Козін віктор Миколайович icon

Козін віктор Миколайович




Скачати 293.07 Kb.
НазваКозін віктор Миколайович
Дата14.07.2012
Розмір293.07 Kb.
ТипАвтореферат

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ


КОЗІН Віктор Миколайович




УДК 621.51+621.52





УЗАГАЛЬНЕНА МОДЕЛЬ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ РІДИННО-КІЛЬЦЕВОЇ КОМПРЕСОРНОЇ МАШИНИ


05.05.14 - холодильна, вакуумна та компресорна техніка,

системи кондиціювання


Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук


Суми - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Сумському державному університеті

Міністерства освіти і науки України.


^ Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

АРСЕНЬЄВ Вячеслав Михайлович,

Сумський державний університет,

професор кафедри технічної теплофізики.


^ Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

ЯКУБА Олександр Родіонович,

Сумський національний аграрний університет,

професор кафедри технологічного обладнання

харчових виробництв;


кандидат технічних наук

^ СМІРНОВ Андрій Віталійович,

ВАТ «Сумське машинобудівне НВО ім. М.В.Фрунзе»,

головний конструктор СКБ ТКМ.


Захист відбудеться 23 жовтня 2009 р. о 1500 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).


Автореферат розісланий “__” вересня 2009 р.





Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.


^ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ


Актуальність теми. Рідинно-кільцеві компресорні машини (РКМ) належать до машин об’ємного принципу дії. Вони не потребують повторної фільтрації газу та не чутливі до потрапляння у їх робочу порожнину разом із газом, що перекачується, пилу, вологи, абразивних частинок та інших домішок. Усе це залишається у рідинному кільці, а з машини виходить очищений газ. У той самий час наявність постійного руху рідини не дає можливості частинкам відкладатися усередині корпусу. Вони виносяться з машини разом із робочою рідиною.

РКМ забезпечують рівномірне всмоктування та компресування газу. Вони також можуть всмоктувати газ, створюючи вакуум, та одночасно подавати його у ємність із тиском, що більший за атмосферний. Однією із суттєвих переваг машини є близький до ізотермічного процес стиснення. Ця умова є необхідною у цілому ряді виробництв: при стисненні ацетилену, вуглекислого газу, хлору та інших газів.

РКМ широко застосовуються у різних галузях народного господарства завдяки їх конструктивній простоті, безвідмовності у роботі та здатності майже ізотермічно стискати газорідинні суміші без забруднення їх маслом. Найбільш часто РКМ використовуються у різних технологічних процесах хімічної промисловості як масообміні установки, для стиснення інертних, агресивних та легкозаймистих газів, у харчовій промисловості – при сублімаційному сушінні продуктів харчування, для випарювання вологи при виробництві цукру тощо. Актуальним на сьогодні є використання РКМ у вугільній промисловості для відкачування метаноповітряних сумішей з подальшим їх транспортуванням до місць утилізації паливного компонента. РКМ часто використовуються для відсмоктування пароповітряних сумішей у паротурбінних установках теплових електростанцій замість водоструменевих вакуумних насосів, що дозволяє майже на два порядки зменшити витрату води.

У більшості випадків робота цих машин пов’язана зі значними тепло- та масообмінними процесами. У ряді випадків як робочу рідину доцільно використовувати рідини із властивостями, які відмінні від властивостей води, що призводить до зменшення споживаної потужності машини, але разом з тим цей факт часто спричиняє ускладнення, а іноді й унеможливлює розрахунок її геометричних, кінематичних та енергетичних параметрів, призводить до значного збільшення витрат часу на доопрацювання моделі шляхом експериментальних доводок. Далеко не всі моделі робочого процесу РКМ враховують тепломасообмінні процеси. Часткове їх урахування не пов’язане загальним алгоритмом, а існує у вигляді окремих розрахункових задач з визначення температури рідини, показників термодинамічних процесів та інших коефіцієнтів. Усі розроблені моделі робочого процесу РКМ базуються на гідродинамічному описі зміни параметрів робочої рідини при її взаємодії з газовим середовищем, що ускладнює процес проектування машини на співвідношеннях робочих середовищ, відмінних від загальноприйнятого «вода – повітря». Усі ці міркування з урахуванням діапазону застосування РКМ, який постійно розширюється, свідчать про значну актуальність проблеми створення саме узагальненої методики розрахунку робочого процесу РКМ при визначенні енергетичних та витратних характеристик машини з урахуванням тепломасообмінних процесів для будь-яких співвідношень робочих середовищ та режимів роботи.

^ Зв’язок із науковими програмами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі технічної теплофізики Сумського державного університету при проведенні науково-дослідних робіт за темою «Дослідження рідинно-кільцевих машин і агрегатів з метою покращення їх об’ємних і енергетичних характеристик» (номер державної реєстрації 0107U001295), що затверджена Міністерством освіти і науки України, та за тематикою лабораторії «Промислова теплоенергетика», держбюджетна тема № 81.02.03.08-09 «Розробка малої бінарної паротурбінної установки для децентралізованого електро- і теплопостачання підприємств України» (замовник – Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0108U000672).

