автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанного поршневого детандера

со

от

*=С К О

го

I гм

. "" _ На правах рукописи

Иванов Дмитрий Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СТУПЕНИ БЕСКЛАПАННОГО ПОРШНЕВОГО ДЕТАНДЕРА

Специальность 05.04.03 — Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургской Государственной академии холода и пищевых технологий.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Ирилуцкий И.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пекарев В.И.

кандидат технических наук; доцент Хрустале!) Б.С.

Ведущая организация — ООО"НИИХИММALII"

Защита состоится А'. 1998 года в . часов на заседании

диссертационного Совета К063.02.01 в Санкт-Петербургской Государственной академии холода и пищерых технологий

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в диссертационный Совет академии по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, СПбГАХПТ.

Ученый секретарь диссертационного Совета: кандидат технических наук, профессор

Акулов Л.А.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В большинстве случаев к комплектующему оборудованию криогенных установок в первую очередь предъявляются требования надежности и стабильности рабочих параметров. В связи с этим разработка нового поколения бесклапанных детандеров, не содержащих в системе газораспределения динамически нагруженных органов — клапанов, представляется перспективным направлением совершенствования поршневых детандеров.

До настоящего времени при проектировании детандеров в бессмазочном исполнении ориентировались на базы мембранных компрессоров или индивидуальные базы с пониженной средней скоростью поршня, что приводило к завышенным удельным массо-габаритным показателям. Созданные за последние годы в ряде организаций высокооборотные базы со средней скоростью поршня до 3 м/с, в частности, без смазки механизма движения, позволяют в значительной мере снизить удельные массо-габаритные показатели детандеров.

Недостаточно разработанной является методика расчета бесклапанных детандеров и оптимизации их конструкции на стадии проектирования. Большинство существующих методик не содержат комплексного учета взаимосвязи протекающих рабочих процессов. Поэтому работы направленные на создание более совершенных инженер. ных и оптимизационных методик расчета перспективных конструкций детандеров на наш взгляд актуальны.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка усовершенствованной методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанных поршне-■ вых детандеров с улучшенными технико-экономическими показателями, учитывающей взаимосвязь конструкции ступени с протекающими рабочими процессами и реальные свойства газа.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА. Разработка надежных и эффективных детандерных ступеней без смазки и параметрических рядов бесклапанных поршневых детандеров на современных унифицированных базах поршневых компрессоров с повышенной частотой вращения вала и средней скоростью поршня.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать конструкцию ступени бесклапанного поршневого детандера в бессмазочном исполнении, эффективно, надежно и стабильно работающую в широком диапазоне начальных давлений при повышенной средней скорости поршня и частоте вращения вала.

2. Разработать инженерную методику расчета бесклапанного порш-

невого детандера, проектируемого на унифицированных базах.

3. Разработать методику расчета и оптимизации параметров ступени на базе математического моделирования протекающих рабочих процессов в их взаимосвязи с учетом свойств реального газа. Установить адекватность разработанной модели.

4. Выполнить численный эксперимент направленный на выявление физической стороны протекающих процессов и оптимизацию конструкции ступени и ее отдельных элементов применительно к детандерам низкого, среднего и высокого давления.

5. Обосновать возможность создания типоразмерных рядов бесклапанных детандеров на унифицированных базах.

ОСНОВАНИЕМ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ является перечень научных направлений СПбГАХПТ (пп. 1 и 5).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На защиту выносятся следующие научные положения: „

1. Теоретическое обоснование коэффициента подачи и инженерной методики расчета ступени бесклапанного поршневого детандера.

2. Методика расчета и оптимизации текущих и интегральных параметров уплотнительных узлов поршней с переменным во времени числом работающих (нагруженных) уплотнительных колец, комплексно учитывающая конструктивные особенности уплотнения, реальные свойства газа и механические процессы в парах трения.

3. Обобщенная эмпирическая зависимость для расчета коэффициента тр.ения элементов уплотнений без смазки, пригодная для использования в детандерных и компрессорных ступенях.

4. Методика расчета волюметрических, термодинамических и тепло-физических свойств реальных газов для области давлений и температур соответствующей процессам протекающим в детандерных и компрессорных ступенях.

