Совершенствование конструкций и методов расчета поршневых детандеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Сназин Александр Андреевич

• Сназин Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Сназин Александр Андреевич

Оглавление

Реферат

Synopsis

Перечень условных обозначений

Введение

Раздел 1. ПОРШНЕВЫЕ ДЕТАНДЕРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Расширительные машины

1.2. Поршневые детандеры. Перспективные конструкции. Пути развития. Критерии оценки технического уровня

1.3. Области рационального применения детандеров

1.4. Рабочие циклы. Классификация. Современное состояние. Взаимосвязь газодинамических, тепловых и механических процессов. Пути развития и практического применения

1.5. Обзор методов и результатов экспериментального исследования поршневых детандеров. Существующие проблемы

1.5.1. Краткий анализ методов теоретического исследования

1.5.2. Краткий обзор исследований в области поршневых детандеров

Раздел 2. РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА СТУПЕНИ ПОРШНЕВОГО ДЕТАНДЕРА

2.1. Программа КОМДЕТ. Математическая модель. Достигнутый уровень. Пути дальнейшего развития

2.1.1. Определение текущего объема рабочей полости AVt'

2.1.2. Изменение массы газа в рабочей полости Am

2.1.3. Расчет процессов теплообмена

2.1.4. Расчет свойств реальных газов

2.1.5. Расчет теплофизических свойств

2.1.6. Моделирование работы органов газораспределения

2.1.7. Моделирование рабочих процессов в уплотнительных узлах

2.1.8. Определение интегральных параметров ступени МОД

2.2. Многорядные поршневые детандеры на существующих базах

2.2.1. Взаимосвязь продолжительности процесса наполнения и эффективности работы ступени однорядного детандера

2.2.2. Сравнительный анализ детандеров в одно- и многорядного исполнении при постоянном массовом расходе I!mт=const

2.2.3. Модернизация математической модели рабочих процессов ступени путем учета механического трения

2.2.4. Учет влияния механического трения в многорядных детандерах

Раздел 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТУПЕНИ ДЕТАНДЕРА НА БАЗЕ РАСЧЕТНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS

3.1. Классификация теплопритоков в однорядном детандере

3.2. Метод конечных элементов. Общая характеристика

3.2.1. Программный комплекс Ansys CFX

3.3. Конструкция элементов опытного образца поршневого детандера

3.4. Цели и задачи исследования

Раздел 4. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИЙ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ДЕТАНДЕРОВ

4.1. Газодинамические процессы в ступени ПД

4.1.1. Анализ полученных данных в ходе расчета динамической задачи

4.1.2. Анализ газодинамических показателей в каналах седла и ограничителя

впускного клапана

4.1.3. Выводы по проведенному численному эксперименту

4.2. Анализ влияния геометрии клапана на его газодинамические характеристики

4.3. Поля скоростей, давлений и температур газа в выпускной полости различного конструктивного исполнения

4.3.1. Анализ влияния различных конструктивных факторов на тепловое состояние ступени поршневого детандера

4.3.2. Рекомендации по конструкции выпускной полости

4.4. Анализ герметичности и напряженно-деформированного состояния ступени детандера с неметаллическим цилиндром

4.4.1. Постановка задачи

Основные результаты и выводы

Список рисунков

Список таблиц

Список литературы

Приложения

Приложение А. Акты внедрения

Приложение В. Основные публикации по теме диссертации

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций и методов расчета поршневых детандеров»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе при создании новой техники основным является требование эффективного использования всех видов материальных ресурсов. Прогресс в этом направлении помимо традиционных подходов зачастую связан с поиском и научным обоснованием нетрадиционных решений, позволяющих уже на стадии проектирования прогнозировать улучшенные технико-экономические показатели вновь создаваемых поршневых машин. Решение подобной задачи требует разработки, апробации и практического применения комплексной методики расчета, применение которой позволяет получить расширенный объём информации о взаимосвязи конструкции поршневых машин с газодинамическими, тепловыми, массообменными и механическими процессами, определяющими в итоге тепловые поля и конечную температуру газа на выходе, удельную материалоемкость, эффективность и надежность работы ступеней.

Объекты исследования. Ступени одно- и многорядных поршневых детандеров с неметаллическим корпусом и самодействующими нормально-открытыми клапанами в сочетании с выхлопными окнами.

Предмет исследования. Рабочие процессы, протекающие в цилиндре, примыкающих к нему полостях, в каналах клапанов и в выхлопных окнах и определяющие тепловое состояние, показатели эффективности и деформации элементов ступеней детандеров с неметаллическим корпусом.

Степень разработанности проблемы. Сегодня в эксплуатации находится большое число технически устаревших конструкций детандеров на однорядных индивидуальных базах, не унифицированных с базами поршневых компрессоров даже в рамках одного завода-изготовителя.

Существующие методы расчета и проектирования базируются в основном на простейших теоретических положениях и на экспериментальных данных, полученных при исследовании низкооборотных компрессоров и детандеров со снятием в большинстве случаев только внешних интегральных параметров, т.е. без какого-либо анализа сущности физических процессов в элементах ступеней. Вследствие этого при разработке новых (модернизации существующих) детандеров зачастую не достигался качественно новый уровень техники, объясняемый, помимо прочего, и консерватизмом мышления разработчиков, применяющих в конструкциях с высокой частотой вращения вала узлы и системы, не обладающие признаками новизны и сведениями об ожидаемой эффективности. С учетом взаимного влияния протекающих процессов друг на друга при использовании инженерных методов расчета практически невозможно было объективно обосновать оптимальные геометрические соотношения ступеней и комплектующих узлов детандерных ступеней, а, следовательно, и показателей эффективности детандера.

В период с 2012 по 2016 гг. в научной группе проф. Прилуцкого И.К. (СПб., Университет ИТМО, кафедра КТ) при участии соискателя была доработана, апробирована и внедрена в учебный процесс университетов ИТМО и КНИТУ математическая модель и прикладная программа расчета «КОМДЕТ-М» (КОМпрессор - ДЕТандер), в основу которой заложены фундаментальные уравнения термодинамики тела переменной массы. Опыт использования программы бакалаврами, магистрантами и аспирантами кафедры КТ позволяет отметить следующие её достоинства:

1. Программа позволяет проводить расчетный анализ работы машин объёмного действия (МОД) на газовых, газожидкостных и паровоздушных смесях любого состава при учете реальных свойств рабочего вещества.

2. Программа предусматривает вывод на печать расширенного объёма выходной информации в графической (текущие параметры: р, Т, Икл, Q, S. а, Мгр, ... в функции от ф) и цифровой (интегральные параметры) форме.

3. Перечень интегральных параметров при расчетном анализе работы объекта исследования содержит следующие сведения:

- производительность, индикаторная и номинальная мощности, мощность, затраченная в каждом из элементов трения при вращательном и возвратно-поступательном движении, количество теплоты подводимой к газу на произвольно выбранном участке рабочего цикла и в отдельных рабочих полостях (всасывания-цилиндре-нагнетания), характерные температуры, изоэнтропный и механический КПД объекта исследования.