^ Метою дисертаційної роботи є розроблення узагальненої моделі робочого процесу рідинно-кільцевих вакуумних насосів та компресорів, отримання витратних та енергетичних характеристик та визначення шляхів підвищення ефективності роботи рідинно-кільцевих машин у вакуумному та компресорному режимах.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені такі задачі:

– аналіз існуючих моделей робочого процесу РКМ;

– розроблення моделі робочого процесу рідинно-кільцевих вакуумних насосів та компресорів на базі їх представлення у вигляді термомеханічної системи;

– оцінка впливу конденсаційних процесів у РКМ на їх витратні та енергетичні характеристики;

– розроблення методики та рекомендацій для проектування РКМ для будь-яких комбінацій робочих середовищ.

Об’єкт дослідження – робочий процес одноступеневої РКМ простої дії, що працює у вакуумному чи компресорному режимі.

Предмет дослідження – узагальнена модель робочого процесу одноступеневої РКМ простої дії, що працює у вакуумному чи компресорному режимі.

^ Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися такі методи, як: аналіз науково-технічної інформації, математичне моделювання, фізичний експеримент.

Математичне моделювання визначення форми внутрішньої поверхні рідинного кільця та визначення енергетичних та витратних характеристик реалізовані на алгоритмічній мові Pascal у середовищі Turbo PASCAL.

Фізичний експеримент як складова проведеного дослідження передбачав випробування одноступеневої РКМ простої дії у компресорному режимі роботи з метою вимірювання витратних, термічних та енергетичних показників машини, індиціювання температурних полів та тепловізійну зйомку робочої порожнини машини.

Достовірність отриманих експериментальних даних забезпечувалася використанням загальновизнаної у практиці компресоробудування методики проведення відповідних випробувань, а також допустимою похибкою вимірювання фізичних параметрів.

Достовірність отриманих у роботі теоретичних результатів оцінювалась їх порівнянням з експериментальними, отриманими для окремих випадків.

^ Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше розглянуто робочий процес РКМ на базі її представлення у вигляді термомеханічної системи відкритого типу та створено інженерну методику визначення термічних, витратних та енергетичних параметрів машини, яка може застосовуватися для будь-яких співвідношень робочих середовищ.

2. Експериментально досліджено розподіл температури у робочій порожнині водокільцевої компресорної машини для різної її геометрії та частот обертання. Індиціювання температури виконувалися як у радіальному напрямі, так і за кутом повороту на ділянці стиснення. Тепловізійна зйомка дала можливість отримати розподіл температурних полів у робочій порожнині РКМ.

3. На основі експериментальних даних для компресорного режиму роботи водокільцевої машини визначено вплив кінематичних, геометричних та термічних параметрів на показник політропи процесу стиснення.

4. Уперше створено методику розрахунку перетікань газорідинної суміші та газу через торцеві зазори у робочій порожнині РКМ та досліджено їх вплив на енергетичні характеристики машини.

5. Створено методику визначення радіуса-вектора форми внутрішньої поверхні розподілу робочих середовищ з урахуванням впливу на неї зміни тиску газу у робочій комірці.

6. Створено методику визначення зміни термічних параметрів РКМ за кутом повороту робочого колеса та виконано її уточнення для зони стиснення.

7. Результатом синтезу отриманих результатів є розроблення методики розрахунку характеристик РКМ, що може застосовуватися для будь-яких співвідношень робочих середовищ з урахуванням тепломасообмінних процесів.

^ Практична цінність. Інженерна методика розрахунку режимних та енергетичних параметрів РКМ може використовуватися при розроблення нових та перерахунку існуючих одноступеневих машин простої дії.

Методика розрахунку може використовуватися для оцінки впливу тепломасообмінних процесів (випаровування, конденсації та абсорбції) на режимні та енергетичні параметри рідинно-кільцевих вакуумних насосів та компресорів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, наведених у дисертаційній роботі, забезпечується тим, що вони ґрунтуються на основних положеннях термодинамічного аналізу технічних систем, основних законах гідродинаміки руху рідини та підтверджуються результатами експериментальних досліджень.

Основні результати роботи впроваджені у ВАТ «НВАТ ВНДІкомпресормаш», а також використовуються в навчальному процесі у Сумському державному університеті для студентів спеціальності «Компресори, пневмоагрегати та вакуумна техніка», що підтверджується відповідними актами.

^ Особистий внесок здобувача. Основні результати, що були отримані у процесі виконання дисертаційної роботи, наведені у дисертації та опубліковані у статтях зі співавтором, належать автору: [4] – створення моделі робочого процесу РКМ на базі її представлення у вигляді термомеханічної системи відкритого типу; [5] – аналіз методів утилізації шахтного метану; [6] – створення кінематичної моделі визначення радіуса-вектора форми внутрішньої поверхні рідинного кільця, порівняння отриманих результатів з експериментальними даними.

Поставлення задач, вибір методів дослідження, аналіз і узагальнення результатів проведені спільно з науковим керівником роботи – кандидатом технічних наук, доцентом (професором кафедри ТТФ) В.М. Арсеньєвим, який координував основні етапи роботи над дисертацією.

