автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электрогазодинамического (ЭГД) компрессора при пульсирующем напряжении для холодильной техники и систем кондиционирования

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ СЕРГЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО (ЭГД) КОМПРЕССОРА ПРИ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ НАПРЯЖЕНИИ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.03. - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ СЕРГЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО (ЭГД) КОМПРЕССОРА ПРИ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ НАПРЯЖЕНИИ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.03. - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Техника и физика низких температур» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик Международной академии Холода Бума-гин Г.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, академик Международной академии Холода Кабаков А.Н.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник «Транссибнефть» Мызников М.О.

Ведущее предприятие: ООО НТК «Криогенная техника», г. Омск

Защита состоится «21» октября 2005 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.178.02 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050. Омск, Пр. Мира, 11, корпус № 6 ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 644050, Омск, Пр. Мира, 11, Омской государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.178.02.

Автореферат разослан « » сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

— В .Л. Юша

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа посвящена решению одной из важных задач, имеющей существенное значение для холодильной техники и систем кондиционирования - «Разработка и исследование электрогазодинамического (ЭГД) компрессора при пульсирующем напряжении для холодильной техники и систем кондиционирования».

ЭГД-компрессор относится к ЭГД-преобразователям энергии, в которых электрическая энергия непосредственно, минуя механические посредники, преобразуется во внутреннюю и кинетическую энергию потока, выраженную в повышении давления и создании определенного расхода рабочего тела, в данном случае хладона. Основное их достоинство - это полное отсутствие движущихся механических частей. Как следствие этого, ЭГД-компрессор не требует смазки, и нет необходимости растворять хладон в минеральном или синтетическом масле, как это делается в обычных механических компрессорах, применяемых в холодильной технике. Это, в свою очередь, существенно улучшает теплообмен в конденсаторе и испарителе и работу холодильной системы в целом.

Разработанные ранее ЭГД-нагнетатели и, в частности, ЭГД-компрессор на постоянном напряжении показали возможность применения их в холодильной технике и системах кондиционирования, однако их КПД остается на недостаточно высоком уровне, 30-35%. Для широкого внедрения ЭГД-компрессора в этой области необходимо повысить эффективность и надежность их работы. Как показал анализ потерь в ЭГД-компрессоре при постоянном напряжении, основными потерями в процессах ЭГД-преобразования являются потери, обусловленные негативным влиянием объемного заряда, которые составляют 50% и более от суммы всех потерь. Поэтому сокращение этих потерь и разработка высокоэффективного и надежного в работе ЭГД-компрессора является одной из важных и актуальных задач повышения эффективности работы ЭГД-компрессора и широкого его применения в холодильной технике и системах кондиционирования.

Цель работы и задачи исследования. Основной целью данной работы является «Повышение эффективности и надежности работы ЭГД-компрессора путем применения в качестве питания пульсирующего напряжения».

Исходя из основной цели работы, были поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать физическую и математическую модели нестационарных процессов в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении, отражающих реальные процессы как в зоне ЭГД-преобразования, так и в зонах ионизации, рекомбинации и диффузоре с учетом влияния объемного заряда на эффективность работы ЭГД-компрессора.

2. Провести расчет и анализ эффективности процессов в ступенях ЭГД-компрессора, определить оптимальный режим работы при пульсирующем напряжении.

3. Дать качественную и количественную оценку потерям в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

4. Разработать экспериментальный образец ступени ЭГД-компрессора с учетом теоретических исследований и экспериментальный стенд с возможностью подключения ступеней к источнику с пульсирующим напряжением.

5. Определить параметры рабочего тела, при которых его применение наиболее эффективное в ЭГД-компрессоре.

6. Разработать методику экспериментального исследования процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении. Дать оценку погрешности при измерении параметров рабочего потока и электрических величин.

7. Провести экспериментальное исследование ступеней ЭГД-компрессора при питании пульсирующим напряжением и анализ результатов эксперимента. Выполнить сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований.

8. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований процессов в ступенях разработать экспериментальный многоступенчатый образец ЭГД-компрессора и экспериментальный стенд с питающим пульсирующим напряжением на реальные параметры малых холодильных установок и систем кондиционирования. Провести экспериментальное исследование многоступенчатого ЭГД-компрессора с построением вольтамперной и расходно-напорной характеристик.

9. Разработать рекомендации по конструированию ступеней многоступенчатого ЭГД-компрессора с пульсирующим напряжением и его применению в бытовых холодильных установках и системах кондиционирования.

Методы исследования. В работе были использованы современные методы теоретического и экспериментального исследований. При теоретическом исследовании использовались классические законы термодинамики, газодинамики и электродинамики, на основе которых была построена математическая модель нестационарных процессов в ступенях ЭГД-компрессора с пульсирующим напряжением. Полученная математическая модель представляет систему дифференциальных и интегральных уравнений с начальными и граничными условиями, которая решалась численно с использованием метода Рунге-Кутга и метода итераций.

При экспериментальном исследовании ступеней и многоступенчатого ЭГД-компрессора для снятия вольтамперных и расходно-напорных характеристик проводился двухфакторный эксперимент, в котором указанные зависимости искались в виде уравнений регрессии второго порядка.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана математическая модель нестационарных процессов, происходящих в зоне ионизации, которая подтверждает основные физические принципы и моменты возникновения и угасания коронного разряда при пульсирующем напряжении. Предложенная математическая модель позволяет проводить расчеты образующего конвективного тока и тока смещения в зоне ионизации.

2. Разработана новая математическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора, которая учитывает влияние волны объемного заряда в зоне ЭГД-преобразования на величину образования конвективного тока и тока смещения в зоне ионизации с учетом процессов рекомбинации и утечек конвективного тока.

.. ..и'.4»" • '' , (»<>»*<•. ^

* • 4 4

* •»» *>' '

ж* ч - —— " •

3. Обоснован предложенный метод повышения эффективности процессов ЭГД-преобразования в ступенях ЭГД-компрессора путем применения пульсирующего напряжения. Определена оптимальная частота пульсирующего напряжения для конкретной конструкции ступени, когда ЭГД-компрессор работает наиболее эффективно.

4. Предложена методика расчета потерь в ступенях ЭГД-компрессора при работе на пульсирующем напряжении, которая подтверждает повышение эффективности работы ступеней ЭГД-компрессора за счет уменьшения потерь энергии от негативного влияния объемного заряда при пульсирующем напряжении.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Математическая модель процессов в зоне ионизации ступеней ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении, которая устанавливает моменты и причины зажигания и угасания коронного разряда и позволяет определить величины образующего конвективного тока и тока смещения.

2. Математическая модель процессов в зоне ЭГД-преобразования при пульсирующем напряжении, которая учитывает влияние волны объемного заряда на эффективность работы ступеней ЭГД-преобразования с учетом процессов ионизации, рекомбинации и утечек заряда на стенки канала.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ступеней и многоступенчатого образца ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

4. Методика расчета потерь в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика расчета ступени и многоступенчатого ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

2. Предложена конструкция многоступенчатого ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении, способная эффективно работать в малых холодильных установках и системах кондиционирования.

3. Разработаны рекомендации по конструированию и применению ЭГД-компрессора с пульсирующим напряжением в холодильной технике и системах кондиционирования.

Реализация результатов работы.

Разработанная конструкция многоступенчатого ЭГД-компрессора и рекомендации по конструированию и применению ЭГД-компрессора в холодильной технике и системах кондиционирования переданы в ООО НТК "Криогенная техника" для создания опытного образца для систем кондиционирования

Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов планирования и проведения экспериментальных исследований, статистических методов при обработке экспериментальных данных, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных величин и характеристик ЭГД-компрессора.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы докладывались на II Международной научно-технической конференции, посвященной 300-летаю Санкт-Петербурга "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", С-Петербург, 2003 г.; на V Международной науч-

но-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин", Омск, 2004 г., на III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», г. Омск, ОмГТУ, 2005 г.