о. Упрощенная математическая модель рабочих процессов в ступени бесклапанного детандера, рекомендуемая для экспресс-анализа вариантов исполнения ступени.

6. Обобщенная математическая модель, учитывающая специфические особенности конструкции, свойства реального газа, характер процессов тепло- и массообмена в ступени и механическое трение в элементах цилиндро-поршневых групп и позволяющая находить оптимальное соотношение характерных параметров ступени.

7. Результаты численного эксперимента, полученные на осаове использования разработанных моделей,-позволившие выявить ряд закономерностей физических процессов и дать рекомендации по конструированию ступеней бесклапанных детандеров и их элементов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основе разработанных моделей создан пакет прикладных программ для ПЭВМ. Результаты работы внедрены в "НПЦ Компрессоры БС" и используются в учебном процессе СПбГАХПТ при чтении курса лекций "Расширительные машины", при курсовом и дипломном проектировании.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на:

— международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства". С.-Петербург, 1996.

— научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАХПТ, С.-Петербург, 1997.

— XI международной научно-технической конференции по компрессорной технике, КГТУ, Казань, 1993.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы. Текстуальная часть работы изложена на 135 страницах. Работа содержит 69 рисунков", 8 таблиц и 2 приложения.

Список использованной литературы включает 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Поршневые детандеры до настоящего времени находят применение в установках разделения воздуха, сжижения газов и т.д.

Технико-экономический анализ, выполненный рядом организаций и дополненный в настоящей работе, показывает, что в области малых расходов газа поршневые детандеры обладают более высокой эффективностью работы, особенно в условиях эксплуатации на режимах отличных от номинального.

К недостаткам существующих детандеров следует отнести сравнительно низкую надежность работы и высокую удельную металлоемкость. Последнее обусловлено вынужденным ограничением частоты вращения вала и средней скорости поршня агрегата из-за низкой надежности органов газораспределения — клапанов.

Альтернативным решением вопроса является создание бесклапанных детандеров, работающих без смазки цилиндро-поршневых групп при повышенной скорости вращения вала и средней скорости поршня, что представляется экономически целесообразным при использовании современных отработанных на практике баз поршневых компрессоров со смазкой и без смазки механизма движения.

В эхом направлении работал ряд зарубежных фирм, отечественных коллективов и отдельных авторов, благодаря трудам которых была создана научная основа и накоплен большой экспериментальный материал и опыт проектирования. Среди них следует отметить, в частности, работы института физических проблем АН СССР, ВНИИ-КРИОГЕНМАШ, ГЕЛИЙМАШ, Сибкриотехника, ЛЕННИИХИМ-МАШ, ВНИИКОМПРЕССОРМАШ и др. совместно с соответствующими профилю предприятиями, ряда высших учебных заведений, в том числе МГТУ им. Баумана, МЭИ, СПбГТУ, СПбГАХПТ и т.д.

Впервые конструкция бесклапанного детандера предложена Дол-лом и Эдером и доведена фирмой Linde до создания серийного гелиевого ожижителя. Дальнейшее развитие данное направление нашло в научных школах проф. Архарова A.M., Бродянского В.М. и других. В последнее время работы по бесклапанным детандерам активно ведутся в СПбГАХПТ под руководством проф. Дрилуцкого И.К.

При литературном обзоре автором установлено, что существующие методики расчета, как правило, не учитывают зависимость процессов тепло- и массообмена от переменного во времени сечения впускных и выпускных окон, частоты вращения вала, величины мертвого пространства и свойств рабочего газа. В ряде случаев известные методики предусматривают использование табличных данных, графических построений, применение условных показателей политроп сжатия и расширения газа, т.е. ориентированы на опытные данные полученные при анализе работы низкооборотных детандеров, что делает проблематичным их применение в случае создания форсированных по частоте вращения вала.детандеров.

На основании обзора литературных данных сделан вывод об актуальности работы, сформулированы научная и техническая проблемы, а также основные задачи, решаемые в настоящей работе.

