Разработка и исследование роторного холодильного компрессора с секторными поршнями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Борисенко Артем Витальевич

• Борисенко Артем Витальевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Борисенко Артем Витальевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задач исследования

1.1. Анализ современных конструкций объёмных компрессоров, применяемых в холодильной технике

1.2. Схема и принцип работы роторного компрессора с секторными поршнями

1.3. Формулировка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. Разработка математической модели и методики определения

характеристик роторного компрессора с секторными поршнями

2.1. Разработка математической модели рабочих процессов в роторном компрессоре с секторными поршнями

2.1.1. Определение зависимости объёма рабочей полости от угла поворота ротора

2.1.2. Выделение контрольного объёма и описание факторов, влияющих на моделируемые процессы

2.1.3. Математическая модель процессов в рабочей полости компрессора

2.1.4. Алгоритм численного метода решения модели

2.1.5. Расчётные показатели эффективности компрессора

2.2. Потери мощности от неравновесного регенеративного теплообмена

2.2.1. Актуальность проблемы потерь при неравновесном теплообмене

2.2.2. Анализ причин возникновения потерь

2.2.3. Методика расчёта потерь от неравновесного теплообмена

ГЛАВА 3. Экспериментальная верификация математической модели и

методики определения характеристик компрессора

3.1. Описание экспериментального стенда

3.1.1. Описание конструкции экспериментального образца компрессора

3.1.2. Описание основных элементов испытательного стенда

3.1.3. Описание измерительного оборудования

3.2. Определение зависимости потерь мощности на трение от частоты вращения ротора

3.2.1. Аналитическое описание зависимости потерь мощности на трение от частоты вращения ротора

3.2.2. Экспериментальное определение зависимости потерь мощности на трение от частоты вращения ротора

3.3. Определение эквивалентных торцевых и радиальных зазоров в экспериментальном образце компрессора

3.3.1. Аналитическое описание зависимости величины утечек и перетечек рабочего тела от эквивалентных зазоров

3.3.2. Экспериментальное определение эквивалентных торцевых и радиальных зазоров

3.4. Верификация математической модели

3.4.1. Экспериментальное определение показателей эффективности компрессора

3.4.2. Оценка адекватности математической модели и методики определения характеристик компрессора

ГЛАВА 4. Экстраполяционное исследование роторного компрессора с секторными поршнями с технологически обоснованными конструктивными параметрами

4.1. Определение показателей эффективности воздушного компрессора

4.2. Определение показателей эффективности холодильного компрессора

ГЛАВА 5. Рекомендации по повышению эффективности и

предпочтительному применению роторного компрессора с секторными поршнями

5.1. Пути совершенствования конструкции

5.1.1. Снижение потерь от утечек и перетечек газа

5.1.2. Снижение потерь мощности на трение

5.1.3. Применение системы охлаждения

5.2. Рекомендации по предпочтительному применению компрессора

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения

а - высота поршня, м;

Ь - длина поршня, м;

с - удельная теплоёмкость, Дж/кг-К;

Dср - средний диаметр рабочей полости, м;

dэ - эквивалентный диаметр, м;

е - эксцентриситет, м;

F - площадь теплообмена, м2;

f - площадь зазора, м2.

G - массовый расход, кг/с;

h - удельная энтальпия, Дж/кг;

k - показатель адиабаты;

к - коэффициент теплопередачи через ¡-ю поверхность (стенку), Вт/м •К;

L - работа, Дж;

I - удельная работа, Дж/кг;

М - масса, кг;

т - число поршней;

Ыинд - индикаторная мощность, Вт;

Ые - эффективная мощность, Вт;

N - мощность сжатия в изоэнтропном компрессоре, Вт;

п - частота вращения ротора, с-1;

р - абсолютное давление, Па;

Q - количество теплоты, Дж;

Rг - газовая постоянная, Дж/кг-К;

5 - энтропия, Дж/К;

Т - абсолютная температура, К;

и - внутренняя энергия, Дж; V- объём, м ;

3

Vh - описанный объём, м /с; а - угловая ширина рабочего объёма, град;

2

аI - коэффициент теплоотдачи на г-й поверхности,

Вт/м-К;

у - угловая ширина поршня, град;

8 - ширина зазора, м;

в - приведённый эксцентриситет;

вг - геометрическая степень сжатия;

вх - холодильный коэффициент;

Пиз - изотермический КПД;

Циз.инд - индикаторный изотермический КПД;

Цэ - изоэнтропный КПД;

Ця.шд - индикаторный изоэнтропный КПД;

- степень термодинамического совершенства; в - угол поворота ротора (вала), град;

X - коэффициент подачи;

- коэффициент теплопроводности г-го вещества (тела), Вт/м-К; ¡л - динамическая вязкость, Па-с;

£ - коэффициент сжимаемости;

пк - внешняя степень повышения давления

3

р - плотность, кг/м ; т - время, с;

Ф - угол поворота рабочего объёма, град; ш - угловая скорость, рад/с;

Индексы

вс - всасывание; Г - гильза;

г - газ;

н - нагнетание; наг - нагрев. ос - окружающая среда; ох - охлаждение; П - поршень;

п1 - перетечки в переднюю полость;

п2 - перетечки в заднюю полость;

Т - торец;

ут - утечки;

max - максимальный;

min - минимальный;

Аббревиатуры

АСД - асинхронный электродвигатель; ВМТ - верхняя мёртвая точка; ДУ - дифференциальное уравнение; КПД - коэффициент полезного действия; НМТ - нижняя мёртвая точка; НРТ - неравновесный регенеративный теплообмен; ПЧВ - преобразователь частоты векторный; РКСП - роторный компрессор с секторными поршнями; RSSVR - rotating sleeve single vane rotary compressor (однопластинчатый роторный компрессор с вращающейся гильзой);

RSMVR - rotating sleeve multi vane rotary compressor (многопластинчатый роторный компрессор с вращающейся гильзой.

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность работы холодильных машин во многом зависит от эффективности и надёжности работы компрессора в их составе. Компрессоры являются основными потребителями электроэнергии в подавляющем большинстве типов холодильных и криогенных машин. Повышение эффективности их работы особенно актуально для холодильных машин малой и средней холодопроизводительности. Такие холодильные машины являются самым массовым видом подобной продукции, но на сегодня они имеют очень низкую степень совершенства, их эксергетический КПД составляет от 10 до 20 %.

Компрессоры относятся к массовым видам продукции и находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В зависимости от уровня развития промышленности страны, на компримирование газов расходуется от 15 % до 40 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Каждый тип компрессора имеет предпочтительную область эффективного его применения.

Современные поршневые компрессоры сегодня во многом достигли предела своего совершенства, поэтому, с учётом недостатков, присущих этому типу машин (неуравновешенность механизма, повышенная вибрация и шум, неравномерность подачи газа, наличие клапанов и т.д.), не следует ожидать значительного роста эффективности компрессоров данного типа. Центробежные и осевые машины в силу своей уравновешенности и отсутствия значительных гидравлических сопротивлений эффективны при больших производительностях, но уступают другим типам машин по степени повышения давления и имеют низкую эффективность при малых производительностях.

Роторные компрессоры, являясь объёмными машинами, объединяют преимущества поршневых и динамических компрессоров: уравновешенность, отсутствие клапанов, компактность, имеют большую (по сравнению с центробежными и осевыми машинами) степень повышения давления в одной ступени. Поэтому в настоящее время наиболее актуален путь разработки и вывода

на рынок холодильных компрессоров инновационных, нетрадиционных конструкций.

В отечественном компрессоростроении за последние годы по различным причинам прошло критическое снижение выпуска готовой продукции [1]. Официальная статистика РФ свидетельствует о полном прекращении выпуска герметичных холодильных компрессоров для бытовых холодильников и значительном снижении выпуска компрессоров средней и большой холодопроизводительности.