^ Апробація роботи. Основні положення і результати роботи були представлені та обговорювалися на:

– Міжнародній науковій конференції «Технические и технологические газы. Компрессорное оборудование в технологических процессах» (м. Суми, 2006 – 2008);

– V Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» (м. Київ, 2007);

– V Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології» (м. Одеса, 2007);

– XIII та XIV Міжнародних науково-практичних конференціях «Гідроаеромеханіка у інженерній практиці» (м. Київ, 2008; м. Чернівці, 2009);

– науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів СумДУ (щорічно з 2005 по 2008 рік включно).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 наукових праць у спеціалізованих виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України.

^ Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації – 181 сторінка, у тому числі 51 рисунок, 8 таблиць, бібліографія із 111 джерел на 12 сторінках, 2 додатків на 6 сторінках.


^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ


У вступі обґрунтовано актуальність виконання дослідження робочого процесу одноступеневої РКМ простої дії, яке спрямоване на отримання узагальненої моделі розрахунку термічних, витратних та енергетичних характеристик машини з урахуванням тепломасообмінних процесів у її робочій порожнині. Сформульовані мета та задачі дослідження, даються загальна характеристика роботи, наукова новизна отриманих результатів.

^ У першому розділі викладені результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з методами моделювання та їх особливостями під час дослідження робочого процесу РКМ. З цих позицій розглянуто результати досліджень основних представників наукових шкіл, що займалися подібною проблематикою.

Математичне моделювання різних елементів установки чи установки в цілому може розглядатися у вигляді двох основних задач:

  • синтез (проектування, конструювання) об’єкта з оптимізацією конструктивних та режимних параметрів та прогнозування їх характеристик;

  • аналіз роботи існуючих установок або їх елементів за допомогою математичної моделі, отриманої на основі заданих конструктивних характеристик.

Спільне або окреме використання цих двох підходів у тій чи іншій постановці дозволяє вирішувати необмежене коло задач проектування, відшукання прихованих резервів, удосконалення експлуатації.

Стосовно РКМ створення математичної моделі пов’язане з деякими труднощами, які виникають унаслідок наявності таких особливостей РКМ серед компресорних машин об’ємного типу, а саме:

  • перебування двох робочих тіл у різних агрегатних станах;

  • нестаціонарність рідинного потоку за кутом повороту робочого колеса;

  • невизначеність (розмитість) меж взаємодії між рідиною та газом.

Моделювання робочого процесу РКМ для будь-яких підходів та алгоритмів у кінцевому підсумку пов’язане з розв’язанням трьох головних задач:

1) визначення геометричних параметрів, які забезпечують необхідний функціональний взаємозв’язок (об’ємної продуктивності та тиску всмоктування) для вакуумного режиму роботи та (об’ємної продуктивності та тиску нагнітання) для компресорного режиму роботи;

2) описання форми поверхні розділу робочих середовищ;

3) визначення споживаної (або питомої) потужності машини.

Математичне моделювання робочого процесу РКМ вперше було подане у роботах К. Пфлейдерера, який був спеціалістом у галузі лопатевих гідромашин, тому з самого початку він заклав у опис робочого процесу гідродинамічну модель, розглядаючи РКМ як самовсмоктувальний лопатевий насос. Далі розв’язанням трьох основних задач моделювання займалися головним чином такі наукові школи та колективи: ВНДІкріогенмаш (Л.Т. Караганов, Є.І. Пряміцин, В.В. Румянцев та ін.), КХТІ (І.А. Райзман, Е.Б. Мац та ін.), МДТУ ім. М.Е. Баумана (В.Д. Лубенець, І.В. Автономова, Ю.М. Вертепов, В.І. Кучеренко та ін.), СумДУ (В.М. Арсеньєв, В.Ю. Бурмака).

Існуючі моделі розрахунку робочого процесу базуються на гідродинамічному описі зміни параметрів у робочій рідині при її взаємодії з газовим середовищем. Тепломасообмінні процеси у моделях не пов’язані загальним алгоритмом, а існують як окремі розрахункові задачі для знаходження температури рідини, показників термодинамічних процесів та ряду коефіцієнтів. В усіх моделях розрахунок гідродинамічних втрат пов’язаний із залученням великої кількості кореляційних коефіцієнтів, які визначаються з різного роду експериментів. Тому завданням узагальнення різних моделей є вибір різних раціональних підходів до розв’язання як окремих задач моделювання, так й у цілому подання нової концепції розгляду робочого процесу РКМ у вигляді термомеханічної системи відкритого типу.

У другому розділі запропоновано термодинамічний опис робочого процесу РКМ, який базується на поданні машини у вигляді термомеханічної системи відкритого типу, що знаходиться в енергетичній взаємодії з навколишнім середовищем у квазістаціонарній рівновазі (рис. 1).





Рис. 1. Розрахункова схема

енергобалансу РКМ
У поданій схемі (рис. 1) прийнято такі позначення:

^ Х – рідинна підсистема;

Y – газова (парова) підсистема.

Виходячи з рівняння збереження енергії, можна записати вираз для визначення величини питомої потужності РКМ:

, (1)


до якого входять термічні параметри газу та рідини, а також частинні співвідношення масових витрат , приведені до масової витрати газу, що стискується, за умовами всмоктування .

Невідомими величинами у рівнянні (1) є температура газу та рідини на виході з машини, та , втрати у навколишнє середовище та зміна маси підсистем за рахунок впливу тепломасообмінних процесів.

