Исследования ступени и многоступенчатой конструкции ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении для холодильной техники и систем кондиционирования

УДК 621.5

Исследования ступени и многоступенчатой конструкции ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении для холодильной техники и систем кондиционирования

Д-р техн. наук, академик МАХ Г.И. БУМАГИН, С.Г. ОВЧИННИКОВ

Омский государственный технический университет канд.техн.наук А.Е. РАХАНСКИЙ НТК «Криогенная техника», г. Омск

The paper offers a theoretical and experimental investigation of an electrogasodynamic compressor stage and multistage construction under pulsating voltage.

Основным достоинством электрогазодинамического (ЭГД) компрессора является полное отсутствие движущихся механических частей и, как следствие, отсутствие смазки и необходимости растворения хладагента в минеральных и синтетических маслах, что, в свою очередь, существенно улучшает теплообмен в конденсаторе и испарителе низкотемпературных систем.

Ранее разработанный ЭГД-компрессор на постоянном напряжении [4] доказал возможность его применения в холодильной технике и системах кондиционирования, однако его адиабатный КПД недостаточно высок (30 — 35 %). Для широкого внедрения ЭГД-ком-прессора в этой области необходимо повысить его эффективность и надежность работы.

Как показал анализ работы ЭГД-компрессора при постоянном напряжении, основными потерями в процессах ЭГД-преобразования являются потери от негативного влияния объемного заряда, которые составляют 50 % и более от всех потерь. Уменьшение или полная ликвидация этих потерь являются одной из важных задач повышения эффективности работы ЭГД-ком-прессора.

Для этого авторами предложено питание ЭГД-комп-рессора проводить пульсирующим напряжением. Метод был испытан ранее при исследовании ЭГД-насоса [1].

Ниже рассматриваются результаты теоретического и экспериментального исследования ступени и многоступенчатого ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

В качестве конструктивной схемы для исследова-ния.принята ступень ЭГД-компрессора (рис. 1), описанная в [2]. Ступень имеет систему электродов: эмиттер 1 - в виде тонкостенной трубки малого радиуса (г0 = 0,4... 1,5 мм) с концом, заостренным в сторону про-тивоэлектрода - коллектора 2, который представляет

собой усеченный конус с центральным отверстием, с радиусами на входе Кс и на выходе гк и углом конусности 90 °. В центральное отверстие вставлен деионизатор 3 с отверстиями на выходе, которые дважды поворачивают рабочий поток на 90°, что способствует полной его деионизации. Между эмиттером и коллектором подключен источник питания высокого напряжения (ИВН) с пульсирующим напряжением. В качестве рабочего тела при исследовании принят фреон 1122.

Одним из первых этаптов исследования ЭГД-комп-рессора при пульсирующем напряжении является рассмотрение и объяснение физики горения коронного разряда и процессов в зонах ионизации и ЭГД-преобразования. Подробно результаты исследования в зоне иони-

Рис. 1. Принципиальная схема ступени ЭГД-компрессора: 1 — эмиттер; 2 — коллектор; 3 — деионизатор;

4 — диэлектрическая стенка

зации и процессы, происходящие возле поверхности эмиттера, описаны в [3].

Теоретические и экспериментальные исследования отдельной ступени ЭГД-компрессора, проведенные авторами, подтвердили особенность его работы при пульсирующем напряжении, отмеченную в [1] при исследовании ЭГД-насоса. Наиболее эффективная работа ступени наблюдается, когда частота/пульсирующего напряжения связана с длиной зоны ЭГД-преобра-зования Ь0 , равной длине волны объемного заряда § (¿О = 5), и со средней скоростью движения объемного заряда ]УЧХ соотношением

/=Йу

Исследования также показали, что эффективность работы ступени зависит не только от частоты пульсирующего напряжения/, но и от начального давления рн на входе. На рис. 2 показана зависимость адиабатного КПД ступени от начального давления ри при различном эффективном значении пульсирующего напряжения. Как видно из рис. 2, с повышением давления рн на входе в ступень существенно возрастают значения как адиабатного КПД, так и развиваемого перепада давления Ар. При эффективном напряжении С/эф = = ЗОкВ и начальном давлениирн > 1200 кПа величина адиабатного КПД становится выше 50 %. Это говорит о том, что при работе многоступенчатого ЭГД-комп-рессора эффективность его работы будет возрастать от ступени к ступени. Поэтому при выборе рабочего тела необходимо учитывать, что его начальное давление на входе в ЭГД-компрессор должно быть не менее 3 бар.

Исследования многоступенчатого ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении подтвердили его эффективную работу. На рис. 3 приведены расходно-напорные характеристики и адиабатный КПД многоступенчатого ЭГД-компрессора, в котором последовательно

Рис. 2. Зависимости адиабатного КПД ступени ЭГД-компрессора г] от начального давления рн при различном эффективном значении пульсирующего напряжения V

многоступенчатого ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении

установлено 328 ступеней. В качестве рабочего тела использовался 1122 с начальным давлениемрн = 5 бар и начальной температурой Тн = 293 К. Конструкция такого многоступенчатого ЭГД-компрессорного агрегата со встроенным источником высокого напряжения (ИВН) показана на рис. 4.

Рис. 4. ЭГД-компрессор со встроенным ИВН:

1 — корпус; 2 — капроновые диски; 3, 10 — патрубки выхода и входа; 4 — эмиттерный электрод;

5 — коллекторный электрод; 6 — колпак; 7 — ИВН; 8 — шпилька; 9 — канал; 11 — изолятор

Многоступенчатый ЭГД-компрессор совместно с ИВН размещены в общем металлическом корпусе 1, который заполнен фреоном. Это значительно усиливает электрическую прочность и надежность работы компрессорного агрегата. Металлический корпус одновременно является экраном электрических полей, что улучшает безопасность работы и обслуживания компрессорного агрегата. Общий вес ЭГД-компрессорного агрегата 15 кг при наружном диаметре Он= 180 мм и высоте Н = 250 мм. Мощность агрегата N = 200 Вт.

Его расходно-напорные характеристики показывают (см. рис. 3), что при начальном давлении 1122 рн = 5 бар и эффективном значении пульсирующего напряжения (Уэф = 25.. .30 кВ многоступенчатый ЭГД-компрессор может развивать давление на выходерк = 1800...2300 кПа (18...23 бар) при оптимальном расходе т = 2...2,5 г/с и адиабатном КПД Г|8= 37...44 %.

Такие характеристики многоступенчатого ЭГД-ком-прессора позволяют рекомендовать его для внедрения в малых холодильных установках и системах кондиционирования и жизнеобеспечения. При работе ЭГД-компрессор практически бесшумен, хорошо регулируется изменением напряжения.

Список литературы

1. Авдеев Н.П., Бумагин Г.И., Дудов А.Ф. Результаты исследования ступени ионно-конвекционного насоса с питанием короны пульсирующим напряжением// Известия вузов. Энергетика. 1984. №11.

2. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. К расчету конвективного тока и тока смещения в ЭГД-нагнетателях при пульсирующем напряжении // Вестник Международной академии холода. 2004. Вып. 1.

3. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. Математическая модель и анализ работы ступени ЭГД-компрессора для малых систем кондиционирования и бытовой холодильной техники при пульсирующем напряжении // Вестник Международной академии холода. 2005. Вып. 2.

4. Раханский А.Е. Разработка электрогазодинамичес-кого компрессора для холодильной техники и систем кондиционирования: Дис...канд. техн. наук - Омск, ОмГТУ, 2001.