В связи с этим для отечественной промышленности более актуален путь разработки и вывода на рынок компрессоров инновационных, нетрадиционных конструкций, примером которых может служить роторный компрессор с секторными поршнями (РКСП), известный как «компрессор Астановского» [2, 3]. Компрессор предлагаемой конструкции, являясь роторной машиной, во многом объединяет достоинства этих двух типов компрессоров за счёт уравновешенности, отсутствия возвратно-поступательного движения, компактности, отсутствия клапанов и т.п. В работе представлены результаты экспериментального и численного исследования перспективного роторного компрессора с секторными поршнями, который может найти применение в бытовых и полупромышленных холодильных машинах. Разработка и организация производства холодильных машин на базе предлагаемой инновационной конструкции компрессора могло бы повысить показатели энергетической эффективности отечественных холодильников и обеспечило бы коммерческие предпосылки для роста этого сектора компрессоростроения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование роторного холодильного компрессора с секторными поршнями»

Цель работы:

Создание нового типа роторного компрессора - с секторными поршнями, его исследование с целью повышения эффективности и изучения возможности применения в бытовых и полупромышленных холодильных и компрессорных установках.

Основные задачи:

1. Разработка математической модели процессов, происходящих в рабочей полости РКСП и методика определения на её основе расчётных показателей эффективности холодильных машин с компрессором подобного типа.

2. Разработка и изготовление экспериментального образца РКСП и испытательного стенда для натурного исследования его характеристик.

3. Проведение серии экспериментов по определению показателей эффективности экспериментального образца компрессора в зависимости от режимов его работы, оценка адекватности созданной математической модели реальным физическим процессам в машине.

4. Проведение на базе разработанной и верифицированной математической модели вычислительного эксперимента по определению показателей эффективности РКСП на различных рабочих телах (воздух и хладагент R134a) и оценка области эффективного применения его в холодильных машинах.

5. Исследование потерь мощности от неравновесного регенеративного теплообмена газа со стенками рабочей полости в компрессорах на примере РКСП с использованием метода энтропийного анализа.

6. Анализ и обобщение полученных результатов, сравнение их с имеющимися данными и формирование практических рекомендаций по улучшению характеристик и практическому применению РКСП.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процессов, протекающих в рабочей полости нового типа роторного компрессора, и методика расчёта и исследования рабочих параметров и показателей эффективности как самого компрессора, так и холодильной машины на его базе.

2. Разработан алгоритм решения математической модели и компьютерная программа, позволяющая моделировать рабочие процессы в РКСП.

3. Получены и аналитически обработаны экспериментальные зависимости коэффициента подачи и КПД опытного образца компрессора от режимных параметров (частоты вращения ротора и степени повышения давления), которые

существенно влияют на объемную подачу подобных машин.

4. Впервые описан процесс формирования потерь от неравновесного регенеративного теплообмена в компрессорах с негармоническими колебаниями температуры в процессе сжатия, и методом энтропийного анализа рассчитаны потери, связанные только с влиянием данного фактора.

Практическая значимость:

1. Создан экспериментальный образец компрессора нового типа, сочетающий роторный привод с достоинствами поршневого принципа сжатия, и стенд для его испытания.

2. Результаты экспериментального исследования опытного образца нового типа роторного компрессора - с секторными поршнями.

3. Выполнено исследование на верифицированной модели РКСП значений коэффициента подачи и КПД подобного компрессора:

- при работе на воздухе при частотах вращения ротора от 200 до 550 мин-1 и при степенях повышения давления от 2 до 3;

- при работе на хладагенте R134a при частотах вращения ротора от 300 до 500 мин-1 и при степенях повышения давления от 3,5 до 7,6, что соответствует температурам кипения от минус 20 до 0 °С.

4. Вычислительный эксперимент показал возможность эффективного применения подобных компрессоров в составе холодильных машин малой и средней холодопроизводительности и в составе компрессорных установок.

5. На основании натурных испытаний и компьютерного моделирования были выработаны рекомендации по эффективному применению подобных компрессоров в холодильной и газовой отраслях.

Внедрение результатов работы:

Результаты работы применены в ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ».

Созданный экспериментальный стенд внедрён в учебный процесс кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана для проведения лабораторных работ по курсу «Низкотемпературные объёмные машины».

Достоверность и обоснованность полученных результатов:

Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных измерительных приборов и апробированных методик измерения. Основные уравнения, используемые в математической модели, базируются только на фундаментальных законах термодинамики. Численное решение математической модели выполнено методом Рунге - Кутты четвёртого порядка, реализованным на ЭВМ. Результаты численного моделирования (погрешность которых не более ± 3,6 %) хорошо согласуются с результатами экспериментального исследования опытного образца РКСП (погрешность экспериментов не превышала 9,1 %).

На защиту выносятся:

1. Разработанная математическая модель и метод оценки эффективности РКСП при переменных внешних параметрах: частоты вращения ротора, степени повышения давления, свойств рабочих тел, технологических параметров конструкции и т.д.

2. Результаты натурного исследования экспериментального образца РКСП на воздухе и результаты верификации математической модели на основе этого исследования.

3. Результаты вычислительного эксперимента по определению коэффициента подачи, КПД, потерь мощности от неравновесного регенеративного теплообмена в РКСП на воздухе и хладагенте R134a при технологически обоснованных значениях допусков на детали конструкции и механического КПД.

4. Рекомендации по повышению эффективности бытовых холодильников и компрессорных установок за счёт внедрения РКСП и предложения по дальнейшему совершенствованию конструкции подобных компрессоров.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на:

- IX Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России» (Москва, 2016);

- научно-практической конференции «Школа молодых ученых имени профессора И.М. Калниня» (Москва, 2017);

- научно-практической конференции с международным участием «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Москва, 2018);

Личный вклад автора. Автор лично сконструировал и участвовал в изготовлении опытного образца РКСП, спроектировал и собрал экспериментальный стенд для исследования характеристик компрессора, и провел все испытания. Автором также была разработана математическая модель и алгоритм расчёта процессов в рабочей полости компрессора, обобщены полученные результаты, написаны и опубликованы статьи по теме диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения, списка литературы, приложения и содержит 175 страниц текста, 71 рисунок, 12 таблиц и список литературы из 104 наименований.

Первая глава носит обзорно-постановочный характер и состоит из трёх разделов. В разделе 1.1 описаны современные области применения объёмных компрессоров, отмечена роль компрессоров в холодильной технике. Проведён сравнительный анализ различных типов холодильных объёмных машин. Проанализированы достоинства и недостатки поршневых и роторных компрессоров: винтовых, спиральных, роторно-поршневых (эпитрохоидных) и т.п. Рассмотрены различные варианты конструкций и проанализированы характеристики роторно-пластинчатого компрессора. В разделе 1.2 представлена перспективная схема и описан принцип работы роторного холодильного компрессора с секторными поршнями (РКСП), встречающегося в публикациях как «компрессор Астановского». Особенностью данной конструкции является сочетание поршневого принципа сжатия рабочего тела с роторным типом привода при отсутствии радиального возвратно-

поступательного движения поршней. Отмечены ожидаемые достоинства РКСП. В разделе 1.3 на основании проведённого литературного обзора подтверждена актуальность цели и сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель и методика определения характеристик роторного холодильного компрессора с секторными поршнями. Раздел 2.1 посвящён созданию математической модели процессов, протекающих в РКСП. Для этого выведена зависимость объёма рабочей полости от угла поворота ротора, выделен контрольный объём, выбраны факторы, влияющие на моделируемые процессы, описаны принятые допущения. Создана математическая модель, описана методика численного решения системы дифференциальных уравнений и выражены расчётные показатели эффективности РКСП. В разделе 2.2 проведено исследование потерь мощности от неравновесного регенеративного теплообмена (НРТ) с использованием метода энтропийного анализа. На базе универсальной теоремы Гюи - Стодолы получено выражение для определения потерь мощности от НРТ для РКСП.

