автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка и исследование роторного волнового криогенератора для установок сжижения природного газа

На правах рукописи

Малахов Сергей Борисович

УДК 621.59

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РОТОРНОГО ВОЛНОВОГО КРИОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

3 О МАЙ 2013

005060508

Диссертация выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Архаров Алексей Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

заместитель директора Инновационного научно-технического центра ОАО «Криогенмаш» Смородин Анатолий Иванович

Кандидат технических наук, руководитель технологического отдела ООО «Премиум Инжиниринг» Сергей Николаевич Пуртов

Ведущая организация: ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Защита диссертации состоится «19» июня 2013 года в 14 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 212.141.16 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, ауд. 314-Э (конф. зал).

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по адресу: 105005. г. Москва, 2-ая Бауманская д.5, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан « // » 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 212.141.16, кандидат технических наук, доцент Сшгосов М А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы; Эффективность криогенных установок определяется совершенством используемых аппаратов, машин и в том числе расширительных устройств - криогенераторов. Наиболее эффективными криогенераторами являются детандеры, в том числе турбодетандеры. Однако создание турбодетандеров для малотоннажных ожижителей легких газов (в том числе природного газа) сопряжено с рядом трудностей связанных с ростом скорости вращения ротора, возможной конденсацией тяжелых фракций в процессе расширения и загрязненности газа. Кроме того сложность конструкции, высокая стоимость и ограниченная надежность вынуждают, в ряде случаев, вообще отказываться от применения турбодетандеров при малотоннажном производстве. Дроссельные расширительные устройства весьма надежны, конструктивно просты и недороги, однако адиабатный процесс расширения в них газа реализуется без совершения внешней работы и поэтому не является холодопроизводящим, что и определяет меньшую, как правило, термодинамическую эффективность установок с дросселированием. Это обуславливает интерес к исследованиям волновых криогенераторов (ВКГ) работающих с совершением внешней работы и отличающихся невысокой стоимостью.

Работы по созданию и исследованию безмашинных волновых криогенераторов были начаты в 1979 году в проблемной и отраслевой лабораториях газодинамических методов получения холода МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием ОАО «Криогенмаш», ОАО «Гелиймаш» и акустическим институтом им. Н.Н. Андреева. Созданные волновые криогенераторы эллипсоидного и параболоидного типа позволили получить КПД до 18%, а в криогенераторах с использованием эффекта Коанда, - КПД достигало 40%.

Результатом исследований в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» стало создание и промышленное применение ряда волновых расширительных машин: так называемых пульсационных охладителей газа (ПОГ) статического типа работающих с КПД 35-40% и с механической системой газораспределения с КПД 40-65%, энергообменников и «волновых детандеров» с КПД до 80%. Отметим, что частота вращения газораспределителя в ПОГ с механической системой газораспределения, энергообменников и «волновых детандеров» гораздо меньше, чем у турбодетандеров и составляет от 1000 до 8000 об/мин.

Первые исследования энергообменных аппаратов были направлены на применение их для наддува двигателей внутреннего сгорания. По своему функциональному назначению они были аналогичны турбокомпрессору, используя энергию давления расширяемого (активного газа) для компримирования пассивного газа посредством ударных волн. Детандерно-компрессорный режим энергообменника не является единственным. Путём изменения фаз газораспределения возможна эксплуатация энергообменника в режиме делителя потока (аналог - вихревая труба), а также в режиме

уравнителя давлений (аналог - эжектор), что существенно расширяет область применения данных устройств.

Исследования направленные на применение энергообменников в установках низкотемпературной обработки газа, проведенные ООО «Газпром ВНИИГАЗ», привели к созданию так называемых «волновых детандеров». «Волновые детандеры» по функциональному назначению аналогичны детандерно-компрессорному агрегату. Конечный результат этих работ -успешная промышленная эксплуатация разработанной конструкции «волнового детандера» ВД-1 в составе установок «отбензинивания» газов Сосногорского ГПЗ и исследования технологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсата на Вуктыльском (Республика Коми) газоконденсатном месторождении. Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены большими объемными расходами перерабатываемого газа (до 20 тыс. м. куб/час) и температурой расширяемого (активного) газа 270...310К.

О применении «волновых детандеров» в области низких температур (ниже 270К) до настоящей работы неизвестно. Перспективность применения «волновых детандеров» в малотоннажных установках сжижения природного газа определяет актуальность настоящей работы. Созданное и исследованное газорасширительное устройство - роторный волновой криогенератор (РВКГ) является продолжением в развитии волновых криогенераторов (ВКГ) и отличается от «волновых детандеров» рядом конструктивных особенностей.

Целью работы является разработка и исследование криогенератора нового типа — роторного волнового криогенератора, научно-методическое обоснование оптимальных геометрических и технологических параметров, а также конструктивных решений, обеспечивающих повышение эффективности его эксплуатации в составе установок сжижения природного газа, работающих на уровне температур 210-180 К.