В качестве основного объекта исследования выбрана ступень бесклапанного детандера с дифференциальным поршнем, схема и рабочий цикл которой показаны на рис. 1 При положении поршня в ВМТ рабочий объем цилиндра минимален и равен объему мертвого пространства ступени. Вход свежего газа в цилиндр осуществляется через впускные каналы с сечением /вх на боковой поверхности малого цилиндра d. Выход предусмотрен через аналогичные каналы с сечением /вых на цилиндре большого диаметра D. Для обеспечения работоспособности конструкции применены отработанные в эксплуатации бессмазочные уплотнительные кольца аналогичные применяемым в компрессорных ступенях, высокого и среднего давления. Для снижения газовых сил, действующих вдоль оси цилиндра, в нижней части ступени может быть предусмотрена уравнительная полость

с постоянльш противодавлением РПр.

Конструкторской разработке детандера предшествует предварительный этап, на котором обосновывается схемное решение, определяются в первой приближении геометрические размеры ступени и ее элементов. В качестве исходных данных задаются параметры принятой для проектирования базы (тип и номинальное усилие базы. "Рб> число рядов диаметр штока /?шт, ход поршня ¿'п, частота

вращения вала П и средняя скорость поршня Сп — 25ПП ), требуемая производительность детандера 771, род газа (к, Я) и его начальные и конечные параметры (-Рн, Тн, рн, РК)-

В основу разработанной инженерной методики расчета положено уравнение для коэффициента подачи ступени

А = ™ I - ¿2)5пп = 2т(Ря - Рк) / рнСпРб, (1)

которое при теоретическом анализе цикла детандера было получено в виде

А = АдАт(а + Б2) - (а + 53) [(1 + Хь) • (Рк/Я,)]* ■ (2)

Здесь: а — относительное мертвое пространство ступени; $2 и 5з — относительный ход поршня в начале и конце процесса расширения; Х5 — относительные потери давления в процессе выталкивания; Ад, Ат — газодинамический и тепловой коэффициенты.

Для определения составляющих коэффициента подачи в работе рекомендованы следующие соотношения:

0.85 < < 0.95, 0.04 < 52 < 0Д0, 0.05 < х5 < 0.10

Ад = 1-|(тгМвх02)2 и Ах = 1-(0.15-г0.18) (0.6-М8Х); 8

Здесь Мвх — критерий скорости потока газа на входе в ступень; ©2 = /(52) —безразмерная скорость поршня.

При известном коэффициенте подачи А из уравнения 2 получаем выражение для определения требуемого относительного мертвого объема ступени в виде О = /(А, Рп/РК, 5 з,...). Тогда доля коэффициента подачи, приходящаяся на процесс впуска |/вп', записывается в виде

^вп — А — АДАТ.?2.

(3)

Зная Увп, определяется расход газа в процессе впуска и в первом приближении хребуемое сечение входных каналов /вх.

При использовании инженерной методики давления и температуры газа в реперных точках цикла рассчитываются по соотношениям справедливым для внешне адиабатных систем при идеальном газе. Конечная температура газа за детандером определяется выражением

Тк = 0.5(Тз + Т5) (4)

Оптимизация конструкции ступени и рабочего цикла осуществляется на базе обобщенной математической модели, комплексно учитывающей совокупность взаимовлияющих факторов. В основу модели положено уравнение первого закона термодинамики для открытой однородной термодинамической системы, которое с учетом принятых допущений и ряда преобразований записывается в виде

■ А(3 + Е К*,-" ь)Апч-рЛ '

/\<р — вр -г : {О)

Здесь: 5 —- текущая энтропия газа при угле поворота вала (р (<р + Д</?); Ш, Г, к — текущие масса газа, его температура и энтальпия в рабочей камере (РК); ] — индекс полостей, примыкающих к рабочей камере; А171—количество притекающего из ^'-ой полости газа.

Величина АТП зависит от текущего сечения канала /вх, плот-' ности Рф и скорости Су, натекающего газа. Она равна

Дт = У^ (рсд/вх) • , (6)

где текущая скорость С является функцией разности энтальпий в рабочей камере и ^'-ой примыкающей полости.

