Математическая модель рабочих процессов во всасывающей системе с несколькими присоединенными емкостями для бытовых холодильных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Вартан Луай М.

• Вартан Луай М.
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вартан Луай М.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ГАЗА ВО ВСАСЫВАЮЩЕЙ СИСТЕМЕ БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНОГО КОМПРЕССОРА.

1.1. Конструкции всасывающих систем поршневых компрессоров.

1.2. Современные методы расчета нестационарного течения реального газа во всасывающих системах поршневых компрессоров.

1.2.1. Классификация применяемых для расчетов моделей.

1.2.2. Акустические модели.

1.2.3. Модели на основе уравнений нестационарной газодинамики.

1.3. Цели и задачи исследований.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ОДНОСТУПЕНЧАТОМ ХОЛОДИЛЬНОМ ПОРШНЕВОМ КОМПРЕССОРЕ С УЧЕТОМ НЕСТАЦИНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ГАЗА ВО ВСАСЫВАЮЩЕЙ СИСТЕМЕ.

2.1. Структура модели компрессора.

2.2. Математическая модель всасывающей системы с присоединенными емкостями.

2.3. Математическая модель ступени компрессора.

2.3.1. Структура модели ступени и основные уравнения для описания изменения параметров газа.

2.3.2. Математическая модель камеры всасывания.

2.3.3. Математическая модель рабочей камеры.

2.3.4. Математическая модель камеры нагнетания.

2.3.5. Математическая модель всасывающего и нагнетательного клапанов.

2.3.6. Метод решения дифференциальных уравнений.

2.4. Математическая модель системы нагнетания.

2.5. Математическая модель уплотнения.

3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ. ПРОВЕРКА МОДЕЛИ НА АДЕКВАТНОСТЬ

3.1. Программная реализация математической модели компрессора с учетом нестационарных процессов во всасывающей системе.

3.2. Численное исследование точности и устойчивости решения. Выбор шага расчета.

3.3.Экспериментальная установка и проверка математической модели всасывающей системы на адекватность.

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ И ОЦЕНКА ЕЕ ВЛИЯНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОГО КОМПРЕССОРА.

4.1. Влияние геометрии всасывающей системы на характер распределения давления.

4.2. Работа всасывающей системы и компрессора с разными хладагентами.

4.3. Влияние параметров всасывающей системы на эффективность работы компрессора.

4.3.1. Исследование влияния длины трубопровода.

4.3.2. Исследование влияния объемов присоединенных емкостей.

4.3.3. Исследование влияния места присоединения второй емкости.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическая модель рабочих процессов во всасывающей системе с несколькими присоединенными емкостями для бытовых холодильных компрессоров»

В последние годы математическое моделирование рабочих процессов в объемных холодильных компрессорах приобрело особое значение в связи с проблемой перехода на озонобезопасные хладоагенты, в частности: для бытовых холодильных компрессоров переход с R12 на R134A. При такой замене увеличивается отношение давлений в цилиндре, что уменьшает производительность и увеличивает температуру нагнетания. Изменение давлений всасывания и нагнетания влечет за собой изменение динамики клапанов, газодинамических характеристик газового тракта. Изменение значений скорости звука хладоагента ведет к изменению шумовых характеристик. Для сохранения холодопроизво-дительности установок требуется увеличить объемную производительность компрессора. Естественно, что все вышесказанное можно реализовать только путем изменения конструкций узлов компрессора, что для большинства производителей крайне нежелательно, так как требует длительных исследований.

Известно, что производительность можно повысить с помощью правильного подбора геометрических параметров всасывающей системы и использования явления акустического наддува. Наличие колебаний давления, вызванные работой клапанов , приводит к добавочным пульсациям скорости газа и возникновению шума. Анализ шума показал, что в спектре присутствуют составляющие частот, которые совпадают с частотой колебаний пластины клапана и резонансными частотами всасывающей системы.