Основные задачи исследования

1. Разработка математической модели учитывающей особенности рабочих параметров РВКГ.

2. Отработка конструкций основных узлов, обеспечивающих эксплуатационную надёжность РВКГ.

3. Исследование режимных и геометрических параметров РВКГ на природном газе.

4. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, анализ полученных результатов.

5. Разработка инженерной методики определения рабочих температур РВКГ.

Научная новизна

Впервые определены термобарические и расходные характеристики промышленного образца роторного волнового криогенератора, реализующего принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа.

Разработана математическая модель для определения параметров РВКГ учитывающая свойства реального газа (метана) не только в расчете интегральных характеристик, но и непосредственно в методе «распада разрыва» академика РАН С.К. Годунова Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по модели на основе метода «распада разрыва» и полученных экспериментально не превышает ±4%.

Впервые разработана инженерная методика расчета рабочих температур роторного ВКГ для определения изоэнтропного КПД и степени нагрева сжимаемого потока на основе классических уравнений процесса выхлопа и впуска. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по инженерной методике и полученных экспериментально не превышает ±7%.

Расчеты по инженерной методике позволяют сделать вывод о существенном влиянии процессов смешения активного и пассивного газа на снижение эффективности РВКГ.

Выявлены основные процессы и фазы в РВКГ. На первой фазе активный газ расширяется изоэнтропно, на второй фазе происходит его выхлоп. Сжатие и нагрев пассивного газа происходит на первой фазе рабочего процесса.

Защищаемые положения

1. Научное обоснование оптимальных режимных и геометрических параметров РВКГ по результатам стендовых экспериментальных исследований макетного образца.

2. Математическая модель основанная на методе С.К. Годунова (метод «распада разрыва»), учитывающая свойства реального газа.

3. Инженерная методика определения рабочих температур РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа и впуска.

Личное участие в получении результатов

Все результаты и выводы диссертационной работы получены лично автором в результате проведенных экспериментов и математического моделирования.

Достоверность полученных автором результатов

Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и воспроизводимостью результатов.

з

Основные уравнения представленных автором математических моделей и соотношений величин базируются на фундаментальных законах и уравнениях термодинамики и газодинамики.

Практическая значимость

Впервые разработан опытно-промышленный образец роторного волнового криогенератора.

Разработана математическая модель основанная на методе С.К. Годунова (метод «распада разрыва») для расчёта РВКГ, достоверность которой подтверждена результатами экспериментов.

Разработана инженерная методика расчета рабочих температур РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа и впуска, достоверность которой также подтверждена результатами экспериментов.

Выявлены направления повышения эффективности РВКГ: снижение перетечек за счет уменьшения зазоров, уменьшение торможения потока газа на торце вертикальной стенки канала путем оптимизации ее геометрии.

Экспериментально подтверждена устойчивая работа устройства в условиях сильной загрязненности примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды), а также при появлении двухфазной среды на выходе.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур»(ГАСИС, М., 2010 г.), 2-й международной конференции «ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГАЗЫ» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2011г.) и на одиннадцатой международной специализированной выставке «Криоген-Экспо - 2012»(ЦВК «Экспоцентр», М., 2012г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в журналах рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы (110 наименований) и приложений. Работа содержит 84 страницы текста, 41 иллюстрацию, 2 таблицы и приложения на 5-и страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведена систематизация материалов о волновых криогенераторах(ВКГ). Условно выделив в волновом криогенераторе пульсатор-газораспределитель (пульсатор) и энергообменный канал(ЭК),

определены основные конструктивные схемы: с одним пульсатором-газораспределителем и с двумя (Рис. 1). Энергообмен с одним пульсатором характерен для резонансных В КГ и так называемых пульсационных генераторов холода. С двумя - для импульсных трубок с отводом среды в теплой части ЭК и «волновых детандерах». Проведено разделение ВКГ по принципу работы пульсатора на две группы: безприводные и с механической системой газораспределения.

Пульсатор является ключевым элементом ВКГ обеспечивая пульсацию давления в ЭК(генерируя волны сжатия и разрежения) путем подачи и сброса сред высокого и низкого давления. Смешение, время подачи и сброса рабочего тела, задаваемые пульсатором, определяют эффективность всего устройства в целом. Основной задачей энергообменного канала(ЭК) является интенсификация энергообменного процесса. Рабочая(внутренняя) поверхность ЭК может представлять собой простой цилиндр или параллелепипед, а может и поверхность со сложным переменным сечением(эллипсоидная, параболоидная поверхность и т.д.).

Для ВКГ с двумя пульсаторами представлены конструктивные схемы энергообмена для так называемой «петлевой» и «прямоточной» схемы расположения источников и стоков, а так же для режима уравнителя давлений и режима подобного работе эжектора.

а) б)

Рис. 1.