Третья глава посвящена экспериментальной верификации созданной математической модели. В разделе 3.1 описана конструкция деталей экспериментального образца РКСП и испытательного стенда. Раздел 3.2 посвящён экспериментальному определению зависимости потерь мощности на трение от частоты вращения ротора. В разделе 3.3 описана методика и результаты экспериментального определения потерь производительности РКСП вследствие утечек газа в картер и перетечек на всасывание. На основе статистической обработки этих данных рассчитаны эквивалентные торцевые и радиальные зазоры в экспериментальном образце РКСП, которые составили соответственно: торцевой - 7,3 ± 0,4 мкм, радиальный - 55 ± 5 мкм. В разделе 3.4 составлена методика и проведены испытания экспериментального образца РКСП на воздухе по определению показателей эффективности, проанализированы полученные результаты. Максимум изотермического индикаторного КПД экспериментального образца РКСП на воздухе составил 40,8 % при степени повышения давления 1,074, давлении всасывания 743 торр при частоте вращения ротора 152,7 мин-1.

Проведена оценка адекватности описания математической моделью реальных физических процессов в экспериментальном образце РКСП. Относительная погрешность описания моделью процессов не превышает 3,6 % при погрешности эксперимента 9,1 %.

Четвёртая глава посвящена вычислительному эксперименту по определению показателей эффективности роторного компрессора с секторными поршнями при технологически обоснованном уровне допусков на размеры и зазоры в конструкции и при проведении дополнительных мероприятий по улучшению смазки механизмов компрессора. В разделе 4.1 выполнен вычислительный эксперимент и определены зависимости коэффициента подачи и изотермического КПД от давления нагнетания, которое менялось от 2 до 3 бар, при различных частотах (от 200 до 550 мин-1) для воздушного компрессора с геометрической степенью сжатия ег = 1,92. Максимальное значение изотермического КПД достигало 60,4 % при частоте 550 мин-1 и степени повышения давления 2,54. В разделе 4.2 выполнен вычислительный эксперимент по определению зависимости параметров эффективности холодильного компрессора с рабочим телом R134a и геометрической степенью сжатия ег = 4,2 от степени повышения давления при постоянной температуре конденсации 40 °С (давлении нагнетания 10,16 бар) и переменной температуре кипения от минус 20 °С до 0 °С (давлении всасывания от 1,33 бар до 2,93 бар). Максимальное значение изоэнтропного КПД холодильного РКСП достигало 73,8 % при степени повышения давления 4,12. Эти показатели выше, чем соответствующие параметры роторно-пластинчатых компрессоров и в целом соответствуют показателям эффективности современных роторных холодильных и газовых компрессоров.

Проведено сравнение холодильного коэффициента и степени термодинамического совершенства холодильных машин с РКСП и с роторно-пластинчатым компрессором при температуре конденсации 40 °С. Применение РКСП в составе холодильных машин может увеличить их холодильный коэффициент на величину от 15 до 45 % в зависимости от температуры кипения.

Пятая глава посвящена рассмотрению полученных в исследовании результатов и выработке рекомендаций по повышению эффективности РКСП в составе холодильных и компрессорных установок и возможным областям его применения. В разделе 5.1 даны рекомендации по улучшению характеристик компрессора. Проведённое исследование показало, что основными факторами, снижающими эффективность компрессора, являются большие утечки и перетечки газа и значительное трение в механизмах машины, поэтому рекомендуется увеличить точность изготовления деталей РКСП, применить маслозаполненную схему или организовать принудительную систему смазки и использовать лёгкие антифрикционные материалы. В разделе 5.2 указаны возможные области применения машины. Предпочтительной областью применения маслозаполненного РКСП является холодильная техника. Также РКСП может применяться в качестве двухфазного компрессора для перекачки газов, содержащих жидкость.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современных конструкций объёмных компрессоров, применяемых в холодильной технике

Сжатый газ является популярным и экологичным аккумулятором энергии и поэтому широко используется для привода машин и механизмов, например, пневматических инструментов, пневмоприводов промышленных манипуляторов [4], элементов пневматической системы торможения [5]. Даже в космосе траектория полёта спутников корректируется, в основном, газореактивными двигателями [6], питаемыми от баллонов со сжатым газом. Компрессорные машины используются для перемещения газов по трубопроводам (транспортировка природного газа [7]). В технологических производствах, связанных с процессами, протекающими в газовых средах (химическая и криогенная промышленность), компрессоры должны создавать необходимое давление в системах и обеспечивать подачу определенного количества газа, являющегося сырьем. В медицине компрессоры применяются в стоматологическом оборудовании (нагнетание воздуха для привода бормашины), в ингаляторах и аппаратах искусственной вентиляции лёгких. Также широко компрессоры используются в строительстве.

Особенно важную роль играют компрессоры в холодильной и криогенной технике. Компрессор является основным потребителем электроэнергии подавляющего большинства холодильных и криогенных машин [8, 9]. В холодильной технике компрессор служит для сжатия и перемещения газообразного хладагента [10] и является центральным звеном установки.

В холодильной технике каждый тип компрессора имеет свою основную область наиболее эффективного применения [11-13]. Из Рисунка 1.1 видно, что на малую холодопроизводительность (и объёмную производительность) и большие

степени повышения давления используются поршневые компрессоры. Это машины объёмного принципа сжатия. Данный тип компрессоров довольно хорошо исследован. Однако у поршневых компрессоров имеются существенные недостатки: неуравновешенность механизма, большие силы инерции (как следствие, повышенная вибрация и шум), неравномерность подачи газа, наличие клапанов (уменьшающих надёжность машины) и мёртвого объёма.

Рисунок 1.1. Области применения газовых и холодильных компрессоров

Некоторые недостатки можно свести к минимуму, например, большая уравновешенность механизма достигается применением V-, L-, W-образных и, тем более, звездообразных схем. Также с увеличением числа цилиндров на каждой ступени увеличивается и равномерность подачи газа. Но вместе с тем увеличивается число узлов и, как следствие, снижается надёжность машины. Кроме того, при увеличении числа цилиндров, растёт и длина коленчатого вала, что негативно сказывается на его жёсткости и требует применения соответствующих опор.

Несмотря на все недостатки, в области малых холодопроизводительностей и больших степеней повышения давления на сегодня доминируют поршневые компрессоры.

Необходимо отметить, что для сжатия газов повышенной чистоты до давлений 20 МПа применяются поршневые компрессоры с графитно-угольными, лабиринтными или фторопластовыми уплотнениями, а на давления выше -мембранные компрессоры. В мембранных компрессорах изменение объёма рабочей полости происходит за счёт упругого прогиба мембраны между двумя дисками: распределительного (распределяющего масло из цилиндра для привода мембраны) и ограничительного (имеющего в своей конструкции всасывающий и нагнетательный клапаны). Существуют также мембранные компрессоры с непосредственным приводом мембраны от коленчатого вала, однако это, как правило, небольшие машины.

Мембрана обеспечивает герметичность полости сжатия, не допуская попадание в неё паров масла, воды и пыли. Это позволяет применять мембранные машины также для сжатия опасных газов (кислорода, фтора, хлора и т.д.). Большая поверхность мембраны и масса элементов компрессора, малая относительная величина мёртвого объёма позволяют обеспечить высокие степени повышения давления в одной ступени. Для нагнетания газа при давлениях до 100 МПа достаточно трёх ступеней [14].

Мембранные компрессоры имеют небольшие объёмные производительности и большие габариты, чем поршневые машины с аналогичными характеристиками. Главным же недостатком мембранных машин является малый ресурс самой мембраны, который составляет от 500 до 1500 ч. Из-за указанных недостатков мембранные машины не находят широкого применения в промышленных холодильных машинах, однако всё же встречаются в составе лабораторных или опытных холодильных машин, работающих по простому парокомпрессионному циклу на редких газах (при низких температурах кипения) и сверхкритическому циклу на диоксиде углерода с высокими степенями повышения давления [15, 16].