Публикации. Основные научные положения диссертационной работы опубликованы в 5-и работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы. Общий объем составляет 165 страниц, из них 34 рисунка. Список использованной литературы содержит 77 наименований.

Содержание работы

Во введении дан краткий анализ работы ЭГД-компрессора при постоянном напряжении питания. Отмечены его основные недостатки и потери энергии от негативного влияния поля объемного заряда. Предложено уменьшить эти потери путем применения в качестве питания пульсирующего напряжения. Сформулирована основная цель диссертационной работы: "Повышение эффективности работы ЭГД-компрессора для холодильной техники и систем кондиционирования путем применения пульсирующего напряжения".

В первой главе рассмотрены принцип работы и физика процессов в ЭГД-компрессоре. Дан анализ состояния вопроса по разработке исследования ЭГД-нагнетателей и ЭГД-компрессоров. Отмечены основные источники потерь энергии в ЭГД-компрессоре при постоянном напряжении. Рассмотрены особенности работы ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении и дан анализ работам по созданию ЭГД-нагнетателей, в частности ЭГД-насоса, при пульсирующем напряжении. Сделаны выводы и поставлены основная цель работы и задачи теоретического и экспериментального исследования. Принцип работы ЭГД-компрессора рассматривается на основе ступени, которые последовательно устанавливаются по всей длине проточной части многоступенчатого ЭГД-компрессора. Принципиальная схема ступени показана на рис.1. Основными элементами ступени являются канал с диэлектрическими стенками 4, в котором расположены два электрода: эмитгерный 1, в форме иглы-трубки малого диаметра с заостренным окончанием в сторону другого электрода коллектора 2. Коллектор выполнен в форме конуса с центральным отверстием, в котором расположен деи-оишатор 3 с отверстиями для прохода газа.

Особенностью конструкции деионизатора является то, что, проходя отверстия в деионизаторе, рабочий поток дважды поворачивает на 90°, что обеспечивает полную рекомбинацию потока. Эмитгерный и коллекторный электроды с помощью металлических пластин подключены к источнику высокого напряжения (ИВН), как правило, эмитгерный подключен к ИВН, а коллекторный заземлен.

Рис. 1. Принципиальная схема ступени ЭГД-компрессора: 1- эмиттер; 2- коллектор; 3-деонизатор; 4-диэлектрическая стенка

Проточная часть ступени ЭГД-компрессора условно разделена на 4 зоны: I -зону ионизации; II - зону ЭГД-преобразования энергии, которая является основной рабочей зоной; III - зону рекомбинации и нейтрализации зарядов в по токе; IV -зону торможения потока - диффузор. Протяженность зоны ионизации I, где происходит генерация объемного заряда с помощью коронного разряда, чрезвычайно мала и сравнима с поверхностью заостренного конца эмиттера. Она расположена между поверхностью заостренного конца эмиттера и условной поверхностью Г[ (чехол короны) (рис.1). Ее называют также внутренней областью коронного разряда. Протяженность основной рабочей зоны II или зоны ЭГД-преобразования энергии значительно больше зоны ионизации. Ее называют внешней областью коронного разряда, которая расположена между условной поверхностью Г] и поверхностью коллекторного электрода и деионизатора. Принцип действия ступени ЭГД-компрессора сводится к следующему:

В канале, заполненном слабопроводящей средой, типа хладона, находящегося в области газа или двухфазной среды - влажного пара, между эмитгерным и коллекторным электродами (рис.1) от ИВН подается напряжение, которое может быть постоянным, переменным или униполярным типа пульсирующего. При достижении напряжения U<po значение начального зажигания короны U*, зажигается коронный разряд (рис.2). Возле генерирующей поверхности эмиггерного элек-

трода, во внутренней области коронного разряда образуются заряды -ионы, которые выходят во внешнюю область разряда как униполярно-заряженные частицы -ионы того же знака, что и потенциал на эмиттере. Под действием сил электрического поля, образуемых во внешней зоне ЭГД-преобразования с напряженностью E(x,t), за счет приложенного напряжения U,po и поля от объемного заряда, находящегося в межэлектродном пространстве, заряды-ноны начинают движение в сторону коллектора. Образуется конвективный ток Jq(x,t). За счет вязкостного

взаимодействия зарядов с нейтральными молекулами рабочей среды вся рабочая среда приходит в движение по направлению к коллектору. Потенциальная энергия заряженных частиц, перемещая нейтральные молекулы рабочей среды, преобразуется непосредственно во внутреннюю и кинетическую энергию потока, которая проявляется в повышении давления р и образования движения рабочей среды со скоростью Wx.

При достижении униполярно-заряженной рабочей среды поверхности коллектора и деионизатора заряженные часгицы-ионы рекомбинируют, и далее, проходя каналы вдоль коллектора и отверстий деионизатора, рабочая среда попадает в диффузор IV уже нейтральной. В диффузоре кинетическая энергия потока преобразуется во внутреннюю энергию, повышая давление и температуру рабочей среды. В результате на выходе ступени ЭГД-компрессора нейтральная рабочая среда имеет давление рк, температуру Тк и энтальпию iK выше, чем начальные на входе: рн,Тн, iH. Устанавливая аналогичные ступени последовательно, давление Р1, температура Т. и энтальпия ь повышают свои значения от ступени к ступени.

Особенностью работы ступени при пульсирующем напряжении, которое описывается уравнением:

Upo(t) = U„+U0[sin(ü>t)], ' (1)

где UH - постоянная составляющая пульсирующего напряжения 0 < Uн i U* ; U0 - амплитуда пульсирующего напряжения, В; и = 2я/ - угловая частота, рад/с; Т0 - период пульсирующего напряжения, t - время, заключается в том, что горение коронного разряда происходит не непрерывно, как при постоянном напряжении, а прерывисто. И образование объемного заряда возле эмиттера, и распределение его по длине зоны ЭГД-преобразования происходит отдельными порциями - волнами, разделенными между собой пространством, свободным от зарядов.

При этом, как показали экспериментальные исследования ЭГД-насоса при пульсирующем напряжении, проводимые ранее, эффективность процесса ЭГД-преобразователей в значительной мере зависит от частоты / пульсирующего напряжения, которая должна быть согласована с длиной зоны ЭГД-преобразования L0 и образующейся скоростью заряженных частиц Wq. Т.е., при пульсирующем

напряжении имеет место оптимальный режим работы, ступеней ЭГД-компрессора, который необходимо определить.

Рис. 2. Диаграммы изменения пульсирующего напряжения ифо(0 и зависимости образуемых напряженностей внешнего поля Е<р0, поля объёмного заряда Ец0 и суммарного поля Е£о, а также конвективного тока ^ тока смещения ]с0, и суммарного тока возле поверхности эмиттера

Еще одной особенностью при питании короны пульсирующим напряжением является образование возле эмиттера и зоне ЭГД-преобразования, кроме конвективного тока ^(0, еще и тока смещения 1С(1), который определяется уравнением:

ЗЕ(1)

;с({)-еео "а с- (2)

Величину возникающего тока смещения во всех случаях необходимо учитывать при рассмотрении процессов, как в зоне ионизации, так и в зоне ЭГД-преобразования

Во второй главе проводятся теоретические исследования и анализ процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении. Произведен выбор конструктивной схемы ступени и рабочего тела - хладона, построены физическая и математическая модели процессов в ступени при пульсирующем напряжении. При этом, в отличии от ранее разработанных моделей, предложенная математическая модель позволяет проводить расчеты основных параметров и величин не только в зоне ЭГД-преобразования, но и в зоне ионизации и рекомбинации. Математическая модель разработана с учетом различия процессов в зоне ионизации и зоне ЭГД-преобразования в разные временные этапы; 1-ый временной этап во время горения коронного разряда, когда имеет место образование и выход объемного заряда и конвективного тока .^(0 в зону ЭГД-преобразования, он начинается в момент (:н и заканчивается в момент 1к, и равен ^ - 1н = 1д; 2-ой временной этап имеет место во время отсутствия коронного разряда, когда нет образования и выхода объемного заряда в зону ЭГД-преобразования, который начинается в момент 1к и заканчивается в новый момент ^, и также равен ^ -1К = гр (рис.2). Т.е. математическая модель учитывает различие нестационарных процессов в первый и второй временные этапы как в зоне ионизации, так и в зоне ЭГД-преобразования и построена с учетом осевых и радиальных составляющих напряженности электрического поля Ех(х,0 и Ег(х,0 и конвективного тока и 1чг(х,1).

