автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование поршневых детандер-компрессорных агрегатов

На правах рукописи

ПРИЛУЦКИЙ АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕР - КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальности: 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы

05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

холодильной я криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Санкт - Петербург 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Борзенко Евгений Иванович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор Бухарин Николай Николаевич Кандидат технических наук Евдокимов Василий Евгеньевич

Ведущая организация - ОАО «КОМПРЕССОР»

Защита состоится 2005 г в //^1аСОВ

на заседании диссертационного Совета Д 212 234 01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу 191002, г Санкт-Петербург, ул Ломоносова, д 9, СПбГУНиПТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 2005 г

Ученый секретарь диссертационного Совета у

доктор технических наук, гфофессор^С^^и-^^Й С Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание прогрессивных образцов новой техники неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета и их практического применения на стадии проектирования. Такой подход позволяет выявить и глубже изучить особенности протекающих физических процессов, обосновать наиболее приемлемый вариант конструкции машины, сократить затраты на подготовку и проведение натурного эксперимента при модернизации существующих или доводке вновь создаваемых машин нового поколения и прогнозировать их технико-экономические показатели при работе на номинальном и не расчетных режимах.

Широкое использование в различных отраслях народного хозяйства сжатых газов, различных по составу и параметрам, немыслимо без применения компрессорных и расширительных машин. Они широко используются в различных технологических процессах и составляют основу криогенных и холодильных установок. От их совершенства в первую очередь зависит эффективность и надежность работы установки в целом.

Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование в составе установок различного назначения детандер -компрессорных агрегатов (ДКА), представляющих собой совокупность однотипных по конструкции компрессорных и детандерных модулей монтируемых на серийных высокооборотных многорядных базах. Такое конструктивное решение позволяет сократить сроки технологической подготовки новых машин к производству, снизить их удельные массо -габаритные показатели, уменьшить номенклатуру комплектующих узлов, повысить безопасность эксплуатации при обеспечении показателей эффективности и надежности на современном уровне.

Целью настоящей работы является:

- Развитие существующих и апробация перспективных методик расчета ДКА, основанных на математическом моделировании процессов в рабочих камерах детандерных и компрессорных ступеней, с использованием фундаментальных уравнений термодинамики тела переменной массы и газовой динамики.

- Использование созданных методик на стадии проектирования ДКА.

- Создание и натурные испытания опытного образца экологически чистого автономного ДКА на высокооборотной многорядной базе без смазки цилиндров и механизма движения.

- Внедрение методик расчета на предприятиях соответствующего профиля и в учебный процесс специализированных кафедр ВУЗов.

Научная новизна работы заключается:

• В дальнейшем совершенствовании математических моделей и прикладных программ расчета процессов, протекающих в детандерных и компрессорных ступеней ДКА, на основе которых получены новые данные о локальных параметрах газа в цилиндре детандерной ступени, выявлены особенности динамики движения крайних и центральной точек пластин клапанов типа ЛУ

с учетом взаимосвязи натяга упругих элементов и формы профиля жесткою ограничителя, установлены закономерности изменения геометрии поршневых колец в функции от степени их износа при эксплуатации и оценено влияние этого фактора на эффективность работы ДКА.

• В получении комплекса данных о тепловом состоянии детандерной ступени ДКА на основе результатов натурного эксперимента.

Практические результаты.

• Предложенные в работе математические модели и прикладные программы расчета использованы при проектировании ДКА и его отдельных элементов.

• Разработан, изготовлен и испытан автономный многорядный поршневой ДКА низкого давления без смазки цилиндров и механизма движения.

• Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными указывает на целесообразность применения предложенных методик расчета на стадии проектирования детандерных и компрессорных ступеней в составе ДКА.

• Предложены эмпирические зависимости, связывающие зазоры в закрытых клапанах и узлах уплотнений и температуру стенок цилиндра с родом газа, характерными размерами детандерной ступени и режимом её работы.

• Создана и апробирована методика оценки протечек газа через закрытые всасывающие (нагнетательные) клапаны и уплотнительный узел поршня.

• Создана и апробирована методика оптимизации конструкции уплотнения поршня, ориентированная на обеспечение линейного распределения перепадов давления по комплекту уплотнительных элементов.

• Для ДКА на У и Ш - образных базах рекомендован крейцкопфный вариант дифференциального поршня ряда детандерной ступени с водяным охлаждением направляющей крейцкопфа, с установкой теплоизоляторов между элементами ряда и базой агрегата и внутренней теплоизоляции выхлопной полости с ограничением её объёма величиной VB,, =0.5V|,.

• В качестве перспективы рекомендовано создание детандерных ступеней с минимальным отношением ^ = S/D и величиной средней скорости поршня, диаметр цилиндра которых определяется номинальным усилием принятой при проектировании базы и давлением на входе в детандерную ступень.

• Техническая документация на опытный образец агрегата и созданные прикладные программы расчета ступеней ДКА переданы для практического использования в ОАО «Компрессор» и ООО «НИИХИММАШ».