Конструктивные схемы ВКГ: а) - с одним пульсатором; б) - с двумя пульсаторами и «петлевой» схемой расположения источников и стоков Активный поток высокого

АВ

АН

давления

Активный поток низкого давления

пв

ПН

Пассивный поток высокого давления

Пассивный поток низкого давления

Для описания работы применены понятия «активной» и «пассивной» части рабочего тела (среды). Активная среда - среда, расширяемая в ВКГ. Пассивная среда — среда сжимаемая в энергообменном канале. Работу всех ВКГ можно условно разделить на две фазы. Первая фаза начинается с подачи активной среды высокого давления(АВ) в ЭК заполненный пассивной средой низкого давления (ПН). В начальный момент формируется контактная поверхность (КП1), разделяющая пассивную среду находящуюся в канале с активной средой, подаваемой в канал (Рис. 2). Активная среда сжимает (нагревает) пассивную, что позволяет осуществлять отвод энергии в виде тепла СЬ- Для машин с одним пульсатором 1-ая фаза заканчивается завершением подачи активной среды в ЭК (Рис. 2, а), отвод энергии в виде тепла СЬ осуществляется с нагретого торца ЭК. Для машин с двумя пульсаторами первая фаза рабочего процесса заканчивается сбросом сжатой пассивной среды через «правый» пульсатор(Рис. 2, б), что позволяет организовать отвод энергии за пределами ЭК в виде тепла (Зо, и в дальнейшем использовать механическую энергию сжатого пассивного газа. Вторая фаза рабочего процесса начинается со сброса активной среды из ЭК через «левый» пульсатор. Для машин с двумя пульсаторами помимо сброса активной среды из ЭК происходит подача пассивной среды низкого давления (ПН) через «правый» пульсатор. Известны более сложные конструктивные схемы ВКГ с большим количеством пульсаторов, обеспечивающих ступенчатое сжатие пассивной среды и ступенчатое расширение активной. Но они не меняют основных принципов организации энергообмена в канале описанных ранее.

Время

АН

АВ

'01

9> ^

Время

у у

св г> ее •в-

сч

АН

ее '

•е-

АВ

0.5

а)

1 х/Ъканала

ИМ

-<§тг?

ф

\ И !

ПН

пв

'х/Ьканала

б)

Рис. 2.

Диаграммы подачи сред ВКГ: а) - с одним пульсатором; б) - с двумя пульсаторами и «петлевой» схемой расположения источников и стоков

Анализ основных схем энергообмена показал, что схема с двумя пульсаторами и «петлевым» расположением источников и стоков является наиболее эффективной, а наиболее совершенным пульсатором является роторный пульсатор-газораспределитель. Этим критериям удовлетворяют «волновые детандеры» (ВД).

Во второй главе проведен анализ существующих математических моделей расчета параметров рабочего тела в энергообменном канале, представлена созданная математическая модель, учитывающая особенности работы роторного волнового криогенератора.

Анализ существующих математических моделей показал, что наиболее совершенная нелинейная математическая модель, применяемая для расчета энергообменников, была разработана Эрсмамбетовым В.Ш. Эта модель в дальнейшем была доработана с учетом экспериментального материала специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и применена для расчета так называемых «волновых детандеров». Результаты этих работ использованы при создании нелинейной математической модели для расчета РВКГ.

Зр £(ри) (1)

дх ~и'

Э(ри) [ д(Р + ри2) _ в

дг

дх

Эр(е + и72) а(Ри(е + и2/2) + Ри)

дх.

дх

= 0,

е =

Р + ХРр 0С-1)Р

(2)

(3)

(4)

где: -плотность, и-скорость, Р - давление и 8 - внутренняя энергия среды, х - показатель адиабаты; Р0-корректирующий коэффициент

В основе разработанной математической модели уравнения сохранения массы (1), импульса (2) и энергии (3) дополненные уравнением состояния (4). Отличительной особенностью представляемой модели является учет свойств реального газа не только в расчете интегральных характеристик расхода и температуры, но и непосредственно в методе Годунова («распада разрыва»). Вычисления в методе Годунова уточняются с помощью корректирующих коэффициентов определяемых на основе уравнения состояния с вириальными коэффициентами для чистого метана. Введение

учета скорости газа в источниках и стоках при определении времени итерации совместно с осреднением параметров газа в расчетной ячейке (используемом в методе «распада разрыва») позволяет моделировать зону смешения при подаче газа в канал. В модели учитывается: влияние перетечек в зазорах, гидравлическое сопротивление в канале. Теплообмен газа со стенками энергообменного канала не учитывается. Математическая модель позволяет получить трехмерную картину изменения параметров в канале (Рис. 3). Результаты математического моделирования представлены на графиках расчетных значений давления, температуры и скорости газа в крайних расчетных ячейках и расчетной волновой картины энергообмена в РВКГ.

Рис. 3.

Расчетное распределение давления Р по длине канала(ось «X») в зависимости от углового положения ротора при як = 2.16 Ар - угловое положение ротора

В третьей главе представлена: конструкция созданного РВКГ, схема и описание экспериментального стенда, методика проведения эксперимента и обработки результатов, а также результаты экспериментальных исследований.