Для визначення зміни температури та тиску газу у машині на ділянці стиснення за кутом повороту та на момент початку процесу нагнітання було складено систему рівнянь на основі першого закону термодинаміки з урахуванням рівняння стану ідеального газу. Розв’язком її є величини температури та тиску:



де – зміна енергії газу у комірці за рахунок міграційного руху газу у робочій порожнині машини.

Процес розв’язання системи рівнянь (2) є ітераційним процесом з урахуванням зміни маси у робочій комірці за кутом повороту, яка відбувається за рахунок перетікань газу через торцеві зазори.

Для розв’язання цієї системи необхідно знати зміну теплового потоку та маси газу у комірці за кутом повороту.

Миттєва величина теплового потоку, що відводиться від газу на ділянці стиснення визначається залежністю

, (3)

або

(4)

де складові рівняння (3) є величинами теплових потоків за рахунок конвективного теплообміну , випаровування та абсорбції , а у рівняння (4) входить величина теплового потоку від стиснення .

Тепловий потік від стиснення визначається за рівнянням політропного процесу

. (5)

Рівняння (5) для випадку ізотермічного стиснення, що характерне для вакуумного режиму роботи РКМ, зміниться на

, (6)

де – ступінь підвищення тиску газу у комірці на деякому куті повороту; – середня масова витрата газу в машині, яку у першому наближенні беруть такою, що дорівнює .

У загальному випадку .

Конвективний тепловий потік між газом у комірці та робочою рідиною визначається з урахуванням усієї площі поверхні робочої комірки, яка містить у собі як поверхню рідинного кільця, так і металеві поверхні, що знаходяться у безпосередньому контакті з газом:

, (7)

де – середній коефіцієнт тепловіддачі від газу до робочої рідини у робочій комірці; – сумарна площа зовнішньої поверхні робочих комірок, що розглядаються; – середній температурний напір між газом та поверхнею робочої рідини.

Унаслідок адіабатного випаровування можна записати, що тепловий потік від випаровування

, (8)

де коефіцієнт пропорційності є відношенням площі випаровування рідини, що знаходиться у комірці, до загальної площі поверхні комірки.

Величина теплового потоку від абсорбції може бути знайдена за величиною диференційної теплоти абсорбції та коефіцієнта розчинення :

, (9)

де – густина компонента, що абсорбується; – парціальний тиск компонента за температури абсорбції ; та – температура та тиск, що відповідають нормальним фізичним умовам (;).




Рис. 2. Рух потоків газу у комірці, що

знаходиться на ділянці стиснення
Зміна маси газу у комірці на ділянці стиснення, окрім вищенаведених процесів, також може спричинятися перетіканнями газу у торцевих зазорах. Тому було поставлено задачу визначення перетікань газу за кутом повороту.

За вихідну модель було взято методику розрахунку перетікань газу та газорідинної суміші, розроблену для мокроповітряних шестеренчастих вакуум-компресорів.

Принципова схема руху потоків газу показана на рис. 2.

Як видно з рис. 2, у кожній комірці, що втратила контакт із вікном всмоктування чи нагнітання спостерігається три види течій у торцевому зазорі:

- – перетікання газоповітряної суміші з комірки безпосередньо у зону всмоктування через маточина робочого колеса (щілина першого типу);

- – перетікання газоповітряної суміші з комірки, що розглядається, у попередню комірку з меншим тиском через лопать (щілина другого типу);

- – натікання газоповітряної суміші з комірки, наступної за тією, що розглядається, через лопать (щілина другого типу).

Сумарний баланс міграції газу для будь-якої комірки, що знаходиться у зоні стиснення, можна записати у вигляді

. (10)

Як визначальні параметри для визначення перетікань газу були взяті:

а) для щілин першого типу:

- ширина – кутова ширина маточини робочого колеса на максимальному її радіусі у межах робочої комірки;

- глибина – радіус втулки;

б) для щілин другого типу:

- ширина визначається радіусом-вектором форми внутрішньої поверхні рідинного кільця за вирахуванням радіуса маточини;

- глибина – товщина лопатки.

Після порівняння отриманих даних із результатами експериментальних досліджень методика була уточнена для РКМ.

Для вирішення другої задачі моделювання, а саме: визначення форми внутрішньої поверхні рідинного кільця запропоновано метод її розрахунку. Розрахункова схема подана на рис. 3.




Рис. 3. Розрахункова схема РКМ
На основі рівняння нерозривності складено основне диференціальне рівняння ФВП РК:


, (11)


яке було розв’язане для двох випадків із визначенням розрахункового рівняння, а саме, коли:


1) коефіцієнт затиснення змінюється по радіусу


; (12)

2) коефіцієнт затиснення постійний по радіусу

, (13)

де у рівняннях (12) та (13): – радіус корпусу; – ексцентриситет; – радіус робочого колеса; – відносний радіус положення внутрішньої поверхні рідинного кільця у перетині 0-0; – коефіцієнт, що враховує вплив геометричних параметрів робочого колеса; – середній коефіцієнт затиснення.

Було виконано порівняння двох методів розрахунку форми внутрішньої поверхні рідинного кільця. Більш точні результати порівняно з результатами експерименту були отримані при розрахунку за першим випадком.