Для расчета текущей величины (^¡п использовано уравнение N4 = АЯех , постоянные величины Л и Ж в котором рекомендованы проф. Прилуцким И.К. на основе экспериментальных данных.

Зная закон изменения объема РК и задаваясь параметрами газа в исходной точке расчета (<р — 0"), полученные уравнения позволяют находить удельные объем и энтропцю, а по ним и другие параметры газа в рабочей камере при произвольном 0 < (р < 360°.

Разработанная на основе модели программа для ПЭВМ позволяет определять как текущие (Р, Т, в, р и т.д.), так и интегральные

Я1 Мшд и т-Д-) параметры детандера. Анализируя адекватность разработанной модели, отметим, что отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 5 % для текущих и 8 % для интегральных параметров.

При моделировании рабочих процессов в уплотнительном узле произвольная камера между двумя соседними кольцами рассматривается по аналогии с рабочей камерой детандера.

Частным случаем обобщенной модели является упрощенная модель, предполагающая отсутствие теплообмена и рассматривающая рабочий агент как идеальный газ. Она служит для экспресс-анализа ряда вариантов исполнения ступени детандера на.1 этапе..

Составной частью обобщенной модели является предложенная в работе модель определения свойств реального газа. В ее основу положено уравнение Ли-Кеслера, позволяющее осуществлять расчет свойств газов в широком диапазоне температур и давлений с требуемой точностью. Достоинством принятого уравнения является минимальное количество констант, зависящих от рабочего агента в проектируемом детандере. К ним относятся критические параметры и фактор ацентричности Питцера которые ае составляет труда

найти в литературе для большинства используемых газов.

В соответствии с принятой методикой коэффициент сжимаемости газа X определяется по уравнению

Н П П ,, „ „

где индексы О и Г — соответствуют простому и эталонному" веществу.

На основе указанной модели разработан ряд подпрограмм расчета волюметрических, термодинамических и теплофизических свойств реального газа. Сравнение результатов расчета свойств различных газов по модели с имеющимися табличными данными ряда авторов показало, что погрешность определения волюметрических и термодинамических свойств не превышает 5 %.

Разработанные программы расчета использованы при выполнении численного эксперимента, направленного на выявление особенностей протекающих физических процессов и оптимизацию конструкции ступени детандера, что в итоге позволило сформулировать ряд практических рекомендаций по повышению технико-экономических показателей бесклапанных детандеров. Расчетный анализ, выполненный применительно к бесклапанным детандерам с повышенными частотой вращения вала и средней скоростью поршня, показал следующее:

- io-

1. Эффективность детандеров возрастает по мере снижения коэффициента подачи, величина которого в основном определяется относительным мертвым пространством "ступени. Для обоснования данного тезиса в процессе численного эксперимента при постоянной массовой производительности ТП варьировались в широком диапазоне геометрические размеры ступени (Z), Sn), режимные параметры (Рн, Рк, П) и род криоагента.

Обобщение полученных результатов позволило установить, что при проектировании следует стремиться к максимальному диаметру цилиндра в соответствие с номинальным усилием принятой унифицированной базы, а величину допустимой средней скорости поршня ограничивать в зависимости от типа уплотнения поршня. Установлено, что КПД детандера является функцией показателя адиабаты криоагента 7/ —"/(&)" 'и возрастает по мере его увеличения.

2. Выявлен принцип саморегулирования конечной температуры газа за детандером Тк при изменении начального давления Рн (рис. 2). Этому способствует ряд противоположно действующих факторов. С одной стороны давление в конце обратного ся пия Pq в силу особенностей конструкции детандера остается постоянным, вследствие чего с ростов Ра отношение давлений Ph/Pq возрастает, что ведет к увеличению температуры газа в конце процесса впуска Т\ и конечной температуры газа за детандером Тк. С другой стороны, увеличение отношения давлений в ступени Рк/Рк способствует понижению Тк.

Взаимное влияние указанных факторов приводит к тому, что с увеличением Ри возрастает массовый расход газа через детандер и его холодопроизводительность Q при Тк

= f(Pи) ~ const.