- коэффициент подачи ступени и его составляющие;

4. При доводке образцов новой техники программа позволяет существенно сократить объём экспериментальных работ за счет широкого применения методов численного анализа, основанных на математическом моделировании рабочих процессов и позволяющих оперативно находить оптимальные технические решения из ряда возможных, в частности:

- оценка эффективности работы объекта исследования на режимах отличных от номинального, прогноз показателей эффективности и надежности органов газораспределения и уплотнительных узлов, интенсивности процессов теплообмена при использовании различных материалов элементов ступеней;

- научное обоснование особенностей работы отдельных элементов МОД, принципиально новых по конструктивному исполнению;

- расчетно-теоретический анализ и обоснование практических рекомендаций по повышению технического уровня газовых и парожидкостных детандеров.

Крупный вклад в решение данной проблемы внесли Кондратьева Т.Ф., Френкель М.И., Новиков И.И., Архаров А.М., Захаренко С.Е. Фотин Б.С., Прилуцкий И.К., Пластинин П.И., Хрусталев Б.С., Юша В.Л. и др. ученые. Вместе с тем остаются актуальными вопросы, связанные с изучением основных физических процессов поршневых детандеров, с разработкой принципиально новых конструктивных решений узлов и систем, работающих в составе многорядных детандеров при высоких частотах вращения коленчатого вала, создания методики оптимизации рабочих процессов и

конструктивных соотношений элементов ступени, а также отдельных узлов машин с учетом физических закономерностей и обобщение имеющихся теоретических и экспериментальных материалов.

Целью работы является совершенствование конструкции и методов расчета многорядных поршневых детандеров с неметаллическим корпусом.

Задачи исследования.

• Анализ взаимосвязи продолжительности процесса наполнения с изоэнтропным КПД детандера.

• Оценка эффективности перехода на многорядное исполнение поршневых детандеров при выполнении условия £тт = const.

• Изучение газодинамических процессов в органах газораспределения различного конструктивного исполнения.

• Анализ влияния геометрии каналов и пластин клапанов на характер течения газа и эффективность заполнения внутренних объемов полостей потоком газа.

• Изучение тепловых полей в ступени поршневого детандера и факторов, влияющих на их распределение с целью снижения теплопритоков к рабочему веществу в элементах ступени.

• Оценка напряженно деформированного состояния элементов ступени поршневого детандера, включающей в себя корпус цилиндра, выполненный из неметаллического материала, а также ряда других конструктивных решений, которые, как предполагает автор, помогут обеспечить улучшение технико-экономические показатели поршневых детандеров.

Научная новизна.

Проведенное комплексное исследование влияния различных факторов на изоэнтропное КПД поршневого детандера показало, что на уровень КПД наибольшее влияние оказывает взаимосвязь отношений давлений в

процессах расширения (П2-3) и выхлопа (П3-4), отношение S/D, масштабный фактор (объем рабочей камеры Vh), зазоры в щели закрытого клапана 5кл (степень негерметичности) и интенсивность процессов теплообмена.

При анализе функции nS.max = f(C2*) выявлено, что ее максимум лежит в пределах С2* < 0.15. Таким образом, было установлено, что конструкции ранее созданных поршневых детандеров на низкооборотных вертикальных однорядных базах, укомплектованные клапанами принудительного действия, изначально создавались с заниженным изоэнтропным КПД.

На основе сравнительного анализа детандеров в одно- и многорядном исполнении при постоянном массовом расходе Smx=const, автор показал, что многорядное исполнение детандеров при низких значениях относительного хода поршня в процессе наполнения способствует росту изоэнтропного КПД до уровня 0.85 - 0.90.

Разработаны трехмерные математические модели рабочих процессов в ступени поршневого детандера, в точности повторяющие взаимосвязь и последовательность процессов, протекающих при работе машины, которые учитывают конечность объемов полостей примыкающих к цилиндру и тем самым позволяющие определять значение давлений, температур, скоростей и других параметров в любом месте исследуемой области при учете влияния таких факторов как: геометрия внутренних каналов однокольцевого клапана на газодинамические характеристики и относительные потери давления в различных точках, геометрия и высота подъема клапанной пластины на характер течения газа через клапан, различные конструктивные факторов на тепловое состояние ступени поршневого детандера в целом и на параметры теплообмена в выпускной полости детандера; даны рекомендации по проектированию конструкции выпускной полости для получения ее оптимального объема с точки зрения величины теплообменной поверхности и величины колебаний газа; для снижения уровня теплопритоков к рабочему веществу в процессе выпуска, автором предложено использование полимерных материалов для изготовления цилиндров поршневых

детандеров; проведен ряд анализов на прочность и герметичность модернизированной ступени поршневого детандера и даны рекомендации по конструкции цилиндра из полимера, обеспечивающие необходимые режимные параметры работы ПД.

Разработанные и использованные автором методики применялись при анализе процессов в работе 3х ступенчатого компрессора ООО «Газпром газомоторное топливо»; технологическом аудите дожимной компрессорной станции Пырейного газоконденсатного месторождения ПАО «Сибнефтегаз»; выполнении расчетов на динамическую устойчивость обвязки ДКС ЗАО «Геотрансгаз» для проекта «Обустройство Сеноманской залежи Берегового ГКМ» ООО «ТюменьНИИгипрогаз».

Данные работы позволили усовершенствовать используемые расчетные методы, провести оценку основных проблем и решить поставленные задачи.

Практическая ценность результатов работы.

Усовершенствована математическая модель рабочих процессов машин объемного действия путем учета влияния механического трения в программе КОМДЕТ-М. Это дает возможность вместе с индикаторной мощностью найти величину механического КПД.

Предложено многорядное исполнение ПД, которое в сравнении с однорядным с постоянным массовым расходом по машине Imг=const и низких значениях относительного хода поршня с учетом механического трения, имеет более высокий показатель изоэнтропного КПД (0.89 - 0.91).

Моделирование газодинамических процессов на основе динамической модели, созданной с помощью МКО, в ступени однорядного поршневого детандера в полной мере позволило получить распределение основных характеристик рабочего тела и газодинамических параметров в течение рабочего цикла, в том числе позволило сравнить параметры газа в течение рабочего цикла, полученные с помощью программ КОМДЕТ и ЛдБуБ СБХ.

Проведено моделирование газодинамических процессов, которые происходят в клапане во время работы поршневого детандера, что позволило

провести оценку относительных потерь давления и характер течения газа во внутренних каналах и в щели клапана.

Получено распределение скоростей и давлений в каналах клапанов, что позволило оценить влияние различных геометрических параметров внутренних каналов и пластины клапана на сопротивление нормально открытого однокольцевого клапана.

Получены распределения полей скоростей, давлений и температур газа в выпускной полости детандера в зависимости от ее различного конструктивного исполнения. Даны рекомендации по конструкции выхлопной полости.

Сделаны выводы относительно снижения холодопотерь в ступени поршневого детандера, с учетом влияния таких факторов как: внутренняя теплоизоляция выпускной полости, водяное охлаждение направляющей крейцкопфа, а также применение различных материалов в конструктивных элементах ступени ПД.

Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния элементов ступени поршневого детандера. Сделаны выводы о надежности и прочности, и герметичности элементов конструкции ступени ПД.

Достоверность полученных данных.

Основная идея базируется на современном опыте расчетов, конструирования и эксплуатации МОД в Российской Федерации и за рубежом.

В теоретической части использованы известные и проверяемые данные, которые согласуются с экспериментальными данными, проведенными в других работах.

Материалы, использованные в работе, позволяют проводить сравнение результатов, полученных на основных этапах работы, с результатами, полученными ранее в рассматриваемой области.

Применены современные методы сбора и обработки информации с использованием МКО и модернизированной программы КОМДЕТ-М.

Положения, выносимые на защиту.

1 .Научная концепция, обосновывающая принципы проектирования высокооборотных поршневых детандеров на многорядных базах с малым значением относительного хода поршня в конце процесса наполнения;

2.Метод расчета процессов, протекающих в ступенях поршневых детандеров, основанный на применении трехмерной математической модели.

3.Результаты численных экспериментов.

4.Методические рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкции впускных однокольцевых клапанов и выхлопной полости с целью снижения газодинамических и тепловых потерь.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 6 научных трудов, в том числе 2 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в базах цитирования Scopus.

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ряде конференций:

1. XLIV научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО -

2015. ИТМО;

2. IV Всероссийский конгресс молодых ученых - 2015. ИТМО;

3. XLV Научная и учебно - методическая конференция Университета ИТМО -

2016. ИТМО;

4. V Всероссийский конгресс молодых ученых - 2016. ИТМО;

5. XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО -

2017. ИТМО;

6. VI Всероссийский конгресс молодых ученых - 2017. ИТМО.

Личный вклад соискателя состоит в: постановке задач исследования; планировании, проведении и обработке результатов численных экспериментов; модернизации системы автоматизированного проектирования «КОМДЕТ-М»; обосновании новых рабочих циклов поршневых детандеров и перспективных конструкций элементов ступеней

поршневого детандера; подготовке и проведении комплексных численных экспериментов, обобщении полученных результатов; формулировании рекомендаций, научных положений и выводов;

внедрении результатов исследования в конструкторское подразделение ООО «ГК«ЛЕННИИХИММАШ» и в учебный процесс Университета ИТМО; подготовке публикаций по выполненной работе.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 97 наименований. В Общий объем диссертации входит 243 страниц основного машинописного текста, 71 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные проблемы, научная новизна, цель которую ставил перед собой автор. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Первая глава посвящена анализу исследуемых в работе проблем, обзорному анализу литературы, связанной с решением аналогичных задач, и методов теоретического исследования.

Независимо друг от друга Пикте (1905 г.), Гейланд (Германия) и Пляс (США) выполнили первые работы по созданию поршневых расширительных машин. Позже исследованием и развитием в области машин объемного действия занимались Капица П. Л., Архаров А.М., Прилуцкий И.К., Френкель М.И., Пластинин П.И., Бумагин Г.И., Кузнецов Л.Г., Носков А.Н., Фотин Б.С., Хрусталев Б.С., Юша В.Л.

Проведенный обзор литературы позволил выявить, что энергоэффективность и надежность поршневых машин сложно связаны с показателями металлоемкости. Оптимальным представляется такое конструктивное решение, которое обеспечит надежную и эффективную работу детандера при его минимально возможной металлоемкости и поверхности теплообмена агрегата, контактирующей с окружающей средой.

Одним из основных способов повышения энергоэффективности и снижения металлоёмкости является переход на многорядное исполнение детадеров на многорядных компрессорных (типа У и Ш, М- образных) базах. В области малых расходов эффективность турбодетандера становится сравнимой и даже ниже, чем у машин объемного действия. Высокооборотные поршневые машины могут обеспечить их высокую энергоэффективность, и надежность работы ВРУ малой производительности. При этом перевод на повышенную частоту вращения вала сопровождается тем, что нарастают вибрации агрегата в процессе эксплуатации, для снижения которых требуется создание многорядных агрегатов с хорошим уравновешиванием сил инерции.

Вторая глава посвящена описанию существующей математической модели программы КОМДЕТ кафедры КрТиТСПГ, достигнутому уровню модернизации программы путем учета механического трения, анализу возможного перехода на многорядное исполнение детандерных машин.

В ступенях расширительных машин одновременно протекает и влияет друг на друга большое количество разнообразных процессов, поэтому наиболее целесообразным является метод математического моделирования. Используя данный метод можно сопоставить ряд возможных вариантов исполнения машины в целом, либо её отдельных узлов в частности, с минимальными затратами по времени и снизить затраты на испытания, и изготовление новых или модернизируемых машин. Под математической моделью принимаем математическое описание физической модели реально существующего объекта, в которой могут быть приняты частные допущения, для схематизации отдельных физических процессов, конструкций элементов объекта и т.д. Мат. модель является совокупностью эмпирических зависимостей, базовых формул и уравнений, логических условий и др., связывающей искомую информацию с промежуточной и исходной. Рассматриваемые отдельные рабочие процессы в мат. модели реализуются в виде основной программы и ряда подпрограмм расчета.

Краткая характеристика математической модели используемой в программе КОМДЕТ-М для учета механического трения.

В поршневых детандерах и компрессорах механическое трение возникает в элементах, которые совершают вращательное (ю) и возвратно-поступательное (5) движение.

Мощность, расходуемую на преодоление трения при возвратно-поступательном движении, в общем случае можно определить с помощью уравнения

N = У

тр.Б

1 =1

N + N + N + V N + N )

тр.К тр.П тр.С ¿^у тр.У тр.М /

1=1

(1)

где «■, 1 - число и порядковый номер рядов, п, I - число и порядковый номер ступеней сжатия у-го ряда компрессора. Индексами «К», «П», «С», «У», «М» обозначены соответствующие основные узлы трения: крейцкопф, поршень, сальник, уплотнительные и маслосъемные кольца. В зависимости от конструкции агрегата, соответствующая компонента уравнения (150) может быть равна нулю.

Силу трения запишем в следующем виде

Рщр Ктр' \Н\, (2)

Переменные Ктр коэффициент трения, \Н\ - абсолютная величина силы, которая действует по нормали к поверхности трения в изучаемом узле, зависят от режима работы машины, геометрических параметров деталей участвующих в процессе, от материала пар трения, смазки, охлаждения и т.д.

Для машин с тронковым поршнем в паре трения поршень-цилиндр \Н\ = (Р9 + /,)*япф, (3)

тут Рф - газовая сила, /ф - инерционная сила.

Значение коэффициента трения зависит от средней скорости поршня Сп, от длины опорной поверхности поршня Ьп, от отношения ЬпЮ, динамической вязкости масла в зоне трения ^М и равна:

К = 3 •

тр.п

№м ' Сп ■ ^^ (4)

Н

Силу трения можно найти из выражения

ртр = 3■ С • ьп ■ |я|. (5)

Вязкость масла ^М находится из функции в зависимости от его температуры в области трения.