Основные конструктивные элементы исследованного РВКГ с петлевой схемой подачи сред показаны на рис. 4.

Рис. 4.

Основные конструктивные элементы РВКГ с петлевой схемой подачи сред

АВ - активная среда высокого давления; АН - активная среда низкого давления; ПВ - пассивная среда высокого давления; ПН - пассивная среда низкого давления. 1 - ротор; 2 - газораспределительный диск активной среды, 3 - газораспределительный диск пассивной среды; 4 - энергообменные

каналы

На рисунке 5 представлен график влияния степени расширения активного потока на адиабатный КПД при изменении среднего осевого зазора Д. При увеличении степени сжатия активного газа с 1.6 до 2.6 отмечается снижение изоэнтропного КПД криогенератора с 0.53-0.6 до 0.470.51. При этом величина щ (степень сжатия пассивного потока) в проведенных экспериментах близка к степени расширения активного потока як. Уменьшение среднего осевого зазора с 0.1 до 0.045 мм позволило повысить КПД на 3...7% на всех исследованных степенях расширения 7Г„. При снижении степени расширения активного потока як наблюдается повышение относительного расхода с 0,18-0,23 до 0,27-0,33 (Рис. 5, б).

Лад

0.6 0,575 0.55 0,525 0,5 0,475 0,45

д А

д

□

(2п/<2а 0,35

0.25

Як 0,15

1.5 1.75 2 2.25

а)

Рис. 5.

Влияние степени расширения активного потока: на адиабатный КПД (вид а) и относительный расход С>п/С>а(вид б) при изменении среднего осевого зазора Д(0ротора=6Омм) Г)п - расход пассивного газа; С>а - расход активного газа о - А = 0,1мм; о - Д= 0,066мм; д - Д=0,045мм

Фаска 0,3 мм

а)

б)

Рис. 6.

Развертка по среднему диаметру каналов ротора (а - до доработки, б - после доработки)

С целью снижения гидравлического сопротивления при поступлении расширяемого активного газа в энергообменный канал торцевые поверхности стенок каналов ротора РВКГ(со стороны подачи активного газа) были доработаны. С торцевых кромок сняты фаски 0.3мм, при толщине стенки

1мм(Рис. 6). После доработки ротора расход активного газа увеличился на 6 ... 9%, а пассивного на 7... 17%(Рис. 7).

Рис. 7.

Влияние степени расширения активного потока на расход С^п и С?а до(тонкая линия) и после(толстая линия) доработки ротора (А=0.045) о, д - расход активного и пассивного газа после доработки О, о - расход активного и пассивного газа до доработки

Примененный способ снижения гидравлического сопротивления на входе в энергообменный канал позволяет увеличить надежность конструкции за счет увеличения толщины радиальной стенки энергообменного канала при сохранении производительности.

Зафиксированная в экспериментах (с использованием холодильной машины для охлаждения природного газа) температура 158К при давлении 1.58МПа расширенного активного газа позволяет утверждать что, РВКГ устойчиво работает в двухфазной области.

На разработанной и апробированной в реальных условиях конструкции РВКГ был достигнут адиабатный К.П.Д. 60% на уровне температур активного газа минус 35 минус 110°С. Подтверждена устойчивая работа устройства в условиях сильной загрязненности примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды). Эксперименты подтвердили эффективность принятых конструктивных решений: схемы базирования с консольным

размещением ротора, применение магнитной муфты и уплотняющего элемента в виде спиральной пружины во фторопластовой оболочке.

В четвертой главе представлена инженерная методика расчета рабочих температур роторного волнового криогенератора, проведено сравнение результатов исследования процессов с использованием математической модели и экспериментальных данных.

Для изучения процессов в РВКГ был использован опыт построения индикаторной диаграммы для известной машины Гиффорда-Мак-Магона с газовым поршнем, а так же «детандера» с газовым поршнем в работе О.Е.Панковой. На основе результатов полученных по математической модели использующей метод «распада разрыва» была построена индикаторная диаграмма (Рис. 8.). Положение контактной поверхности (ось абсцисс) определялось исходя из массы подаваемого и сбрасываемого из канала активного газа. Ось ординат соответствует средним давлениям активного и пассивного газа, рассчитываемым по параметрам в расчетных ячейках.

На основе полученной индикаторной диаграммы можно выделить основные процессы изменения параметров активного и пассивного газа, происходящие в энергообменном канале. Расширение активного газа на первой фазе относительно первоначального давления PI акт в сопле до давления Р2акт происходит при его подаче в канал(углы 1А-4А) и в процессе выхлопа(углы 1П-4П) где активный газ является газом остающемся в «баллоне», а в роли газа вышедшего из «баллона» выступает пассивный газ. Поэтому процесс расширения активного газа с давления PI акт до Р2акт с большой степенью точности можно считать изоэнтропным. Вторая ступень расширения активного газа с давления Р2акг до Рзакг на углах 5А-8А является процессом выхлопа. Так как при этом подаваемый пассивный газ на углах 5П-8П полностью заменяет активную среду в канале то температуру выходного активного газа можно вычислить по зависимости (5) для выхлопа с учетом смешения оставшегося в «баллоне» и вышедшего газа.

