СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА
THERMAL PROCESS SIMULATION TEST BENCH

Стенд предназначен для моделирования рабочих процессов в тепловом двигателе в процессе отработки оптимальной конструкции двигателя, исследования его характеристик, оптимизации рабочих процессов и элементов конструкции для последующего использования в энергетике, в частности в двигателестроении, а именно в двигателях, работающих в круговом процессе.
Известен стенд по АС СССР №1417031, приоритет от 26.01.1987. Стенд имеет замкнутый гидравлический контур, содержащий гидравлические имитаторы теплообменников, две обратимые гидравлические машины для имитации турбины и насоса и две обратимые электрические машины. Каждая обратимая гидравлическая машина кинематически связана с одной из обратимых электрических машин; включая соответствующим образом гидравлическую машину, задают ей режим турбины, а электрической - режим генератора при имитации прямого цикла Карно; при работе гидравлической машины в режиме турбины имитируют обратный цикл Карно; при включении гидравлической машины в режиме насоса и направлении потока сверху вниз через гидравлический дроссель имитируют работу холодильной машины с редукционными клапанами, реализуя цикл во влажном паре. Стенд позволяет моделировать прямой и обратный циклы Карно в области насыщенного влажного пара на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Недостатком известного стенда является невозможность моделирования работы двигателя в круговом процессе.
Известен стенд для испытания герметичного холодильного компрессора по патенту РФ №2030697, 1991. Стенд содержит водоаммиачный контур, секция которого состоит из двух теплообменников для циркуляции крепкого и слабого водоаммиачных растворов, генератора. Регулирование режимов работы хладонового и водоаммиачного контуров производится с помощью регулирующих вентилей. При реализации стенда осуществляются моделирование работы отдельных элементов абсорбционно-компрессионного холодильного агрегата, испытания генератора с одновременным моделированием при этом различных условий эксплуатации и конструктивного исполнения холодильного агрегата, проводится исследование влияния охлаждения компрессора на характеристики компрессионного контура и влияния теплообмена на характеристики абсорбционного контура. Конструкция стенда экологически целесообразна. Недостатком данного стенда является невозможность его использования для моделирования работы контура с газообразным компонентом рабочего тела.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для реализации теплового процесса по патенту РФ №2103521, 1994, включающее корпус, рабочее тело в виде смеси газового и жидкого компонентов, емкость для размещения рабочего тела в виде системы камер, сообщающихся между собою посредством магистралей и управляющих элементов в виде клапанов, поршень, установленный в одной из камер с возможностью перемещения и образования надпоршневой и подпоршневой полостей, шатун, связанный механически с поршнем и маховиком, и теплообменник.
Недостатком указанного устройства является невозможность моделирования теплового процесса с участием рабочего тела в виде моновещества, например углекислоты в жидком и газообразном агрегатных состояниях, что сужает область его применения.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности моделирования теплового процесса с участием рабочего тела в виде моновещества.
Указанный результат достигается тем, что известный стенд для моделирования теплового процесса, включающий корпус, рабочее тело в виде смеси газового и жидкого компонентов, емкость для размещения рабочего тела в виде системы камер, сообщающихся между собою посредством магистралей и управляющих элементов в виде клапанов, поршень, установленный в одной из камер с возможностью перемещения и образования надпоршневой и подпоршневой полостей, шатун, связанный механически с поршнем и маховиком, и теплообменник, согласно изобретению, снабжен дополнительной камерой, блоком управления подачей жидкого компонента рабочего тела, блоком управления системой охлаждения теплообменника и блоком управления заполнением камер, при этом теплообменник выполнен в виде основного и дополнительного блоков, основной блок теплообменника установлен между надпоршневой полостью и дополнительной камерой, а дополнительный блок теплообменника выполнен в виде бака-накопителя и установлен с возможностью теплообмена с внешней средой, при этом дополнительная камера сообщена через основной блок теплообменника с надпоршневой полостью, блок управления подачей жидкого компонента рабочего тела связан с блоком управления системой охлаждения теплообменника и с клапаном для подачи рабочего тела в дополнительную камеру, блок управления системой охлаждения теплообменника связан с клапаном для подачи жидкого компонента рабочего тела в основной блок теплообменника, а блок управления заполнением камер подключен к блоку управления подачей жидкого компонента рабочего тела и к магистрали для подачи рабочего тела из бака-накопителя в дополнительную камеру.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
На фиг.1 схематически изображен стенд для моделирования теплового процесса теплового двигателя, использующего двухфазное рабочее тело.
