автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета рабочего процесса роторного компрессора внутреннего сжатия с использованием результатов экспериментальных исследований теплообмена в рабочей полости

На правах рукописи

Сайфетдинов Алмаз Габдулнурович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РОТОРНОГО КОМПРЕССОРА ВНУТРЕННЕГО СЖАТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА В РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ

05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

1 2 гцр 2072

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2012

005012048

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Хисамеев Ибрагим Габдулхакович

Официальные оппоненты: Сухомлинов Игорь Яковлевич,

Защита состоится «30» марта 2012 г. в «16» часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «ВНИИХолодмаш - Холдинг», (г.Москва)

Саликеев Сергей Иванович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Вакуумная техника физических установок» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (г.Казань)

Ведущая организация: ОАО «ТатНИИнефтемаш» (г. Казань)

«КНИТУ».

Автореферат разослан «

,.2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Роторные компрессоры типа Руте нашли широкое применение в химической и пищевой промышленности для транспортировки различных газов и сыпучих материалов; в горном деле и сельском хозяйстве; для очистки сточных вод в очистных сооружениях и подачи надувочного и продувочного воздуха для дизелей в транспортных машинах.

Исследуемый в данной работе роторный компрессор внутреннего сжатия (РКВнС), созданный на базе Руте, благодаря установке в полости нагнетания двух газораспределительных золотников, имеет более эффективный рабочий процесс внутреннего сжатия.

Совершенствование конструкций и повышение энергетических показателей компрессоров основано на подробном изучении рабочего процесса, которое в настоящее время осуществляется преимущественно методом математического моделирования. Для получения достоверной картины протекания рабочего процесса в компрессоре необходим учет ряда определяющих факторов. Одним из таких факторов является теплообмен между сжимаемой средой и стенками, образующими рабочую полость.

Наличие теплообмена в компрессорах, в частности РКВнС, ведет к повышению температуры всасываемого газа о горячие стенки и в ходе последующего сжатия. Это ведет к снижению производительности и увеличению работы сжатия. Поэтому учет теплообмена в расчете рабочего процесса РКВнС является необходимым.

Анализ показал, что на данный момент в литературе имеется только одна работа, посвященная экспериментальному исследованию теплообмена в роторных машинах. Это диссертационная работа Шарапова И.И., выполненная в Казанском государственном технологическом университете. В ней проводится изучение теплообмена между газом и стенками в двухроторном шестеренчатом компрессоре внешнего сжатия (ШКВС). До этого авторы работ вынуждены были пренебрегать теплообменом при моделировании рабочих процессов в такого рода машинах. Между тем, по результатам вышеназванной работы, учет теплообмена в математической модели роторного компрессора внешнего сжатия приводит к уменьшению расхождения между расчетными и экспериментальными значениями характеристик компрессора.

Поэтому измерение и расчет параметров процесса теплообмена между газом и стенками РКВнС, а именно определение значений коэффициента теплоотдачи расчетно-экспериментальным путем, является

на сегодняшний день актуальной задачей. Решение её позволит повысить точность расчета характеристик компрессора на этапе проектирования.

Цель и задачи работы. Целью работы является получение уравнений для вычисления коэффициента теплоотдачи в РКВнС, предназначенных для усовершенствования математической модели путем учета в ней теплообмена между газом и стенками, проведение анализа полученных результатов путем сравнения с аналогичными данными для роторного компрессора внешнего сжатия, а так же путем расчета на математической модели РКВнС.

В соответствии с этим необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать расчетно-экспериментальную методику определения коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам РКВнС;

2. Разработать методику проведения замеров нестационарных температур газа и теплообменных поверхностей корпуса РКВнС;

3. Провести экспериментальное исследование теплообмена в РКВнС на различных режимах работы. Создать экспериментальный стенд. Для регистрации температур стенок рабочей полости и газа изготовить специальные малоинерционные термопарные датчики с выводом сигналов на специализированный измерительный комплекс;

4. Получить расчетные значения коэффициентов теплоотдачи между газом и стенками РКВнС. Провести анализ влияния режимных параметров на интенсивность теплоотдачи в рабочей полости РКВнС;

5. Обобщить полученные значения коэффициента теплоотдачи в виде критериальных уравнений для возможности использования данных о теплообмене в математическом моделировании рабочих процессов компрессоров подобной конструкции;

6. Усовершенствовать математическую модель исследуемого РКВнС путем использования полученных данных по теплообмену в рабочей полости компрессора.