Рассматривая КПД детандера в виде J] = (Тн—ТК)/(ТН—ТКа) нетрудно убедиться, что с увеличением Рн теоретически возможная температура газа за детандером jTKjj снижается, что при Тк ~ COTlst приводит к снижению эффективности работы детандера;

Уровень начальной температуры газа Тн практически не отражается на индикаторной работе за цикл, а конечная температура Тк при этом снижается пропорционально Тн при Т] ~ const.

3. Поскольку масса детандера Мд является величиной постоянной, то его удельная металлоемкость М = Мд/Q изменяется аналогично зависимости Tj = f(k), т.е. будет снижаться по мере уменьшения показателя политропы.

4. Размеры, форма и количество впускных и выпускных окон предопределяют не только эффективность рабочего цикла детандера, но и работоспособность уплотнительных узлов. В процессе численного

эксперимента указанные факторы варьировались в широких пределах. В результате при Ш — СОПвЬ были установлены оптимальные конструктивные параметры окон, зависимые от относительного хода поршня >?1 = (¿^/^п^, где % - характерная точка цикла. Обобщение полученных результатов позволило рекомендовать соотношения: 0.04 < &2 0.1 и 0.9 < 5з < 0.95. Оптимальному

сечению окон должно соответствовать окончание процесса впуска при положении поршня в ВМТ, а процесса выпуска - в НМТ.

5. Теплообмен газа со стенками рабочей камеры не существенно отражается на текущих и интегральных параметрах детандера. Это объясняется сравнительно низким средним за цикл коэффициентом теплоотдачи Осср ~ 200 - 300 Вт/м2К Резкое увеличение О: наблюдается в процессе впуска, но ввиду кратковременности этого процесса его влияние на рабочий цикл детандера отражается слабо.

6. Работа уплотнительных узлоп бесклапанного детандера имеет ряд принципиальных отличий. Во-первых, в зависимости от угла поворота вала у? изменяется число нагруженных поршневых колец, разделяющих рабочую камеру и примыкающие к ней полости, что приводит к дискретному изменению действующих перепадов давлений на кольцах. Во-вторых, возникают дополнительные протечки газа из межкольцевых объемов в выхлопную полость. Указанные факторы нашли отражение в разработанной модели и программе расчета.

На основании расчетного анализа работы уплотнительных узлов показано, что наиболее нагруженным является первое (со стороны рабочей камеры) кольцо уплотнения вспомогательного поршня, по условиям работы которого ведется расчет работоспособности уплотнительных узлов в целом.

При определении текущих параметров газа в межкольцевых объемах уплотнительного узла учет реальности криоагента главным образом отражается на температуре газа, в то время как значения давлений отличаются незначительно. Таким образом, перепады давлений по кольцам, а следовательно, и затрачиваемая на трение мощность с достаточной для инженерных расчетов точностью могут быть определены на основе упрощенной модели расчета.

Изменение числа нагруженных элементов уплотнения отражается на распределении средних за цикл перепадов давления по кольцам, что приводит к неравномерности их износа. Анализ влияния конструктивных факторов на перераспределение перепадов давлений по кольцам уплотнительного узла показал, что увеличение объема камер между соседними кольцами во всех случаях ведет к увеличению среднего за цикл перепада давлений на первых кольцах и к его снижению на последних. Таким образом, для повышения надежности

работы уплохнихельных узлов необходимо стремиться к снижению величины межкольцевых объемов. Выравнивание средних за цикл перепадов давления на кольцах уплотнительного узла может быть обеспечено за счет изменения величин "условных зазоров" на отдельных кольцах уплотнительных узлов, оптимальные величины которых для каждого кольца определяются на основании расчета серии вариантов конструктивного исполнения уплотнения.

Результаты численного эксперимента обобщены при разработке типоразмерного ряда детандеров, в частности, на базе ЗВ2,5. Основные технико-экономические показатели детандеров типоразмерного ряда приведены в табл. 1,

Таблица 1.

Типоразмерный ряд детандеров на базе ЗВ2,5.