На фиг.2 представлена TS - диаграмма рабочего цикла.
На фиг.3 представлена VS - диаграмма рабочего цикла
На фиг.4 представлена IS - диаграмма рабочего цикла.
На фиг.5 представлена PV - диаграмма рабочего цикла.
0
1
На фиг.6 приведены на PV - диаграмме параметры изоэнтропического процесса сжатия рабочего тела (линия 1 - АВ) и параметры процесса сжатия рабочего тела с отводом тепла (линия 2 - AB).
В качестве рабочего тела на стенде используется вещество (моновещество, например двуокись углерода), которое в рабочем процессе присутствует в двух фазовых состояниях: в виде жидкого и газообразного компонентов, а также в виде их равновесной смеси. Рабочий процесс для стенда реализуется с протеканием процессов как при докритических, так и сверхкритических условиях, что приводит к изменению фазового состава и свойств моновещества в отдельных фазовых состояниях. В процессах выполнения сжатия и расширения рабочего тела подается дополнительно некоторое количество рабочего тела в виде жидкого компонента в газообразный компонент рабочего тела. Выполняется регулируемый отвод тепла от рабочего тела при сжатии, при этом за счет энергомассообмена в циклическом процессе производится полезная работа.
Рассмотрим реализацию стенда для моделирования рабочих процессов в тепловом двигателе на двухкомпонентном моновеществе (двуокись углерода). Корпус содержит цилиндрическую камеру 1, разделенную подвижным поршнем 2 на подпоршевую полость и надпоршневую полость, которая образует основную камеру 3 двигателя. Основная камера 3 двигателя соединена с дополнительной камерой 4 через газопроницаемый основной блок теплообменника 5. Поршень 2 соединен с шатуном 6.
Дополнительный теплообменник выполнен в виде бака - накопителя 7, содержащего полость 8 для жидкого компонента рабочего тела и полость 9 для газового компонента рабочего тела со свободной границей раздела. Бак - накопитель 7 выполнен с возможностью теплообмена с внешней средой.
Дополнительная камера 4 соединена с полостью 9 посредством магистрали 10 и установленного в последней управляемого клапана 11, также дополнительная камера 4 соединена с полостью 9 посредством магистрали 12 и установленного в ней управляемого клапана 13.
Полость 8 соединена с дополнительной камерой 4 магистралью 14 через насос 15, управляемый клапан 16 и форсунку 17. Полость 8 также соединена с основным блоком теплообменника 5 магистралью 14 через насос 15, и магистраль 18 и управляемый клапан 19. Основной блок теплообменника 5 соединен магистралью 20 с полостью 9 газового компонента рабочего тела бака - накопителя 7.
Блок управления подачей жидкого компонента 21 соединен с управляемым клапаном 16. Блок управления системой охлаждения теплообменника 22 соединен с управляемым клапаном 19. Блок управления выхлопом камер 23 соединен с управляемым клапаном 11. Блок управления заполнением камер 24 соединен с управляемым клапаном 13.
Шатун 6 соединен посредством кривошипного механизма (не показан) с маховиком 25. На одном валу с маховиком 25 установлены датчик угла поворота вала маховика 26 и датчик моментов сил 27. Маховик 25 через ременную передачу (не показана) соединен с регулируемым электрическим двигателем 28, на валу которого установлен датчик оборотов двигателя 29.
Регулируемый электродвигатель 28 соединен с блоком управления электродвигателем 30, который соединен с датчиком оборотов 29 и датчиком уровня жидкости 31, расположенном в баке - накопителе 7.
Датчик давления 32 сообщен с дополнительной камерой 4, с блоком управления подачей жидкого компонента 21 и блоком управления системой охлаждения 22. Датчик температуры 33 сообщен с дополнительной камерой 4, с блоком управления подачей жидкого компонента и блоком управления системой охлаждения 22. Датчик температуры теплообменника 34 соединен с основным блоком теплообменника 5, с блоком управления подачей жидкого компонента 21 и блоком управления системой охлаждения 22.
Блок управления подачей жидкого компонента 21 и блок управления системой охлаждения 22 так же соединены с датчиком угла поворота вала маховика 26 и датчиком оборотов 29.
Блок управления выхлопом камер 23 и блок управления заполнением камер 24 соединены с датчиком угла поворота вала маховика 26.
