Повышение эффективности регулирования производительности холодильного винтового компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Ануфриев, Александр Владимирович

• Ануфриев, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ануфриев, Александр Владимирович

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Способы и схемы регулирования производительности современных винтовых компрессоров.

1.2 Основные уравнения газодинамики двухфазных потоков.

1.2.1 Уравнение расхода.

1.2.2 Уравнение движения частиц.

1.2.3 Уравнение движения газа.

1.2.4 Уравнение энергии.

1.2.5 Уравнение теплообмена между частицей и газом.

1.3 Рабочие процессы и математические модели компрессоров объемного принципа действия, работающих на парогазожидкостных смесях.

1.4 Элементы теории гомогенного течения применительно к описанию рабочего процесса винтового маслозаполпенного компрессора.

1.5 Расчет массообмена в объемных компрессорах с двухфазным рабочим телом.

1.6 Движение фаз в роторных компрессорах при сжатии газожидкостных смесей.

Глава 2. Математическое моделирование рабочего процесса винтового маслозаполненного компрессора.

2.1 Моделирование технических систем.

2.2 Исходные данные для моделирования винтового компрессора.

2.3 Математическое описание физических процессов винтового маслозаполненного компрессора.

2.4 Алгоритм расчета процесса сжатия винтового маслозаполненного компрессора на основе математического описания физических процессов, происходящих в его рабочей полости.

2.4.1 Задание типа рабочего вещества и параметров термодинамического цикла.

2.4.2 Задание геометрических параметров рабочих органов компрессора

2.4.3 Задание марки и свойств смазочного масла.

2.4.4 Определение параметров рабочего вещества в начальный момент процесса сжатия.

2.4.5 Геометрический смысл метода Рунге-Кутта при решении линейных дифференциальных уравнений I порядка.

2.4.6 Вычисление параметров рабочего вещества в процессе сжатия

2.4.7 Дополнительные затраты мощности в течение рабочего процесса компрессора.

2.4.8 Описание межфазного теплообмена в течение рабочего процесса.

2.4.9 Определение величины внутренних протечек.

2.4. ЮЭнергетические характеристики компрессора.

Глава 3. Рабочие процессы винтового компрессора с регулируемой объемной производительностью.

3.1 Конструктивная схема регулятора производительности.

3.2 Определение закона изменения площади проходного сечения перепускного окна.

3.3 Математическое описание рабочего процесса на фазе регулирования производительности.

Глава 4. Численные эксперименты с математическими моделями.

4.1 Сравнение различных способов регулирования производительности компрессоров.

4.2 Влияние внешней степени повышения давления на эффективность регулирования производительности золотниковым способом.

4.3 Коэффициент полезного действия винтового компрессора при работе с неполной производительностью.

4.4 Влияние типа хладагента на энергетический эффект от использования золотника измененной конструкции.

4.5 Холодильный коэффициент при работе с неполной производительностью

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности регулирования производительности холодильного винтового компрессора»

Объемные компрессоры широко применяются для сжатия дфухфазных газожидкостных смесей, поскольку обладают более высокими энергетическими показателями и лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с "сухими" аналогами. Наличие жидкой фазы в сжимаемом газе объясняется особенностями протекания технологического процесса в ряде производств, а также намеренной подачей жидкости в компрессор для улучшения его рабочего процесса. В частности, в холодильной технике для комплектации серийных агрегатов и машин достаточно давно используются маслозаполненные компрессоры. Использование впрыска жидкости, в основном масла, в винтовые компрессоры привело к существенному изменению конструкции компрессоров и выделению их в особый класс маслозаполненных машин, применяемых для сжатия разнообразных газов не только в холодильной технике, но и в других отраслях промышленности. В целях повышения безопасности, надежности и экономичности рассматривается, кроме подачи масла, впрыск других смазочно-охлаждающих жидкостей, например воды в воздушные компрессоры или хладагента - при использовании винтовых компрессоров в циклах холодильных машин (цикл с экономайзером).

Впрыскиванием жидкости в компрессор одновременно решают задачи охлаждения сжимаемого газа, уплотнения щелевых зазоров, характерных для роторных объемных компрессоров, и смазки поверхностей трения. При этом, с одной стороны, происходит повышение производительности компрессора в основном вследствие лучшего уплотнения рабочих полостей и уменьшение мощности сжатия благодаря снижению показателя политропы. С другой стороны, накапливание жидкости на стенках приводит к повышению потерь мощности на трение роторов о газожидкостную смесь и на прокачку жидкости через компрессор.

Возникающие в результате этого потери мощности могут превзойти положительный эффект и снизить КПД компрессора. Кроме того, из-за наличия жидкой фазы могут увеличиться потери давления в процессах всасывания и нагнетания.