7. Проверить адекватность усовершенствованной математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных значений характеристик компрессора.

Научная новизна работы. Предложен способ измерения температуры газа в рабочей полости РКВнС, получены значения коэффициента теплоотдачи между газом и стенками исследуемого компрессора, которые могут быть использованы при математическом моделировании рабочих процессов в компрессорах подобной конструкции. Усовершенствована математическая модель рабочего процесса РКВнС путем ис-

пользования полученных данных по теплообмену в рабочей полости.

Практическая значимость работы. Получены уравнения в безразмерном виде для вычисления коэффициента теплоотдачи в роторном компрессоре внутреннего сжатия на различных режимах работы, предназначенные для использования в расчете рабочих процессов компрессоров подобных конструкций методом математического моделирования. Усовершенствование математической модели рабочих процессов путем учета теплообмена в рабочей полости позволяет приблизить расчетные показатели проектируемого компрессора к действительным, и, следовательно, повысить точность расчета характеристик компрессора.

Реализация работы в промышленности. Разработанная расчет-но-экспериментальная методика определения коэффициента теплоотдачи между газом и стенками роторного компрессора внутреннего сжатия и уравнения для учета теплообмена в математическом моделировании рабочего процесса внедрены в опытно-конструкторскую практику и расчетные работы ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа».

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерениям температур газа и стенок компрессора обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений. Достоверность результатов расчетов гарантируется применением апробированных численных методов, обоснованностью использованных допущений. Достоверность полученных результатов оценивалась путем сравнения с аналогичными данными для роторного компрессора внешнего сжатия, а так же расчетом на математической модели исследуемого компрессора.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» г. Казань, 2009г., Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», Москва, 2010г., XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 2011г.; ежегодных научных сессиях КНИТУ (КГТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из

введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 100 иллюстраций и 10 таблиц. Список использованной литературы включает 89 наименований. В приложении представлен акт о внедрении результатов диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеннн излагается назначение роторных машин, область их применения, преимущества роторных машин внутреннего сжатия (РКВнС), обосновывается актуальность темы диссертации, раскрывается научная новизна выполненной работы.

Первая глава носит обзорно-постановочный характер и состоит из трех разделов.

Первый раздел посвящен описанию конструкции РКВнС, обзору опыта учета теплообмена в математических моделях компрессоров. Анализ показал, что имеющаяся в литературе информация по исследованию теплообмена и рекомендации по его учету в основном посвящена поршневым компрессорам. Среди аналогичных работ, посвященных роторным машинам, на данный момент известна лишь диссертационная работа Шарапова И.И., в которой исследуется теплообмен между газом и стенками в ШКВС. До этого при моделировании рабочих процессов теплообмен в роторных машинах не учитывался. Теплообмен в поршневых компрессорах достаточно хорошо изучен и имеется очень много зависимостей в критериальной форме для определения коэффициента теплоотдачи. Приведены наиболее известные уравнения в виде Ыи = / (Яе). Это формулы Прилуцкого-Фотина, Петриченко-Оносовского, Пластинина-Тварчелидзе и др. Для компрессоров типа Руте приведены такого вида уравнения, полученные в диссертационной работе Шарапова И.И. Приводятся обоснования значимости учета теплообмена между газом и стенками в математическом моделировании рабочего процесса РКВнС, который имеет отличный от ШКВС характер рабочего процесса. Установлена необходимость экспериментального исследования теплообмена в РКВнС.

Во втором разделе рассматриваются методы и средства исследования теплообмена в компрессорах. Основной задачей при исследовании теплообмена в компрессорах является определение значений коэффициента теплоотдачи в рабочей полости компрессора. Наиболее предпочтительными являются расчетно-экспериментальные методы определения коэффициента теплоотдачи. Методы предполагают определение

6

нестационарных тепловых потоков через стенку компрессора и измерение нестационарной температуры газа в рабочей полости. Рассмотрены основные способы определения тепловых потоков, применяемые в компрессорной технике. Приводится описание средств измерения температуры газа в поршневых компрессорах. На основе проведенного обзора применительно к конструкции РКВнС был выбран градиентный метод определения тепловых потоков. Температуры газа и теплооб-менных поверхностей решено измерять термопарными датчиками.

В третьем разделе на основании проведенного анализа научно-технической литературы сформулированы основные цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию теплообмена между газом и стенками РКВнС. Глава состоит из трех разделов.