1
2
3
4
5
6
7
По оси ОХ (фиг.2) даны значения удельной энтропии (кДж/кг/К) рабочего тела, а по оси OY - даны значения температуры рабочего тела (К). Дополнительно на диаграмму нанесены характеристики рабочего тела в виде системы тонких линий для изобар при различных значениях давлений (p<p<p<p<p<p<p). Диаграмма так же содержит обозначения базовых точки рабочего цикла A, B, C, D. Линии, соединяющие соседние базовые точки рабочего цикла A, B, C, D, соответствуют отдельным рассматриваемым рабочим процессам.
3
По оси ОХ (фиг.3) даны значения удельной энтропии (кДж/кг/К) рабочего тела, а по оси OY - даны значения удельного объема рабочего тела (дм/кг).
1
2
3
4
5
6
7
По оси ОХ (фиг.4) даны значения удельной энтропии (кДж/кг/К) рабочего тела, а по оси OY - даны значения удельной энтальпии рабочего тела (кДж/кг). VS - диаграммы и IS - диаграммы рабочего цикла так же * содержат систему изобар в виде тонких линий при различных значениях давлений (p<p<P<P<p<P<p).
3
По оси ОХ (фиг.5) даны значения удельного объема рабочего тела (дм/кг), а по оси OY - даны значения давления рабочего тела в цикле. Диаграммы на фиг.3-5 содержит обозначения базовых точек рабочего цикла, а линии, соединяющие соседние базовые точки рабочего цикла, соответствуют отдельным рассматриваемым рабочим процессам.
Рассмотрим работу стенда и протекающие рабочие процессы теплового двигателя для отдельных фаз рабочего процесса. В качестве начальной точки рассматриваемого цикла теплового двигателя выбираем точку начала процесса сжатия А (фиг 2-5), для которой значения начальной температуры и начального давления выбраны ниже значений температуры и давления критической точки моновещества (двуокись углерода), используемого в качестве рабочего тела. Основная камера 3 и дополнительная камера 4 предварительно заполнены рабочим телом (двуокисью углерода) в газообразном состоянии при начальной температуре и давлении.
Фаза сжатия газа (линия АВ цикла). Основная камера 3 и дополнительная камера 4 сообщены между собой газопроницаемым основным блоком теплообменника 5. Управляемые клапаны 11, 13, 16 подводящих магистралей к камерам 3, 4 закрыты.
При движении поршня 2 вверх газообразный компонент рабочего тела в основной камере 3 сжимается. Давление и температура газообразного компонента в основной камере 3 в процессе сжатия увеличиваются, что приводит к перемещению рабочего тела через полупроницаемый основной блок теплообменника 5 в дополнительную камеру 4. В дополнительной камере 4 увеличивается масса, давление и температура рабочего тела. Давление и температура в основной 3 и дополнительной 4 камерах выравнивается, т.к. площадь проходного сечения для движения рабочего тела через основной блок теплообменника 5 выбирается из условия минимальных потерь полного давления. При этом реализуется квазистационарный режим работы для камер 3, 4 в каждый момент времени.
Рабочее тело в основной камере 3 из-за работы сил сжатия имеет большую температуру, чем начальная температура рабочего тела в дополнительной камере 4 и температура основного блока теплообменника 5, что приведет к частичной передачи дополнительной энергии от рабочего тела к теплообменнику за счет процессов теплоотдачи и увеличению температуры рабочего тела в дополнительной камере 4 за счет смешивания начального рабочего тела с рабочим телом, поступающим через основной блок теплообменника 5.
Отбор тепла от рабочего тела в основном блоке теплообменника 5 в процессе сжатия позволяет уменьшить работу сил сжатия, уменьшить температуру и давление рабочего процесса в конце фазы сжатия (точка В на диаграммах, показанных на фиг.2-6). Применение отвода тепла при сжатии позволяет при одинаковых диапазонах изменения давления существенно расширить диапазон изменения удельного объема рабочего тела в цикле, уменьшить работу сил сжатия, уменьшить максимальный уровень давления и увеличить полезную работу цикла (при условии соответствующей организации рабочего цикла). Это позволяет использовать стенд для определения наиболее выгодных режимов работы двигателя.
Датчиком давления 32 и датчиком температуры 33 контролируются параметры рабочего процесса в дополнительной камере 4. Датчиком температуры теплообменника 34 измеряется текущее значение температуры основного блока теплообменника 5.
