = =2 бар и составляет около 2%. По эффективности применения следующим за водой является тосол А-40, затем антифриз 240 и затем масло Т-1500У.

Тст, К 350

/ / / ' Л г ♦ ♦ ♦ ♦ г*

у * '//

Л .... * / ♦ ж

345

340

335

330

Антифриз 140 Дистиллирован--— Масло Т-1500У -

ная вода

5

Рн, бар

- Тосол А-40

Рис. 2. Температура стенок цилиндра в верхней части в зависимости от давления нагнетания при частоте вращения коленчатого вала 1100 об/мин

Ож-10 2, л/мин 8

.....'

О 1

^ > «ч ♦ *\

\ • 4 ЧЛ

д \\

ч

Антифриз 140

Дистиллированная вода

--Масло Т-1500У -

Рн, бар — Тосол А-40

Рис. 3. Расход жидкости от давления нагнетания при частоте вращения коленчатого вала 800 об/мин

Тн, К

352 351,5 351 350,5 350 349,5 349 348,5 348 347,5 347

/ / V /

' \ ' К" У . ♦♦ У /

у ♦ ♦ / У / « /

> У У г / У,/

У « /

1 г' у /

5

Рн,бар

Антифриз 140

• Дистиллирован- — — Масло Т-1500У — • — Тосол А-40 ная вода

Рис. 4. Температура воздуха в линии нагнетания в зависимости от давления нагнетания при частоте вращения коленчатого вала 950 об/мин

с!Цв, К

10 9 8 7 6 5 4 3 2

Г у

г

Г

• У у

л ** **

5

Рн, бар

Антифриз 1Л0

Дистиллирован- — — Масло Т-1500У — • - Тосол А-40 ная вода

Рис. 5. Относительное изменение расхода воздуха при использовании жидкостного охлаждения компрессора

при частоте вращения коленчатого вала 1100 об/мин

IV. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования работы ПГЭМОД с газовым объемом на всасывании позволили установить, что использование для охлаждения дистиллированной воды позволяет максимально улучшить охлаждение сжимаемого газа. Это приводит к увеличению производительности до 9% и экономичности работы. В том случае, если применение воды недопустимо, то в качестве альтернативной рабочей жидкости можно рекомендовать тосол А-40.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щерба В. Е., Болштянский А. П., Шалай В. В. [и др.]. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования. М.: Машиностроение. 2013. 367 с.

2. Кондюрин А. Ю., Щерба В. Е., Шалай В. В. [и др.]. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненном в виде гидродиода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 30-34.

3. Щерба В. Е., Щербаков В. С., Галдин Н. С. [и др.]. Анализ влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания на характеристики поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2018. № 2. С. 22-26.

4. Щерба В. Е., Щербаков В. С., Галдин Н. С. [и др.]. Анализ влияния угловой скорости вращения коленчатого вала на характеристики поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2018. № 3. С. 26-29.

5. Пат. 2578776 Российская Федерация, МПК F 04 В 39/06. Способ работы машины объемного действия и устройство для его осуществления / Щерба В. Е., Болштянский А. П., Кузеева Д. А., Носов Е. Ю., Кайгородов С. Ю. № 2015112262/06; заявл. 03.04.15; опубл. 27.03.16, Бюл. № 9.