ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ЗАКОНОВ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ ЦИЛИНДРА В ПРОЦЕССАХ СЖАТИЯ И НАГНЕТАНИЯ В ПОРШНЕВОМ КОМПРЕССОРЕ
Среди существующего многообразия объемных машин поршневые машины составляют около 80 %, что в значительной мере определяет актуальность и значимость работ, направленных на их совершенствование. В настоящее время существует несколько основных путей совершенствования объемных машин, среди которых работы, направленные на совершенствование механизма привода, приобретают все большие значимость и актуальность. Создание нового механизма привода позволит использовать весь запас накопившихся знаний по исследованию рабочих процессов объемных машин.
Создав универсальный механизм привода, позволяющий реализовать практически любой закон изменения объема в поршневой машине 1, можно улучшить процесс сжатия газа за счет более интенсивного его охлаждения и сокращения утечек и перетечек, уменьшить потери энергии в процессе нагнетания и всасывания 2 за счет выбора более рациональных скоростей газа, совершенствовать процесс обратного расширения.
Целью настоящей работы является определение оптимального закона перемещения поршня в поршневом компрессоре в процессах сжатия и нагнетания. Определив оптимальный закон, можно спроектировать кривошипный механизм, который бы его обеспечивал, по рекомендациям работы 1.
ПРОЦЕСС СЖАТИЯ
Теория метода. В процессе сжатия в поршневой машине протекают два разнонаправленных процесса. С одной стороны, улучшение охлаждения газа путем уменьшения скорости перемещения поршня приближает процесс сжатия к изотермическому и улучшает его индикаторный к.п.д., но с другой стороны, малая скорость перемещения поршня увеличивает утечки компримируемого газа и ведет к снижению индикаторного к.п.д. Таким образом, в каждой точке исследуемого процесса существует оптимальное значение скорости, обеспечивающее максимальный индикаторный к.п.д. Рассмотрим некоторую i-тую точку процесса сжатия в цикле поршневого компрессора в p-v координатах.
Переход от i-той точки к (i+1) точке может происходить с разной скоростью поршня от vmin до vmax (см. рис. 1), в том случае, если мы установим данные ограничения, принимая сжимаемый газ идеальным, переход описывается следующей системой дифференциальных уравнений:
Коэффициент теплообмена является функцией числа Рейнольдса и, следовательно, скорости перемещения поршня и определяется на основании рекомендаций работы [4].
Неплотность камеры сжатия обусловлена неплотностью поршневого уплотнения, а так же неплотностями всасывающего и нагнетательного клапанов. Принимая во внимание, что всасывающий и нагнетательный клапаны закрыты в процессе сжатия, то основной неплотностью камеры сжатия является поршневое уплотнение. Расчет утечек и притечек газа через поршневое уплотнение проводим на основании методики, изложенной в работе [3]. Переход от точки к точке +1 признается оптимальным, если обеспечивается максимум следующего критерия.
Записанный критерий является по физическому смыслу индикаторным изотермическим к.п.д. Числитель записанного выражения представляет индикаторную работу в процессе изотермического перехода точки 1 до точки (+1), а знаменатель действительно подведенную индикаторную техническую работу в том же процессе.
Таким образом, переходя последовательно от точки к точке ( + 1) определяем значение оптимальной скорости поршня, т.е. получаем зависимость
Здесь же для сравнения представлены кинематические параметры существующего привода компрессора с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Необходимо отметить, что представленные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. На первом участке процесса сжатия, когда температура сжимаемого газа меньше средней температуры поверхности камеры сжатия скорость поршня должна быть максимальна. На данном участке необходимо уменьшить подвод теплоты к сжимаемому газу, и конечно, сократить утечки сжимаемого газа через поршневое уплотнение.
2. На втором участке процесса сжатия, когда температура сжимаемого газа начинает превышать среднюю температуру поверхности камеры сжатия скорость поршня должна уменьшаться. Уменьшение скорости приведет к увеличению количества отводимой теплоты, несмотря на уменьшение коэффициента теплообмена между газом и поверхностью камеры сжатия. Необходимо отметить, что при ухудшении уплотнения камеры сжатия уменьшение скорости поршня будет менее заметным.
3. На третьем участке процесса сжатия в том случае, когда давление в камере сжатия начинает повышаться и приближаться к давлению нагнетания, утечки сжимаемого газа начинают существенно возрастать, что приводит к увеличению скорости движения поршня
4. При изменении зазоров поршневого уплотнения количественные значения оптимальной скорости поршня в процессе сжатия будут изменяться, в то время как качественный характер будет оставаться тем же.
ПРОЦЕСС НАГНЕТАНИЯ
Процесс нагнетания является вторым по значимости процессом в цикле поршневого компрессора и во многом определяет эффективность работы устройства в целом.
Теория метода. В процессе нагнетания происходит выталкивание сжатого газа из рабочей полости цилиндра потребителю.
В процессе нагнетания происходят сложные тепло-массообменные процессы: выталкивание сжатого газа в линию нагнетания; утечки сжатого газа через неплотность всасывающего клапана и цилиндро-поршневой группы; теплообмен между сжатым газом и поверхностью рабочей полости цилиндра.
С увеличением скорости перемещения поршня уменьшаются утечки и перетечки сжатого газа, однако, увеличиваются потери давления и, следовательно, мощности в нагнетательном клапане и уменьшается количество отводимой теплоты сжатого газа.
С уменьшением скорости перемещения поршня увеличиваются утечки и перетечки сжатого газа; увеличивается количество отведённой теплоты; первоначально уменьшаются потери давления, однако, в дальнейшем их значение не уменьшается, а даже несколько увеличивается, что обусловлено уменьшением параметра «время-сечение» самодействующего нагнетательного клапана.
Таким образом, в каждой точке исследуемого процесса существует оптимальное значение скорости, обеспечивающее максимальный индикаторный к.п.д.
Рассмотрим некоторую i-тую точку процесса нагнетания в цикле поршневого компрессора в р-V координатах.
Переход от i-той точки к (i + 1) может происходить с разной скоростью поршня от Vnmin до Vnmax, что будет приводить к изменению индикаторной диаграммы в процессе нагнетания (см. рис. 4).
Система уравнений, описывающих изменение термодинамических параметров в процессе нагнетания и позволяющие осуществить переход от i-той точки к (i + 1) запишется в виде
Результаты численного анализа
В качестве объекта исследования возьмем I ступень поршневого компрессора К3-L0G. Результаты численного анализа представлены на рис.5,6,7,8.
Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1.Оптимальная скорость перемещения поршня в процессе нагнетания имеет невысокое значение, причем ее абсолютное значение постоянно возрастает в процессе нагнетания.
2.Закон изменения перемещения поршня имеет характер близкий к линейному и существенно отличается от закона изменения объема, который обеспечивает кривошипно-шатунный механизм.
3. В процессе нагнетания наблюдаются колебания давления, однако их характер отличается от колебаний давлений при использовании кривошипно-шатунного механизма: отсутствует скачок давления в начале процесса нагнетания; наиболее значительные колебания давления наблюдаются в конце процесса нагнетания. Необходимо отметить, что при рассчитанной оптимальной скорости перемещения поршня потери давления весьма малы и среднее значение их составляет менее 0,01 МПа.
4.Температура газа в процессе нагнетания практически монотонно уменьшается, что соответствует общей тенденции изменения температуры в процессе нагнетания.
Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004