Первый раздел посвящен описанию разработанной методики измерения температур газа и теплообменных поверхностей корпуса компрессора.

Для замера температуры внутренней поверхности стенок, от патрубка всасывания до патрубка нагнетания, установлены термопарные датчики. Диаметр проволоки хромель-копелевых термопар этих датчиков составляет 0,02 мм. Температура газа замеряется таким же термопарным датчиком, расположенным на вращающемся роторе компрессора. На этом же роторе, для замера давления в полости машины, установлен чувствительный элемент давления. Температура наружной поверхности стенки замеряется при помощи термопары с диаметром проволоки 0,5 мм, которые приварены непосредственно к её поверхности. Спай датчика замера температуры газа находится выше поверхности ротора. Для избежания повреждения спая во время работы компрессора на внешних поверхностях ответного ротора выполнена расточка глубиной 4 мм и шириной 1,5 мм. Сигнал с вращающихся термопары и ЧЭД снимался через токосъемник марки ТРАК-8.

Данная схема установки датчиков позволяет контролировать все стадии рабочего процесса.

Во втором разделе представлено описание экспериментального стенда и метрологического оборудования.

Объектом исследования является компрессор марки КР-6/2,3. Конструкция данного компрессора защищена в СССР авторским свидетельством. Рабочим телом являлся воздух. Целями экспериментального исследования являлись: измерение нестационарных температур газа и

внутренних стенок, стационарных температур наружных стенок РКВнС для получения коэффициентов теплоотдачи; определение внешних характеристик компрессора с целью оценки влияния на них перетечек из полости нагнетания через проточку в роторе.

Экспериментальные исследования проводились на стенде, созданном на базе динамометра постоянного тока типа МБ 1713-4, позволяющем плавно изменять скорость вращения ротора и измерять крутящий момент на валу. Всасывание воздуха производилось через аэродинамическое сопло, предназначенное для замера расхода воздуха. Давление на нагнетании компрессора регулировалось задвижкой путем изменения характеристики нагнетательной сети.

Для определения внешних характеристик РКВнС производились замеры перепадов давления газа в сечениях аэродинамического сопла, на входе в компрессор водяными дифманометрами; замер давления газа на выходе компрессора образцовым манометром; замер перепада температуры газа в компрессоре с помощью хромель-копелевых термопар; замер температур газа перед соплом и на нагнетании ртутными термометрами; замер частоты вращения роторов, крутящего момента на валу.

Сигналы со всех термопарных датчиков, ЧЭД и углового отметчика выводились на специализированный измерительный комплекс, предназначенный для исследования быстропротекающих процессов.

Комплекс включает в себя сам измерительный прибор и плату ввода-вывода, с помощью которой прибор подключается к персональному компьютеру. Частота опроса датчиков была установлена в 20000 Гц .

Третий раздел посвящен обработке проведенных измерений. В результате испытаний получены зависимости коэффициента подачи Лт, адиабатного КПД компрессора т]ад вн от режимных параметров. Относительная погрешность определения характеристик составила Хт = 0,48% , 7]ад = 1,6 %, цад вн = 2,8 %.

Разработка методики определения коэффициента теплоотдачи между газом и стенками связана с периодизацией рабочего процесса компрессора в зависимости от положения роторов и характера протекающих явлений. Протекание рабочего процесса во времени, в том числе изменение температуры газа во времени, было связано с угловой координатой ротора <ррот = 0-н360° . Распределение температуры стенки по теплообменной поверхности было представлено в виде зависимости от угловой координаты статоров основной полости <рстХ и золотни-

ковой полости (рспй. Рабочий процесс был разделен на следующие стадии:

1. Период всасывания газа в парную полость и сообщения рабочей полости с защемленным пространством. Этот период длится по угловой координате ротора в диапазоне 0° < <ррот < 171° .

2. Период внутреннего сжатия газа (171° < (ррот < 229°).

3. Период сообщения рабочей полости с полостью нагнетания и непосредственно нагнетание газа (229° < (ррот < 360°).

Расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов теплоотдачи основана на градиентном методе нахождения тепловых потоков. Величины тепловых потоков определялись по температурному градиенту на поверхности теплообмена. Для этого вычислялось температурное поле внутри стенки методом элементарных тепловых балансов при известном начальном распределении температур в стенке и граничных условиях первого рода. В качестве граничных условий задавались экспериментальные значения температур внутренней и наружной поверхностей теплообмена стенки как функции от координат статоров.