Энергоэффективность и надежность поршневых машин сложно связаны с показателями металлоемкости. Оптимальным представляется такое конструктивное решение, которое обеспечит надежную и эффективную работу детандера при его минимально возможной металлоемкости и поверхности теплообмена агрегата, контактирующей с окружающей средой.

Одной из задач данной работы является улучшение удельных массогабаритных показателей, сохранив или улучшив эффективность машины. Способ достижения этой цели заключается в переводе машины на повышенную частоту вращения вала (п = 1500 об/мин) и укомплектацией ее самодействующими нормально открытыми клапанами.

0.7 --I— -----I— -

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 С 0.55

Рисунок 1 - Изоэнтропный КПД газового поршневого детандера с различными объёмами рабочего цилиндраУь . 1 - Бц = 140 мм, 2 - Бц = 120 мм, 3 - Бц= 80 мм, 4 - Бц = 35 мм.

Максимум функции Пэ.тах = АС2*) лежит в пределах С2* < 0.15. В существующих конструкциях поршневых детандеров в момент окончания процесса наполнения относительный ход поршня принимается равным

С2>>С2* для повышения расхода газа. Таким образом, данные конструкции поршневых детандеров, которые выполняются на низкооборотных вертикальных однорядных базах, укомплектованные клапанами принудительного действия, изначально создавались с заниженным изоэнтропным КПД.

С увеличением числа рядов возникает задача анализа зависимости механического КПД детандера от числа рядов. Для этого был проведен сравнительный анализ эффективности работы многорядных поршневых детандеров низкого давления, выполненных на стандартных базах (типа У и Ш - образных) с одинаковым номинальным усилием по рядам 1.6т и одинаковым массовом расходом т = 1500 кг/ч. При этом оценка эффективности работы ПД проводилась по величине изоэнтропного и механического КПД агрегата.

1

1 !

_

2 3 4 6-

Рисунок 2 - Эффективные показатели ПД с учетом числа рядов и

механического трения

При увеличении числа рядов поршневого детандера и сохранении суммарного массового расхода по машине в целом, а также учитывая механическое трение в узлах и зазоры в уплотнении поршней, кривая зависимости изоэнтропного КПД от относительного хода поршня имеет максимум при минимальных значениях С2. Механический КПД Пмех с увеличением числа рядов понижается, часть мощности, которая передается на вал, расходуется на узле трения, в результате этого должна повышаться температура стенок (в данном расчет Тстен=еот¿). Исходя из вышесказанного, в конечном варианте выбор остановим на 4х рядном исполнении машины.

Третья глава посвящена проблемам моделирования газодинамических, тепловых и механических процессов в ступени детандера.

При криогенных температурах передача тепла с помощью теплопроводности подчиняется известным закономерностям. Одной из особенностей данного уровня температур является достаточно резкая зависимость коэффициента теплопроводности металлов и других материалов от температуры. Также задача усложняется необычной геометрией тел и меняющимися граничными условиями. В итоге для получения полной картины процессов теплообмена, получения всех термодинамических показателей ступени детандера необходимо провести расчетный анализ методом последовательных приближений. В данной работе автором будет применяться для последующих расчетов метод конечных элементов и объемов.

Основой МКО явилась интегральная формулировка уравнений сохранения энергии, массы и импульса. Соотношения баланса составляются для небольшого контрольного объема, а соответственно их дискретный аналог получают путем суммирования по всем граням величин потоков массы, импульса и т.д. Уравнение баланса, записанное на примере величины ф в контрольном объеме ^, который ограничен поверхностью 5 = ТБк с нормалью п:

+ = / Qdп,

С[ = рУф - аУф (6)

где ц - вектор плотности потока переменной ф, которая также включает диффузионную и конвективную компоненты, Q - плотность распределения потока, V - вектор скорости, р - величина плотности, а - коэффициент диффузии. Здесь величину ф можно заменить кинетической энергией турбулентности или, например, внутренней энергией среды.

Из-за сложности и взаимосвязанности процессов, протекающих в поршневых детандерах, они достаточно трудно поддаются теоретическому

исследованию. Чаще всего единственным вариантом быстрого анализа поставленной задачи является компьютерное моделирование.

Четвертая глава посвящена анализу результатов проведенных численных экспериментов по совершенствованию конструкции детандера.

В качестве объекта исследования выбран вертикальный ряд макетного образца детандер-компрессорного агрегата ДКА-3Ш0.5-20-8/1С, в состав которого входит прямоточная детандерная ступень ПД0.5-20-8/1С с поршнем одностороннего действия, нижняя часть которого выполняет функцию крейцкопфа. Особенностью конструкции является отсутствие смазки цилиндропоршневой группы при консистентной смазке элементов механизма движения.

1 6"

6

Ъ 2

/

/

/

/

н

/

—СР-^ Л /

А

4 К

Рисунок 3 - Текущие параметры газа в цилиндре. — МКО КОМДЕТ

На рисунке 3 изображены графики давления в зависимости от угла поворота вала в цилиндре, полученные при помощи программы КОМДЕТ и методом конечных объемов. Можно заметить, что полученные данные схожи между собой. При подробном рассмотрении процессов, протекающих в клапане детандера, была выявлена, что в процессе выталкивания наблюдаются быстро затухающие колебания газа с максимальной амплитудой порядка 80 кПа. Во время процесса впуска газа также имеется

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сназин Александр Андреевич, 2020 год

Литература

1. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. — М.: Машиностроение, 1977. с. 230.

2. Фотин Б. С., Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К. Поршневые компрессоры. — Л.: Машиностроение, 1987. 372 с.

3. Чеботарёв А. А. Специализированные автотранспортные средства: выбор и эффективность применения. — М: Транспорт, 1988. 159 с.

4. Бусаров С. С. Повышение эффективности компрессорного оборудования дорожно-строительных машин: дис.... канд. техн. наук. — Омск., 2008. 212 с.

5. Белышева К. А., Маковеева А. С., МолодовМ. А. и др. Особенности работы дожимающих газовых компрессоров при переменном начальном давлении // Вестник Международной академии холода. 2016. № 1. С. 47-54.

6. Зиновьев В. А. Краткий технический справочник. Часть 1. Изд. второе. — Москва: Госиздат технико-теоретической литературы, 1952.

7. Manzagol J., dHarboulle P., Claudet G., Baguer G. G. Cryogenic scroll expander for claude cycle with cooling power of 10 to 100 Watts at 4.2 K // Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Mady-son, USA, 2002. р. 267-274.

8. OralliE. Conversion of a scroll compressor to an expander for organic Rankine cycle: modeling and analysis: thesis Master of Applied Science. Ontario, USA, 2010. 146 с.