Применение математических моделей дает возможность сократить объем экспериментальных работ для доводки холодильных компрессорах.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности и надежности холодильных компрессорных установок путем настройки параметров всасывающей системы, включая параметры всасывающего клапана, для уменьшения пульсаций давления и повышения производительности компрессора.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-разработать математическую модель всасывающей системы, состоящей из трубопровода с присоединенными емкостями и учитывающую совместное влияние неустановившегося течения газа в канале и динамику клапана, на основе известных моделей ступени поршневого компрессора для сжатия реального газа;

- разработать и проверить алгоритмы для численного решения дифференциальных уравнений математической модели рабочих процессов;

- выполнить проверку адекватности разработанной математической модели;

- выполнить численный эксперимент с целью анализа влияния различных факторов на характеристики компрессора.

Представленная в работе общая математическая модель компрессора включает в себя подмодели, содержащие:

- систему обыкновенных дифференциальных уравнений термодинамики реального газа для описания рабочих термодинамических процессов в камерах компрессора и емкостях, включенных во всасывающую систему;

- дифференциальные уравнения динамики движения запорных органов для описания работы клапанов, которые в зависимости от конструкции могут рассматриваться как системы с одной или несколькими степенями свободы, а также как системы с распределенными параметрами;

- систему дифференциальных уравнений одномерной газовой динамики реального газа для описания процессов изменения параметров газа при неустановившемся течении через сложную всасывающую систему.

Научная новизна выполненной работы заключается:

- в разработке принципов и методики построения математической модели всасывающей системы поршневого компрессора, построенной на основе дифференциальных уравнений термодинамики реального газа и дифференциальных уравнений, описывающих нестационарное одномерное течение газа в трубопроводах и учитывающих динамику клапанов;

- в выборе и обосновании численных методов решения уравнений;

- в разработке математической модели для лепестковых клапанов с пластинами переменной ширины при наличии демпферной пластины.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов подтверждается использованием научно обоснованной структурой математической модели; анализом результатов численного эксперимента по обоснованию примененных численных методов решения уравнений математических моделей, удовлетворительным совпадением результатов расчета с результатами экспериментальных исследований других авторов. Практическаязначимостьобусловливаетсятем, что:

- повышением эффективности всасывающих систем компрессоров путем применения при проектировании разработанной методики расчета нестационарного одномерного течения реального газа с учетом динамики клапанов;

- сокращаются сроки и стоимость доводки всасывающих систем компрессоров путем применения разработанных алгоритма и программы расчета.

Работа состоит из четырех глав. Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и обоснованию выбранного направления исследований. Во второй главе составлена и обоснована математическая модель рабочих процессов в поршневом холодильном компрессоре, сжимающим реальный газ. Третья глава посвящена программной реализации разработанной математической модели, сравнению и интерпретации результатов, полученных расчетным и экспериментальным путем, как для R134a, так и для воздуха. В четвертой проводится численный анализ влияния различных факторов на работу компрессора.

Работа выполнялась по планам госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры «Компрессорная, вакуумная и ходильная техника» Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном семинаре кафедры КВХТ СПбГПУ, на Неделе наки СПбГПУ (2005).

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Вартан Луай М.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1 .Разработана математическая модель рабочих процессов в ступени поршневого компрессора, учитывающая разнообразие конструктивного исполнения ступени, а также изменение параметров реального газа в проточной части одноступенчатого объемного компрессора с учетом динамики клапанов и нестационарного течения газа во всасывающей системе. Выбран и обоснован численный метод решения системы дифференциальных уравнений одномерной газодинамики. Проведена проверка сходимости и точности предлагаемого метода расчета.

2.Результаты выполненных экспериментальных исследований на разработанных стендах с поршневыми компрессорами различных типоразмеров и с различной цикличностью работы при сжатии разных газов (воздух, хладоагенты R12 и R134a) позволяют судить о достаточной адекватности предлагаемой математической модели рабочих процессов с учетом разработанных и примененных методик расчета свойств реальных газов и расчета нестационарного одномерного течения в трубопроводах.

3.Результаты исследований показали, что эффективность работы зависит не только от свойств газа, но и от геометрических параметров всасывающей и нагнетательной системы компрессора и его элементов. При переходе на другую сжимаемую среду рекомендуется использовать предлагаемую методику и программу для анализа и подбора параметров клапана и газового тракта, сохраняя основные параметры базы компрессора.