Корпус РКВнС разбивался на элементарные площадки, из теплового баланса которых находилась температура в узлах расчетной сетки в последующие промежутки времени. Результаты измерения температур стенок показали, что изменение температуры по ширине стенки практически не происходит, поэтому задача решалась в двумерной постановке.

Расчетная схема характеризуется следующими параметрами: /?, =0,06 и 11г =0,053- радиусы цилиндров внутренних поверхностей основной полости и нагнетательной соответственно, м; =0,010 и = 0,007 - толщины стенок корпуса, м\ А (рст =1- шаг разбиения по угловой координате статоров <рст1 и <рст2, град.; /, = 0 -ь- щ и /2 =0 + и2 -координаты расчетной точки по угловой координате статоров (рспй и (рст1\ Аг - шаг разбиения по толщине стенки корпуса, м; = 0 + тх и /2 =0-г/и2 - координаты расчетной точки по толщине стенок. Величины А <рст и Аг выбирались таким образом, чтобы дальнейшее их уменьшение не влияло на результаты расчета температур в узловых точках.

Сущность метода состоит в том, что количество теплоты, поступающее через грани элементарной площадки, прилегающей к расчетной точке, идет на изменение энтальпии этой площадки.

Х-./'

-и..

Рис. 1. Схема разбивки корпуса на элементарные площадки Тепловые потоки 61—64 определялись по уравнению Фурье. Тогда, выполнив соответствующие преобразования, из теплового баланса элементарной площадки можно определить температуру в любой точке внутри корпуса РКВнС для следующего момента времени тк+]:

1иМ1 = Со ' + С] • + ' '/+1 ,;,к + С3 • + С4 ' 11,)-\,к > О

где

4-а-Аг-Ат 2-а-Ат-(^0)+К/а})

С0= 1-

С\ = С2 =

Л(Рс,п ■ ■ (Ща) - ) * ■ (Щ(}> - Щ)) 2-а-Аг-Ат

Л(Р2ап ' К:(]) ' (&}(])

с3 =

г-а-Ах-Я

' п1(})

с4 =

2-а-Ат-Я

Аг-(К}а)-11]т)'

-; (2)

(3)

(4)

Аг

Ят=Аги-\)+К+~+Аг. (5)

где Д<рст - в радианах, Дг = гА.+1 - хк - элементарный промежуток времени для рассматриваемой задачи. На основании полученного температурного поля внутри расчетной сетки определялись локальные значения плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи в момент времени гк+].

Для использования результатов в математическом моделировании

рабочего процесса вычислялись осредиеиные по рабочей полости значения коэффициентов теплоотдачи для каждого момента времени:

-/ I Я(<Ррот) ,,,

«Г9рот ) = 7---. (6)

*г(фрот)-~*ЧЬ*(<Ррот)

где ц((ррот), I г (фр0т ) и 0,0,к(фрот) - осредненные по рабочей полости значения теплового потока, температуры газа и температуры поверхности внутренней стенки соответственно.

Максимальная относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи составила 8,6%. Методическая составляющая погрешности измерения температур стенок и газа состояла из ряда факторов и требовала отдельного рассмотрения. Наиболее существенные из них были устранены расчетным способом путем введения соответствующих поправок.

Третья глава посвящена расчетному анализу и учету методических погрешностей эксперимента по исследованию теплообмена. Глава состоит из двух разделов.

В первом разделе изложена методика и результаты цифровой обработки сигналов с термопарных датчиков. Наличие в комплексе цепи фильтрации и принятие дополнительных мер по уменьшению шумов на аппаратном уровне позволили получить сигнал от измерительных датчиков с относительно малым уровнем помех. Несмотря на это, данные, полученные по каналам измерения, представляют собой смесь низкочастотного информационного сигнала и высокочастотных помех (смесь сигнал/шум). Как показал анализ результатов измерения, помеховые составляющие в спектре сигнала находятся преимущественно на частотах в несколько раз превышающих частоту полезного сигнала. Таким образом, для снижения уровня помех применялся программный фильтр нижних частот малого порядка (первого или второго) без существенных искажений полезного сигнала.

Полученные сигналы с датчиков, расположенных на внутренней стенке корпуса компрессора, показывают, что температура ее при установившемся режиме работы имеет незначительные колебания в пределах 0,3 °С. Поэтому в дальнейшем они принимаются стационарными.