9. Orosz M., Mueller A., Quolin S., Hemond H. Small scale solar ORC system for distributed power // Conference Solar Paces

References

1. Grezin A. K., Zinoviev V. S. Micro-cryogenic technique. Moscow: Mashinostroenie, 1977. p. 230. (in Russian)

2. Fotin B. S., Pirumov, I. B., Prilutsky I. K. Reciprocating compressors. L.: Mashinostroenie, 1987. 372 p. (in Russian)

3. Chebotarev A. A. Specialized vehicles and performance applications. Moscow: Transport, 1988. 159 p. (in Russian)

4. Busarov S. S. improving the efficiency of compressor equipment road-building machines: dis.... Cand. tech. Sciences. Omsk., 2008. 212 p. (in Russian)

5. Belysheva, K. A., Makoveeva A. S., Molodov M. A., ets. Features the work of compression gas compressors with variable initial pressure. VestnikMezhdunarodnoi akademii kholoda. 2016. No. . p. 47-54. (in Russian)

6. Zinoviev, V. A. Quick technical reference. Part 1. Ed. second. — Moscow: state publishing house of technical-theoretical literature, 1952. (in Russian)

7. Manzagol J., d'Harboulle P., Claudet G., Baguer G. G. Cryogenic scroll expander for claude cycle with cooling power of 10 to 100 Watts at 4.2 K. Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Madyson, USA, 2002. p. 267-274.

8. Oralli E. Conversion of a scroll compressor to an expander for organic Rankine cycle: modeling and analysis: thesis Master of Applied Science. Ontario, USA, 2010. 146 c.

9. Orosz M., Mueller A., Quolin S., Hemond H. Small scale solar ORC system for distributed power. Conference Solar Paces 2009: abstracts of the International conference, Berlin, Germany, 2009. p. 39-47.

энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение

39

2009: abstracts of the International conference, Berlin, Germany, 2009. р. 39-47.

10. Iglesias A., Favrat D. Innovative isothermal oil-free co-rotating scroll compressor — expander for energy storage with first expander tests // Energy Conversion and Management. Lausanne, 2014. No 85. р. 565-572.

11. Dry gas seals point the way to oil-free compressors // Chem. Eng. (Gr. Brit.). 1988. No 451. P. 21.

12. Liang, K. A review of linear compressors for refrigeration // International Journal of Refrigeration. 2017, Vol. 84, P. 253-273.

13. Электроцилиндры, линейные приводы, актуаторы. // Прогрессивные технологии. [электронный ресурс]: http://p-techno.ru/.

14. Compressed air spirales non lubrifiees //Mach. Prod. 1993. No 596, P. 87.

15. Shahani A. R. [et al]. Dinamic simulation of a high pressure regulator // JCARME. 2011. Vol. 1. No 1. P. 17-28.

16. Регуляторы давления АРТ-85. Руководство по эксплуатации АР 3109.000 РЭ: разработчик и изготовитель ЗАО НПО «АРКОН». — М., 2007. 19 с.

17. Прилуцкий И. К Метод определения мгновенных локальных коэффициентов теплоотдачи в элементах ступеней машин объeмного действия. // Технические газы. 2013. № 4. с. 19-26.

18. Прилуцкий А. И., Прилуцкий И. К. Объемная производительность поршневого компрессора V =f (р Твс, R) = const!? // Компрессорная техника и пневматика, 2013. № 3. с. 35-41.

19. Prilutskiy I. K., Prilutskiy A. I., Snazin А. А., MolodovM. A. The forecasting of single-row reciprocating expander temperature fields // Procedia Engineering — 2016, Vol. 152, pp. 412-419.

20. Громов А. Ю. Разработка поршневых ступеней с линейным приводом для малорасходных компрессорных агрегатов и исследование их рабочих процессов: дис. ... канд. техн. наук. — Казань, 2017. 217 с.

21. Пат. 2593314 РФ, МПК F 04 B 25/00. Многоступенчатый поршневой компрессор с улучшенными тактико-техническими характеристиками / В. Г. Деньгин, А. Ю. Громов, А. В. Ермаков. / № 2014144755/06; заявл. 05.11.2014; опубл. 10.08.2016, Бюл. № 22. 8 с.

22. Прилуцкий И. К., Ворошилов И. В. Опыт практического применения прикладной программы КОМДЕТ при оптимизации рабочих процессов и конструкций ступеней ПК и ПД на стадии проектирования. // Сборник докладов НПК. Краснодар, 16-18 мая 2013. с. 34-48.

23. Маковеева А. С. и др. Практическое использование программы КОМДЕТ-М для оптимизации конструкции поршневых компрессоров // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2014. № 3.

10. Iglesias A., Favrat D. Innovative isothermal oil-free co-rotating scroll compressor — expander for energy storage with first expander tests. Energy Conversion and Management. Lausanne, 2014. No 85. p. 565-572.

11. Dry gas seals point the way to oil-free compressors. Chem. Eng. (Gr. Brit.). 1988. No 451. P. 21.

12. Liang, K. A review of linear compressors for refrigeration. International Journal of Refrigeration. 2017, Vol. 84, P. 253273.

13. Electrochemistry, linear actuators, actuators. Advanced technology. [electronic resource]: http://p-techno.ru/. (in Russian)

14. Compressed air spirales non lubrifiees. Mach. Prod. 1993. No 596, P. 87.

15. Shahani A. R. [et al]. Dinamic simulation of a high pressure regulator. JCARME. 2011. Vol. 1. No 1. P. 17-28.

16. Pressure regulators ART 85. Manual AR 3109.000 re: developer and manufacturer JSC NPO «ARKON». Moscow, 2007. P. 19. (in Russian)

17. Prilutsky I. K. Method of determination of instantaneous local heat transfer coefficients in the elements of stages of positive displacement machines. Technical gases. 2013. No. 4. p. 19-26. (in Russian)

18. Prilutskiy A. I., Prilutskiy I. K. Volumetric capacity reciprocating compressor Vbc =f (p Tbc, R)=const!? Kompressornaya tekhnika ipnevmatika. 2013. No 3. p. 35-41. (in Russian)

19. Prilutskiy I. K., Prilutskiy A. I., Snazin A. A., Molodov M. A. The forecasting of single-row reciprocating expander temperature fields. Procedia Engineering. 2016, Vol. 152, pp. 412-419.

20. Gromov A. Y. Development of piston steps with a linear actuator for low mass flow rate of compressor units and study their work processes: dis. kand. tech. Sciences. Kazan, 2017. 217 p. (in Russian)

21. Patent of the Russian Federation 2593314, IPC F 04 B 25/00. Multi-stage piston compressor with improved performance characteristics / V. G. Dengin, A. Y. Gromov, A. V. Ermakov. / No. 2014144755/06; Appl. 05.11.2014; publ. 10.08.2016, bull. No. 22. 8 p. (in Russian)

22. Prilutskiy I. K., Voroshilov I. V. the Experience of using the application program CADET in the optimization of workflows and structures of the degrees of PK and PD at the design stage. Proceedings of the SPC. Krasnodar, on may 16-18, 2013. p. 3448. (in Russian)

23. Makoveeva A. S., ets. Practical use of the program COMGET-M to optimize the design of reciprocating compressors. Nauchnyi zhurnal NIUITMO. Seriya: Kholodil'naya tekhnika i kondit-sionirovanie. 2014. No. 3. (in Russian)