Ввиду широкого применения в холодильной технике винтовых маслозаполненных компрессоров является актуальной разработка мер по повышению эффективности их работы. Одним из достоинств винтовых компрессоров является возможность плавного регулирования их холодопроизводительности. Вместе с тем, эффективность работы ВМК при уменьшении производительности снижается. Это происходит, главным образом, вследствие уменьшения геометрической степени сжатия компрессора при снижении производительности. При движении золотника от торца всасывания к торцу нагнетания сокращается эффективная длина винтов, что ведет к уменьшению геометрической степени сжатия сг, которая зависит от соотношения между объемом парной полости и заполненным объемом. Уменьшение сг влечет за собой понижение внутренней степени повышения давления жа, так как ла =/(сг). Вследствие того, что внешняя степень повышения давления при этом остается постоянной, уменьшение жа приводит к увеличению потерь, связанных с несоответствием внутренней и внешней степеней повышения давления.

При работе компрессора с неполной производительностью между неподвижным корпусом и кромкой золотника образуется щель, через которую часть рабочего вещества выталкивается в камеру всасывания, на это затрачивается дополнительная работа, из-за чего также ухудшается энергетическая эффективность машины.

Кроме того, при уменьшении производительности растет относительная величина протечек, что ухудшает КПД компрессора.

Одним из направлений сокращения энергетических потерь является создание регулятора с изменяющейся геометрической степенью сжатия. Это достигается изменением конфигурации окна нагнетания в зависимости от степени регулирования производительности.

Второе направление работ по повышению эффективности ВМК при регулировании производительности - уменьшение газодинамических потерь при выталкивании рабочего вещества из парных полостей во всасывающую камеру компрессора.

Целью данной диссертационной работы является накопление и обобщение научных материалов, посвященных компрессорам объемного принципа действия с двухфазным рабочим телом и регулированию их производительности, математическое моделирование термогазодинамических процессов в рабочей полости винтового маслозаполненного компрессора при работе с полной и частичной производительностью при регулировании золотниковым способом, разработка компьютерных программ, позволяющих проводить теоретические эксперименты и осуществлять анализ эффективности работы винтового компрессора в составе холодильных систем при различных внешних температурных условиях и тепловых нагрузках, а также на разных холодильных агентах. Проверка адекватности полученных результатов осуществляется на основе экспериментальных исследований [22], проведенных на кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. Объектом экспериментального исследования являлся холодильный винтовой маслозаполпенный компрессор ВХ-130, работающий на хладоне 1122 в составе экспериментального стенда типа "газовое кольцо", позволяющего изменять давления всасывания и нагнетания в широком диапазоне и тем самым моделировать переменные внешние условия работы холодильной машины.

Кроме этого, рассматривается вопрос повышения энергетической эффективности винтового компрессора при работе с неполной производительностью за счет применения золотника регулятора с измененной конфигурацией кромок со стороны всасывания. В отличие от стандартного золотника, кромки которого расположены перпендикулярно продольной оси компрессора, кромки измененного золотника выполнены под углами, равными углам наклона винтовых линий соответствующих винтов.

Научная новизна работы заключается в разработке математического описания рабочих процессов, происходящих в винтовом компрессоре при регулировании его объемной производительности, создании компьютерных программ на основе принятой математической модели, позволяющих рассчитывать рабочие параметры винтового компрессора в широком диапазоне плавного изменения объемной производительности. Проведено исследование влияния газодинамических сопротивлений при перепуске пара во всасывающую камеру в процессе регулирования на эффективность компрессора при фиксированной геометрической степени сжатия.

Внедрение результатов работы производилось в научно-производственной фирме "ЭНТЕХМАШ" (г. Санкт-Петербург) при оценке эффективности функционирования винтовых компрессоров в составе холодильных систем при производстве проектных работ и при технической диагностике уже существующих объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель холодильного винтового компрессора с регулируемой объемной производительностью;

- формальный аппарат описания рабочих процессов винтового компрессора при регулировании производительности;

- результаты расчетных исследований, показывающие основные эффекты внедрения золотника измененной конструкции без одновременного регулирования геометрической степени сжатия: увеличение индикаторного КПД, расширение диапазона регулирования объемной производительности.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Международной научно-технической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»,

Санкт-Петербург, 2003 г.; на ежегодных научно-технических конференциях СПбГУЫиПТ.

Основной материал диссертации опубликован в четырех печатных работах, среди которых две статьи и два тезиса докладов.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов (глав), выводов по работе, списка литературы, включающего 48 наименований, и приложений. Работа изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 1 таблицу, 12 страниц приложений.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Ануфриев, Александр Владимирович

115 Выводы

В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы: Разработанная математическая модель винтового компрессора позволила провести сравнительный анализ расчетных данных, полученных по разработанным моделям, и результатов экспериментальных исследований, который показал, что полученные модели удовлетворительно подходят для теоретических расчетов внутренних процессов винтовых маслозаполненных компрессоров с регулируемой объемной производительностью. Наблюдается как качественное, так и количественное совпадение расчетных и экспериментальных характеристик. Количественное расхождение не превышает 5% при оценке индикаторной мощности и коэффициента полезного действия при работе с неполной производительностью.