где Т2жг, Ргакг- начальная температура и давление активного газа, Т3шсг, Рзакг - температура и давление активного газа после выхлопа, к - показатель адиабаты.

Для вычисления Тзает помимо параметров газа подаваемого в РВКГ (Р 1актэ т1акг), необходимо ОПреДСЛИТЬ Давление Р2акг. На всех режимах исследуемого РВКГ давление Р2акг приблизительно равнялось половине всего интервала Р^ - Р3акт.

(5)

к

Р, МПа

р, 0 хЮО/Ьканала

Рис. 8.

Расчетная индикаторная диаграмма т^ = 2.16 подача активного газа : ♦ - при полностью открытом канале, о - при открытии/закрытии канала; сброс активного газа : д - при полностью открытом канале, а - при открытии/закрытии канала; сброс пассивного газа : • - при полностью открытом канале, о - при открытии/закрытии канала; подача пассивного газа: ■ - при полностью открытом канале, □ - при открытии/закрытии канала; 1А-8А, 1П-8П - основные углы положения ротора по активной и пассивной стороне соответсвенно

Пассивный газ

Активный газ

^2акт

2

1А(8А)

7П(8П)

0.8

0,6 0,4 -

0,2

!

1 ——■

........ .....

___ 1 * *^

1 1

1 1

Т1пас-Т3пас

140

120 100 80 60 40 20 О

/

•

"у

X

1.50

1,75

2.00

2.25

2.50

1,50

2.00 2,25 2,50 2,75

а) б)

Рис. 9.

Сравнение влияния степени расширения активного потока кк на экспериментальное и расчетное адиабатное КПД (вид а) и на перепад экспериментальных и расчетных температур пассивного газа (вид б)

---- расчет по уравнению для выхлопа т3ап =-^-;

--расчет по инженерной методике с учетом смешения газов(11%);

--расчет по инженерной методике без учета смешения газов;

— - расчет по математической модели на основе метода Годунова(«распада разрыва»); х - экспериментальные данные

Температуру пассивного газа Т1пас можно определить по уравнению для процесса «впуска» (6).

1 + (к-1)^£ гр _ _1 зпас гт,

*1пас ^ *3пас 4

где Тзшс, Рзпас — начальная температура и давление пассивного газа, Т|пас, Р1пас - температура и давление пассивного газа после сжатия.

Температуры Т3шсг и Т1пас, вычисленные с использованием формул (5) и (6), позволяют определить рабочие температуры идеального РВКЦбез смешения газов). Результаты расчетов по инженерной модели с учетом смешения активного и пассивного газов и без учета представлены на графике рис. 9.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Впервые разработан опытно-промышленный образец роторного волнового криогенератора, реализующего принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа. Определены термобарические и расходные характеристики РВКГ с энергообменными каналами постоянного сечения.

Разработана математическая модель для определения параметров РВКГ учитывающая свойства реального газа (метана) не только в расчете интегральных характеристик, но и непосредственно в методе академика РАН С.К. Годунова (метод «распада разрыва»). Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по модели на основе метода «распада разрыва» и полученных экспериментально не превышает ±4%, что подтверждает ее применимость для расчета параметров роторного волнового криогенератора в исследованном диапазоне степеней расширения.

Впервые разработана инженерная методика расчета рабочих температур роторного ВКГ для определения изоэнтропного КПД и степени нагрева сжимаемого потока на основе классических уравнений процесса выхлопа и впуска. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по инженерной методике и полученных экспериментально не превышает ±7%. Расчеты по инженерной модели показали существенную роль процессов смешения активного и пассивного газа в снижении эффективности РВКГ.

Выявлены основные процессы и фазы в РВКГ. На первой фазе активный газ расширяется изоэнтропно, на второй фазе происходит его выхлоп. Сжатие и нагрев пассивного газа происходит на первой фазе рабочего процесса.

Экспериментально показана возможность увеличения производительности исследованной конструкции РВКГ путем снижения величины гидродинамического сопротивления на входе в энергообменный канал со стороны газораспределителя активного газа.

Подтверждена возможность повышения эффективности криогенератора за счет уменьшения величины торцевых зазоров.

Анализ результатов экспериментального исследования РВКГ подтвердил выводы о максимальной эффективности устройств данного типа в области жк (степень расширения активного потока) менее 2,5, что определяется термодинамическими особенностями процесса выхлопа.