Математическая модель включает следующие уравнения и имеет вид:

Интегральное уравнение образуемого перепада давлений: на первом временном этапе I е [0,1о]: на отрезке длины х е [0, \Vqxt ]:

о >Учх(х,1).Р(х) нх х ах ¿ ЧИ4Я(Х)

на отрезке длины х е [ \Vqxt, Ьо]:

ДР1(1) = 0; Р1<Ч) = Р2(0 = соп51; (4)

на втором временном этапе I е То/2]:на отрезке длины х е [ \VqxitЩ:

- Ср^х; (5)

Wqx(t-to)

на отрезке длины xe[0,WqX(t-tQ)]:

Ap2(t) = 0; p2(t) = po = const. (6)

Интегральное уравнение образуемого среднего перепада давлений в ступени за период t с [0, То/2]:

1 10 1 Т0/2

АР2=— f Api(t)dt + — J Ap2(t)dt. (?)

l0 0 l0 t0 Интегральное уравнение образуемого перепада температур рабочего тела: на первом временном этапе, t е [0, to]: на отрезке длины х е [0, WqXt ]:

AT1(t)^W?Xt^(X't)Ex(X't)dx-Wr4.^dx; (Ю

О cPm О СР дк

на отрезке длины х е [ WqXt, Lo]:

ATj(t) = 0; T(t) = T2(t) = const; (9)

на втором временном этапе t е [to, Т0/2]: на отрезке длины х е [ WqX(t - tg), Lo]:

AT2(t)= ? V(X't)Ex(X'0dx- LJ° S^dx (10) Wqx(t-to) °P'm Wqx(t-t0)CP дк

на отрезке длины х е [0, WqX(t - to)]:

AT2(t) = 0; T(t) = Т0 = const. (11)

Интегральное уравнение образуемого среднего перепада температур рабочего тела за время t е [0, То/2]:

_ 1 »0 1 То/2

ДТ2=— J ATi(t)dt + — J AT2(t)dt; (12)

l0 0 *0 t0 Уравнение состояния рабочего тела:

p(x,t) = z p(x,t) Rra T(x,t), (13)

где z - коэффициент сжимаемости;

Rm- газовая постоянная рабочего тела, Дж/(кг.К). Уравнение расхода рабочего тела

m = p(x,t)W(x)F(x) = const, (14)

где F(x) - площадь поперечного сечения канала ступени:

я-Я2(х) при 0<х<L;

F(x) =

п ■ г^ при L < х < Lg;

7f[(rK-2rg(x-Lq) + (x-Lq)2j при Lg<xS(Lg+rg); О5)

1 1

я (гк -rg) при (Lg + rg)Sx<Lo;

11

где rK - радиус отверстия в коллекторе; rg - радиус центрального тела - деиони-затора; Lg - расстояние от начала координат до деионизатора; R(x) - радиус сечения канала:

R(x) =

Rc-x

Пс

Rc~»k

ff,

при 0 й х <, L; при L < х < Lg.

при Lg < х S L().

(16)

Плотность и скорость рабочей среды для случая работы в области парожид-костной смеси:

1= X , 1-х

Р Рп 1 X

Pq

___Izl

W Wn " W '

(17)

(18)

'п "ч

где: х " массовая доля пара в рабочей смеси; р п - плотность пара; = \УХ -скорость пара; - плотность жидких частиц; = = \Ух+ЬЕх(х,1)- скорость жидких заряженных частиц.

Дифференциальное уравнение профиля канала:

dW,

2L = -

Wv

dx а2 - W2 [k — (k — l)z]

[[k-(k-l]zJqx(x,t)-Ex(x,t) a2 dF(x) kW^ |

~ F(x) dx 4R(x)J'

(19)

m

с0 --

где: к = - коэффициент Пуассона; а = л/г - к ■ Rm • Т - скорость звука; С, - коэф-

сУ

фициент гидравлического сопротивления. Уравнение пульсирующего напряжения:

ифОО)=ин + иоИп(со-0|. (2°)

Частица пульсирующего напряжения:

/

_Wqx 2L0

Период пульсирующего напряжения:

ТоА, Wqx

(21)

(22)

где WqX - средняя скорость зарядов в межэлектродном промежутке на длине Lq.

Уравнение конвективного тока, образуемого возле эмиттера: на первом временном этапе I е [о, 1о1-

ее0 U«o(t) + vqo(t)-U* JqO(t) =-1-1

AS-A -arctg(L/A)

F0> (23)

A -arctg(L/A)

где: q>qo(t) - потенциал на поверхности эмиттера, образующийся от волны объемного заряда, находящейся в зоне ЭГД - преобразования;

9qO(t) = -0,72U<p0(t-AtH); , (24)

где: А = ^¡tq ■ AtqV2 - геометрический параметр;

Fn = 2л • го ■ Aro - поверхность эмиттера, генерирующая объемный заряд;

Ь-подвижность образующихся зарядов, м2/(В.с), для хладонов, типа R22:

£fll (25)

где: Ьд - подвижность зарядов при нормальных условиях работы (р=101325 Па, Т = 293 К); rio, Р0 " соответственно, динамическая вязкость и плотность хладона при нормальных условиях; tj, р - соответственно, динамическая вязкость и плотность хладона при давлении р и температуре Т.

Уравнение скорости перемещения зарядов возле поверхности эмиттера:

Wqo(t) = Wo+bE5;o(t), (26)

где: W0 - скорость нейтрального потока возле поверхности эмиттера, м/с;

ЬЕ^оО) - диффузионная скорость перемещения зарядов в электрическом поле с напряженностью Е j;o(t) ■

Уравнение напряженности электрического поля возле эмиттера:

Eso(t) = E<po(t) + Eqo(t). (27)

Уравнение тока смещения на поверхности эмиттера на промежутке времени t е [0, То/2]:

c0w 0 A arctg(L/A) U ( )

Уравнение полного тока возле поверхности эмиттера: на первом временном этапе, t е [0, to]:

JoítWqoW + JcoW; (29)

на втором временном этапе, t е [ío, То/2]:

Jo(t)='c0(t) (30)

Уравнение напряженности внев него электрического поля от приложенного напряжения U,po(t) на поверхности эмиттера:

Fm ЦФ0(0

E<P0(t)-A.arctg(L/A)- (31)

Уравнение напряженности электрического поля от объемного заряда возле поверхности эмиттера для обоих временных этапов, t е [0, То/2]:

Е r.m- 0>72-U(p0(t-AtH) (32)

q0 A-arctg(L/A)

Дифференциальное уравнение граничной поверхности области, заполненной волной объемного заряда:

—-=--. (33)

dx Wx (x, t) + b • E x (x, t) ( '

Уравнение конвективного тока в осевом направлении в зоне ЭГД - преобразования:

[ Jqo(t); 0<x<Lq(t)

Jax(M)4 (34)

4 [jqx(M)-Fqx(x); Lq(t)5x<L0

Дифференциальное уравнение неразрывности, конвективного тока в области, заполненной волной объемного заряда:

3qx(x,t) 9jqx(»>0 2jqr(x,t) ^^ dt дк rqx(x,t) '

где qx(x,t) - плотность объемного заряда, Кл/м3;

jqx(x,t)- плотность осевой составляющей конвективного тока, А/м2; jqr(x,t) - плотность радиальной составляющей конвективного тока, А/м2. Уравнение плотности объемного заряда: , Jqx(M)

qx(M)4x(*,t)Wqx(x,t)' <36>

здесь: Fqx(x,t)- площадь поперечного сечения объемного заряда, м2 (рис.1); Wqx(x,t) - осевая составляющая скорости объемного заряда, м/с. Уравнение осевой составляющей скорости объемного заряда в зоне ЭГД -преобразования:

Wqx(x,t) = Wx(x,t) + b-Ex(x,t). (37)

Уравнение площади поперечного сечения объемного заряда:

WmJ"-^* (38)

qx [ F(x); Lq(t)5xSL0

где Lq(t)- расстояние от начала координат до границы касания волны объемного

заряда стенок канала (рис. 1).