Сведения об авторах

Прилуцкий Игорь Кирович

д.т. н., профессор кафедры криогенной техники и технологий сжиженного природного газа Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail] Молодова Юлия Игоревна

к.т. н., доцент кафедры инженерного проектирования систем жизнеобеспечения Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, molodovа@yandex.ru

Information about authors

Prilutskiy Igor Kirovich

D. Sc., professor of Department of cryogenic technique and technologies liquefied natural gas of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail] Molodova Juliya Igorevna

Ph.D., associate professor of Department of engineering life support systems of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Галяев Павел Олегович

аспирант кафедры криогенной техники и технологий

сжиженного природного газа Университета ИТМО,

191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9,

[e-mail]

Сназин Александр Андреевич

аспирант кафедры криогенной техники и технологий

сжиженного природного газа Университета ИТМО,

191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9,

[e-mail]

Молодов Михаил Анатольевич

аспирант кафедры криогенной техники и технологий

сжиженного природного газа Университета ИТМО,

191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9,

[e-mail]

Иванова Ирина Львовна

студент кафедры криогенной техники и технологий сжиженного природного газа Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Galyaev Pavel Olegovich

graduate student of Department of cryogenic technique and technologies liquefied natural gas of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail] Snazin Aleksandr Andreevich

graduate student of Department of cryogenic technique and technologies liquefied natural gas of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail] Molodov Mikhail Anatolevich

graduate student of Department of cryogenic technique and technologies liquefied natural gas of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail] Ivanova Irina Lvovna

undergraduate of Department of cryogenic technique and technologies liquefied natural gas of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Министерство образования и науки Российской Федерации Национальный комитет по теплофизическим свойствам веществ РАН Университет ИТМО Международная академия холода Рабочая группа НС РАН «Свойства хладагентов и теплоносителей»

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ

МОНРЕАЛЬСКОМУ ПРОТОКОЛУ - ТРИДЦАТЬ ЛЕТ: ВЫЗОВЫ XXI ВЕКА И ГЛОБАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ

30 января 2018 г.

ТЕМЫ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

- климат планеты и инновационные научно-технические решения с использованием гидрофторо-лефинов;

- экодизайн и «умные» технологии искусственного охлаждения;

- F-газы и натуральные хладагенты в энергетике XXI века;

- аммиак - холодильный агент будущего;

- новые энергоэффективные климатические технологии;

- мерзлотоведение, изменение климата, эволюция и мониторинг льдогрунтовых образований;

- экологическая результативность холодильно-отопительных систем для рефрижераторного транспорта;

- экспериментальные исследования теплообмена и теплофизических свойств хладагентов, нанофлюидов и хладоносителей, Компьютерное моделирование в термодинамике и теплофизике;

- безмасляные технологии и технологии частотного регулирования в инновационных решениях холодильных агрегатов;

- энергоэффективные технологии получения высококачественного льда в крытых катках;

- «керамическая революция» в производстве теплообменников;

- драйверы роста - центры обработки данных.

Заявки на участие в конференции подавать до 15.01.2018 г. (с пометкой "Хладагенты") на электронный адрес: [e-mail]; [e-mail] Тел./факс: [phone]

Адрес проведения: Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, Университет ИТМО

www.maxiar.spb.ru

Procedía Engineering

www.elsevier.com/locate/procedia

International Conference on Oil and Gas Engineering, OGE-2016

The forecasting of the single-row reciprocating expander

temperature fields

Prilutskiy I.K.a*, Prilutskiy A.I.a, Snazin A.A.a, Molodov M.A.a

aThe National Research University ITMO, 49, Kronversky Pr., St. Petersburg 197101, Russian Federation

Abstract

The single-row reciprocating expander units and elements heat flows and temperature state forecasting results obtained on the basis of the programme KOMDET-M and calculation complex ANSYS are represented in the paper. The single-row expander temperature field dependence on the moving and fixed stage elements design features and materials properties, exhaust chamber and outlet parth geometry, external and internal thermal insulation availability and unit base elements cooling methods was examined in the course of numerical experiment. Isentropic efficiency qs which maximum level corresponds to the gas final temperature minimum of the stage exhaust chamber Tf is accepted as the perfection criterion of the obtained engineering solutions. The application of the expander stage nonmetallic body having additional internal thermal insulation combined with defining and calculation explanation of optimal volume values, heat exchange surface area, exhaust chamber channels form and section as well as advanced valves and base elements cooling schemes at the design stage was shown to produce a positive effect in low and medium pressure low-consumption expanders at the shaft speed of n < 50 s'1. © 2016PublishedbyElsevier Ltd. Thisisanopenaccess article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.Org/licenses/by-nc-nd/4.0/). Peer-review under responsibility of the Omsk State Technical University

Keywords: expander; exhaust chamber; thermal insulation; processes; modelling; numerical experiment; temperature field; nonmetallic materials; efficiency, forecasting

<D

CrossMark

Available online at www.sciencedirect.com

ScienceDirect

Procedia Engineering 152 (2016) 412 - 419

1. Introduction

The characteristic tendency of the reciprocating expanders development at the present stage is the unification due to the bases with multiple-row high-speed compressors thus making it possible to predict the specific weight and dimensional parameters decrease, designed expanders high efficiency and reliability under expander stages

* Corresponding author. Tel.: [phone]. E-mail address: [e-mail]

1877-7058 © 2016 Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.Org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Peer-review under responsibility of the Omsk State Technical University

doi: 10. 1016/j .proeng .2016.07.608

providing with the conceptually new gas distribution system [1]. Alternatively, the expander efficiency depends on the heat flow rate to the working fluid from the unit base and expander stage elements having elevated temperature including "stage casing - cylinder liner" assembly with space between them forming the exhaust chamber, end valve plate and piston. Heat gains reduction is possible to be achieved by means of the stage elements construction changes, nonmetallic materials application, exhaust chamber form and dimensions changing, thermal insulation and cooling scheme improving, which is the core of the present study.

2. The study subject

The expander-compressor unit prototype vertical row ECU-3Sh 0.5-20-8/1 S consisting of the direct-flow expander stage DS 0.5-20-8/1S with the single-acting piston which lower part functions as a crosshead was chosen as the study subject. In the standard version all the stage elements are made of metal. The feature of construction is the cylinder-piston group lubrication absence under the motion mechanism elements consistent grease. The stage is equipped with the self-acting normally open inlet valves having spherical shut-off devices. The exhaust ports are made on the bottom of the cylinder liner, and their quantity, form, dimensions and position relative to the top dead center (TDC) are provided by the complete gas expansion at the moment of piston enters the bottom dead center (BDC).

The study subject technical specification:

• base nominal force is Pb = 0.5 m

• working gas is actual air

• mass flow rate is mnom = 20 (30) kg/hr

• cylinder diameter is Dc = 50 (< 60) mm

• piston stroke is Sp = 45 mm

• cylinder working volume is Vh = 88.3125 cm3

• a number of intake valves is zv = 3 (4)

• shaft speed is n = 25 s-1

• initial pressure is Pi = 0.80 MPa

• discharge pressure is Pd = 0.11 MPa

• initial temperature is Ti = 293 (303) K

The relative piston stroke Ci =( S/Sn)i in the cycle fixed points for all the variants is accepted as a constant one: C2 = 0.310 ... 0.312, C3 = C5 = 0.8667, C6 = 0.011.