Текущие параметры рабочего процесса в дополнительной камере 4 сравниваются с программными значениями температуры и давления в камере 4, а температура основного блока теплообменника 5 сравнивается с программным значением температуры в блоке управления системой охлаждения 22. Блок управления системой охлаждения 22 подает команды на изменение площади проходного сечения управляемого клапана 19, что приводит к изменению расхода жидкого компонента рабочего тела, поступающего на охлаждение основного блока теплообменника 5. По магистрали 14 и 18 через открытый управляющий клапан 19 жидкого компонента подается в каналы охлаждения основного блока теплообменника 5 с температурой, близкой к начальной температуре конденсированной фазы рабочего тела. Таким образом, выполняется охлаждение основного блока теплообменника 5, что приводит к последующему уменьшению температуры и давления рабочего тела в дополнительной камере 4. Это позволяет управлять процессом сжатия рабочего тела при отработке рабочего цикла на стенде.
Данные с датчика угла поворота вала маховика 26 и с датчика оборотов двигателя 29 используются в блоке управления системой охлаждения 22 для определения текущего положения поршня и текущей частоты вращения маховика с целью синхронизации рабочих процессов в циклической работе стенда при заданной частоте вращения вала маховика.
После отбора тепла в основном блоке теплообменника 5 нагретое рабочее тело поступает в бак - накопитель 7 по магистрали 20. Количество жидкого компонента выбирается из условия его полного испарения в основном блоке теплообменника 5 и, тем самым, реализуется практически полный возврат тепла, поглощенного основным блоком теплообменника 5 в процессе сжатия газового компонента, рабочему телу в баке - накопителе 7 для последующего использования в других рабочих циклах.
При достижении верхней мертвой точки поршень 2 перекачивает имеющееся в основной камере 3 рабочее тело в дополнительную камеру 4 (точка В на диаграммах) за исключением малого объема, обусловленного наличием технологического зазора между поршнем 2 и верхней границей цилиндрической камеры 1.
После завершения процесса впрыска жидкого компонента в основной блок теплообменника 5 при сжатии рабочего тела управляемый клапан 18 закрывается.
На фиг.2-5 показаны изменения параметров рабочего процесса для данной фазы рабочего цикла (линия АВ цикла). Наклоном линии АВ цикла и характеристиками рабочего процесса при отработке циклического процесса возможно управлять за счет изменения параметров в программах регулирования блока управления системой охлаждения 22. При этом достигается оптимизация рабочего цикла с получением полезной работы.
Фаза сжатия жидкости. Жидкий компонент рабочего тела поступает из полости 8 в насос 15 и адиабатно сжимается до давления, превышающего давление газообразного компонента в конце фазы сжатия (точка В) на величину потерь давления в магистрали подачи жидкого компонента 15, управляющем клапане 16 и форсунке 17, что обеспечивает подачу и распыл жидкого компонента в дополнительную камеру 4 после открытия управляющего клапана 16.
Фаза смешивания (линия ВС цикла). Датчик давления 32 и датчик температуры 33 используются для контроля параметров рабочего процесса в дополнительной камере 4. Текущие параметры рабочего процесса в дополнительной камере 4 на фазе смешивания сравниваются с программными значениями температуры и давления в дополнительной камере 4 в блоке управления подачей жидкого компонента 21.
Блок управления подачей жидкого компонента 21 подает команды на изменение площади проходного сечения управляемого клапана 16. Жидкий компонент рабочего тела при открытии управляющего клапана 16 дозировано впрыскивается в дополнительную камеру через форсунку 17, испаряется, расширяется и смешивается с рабочим телом, ранее находящимся в дополнительной камере 4. Процесс смешивания двух компонентов рабочего тела приводит к переходу жидкого компонента в газообразное состояние с давлением, близким к давлению в конце фазы сжатия газообразного компонента в камере 3 (точка В) и температурой близкой к температуре в конце фазы сжатия газообразного компонента в камере 4(точка В). Процесс впрыска жидкого компонента выполняется при постоянном значении давления в дополнительной камере 4 или при изменении давления в дополнительной камере 4 по определенному, задаваемому программно закону, что определяется блоком управления подачей жидкого компонента 21.
После впрыска заданного количества жидкого компонента в камеру 4 управляемый клапан 16 закрывается.
Данные с датчика угла поворота вала маховика 26 и с датчика оборотов двигателя 29 используются в блоке управления подачей жидкого компонента 21 для определения текущего положения поршня и текущего значения частоты вращения маховика с целью синхронизации рабочих процессов в циклической работе стенда при заданной частоте вращения вала маховика.
Положение линии ВС цикла (фиг.2-5) и характеристики рабочего процесса при отработке циклического процесса можно изменять за счет изменения параметров в программах регулирования блока управления подачей жидкого компонента 21.