Параметр Прототип ДПВ4,2-200/6 ЗВ2,5-900 -200/6С ЗВ2,5-1000 -70/6С ЗВ 2,5-600 ' -50/5С

Назначение ВРУ ВД ВРУ ВД ВРУ СД Ож.метана

Газ Рн, МПа Рк, МПа воздух 20 0.6 воздух 20 0.6 воздух • 7.0 0.6 метан 5.0 0.5

тн,к 300 300 286 273

Тк,к 155 150 164 176

.О.мм 55 40 70 80

с?, мм . 20 30 30

5Й, мм 90 110 110 110

И, об/мин 400 ' 750 750 750

тп, кг/ч 300 900 1000 600

Я, кВт 9.0 30.5 31.2 24.3

ГЦ 0.69 0.72 0.72 0.72

М, ' кВт 1отказ> Ч 89 1000 46 >2000 45 >2000 58 >2000

из которой следует, что разработанные конструкции обладают повышенной надежностью, меньшей удельной металлоемкостью и достаточно высоким уровнем эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании обзора литературы, состояния и тенденций совершенствования поршневых детандеров показано, что в малорасходных криогенных установках низкого, среднего и высокого давления целесообразно применение бесклапанных детандеров с использованием современных компрессорных многорядных баз с повышенной частотой вращения вала и средней скоростью поршня. Такой подход обеспечивает высокую надежность, минимальные удельные массо-габаритные показатели и приемлемый уровень эффективности работы детандера при минимальных затратах на его изготовление.

2. Разработана конструкция ступени бесклапанного детандера, работающего без смазки цилиндро-поршневых групп, а в малых машинах и без смазки механизма движения, при частотах вращения вала в диапазоне 750 < П <С 1800об/мин и средней скорости поршня 0.5 < Сп < 3 м/с.

3. Разработана и апробирована инженерная методика расчета ступени детандера, позволяющая на предварительном этапе определять рациональный диапазон геометрических размеров ступени и ее элементов с учетом требуемой производительности детандера, заданных режимных параметров, рода газа и характеристики применяемой нормализованной базы.

4. Разработана и апробирована математическая модель рабочих процессов ступени бесклапанного детандера, учитывающая специфические особенности конструкции, реальные свойства рабочего газа, характер процессов тепло- и массообмена и механическое трение в элементах цилиндро-поршневых групп. Адекватность модели подтверждена путем сравнения результатов расчета по модели с имеющимися экспериментальными данными и табличными параметрами различных газов полученными рядом авторов на основе уравнения Боголюбова-Майера.

На основе математической модели создан пакет прикладных программ для ПЭВМ, позволяющих проводить как предварительный экспресс-анализ ряда вариантов конструктивного исполнения ступени, так и оптимизацию конструкции выбранного варианта детандера с учетом комплекса взаимозависимых параметров.

о. Впервые разработана методика расчета текущих и интегральных параметров уплотнительного узла с переменным во времени числом работающих (нагруженных) уплотнительных колец, комплексно учитывающая их конструктивные особенности, расположение и размеры направляющего кольца (колец), реальные свойства уплотняемой среды и механические процессы в парах трения.

6. Выполнен обширный численный эксперимент, позволивший выявить основные физические закономерности взаимосвязанных рабочих процессов ступени детандера и установить следущее:

— Для обеспечения максимально возможной эффективности и надежности бесклапанного детандера с заданной производительностью следует минимизировать величину коэффициента подачи (относительного мертвого пространства) за счет предельного увеличения диаметра цилиндра с учетом допустимой газовой силы, действующей вдоль ряда, и максимизации средней скорости поршня до величины соответствующей принятой конструкции уплотнительных узлов.

— При прочих равных условиях величина адиабатного КПД и удельная металлоемкость детандера с увеличением показателя адиабаты криоагента возрастают.

— На стадии предварительных расчетов и проектирования относительный ход поршня в процессах наполнения и выхлопа рекомендуется принимать в диапазонах 0.04 < S2 < 0.10 и 0.90 <5з < 0.95; требуемые параметры окон (форма, число и размеры) определяются из условия окончания процессов впуска и выхлопа в мертвых точках.