Полученный сигнал с чувствительного элемента давления соответствует характеру процессов, протекающих в роторном компрессоре внутреннего сжатия. Поэтому его можно считать соответствующим действительности и не требующим дополнительной обработки.

11

Регистрируемая датчиком температура газа по характеру изменения не совпадает с изменением давления в рабочей полости. Причинной этого могут служить погрешности методического характера, обусловленные измерением температуры среды контактным способом, -это погрешности от теплоотвода по проводам, теплообмена излучением и инерционность датчиков.

Второй раздел содержит описание методики и результаты учета вышеназванных погрешностей. Расчеты показали, что суммарная погрешность измерения температуры газа от теплоотвода по выводящим проводам, теплообмена излучением составила менее 0,15%. Инерционность датчиков температуры газа зависит от температуры и скорости газа. Величина инерционности оказалась недостаточно малой для решаемой задачи, регистрация температуры газа происходила с запаздыванием по углу поворота ротора. Поэтому была введена поправка на инерционность термопар.

С учетом вышеназванных погрешностей была определена истинная температура 4, которая по характеру изменения согласуется с изменением давления в рабочей полости компрессора.

Суммарная максимальная величина методических погрешностей измерения температур газа и стенок РКВнС составила менее 2%.

В четвертой главе приведены результаты исследования теплообмена между газом и стенками и проведен анализ полученных значений коэффициента теплоотдачи. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе приведены графики зависимостей температур внутренней и наружной стенок компрессора от угловой координаты статоров основной (<рст1) и вспомогательной (золотниковой) (<рст2) полостей в различном сочетании п и Я (рис.2).

Во втором разделе приведены графики зависимостей температуры газа, осредненной по объему рабочей камеры, от угловой координаты ротора (<ррот) в различном сочетании режимных параметров (рис.3).

11--

|р==1 ——к

—

■10 10 30 50 70

Рис. 2. Зависимости 1 - 1„,

90 110 4>ст1,с 70 30 110 130 150 <рп,0

„ = /(<Рст) И 2 " 1 uav.cn = /(<Рт) ПРН

нар.ст

п - 2000об/ мин и П =1,4 +1,8

Рис. 3. Зависимость 1г = /(<ррот) при п = 2000об/мин и П = 1,4+ 1,8

В третьем разделе приводятся графики зависимостей значений коэффициента теплоотдачи, осредненных по объему рабочей камеры, от угловой координаты ротора в различном сочетании режимных параметров. На всасывании скорость движения газа в рабочей камере определяется скоростью вращения роторов, поэтому значительных колебаний значений а на этом этапе не происходит (рис.4). С началом про-

Рис. 4. Зависимость а = /(<ррот) при П=1,4 * 1,8 и и = 2000 об I мин

цесса сжатия температура газа в рабочей камере начинает расти, и в определенный момент {(ррот «180 +185°) становится равной температуре внутренней стенки. В этом месте происходит разрыв функции а=/((ррот), так как знаменатель в уравнении 7 становится равным

нулю, и значения коэффициента теплоотдачи возрастают по абсолютной величине до максимума и стремятся к бесконечности. В связи с этим в интервале 175° < (ррот < 190° значения а в расчет не брались.

В периоды сжатия и дальнейшего нагнетания газа характер изменения коэффициента теплоотдачи для стенки цилиндра компрессора соответствует физике протекающих процессов. В процессе сжатия интенсивность обдува стенок цилиндра газом падает и, как это видно из графиков, происходит уменьшение значения а . Минимальная величина коэффициента теплоотдачи соответствует концу процесса внутреннего сжатия и началу процесса нагнетания (фрот =229°). В момент сообщения рабочей полости с полостью нагнетания газ в камере вновь приходит в движение вследствие выхлопа (при пережатии газа) и вытесняется. Это вызывает увеличение значения а до некоторого среднего значения. Затем, по мере выравнивания давлений в полости нагнетания скорость газа становится близкой к скорости вращения ротора. Коэффициент теплоотдачи уменьшается, стремится к некоторой постоянной величине.

Четвертый раздел посвящен обобщению полученных значений коэффициента теплоотдачи в критериях подобия. Для удобства использования полученных результатов по теплообмену при расчете рабочего процесса в подобных машинах значения коэффициентов теплоотдачи были представлены в безразмерном виде, т.е. в виде зависимости ЛГи = Д/ге).

Температура и скорость газа, которые оказывают основное влияние на интенсивность теплообмена и определяют величину безразмерных комплексов, для каждого из периодов рабочего процесса имеют свои уровни значений. Объем рабочей камеры так же является переменным по ходу рабочего процесса, соответственно будет изменяться и определяющий характерный размер в числах Яе и Ати. Таким образом, представляется затруднительным получить единое уравнение, достоверно описывающее закономерности теплообмена на протяжении всего рабочего процесса. Целесообразно рассмотреть каждый период рабочего процесса в отдельности и получить уравнения для каждого из них.

Анализ показал, что кривые всех рассматриваемых периодов могут быть описаны линейным уравнением вида Nи((ррот) ' ^■е(<?рот) + ^ •

Значения коэффициентов А и В сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Период В А

Всасывание В = 0,0179■ Я - 0,0124 А=-2Щ 86 Я+2Д385 им-1601

Сжатие В = 0,2862- 0,0569- /7-0,01-м> А = 2694,9 • П +170,8 ■ и>+3890

Нагнетание В=7,247- Я2 - 20,507- Я+14,645 (при П— 1,4-1,6) В = 11,526-Я2-40,18-/7+35,168 (при Я= 1,6-1,8) А= 10946-444,18-

В пятом разделе проведен сравнительный анализ полученных значений а с коэффициентами теплоотдачи в ШКВС при одинаковых режимных параметрах. Величины а на участках всасывания машин отличаются незначительно. На участках нагнетания значения коэффициентов теплоотдачи имеют разный характер изменения, но средний уровень для обоих кривых одинаков.

В целом можно утверждать, что величины полученных значений коэффициентов теплоотдачи исследуемого компрессора согласуются по уровню со значениями а в схожем по конструкции ШКВС.

Пятая глава посвящена описанию математической модели рабочих процессов РКВнС. Основными уравнениями, описывающими протекание рабочего процесса в исследуемом компрессоре, являются следующие зависимости:

<№ к-1 С ... . к ¿Г4 ----- ' б>--^ + М„п-1„п-М„п ---со-Р

V

¿ф со-У 1, с1ср пр пр ут ут к-1 с1ср

¿Т (к-\)т ( йд к / 1# \ ,, .. .. п

с{<р Р-со-У

(7)

Членом, учитывающим теплообмен в рабочей полости РКВнС, является со-~, который определяется решением уравнения Ньютона-

<1<р

Рихмана.

Для оценки влияния теплообмена между сжимаемым газом и стенками на характеристики роторного компрессора внутреннего сжатия были проведены расчеты без учета, а также с учетом теплообмена в математической модели.

Результаты расчетов показали, что теплообмен между газом и стенками оказывает существенное влияние на результаты моделирования только на режимах с достаточно высокой температурой нагнетания газа, т. е. при высоких отношениях давлений Я.

На рис. 5 приведены результаты расчета коэффициента подачи Хш и адиабатного к.п.д. г]ад вн РКВнС с учетом теплообмена между газом и стенками и без учета теплообмена при частоте вращения роторов п = 2900 об /мин и различных отношений давлений П = 1,4 4-1,8. Расчет без учета теплообмена на данном режиме дает максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными значениями порядка 8%. Максимальное расхождение для т]адвн составляет 4% для режима с П=1,8. Расчет показателей компрессора с использованием полученных в данном исследовании уравнений для коэффициента теплоотдачи в рабочей полости дает хорошую сходимость расчетных и экспериментальных значений ЯЫ1 и т]ад вн .

п=2900 об/мин

■ пад-вн.

(эксперимент)

А Ькм (эксперимент)

Расчет по ММ без учета теплообмена

Расчет по ММ с

учетом

теплообмена

1,5 1,6 1,7 П

Рис. 5. Влияние учета теплообмена на расчет коэффициента подачи (а) и адиабатного КПД Цадвн (■) в математической модели РКВнС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента теплоотдачи между газом и стенками роторного компрессора внутреннего сжатия;

2. Разработана методика измерения нестационарных температур газа в рабочей полости и теплообменных поверхностей корпуса роторного компрессора внутреннего сжатия;

3. Создан экспериментальный стенд для регистрации необходимых температур, изготовлены специальные малоинерционные термопарные датчики, проведено экспериментальное исследование теплообмена в компрессоре на различных режимах работы;

4. Получены значения коэффициентов теплоотдачи между газом и стенками компрессора. Значения осредненного по рабочей полости коэффициента теплоотдачи в диапазоне исследованных режимов (/7 = 1,4 + 1,8 и « = 2000+3500обIмин) лежат в следующих пределах: на

участке всасывания - 140+450 Дот/(.м2-К); на участке сжатия 130 + 380 Вт !{м2 - К)', на участке нагнетания 130+1500 Дм/(л/2 ■ К) ■ Увеличение отношения давлений в компрессоре, как и частоты-вращения роторов, приводит к росту коэффициента теплоотдачи на всем протяже-

17

нии рабочего цикла.