На разработанной и апробированной в реальных условиях конструкции роторного волнового криогенератора был достигнут адиабатный К.П.Д. 60% на уровне температур минус 35 минус 110°С. Подтверждена устойчивая работа РВКГ в условиях сильной загрязненности рабочего тела примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды), а также при появлении двухфазной парожидкостной среды на выходе.

Анализ основных схем энергообмена показал, что схема с двумя пульсаторами и «петлевым» расположением источников и стоков является наиболее эффективной, а наиболее совершенным пульсатором является роторный пульсатор-газораспределитель.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / В.Ю. Семенов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. №4. С. 23-25.

2. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / А.М. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана Сер. Машиностроение. 2010. С. 122-127.

3. Архаров А.М., Семенов В.Ю., Малахов С.Б. Анализ принципов организации энергообмена в волновых криогенераторах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. №8. С. 77-83.

4. Развитие технологии сжиженного природного газа в московском регионе / А.М. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. С. 214-229.

5. Анализ рабочих процессов в роторном волновом криогенераторе / А.М. Архаров [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №7. С. 15-20.

Подписано к печати 07.05.13. Заказ №315 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э.БАУМАНА

04201357939

Малахов Сергей Борисович

На правах рукописи УДК 621.59

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РОТОРНОГО ВОЛНОВОГО КРИОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯ

ПРИРОДНОГО ГАЗА

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

05.04.03- Машины и аппараты, процессы холодильной, криогенной техники, системы кондиционирования и жизнеобеспечения

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Архаров A.M.

Москва-2013

Оглавление

Стр.

Условные обозначения и сокращения................................................................................................................4

Введение......................................................................................................................................................................................7

Глава1. Анализ современного состояния исследований волновых

криогенераторов с энергообменным каналом............................................................14

1.1. Принципы организации энергообмена волновых криогенераторов 14

1.2. Безприводные волновые криогенераторы................................................................22

1.2.1. Резонансные охладители газа..........................................................................................22

1.2.2. Пульсационные охладители газа статического типа..................................26

1.3. Волновые криогенераторы с механической системой газораспределения..................................................................................................................................................................................30

1.3.1. Пульсационные охладители газа....................................................................................30

1.3.2. Полустатические обменники давления..................................................................35

1.3.3. Энергообменники........................................................................................................................38

1.3.4. Волновые детандеры..................................................................................................................43

1.4. Выводы по главе 1................................................................................................................................................................52

Глава 2. Математическая модель процессов в роторном волновом

криогенераторе................................................................................................................................................................53

2.1. Акустические модели....................................................................................................................53

2.2. Нелинейные газодинамические модели..................................................................54

2.3. Нелинейная газодинамическая модель для расчета роторного волнового криогенератора....................................................................................................................60

Глава 3. Экспериментальное исследование роторного волнового

криогенератора....................................................................................................................................................69

3.1. Конструкция и устройство роторного волнового криогенератора.... 69

3.2. Экспериментальный стенд....................................................................................................76

Стр.

3.3. Измеряемые параметры и погрешности измерений............................................79

3.4. Методика проведения эксперимента и обработки результатов..........80

3.5. Экспериментальные исследования......................................................................................81

3.6. Выводы по главе 3................................................................................................................................87

Глава 4. Исследование процессов в роторном волновом

криогенераторе с использованием математической модели..................................88

4.1. Индикаторная диаграмма РВКГ. Инженерная методика определения рабочих температур РВКГ........................................................................................................88

4.2. Сравнение результатов исследования процессов с использованием математической модели и экспериментальных данных......................................92

4.3. Выводы по главе 4..................................................................................................................................96

Основные результаты и выводы.................... ............................................................97

Литература............................................................................................................................................................................................................99

Приложения............................................................................................................................................................108

Условные обозначения и сокращения

ВКГ - волновой криогенератор;

РВКГ - роторный волновой криогенератор;

ПОГ - пульсационный охладитель газа;

ПСОД - полустатический обменник давления;

ВД - «волновой детандер»;

ПУВ - ударная волна;

ОУВ - отраженная ударная волна;

ВР — волна разрежения;

ОВР - отраженная волна разрежения;

ВТ - ударная волна возникающая при торможении потока среды; КП - условная контактная поверхность разделяющая активную и пассивную среду;

7ік- степень расширения активного потока;

щ — степень расширения пассивного потока;

Яграсч ~ расчетная степень расширения пассивного потока;

п — частота вращения;

Прасч ~ расчетная частота вращения;

г|ад - адиабатный КПД;

С2п - расход пассивного газа;

(2а - расход активного газа;

А - площадь поперечного сечения энергообменного канала; Ьканала — длинна канала ротора РВКГ; А - средний осевой зазор между ротором РВКГ и соплом; А акт — средний осевой зазор между ротором РВКГ и соплом со стороны подачи и сброса активного газа;

Аакт=Аакт/Ькя„я пй - приведенный средний осевой зазор между ротором РВКГ и соплом со стороны подачи и сброса активного газа;

А пасс — средний осевой зазор между ротором РВКГ и соплом со стороны подачи и сброса пассивного газа;