— Наиболее нагруженным газовыми силами является первое со стороны рабочей камеры уплотнительное кольцо малого поршня. Исходя из этого, применение бесклапанных детандеров с жестким дифференциальным поршнем рекомендовано преимущественно для циклов среднего и низкого давления.

7. Впервые выявлен и обоснован фактор саморегулирования конечной температуры газа за детандером бесклапанного типа (Тк ~ const) при переменном начальном давлении.

8. На основе теоретических разработок получено уравнение для коэффициента подачи бесклапанного детандера, а также его составляющих: коэффициента давления Ад и теплового коэффициента Ат.

9. Показано, что в силу значительного увеличения затрат машинного времени на стадии предварительного анализа целесообразно использование упрощенной модели детандера, предполагая- газ идеальным. Обобщенную модель, учитывающую реальные свойства газа, следует применять лишь при определении фактических параметров варианта конструкции принятого для проектирования.

10. Материалы диссертационной работы внедрены в "НПЦ Компрессоры БС" и используются в учебном процессе СПбГАХПТ при чтении курса "Расширительные машины", при курсовом и дипломном проектировании.

Основной .материал диссертации опубликован в следующих работах:

1. Прилуцкий А.И., Иванов Д.II., Петраш В.И. Математическая модель рабочих процессов ступени прямоточного поршневого детандера с самодействующим впускным клапаном. Межвузовский сборник научных статей "Пути повышения эффективности процессов и оборудования низкотемпературной техники и пищевых технологий". — СПбГАХПТ. -Деп. в ВИНИТИ, X* 100,1995.

2. Иваноп Д.Н., Прилуцкий А.И. Математическое моделирование рабочих процессов бесклапанных поршневых машин. Межвузовский сборник научных статей: "Пути повышения эффективности процессов и оборудования низкотемпературной техники и пищевых технологий". — СПбГАХПТ. -Деп. в ВИНИТИ 17 окт. 1996, № 3059-В96.

3. Прилуцкий И.К., Иванов Д.П., Зотов Д.Ю. Перспективы развития бесклапанных поршневых детандеров. Межвузовский сборник научных статей: "Пути повышения эффективности процессов и оборудования низкотемпературной техники и пищевых технологий". — СПбГАХПТ. -Деп. в ВИНИТИ 17 окт. 1996, № 3059-В96.

4. Зотов Д.Ю., Иванов Д.Н., Прилуцкий И.К. Экологически безопасные источники холода на базе бесклапанпых. поршневых детандеров природного газа. — Межвузовский сборпик научных статей: "Совершенствование процессов и оборудования низкотемпературной техни-' ки и пищевых технологий". —СПбГАХПТ. -Деп. в ВИНИТИ 1998 •

5. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю., Молодова Ю.И. Научно-технические проблемы совершенствования поршневых расширительных машин — Вестник международной академии холода, 1998

1 - виг

2'- начало перекрытия Опускных окон 7 - отделение рабочей полости от Впускной камеры

3 - начала открытия Выпускных окон 3'- окончание открытия Выпускных окон

4 :НМТ

5'- начало закрытия Выпускных окон

5 - отделение рабочей полости от выпуск-

ной камеры — 6 - начало оикрития Впускны* окон 6'- полное оикртие Спускных окон 1*- начало процесса нагнетания

Рис. 1. Схема и рабочий цикл бесклапанного бетандера.

320 Т, К 240

200 160

>1 I I З^.Тн - 273 К . .1 ..

V ^^ - 1 |

|Тк-188-189 К"

310 Т, К

260 210

160 110

1 2

■ -I6 Тз 6

3 Тк = :оп5( 5

_Тб гг.--.

1 1 1 Тк$ 1 1 1 ',

0.0

0.5

1.0-

3.0 3.5 4.0 4.5 Рн. МП а 5.'5

Рис. 2. Работа ВетпнЗера при переменном начальном ЭаВлении.

Подписано к печати 14.04. Э8.Формат 60x84 1/16. Бум. писчая. Печать офсетная. Леч.л.1,0 .Тираж 100 экз. Заказ № 81.

ИПЦ Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9