Також було виконано порівняльний розрахунок форми внутрішньої поверхні рідинного кільця за існуючими методами, результати якого подано на рис. 4.






радіус втулки

радіус колеса

пропонована методика за рівнянням (12)

методика К. Пфлейдерера

методика МДТУ ім. М.Е. Баумана

Рис. 4. Порівняння існуючих методик розрахунку форми внутрішньої

поверхні рідинного кільця

Тепловий потік за рахунок конденсаційних процесів визначався через питому теплоту пароутворення та масову витрату конденсату .

Масова витрата конденсату визначалася з урахуванням коефіцієнта конденсаційної здатності та поправкового коефіцієнта , які були отримані експериментальним шляхом:

, (14)

де – об’ємна продуктивність РКМ за сухим повітрям, зведена до температур робочої рідини та повітря .

У свою чергу, ці коефіцієнти є функціями багатьох параметрів .

Втрати у навколишнє середовище визначаються за емпіричною залежністю

, (15)

де та – експериментальні коефіцієнти, що вибираються залежно від положення поверхні теплообміну.

Для визначення величини втрат у навколишнє середовище, , необхідно знати залежність площі зовнішньої поверхні корпусу від об’ємної продуктивності машини, м2, яку було визначено після аналізу геометрії існуючих вакуумних насосів та компресорів, що серійно випускаються:

. (16)

У рівнянні (16) об’ємна продуктивність машини береться у .

Після виконання оцінних розрахунків на предмет визначення впливу величини втрат у навколишнє середовище на результуюче значення питомої потужності було зроблено висновок про можливість нехтування цими втратами.




Рис. 5. Схема енергобалансу рідинної підсистеми РКМ
Визначення температури робочої рідини на виході з машини проводилося з термодинамічного аналізу рідинної підсистеми Х, схема енергобалансу якої наведена на рис. 5.

Виходячи з рівняння збереження енергії для цієї підсистеми, температуру рідини на виході з машини можна визначити таким чином:

, (17)

де – зведені величини теплових потоків; – зведена величина гідродинамічних втрат, яка визначається за методикою, що була запропонована В.Ю. Бурмакою.

Задача визначення питомої потужності або потужності РКМ є ітераційним процесом, у якому весь час уточнюється значення зміни масової витрати газу, а відповідно, й робочої рідини. У загальному випадку ця величина може бути визначена так

, (18)

де – масова витрата робочої рідини, що перетворилася на пару.

Розрахунок завершується визначенням приросту ентропії термодинамічної системи РКМ:

, (19)

де – середня масова витрата робочої рідини у машині; ;

та ексергетичного ККД РКМ:

. (20)

Дійсна продуктивність РКМ визначається з урахуванням коефіцієнта подачі:

, (21)

де – масова витрата газу, розрахована за об’ємом робочої комірки у нижньому перетині машини; – масова витрата газу, зумовлена зворотним розширенням із замкнутого об’єму мертвого простору; – масова витрата газу, зумовлена перетіканнями газу у торцевих зазорах.

У результаті маємо термодинамічну модель робочого процесу РКМ, яка враховує всі основні тепломасообмінні процеси (конденсацію, випаровування та абсорбцію) та може застосовуватися при розрахунку термічних, витратних та енергетичних параметрів для будь-яких співвідношень робочих середовищ.

^ У третьому розділі наведено принципову схему експериментального стенду для дослідження термічних, витратних та енергетичних характеристик машини. Зображено схему автоматики експериментального стенда, підібрано та описано вимірювальні прилади. Особливу увагу приділено методиці індиціювання температурного поля у робочій порожнині машини та приладу для вимірювання температури, а також тепловізійній зйомці, яку у подібних дослідженнях було застосовано вперше.

Обробка результатів вимірювань та визначення похибки однократного прямого та непрямого вимірювання різних параметрів свідчать про точність отриманих результатів. Засоби вимірювання пройшли атестацію і повірку в установленому порядку.

^ У четвертому розділі роботи виконувалося:

– зіставлення результатів, отриманих експериментально, з величинами, отриманими шляхом математичного моделювання, за методикою, що наведена у другому розділі дисертаційної роботи;

  • уточнення методики розрахунку перетікань;

  • визначення показника політропи у компресорному режимі роботи та вплив на нього витратних та кінематичних параметрів РКМ;

  • визначення впливу конденсаційних процесів на параметри її робочого процесу;

  • індиціювання температурного поля у робочій порожнині машини.

Для підтвердження методики розрахунку форми внутрішньої поверхні рідинного кільця було виконано порівняння розрахункового значення цієї величини з отриманим експериментальним шляхом. Зіставлення розрахункової та дійсної форми внутрішньої поверхні рідинного кільця виявило добрий збіг на ділянці всмоктування, а на ділянках стиснення та нагнітання було виявлено розбіжність, яку було компенсовано шляхом






а

б

Рис. 6. Знімки рідинного кільця РКМ у вакуумному (а) та

компресорному (б) режимах для параметрів :

а) , ; б) , ()

введення у рівняння (12) поправкового коефіцієнта пропорційності , що може бути визначений за рівнянням

, (22)

де – експериментальний коефіцієнт, який залежить від режиму роботи РКМ та частоти обертання робочого колеса.