5. Сравнительный анализ показал, что величины коэффициентов теплоотдачи в роторном компрессоре внутреннего сжатия достаточно хорошо согласуются с данными по шестеренчатому компрессору внешнего сжатия при одинаковых режимах их работы.

6. Данные по теплообмену обобщены в безразмерном виде и получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи между газом и стенками на различных режимах работы для каждого периода рабочего процесса;

7. Усовершенствована математическая модель роторного компрессора внутреннего сжатия с учетом полученных данных по теплообмену.

8. Применение полученных уравнений для коэффициента теплоотдачи позволяет повысить достоверность математической модели и увеличивает её точность. В результате расхождение величин экспериментальных и расчетных параметров, характеризующих рабочий процесс при учете теплообмена, составило от 2 до 3% в зависимости от режима работы компрессора.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий БАК РФ:

1. Сайфетдинов А.Г., Кирсанов A.B., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика индицирования теплового состояния стенок цилиндра и газа рабочей полости роторного компрессора // Компрессорная техника и пневматика, - 2010. - №3. - С. 37-40.

2. Сайфетдинов А.Г., Кирсанов A.B., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика экспериментального исследования процессов в рабочей камере роторного компрессора внутреннего сжатия / А.Г. Сайфетдинов, А.Ю. Кирсанов, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев // Вестник Казан, технол. ун-та. - 2010. -№9. - С. 157-164.

3. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г., Кирсанов A.B. Исследование теплообмена между стенками и газом рабочей полости в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Вестник Казан, технол. ун-та. - 2011. - №5. - С. 27-32.

2. Публикации в других изданиях:

1. Сайфетдинов А.Г., Шарапов И.И., Сайфетдинов А.Г. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи между газом и стенками в двухроторной машине. Вторая Российская студенческая научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология». -

Казань, 2005.-С. 74-75.

2. Сайфетдинов А.Г., Шарапов И.И., Ибраев A.M., Визгалов C.B. Исследование теплообмена в шестеренчатом компрессоре с внешним сжатием // Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 40-летию города Нижнекамска «Актуальные проблемы образования, науки и производства». Изд-во: Инновационно издательский дом «Бутлеровское наследие». - Казань, 2006. - С. 126-128.

3. Сайфетдинов А.Г., Кирсанов A.B., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика снятия мгновенных значений температур стенок и газа в воздушном роторном компрессоре внутреннего сжатия // Проектирование и исследование компрессорных машин: Сб. науч. трудов под ред. Докт. Техн. наук, проф., чл.-корр. АН РТ И.Г. Хисамеева, вып.6 / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа», Казань, 2009. - С. 240-248.

4. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика снятия мгновенных значений температур стенок и газа в воздушном роторном компрессоре внутреннего сжатия // Тезисы докладов VIII Международной научн.-техн. конфер. молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань: Изд-во «Слово», 2009. - С. 49-51.

5. Сайфетдинов А.Г., Шитиков Н.И. Методика экспериментального исследования рабочих процессов в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Тез. докл. Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур». - Москва, 2010. - С. 30-32.

6. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г., Шитиков Н.И. Исследование теплообмена между стенками цилиндра и газом рабочей полости в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Труды XV Международной научн.-техн. конфер. по компрессорной технике. Том I / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа». - Казань: Изд-во «Слово», 2011. - С. 149-156.

7. Патент на полезную модель №112763 (РФ). Устройство для определения температуры газа в рабочей полости роторной машины. / A.M. Ибраев, А.Г. Сайфетдинов, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев, И.И. Шарапов. //13.10.11, опубл. 20.01.12 G01K13/00.

Соискатель

Заказ ___;____Тираж /Щэ

Офсетная лаборатория КНИТУ, 420015, Казань, К.Маркса, 63