На малые степени повышения давления и большую холодопроизводительность применяются центробежные и осевые компрессоры -машины динамического принципа сжатия. Компрессоры динамического действия

довольно надёжны, отличаются высокой степенью равномерности подачи газа, пульсации газа при этом практически отсутствуют. Однако для таких машин характерен помпаж - нерасчётный режим работы компрессора, при котором происходит срыв потока с лопаток рабочего колеса и поток движется в противоположном направлении. Также в качестве недостатка следует отметить зависимость давления нагнетания от частоты вращения ротора [17], что усложняет процесс регулирования производительности частотным способом. Другим существенным недостатком является сложность и трудоёмкость изготовления компрессора и высокая стоимость ремонта таких машин.

Роторные (или ротационные) компрессоры, как и поршневые, относятся к классу объёмных машин. По производительности и давлению нагнетания они занимают промежуточное положение между поршневыми и центробежными машинами, объединяя их преимущества. В области средних давлений нагнетания и производительностей они активно вытесняют поршневые компрессоры. Объясняется это тем, что на современном уровне развития техники затраты на изготовление роторных машин оправдываются их достоинствами по сравнению с поршневыми компрессорами: большей компактностью (Рисунок 1.2), хорошей уравновешенностью при значительных частотах вращения, отсутствием клапанов, что увеличивает надёжность машины, более простой конструкцией, равномерной подачей и меньшим уровнем шума. По сравнению с центробежными машинами роторные компрессоры могут обеспечить большую степень повышения давления в одной ступени.

Из недостатков, присущих всем роторным компрессорам, стоит отметить большие потери на трение по сравнению с поршневыми машинами и, вследствие этого, повышенный износ, проблемы с уплотнением рабочих полостей, особенно при повышенных давлениях, требование высокой точности обработки деталей и сборки компрессора, наличие индикаторных потерь при всасывании и нагнетании рабочего тела [18].

Существует множество типов роторных компрессоров, некоторые из них нашли широкое применение [19]. Одним из широко применяемых компрессоров в

составе холодильных машин является винтовой компрессор [20]. В нём рабочая полость (так называемая парная полость) образуется корпусом и профилями ведущего и ведомого винтов. При вращении винтов во время процесса всасывания зуб ведущего ротора выходит из впадины ведомого, и объём парной полости увеличивается. Далее объём камер достигает максимума, и парная полость оказывается отсечённой от окна всасывания торцевой плитой, выступ ведущего винта входит во впадину ведомого, уменьшая объём парной полости, при этом давление газа увеличивается. При определённом положении винтов с торца, противоположного всасывающему, парная полость соединяется с окном нагнетания, выпуская газ в нагнетательный патрубок. Созданная в конце 30-х годов конструкция на протяжении длительного времени совершенствовалась, исследовались различные типы профилей ведущего и ведомого винта [21], и сегодня подобные машины широко применяются на средние и большие холодопроизводительности.

Рисунок 1.2. Удельная металлоёмкость и изотермический КПД промышленных компрессоров на уровень давления нагнетания 0,9 МПа: а - поршневые двухступенчатые; б - ротационные двухступенчатые; в - винтовые двухступенчатые; г -

центробежные с холодильником

Благодаря изобретению асимметричного профиля и инструментов для нарезания сложных винтовых поверхностей, в настоящее время винтовые компрессоры нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе в холодильной технике. В СССР первым промышленным холодильным винтовым компрессором стал 5ВХ-350 разработки ВНИИХОЛОДМАШ на холодопроизводительность 350000 ккал/ч (407 кВт) [22, 23]. Далее выпускалась целая линейка компрессоров на различную холодопроизводительность, но в настоящее время их серийный выпуск прекращён. На сегодняшний день лидером в области холодильных винтовых компрессоров является компания В^ег (Германия) [24, 25]. Компания производит винтовые компрессоры средней холодопроизводительностью от 80 до 500 кВт [26].

Сегодня отечественные газовые винтовые компрессоры ставятся на современные электропоезда и локомотивы для наполнения сжатым воздухом основной пневматической тормозной магистрали. Примером может послужить агрегат компрессорный винтовой АКВ 3,5/1 [27], который устанавливается на современные электровозы 2ЭС6 и 2ЭС10. Благодаря установке винтовых компрессоров АКВ-0,65 на электропоезда существенно снизилась вибрация вагонов, что улучшило комфортность пребывания пассажиров.

Однако при изготовлении роторов (винтов) всё ещё требуется дорогостоящее оборудование и оснастка, а при ремонте - специальное оборудование и переход на новые принципы организации процесса [28]. От качества изготовления профиля винтов зависит величина внутренних перетечек, которые снижают коэффициент подачи компрессора, уменьшают давление в парной полости в момент открытия окна нагнетания и снижают показатели эффективности. Винтовые машины относятся к компрессорам с «геометрической» степенью сжатия, что вызывает необходимость в оснащении этих машин специальными устройствами (клапанами, золотниками и т.д.), синхронизирующими внутреннюю и внешнюю степень сжатия [29]. Кроме того, винтовые машины при малых производительностях имеют малые КПД.

Стоит упомянуть другой тип компрессора - двухроторную машину (газодувку) «Рутс». Она имеет 2 прямых (без закрутки) ротора в сечении напоминающих цифру «8», которые приводятся в движение синхронизирующими шестернями, зубья которых точно отшлифованы, и вращаются в противоположных направлениях. Сами роторы не контактируют ни друг с другом, ни со стенками корпуса, между ними всегда есть зазор, который является и плюсом, и минусом данной газодувки.

Достоинством данной машины является отсутствие контакта металлических деталей внутри полости сжатия, а значит, отсутствует механическое трение и необходимость в смазке. Данное преимущество позволяет применять газодувку для нагнетания сильнозагрязнённой среды (химическая, металлургическая промышленность) или в пищевой промышленности. Газодувки «Рутс» отличаются исключительной простотой и долговечностью. Число деталей в составе данного устройства меньше, чем в других типах объёмных машин, что объясняет его надёжность. А по сравнению с центробежными и осевыми газодувками, конструкция «Рутс» имеет большое преимущество в составе транспортных установок, где частота вращения сильно меняется. Машины динамического действия при малых размерах имеют худшие показатели эффективности.

Главным недостатком газодувки «Рутс» является тот факт, что вышеописанная конструкция - машина внешнего сжатия, а для организации внутреннего сжатия необходима установка в полости нагнетания специальных газораспределительных золотников [30]. При увеличении степени повышения давления (предел которой лежит в диапазоне от 1,4 до 2,0) индикаторная работа сжатия в данной машине значительно начинает отличаться от адиабатной, падают показатели эффективности, особенно с учётом значительных потерь от неплотностей. По сравнению с винтовым компрессором равномерность подачи газа компрессором «Рутс» ниже. Для уменьшения пульсаций делают по 2 или 3 части ротора, напрессованных на один вал, но расположенных с угловым смещением друг относительно друга. Также на оба ротора постоянно действует

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борисенко Артем Витальевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дубровин Ю.Н. Состояние импортозамещения в области производства основного холодильного оборудования и рабочих веществ // Холодильная техника. 2019. № 3. С. 51-54.

2. Компрессор Астановского: пат. 2115829 РФ / Д.Л. Астановский, Л.З. Астановский; заявл. 29.05.97; опубл. 20.07.98. Бюлл. № 20.

3. Астановский Д.Л., Астановский Л.З. Новый компактный компрессор // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998. № 8. С. 30-31.

4. Точилкин В.В., Филатов А.М. Пневмопривод металлургических манипуляторов. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 211 с.

5. Федотов А.И. Динамический метод диагностики пневматического тормозного привода автомобилей. Иркутск: Изд-во Иркутского нац. исслед. техн. ун-та, 2015. 514 с.

6. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 231 с.

7. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. Ростов н/Д: Феникс, 2016. 540 с.

8. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы, том 1. М.: Машиностроение, 1996. 576 с.