Фаза расширения (линия CD цикла). Полученное рабочее тело в газообразном состоянии находится при давлении выше критического (точка С) и имеет значением удельной энтропии больше критического значения. Основная 3 и дополнительная камера 4 на фазе расширения образуют замкнутую термодинамическую систему и при смещении поршня 2 вниз рабочее тело изоэнтропически расширяется и совершает работу. На первой стадии расширения рабочее тело остается в газообразном виде, а после достижения условия насыщения (пунктирные линии на диаграммах рабочего тела (фиг.2-5)) в рабочем теле формируется конденсированная фаза (жидкий компонент) и дальнейший процесс расширения выполняется с двухкомпонентным рабочим телом до начальной температуры и давления (точка А). По мере расширения рабочего тела и выполнения рабочим телом полезной работы доля конденсированной фазы увеличивается и достигает в точке D максимального значения, определяемого удельной энтропии рабочего тела и соотношениями удельных энтропии газовой и жидкостной фазе при начальной температуре и давлении. Массовая доля конденсированной фазы (влажности пара) равна
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>Н</mi><mo>_</mo><mi>ж</mi><mi>и</mi><mi>д</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>Н</mi><mo>_</mo><mi>г</mi><mi>а</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>Н</mi><mo>_</mo><mi>ж</mi><mi>и</mi><mi>д</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
РТ
ЛН_жидк
ЛН_газ
где S, S, S - удельные энтропии рабочего тела при текущих условиях и на линии насыщения на границах жидко и газообразной фаз.
Фаза разделения. Изменение параметров рабочего тела на фазе разделения (для газа) представляется линиями DA на фиг.2-5). Для определения момента завершения процесса расширения рабочего тела используется датчик угла поворота вала маховика 26, сигнал с которого подается на блок управления выхлопом камер 23. Блок управления выхлопом камер 23 дает команду, по которой управляющий клапан 11 открывается, и при движении поршня вверх жидкий и газообразный компоненты рабочего тела по магистрали 10 через открытый управляющий клапан 11 подаются в бак - накопитель 7. Т.к. давление в баке-накопителе 7 ниже критического давления, то происходит разделение компонент с образованием границы раздела под действием гравитационных сил. Каждый компонент рабочего тела далее используется в отдельных процессах.
Для определения момента начала подготовки нового цикла определяется положение датчика угла поворота вала маховика 26, сигнал с которого подается на блок управления заполнением камер 24. По команде с блока 24 открывается управляющий клапан 13 и при движении поршня 2 вниз происходит заполнение газообразным компонентом рабочего тела дополнительной 4 и основной 3 камер стенда через магистраль 12 и открытый управляющий клапан 13. Камеры 3,4 заполнены рабочим телом со значениями параметров, близких к начальных условиях (линия DA цикла на фиг.2-5). После смещения поршня 2 в крайнее нижнее положение, которое определяется датчиком угла поворота вала маховика 26, блок управления заполнением камер 24 дает команду на закрытие управляемого клапана 13. После закрытия клапана 13 получаем два связанных полузамкнутых объема, которыми являются основная 3 и дополнительная 4 камеры.
Жидкий компонент рабочего тела подается в насос 15 для последующего сжатия и использования в рабочем процессе.
Объем жидкого компонента рабочего тела, полученного после завершения рабочего цикла, превышает объем жидкого компонента рабочего тела, поданного в камеры 3,4 на фазе смешивания. Для начала формирования нового рабочего цикла в камеры 3,4 отбирается из бака-накопителя 7 большее количество газообразного компонента, чем было получено в конце предыдущего цикла. Показания датчика уровня жидкости 31 и датчика оборотов 29 в блоке управления электродвигателем 30 обрабатываются и используются для формирования команд управления регулируемым электродвигателем 28. Датчик момента сил 27 и текущие значения параметров блока управления электродвигателем служит для определения силовых характеристик теплового двигателя при моделировании рабочих процессов на стенде.
Таким образом, на стенде реализуется цикл с подводом тепла при начальной температуре, являющейся низшей температурой цикла. На PV-диаграмме (фиг.5) порядок следования базовых точек и линий для отдельных процессов соответствует циклу с обходом "против часовой стрелки", что определяется способом подводом тепла при низшей температуре цикла.
Наличие в стенде блока управления подачей жидкого компонента 21 и блока управления системой охлаждения 22 обеспечивает возможность регулирования рабочих условий процесса (температуры и давления в камерах 3,4) в диапазонах, достаточных для выявления условий оптимального функционирования теплового устройства (двигателя) с получением положительного баланса полезной работы.