4.Изучение спектра скорости газа во входном сечении компрессора показывает, что в нем могут присутствовать составляющие, которые определяются как режимом 'флаттера' клапана, так и резонансными явлениями во всасывающей системе. Анализ этих процессов с помощью разработанной модели и программы в ряде случаев позволяет добиться снижение акустического шума на данных частотах путем изменения параметров клапана и всасывающей системы.

5.Результаты анализа позволяют рекомендовать разработанную математическую модель и программу для выбора рациональных параметров всасывающей и нагнетательной систем, а также рациональных параметров клапанов с учетом технических требований конструктора.

6.Разработанная модель и программа используются для проектирования компрессоров и их элементов (всасывающей системы, клапанов) в учебной и научно-исследовательской работе кафедры «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» СПбГПУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вартан Луай М., 2006 год

1. Хрусталев Б.С. Математическое моделирование рабочих процессов -основа для решения задач оптимального проектирования объемных компрессоров// Компрессорная техника и пневматика. 1995. №6-7. с.25-28

2. Перевозчиков М.М. Повышение эффективности объемного одноступенчатого компрессора на основе математической модели процессов при сжатии реальных газов. Дис. на соиск. степ, к.т.н. С.-Пб., СПбГТУ, 1997

3. Воронков С.С. Математическая модель рабочего процесса высокооборотного двухступенчатого поршневого компрессора с учетом нестационарных явлений в коммуникациях. Диссертация на соиск. учен, степ, к.т.н. -Л., ЛПИ, 1982.

4. Воронков С.С.,Прилуцкий И.К. Расчетно-теоретическое исследование рабочих процессов и конструкций узлов и элементов поршневых компрессоров. Отчет ЛПИ им. М.И.Калинина по х/д 306202, Л., 1982.

5. Видякин Ю.А.,Кондратьева Т.Ф.,Петрова Ф.П.,Платонов А.Г. Колебания и вибрации в поршневых компрессорах.-Л.:Машиностроение, 1972.

6. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок.-М.: Машиностроение, 1964.

7. Кондратьева Т.Ф. Влияние компоновки цилиндров в поршневом компрессоре на интенсивность колебаний давления в межступенчатых трубопроводов. Труды III ВНТК по компрессоростроению.-Казань, 1974,с.54-58.

8. Кондратьева Т.Ф. Исследование влияния динамических колебаний давления газа в коммуникациях установок поршневых компрессоров наэкономичность и надежность их работы. Дис. на соиск. учен .степ, д.т.н.-JI.,1970.

9. Хачатурян С. А. Основные причины вызывающие колебания трубопроводов и компрессорных машин // Моделирование газодинамических процессов в трубопроводах нефтепромысловых компрессоров :М., 1980, с. 7-9

10. Васильев В.Д., Платонов А, Г., Фотин Б.С. Повышения надежности работы поршневых установок вследствие снижения пульсации давления газа //Рабочие процессы компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, Труды ЛПИ, N370,Л. ,1980,с. 46-48

11. Jeong-Ho Lee, Kwang Hyup An, In Seop Lee Design of the suction muffler of a reciprocating compressor. International Compressor Engineering Conference, July, 2002, c.11-5

12. C. Svenden Acoustics of suction muffler in reciprocating hermetic compressor.

13. C.J. Deschampsa, F.C. Possamait, E.L.L. Pereira Numerical simulation of pulsating flow in suction mufflers. International Compressor Engineering Conference, July, 2002, c.l 1-4

14. Hironari Akashi, Akio Yagi The Estimation of Compressor Performance Using A Theoretical Analysis of the Gas Flow through the Muffler Combined with Valve Motion. . International Compressor Engineering Conference, July, 2002, c.l 6-2

15. Gabriella Cerrato-Jay, David Lowery, .Investigation of a High Frequency Sound Quality Concern in a Refrigerator and Resulting Compressor Design Study. International Compressor Engineering Conference, July, 2002, c.14-1

16. Перевозчиков M.M. Повышение эффективности объемного одноступенчатого компрессора на основе математической модели процессов при сжатии реальных газов. Дис. на соиск. степ, к.т.н. С.-Пб., СПбГТУ, 1997

17. Антонов Н.М. Разработка многоцелевой математической модели рабочего процесса двухступенчатого поршневого компрессора с учетом реальности газа и анализ его работы. Диссертация на соиск. учен. степ. к.т.н.-Л.,ЛПИ, 1985.