Уравнение плотности осевой составляв щей конвективного тока в зоне ЭГД -преобразования:

jqx(M) = qx(M)-Wqx(x,t). (39)

Уравнение плотности радиальной составляющей конвективного тока в зоне ЭГД - преобразования:

jqr(x,t) = qx(x,t)b-Er(x,t). (40)

Уравнение осевой составляющей напряженности внешнего поля в зоне ЭГД - преобразования для обоих временных этапов:

Р т-,. А-уфр(0 фх()~(А2 + х2[^/А)- <41>

Уравнение полной (осевой и радиальной составляющих) напряженности поля от объемного заряда в зоне ЭГД - преобразования-на первом временном этапе I е [0, у: для отрезка длины х е [0,Ьц ], когда (\Vqxt) < Ц:

-Ечх (0,0 • 2п • г0 • Дго + EqX(WqX • I, I) • п ■ г2х (Х^ I, I) +

\ Ечг(х,1)-2Лтчх(х)ёх = |1чо(Од)<11; (42)

О О

для отрезка длины х е [0, Ьо ], когда (\Vqxt) > Ьд:

-Ечх (О, I) ■ 2тсг0Дг0 + Ечх (WqX • I, I) • РдХ ( \\г<,х • I, I) +

Ц Wqx•t

+ \ Ечг(х,0-2тп-чх(х)<к+ | Ечг(х,0-2л; К(х)ёх

о ц

I WqX•t

Рчо(0,1)с11- \ Ч(х,1)\Учх(х,1)-Рчх(х)ах; О Ц

(43)

на втором временном этапе I е [ЧоДо : для отрезка длины х е[WqX (I - 1д), Ьд]:

-Ечх (М^-Ц)), I) ■ яг2х (Wqx (I -10), I) + Е^ (\1УЧХ -1,1) ■ ^ (Wqx ■ I,I) +

Ц}

I Еф.(х,0-2ятчх(х)<1х+ \ Ечг(х,1)-2лЯх(х)ёх =

Ц (44)

|1Ч0(0,1)(11- | я(х,1)\Учх(х,1)Рчх(х)с1х. О Ц

Уравнение осевой составляющей напряженности поля от объемного заряда в зоне ЭГД - преобразования: на первом временном этапе I е[0Дд]:

для отрезка длины х е [О, I]:

* Ддх(М)

ЕЧх(х.0 =-о-

еео'ях(х^)

1—!

(х-х)

/'Чх+(х-х)2> (х-х)

Ах-

X

1-

dx;

для отрезка длины х е [Wqxt>Lo]:

Едх(^дх '*>*)• (^дх ' О

на втором временном этапе I е [1 д, Тд / 2]: для отрезка длины х е 0 - 1о), Ьд ]:

ЕЧх(х,0 =-5-

* У(М)

^дх С*—)

1-

(х-х)

гдх+(х-х)2

ах-

ЬР ух О

(х-х)

Ах;

на отрезке длины хе[Гф,\\^х(1-!())]:

-5-

х

(46)

(47)

(48)

Уравнение суммарной напряженности осевой составляющей электрического поля в зоне ЭГД - преобразования:

Ех (х, 0 = ЕфХ (х, 0 + Ечх (х, 0. Уравнение изменения давления в диффузоре:

Дрк = Др2•

1 +-1-ь-

2яа

п—1 п

Уравнение изменения температуры в диффузоре:

п-1

ДТК=ДТ2

АРк Др2

(49)

(50)

(51)

Уравнение изоэнтропийного КПД:

N0

Л8 (52)

где: Мп - средняя полезная мощность на временном этапе I е [0,Тд/2]; N7 - средняя затраченная мощность на временном этапе I е[0,То /2]. Уравнение полезной мощности, совершаемой движущимися зарядами в электрическом поле в зоне ЭГД преобразования: на первом временном этапе I е[(Мо]:

N„1(0= I ^х(х,0Ех(х,1)с1х; (53)

О

на втором временном этапе I е |Чо,То /2]: Ь0

МП2«= I 1чх(х,1)Ех(х,1)ёх. (54)

Уравнение среднеинтегральной полезной мощности на временном этапе 16 [О,Т0/2]:

_ х *0 1 Т0/2

N11=—/ (1)А + — | N„2(0А. (55)

1оо 1 10 ю

где: Т0/2 = 2^.

Уравнение средней затраченной мощности на временном этапе I е[0,То /2]: Йп = 12и2, (56)

где: иг - среднее интегральное напряжение для обоих временных этапов 1е[0,Т0/2]:

- 1

То/2

1иФ0(ОЛ; (57)

2t0 о

где J z - средний интегральный ток для обоих временных этапов t е [0, Тд / 2]: 1 Ч)г -,1 Т0/2

Jz=-^-/|(JqO(0 + JcO(t)ldt + — J JCn (О*- (58)

to0L J l0 t0

Граничные условия:

Wx(0) = W0; jqx(0) = jqO(0;

P(°) = PO; Fx(0) = TtR2.

T(0) = T0; (59)

Начальные условия:

qx(t„) = 0. (60)

Полученная математическая модель (3 - 60) решалась численно с использованием разностной схемы Рунге - Кутга четвертой степени.

В качестве рабочего тела был принят хладон Я22. Начальными параметрами рабочего тела, геометрия и конструктивные размеры первой ступени были приняты такими же как и в ранее исследуемой ступени ЭГД - компрессора при постоянном напряжении: р0 =500кПа; Т0=293К; Ь = 1,5-10~6 м2/(В с); и0 = 25кВ; радиус конуса 11с=6мм; радиус трубки эмиттера г^ =0,4мм; ДГф=0,05мм; Ь = 3 мм; Ьо = 5 мм; гк = 2,5 мм; ^ = 2 мм (рис. 1).

Результаты расчета зоны ионизации при пульсирующем напряжении МфоО) представлены на рис. 2. На них показаны изменения во времени возникающих возле поверхности эмиттера в зависимости от (I) значения конвективного тока ^дО), тока смещения ^О), суммарного тока -^дО)' потенциала срцдО) от объемного заряда и суммарного потенциала ф^^), а также напряженности полей Е (0 от приложенного напряжения, EqQ(t) от объемного заряда и суммарного

Е20(0.

Эти зависимости объясняют основные, причины и моменты начала образования волны объемного заряда возле поверхности эмиттера при пульсирующем напряжении и качественно подтверждают проводимые ранее исследования коронного разряда академиками Попковым В.И. и Левитовым В.И. при переменном напряжении.

При исследовании ступени были рассчитаны основные характеристики ступени: вольт-амперная, расходно-напорная, - и зависимости адиабатного КПД т|3 от массового расхода т, которые приведены в сравнении с работой той же ступени при постоянном напряжении. Представленные характеристики Др = /(т) и зависимости г)3 = /(т), показывают, что во всех случаях изменения частоты пульсирующего напряжения /, эти характеристики располагаются выше, чем при постоянном напряжении этой же эффективной величины. Найдена оптимальная частота / = 1000 Гц пульсирующего напряжения, которая подтвердила ранее полученное соотношение о связи оптимальной частоты пульсирующего напряжения с длиной межэлектродного расстояния Ьо и средней скоростью зарядов \УЧХ в зоне ЭГД - преобразования:

Г

опг 2Ь0 ' (61)

На основе предложенной методики расчета потерь в проточной части и полученных значений распределения по длине зоны ЭГД - преобразования конвективного тока 1дХ(х,1), напряженности полей ЕцХ(х,1); ЕфХ(хД) и Е^х(х.0и давлений рх(х,1)было показано, что при пульсирующем напряжении значительно снижаются потери от негативного влияния объемного заряда Д^ и тепловые потери АЫа, обусловленные проводимостью среды.