Для компресорного режиму в межах досліджуваних параметрів ця величина є незмінною , а для вакуумного – може бути виражена залежністю

. (23)

Результати порівняння розрахункових та експериментальних форми внутрішньої поверхні рідинного кільця показані на рис. 6.

На рис. 6 різними типами ліній показано: суцільна – поверхня маточини робочого колеса, зовнішня поверхня робочого колеса та дійсна форма рідинного кільця; штрихова – форма рідинного кільця, розрахована за пропонованою




а



б

Рис. 7. Вплив коефіцієнта газовмісту Х на:

а) масову витрату повітря через щілину для різних тисків всмоктування, ;

б) об’ємну витрату повітря через щілину, зведену до тиску всмоктування,
методикою без урахування поправкового коефіцієнта ; штрихпунктирна – форма внутрішньої поверхні рідинного кільця, розрахована з урахуванням поправкового коефіцієнта (майже співпадає з дійсною формою рідинного кільця)

Фотознімки рідинного кільця (рис. 6) показують гарну відповідність дійсної форми внутрішньої поверхні рідинного кільця тій, що розрахована за пропонованою методикою.

За методикою розрахунку перетікань через торцеві зазори для мокроповітряних шестеренчастих вакуум-компресорів було розраховано масову витрату газу у щілині, розраховано величину об’ємної витрати газу, зведену до умов всмоктування. Отримані результати було уточнено з урахуванням експериментальних досліджень та отримано уточнену методику для РКМ, опис якої наводиться у дисертаційній роботі. Результати розрахунків та їх порівняння наведено на рис. 7.

Під коефіцієнтом газовмісту Х розуміється відношенням масової витрати газу до масової витрати газорідинної суміші, що протікає через щілину. З рис. 7 видно гарну відповідність результатів експериментальних вимірювань результатам, що були отримані розрахунковим шляхом.

Для визначення впливу конденсаційної здатності на робочі параметри РКМ було оцінено вплив тиску всмоктування та температур робочої рідини , та газу на масову витрату конденсату , результати якого наведені на рис. 8. Розрахунки виконувалися для вакуумного насоса ВВН1-3.




1 – при ; ;

2 – при ; ;




1 – при ; ; ;

2 – при ; ;

Рис. 8. Оцінка впливу конденсаційної здатності РКМ


З рис. 8 бачимо, що масова витрата конденсату збільшується зі збільшенням температури газу та зменшується зі збільшенням тиску всмоктування та температури робочої рідини.

Індиціювання температурного поля у робочій порожнині РКМ, що працювала у компресорному режимі, виконувалося на різній геометрії (для відношень та ) та для кутових швидкостей обертання за кутом повороту в зоні стиснення (кут з інтервалом ), у радіальному напрямі від внутрішньої поверхні стінки корпусу до поверхні лопаток робочого колеса у нижньому перетині машини () та в осьовому напрямі.

Результати досліджень показали, що температура робочої рідини за кутом повороту в області стиснення практично змінюється не суттєво. Результати експериментальних досліджень температурних полів у робочій порожнині машини наведені у дисертаційній роботі.

Також вперше для РКМ було виконано тепловізійну зйомку робочої порожнини машини, яка дозволила підтвердити результати, отримані шляхом індиціювання, та визначити розподіл температурних полів у всій робочій порожнині РКМ як у радіальному, так і в осьовому напрямі. Докладні результати тепловізійної зйомки викладені у дисертаційній роботі.

Уперше було виконано дослідження з визначення показника політропи стиснення для компресорного режиму роботи РКМ та досліджено вплив на нього витрати робочої рідини. За результатами експериментальних досліджень величина показника політропи для компресорного режиму при витраті робочої рідини становила . У роботі показано, що цей показник змінюється за кутом повороту робочого колеса.



Рис. 9. Залежність питомої потужності РКМ від ступеня підвищення тиску для при різних колових швидкостях обертання робочого колеса

1, 3, 5 – розрахунок; 2, 4, 6 – експеримент; 1, 2 – ; 3, 4 – ; 5, 6 –


На рис. 9 показано порівняння питомої потужності РКМ, отриманої шляхом розрахунку за пропонованою методикою, з результатами експериментальних досліджень. З рисунка видно, що результати розрахунку близькі до експерименту. Цей факт підтверджує адекватність пропонованої методики.


ВИСНОВКИ


У дисертаційній роботі на основі термодинамічного аналізу робочого процесу РКМ та представлення її у вигляді термомеханічної системи відкритого типу створено узагальнену модель її робочого процесу. За допомогою розробленої методики можна визначати дійсну продуктивність машини, радіус-вектор внутрішньої поверхні рідинного кільця та, найголовніше, питому потужність з урахуванням тепломасообмінних процесів у її робочій порожнині для будь-яких співвідношень робочих середовищ.

За результатами виконання дисертаційної роботи можна зробити такі висновки:

  1. В результаті аналізу моделей розрахунку робочого процесу виявлено відсутність загального алгоритму врахування тепломасообмінних процесів, а окремі існуючі підходи базуються на гідродинамічному описі.

  2. Створено узагальнену модель робочого процесу рідинно-кільцевих вакуумних насосів та компресорів на базі їх представлення у вигляді термомеханічної системи відкритого типу.