9. Холодильная техника / В.Ф. Лебедев [и др.]. М.: Агропромиздат, 1986.

335 с.

10. Бухарин Н.Н., Герасимов Е.Д., Сакун И.А. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. М.: Машиностроение, 1987. 423 с.

11. Центробежные компрессорные машины / Ф.М. Чистяков [и др.]. М.: Машиностроение, 1969. 327 с.

12. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.

13. Холодильные компрессоры / А.В. Быков [и др.]. М.: Колос, 1992. 304 с.

14. Алтухов С. М., Румянцев В.А. Мембранные компрессоры. М.: Машиностроение, 1967. 128 с.

15. Калнинь И.М., Савицкий А.И., Пустовалов С.Б. Основные результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию тепловых насосов на R744 // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. 2008. № 1. С. 37-40.

16. Пустовалов С.Б. Разработка и исследование водонагревателей тепловых насосов, работающих на R744 в качестве рабочего вещества: дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. М. 2004. 105 с.

17. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 624 с.

18. Компрессорные машины / К.И. Страхович [и др.]. М.: Госторгиздат, 1961. 600 с.

19. Максимов В.А. Роторные компрессоры: учебное пособие. Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2005. 76 с.

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

21. Докукин В.Н. Оценка эффективности работы винтового компрессора с новым профилем зуба: автореферат дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. СПб. 2014. 16 с.

22. Винтовые компрессорные машины: Справочник / П.Е. Амосов [и др.]. Л.: Машиностроение. 1977. 243 с.

23. Носков А.Н., Петухов В.В. Оценка эффективности теоретического профиля винтового компрессора // Вестник Международной академии холода. 2004. №. 4. С. 4-7.

24. Бараненко А.В., Пекарев В.И. Фирма «Битцер» - производитель высокоэффективных холодильных компрессоров // Холодильная техника. 2006. № 6. С. 32-35.

25. Корнивец Д.В. Повышение эффективности холодильных установок с компрессорами «Битцер» // Холодильная техника. 2011. № 9. С. 12-16.

26. Новые компактные винтовые компрессоры «Битцер» серии CSH // bitzer.ru: Компания «Битцер». URL: http://bitzer.ru/novie_kompaktnie_vintovie_ kompressori_bitcer_serii_csh (дата обращения 03.03.2020).

27. Винтовые компрессорные агрегаты для подвижного состава железных дорог // chkz.ru: Челябинский компрессорный завод. URL: https://www.chkz.ru/catalog/industry-solutions/tehnicheskie-resheniya-dlya-slujb-podra zdeleniy-rjd/vintovye-kompressornye-agregaty (дата обращения 03.03.2020).

28. Гателюк О.В., Даньшин В.Г. Эксплуатационная надежность компрессорных винтовых агрегатов электровозов 2ЭС6 «СИНАРА» // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2015. № 2 (42). С. 11-15.

29. Зимков А.А. Повышение эффективности регулирования производительности и геометрической степени сжатия холодильных винтовых компрессоров с помощью внутренних устройств: автореферат дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. СПб. 2014. 16 с.

30. Сайфетдинов А.Г. Совершенствование метода расчета рабочего процесса роторного компрессора внутреннего сжатия с использованием результатов экспериментальных исследований теплообмена в рабочей полости: автореферат дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. Казань. 2013. 19 с.

31. Кочетова Г.С., Сакун И.А. Состояние и направление развития спиральных компрессоров. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1988. 54 с.

32. Косачевский В.А. О производительности спирального компрессора // Вестник Международной академии холода. 2016. № 4. С. 40-46.

33. Воронов В.А. Исследование спирального детандера на различных рабочих веществах: дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. М. 2016. 143 с.

34. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Спиральные компрессоры в холодильных системах. Рязань: Узорочье. 2003. 379 с.

35. Паранин Ю.А. Совершенствование метода расчёта рабочего процесса спирального компрессора сухого сжатия с использованием результатов

экспериментальных исследований: автореферат дис. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. Казань. 2011. 18 с.

36. Косачевский В.А., Сысоев В.Л. К вопросу о методе расчета формы рабочего элемента спирального компрессора // Повышение эффективности процессов холодильных машин и установок низкопотенциальной энергетики: Межвуз. сб. науч. тр. СПб.: СПбТИХП. 1992. С. 39.

37. Карпухин Г.В., Сакун И.А. Построение конфигураций рабочих элементов спирального компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 1994. № 4-5. С. 45.

38. Модернизация спирального компрессора / Д.К. Савельев [и др.]. // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. 2018. С. 94-95.

39. Косачевский В.А. О математической модели рабочего процесса спирального компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 1997. № 1-2 (14-15). С. 40.

40. Нехорошев Б.Г., Тараканов В.И. Роторно-поршневые компрессоры // Холодильная техника. 1992. № 2. С. 17-19.

41. Нехорошев Б.Г. Роторно-поршневой электрокомпрессор ЭВК 0,4/0,8 // Авиационно-космическая техника и технология. 2015. № 10. С. 96-101.

42. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 290 с.

43. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы. Пер. с чешск. М.: Машиностроение, 1971. 128 с.

44. Котлов А.А., Устюшенкова О.Ю., Хрусталев Б.С. Исследование влияния числа пластин на производительность ротационного пластинчатого компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 2013. № 2. С. 42-46.

45. Ротационные компрессоры / В.И. Ардашев [и др.]. М.: Машиностроение, 1964. 315 с.

46. Быков А.В. Холодильные компрессоры: справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 279 с.

47. Бозров В.М., Борисенко А.В. Расчётная оценка рабочих характеристик объёмных машин в режиме пневматического двигателя // Приводы и компоненты машин. 2019. № 1-2. С. 2-6.

48. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 842 с.

49. Самойлович Г.С. Гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1990. 382 с.

50. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2018. 462 с.

51. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. М.: КолосС, 2013. 456 с.

52. Эйлер Л. Интегральное исчисление. Том 1 (пер. с латинского). М.: Гостехиздат, 1956. 415 с.

53. Пантелеев А.В., Якимова А.С., Рыбаков К.А. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Практикум. М.: Инфра-М, 2016. 432 с.

54. Гордин В.А. Дифференциальные и разностные уравнения. М.: Изд. дом Высш. шк. Экономики, 2016. 529 с.

55. Арушанян О.Б., Залеткин С.Ф. Решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений одношаговыми методами: учебное пособие. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2018. 60 с.

56. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. 432 с.

57. Сухомлинов Р.М. Трохоидные роторные компрессоры. Харьков: Вища школа, 1975. 152 с.

58. Холодильные машины / Н.Н. Кошкин [и др.]. Л.: Машиностроение, 1985.

510 с.

59. Архаров А.М. Криогенные поршневые детандеры. М.: Машиностроение, 1974. 240 с.

60. Колосов М.А. Теорема Гюи-Стодолы применительно к холодильной технике. Ч. 1 // Холодильная техника. 2013. № 8. C. 40-44.

61. Колосов, М.А. Теорема Гюи-Стодолы применительно к холодильной технике. Ч. 2 // Холодильная техника. 2013. № 9. C. 51-55.

62. Прилуцкий А.И. Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машин: дис. на соиск. ученой степени докт.техн.наук. СПб. 2015. 454 с.

63. Юша В.Л. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров. Новосибирск: Наука, 2006. 236 с.

64. Юша В.Л. Создание и совершенствование ступеней компрессоров объёмного действия для автономных мобильных установок: дис. на соиск. ученой степени докт.техн.наук. Омск. 2008. 434 с.

65. Колосов М.А., Борисенко А.В. Потери от неравновесного регенеративного теплообмена в холодильных компрессорах // Холодильная техника. 2016. № 5. С. 36-41.

66. Потери мощности в объёмных компрессорах от неравновесного регенеративного теплообмена / М.А. Колосов [и др.] // Компрессорная техника и пневматика. 2018. № 1. С. 27-32.