Это приводит к повышению эффективности работы ступени при пульсирующем напряжении на 20 - 30 % по сравнению с питанием постоянным напряжением.

Были проведены также исследования зависимости эффективности работы ступени от начального давления рн на входе в ступень, которые показали, что с повышением давления рн значения адиабатного КПД r|s существенно возрастают и при рн >1200кПа превышают величину 50%. Эта зависимость r|s = /(рн) хорошо подтверждается экспериментом (рис. 3).

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования ступеней ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении. Предложена конструкция ступени экспериментального образца (рис. 1), методика экспериментального исследования и экспериментальный стенд (рис. 4). Экспериментальный стенд состоял из замкнутого контура, включающего экспериментальный образец ЭГД -компрессора, поплавковый ротаметр Р и дроссельный вентиль Д. Рабочее давление в контуре измерялось образцовым манометром со шкалой 0 - 2,5 МПа.

Достигаемый ступенями перепад давлений измерялся с помощью жидкостного и-образного дифманометра, заполненного жидким хладоном Ш13, а в случае многоступенчатого ЭГД - компрессора вторым образцовым манометром, установленным на выходе, со шкалой 0-3 МПа. В качестве рабочего тела использовался хладон Я22 при разных начальных давлениях рн =0,25-0,7 МПа при температуре окружающей среды. Мощность, затрачиваемая источником высокого напряжения ИВН-100, измерялась с помощью киловольтметра С96, величина тока -микроамперметром М136 с шунтом Р26.

Основные результаты исследований представлены в виде вольт-амперных характеристик при различных начальных давлениях рн, которые показывают, что с повышением давления величины затрачиваемого эффективного тока существенно уменьшаются, а эффективность и КПД ступени возрастают. При этом зна-

ч.%

60

Рис. 3. Зависимости адиабатного КПД ступени ЭГД-компрессора от начального давления при различном эффективном значении пульсирующего напряжения

чительно возрастает пробивное напряжение Unp, которое позволяет проводить работу ступеней при более высоко эффективном напряжении U<pQ.

Расходно - напорные характеристики ступени приведены при различном эффективном напряжении U<pQ = 20,25,30 кВ, где четко показано, что с повышением напряжения U^q характеристики ступени значительно улучшаются. При начальном давлении рн =5,5 бар и U^q =30кВ массовый расход m достигает 1,5 г/с при развиваемом перепаде давлений Др = 6кПа, адиабатный КПД при этом достигает r|s = 38 %. С повышением давления в ступени эффективность процесса ЭГД - преобразования существенно возрастает и адиабатный КПД при р„>1200кПа становится выше 50 %, что хорошо видно на рис.3. Расхождение расчетных и экспериментальных основных величин не превышает 15 %.

Рис.4. Схема экспериментального стенда Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию многоступенчатого ЭГД - компрессора. Предварительно была исследована 5-ти ступенчатая модель ЭГД - компрессора. Исследования показали, что при последовательном соединении ступеней развиваемые перепады давления в ступенях складываются. При этом с увеличением количества последовательно установленных ступеней несколько возрастает и массовый расход газа, так как с увеличением перепада давления Ар возрастает и средняя скорость потока \УХ ■

Конструктивная схема многоступенчатого варианта ЭГД - компрессора, показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема ЭГД-компрессора со встроенным ИВН

Она представляет собой компрессорный агрегат, в котором и ЭГД - компрессор, и ИВН встроены в единый металлический кожух, заполненный хладоном. Это, с одной стороны, повышает пробивную способность агрегата и надежность его работы, с другой, - металлический кожух служит надежным экраном от электрических полей.

Основные результаты экспериментального исследования многоступенчатого ЭГД - компрессора, который содержит 328 последовательно установленных ступеней показаны на рис. 6 и 7. На рис. 6 представлена вольт-амперная характеристика при пульсирующем напряжении и различных начальных давлениях рн на входе в ЭГД - компрессор. Эта характеристика определяет затраченную мощность в многоступенчатом ЭГД - компрессоре. На рис. 7 представлены расходно-напорные характеристики многоступенчатого ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении с различным эффективным значением напряжения: Уфф = 20,25 и 30 кВ при начальном давлении рн = 5 бар.

I» 18 22 26 30 И 38 42 46

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики многоступенчатого ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении

Рис. 7. Расходно-напорные характеристики многоступенчатого ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении

Эти характеристики определяют полезную мощность и эффективность работы многоступенчатого ЭГД - компрессора. Они показывают, что при эффективном напряжении и^ = 30 кВ многоступенчатый ЭГД - компрессор развивает

при оптимальном расходе т = 2,4 г/с перепад давления Дрн > 2000 кПа при адиабатном КПД Г)8= 44 %.

Это означает, что такая многоступенчатая конструкция ЭГД - компрессора способна эффективно работать как в малых холодильных установках, так и системах кондиционирования.

В пятой главе на основе теоретических экспериментальных исследований даны рекомендации по проектированию и конструированию ступени и многоступенчатой конструкции ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении. Показаны преимущества применения ЭГД - компрессора в холодильной технике и системах кондиционирования по сравнению с традиционными механическими компрессорами.

Заключение и выводы

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Построена и объяснена физика процессов в ступенях ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении. Показано, что горение коренного разряда при пульсирующем напряжении происходит прерывисто, и образование и выход объемного заряда в зону ЭГД - преобразования происходит определенными порциями - волнами.

2. Впервые в мировой практике разработана математическая модель нестационарных процессов в ступенях ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении, которая позволяет проводить расчеты основных величин и характеристик не только в зоне ЭГД - преобразования энергии, но и зоне ионизации и рекомбинации зарядов.

3. Выявлены особенности работы ступеней ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении. Показано, что во всех случаях эффективность работы ступеней ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении выше, чем при питании постоянным напряжением. Наибольшая эффективность работы ступеней наблюдается, когда частота пульсирующего напряжения / связана с длиной зоны ЭГД -преобразования Ьд и средней скоростью движения волны объемного заряда ^Мцх соотношением:

Г Лж

Лопт 2Ь0 '

4. Разработаны конструкции отдельной ступени и многоступенчатого ЭГД -компрессора, которые обеспечивали расход и перепад давлений, необходимые для малых холодильных установок и систем кондиционирования.

5. Созданы экспериментальные стенды для исследования отдельной ступени и многоступенчатого ЭГД - компрессора, которые были оснащены всеми необходимыми измерительными приборами и датчиками для снятия основных характеристик, определяющих эффективность образцов.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования отдельной ступени и многоступенчатой конструкции ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении, анализ результатов которых показал что:

• эффективность работы как отдельной ступени, так и многоступенчатой конструкции ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении выше на 20 -30%, чем эффективность работы тех же ступеней при постоянном напряжении того же эффективного значения напряжения и^;

• наилучшая эффективность работы отдельной ступени и многоступенчатого ЭГД - компрессора наблюдается, когда частота / пульсирующего напряжения согласуется с длиной зоны ЭГД - преобразования Lg со средней скоростью движения зарядов Wqx соотношением (61);

• эффективность работы отдельных ступеней и многоступенчатого ЭГД -компрессора существенно повышается с увеличением давления на входе в ступени: при давлении на входе рн = 2 - 3 бар адиабатный КПД T]s находится на уровне 10 - 15 %, а при рн >7,0бар- ris= 35-50 %. Наибольшие значения tis наблюдаются при более высоком эффективном напряжении U<pQ = 30 kB.

• сопоставления результатов теоретического и экспериментального исследований показали правильность основных допущений при построении математической модели. Расхождение их результатов не превышало 15%.

7. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований разработаны рекомендации по конструированию отдельных ступеней и многоступенчатой конструкции ЭГД - компрессора с пульсирующим напряжением и применению ЭГД - компрессора в холодильной технике и системах кондиционирования.

Список публикаций по теме диссертации

1. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. К определению конвективного тока и тока смещения в ЭГД - компрессоре при питании пульсирующим напряжением. Сборник трудов, II Международной научно-технической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», С-Петербург, 2003. - С. 67 - 70.

2. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е., Анализ работы ЭГД -компрессора для систем кондиционирования и холодильной техники при пульсирующем напряжении. Материалы V Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004.-С.13 - 16.

3. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Зиновьева A.B., Раханский А.Е. К расчету конвективного тока и тока смещения в ЭГД - нагнетателях при пульсирующем напряжении. Вестник международной академии холода, выпуск 1, С-Петербург. -Москва, 2004. - С. 23 - 26.

4. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. Математическая модель и анализ работы ступени ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении для малых систем кондиционирования и бытовой холодильной техники. Вестник Межд.академии холода, выпуск 2, C-Пегербург. - Москва, 2005 . - С. 23-30.

5. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г. Исследование методов повышения эффективности работы ЭГД-компрессора для холодильной техники и систем кондиционирования. Сб. тр. 3 МТК «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», 4.1, Омск, 2005. - С. 212-214.

№17146

РНБ Русский фонд

2006-4 11260

Основные принятые обозначения.

Введение.

1. Физика процессов и анализ состояния работ по исследованию 6 и разработке ЭГД-комнрессора.

1.1. Принцип работы и физика процессов в ЭГД-компрессоре.

1.2. Состояние вопроса по разработке и исследованию ЭГД -нагнетателей и ЭГД - компрессоров.

1.3. Основные источники потерь энергии в ЭГД - компрессоре при постоянном напряжении.

1.4. Особенности работы ступени ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении.

1.5. Состояние вопроса и анализ работ по созданию ЭГД-преобра-зователей энергии при переменном и пульсирующем напряжении.

Выводы и задачи исследования.

2. Теоретические исследования и анализ процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

2.1. Основные задачи теоретического исследования.

2.2. Выбор конструктивной схемы ступени ЭГД-компрессора

2.3. Выбор рабочего тела.

2.4. Физическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

2.5. Математическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении.

2.5.1. Основные допущения.

2.5.2. Определение значений конвективного тока и тока смещения в зоне ионизации и образования объемного заряда при пульсирующем напряжении

2.5.3. Электрические поля и процессы в зоне ЭГД-преобразования при пульсирующем напряжении.

2.5.3.1. Уравнение граничной поверхности области (волны) объемного заряда

2.5.3.2. Уравнение неразрывности конвективного тока

2.5.3.3. Поле объемного заряда при пульсирующем напряжении.

2.5.3.3.1. Напряженность поля от объемного заряда

2.5.3.3.2. Напряженность поля от объемного заряда на втором временном этапе

2.5.3.3.3. Осевые составляющие напряженности электрического поля от объемного заряда

2.5.3.3.4. Осевая составляющие напряженности электрического поля от объемного заряда на первом временном этапе

2.5.3.3.5. Осевая составляющая напряженности электрического поля от объемного заряда на втором временном этапе

2.5.4. Уравнение движения

2.5.5. Уравнение энергии

2.5.6. Уравнение профиля канала

2.5.7. Определение образующегося перепада давления и температур в зоне ЭГД-преобразования и диффузоре ступени ЭГД-компрессора

2.5.8. Уравнение состояния рабочего тела

2.5.9. Уравнение расхода рабочего тела

2.5.10. Математическая модель процессов в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении

2.6. Результаты расчета и анализа нестационарных процессов в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении

2.7. Методика расчета и анализ потерь в ступени ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении

3. Экспериментальное исследование ступеней ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении.

3.1. Задачи экспериментального исследования

3.2. Экспериментальный образец для исследования ступеней ЭГД-компрессора.

3.3. Экспериментальный стенд для исследования ступеней ЭГД-компрессора

3.4. Методика экспериментального исследования

3.5. Результаты экспериментальных исследований ступеней ЭГД-компрессора

3.6. Сопоставление результатов теоретического исследования ступеней с экспериментом

4. Разработка многоступенчатого экспериментального образца и экспериментального стенда, результаты экспериментального исследования многоступенчатого ЭГД - компрессора.

4.1. Предварительные исследования пяти ступенчатого ЭГД-компрессора и разработка экспериментального стенда.

4.2. Разработка многоступенчатого ЭГД-компрессора.

4.3. Результаты экспериментального исследования многоступенчатого 143 компрессора

4.4. Сопоставление результатов экспериментального исследования с расчетом многоступенчатого образца ЭГД-компрессора.

5. Рекомендации по проектированию, конструированию и 148 применению ЭГД-компрессора

5.1. Рекомендации по проектированию и конструированию компрессора

5.2. Рекомендации по применению ЭГД-компрессора

Ранее выполняемые работы по изучению и исследованию ЭГД — преобразователей энергии и в частности ЭГД - компрессора, проводились, как правило, при постоянном напряжении питания коронного разряда [15, 16, 17, 18, 49]. Анализ этих работ показал, что при постоянном напряжении питания эмиттера основная рабочая зона ЭГД - компрессора постоянного заполнена объемным разрядом, в результате чего имеют место относительно большие потери энергии от негативного влияния пространственного заряда [15, 49]. Эти потери обусловлены высокой напряженностью поля от объемного заряда в зоне ионизации и появлением в зоне ЭГД - преобразования, так называемого "потенциального барьера", следствием которого является возникновение на отдельных участках рабочей зоны "генераторного режима" работы вместо "насосного" [15, 48, 49], снижающего эффективность работы ЭГД - компрессора.

Для уменьшения потерь от негативного влияния объемного заряда авторами [13, 14] было предложено проводить питание эмиттерного электрода пульсирующим напряжением. Первые же экспериментальные исследования ступени ЭГД - насоса показали, что при определенных условиях работа ЭГД - насоса значительно улучшается, по сравнению с работой при постоянном напряжении питания [13, 14, 41, 47]. К этому следует добавить, что при выполнении высоковольтного источника питания (ВИП) значительно проще разработать источник при пульсирующем напряжении, чем постоянном. При этом его габариты будут значительно меньше (в зависимости от частоты пульсирующего напряжения).

Эти обстоятельства требуют подробно рассмотреть работу ЭГД - компрессора при пульсирующем напряжении, выявить его особенности протекания процессов и эффективность работы.

Главной целью предложенной работы является повышение эффективности работы электрогазодинамического (ЭГД) компрессора путем применения пульсирующего напряжения питания для холодильной техники и систем кондиционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В данной работе решена одна из важных актуальных задач по разработке и исследованию ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении для холодильной техники и систем кондиционирования.

Особенностью работы ЭГД-компрессора, относящегося к ЭГД-преобразователям энергии, является полное отсутствие движущихся механических частей. В этом основное его преимущество.

Разработанные ранее ЭГД-нагнетатели и, в частности ЭГД-компрессоры, показали возможность их применения в холодильной технике и системах кондиционирования, однако их КПД остается недостаточно высоким, на уровне 3035%. Для их широкого внедрения в этих областях необходимо повысить значения их адиабатного КПД и сделать работу ЭГД-компрессора более надежной. Поэтому основной целыо в этой работе была «Разработка и обоснование методов повышения эффективности работы ЭГД-компрессора путем снижения потерь от негативного влияния объемного заряда». Основным методом снижения этих потерь является применение для питания ЭГД-компрессора пульсирующего напряжения вместо постоянного. Исходя из основной цели, и были поставлены задачи исследования процессов в ЭГД-компрессоре при пульсирующем напряжении.

Основные научные и практические результаты исследований, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Объяснена физика процессов в ступенях ЭГД-компрессора при работе на пульсирующем напряжении. Обоснованно построен принцип работы и выявлены особенности работы ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении. Показано, что при пульсирующем напряжении горение коронного разряда происходит прерывисто и выход объемного заряда в зону ЭГД-преобразования происходит отдельными порциями - волнами. Длина волны объемного заряда зависит от частоты питающего пульсирующего напряжения и скорости движения заряженных частиц, возникающей от образующих электрических полей в зоне ЭГД-преобразования.

2. Разработана математическая модель нестационарных процессов в ступенях ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении, как в зоне ионизации и образования объемного заряда, так и зоне ЭГД-преобразования с учетом рекомбинации зарядов при движении волны зарядов вдоль стенок коллектора и деионизатора. Впервые в мировой практике разработанная математическая модель позволяет проводить расчет образующихся величин в зоне ионизации конвективного тока и тока смещения возле генерирующей поверхности эмиттера в зависимости от значения и изменения пульсирующего напряжения, геометрии эмиттерного и коллекторного электродов, состояния и параметров рабочей среды.

Математическая модель процессов в зоне ЭГД-преобразования построена с учетом радиальных и осевых составляющих электрических полей, возникающих как от приложенного пульсирующего напряжения, так и движущейся волны объемного заряда и токов, образующихся в этой зоне, а также с учетом процессов рекомбинации при движении волны объемного заряда вдоль поверхности коллектора и деионизатора.

3. Составлена программа расчета математической модели, проведены расчет и анализ процессов в ступенях ЭГД-компрессора. Основные результаты расчета представлены в форме вольтамперных, расходно-напорных характеристик и зависимости эффективности работы ступеней ЭГД-компрессора от расхода и параметров рабочей среды, при анализе результатов расчета выявлены особенности работы ступеней ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении. Показано, что во всех случаях эффективность работы ступеней ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении выше, чем при питании постоянным напряжением, но наибольшая эффективность работы ступеней наблюдается при условии, когда частота пульсирующего напряжения / связана с длиной зоны ЭГД-преобразования Ьд средней скоростью движения волны объемного заряда \УСр соотношением (5.1): г -ЗЕ опт ог 2Ц)

Качественно и количественно объяснена причина повышения эффективности работы ступеней ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении за счет уменьшения потерь от негативного влияния объемного заряда. Расчет и анализ процессов ступеней и многоступенчатого ЭГД-компрессора показал значительное влияние на эффективность их работы начального давления рн на входе в ЭГД-компрессор.

Разработан экспериментальный образец ЭГД-компрессора, который позволяет провести экспериментальное исследование как одной, так и пяти ступеней, установленных последовательно.

Разработан экспериментальный стенд для исследования ступеней ЭГД-компрессора. Стенд оснащен всеми необходимыми приборами и датчиками для измерения параметров, необходимых для оценки эффективности работы ступеней ЭГД-компрессора при различных параметрах рабочей среды. В качестве рабочей среды был выбран хладон Я22, который до сих пор широко применяется в холодильной технике и системах кондиционирования.

Проведены экспериментальные исследования, анализ результатов экспериментального исследования и сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований. Результаты экспериментального исследования ступеней ЭГД-компрессора подтвердили результаты теоретического исследования, что во всех случаях эффективность работы ступеней при пульсирующем напряжении выше, чем при питании постоянным напряжением. Экспериментально подтверждена высокая эффективность работы ступеней ЭГД-компрессора при соблюдении соотношения (5.1). В этом случае эффективность работы ступеней, примерно, на 20-30% выше, чем при работе на постоянном напряжении. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований показали правильность основных допущений при построении математической модели процессов в ступенях ЭГД-компрессора. Расхождение результатов теоретического и экспериментального исследований процессов не превышало 15%.

7. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований разработан и изготовлен экспериментальный образец многоступенчатого ЭГД-компрессора и экспериментальный стенд, для его испытаний. Многоступенчатый ЭГД-компрессор содержит 328 последовательно установленных подобных ступеней. Результаты испытаний многоступенчатого ЭГД-компрессора показали, что он может проводить сжатие рабочих тел, типа хладон 1122, от 5 бар до 20-25 бар с расходом от 1-го до 2,5 г./с. Адиабатный КПД при этом находится на уровне 40% и выше.

8. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований ступеней и испытания многоступенчатого ЭГД-компрессора разработаны рекомендации по конструированию ступеней и многоступенчатого ЭГД-компрессора, и применению ЭГД-компрессора с пульсирующим напряжением для работы в бытовых холодильниках и системах кондиционирования.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. - 888 с. ил.

2. Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. Л.: Энергия, 1972. - 295 с. ил.

3. Апфельбаум М.С., Полянский В.А. Об Образовании объемного заряда в слабопроводящих средах //Магнитная гидродинамика. 1978. - №1. - С. 71-76.

4. Арабаджи В.И. Гидродинамика электрического ветра в воздухе и в электроизолирующей жидкости // ЖТФ. 1950. - С. 967-972.

5. A.C. 1371135, СССР, МКИ4 F04F1/16. Электрогидродинамический компрессор / Авдеев Н.П., Бумагин Г.И., Дудов А.Ф. и др. (СССР), 4с. ил. Д.С.П.

6. A.C. 2037261, СССР, МКИ4 H02N3/00. ЭГД-нагнетатель / Бауман Г.И., Вартанян A.A., Ефремов Г.А., Модестов В.А., Скориков В.И. (СССР), 1995.-4с.

7. A.C. (Патент) 93047677, СССР, МКИ4 F04F11/00. Электрогазодинамический нагнетатель и его канал / Бухмагин Г.И., Собинов А.Е., Савицкий А.И., Макальский Л.М. и др. (СССР), 1996. 20 с.

8. A.C. (Патент) 93043444, МКИ4 F25B21/00. Система прокачки диэлектрических и газовых сред / Бумагин Г.И., Совинов А.Е., Мазурин И.М. и др. (СССР), 1996.-20 с.

9. Балыгин И.С. Электрическая прочность жидких диэлектриков. М.: Энергия, 1964.-227 с.

10. Борок A.M. Электрогазодинамический компрессор с нейтрализацией пространственного заряда // ТВТ АН СССР. 1969. - №6. - С.991-996.

11. Бортников Н.С., Рубашов И.Б. Электрогазодинамические эффекты и их применение // Магнитная гидродинамика. 1975. -№1. - С.23-24.

12. Бродянский В.М., Семенов A.M. Термодинамические основы прикладной техники. М.: Энергия, 1980. - 448 с.

13. Бумагин Г.И., Резонансные явления в ЭГД-преобразователях энергии при питании короны пульсирующим и импульсным напряжением // Электронная обработка материалов. АН. РМ ЧПФ. 1992. - №2(164). - С.35-40.

14. Бумагин Г.И. Методика расчета и анализ потерь в проточной части ЭГД-преобразователей энергии // Известия ВУЗов Энергетика, 1989. №7 -С.69-73.

15. Бумагин Г.И. Методы повышения эффективности и единичной мощности ступени ЭГД-преобразователей энергии // Известия ВУЗов Энергетика, 1990. - №3. - С.66-71.

16. Бумагин Г.И., Раханский А.Е. Математическая модель процессов в ступени ЭГД-компрессора с системой электродов игла-конус // Криогенное оборудование и криогенные технологии. Сборник научных трудов. -Омск.: ОАО «Сибкриотехника», 1997. ч.2. - С.86-93.

17. Бумагин Г.И., Попов J1.B., Раханский А.Е. Исследование процессов в ступени ЭГД-насоса с новой системой электродов // Вестник международной академии холода, 2001. Вып.1. - С.32-35.

18. Бумагин Г.И., Попов JI.B., Зиновьева A.B. Исследование ЭГД-насоса для перекачки хладонов криогенных жидкостей при пульсирующем напряжении //

19. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. К расчету конвективного тока и тока смещения в ЭГД-нагнетателях при пульсирующем напряжении // Вестник международной академии холода. С.П. - М.: 2004. - Выпуск. - С.

20. Бумагин Г.И., Овчинников С.Г., Раханский А.Е. Математическая модель и анализ работы ЭГД-компрессора при пульсирующем напряжении //

21. Ватажин А.Б., Грабовский В.И. Коронный разряд в движущемся газе // Изв. АН СССР. 1983. - №3. - С.133-141.

22. Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А. Электрогазодинамические течения. М.: Наука, 1983. - 344 с.

23. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Энергия, 1974. - 476 с.

24. Гогосов В.В., Полянский В.А. Электрогазодинамика // Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ, 1976. - Т.10 - С.5-72.

25. Гогосов В.В., Шапошникова Г.А., Шихмурзаев Ю.Д. Качественное исследование электрогазодинамических характеристик слабопроводящих жидкостей // Прикладная математика и механика. 1982. - №3. - С.435-444.

26. Денисов A.A., Нагорный B.C. Электрогидро- и электрогазодинамические устройства автоматики. Л.: Машиностроение, 1979. - 228 с.

27. Джуварлы Ч.М., Гарин Ю.З., Мехтазаде Ю.Н. коронных разряд в электроотрицательных газах. Баку: ЭЛМ, 1988. - 143 с.

28. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. Учебник: «Криогення техника». М.: Машиностроение, 1984. - 376 с. ил.30а. Зыков В.А. Элементы электродинамики униполярных газовых течений. ТВТ. 1969. - №6. - С.1117-1125.

29. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1970. - 666 с.

30. Капцов H.A. Электроника. М.: Гостехиздат, 1954. - 467 с.

31. Кальянов В.А., Мхитарян A.A., Орланов В.И. К исследованию электрогазодинамического преобразователя переменного тока // Магнитная гидродинамика. 1973. - №2. - С.76-81.

32. Кэйд Д., Леби Т. Справочник экспериментатора.- М.: Наука, 1982.-298с.

33. Ландау Д.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.-532 с.

34. Левитов В.И. Корона переменного тока. М.: Энергия, 1975. - 278 с.

35. Левитов В.И., Попков В.И. О реактивном эффекте короны переменного тока. — М.: Электричество, 1956. №7. - С.24-28.

36. Лойдянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 874 с.

37. Мартыновский B.C. Циклы, схемы характеристики термотрансформаторов / под ред. проф. Бродянского В.М. М.: Энергия, 1979. - 288 с.

38. Макальский JIM., Мирзабекян Г.З. Экспериментальное исследование зарядки частиц размером 0.2-4 мкм ионами воздуха // Сильные электрические поля в технологических процессах. М.: Энергия, 1971. - Вып. 2. - С. 95-108.

39. Математическая модель резонанса в ионно-конвекционном насосе / Авдеев Н.П., Бумагин Г.И., Дудов А.Ф., Романовский Р.К. // ПМТФ, 1990. -№1. С. 37-41.

40. Остроумов Г.А. Воздействие электрических и гидродинамических полей. Физические основы электрогидродинамики. М.: Наука, 1979. - С. 143170.

41. Петренко В.JI. Экспериментальное исследование системы электрогазодинамических зарядных устройств, генерирующих разноименные заряженные струи // Аэродинамика. Киев.: Книга, 1977. - Вып.З. - С.50

42. Я9опков В.И. Электрическое поле при переходной униполярной короне. -М.: Изв. АН СССР, ОТН, 1954. №7. - С.7-12.

43. Попков В.И. Коронный разряд и линии сверхвысокого напряжения // Избранные труды. М.: Наука, 1990. - 256 с.

44. Перелыитейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизиче-ские свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов.-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.- 464 с.

45. Результы исследования ионно-конвекционного насоса с осесимметрич-ной формой коллектора при пульсирующем напряжении / Авдеев Н.П., Борисов В.А., Романовский Р.К. и др. ПМТФ, 1992. - №2. - С. 18-22.

46. Рубашов И.Б., Бортников Ю.С. Электрогазодинамика. М.: Атомиздат, 1971.- 168 с.

47. Раханский А.Е. Разработка ЭГД-компрессора для холодильной техники и систем кондиционирования воздуха // Канд. диссертация, 2001.-137 с.

48. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1970. - Т.1. - 492 с.

49. Сивухин Д.З. Общий курс физики. Атомная физика. М.: Наука, 1986. -Т.5.-416 с.

50. Справочник по физико-техническим основам криогеники / под ред. М.П. Малинова //. М.: Энергоиздат, 1985. - 491 с.

51. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. - 536 с.

52. Стишков Ю.К., Остапенко A.A. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Л.: ЛГУ, 1989. - 174 с.

53. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989. - 174 с.

54. Тиреев Б.М., Филимонов Ю.П. Свойства электротехнических материалов при криогенных температурах. М.: МИРЭ ИА, 1972. - 65 с.

55. Ушаков В.В., Франчук Г.М. Экспериментальное исследование коронного разряда с острия в воздушном и аэрозольном потоках // Аэродинамика. -Киев.: Книга, 1973. Вып.8. - С.1-8.

56. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству // Изв. АН СССР, 1947. №1. - С.30-37.

57. Федоров М.Ф., Грачев А.Б., Бродянский В.М. Результаты экспериментального исследования электрогидродинамических процессов при низких температурах. М.: ЦННТИ Химнефтемаш, 1984. - Серия ХМ - 6. - №3. -С.9-12.

58. Черкасский В.М., Романова Т.М., Кауль P.A. Насосы, компрессоры, вентиляторы. М.: Энергия, 1968. - 304 с.

59. Янтовский Е.И., Апфельбаум Н.С. О механизме изотермической электроконвекции в сильном неоднородном электрическом поле // Магнитная гидродинамика. Рига.: ИФ, 1981. - С.78-82.

60. Arrhenius S. Versuche über dielechriche Spitzwirkung // Ann. Phys. u Chem. -1897. №63.-p.305-311.

61. Chattoch A. Philos. Mag. and J. Sei. 1899. - V.48. - p.401-405.

62. Biblarz O., Nelson R. Turbulence effect on an ambient pressure discharge // J. Appl. Phis.- 1974.-v. 45.-№2. p. 117-121.

63. Chapman S. Corona point in Wind // J. of Geophys. Research 1970 - v. 75. -№ 12. p. 59-64.

64. France P., Trezek G. The Contribution of space-charge in slender channel Electrogasdynamics//Energy Convension.- 1969-v. 9.-№4. p. 135- 140.

65. Gourdine M. Engineering aspect of electrogasdynamics// Trans. N-J. Acad. Sei.- 1968-v. 30. -№ 6. p. 130- 135.

66. Kettani M. Direct Energy Convension // Addison- Wesly Publishing Company, London. 1970. - p. 292 - 326.

67. Lawton I. Prinsips Energy Convension // Prit Journal Applied Physics. -1965.-№ 16.-p. 753-762.

68. Musgrove P. Electrogasdynamic Refrigeration //Phys. Buletin-1972-p. 592.

69. Pat. № 3 398 685 US. Ion Drag pump / Stuetzer O. 1968.

70. Soo S. Electrogasdynamic Convension. Direct Energy Convension // Prentice -Hall. Jnc.Engle Wood Cliffs.- 1968.-№ l.-p. 224-229.

71. Stuetzer O. Ion Drag Pressure Generation // Journal Applied Physics. 1959. vol. 30.-№7.-p. 246-256.

72. Stuetzer O. Instability of certain Electrogasdynamic Systems // The Physics of Fluids. 1959. - vol. 2. - № 6. - p. 528 - 539.

73. Stuetzer O. Ion Drag Pumps // Journal Applied Physics I960 - vol. 31- № l.-p. 193-202.

74. Stuetzer O. Apparent viscosity of a charged fluids // The Physics of Fluids. -1961.-vol. 4. -№ 10.-p. 1226- 1235.

75. Stuetzer O. Ion Trasport high voltage generators // Rev. Scientific Instit. -1961.-№32.-p. 16-22.

76. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС1. КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА"

77. Общество с огошшчешюй ответственностью

78. РОССИЯ, 644105, г. Омск-105, Тел.: (3812)-264-826ул. 22 Партсъезда, д. № 97, корп. 1 Факс: (3812)-210-143

79. НИР «Определение возможности практического применения ЭГД устройств», № 19/123 от 1.08.2002 г.;

80. НИР «Разработка и исследование ЭГД вентилятора», № 2/123 от 11.02.2004 г.

81. Результаты использования предоставленных материалов положительны.-"*,«t ч: hh -'<?'' с« ч , ' V- . v. оу:1. А. В. Громов