Апасс=АпассЛ^кяияпя - приведенный средний осевой зазор между ротором РВКГ и соплом со стороны подачи и сброса пассивного газа; Р — давление;

Рае, Р1акт - давление активного газа в сопле высокого давления; Ран, Рзакт — давление активного газа в сопле низкого давления; Ракт - давление активного газа в сопле (РакТ=Рав или Раш=Ран в зависимости от углового положения канала);

Рпн, Рзпас - давление пассивного газа в сопле низкого давления; Рпв, Р^ас ~ давление пассивного газа в сопле высокого давления; Рпас - давление пассивного газа в сопле (Рпас=Рим или Рпас=Рпв в зависимости от углового положения канала); Ри - давление источника; Рс - давление стока; р — плотность; и — скорость; ии- скорость источника; ис- скорость стока; С — скорость звука; Сячейки — скорость звука в ячейке;

8 - внутренняя энергия среды; 8И - внутренняя энергия источника;

8С— внутренняя энергия стока;

8 - энтропия; Ь - энтальпия;

О - гидравлический диаметр энергообменного канала;

^ — коэффициент гидравлических потерь;

Р1о,Р2о,Рю,Р20 - корректирующие коэффициенты определенные по внутренней энергии газа;

Р1ос>Р2ос>Рюс5Р20с — корректирующие коэффициенты определенные по скорости звука в газе;

Р1 об, Р2о8,Рю8, Ргоэ _ корректирующие коэффициенты определенные по энтропии газа;

% — показатель адиабаты;

ш - масса газа в расчетной ячейке;

Vк - объем занимаемый газом в канале;

х - текущая координата;

А1 - временной интервал;

Ьячейки-длинна ячейки;

Кзап - коэффициент запаса;

1П, 2П, ЗП, 4П- основные угловые положения энергообменного канала при сбросе пассивного газа;

5П, 6П, 7П, 8П - основные угловые положения энергообменного канала при подаче пассивного газа;

1А, 2А, ЗА, 4А — основные угловые положения энергообменного канала при подаче активного газа;

5 А, 6А, 7 А, 8А - основные угловые положения энергообменного канала при сбросе активного газа.

Введение

Эффективность криогенных установок определяется совершенством используемых аппаратов, машин и в том числе расширительных устройств -криогенераторов. В настоящее время наиболее эффективной расширительной машиной является турбодетандер. Однако создание турбодетандеров для малотоннажных ожижителей легких газов (в том числе природного газа) сопряжено с рядом трудностей связанных с ростом скорости вращения ротора, возможной конденсацией тяжелых фракций в процессе расширения и загрязненности газа. Кроме того сложность конструкции, высокая стоимость и ограниченная надежность вынуждают отказываться от применения турбодетандеров при малотоннажном производстве. Дроссельные расширительные устройства весьма надежны, конструктивно просты и недороги, однако адиабатный процесс расширения в них газа реализуется без совершения внешней работы и поэтому не является холодопроизводящим, что и определяет меньшую, как правило, термодинамическую эффективность установок с дросселированием [1]. Это обуславливает интерес к исследованиям волновых криогенераторов (ВКГ) работающих с совершением внешней работы и отличающихся невысокой стоимостью.

Работы по созданию и исследованию безмашинных волновых криогенераторов были начаты в 1979 году в проблемной и отраслевой лабораториях газодинамических методов получения холода МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием ОАО «Криогенмаш», ОАО «Гелиймаш» и акустическим институтом им. H.H. Андреева. Созданные волновые криогенераторы эллипсоидного и параболоидного типа позволили получить КПД до 18%, а в криогенераторах с использованием эффекта Коанда, - КПД достигало 40%.

Результатом исследований в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» стало создание и промышленное применение ряда волновых расширительных

машин: так называемых пульсационных охладителей газа (ПОГ) статического типа работающих с КПД 35-40% и с механической системой газораспределения с КПД 40-65%, энергообменников и «волновых детандеров» с КПД до 80%.

Отметим, что частота вращения газораспределителя в ПОГ с механической системой газораспределения, энергообменников и «волновых детандеров» гораздо меньше, чем у турбодетандеров - от 1000 до 8000 об/мин.

Первые исследования энергообменных аппаратов были направлены на применение их для наддува двигателей внутреннего сгорания. По своему функциональному назначению они были аналогичны турбокомпрессору, используя энергию давления расширяемого (активного газа) для компримирования пассивного газа посредством ударных волн. Детандерно-компрессорный режим энергообменника не является единственным. Путём изменения фаз газораспределения возможна эксплуатация энергообменника в режиме делителя потока (аналог - вихревая труба), а также в режиме уравнителя давлений (аналог - эжектор), что существенно расширяет область применения данных устройств.