67. Борисенко А.В. Потери в объёмных компрессорах вследствие неравновесного регенеративного теплообмена рабочего тела со стенками // Будущее машиностроения России: Сб. тр. Всерос. конф. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. С. 426-430.

68. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

69. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

70. Архаров А.М., Шишов В.В. Поток тепла через поверхность при периодическом изменении температуры среды // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1970. № 12. С. 76-78.

71. Архаров А.М., Шишов В.В. Анализ температурного поля изолированного цилиндра при теплообмене на внутренней поверхности // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1971. № 1. С. 124-127

72. Потери мощности в тепловых машинах при неравновесном регенеративном теплообмене / М.А. Колосов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2018. № 4. С. 20-24.

73. Борисенко А.В., Колосов М.А. Влияние неравновесного регенеративного теплообмена на эффективность тепловых машин // Научно-практическая конференция «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»: материалы конф. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. С. 90-93.

74. ГОСТ 6651-2009. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний. М., 2011. 25 с.

75. ГОСТ 6521-72 Манометры и вакуумметры деформационные образцовые с условными шкалами. Общие технические условия. М., 1986. 15 с.

76. ГОСТ 7328-82 (СТ СЭВ 717-77) Меры массы общего назначения и образцовые. Технические условия. М., 1987. 28 с.

77. Ефимова А.И., Зотеев А.В., Склянкин А.А. Погрешности эксперимента. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2012. 39 с.

78. ГОСТ 8.122-99 Государственная система обеспечения единства измерений. Ротаметры. Методика поверки. М., 1999. 10 с.

79. Хисамеев И.Г., Максимов В.А., Баткис Г.С., Гузельбаев Я.З. Проектирование и эксплуатация промышленных центробежных компрессоров / И.Г. Хисамеев [и др.]. Казань: Изд-во «ФЭН», 2010. 671 с.

80. Ивлев В.И., Мисюрин С.Ю. Расчетные и экспериментальные характеристики спиральной машины, работающей в режиме газового мотора // Докл. АН РФ. 2017. Т. 472. № 3. С. 278-281.

81. Моделирование тепловых деформаций спиральных элементов безмасляного вакуумного насоса / Райков А.А. // Вестник МГТУ, серия Машиностроение. М., 2015. № 3 (102). C. 92-102.

82. Ломова О.С. Анализ влияния прецессии оси обрабатываемой заготовки на точность круглого шлифования // Омский научный вестник. 2015. № 1 (137). С. 60-63.

83. Лебедев А.Т., Захарин А.В., Искендеров Р.Д. Вакуумные насосы: достоинства и недостатки // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании. 2012. С. 77.

84. Современные средства измерения валов / Д.А. Локтев [и др.] // СТИН. 2015. №. 9. С. 13-19.

85. Борисенко А.В., Колосов М.А. Роторный компрессор с секторными поршнями конструкции Астановского // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. № 4. С. 44-48.

86. Быков И.Ю., Севастьянов А.В. Оценка объемного коэффициента и мощности маслозаполненного компрессорного агрегата для откачки газа из затрубного пространства нефтяных скважин // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2019. № 3. С. 28-31.

87. Захаренко А.В., Захаренко В.П. Поршневые компрессоры без цилиндровой смазки в установках разделения воздуха // Компрессорная техника и пневматика. 2013. № 8. С. 2.

88. Чулкин С.Г., Ашейчик А.А., Селин С.Н. Использование композитных материалов в узлах трения нефтяного оборудования - шаровой запорной арматуры и в кабелях-толкателях // Вопросы материаловедения. 2012. № 4. С. 240-244.

89. Ипатов А.Г., Харанжевский Е.В., Матвеева Ю.Ю. Структура и свойства модифицированного антифрикционного покрытия на основе металлической композиции // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 2. С. 46-53.

90. Пекарев В.И., Матвеев А.А. Математическая модель винтового маслозаполненного компрессора с впрыскиванием жидкого рабочего вещества // Вестник Международной академии холода. 2013. № 3. С. 11-13.

91. Бозров В.М., Ивлев В.И. К оценке силовых и энергетических характеристик спирального пневмомотора // Проблемы машиностроения и надёжности машин. М., 2008. № 6. С. 79-84.

92. Ивлев В.И, Бозров В.М., Воронов В.А. Оценка технических показателей перспективных спиральных пневмомоторов // Компрессорная техника и пневматика. 2014. № 1. С. 26-29.

93. Scroll compressors for vehicle air conditioning / M. Hiraga [и др.] // Refrigeration. 1987. Т. 62, № 720. С. 1106.

94. Matsumoto M., Matsuda T. High efficiency and lightweight railway vehicle air conditioners using inverterdriven scroll compressors // Hitachi Rev. 1988. Т. 37, № 6. С. 427.

95. Hirano T., Matsumura N., Takeda K. Development of high efficiency scroll compressors, for air conditioners // International Compressor Engineering Conference: Тез. докл. межд. конф. Purdue University, West Lafayette, USA, 1988. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/603/ (дата обращения 03.03.2020).

96. Mathematical modelling method of the compression process in a scroll compressor in Mathcad / A.A. Zharov [и др.] // AIP Conference Proceedings. 2019. Т. 2195. №. 1. С. 020075.

97. Rotating sleeve single vane rotary: патент MY128861-A Malaysia / M.N. Musa, 2007.

98. Sarip A.R., Musa M.N. Theoretical Study of a Novel Multi Vane Rotary Compressor // International Compressor Engineering Conference: Тез. докл. межд. конф. Purdue University, West Lafayette, USA, 2012. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/2094/ (дата обращения 03.03.2020).

99. Sarip A.R., Musa M.N. Friction Analysis on Vane of an Existing and of a Novel Multi Vane Rotary Compressor // Applied Mechanics and Materials. 2013. № 284-287. С 763-767.

100. Gouy G. Sur les transformation et l'équilibre en thermodynamique // Comptes rendus de l'Académie des Sciences. 1889. № 108. С. 507-509.

101. Gouy G. Sur l'énergie utilizable // Journal de Physique. 1889. № 8. С. 510-518.

102. Stodola A. Die Dampfturbinen. Berlin: J. Springer, 1910. 810 с.

103. A mathematical description of the power loss from nonequilibrium regenerative heat exchange in the thermal machines / M.A. Kolosov [и др.] // AIP Conference Proceedings. 2019. Т. 2171. № 1. С. 030019

104. Losses of Power in Thermal Engines in Nonequilibrium Regenerative Heat Exchange / M.A. Kolosov [и др.] // Chemical and Petroleum Engineering. 2018. Т. 54. № 3-4. С. 239-246.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. Параметры для определения мгновенных массовых потоков

Всасывание Geс (в)

Поток Условие Рх Т х г с

Прямой докритический к Р(в)<Рс , Р(в)>Г 2 1 " Рс V к +1) Р вс Т с Р (в) Рвс

Прямой закритический к Р(в)<Рс , Р(в)<Г 2 1" Рес V к +1) Р вс Т с к ( к +1)

Обратный докритический к Р (в)> Рс, Р- >Г 2 Р (в) и+1 ) Р (в) т (в) Рвс Р (в)

Обратный закритический к Р (в)> Р, Рв <( к+! Г Р (в) т (в) к ( к +1 ]

Нагнетание Gн (в)

Поток Условие Ру ту г н

Прямой докритический к Р (в)* Рн , Р" >Г 2 1" Р (в) 1 к +1 ) Р (в) Т (в) Рн Р (в)

Прямой закритический к р в)* Рн • Ы к 2,Г р (в) V к+1) Р (в) Т (в) к ( к +1 )

Обратный докритический к Р (в)< Рн , Р (в)>Г 2 )к-1 Рн V к + 1) Рн т н Р (в) Рн

Обратный закритический к Р(в)< Рн, Р (в)<Г 2 Рн V к + 1) Рн т н к ( к +1 )

Неплотности Gm](в)

Поток Условие Рг т 2 г пл ]

Прямой докритический к Р(в)* р«, Ы. 1+т) " Р (в) т (в) Рпл ] Р (в)

Прямой закритический к Р(в)* Р»'], ] к+7)* Р (в) т (в) к ( к +1)

Обратный докритический к Р (в)< Рл], Рв>( к 21 у-' Рпл] V к + 1 ) Рпл ] т ■ пл ] Р (в) рпл ]

Обратный закритический к Р (в)< Р„], к 2 1)'-1 Р ■ V к +1) * пл ] V / рпл] т ■ пл ] к ( к+1 Г

П.2. Поверка лабораторного динамометра

П.2.1. Таблица поверки лабораторного динамометра

Масса гирь, г Вес гири Теоретический, Н Показания динамометра, Н Погрешность

Абсолютная, Н Относительная, %

100,000±0,005 0,981 0,970 0,011 1,13

200,000±0,010 1,962 1,950 0,012 0,62

300,000±0,015 2,943 2,940 0,003 0,10

400,000±0,020 3,924 3,910 0,014 0,36

500,000±0,025 4,905 4,900 0,005 0,10

600,000±0,030 5,886 5,890 0,004 0,07

700,000±0,035 6,867 6,870 0,003 0,04

800,000±0,040 7,848 7,850 0,002 0,03

900,000±0,045 8,829 8,840 0,011 0,12

1000,000±0,050 9,810±0,001 9,820 0,011 0,11

2000,000±0,100 19,620±0,001 19,620 0,001 0,01

3000,000±0,150 29,430±0,002 29,440 0,012 0,04

4000,000±0,200 39,240±0,002 39,250 0,012 0,03

5000,000±0,250 49,050±0,003 49,060 0,013 0,03

Максимальная погрешность 0,014 1,13

П.2.2. Пример хронограммы изменения консольной силы и окно статистики для частоты вращения ротора п = 36,43 мин-1

П.3. Поверка поплавкового ротаметра

Параметры газа

Наименование параметра Обозначение Значение

Температура проходящего через ротаметр газа 4, °С 23,8

Тг, К 296,95

Давление газа на выходе из ротаметра Рг, торр 752

Рг, бар 1,003

Температура градуировки ротаметра 1рот-, с 20,0

Tрот, К 293,15

Давление градуировки ротаметра Ррот, торр 760

Ррот, бар 1,013

Нижний предел измерения ротаметра Ve.mln, л/мин 2,0

Верхний предел измерения ротаметра Ve.max, л/мин 20,0

Формула пересчёта показаний ротаметра

К, = V

е. рот

Т

Ррот г

РгТ

(П. 3.1)

г рот

где Уег - объёмный расход газа при условиях, отличных от условий тарировки ротаметра, л/мин; Уе рот - расход при градуировке ротаметра, л/мин.

Формула определения относительной погрешности ротаметра

еУ„

V - V б

е.г_е. об

V

РТ

г рот

Т

Р рот г

где Ке об - объёмный расход газа, измеренный образцовым расходомером, л/мин.

Таблица и график поверки поплавкового ротаметра

(П.3.2)

V , л/мин е.рот 5 2,0 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Veг, л/мин 2,023 5,058 7,588 10,117 12,646 15,175 17,704 20,233

Ve.об, л/мин 1,802 4,988 7,580 10,140 12,682 15,234 17,799 20,341

V , % 1,094 0,348 0,037 -0,115 -0,178 -0,291 -0,468 -0,531

£ Уе.г, % 1,0

0,5

-0,5

Уе.тах !

гУе.в 1 \

Уе.тт — \ ► , —^

г

2,5

7,5

10

12.5

15

17,5 20 Уе.рот, л/мин

Относительная погрешность поплавкового ротаметра

0,4 -1,802

V = АТс' Кеоб.шп + V + V

е 60 - V е

60 - 203,54

+ 0,009 + 0,011 = 0,02 = 2,0 %

П.4. Исходные данные для определения эквивалентных торцевых и радиальных зазоров экспериментального образца РКСП

Конструктивные параметры, свойства газа и параметры неплотностей

Наименование параметра Обозначение Значение

Параметры компрессора

Средний диаметр рабочей полости Dср, мм 108

Высота поршня а, мм 20

Ширина поршня Ь, мм 40

Количество поршней т 6

Угловая ширина поршня У, град 39

Приведённый эксцентриситет в 0,333

Параметры газа

Газ — воздух

Показатель адиабаты к 1,41

Газовая постоянная Яг, Дж/кг-К 287

Параметры неплотностей

Коэффициент расхода утечек аут 0,6

Коэффициент расхода перетечек ап 0,6

Измеренные параметры

Параметр Обозначение Значение Погрешность

Абсолютная Относительная, %

Температура окружающей среды + ос 1ос-> ^ 25,70 0,45 —

Тос, К 298,85 0,15

Барометрическое давление Рб, торр 755 0,8 0,11

Рб, Па 100658 107

Плотность газа в газгольдере Ргг, кг/м3 1,174 0,003 0,28

Объём газгольдера ^гг, л 203,54 1,86 0,92

П.5. Результаты обработки эксперимента по определению эквивалентных торцевых и радиальных зазоров экспериментального образца РКСП

Параметр Обозначение Значение

Давление начала перетечек рнп, кгс/см2 (изб.) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Рнп, бар (абс.) 1,056 1,105 1,154 1,203 1,252 1,301 1,350 1,399

АрНп, бар 0,003

еРнп, % 0,28 0,27 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21

Температура начала перетечек Тнп, К 298,85

ЛТнп, К 0,45

ёТт, % 0,15

Давление конца перетечек Ркп, Па 1,007

Аркп, Па 0,001

еркп, % 0,11

Плотность газа в конце перетечек Рнп, кг/м3 1,174

Арнп, кг/м 0,003

Рп, % 0,28

Время наполнения газгольдера (утечки) Тут? с 1294 832 692 580 517 458 417 390

Атут-, с 0,4

£Тут? % 0,03 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,10

Время наполнения газгольдера (перетечки) Тп, с 12045 6003 4203 3150 2512 2132 1834 1658

Атп, с 0,4

£Тп, % 0,003 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02

Суммарный расход утечек От, г/мин 11,08 17,23 20,71 24,70 27,72 31,29 34,37 36,79

АОутЕ, г/мин 0,13 0,21 0,26 0,31 0,35 0,40 0,44 0,47

еОутЕ, % 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28

Суммарный расход перетечек ОпЕ, г/мин 1,19 2,39 3,41 4,55 5,71 6,72 7,81 8,65

АОпЕ, г/мин 0,01 0,03 0,04 0,05 0,07 0,08 0,09 0,10

еОпЕ, % 1,18 1,18 1,18 1,19 1,19 1,19 1,20 1,20

Эквивалентный торцевой зазор дут, мкм 6,7 7,3 7,1 7,3 7,3 7,5 7,6 7,5

Адут, мкм 0,7 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2

едут, % 10,79 6,05 4,47 3,69 3,22 2,91 2,69 2,53

Эквивалентный радиальный зазор дп, мкм 48,1 53,8 53,3 55,2 55,7 57,0 57,7 57,3

Адп, мкм 9,5 6,0 4,5 3,9 3,4 3,2 3,0 2,8

едп, % 19,80 11,21 8,42 6,98 6,13 5,55 5,14 4,85

Средний эквивалентный торцевой зазор дут.ср, мкм 7,3

АдутЕ, мкм 0,4

едутЕ, % 5,48

Средний эквивалентный радиальный зазор дп.ср, мкм 55

АдпЕ, мкм 5

едпЕ, % 9,09

П.6. Результаты проведения эксперимента на воздухе

Параметры газа на всасывании

Наименование параметра Обозначение Значение

Температура окружающей среды t °С 21,7

Твс, К 294,9

Давление всасывания Рвс, торр 743

Рвс, бар 0,9906

Плотность газа рвс, кг/м3 1,1719

Газовая постоянная Яг, Дж/кгК 287

Показатель адиабаты к 1,41

п = 81,39 мин-1

Рн кгс/см2 0,025 0,05 0,075

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064

Ve.Vоm, л/мин 5,00 2,50 2,00

Ve, л/мин 5,07 2,54 2,03

я 0,358 0,179 0,143

А Я 0,029 0,029 0,029

Fv, Н 23,96 24,17 24,34

К, Вт 53,50 53,97 54,35

АЫе, Вт 0,026 0,027 0,027

Кинд, Вт 0,750 1,219 1,598

АЫинд, Вт 0,054 0,054 0,054

Кш, Вт 0,205 0,202 0,240

АЫиз, Вт 0,046 0,047 0,060

Циз.инд, % 27,3 16,6 15,0

АЦиз.инд, % 5,6 3,7 3,4

п = 99,84 мин-1

Рн кгс/см2 0,025 0,05 0,075 0,1

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064 1,089

Ve.Vоm, л/мин 9,00 5,50 3,50 2,00

Ve, л/мин 9,13 5,58 3,55 2,03

я 0,525 0,321 0,204 0,117

А Я 0,024 0,024 0,024 0,023

Fv, Н 27,34 27,47 27,63 27,85

Ке, Вт 74,89 75,25 75,68 76,29

АКе, Вт 0,034 0,034 0,034 0,034

Кнд, Вт 1,020 1,377 1,815 2,417

АЫинд, Вт 0,068 0,068 0,069 0,069

Кш, Вт 0,368 0,445 0,420 0,316

АЫиз, Вт 0,069 0,064 0,068 0,075

nиз.инд, % 36,1 32,3 23,1 13,1

АПиз. инд, % 7,4 5,0 3,7 2,8

n = 117,92 мин-1

Рн кгс/см2 0,025 0,05 0,075 0,1

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064 1,089

Ve.p0m, л/мин 11,00 8,50 6,00 4,50

V,, л/мин 11,16 8,62 6,09 4,56

Я 0,544 0,420 0,297 0,222

A Я 0,020 0,020 0,020 0,020

Fp, H 31,30 31,46 31,60 31,84

N,, Вт 101,27 101,79 102,24 103,02

AN,, Вт 0,042 0,042 0,042 0,043

Nmd, Вт 1,275 1,792 2,245 3,022

ANmd, Вт 0,085 0,086 0,086 0,086

Nus, Вт 0,450 0,688 0,720 0,711

ANus, Вт 0,081 0,082 0,083 0,089

nuз.uнд, % 35,3 38,4 32,0 23,5

An us. пнд, % 5,6 4,6 3,5 3,8

n = 135,47 мин-1

Рн кгс/см2 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064 1,089 1,113

V,.pom, л/мин 14,00 11,00 8,50 6,50 5,00

V,, л/мин 14,20 11,16 8,62 6,59 5,07

Я 0,602 0,473 0,366 0,280 0,215

A Я 0,018 0,018 0,017 0,017 0,017

Fp, H 35,80 35,96 36,10 36,32 36,49

N,, Вт 133,06 133,65 134,18 134,99 135,62

AN,, Вт 0,052 0,052 0,052 0,052 0,053

Nmd, Вт 1,667 2,262 2,782 3,600 4,232

ANUнд, Вт 0,105 0,105 0,106 0,106 0,106

Nus, Вт 0,573 0,890 1,019 1,027 0,977

ANus, Вт 0,099 0,097 0,097 0,101 0,107

nuз.uнд, % 34,4 39,3 36,6 28,5 23,1

Anm.md, % 6,5 4,9 3,9 2,9 2,5

n = 145,05 мин-1

Рн кгс/см2 0,05 0,075 0,1 0,125 1,15

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064 1,089 1,113

V,.pom, л/мин 12,50 10,00 8,50 6,50 5,00

V,, л/мин 12,68 10,14 8,62 6,59 5,07

Я 0,502 0,402 0,342 0,261 0,201

A Я 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016

Fp, H 38,65 38,82 39,04 39,19 39,38

N,, Вт 153,82 154,49 155,37 155,97 156,72

AN,, Вт 0,058 0,058 0,058 0,059 0,059

Nmd, Вт 2,426 3,102 3,978 4,575 5,331

ANmd, Вт 0,118 0,118 0,118 0,118 0,119

Nus, Вт 1,011 1,199 1,344 1,27 1,159

ANus, Вт 0,105 0,106 0,112 0,115 0,121

nuз.uнд, % 40,7 38,7 33,8 27,8 21,7

An us. шд, % 5,1 3,9 3,1 2,6 2,2

п = 152,65 мин-1

Рн кгс/см2 0,05 0,075 0,1 0,125 1,15 1,175 0,2

бар (абс.) 0,015 1,04 1,064 1,089 1,113 1,162 1,187

Ve. рот, Л/МНИ 14,00 11,50 9,50 8,00 6,00 5,00 3,00

Ve, л/мни 14,20 11,66 9,63 8,11 6,09 5,07 3,04

Л 0,535 0,439 0,363 0,305 0,229 0,191 0,115

А Л 0,016 0,016 0,016 0,015 0,015 0,015 0,015

Н 40,98 41,11 41,31 41,44 41,65 41,84 42,01

Не, Вт 171,63 172,18 173,01 173,56 174,44 175,23 175,95

АЫе, Вт 0,063 0,063 0,064 0,064 0,064 0,064 0,064

^„д, Вт 2,840 3,384 4,222 4,766 5,646 6,442 7,154

АNиHд, Вт 0,128 0,128 0,129 0,129 0,129 0,129 0,129

Вт 1,133 1,379 1,502 1,563 1,391 1,338 0,907

Шш, Вт 0,114 0,115 0,118 0,124 0,127 0,135 0,138

nиз.и„д, % 39,9 40,8 35,6 32,8 24,6 20,8 12,7

АЦиз.инд, % 4,4 3,7 2,9 2,6 2,1 1,9 1,6

Экспериментальные показатели эффективности экспериментального

образца РКСП на воздухе

п, -1 МНИ Рн Пк Л АЛ еЛ, % Пиз. u„д, % ^^из^.индп % еп из^инд', %

кгс/см2 бар (абс.)

81,39 0,025 1,015 1,025 0,358 0,029 8,1 27,3 5,6 23,7

0,05 1,04 1,049 0,179 0,029 16,1 16,6 3,7 22,1

0,075 1,064 1,074 0,143 0,029 20,1 15,0 3,4 22,6

99,84 0,025 1,015 1,025 0,525 0,024 4,5 36,1 7,4 20,4

0,05 1,04 1,049 0,321 0,024 7,4 32,3 5,0 15,6

0,075 1,064 1,074 0,204 0,024 11,5 23,1 3,7 16,0

0,1 1,089 1,099 0,117 0,025 20,1 13,1 2,8 21,2

117,92 0,025 1,015 1,025 0,544 0,020 3,7 35,3 5,6 15,8

0,05 1,04 1,049 0,420 0,020 4,8 38,4 4,6 12,0

0,075 1,064 1,074 0,297 0,020 6,7 32,0 3,5 11,0

0,1 1,089 1,099 0,222 0,020 9,0 23,5 3,8 16,0

135,47 0,025 1,015 1,025 0,602 0,018 2,9 34,4 6,5 18,9

0,05 1,04 1,049 0,473 0,018 3,7 39,3 4,9 12,4

0,075 1,064 1,074 0,366 0,017 4,8 36,6 3,9 10,7

0,1 1,089 1,099 0,280 0,017 6,2 28,5 2,9 10,2

0,125 1,113 1,124 0,215 0,017 8,1 23,1 2,5 10,7

145,05 0,05 1,04 1,049 0,502 0,016 3,3 40,7 5,1 12,5

0,075 1,064 1,074 0,402 0,016 4,1 38,7 3,9 10,1