18. Антонов Н.М.,Перевозчиков М.М.,Игнатьев К.М. К вопросу расчета ленточных клапанов с механическим демпфером. Сборник научных трудов.-Воронеж,ВПИ, 1988,с. 102-108.

19. Воронков С.С. Математическая модель рабочего процесса высокооборотного двухступенчатого поршневого компрессора с учетом нестационарных явлений в коммуникациях. Диссертация на соиск. учен, степ, к.т.н. -Л., ЛПИ, 1982.

20. Воронков С.С.,Прилуцкий И.К.,Фотин Б.С. К вопросу задания граничных условий при математичсеком моделировании колебаний давления газа в коммуникациях поршневых компрессоров М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1982.

21. Григорьев А.Е., Пирумов И.Б., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. Исследование течения газа в поршневом компрессоре и его влияние на работу всасывающих клапанов. Тезисы докл.VI ВНТК по компрессоростроению. -Л., 1981.

22. Елагин М.Ю. Повышение эффективности бытовых холодильных машин на основе математического моделирования нестационарных рабочих процессов. Автореферат дис. на соиск. учен. степ. д.т.н.-СПбТИХП, 1993.

23. Перевозчиков М.М.,Прилуцкий И.К.,Антонов Н.М.,Воронков С.С. Расчет двухступенчатого поршневого компрессора с тронковым поршнем. Сборник НИВЦ МГУ N 12.-М. 1987.

24. Пирумов И.Б.,Ребриков В.Д.,Хрусталев Б.С.,Фотин Б.С. Оценка взаимного влияния клапанов и коммуникаций поршневых компрессоров. Влияние впрыска жидкости на рабочий процесс объемного компрессора.Отчет ЛПИ им.М.И.Калинина по х.д.3540,-Л., 1979.

25. Brablik J. Gas pulsations as factor affecting operation of automatic valves in reciprocating compressors. Proc. of International Compressor Engineering Conference at Purdue, 1972.

26. MacLaren J.F.T., Tramschek A.B. Prediction of valve behavior with pulsating flow in reciprocating compressors. Proc. of International Compressor Engineering Conference at Purdue, USA, 1972.

27. MacLaren J.F.T., Tramschek A.B.,Kerr S.V. and Sanjines O.A. A model of single stage reciprocating gas compressor accounting for flow pulsations. Proc. of International Compressor Engineering Conference at Purdue, USA, 1974.

28. Liu Z., Soedel W. Using a Gas Dynamic Model to Predict the Supercharging Phenomenon a Variable Speed Compressor. Proc. of International Compressor Engineering Conference at Purdue, USA, pp.491-497, 1994.

29. Soedel W. Mechanics, Simulation and Design of Compressor Valves, Gas Passages and Pulsation Mufflers,"Short Course Notes, Purdue University, USA, 1992.

30. Perez-Segarra C.D. Escanes F., Oliva А/ Numerical Study of the Thermal and Fluid-Dynamic Behavior of Reciprocating Compressors/ Proc. of International Compressor Engineering Conference at Purdue, USA, pp. 145-150, 1994.

31. Ригола X., Перец-Сегарра С.Д., Олива А. и др. Параметрическое исследование герметичных поршневых компрессоров. Детальный цифровой анализ и экспериментальное подтверждение. // Компрессорная техника и пневматика. 2004. №2. С.27-34

32. Possamai F.C., Fagotti F. Application of computational fluid dynamics in reciprocating compressor desing, Proc. of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 11-16, New York

33. Хрусталев Б.С. Расширение возможностей программы "SIMCOP" для оценки качества рабочих процессов в поршневых компрессорах на стадии проектирования//Химическое и нефтяное машиностроение., 11. с.64-67

34. Калиткин Н.Н. Численные методы., "Наука", М., 1978, с.512

35. Исаков В.П., Хрусталев Б.С. Самодействующие клапаны поршневыхкомпрессоров для различных областей применения//Химическое и нефтяноемашиностроение, 1995, №11,с.67-70