Исследования направленные на применение энергообменников в установках низкотемпературной обработки газа, проведенные ВНИИГАЗ, привели к созданию «волновых детандеров». «Волновые детандеры» по функциональному назначению аналогичны детандерно-компрессорному агрегату. Конечный результат этих работ - успешная промышленная эксплуатация разработанной конструкции «волнового детандера» ВД-1 в составе установок «отбензинивания» газов Сосногорского ГПЗ и исследования технологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсата на Вуктыльском (Республика Коми) газоконденсатном месторождении. Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены большими объемными расходами

перерабатываемого газа (до 20 тыс. м. куб/час) и температурой расширяемого (активного) газа 270...310К. Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены большими объемными расходами перерабатываемого газа (до 20 тыс. м. куб/час) и температурой расширяемого (активного) газа 270...310К.

Перспективность применения «волновых детандеров» в области низких температур для малотоннажных установок сжижения природного газа определяет актуальность настоящей работы. Созданное и исследованное газорасширительное устройство - роторный волновой криогенератор (РВКГ) является продолжением в развитии волновых криогенераторов (ВКГ) и отличается от «волновых детандеров» рядом конструктивных особенностей.

Целью работы является разработка и исследование криогенератора нового типа - роторного волнового криогенератора, научно-методическое обоснование оптимальных геометрических и технологических параметров, а также конструктивных решений, обеспечивающих повышение эффективности его эксплуатации в составе установок сжижения природного газа, работающих на уровне температур 210-180 К.

Основные задачи исследования

1. Разработка математической модели учитывающей особенности рабочих параметров РВКГ.

2. Отработка конструкций основных узлов, обеспечивающих эксплуатационную надёжность РВКГ.

3. Исследование режимных и геометрических параметров РВКГ на природном газе.

4. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, анализ полученных результатов.

5. Разработка инженерной методики определения рабочих температур РВКГ.

Научная новизна

Впервые определены термобарические и расходные характеристики промышленного образца роторного волнового криогенератора, реализующего принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа.

Разработана математическая модель для определения параметров РВКГ учитывающая свойства реального газа (метана) не только в расчете интегральных характеристик, но и непосредственно в методе «распада разрыва» академика РАН С.К. Годунова. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по модели на основе метода «распада-разрыва» и полученных экспериментально не превышает ±4%.

Впервые разработана инженерная методика расчета рабочих температур роторного ВКГ для определения изоэнтропного КПД и степени нагрева сжимаемого потока на основе классических уравнений процесса выхлопа и впуска. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по инженерной методике и полученных экспериментально не превышает ±7%.

Расчеты по упрощенной модели позволяют сделать вывод о существенном влиянии процессов смешения активного и пассивного газа на снижение эффективности РВКГ.

Выявлены основные процессы и фазы в РВКГ. На первой фазе активный газ расширяется изоэнтропно, на второй фазе происходит его выхлоп. Сжатие и нагрев пассивного газа происходит на первой фазе рабочего процесса.

Защищаемые положения

1. Научное обоснование оптимальных режимных и геометрических параметров РВКГ по результатам стендовых экспериментальных исследований макетного образца.

2. Математическая модель основанная на методе С.К. Годунова (метод «распада разрыва»), учитывающая свойства реального газа.

3. Инженерная методика определения рабочих параметров РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа.

Степень достоверности полученных автором результатов

Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и воспроизводимостью результатов. Основные уравнения представленных автором математических моделей и соотношений величин базируются на фундаментальных законах и уравнениях термодинамики и газодинамики.

Практическая ценность

Впервые разработан опытно-промышленный образец роторного волнового криогенератора.

Разработана математическая модель основанная на методе С.К. Годунова (метод «распада разрыва») для расчёта РВКГ, достоверность которой подтверждена результатами экспериментов.

Разработана инженерная методика расчета рабочих температур РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа и впуска. Достоверность которой также подтверждена результатами экспериментов.

Выявлены направления повышения эффективности РВКГ: снижение перетечек за счет уменьшения зазоров; уменьшение торможения потока газа на торце вертикальной стенки канала путем оптимизации ее геометрии.

¿г

Подтверждена устойчивая работа устройства в условиях сильной загрязненности примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды), а также при появлении двухфазной среды на выходе.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (ГАСИС, 2010 г.), 2-й международной конференции «ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГАЗЫ» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 г) и на одиннадцатой международной специализированной выставке «Криоген-Экспо - 2012» (ЦБК «Экспоцентр», 2012г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в журналах рекомендованных ВАК РФ:

1. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / В.Ю. Семенов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. №4. С. 23-25.

2. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / A.M. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. С. 122-127.

3. Архаров A.M., Семенов В.Ю., Малахов С.Б. Анализ принципов организации энергообмена в волновых криогенераторах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. №8. С. 77-83.

4. Развитие технологии сжиженного природного газа в московском регионе / A.M. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. С. 214-229.

5. Анализ рабочих процессов в роторном волновом криогенераторе / A.M. Архаров [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №7. С. 15-20.

Личное участие в получении результатов: Все результаты и выво