Относительная индикаторная мощность при работе с неполной производительностью наиболее значительно снижается на режимах с высокими температурами кипения и низкими температурами конденсации при фиксированной геометрической степени сжатия. Сравнение зологникового регулирования и регулирования дросселированием на всасывании показало, что при уменьшении температуры кипения эффективность золотникового регулирования увеличивается, но менее интенсивно, чем при дросселировании на всасывании.

Использование золотника с кромками, расположенными под углами равным углам наклона винтовой линии соответствующих винтов, позволяет повысить КПД компрессора при регулировании производительности на 2 - 8 % в зависимости от режима. При этом наибольший эффект наблюдается при работе на режимах с невысокими значениями внешней степени повышения давления.

Применение регулирования геометрической степени сжатия совместно с регулированием объемной производительности измененным золотником позволяет повысить индикаторный КПД на 5 - 20%. При использовании золотника измененной конструкции возможно плавное регулировании производительности в диапазоне 80-100 % от полной в отличие от золотника стандартной конструкции, при регулировании которым максимальная частичная производительность составляет 80%.

Наибольший выигрыш в КПД при использовании измененного золотника достигается при использовании хладагентов с большими значениями коэффициента кинематической вязкости.

117

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ануфриев, Александр Владимирович, 2005 год

1. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова Л.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. СПб: СПбГЛХПТ, 1999. -320 с. .

2. Беженцев И.С., Ибраев A.M., Чекушкин Г.Н. Рабочие процессы в камерах роторных компрессоров при сжатии парогазожидкостных смесей // Известия вузов. Машиностроение. 1988. - № 3. - С. 62 - 66.

3. Венедиктов В.Д. Турбины и реактивные сопла на двухфазных потоках. -М.: Машиностроение, 1969. 196 с.

4. Верный A.JI. Исследование и методика расчета винтового масло-заполненного компрессора для гелиевых криогенных установок: Атореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Казань, 1979. - 24 с.

5. Визгалов C.B., Ибраев A.M., Мифтахов A.A. Математическое моделирование рабочего процесса шестеренчатого компрессора с двухфазным рабочим веществом // Вестник МАХ, 2001, вып. 4. С. 8 -12.

6. Визгалов C.B., Ибраев A.M., Мифтахов A.A. Движение фаз в роторных компрессорах при сжатии газожидкостных смесей. Компрессорная техника и пневматика. 1997. № 14- 15.-С. 30-35.

7. Дымов B.C. Язык программирования Фортран. М.: Майор, 2003. - 192 с. - (Серия книг "Мой компьютер").

8. Калугин Г.Н. Винтовые компрессоры с подачей жидкости в рабочую полость. Краснодар: изд. КПИ, 1984. - 116 с.

9. Левенцов A.A. Особенности процесса сжатия в холодильном винтовом маслозаполненном компрессоре с впрыском жидкого рабочего вещества: Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. СПб, 1999.

10. Микеров Л.В. Сжатый воздух от компании "Gardner Denver" // Компрессорная техника и пневматика. 2001. № 10. С. 18 - 20.

11. Мифтахов Л.Д., Хисамеев И.Г., Куприянов А.Н., Миронов В.Н. Винтовые маслозаполненные компрессоры для сжатия попутного нефтяного газа и углеводородных газов в нефтяных и нефтехимических производствах // Вестник МАХ, 2001, вып. 4. С. 5 - 7.

12. Носков А.Н., Сакун И.А., Пекарев В.И. Исследование рабочего процесса холодильного винтового компрессора сухого сжатия // Холодильная техника. 1985. - № 6. - С. 20 - 24.

13. Носков А.Н. Расчет процесса сжатия холодильного винтового компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 1997. № 14 - 15. -С. 35-39.

14. Носков А.Н. Повышение эффективности холодильных винтовых компрессоров на основе совершенствования геометрии винтов и способов регулирования производительности: Атореф. дис. на соиск. ученой степени докт. техн. наук. СПб, 2001. - 32 с.

15. Пекарев В.И. Исследование работы винтового холодильного компрессора в режимах паровых холодильных машин: Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. — JI., 1969.

16. Пекарев В.И., Ануфриев A.B. Исследование процесса сжатия холодильного винтового компрессора с регулируемой производительностью // Турбины и компрессоры. 2004. - № 3, 4 (28, 29). -С. 22-27.