  3. Створено методику розрахунку термічних, витратних та енергетичних параметрів РКМ для будь-яких співвідношень робочих середовищ у яку ввійшли:

- методика визначення перетікань газорідинної суміші та газу через торцеві зазори у робочій порожнині РКМ;

- методика визначення радіуса-вектора форми внутрішньої поверхні рідинного кільця з урахуванням впливу на неї зміни тиску газу у робочій комірці за кутом повороту;

- методика розрахунку зміни термічних параметрів тиску та температури за кутом повороту робочого колеса на ділянці стиснення.

  1. Експериментально визначено показник політропи стиснення для компресорного режиму роботи РКМ.

  2. Експериментально досліджено розподіл температурних полів у робочій порожнині машин.

  3. Досліджено вплив термічних параметрів робочих середовищ на конденсаційну здатність РКМ.


^ СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА


1. Козин В.Н. Задачи экспериментальных исследований работы жидкостнокольцевых машин в компрессорном режиме и их техническое содержание / В.Н. Козин // Вісник СумДУ. – 2006. – № 12 (96). – С. 58-65.

2. Козин В.Н. Применение жидкостнокольцевых машин для пыле- и газоочистки в металлургической промышленности / В.Н. Козин // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2006. – № 2. – С. 53-57.

3. Козин В.Н. Выбор рабочей жидкости жидкостнокольцевой компрессорной машины, функционирующей в составе системы утилизации шахтной метановоздушной смеси / В.Н. Козин// Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2007. – № 2 (8). – С. 53-55.

4. Арсеньев В.М., Козин В.Н. Моделирование рабочего процесса компрессорной машины жидкостно-кольцевого типа / В.М. Арсеньев, В.Н. Козин // Холодильна техніка і технологія. – 2007. – № 5 (109). – С. 10-13.

5. Козин В.Н., Арсеньев В.М. О применении жидкостнокольцевых компрессорных машин для дегазации и транспортировки шахтной метановоздушной смеси / В.Н. Козин, В.М. Арсеньев // Промышленная теплотехника, – 2007. - № 7 . – С. 107-110.

6. Арсеньев В.М., Козин В.Н. Кинематическая модель определения поверхности раздела рабочих сред жидкостно-кольцевой компрессорной машины / В.М. Арсеньев, В.Н. Козин // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2008. – № 1 (11). – С. 51-54.


АНОТАЦІЯ


Козін В.М. Узагальнена модель робочого процесу рідинно-кільцевої компресорної машини. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.14 - холодильна, вакуумна та компресорна техніка, системи кондиціювання. – Сумський державний університет, Суми, 2009.

У дисертаційній роботі наведені: математична модель для визначення витратних, енергетичних та термічних параметрів одноступеневої рідинно-кільцевої компресорної машини (РКМ) простої дії, що працює у компресорному чи вакуумному режимі для будь-яких співвідношень робочих середовищ, результати експериментального дослідження її робочого процесу з визначенням витратних, термічних та енергетичних параметрів машини для компресорного режиму роботи, досліджено розподіл температурних полів у робочій порожнині РКМ у радіальному та осьовому напрямах та за кутом повороту для різних геометричних співвідношень робочих елементів машини, виконано зіставлення результатів чисельного та експериментального досліджень.

Основним змістом роботи є створення узагальненої моделі робочого процесу РКМ, яка б враховувала вплив тепломасообмінних процесів на її витратні та енергетичні характеристики. На базі отриманої моделі створено інженерну методику розрахунку витратних та енергетичних характеристик машини та програмний продукт.

^ Ключові слова: рідинно-кільцева компресорна машина, водокільцева машина, вакуумний насос, компресор, робочий процес, термодинамічна модель, тепломасообмін, енергетична характеристика, ексергетичний ККД, температурне поле.


АННОТАЦИЯ


Козин В.Н. Обобщенная модель рабочего процесса жидкостно-кольцевой компрессорной машины. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.14 - холодильная, вакуумная и компрессорная техника, системы кондиционирования. – Сумский государственный университет, Сумы, 2009.

В диссертационной работе приведены: математическая модель для определения расходных, энергетических и термических параметров одноступенчатой жидкостно-кольцевой компрессорной машины (ЖКМ) простого действия, которая работает в компрессорном или вакуумном режиме для любых сочетаний рабочих сред; результаты экспериментального исследования ее рабочего процесса с определением расходных, термических и энергетических параметров машины для компрессорного режима работы; исследовано распределение температурных полей в рабочей полости ЖКМ в радиальном направлении и по углу поворота для разных геометрических соотношений рабочих элементов машины; проведено сопоставление результатов численного и экспериментального исследований.