The expanders efficiency improvement requires the following objectives achieving:

• the temperature field studying of the low pressure single-row direct-flow reciprocating expander without the cylinder lubrication, having combined gas distribution system and crosshead motion mechanism;

• the evaluation of the various factors influence on the heat gain reduction to gas of the cylinder and in the expander stage outlet chamber;

• the operation processes and expander stages constructions development recommendations justifying which contribute to the multiple-row high-speed expanders technical and economical performance improvement.

3. Methods

The numerical experiment including the expander stage current and integral parameters complex analysis as well as the velocities and temperatures level one of the single-row reciprocating expander RE 0.5-20-8/1S outlet path elements is the research methodology basis.

The study was conducted on the basis of the calculation complex ANSYS CFX [2, 3] and author's method based on the compressors and expanders stages operation processes mathematical modelling, supplemented by the complex of calculation and empirical dependences obtained when testing domestic and foreign full-scale compressors and expanders having various geometrical and operating parameters and working fluids properties. KOMDET-M programme is applied by the variety of domestic firms and higher educational institutions of the Russian Federation [4, 6].

The variable-mass body energy conservation equation of the considered stage cylinder "i" is fundamental for the model and is presented in the following form:

where j is the chambers number bordering on the cylinder.

On the basis of I and II thermodynamic laws, the equation for the specific internal gas energy in the cylinder with the parameters p and T is possible to be presented in the following form:

du = T ■ ds - p ■ dv

which after simple transformations allows to connect the specific entropy changing

with the heat and mass transfer processes in the positive machines stage. When complementing the obtained equations complex with the calculated and empirical dependences describing the time varying and average by the current heat-exchange surface heat-transfer coefficients proved in papers [1, 7-11, 14], the equation for calculating heat quantity AQa^ supplied to gas at the defined calculation step is finally obtained [12, 13]:

where Are..(rc.) are the calculated and empirical coefficients [1] for the expander stage (r.e.) or 1-2 ...z -compressor stage (r.c.).

The real gas state equation pv = zRT where the compressibility coefficient z is determined by means of the Benedict-Webb-Rubin equation [10] modified by B.I. Lee and M.G. Kesler is accepted as a closing one. The initial results studying made possible to define the following:

• Gas heating flowing out of the cylinder through the ports at the average temperature per cycle of Tcav. occurs in the expander exhaust chamber having the volume Vex ch. and internal heat-exchange surface Fint.s. The heating intensity is determined by the value ATf.c=Tf - Tc av = f(V,F,Tw)exch

• The numerical analysis of the expander temperature field on the basis of the dynamic models is unreasonable due to the "computing" time consumption increasing.

Thus, the temperature fields analysis method of the standard and a number of retrofitted stages versions was accepted at the first stage and was based on the "pressure - temperature - gas velocity" parameters comparison in the cylinder and exhaust chamber at the fixed shaft rotation angle of < < 180° corresponding to the exhaust ports full opening moment (•) in the exhaust area at the close to maximum current gas and time average cylinder walls temperatures difference.

d(Uimi) = dQi -dL dE

ds

dQ h ■ dm dEj

m ■ T m • T

Fig. 1. ECU-3Sh 0.5-20-8/1S expanders temperature field.

I - the standard expander stage with metal housing; II - the retrofitted stage: nonmetallic housing, new form, volume and exhaust chamber heat-exchange surface ( 1 - cylinder head, 2 - valve plate, 3 - thermal insulator, 4 - cylinder working chamber, 5 - liner, 6 - stage housing, 7 - exhaust chamber, 8 - crosshead-piston group, 9 - stage outlet pipe, 10 - thermal insulator, 11 - crosshead guide).

4. Results and discussion

In accordance with the technical documentation for the standard expander, its grid model (Fig. 1. I) was created and a number of boundary conditions was introduced:

• on the crankcase side in the cylinder - piston group base, the ECU base contact surface known temperature was assumed to be equal to 40°C;

• the cylinder body and head temperature on the outside was assumed to be equal to Tenv = -20°C in the natural convection conditions at a = 5 W/(m2K);

• the test object was divided into two parts with symmetry condition applying for the cut borders taking into account the object symmetry.

The comparison results of the standard (Fig. 1. I) and retrofitted (Fig. 2. II) expander versions on the assumption of the stage exhaust path pressure and temperature acoustic vibrations absence are represented in Table 1. Henceforth, the expander stage standard version temperature field is taken as a reference one.

Table 1.

Expander stage version

Parameters (ANSYS) Dimension Section -

Standard (Fig. 1. I) R* (Fig. 1. II)

Ports gas velocity m/s Exit from the cylinder - Vavp 86.1 97.6

Absolute pressure MPa Exit from the cylinder -ports Pav. of the 0.133 0.128

Bulk temperature К (° C) Exit from the cylinder - Tc.b. 183.8 (- 89.2) 182.9 (- 90.1)

*The form, heat-exchange surface and exhaust chamber volume (Vexrfl.=0.5 Vh) were changed; expander stage housing is made of polymer material (0 < AP < 0.8MPa).

Air, Ti = 293 K

Exhaust chamber - T„exch -

190.0 (- 83.0) 188.5 (- 84.5)

The first study stage results made possible to find the promising ways of cold loss minimization in the single-row expander including:

• exhaust chamber modernization providing for exhaust chamber channels form gas-dynamic improving, exhaust chamber volume and internal heat-exchange surface correcting and outlet pipe axis transfer into the exhaust ports location;

• polymer materials for the expander stage housing orientation;

• ganged piston with a nozzle made of textolite application;

• base housing and (or) crosshead guide cooling and other factors.

The numerical experiment results show that the minimal heat gain to gas of the exhaust chamber at the expander outlet path pressure fluctuation absence is observed in the case of stage housing producing of polymer materials combined with the exhaust chamber channels recommended arrangement (Fig. 1. II) and geometry. The comparison of the results represented in Table 1 and calculation results obtained when using KOMDET-M programme made possible to establish the practical identity and to recommend applying of the ratio revealing the projected isoentropic efficiency coefficient gain Aqs connection with the gas final temperature ATf decrease intensity in the expander outlet pipe section at the design stage: Aqs1.2 =0.8-AT^1.2.

Fig. 2. The exhaust chamber version.

There is a fragmentary information about pressure fluctuation influence on the outlet path current and integral parameters in the literature [13], consequently, on the working cycle and temperatures field of the expander stage. The analysis allows to emphasize the following concepts:

• For vibration level decreasing the exhaust chamber pressure fluctuation amplitude reduction is typically applied (Fig. 2) which is achieved through the mentioned chamber volume Vexch increase. However, similar solution is accompanied by exhaust chamber internal heat-exchange surface Fexch and expander outlet final gas temperature Tf growing which results in expander isoentropic efficiency coefficient ns decreasing.