17. Пекарев В.И., Ведайко В.И., Носков А.Н. Экспериментальное исследование процесса всасывания холодильного винтового компрессора сухого сжатия с ассиметричным профилем зубьев // Известия вузов. Машиностроение, 1989. -№11.-С. 58-62.

18. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: ВО "Агропромиздат", 1987.-271 с.

19. Пластшшн П.И., Щерба В.Е. Рабочие процессы объемных компрессоров со впрыском жидкости. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1996, т.5.

20. Повышение эффективности работы холодильного винтового компрессора при регулировании производительности. Л.: ЛТИХП. Отчет о НИР по теме 948, № гос. регистрации 01900049636.

21. Ретц Герман. Применение малых винтовых компрессоров в коммерческих и малых промышленных холодильных установках // Холодильный бизнес. 2002. №6. - С. 20 - 24.

22. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Л.: Машиностроение, 1970.-400 с.

23. Сапожников В.Б. Винтовые компрессоры фирмы "Вкгег" серии СБ -новый этап в технике холодильного компрессоростроения // Компрессорная техника и пневматика. 2001. № 8. - С. 12 - 13.

24. Тимченко Е.Л. Исследование охлаждающих систем холодильников, оборудованных винтовыми компрессорами: Атореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Одесса, 1977. - 23 с.

25. Титов И.Е., Щерба В.Е., Березин И.С. Математическая модель рабочего цикла компрессора с катящимся ротором со впрыском жидкости // Известия вузов. Энергетика 1991. - № 11. - С. 78 - 86.

26. Тишин В.Б., Сабуров А.Г., Жариков А.Н. Механика жидкости и газа: Текст лекций. СПб: СПбГАХПТ, 1999. - 108 с.

27. Филиппов И.В. Математическая модель винтового маслозаполненного компрессора // Труды МГТУ. № 574. Математическое моделирование сложных технических систем. 1999. С. 80 - 87.

28. Филиппов И.В. Ударные волны в винтовых маслозаполненных компрессорах // Известия вузов. Машиностроение. 1995. - № 1-3. - С. 26 -32.

29. Филиппов И.В. Работа винтовых компрессоров прн переменных параметрах газа во всасывающем и нагнетательном трубопроводах // Известия вузов. Горный журнал 1989. - № 2. - С. 109 - 112.

30. Хисамеев И.Г., Максимов В.А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры: Теория, расчет и проектирование. Казань: Фэн, 2000. -638 е., ил. Библ. 121

31. Холодильные компрессоры / A.B. Быков, Э.М. Безанишвили, И.М. Калнинь и др. / Под ред. A.B. Быкова. М.: Колос, 1992. - 304 с.

32. Холодильные машины: Учебник / Под общ. ред. JI.C. Тимофеевского. -СПб.: Политехника, 1997.-992с.

33. Цветков О.Б. Холодильные агенты: Монография. 2-е изд., перераб. и доп.- СПб.: СПбГУНиПТ, 2004. 216 с.

34. Цветков С. Винтовые компрессоры "TRANE" // Холодильная техника. 1998.-№2.-С. 14-15.

35. Чекушкин Г.Н., Ибраев A.M., Беженцев И.С. Движение аэрозолей в роторных компрессорах // Повышение эффективности холодильных машин и термотрансформаторов: Межвуз. сб. науч. тр. JI.: ЛТИХП, 1986.- С. 73 77.

36. Шарапов И.И., Ибраев A.M., Мифтахов A.A., Приданцев A.C., Визгалов C.B. Исследование теплообмена в шестеренчатом компрессоре с внешним дожатием // Холодильная техника. 2001. № 9. С. 8 - 10.

37. Шелест В.Д. Программирование. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 592 е.: ил.

38. A.C. 1691558 СССР, МКИ F 04 С 18/16. Винтовой компрессор / Носков А.Н., Алексеев А.П., Пекарев В.И., Ведайко В.И. 1991. Бюл. № 42.

39. Erwin R. Moderne Steuerungsconzepte steigern den Kompressorwirkungsgrad // Maschinenmarkt. 2000.-106, N10. P. 61 - 67.

40. Schein C., Radermacher R. Scroll compressor simulation model // Trans. ASME. J. Eng. Gas Turbines and Power. 2001. 123, N1. - P. 47 - 56.

41. Ulrich A. Optimale Verdichterantriebe: Vorteile durch Frequenzstellung und Softstart // Kälte und Klimatechn. 1999.-52, N10. P. 29 - 34.

42. Gas actuated slide valve in a screw compressor: Пат. 5509273 США МКИ6 F 25 В 49/02 /Lakowske Rodney L., ./

43. Inneres Volumenverhältnis fur Shraubenverdichter: Заявка 19512950 Германия МКИ6 F 04 С 29/10 /Neuwirth Ottomar, ./