Расчетный анализ работы газового поршневого детандера на режимах регулирования

УДК 621.59 .

Расчетный анализ работы газового поршневого детандера на режимах регулирования

А. А. РЫЖКОВ, Ю. И. МОЛОДОВА, А. И. ПРИЛУЦКИЙ,

д-р техн. наук И. К. ПРИЛУЦКИЙ

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

The numerical experiment of rapidly CH4 piston (reciprocating) expander on different control modes is performed. The three-circular intake valve with movable restrain of the 1 -st plate is analyzed to potential use in two-phase piston expanders. The spring preload control makes it possible to vary capacity of two-phase piston expander to a considerable extent. Meanwhile the outlet temperature is provided to be constant at leve of ~133,37 К in wide range of intake parameters.

Keywords: two-phase reciprocating CH4expander, pulling of intake valve plate, moving plate restraint, capacity control.

Ключевые слова: поршневой парожидкостной газовый детандер, отжим пластины впускного клапана, регулирование производительности.

В условиях эксплуатации периодически возникает необходимость работы детандеров на режимах, отличных от расчетного (номинального) режима. В большинстве случаев при сохранении начальной температуры и давления газа на входе и выходе детандера требуется обеспечить переменный расход газа, поступающего к потребителю, при сохранении конечной температуры на постоянном уровне. Существующие методы регулирования расхода газа в агрегатах с постоянной частотой вращения вала основаны на изменении продолжительности процесса наполнения, что сопровождается отклонением конечной температуры газа за детандером от расчетной величины в ту или иную сторону.

В статье представлен расчетный анализ работы прямоточной детандерной ступени среднего давления, работающей на природном газе и укомплектованной самодействующим впускным клапаном. В качестве объекта исследования выбран многорядный поршневой детандер, спроектированный на 3-х рядной вертикальной базе с допустимым усилием по рядам 3,0т.

Основные геометрические и режимные параметры исследуемого детандера приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные геометрические и режимные параметры детандера

Рабочее вещество Метан

Начальное давление 5 МПа

Конечное давление 0,45 МПа

Начальная температура газа 220 К

Диаметр цилиндра 90 мм

Ход поршня 110мм

Частота вращения вала 980 об /мин

Относительная длина шатуна 0,25

Мертвый объем 13,5%

Окна 0 6 - 32 шт

По оси торцевой крышки каждого из цилиндров детандера установлен кольцевой нормально-открытый впускной клапан с тремя концентрично расположенными пластинами (см. рис. 1). Для обеспечения работоспособности детандера в широком диапазоне начального давления в конструкцию клапана предусмотрены толкатели 2, встроенные внутрь клапанных пружин. Толкатели направляют и обеспечивают принудительное перемещение клапанных пластин на величину О < h' < h на нерасчетных режимах

J кл кл г г'

при положении поршня вблизи ВМТ; здесь — мак-

симально возможная высота подъема пластин, предусмотренная в конструкции клапана. Регулирование высоты подъема первой пластины осуществляется при помощи подвижного ограничителя 4, позволяющего производить изменение предварительного натяга пружин без разборки клапана. Конструкция клапана обеспечивает постоянство суммы предварительного натяга пружины и высоты подъема пластины hn + h = 3,8мм = const.

О кл 5

Выхлопные окна ступени выполнены по двухрядной схеме со смещением отверстий по рядам на величину А = do + ао; здесь do и ао — диаметр отверстий и расстояние между ними соответственно.

Целью настоящей работы явилось:

1. Получение расчетным путем текущих и интегральных параметров детандерной ступени, работающей в парожидкостной области с одноклапанным газораспределением, при изменении натяга пружины первой пластины впускного клапанов й0, величина которого при заданной жесткости пружин принималась в диапазоне 3 < h0 < 3,75 мм;

2. Анализ полученных результатов и оценка целесообразности применения отжима пластин впускных клапанов на детандерах рассмотренного типа в условиях эксплуатации.

В ходе численного эксперимента использовалась программа КОМДЕТ, созданная на кафедре криогенной техники и используемая в проектно-конст-

Рис. 1. Клапан впускной трехкольцевой, нормально-открытый с промежуточным подвижным ограничителем первой пластины: 1 — ограничитель; 2 — толкатель; 3 — пластина; 4 — ограничитель подвижный; 5 — седло; 6 — пружина; 7 — крепежный винт

рукторских подразделениях ряда фирм, связанных и в уплотнительном узле отсутствуют, клапан рабо-с разработкой поршневых компрессоров (КОМ) тает без толкателей. Расчеты производились с учетом и детандеров (ДЕТ). реальных свойств рабочего агента [1—3].

При расчетах было сделано допущение о герме- Для упрощения результатов расчетного ана-тичности детандерной ступени — зазоры в клапане лиза, показанных на рис. 2, введем обозначения

8,6040 8,6016 8,5992

8,5968 8,5944 8,5920 Б, кДж/

/г,

кДж/кг^

о

Рис. 2. Текущие параметры ступени в зависимости от относительного хода поршня: ------------------------при И0 = 3,0 мм;-----— при И0 = 3,75 мм

характерных точек и основных процессов рабочего цикла детандера: 1 — положение поршня в ВМТ (впускной клапан открыт); 1—2 — процесс наполнения; 2 — закрытие впускного клапана (начало процесса расширения 2—р—З); Р — точка, соответствующая равенству температур газа и стенок цилиндра в процессе расширения; 3 — момент начала открытия выхлопных окон; З—ЖР—4 — процесс выхлопа; ЖР — точка, соответствующая началу перехода рабочего вещества из газового в паро-жидкостное состояние; 4 — положение поршня в НМТ (выхлопные окна полностью открыты); 4—5 — процесс вытеснения расширившегося газа; 5 — момент закрытия выхлопных окон (начало процесса сжатия 5—сж—с—6); ЖС — точка, соответствующая обратному переходу рабочего вещества из парожидкостного в газовое состояние; С — точка, соответствующая равенству температур газа и стенок цилиндра в процессе сжатия; 6 — окончание процесса сжатия при р6 < рн (момент начала открытия впускного клапана); 6—6' — процесс впуска (кратковременный в рассматриваемом случае); 6' — момент равенства давлений в цилиндре и впускной полости (р6, = рн); 6'—1 — процесс нагнетания (кратковременный в рассматриваемом случае); ЖР—4— 5—ЖС — участок цикла, соответствующий парожидкостному состоянию рабочего вещества с различной степенью сухости х.

На рис. 2 показаны совмещенные диаграммы текущих параметров детандерной ступени. При натяге клапанных пружин й0 = Змм режим работы детандера соответствует номинальному, при котором обеспечивается максимальный расход газа

тном и требуемая конечная температура 7\ Текущие параметры ступени при пониженном расходе газа т’ показаны красным цветом и соответствует натягу пружин й0 = 3,75мм. В обоих вариантах часть рабочего цикла протекает в парожидкостной области состояния рабочего агента. Однако при номинальном режиме рабочее вещество на выходе из ступени находится в однофазном газовом состоянии, так как процесс образования жидкой фазы в рабочей камере начинается во второй половине процесса выхлопа Сжр= 0,94 (С3= 0,85). Конечные параметры реального рабочего вещества на выходе из детандера определяются по среднемассовой энтальпии в процессах выхлопа и вытеснения:

, _ ^

— конечная энтальпия газа як = —х ,--------,

2_&т 3^дф

— конечная температура Тк =/(рк,Нк).

При режиме, соответствующему максимальному натягу пластины й0= 3,75мм, на выходе из детандера содержание жидкой фазы в метане составляет 4,43%.

Полученные данные дают наглядное представление о том, что увеличение натяга клапанных пружин приводит к уменьшению длительности процесса наполнения 1—2 и как следствие к увеличению продолжительности процесса расширения 2—3. Температура рабочего вещества в конце процесса расширения (точка 3) значительно уменьшается, что приводит к тому, что начало образования жидкой фазы (точка ЖР) начинается практически сразу после точки 3. И на выходе из ступени образуется парожидкостная смесь.