Table 2. Expander stage parameters at the exhaust chamber gas parameters fluctuation obtained on the basis of the programme KOMDET-M (Lp=0, dnom. = 30 mm, Kc.w. = 0.5).

Exhaust chamber relative volume Parameter Dimension a = Vex.ch./ Vh, %

500 400 300 200 100 50

Vh= 0.785D2cSp cm3 88.3125

D 100

™. Fig. 2 mm 80

d 60

H = const cm 2.0

L 8.789 7.0 5.25 3.5 1.7578 0.8789

Vex.ch.(1 0.0 : 1) 3 cm3 441.59 351.66 264.94 175.85 88.316 44.159

Fex.ch.(3.75 : 1) cm2 542.09 452.16 364.24 276.32 188.79 144.64

KV= LH/2(L+H) cm3/ cm2 0.8146 0.7778 0.7274 0.6364 0.4678 0.3053

mA kg/hr 19.262 19.313 19.337 19.341 19.325 19.160

Vn.c. nm3/min 0.2664 0.2671 0.2674 0.2675 0.2673 0.2650

Nind. kW 0.537 0.539 0.536

T 248.5 247.7 246.6 246.3 247.0 251.7

Tw.ex.ch. 243

Tc (w.av. cylinder outlet) K 190.0 190.9 190.8 190.7 190.8 191.4

Tf (w.av.ex.ch.) 205.8 204.3 203.0 202.7 203.5 209.0

ATf-0 15.8 13.4 12.2 12.0 12.7 17.6

T|S

0.680

0.692

0.702

0.705

0.698

0.655

SP = AP/Pf 5.45 6.36 7.27 - % -

ST= AT/Tf 2.80 3.18 3.69 4.74 7.86 12.82

• Data presented in Table 2 indicate that for the given form and dimensions (H and L), the heat-exchange surface growing Fexch. only by 3.75 times corresponds to the exhaust chamber volume increasing Vexch. by 10 times.

Therefore, at the design stage taking into account the gas parameters acoustic vibrations in the exhaust tract, the parameter KV = VeXch/Fexch=L-H / 2-(L+H) optimal value searching, where the pressure fluctuation amplitude does not exceed the accepted values and the heating ATf-c=Tfav = f(VuF)exch. of the cool gas supplied from the cylinder minimizes in the exhaust chamber, is appropriately to be performed.

Fig. 3. The expander stage current parameters at the pressure and temperature fluctuations of the final volume exhaust chamber.

The expander stage integral parameters corresponding to the mentioned above condition are represented in Table 2. Gas current parameters of the cylinder Tc and of the exhaust chamber Texch, represented in Fig. 3 in combination with the recorded walls temperature which is average over the current working chamber surface Twc=246,3K provide a visual presentation of the cylinder and exhaust chamber heat fluxes at the variable value a = Texch. / Vh. Taking into consideration the obtained results for the expander examined in the given study at Lexp=0, d-nom. = 30 mm, Kwc = 0.5, the recommended value is aopt =200%.

5. Conclusion

According to the conducted theoretical research results, the application of the expander stage nonmetallic body having additional internal thermal insulation combined with defining and calculation explanation of optimal volume values, heat exchange surface area, exhaust chamber channels form and section as well as advanced valves and base elements cooling schemes at the design stage was shown to produce a positive effect in low and medium pressure low-consumption expanders at the shaft speed of n < 50 s'1.

References

[1] I.K. Prilutskiy, A.I. Prilutskiy, Raschet i proektirovanie porshnevyh kompressorov i detanderov na normalizovannyh bazah. Uchebnoe

posobie, SPb, SPbGAHPT, 1995, 194 p. (In Russian)

[2] D.P. Kolesnev, M.A. Molodov, A.A. Prilutskiy, I.K. Prilutskiy, Primenenie metoda konechnyh objomov pri raschjotnom analize rabochih processov porshnevogo detandera, Vestnik mezhdunarodnoj akademii holoda, 2012, № 1, pp. 53-59. (In Russian)

[3] D.P. Kolesnev, A.I. Prilutskiy, I.K. Prilutskiy, E.M. Romanchenko, Analiz gazodinamicheskih processov v vyhlopnyh oknah prjamotochnoj stupeni porshnevogo detandera, Kompressornaja tehnika i pnevmatika, 2013, № 1, pp. 34-40. (In Russian)

[4] A.I. Prilutskiy, Raschjotnaja T,s-diagramma realnogo cikla stupeni porshnevogo detandera, Kompressornaja tehnika i pnevmatika, 2008, №

1. pp. 22 -25. (In Russian)

[5] E.I. Borzenko, Ju.I. Molodova, A.I. Prilutskiy, I.K. Prilutskiy, Analiz harakteristik stupenej porshnevyh kompressorov pri rabote na razlichnyh gazah, Tehnicheskie gazy, 2013, № 1, pp. 62-68. (In Russian)

[6] I.K. Prilutskiy, I.V. Voroshilov, Opyt prakticheskogo primenenija prikladnoj programmy KOMDET pri optimizacii rabochih processov i konstrukcij stupenej PK i PD na stadii proektirovanija. Sbornik dokladov Nauchn. prakt. konf. Krasnodar, 16 - 18 maja, 2013, pp. 34-48. (In Russian)

[7] D.Y. Peng, D.B. Robinson, Two and three-phase eguilibrium calculations for coal gasification and related proceses. Thermodynamics of agueous systems with industrial applications ACS Symposium Series, 1980, v.133, pp. 393-414.

[8] R. Rid, Gzh. Prausnic, T. Shervud, Svojstva gazov i zhidkostej, Spravochnoe posobie, Per. s angl. pod red. B.I. Sokolova, 3-e izd., pererab. i

dop., L. Himija, 1982, 592 p. Nju-Jork, 1977. (In Russian)

[9] S. Ujejles, Fazovye ravnovesija v himicheskoj tehnologii, V 2-h ch. Ch.1, M, MIR, 1989, 304 p. (In Russian)

[10] B.I. Lee, M.G. Kessler, A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states. A.I.Ch.E Journal, 1975, V. 21, pp. 510-527.

[11] G.S. Soave, Rigoraus and simplified procedures for determining the pure componenst parameters in the Redlich-Kwong-Soave eguation of State. Chem. Eng. Science, 1980, v. 35, pp.1725-1729.

[12] I.K Prilutskiy, Metod opredelenija mgnovennyh lokalnyh kojefficientov teplootdachi v jelementah stupenej mashin objomnogo dejstvija. Tehnicheskie Gazy, №4, 2013, pp. 19-26. (In Russian)

[13] A.I. Prilutskiy, M.A. Molodov, E.I. Borzenko, I.K. Priluckiy, Rabota porshnevogo paro-zhidkostnogo detandera pri kolebanijah davlenija v vyhlopnom trakte. Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. Mashinostroenie, 2012, pp. 129 - 142. (In Russian)

[14] V.L. Jusha,D.G. Novikov, Intensifikacija processov teploobmena v rabochej kamere bessmazochnyh kompressorov, Vestnik mezhdunarodnoj akademii holoda, 2004, Vyp. 4, pp. 8-11. (In Russian)