Основным содержанием работы является создание обобщенной модели рабочего процесса ЖКМ, которая бы учитывала влияние тепломассообменных процессов на ее расходные и энергетические характеристики. В диссертационной работе ЖКМ рассматривается в виде термомеханической системы открытого типа. Из общего энергетического баланса, не углубляясь в рассмотрение гидродинамики потоков жидкости и газа, получено выражение для определения удельной мощности машины. Расчетное выражение может применяться для расчета ЖКМ для любых сочетаний рабочих сред, а также для разных режимов работы машины. Учет тепломассообменных процессов производится путем определения по известным зависимостям количества теплоты, подведенной или отведенной (в зависимости от типа процесса) от рассматриваемой среды, а также вызванное этими процессами перераспределение массы рабочих сред. Предложена кинематическая модель движения жидкости в рабочей полости машины и получено выражение для определения радиуса-вектора формы внутренней поверхности жидкостного кольца. Результаты сравнений формы внутренней поверхности жидкостного кольца, которая была получена расчетным путем по предлагаемой методике с учетом поправочного коэффициента на изменение давления газа в рабочей ячейке по углу поворота рабочего колеса, показала хорошее совпадение с результатами, полученными экспериментальным путем. Рассмотрено движение газожидкостной смеси через щель в торцовом зазоре и разработана методика расчетного определения величины перетечек газа для отдельно взятой ячейки, которая находится на произвольном углу поворота рабочего колеса в зоне сжатия. Также определена суммарная величина перетечек в торцовом зазоре машины вцелом. Сравнение величины перетечек через торцовые зазоры, полученной расчетным путем, с экспериментальными исследованиями дает хорошее совпадение результатов. На базе полученной модели создано инженерную методику расчета термических, расходных и энергетических характеристик машины и программный продукт.

^ Ключевые слова: жидкостно-кольцевая компрессорная машина, водокольцевая машина, вакуумный насос, компрессор, рабочий процесс, термодинамическая модель, тепломассообмен, энергетическая характеристика, эксэргетический КПД, температурное поле.


SUMMARY


Kozin V.N. The generalised model of working process of the liquid-ring compressor machine. - The manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.14 - refrigerating, vacuum and compressor technics, systems of air-conditioning. - Sumy State University, Sumy, 2009.

The thesis present the results: mathematical model for definition of account, power and thermal parametres of the one-stage liquid-ring compressor machine (LRCM) simple action that works in a compressor or vacuum mode for any parities of working environments; results of an experimental research of its working process with definition of account, thermal and power parametres of the machine for a compressor operating mode; distribution of temperature fields in working cavity of LRCM in a radial direction and on a corner of turn for different geometrical parities of working elements of the machine is investigated; comparison of results of numerical and experimental researches is carried out.

The basic contents of the work is creation of the generalised model of working process of LRCM which would consider influence of heat-and-mass transfer processes on its account and power characteristics. On the basis of the received model it is created an engineering design procedure of account both power characteristics of the machine and software product.

^ Key words: the liquid-ring compressor machine, the water ring machine, the vacuum pump, the compressor, working process, thermodynamic model, heat-and-mass transfer, the power characteristic, efficiency of exergy, a temperature field.



Підп. до друку 15.09.2009

Обл.-вид. арк. 0,9.

Ум. друк. арк. 1,1.

Тираж 100 пр.

Замовлення №____

Формат .

Папір офс.

Гарнітура Times New Roman Cyr.

Друк офсетний

Вид-во СумДУ. 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2

Свідоцтво ДК № 3062 від 17.12.2007 р.

Друкарня СумДУ. 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2

Схожі:

Козін віктор Миколайович iconНавчальна програма дисципліни основи спеціальної психології
Аіш україни Синьов Віктор Миколайович (Національний педа­гогічний університет імені М. П. Драгоманова, Інститут корекцій-ної педагогіки...
Козін віктор Миколайович iconБулава Леонід Миколайович
Булава Леонід Миколайович завідувач кафедри географії та краєзнавства Полтавського національного педагогічного університету імені...
Козін віктор Миколайович iconМіністерство освіти І науки україни державний вищий навчальний заклад «київський національний економічний університет імені вадима гетьмана» жупаненко віктор миколайович
Робота виконана на кафедрі міжнародних фінансів двнз «Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана» Міністерства...
Козін віктор Миколайович iconОсика Ігор Миколайович
Осика Ігор Миколайович, викладач кафедри криміналістики Національного університету внутрішніх справ
Козін віктор Миколайович iconНімич Віктор Володимирович асистент кафедри радіоелектронних комплексів
...
Козін віктор Миколайович iconДенисенко валерій Миколайович
Денисенко валерій Миколайович – канд філос наук (Творчий характер праці: сукупність та форми вияву, 1986), д-р політичних наук (Раціоналізм...
Козін віктор Миколайович iconАпн україни Член-кореспондент Академії педагогічних наук України Віктор Костянтинович Сидоренко
Віктор Костянтинович Сидоренко: Біобібліографічний покажчик /Упоряд. Н.І. Тарасова, Г.І. Шаленко; Національний педагогічний університет...
Козін віктор Миколайович iconАпн україни Член-кореспондент Академії педагогічних наук України Віктор Костянтинович Сидоренко
Віктор Костянтинович Сидоренко: Біобібліографічний покажчик /Упоряд. Н.І. Тарасова, Г.І. Шаленко; Національний педагогічний університет...
Козін віктор Миколайович iconМетодичні вказівки до практичних занять студентів з дисципліни " страхування " для напрямів підготовки
Страхування ” /Укладачі: Е. Г. Козін, О.І. Мельник, С. В. Похилько.– Суми: Вид-во СумДУ, 2009. 50 с
Козін віктор Миколайович iconГорячев Віктор Костянтинович

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи