Интенсификация процессов теплообмена в рабочей камере бессмазочных компрессоров

УДК 621.57; 621.512; 621.514

Интенсификация процессов теплообмена в рабочей камере бессмазочных компрессоров

Канд. техн. наук В.Л. ЮША, Д.Г. НОВИКОВ

Омский государственный технический университет

The submitted results of theoretical calculations and experimental researches of the oil-free compressors allow to estimate design-technological potentialities of intensification of convective heat exchange in its working chamber and increase, connected to it, of functional efficiency of compression refrigerating machines.

Наличие масла в проточной части холодильных систем приводит к возникновению ряда проблем: замасливание теплообменных поверхностей конденсаторов и приборов охлаждения влечет за собой увеличение термического сопротивления и соответственно увеличение температуры конденсации и снижение температуры кипения, а накапливание масла в элементах коммуникаций и теплообменных аппаратов приводит к увеличению их гидравлического сопротивления [1, 3, 7]. Следствием этого является рост энергопотребления компрессора. Кроме того, известные проблемы при производстве и эксплуатации холодильной техники связаны с необходимостью обеспечения совместимости применяемых хладагентов и масел [2]. В связи с этим получили развитие компрессоры объемного принципа действия с бессмазочной рабочей камерой.

Одним из обязательных условий функционирования таких компрессоров является их эффективное охлаждение. Это связано с тем, что механические свойства применяемых конструкционных материалов, главным образом на основе полимерных соединений, в значительной мере зависят от температуры; а температурные деформации деталей, формирующих рабочую камеру ступени компрессора, определяют величину рабочих зазоров между ними [10, 14]. Не следует также забывать, что эффективное охлаждение ступени компрессора любого типа обеспечивает повышение его индикаторного КПД [12], а уменьшение температуры нагнетаемого газа позволяет существенно снизить металлоемкость теплообменных аппаратов либо при неизменной площади теплообменной поверхности снизить расход охлаждающей среды в этих аппаратах [14].

Таким образом, интенсификация процесса охлаждения ступени бессмазочного компрессора является актуальной задачей. Ее решение посредством впрыска капельной жидкости в рабочую камеру (наиболее эффективный из известных способов охлаждения компрессоров) сводится к использованию жидкой фракции

холодильного агента [4, 13], что не всегда целесообразно. Интенсификация внешнего охлаждения ступени для существующих конструкций объемных компрессоров также имеет свои ограничения [14, 15].

Одним из альтернативных решений этой задачи может стать увеличение площади теплообменной поверхности рабочей камеры путем оребрения стенок, формирующих эту рабочую камеру [11].

Рассмотрим расчетную схему микрооребренной поверхности, представленную на рис. 1. Ее площадь

fp = lhep,

где Ер - коэффициент оребрения.

Площадь аналогичного участка гладкой поверхности определяется его габаритными размерами:

F0 = LH.

Легко показать [5, 8, 9], что при допущении о неизменности величины коэффициента теплоотдачи для обоих случаев (ар = а0= а = idem ) при 5j = б2 = 0 отношение количества тепла dQp, отводимого через оребрен-ную поверхность, к количеству тепла dQ0, отводимому через гладкую поверхность, может быть описано следующим выражением:

Рис 1. Расчетная схема участка теплообменной поверхности с микрооребрением

Q = dQp! dQ0 > 2th

где m = ^2a / XSp;

X - коэффициент теплопроводности газа.

Из выражения (1) следует, что при фиксированных геометрических размерах рабочей камеры компрессора можно добиться существенной интенсификации процессов теплообмена путем увеличения соотношения hp/Sp, причем как увеличивая высоту ребра, так и уменьшая расстояние между ребрами. Это особенно важно для обеспечения основных функциональных параметров ступени на требуемом уровне.

Однако такое конструктивное решение помимо интенсификации теплоотвода от сжимаемого газа может вызвать и побочные отрицательные явления - более интенсивный подогрев газа в процессе всасывания и увеличение мертвого объема из-за появления дополнительного межреберного пространства.

На рис. 2 представлены результаты сравнительных натурных испытаний поршневых компрессоров с частичным оребрением поверхности рабочей камеры и без него, которые подтвердили возможность улучшения отвода тепла от сжимаемого газа при использовании микрооребрения на клапанной плите: снижение температуры нагнетания достигало 10...25 °С, что сопровождалось уменьшением производительности на 3 - 8 %. Эксперимент проводили на компрессорах двух типоразмеров (диаметр цилиндра Du = 0,02 м и D„= 0,085 м) при различных способах внешнего охлаждения цилиндра (вода, воздух) и при различных степенях повышения давления в ступени. Температуру рабочего газа измеряли хромель-копелевыми термопарами, установленными в камерах всасывания и нагнетания; параметры микрооребрения изменяли в пределах hp = 0,8... 1,4 мм и Sp = 0,2...0,8 мм.

Рис 2. Снижение температуры нагнетания при частичном оребрении поверхности рабочей камеры (по сравнению с «гладким» вариантом ее конструкции) в зависимости от степени повышения давления е:

1 — Du=0,02m, водяное охлаждение цилиндра;

2 — Оц= 0,085м, водяное охлаждение цилиндра;

3 — D = 0,085 м, воздушное охлаждение цилиндра

В рамках проведенного эксперимента не представлялось возможным рассмотреть целый ряд конструктивных и режимных факторов, связанных с процессом теплообмена в рабочей камере ступени компрессора и влияющих на эффективность рабочего процесса. В связи с этим для параметрического анализа рабочего процесса ступени компрессора объемного действия с мик-рооребрением была использована усовершенствованная математическая модель ступени, широко применяемая при теоретических исследованиях компрессоров объемного действия, базирующаяся на системе упрощающих допущений и основных расчетных уравнениях, включающих первый закон термодинамики для тела переменной массы, уравнение массового баланса, уравнение состояния, следствие закона Джоуля для внутренней энергии идеального газа, уравнения расхода газа через клапан и конвективного теплообмена между газом и стенками рабочей камеры.

Обычно процессы конвективного теплообмена между газом и «гладкими» поверхностями стенок рабочей камеры рассчитывают по уравнению Ньютона-Рихма-на, согласно которому элементарное количество тепла, отведенного или подведенного к газу через рассматриваемый участок теплообменной поверхности за интервал времени с?т, определяется выражением

= ау Р]

где ; - текущая температура рабочего газа;

Рр ~ текущие площадь и температура у-го учас-

тка теплообменной поверхности (стенки); а-- текущий осредненный по поверхности /-го участка рабочей камеры коэффициент теплоотдачи, определяемый по одной из рекомендованных эмпирических зависимостей [15].

По-видимому, различие в характере обтекания газом гладкой поверхности и поверхности с микрооребрени-ем, а также возможность возникновения застойных зон между ребрами может привести к существенному различию в расчетных зависимостях, описывающих процесс теплообмена для таких поверхностей. Однако исследования по определению коэффициента теплоотдачи к микрооребренной поверхности рабочей камеры компрессора до настоящего времени не проводились, в связи с чем в качестве первого приближения в рассматриваемой математической модели для определения элементарного количества тепла, отведенного или подведенного через оребренную поверхность, использовалось соотношение

4<2о = ау Ер Ер-

где Ер - коэффициент оребрения рассматриваемого участка рабочей камеры, определяемый для заданной расчетной схемы (см. рис. 1).

Очевидно, что принятое условие (Ху = idem как для гладких, так и для оребренных поверхностей является вынужденным допущением. В соответствии с этим изложенные ниже результаты численного эксперимента носят преимущественно качественный характер. При его проведении варьируемыми режимными параметрами являлись степень повышения давления в ступени, температура поверхности стенок рабочей камеры ступени; варьируемыми конструктивными параметрами - диаметр цилиндра при рекомендуемых величинах [12]

¥ = Sn/Du, где Sn - ход поршня,

и геометрические параметры микрооребрения на стенках рабочей камеры (см. рис. 1).

Основные результаты проведенных расчетов, представленные на рис. 3-5, показывают, что интенсификация теплообмена в рабочей камере ступени поршневого компрессора влияет не только на величину температуры нагнетания, но и на такие важнейшие интег-

t °с

‘Н' ^

227 177 127 77

Рис 3. Влияние степени повышения давления в ступени на ее характеристики и температуру нагнетания:

1 — гладкая поверхность стенки рабочей камеры;

2 — относительная высота ребра А = = 3;

3-И= 10

ральные характеристики, как индикаторный КПД Г]инд и коэффициент подачи X.

Так, анализ результатов расчета, представленных на рис. 3, показывает, что при увеличении в интенсивность роста температуры нагнетания для ступеней с гладкими и оребренными поверхностями одинакова, а снижение X и Т1 инд при наличии микрооребрения происходит более интенсивно, чем при гладких поверхностях стенок рабочей камеры. Последнее объясняется, по-видимому, не только некоторым увеличением мертвого объема за счет появления межреберного пространства, но и увеличением массы газа, остающегося в мертвом объеме, обусловленным ростом его плотности при снижении 1Н.

Из рис. 3 и 4 видно, что относительная высота ребер /гр = йр/5р является определяющим конструктивным параметром микрооребрения. Практически значимое снижение температуры нагнетания происходит при увеличении /гр в интервале 0.. .6 и может составить около 50.. .60 °С, при этом величины X и^Линд снизятся на 4 -5 %; дальнейшее же увеличение /гр, по-видимому, нецелесообразно, так как при этом величина температуры нагнетания практически не изменяется, а интегральные характеристики ступени продолжают заметно ухудшаться.

Анализируя расчетную схему микрооребрения (см. рис. 1), легко заметить, что при неизменном соотношении /гр = можно обеспечить постоянство площади оребренной теплообменной поверхности /‘’р, варьируя /гр. При этом следует учитывать, что большое значение приобретает масштабный фактор

амр“ ^щ/

т.е. соотношение между абсолютной величиной дополнительного мертвого объема в межреберном пространстве и абсолютной величиной описанного объема рабочей камеры. Это выражение удобно записать в виде

*•> Л инд

0,75 0,7

0,65 0,6

0,55

0,5 .

0 2 4 6 1п

t»:c

212

207

202

197

192

1Я7

Рис 5. Влияние масштабного фактора на характеристики ступени с оребренной поверхностью рабочей камеры:

Оц = 0,085 м; ht/S = 4; є = 4; температура всасывания t = 20 °С; t =40 °С

ВС ’ ст

Рис.4. Влияние относительной высоты микрооребрения на характеристики ступени

амр=У25п.

Влияние масштабного фактора на характеристики ступени представлено на рис. 5. Увеличение масштабного фактора до некоторой величины амр* [соответственно уменьшение величины 1п(амр ') до значения ^1(0^* ')] практически не влияет ни на температуру нагнетания, ни на интегральные характеристики ступени, а при амр > а температура нагнетания резко возрастает, а характеристики ступени - падают. Из этого следует, что при малых геометрических размерах ступени объемного действия могут потребоваться специальные конструкторско-технологические решения, позволяющие выполнить микрооребрение с такими величинами параметров /гр и 5р, которые бы удовлетворяли условию амр < амр*.

Проведенные расчеты показали также, что влияние температуры поверхностей стенок камеры при наличии микрооребрения заметнее, чем без него. Так, для рассмотренного поршневого компрессора с /)ц=0,085 м при е = 4, частоте вращения п = 15 с-1 и /вс = 20 °С снижение температуры стенок гладкого цилиндра на 50...60 °С приводит к снижению температуры нагнетаемого газа на 8... 10 °С, а при наличии микрооребрения аналогичное снижение температуры стенки приводит к снижению температуры нагнетания на 15...25 °С. Напротив, при недостаточном охлаждении оребренной стенки рабочей камеры характеристики ступени резко ухудшаются. Например, при температуре стенки около 117 °С температура нагнетания стала даже выше, чем при гладкой поверхности; при этом коэффициент подачи и индикаторный КПД также снизились на 5-7% иб-8% соответственно.

Следует также отметить, что для интенсификации охлаждения рабочего газа в ступени поршневого или роторного компрессора существенное значение имеет компоновка микрооребренной поверхности в рабочей камере: при равных конструктивных параметрах микрооребрения (.Рр, Ар, Ар, Ьр/5р, амр), а также при равных конструктивных и режимных параметрах ступени расчетный анализ разных компоновочных вариантов показал, что изменение величины температуры нагнетаемого газа может составить 10...30 °С.

Таким образом, проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что применение микрооребрения на стенках деталей, формирующих рабочую камеру бессмазочной ступени компрессора объемного действия, оказывает существенное влияние на рабочий процесс в камере из-за интенсификации процессов конвективного теплообмена. При рациональном соотношении определяющих режимных и конструктивных факторов микрооребрение обеспечивает существенное снижение температуры нагнетаемого

газа при незначительном изменении коэффициента подачи и индикаторного КПД, что в целом позволяет повысить эффективность парокомпрессионных холодильных машин в целом.

Список литературы

1. Бабакин Б. С., Шириков О.П., Бабакин С Б. Математическое моделирование процесса маслоотделения от хладагента в холодильных системах // Вестник международной академии холода. 2004. Вып. 1.

2. Бабакин Б. С. Хладагенты, масла, сервис холодильных систем. -Рязань: Узорочье, 2003.

3. Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам/ П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989.

4. Бараненко А.В. и др. Холодильные машины / А.В. Баранен-ко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, И.А. Сакун, Л.С. Тимофеевский. -СПб.: Политехника, 1987.

5. Богданов С.Н. и др. Теоретические основы хладотехники. Теплообмен/С.Н. Богданов, Н.А. Бучко, Э.И. Гуйко. -М.: Агропромиздат, 1986.

6. Горенкова А.В. и др. Фторопласты в машиностроении / А.В. Горенкова, Г.К. Ботков, М.С. Тихонова. — М.: Машиностроение, 1981.

I. Данилова Г.Н. и др. Теплообменные аппараты холодильных

установок / Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов, Н.М. Медникова. -Л.: Машиностроение, 1973.

8. Исаченко В.П. и др. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - Изд. 4, перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981.

9. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. - М.: Энергия, 1977.

10. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах / И.И. Новиков, В.П. Захаренко, Б.С. Ландо - Л.: Машиностроение, 1981.

II. Патент на ПМ 35133 Машина объемного действия. Б 04 В 39/00 / Юша В.Л., ОмГТУ 27.12.2003.

12. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. - М.: Колос, 2000.

13. Система охлаждения компрессоров В^ег // Холодильная техника. 2001. № 4.

14. К вопросу о влиянии охлаждения ступени компрессора объемного действия на его конструктивные и эксплуатационные характеристики / В. Л. Юша, И. А. Январев, Ю.Н. Панин, Д.Г. Новиков, А.А. Гуров, А.В. Юша; ОмГТУ. - Омск, 2001. -10 с. - Деп. в ВИНИТИ 05.10.2001, № 2108 - В2001.

15. Юша В.Л., Новиков Д.Г. Влияние внешнего теплообмена на рабочий процесс компрессоров объемного действия / ОмГТУ -2002. -24 с.—Деп. в ВИНИТИ 11.10.2002 № 1724-В2002.