Таблица 2

Интегральные параметры детандерной ступени при отжиме внутренней пластины 3-х кольцевого впускного клапана

Параметр Перемещение подвижного ограничителя Но, мм

0,0 0,2 0,4 0,6 0,75

/¡0|, мм 3,0 3,2 3,4 3,6 3,75

/? ,, мм КЛ1 ’ 0,8 0,6 0,4 0,2 0,05

Тк, к 133,6 133,4

С2 0,5557 0,4924 0,4284 0,3712 0,3294

Р4, МПа 0,556 0,512 0,478 0,456 0,450

Т4, К 137,2 135,7 134,4 133,6 133,4

МПа 0,451 0,450

т.,К пип’ 133,4

С жр 0,9400 0,9266 0,9098 0,8868 0,8562

т ,к жр’ 160,0 159,9

с ЖС 0,1989 0,1993 0,1996 0,2012

т ,к же* 159,8 159,6

V , м3/мин и. у’ 30,537 26,590 23,020 19,665 17,223

N ,кВт ИНД 32,201 29,734 27,135 24,350 22,093 |

т, кг/ч 1224,83 1066,5 923,33 788,76 690,79 |

йк, кДж/кг 826,74 821,01 815,62 810,34 806,24 1

Т11 0,611 0,648 0,683 0,717 0,743 |

X К 1,0 0,989 0,977 0,966 0,957

а = т.!тх 1,0 0,871 0,754 0,644 0,564

20

Рис. 3. Интегральные параметры метанового поршневого детандера среднего давления в зависимости от предварительного натяга пружин первой пластины впускного клапана

Изменение предварительного натяга пружин впускного клапана не влияет на процессы, протекающие на обратном ходу поршня: вытеснения 4—5 и обратного сжатия 5—6.

Изменение интегральных параметров ступени в зависимости ог увеличения натяга клапана представлены на рис. 3 и в табл. 2.

Отношение а = т/тном характеризует степень снижения расхода газа при произвольно заданном в условиях эксплуатации натяге пружин. В рассматриваемом диапазоне 3 < /г0< 3,75 расход газа снижается со 100 до 56,4%, а индикаторная мощность N уменьшается на 31,4%, изоэнтропный КПД детандера увеличивается с 0,61 до 0,74%. При этом температура стенок рабочей камеры Т и конечная температура газа за детандером Тк остаются практически постоянными. При номинальном режиме работы конечная температура Г составляет 133,6 К. Однако, уменьшая продолжительность наполнения ступени путем отжима пластины с наименьшим диаметром, рабочий агент переходит во влажно-паровое состояние, с постоянной температурой Г в широком диапазоне изменения параметров состояния в начале процесса расширения.

Анализ работы впускного клапана показывает, что в диапазоне изменения А0= 3,0...3,75мм динамика движения пластины остается без качественных изменений (рис. 4).

Клапан характеризуется завышенными скоро-

а А .,

КЯ.І 7

мм

0,6

0,4

0,2

7 2°

1 2 и. Р 3 РЖР 4 5 6' же С6'

2 90 ЖР

180

270

6

Ф, град

б И

кл.2,3’

ММ

0,6

0,4

0,2

1 2° 2° 1

Р ЗРЖР 4 5 6' 6' ЖС С 6

0

90 жр 180

270 ф, град

Рис. 4. Высота подъема пластин клапана: а — 1-я пластина; б — 2-я и 3-я пластина;

— — при Ид = 3,0мм,-------------при Ьд = 3,75мм

стями посадки пластины на номинальном режиме работы. С уменьшением продолжительности процесса наполнения, увеличиваются скорости посадки пластины на седло и ограничитель.

Выводы

Предложенный метод регулирования показывает возможность изменения производительности детандера в широком диапазоне режимных параметров при сохранении конечной температуры на постоянном уровне Г = 133,37 К, при этом данное техническое решение отличается простотой конструкции.

Список литературы

/. Кузнецов Л. Г., Иванов Д. Н., Молодова Ю. И., При-луцкий И. К. Обобщенная математическая модель рабочих процессов ступени машин объемного действия // Компрессорная техника и пневматика. 2000. № 1.

2. Теплофизические свойства криопродуктов: Учеб. пособие для вузов./Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, В. Н. Новотельнов, А. В. Зайцев. — СПб.: Политехника, 2001.

3. Рыжков А. А., Иванов Д. Н., Молодова Ю. И., Прилуцкий А. И., Прилуцкий И. К. Сравнение методик расчета свойств веществ в газовой и парожидкостной области рабочих циклов машин объемного действия // Компрессорная техника и пневматика. 2011. № 8.