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных трудах и доложены в 2004-2005 годах на 30-31-й научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников СПбГУНиПТ, на 13-й МНТК по компрессоростроению (г. Сумы) и на 7-й МНТК молодых специалистов (г. Казань). Объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы (116 наименований) и 3-х приложений. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 20 таблиц.

Краткое содержание

1 Основные направления работы. Анализ известных литературных источников показал, что разработка и создание прогрессивных конструкций машин в современных условиях - это многоэтапный процесс, включающий в себя расчетное обоснование конструкции машины, проектирование и изготовление опытного образца, заводские испытания и анализ выявленных недостатков, корректировка конструкции элементов машины и др.

На первой стадии этого процесса применяют известные инженерные методики расчета с целью обоснования схемы машины, оценки прочностных и ожидаемых технико-экономических показателей.

На втором этапе, с целью отыскания оптимального варианта исполнения агрегата при существующей на предприятии-изготовителе технологической базе, применяют методики, основанные на моделировании рабочих процессов. При этом достоверность полученных результатов всецело зависит от степени совершенства применяемых методик расчета.

Исходя из сказанного, основными направлениями данной работы являются:

• Разработка базового варианта ДКА на Ш-образной базе без смазки цилиндров и механизма движения с использованием инженерных методик. Изготовление основных узлов и элементов опытного образца агрегата.

• Совершенствование существующих, освоение и апробация перспективных методик расчета детандерной и компрессорных ступеней ДКА.

• Использование созданных методик расчета при доработке конструкции детандерной и компрессорных ступеней агрегата, связанной с выбором типа, числа и характерных размеров элементов клапанов и выхлопных окон, с обоснованием работоспособности агрегата при работе на номинальном и не расчетных режимах, с прогнозированием холодопроизводительности агрегата, надежности и эффективности комплектующих узлов и отдельных элементов.

• Создание экспериментального стенда. Проведение контрольных испытаний ДКА с целью получения фактических интегральных показателей детандерной ступени агрегата, сравнения расчетных и экспериментальных данных, определения теплового состояния стенок детандерной ступени.

• Корректировка конструкции детандерной ступени с учетом полученных расчетных и экспериментальных данных, направленная на снижение теплопритоков к рабочей камере. Натурные испытания модернизированных детандерных ступеней. Практические рекомендации изготовителю.

• Анализ теплообмена газа со стенками цилиндра детандерной ступени на основе математической модели, учитывающей струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре в процессах «выхлоп-вытеснение».

• Практическое применение созданных методик при решении частных задач и разработке параметрического ряда высокооборотных ДКА.

2 Конструкция ДКА, рабочие циклы, стенд и методика эксперимента.

Детандер - компрессорный агрегат выполнен на 3-х рядной Ш-образной

базе с допустимым газовым усилием по рядам не более 0.25т при отсутствии смазки цилиндров и механизма движения. В одном из боковых рядов агрегата размещена 1-я, охлаждаемая водой, ступень сжатия компрессорного блока. В другом боковом ряду расположена 2-я ступень сжатия. В её состав входит дифференциальный поршень, нижняя (опорная) часть которого выполняет функции крейцкопфа. В вертикальном ряду агрегата смонтирована детандерная ступень, поршень которой унифицирован с поршнем 2-й ступени сжатия. При ходе поршней 45 мм и номинальной частоте вращения вала 1500 об/мин средняя скорость поршней равна 2.25 м/с.

Компрессорные ступени агрегата укомплектованы комбинированными кольцевыми клапанами, заимствованными от компрессора ЭКПВ 15/150; клапаны детандерной ступени - самодействующие, нормально-открытые.

Агрегат смонтирован на раме, которая устанавливается на фундамент посредством виброопор. Приводом служит асинхронный двигатель с номинальной мощностью 5 кВт установленный соосно с валом ДКА.

Расчетные параметры базового варианта агрегата:

- расход воздуха номинальный 20 кг/ч

- давление на входе в компрессор 0.1 МПа

- номинальное давление на входе в детандерную ступень 1.0 МПа

- номинальное давление на выходе из детандерной ступени 0.1 МПа

- температура воздуха на входе в детандерную ступень 293 К

- температура воздуха на выходе детандерной ступени 213 К

При разработке системы газораспределения детандерной ступени агрегата были предусмотрены два варианта её исполнения:

• СТУПЕНЬ ПРЯМОТОЧНАЯ ОДНОКЛАПАННАЯ - с размещением впускных клапанов на торцевой крышке цилиндра (поз. 4). В нижней части цилиндра выполнены окна 6 круглого сечения, перекрываемые движущимся поршнем. Окна открываются в момент окончания процесса расширения.

• СТУПЕНЬ ДВУХКЛАПАННАЯ С ЗОЛОТНИКОМ НА ВЫХЛОПЕ-с комбинацией впускных 4 и выпускных 5 самодействующих клапанов.

Детандерная ступень агрегата комплектуется двумя типами нормально-открытых клапанов: сферическими, размещенными в клапанной плите, или индивидуальным клапаном с кольцевыми пластинами. Выбор той или иной конструкции клапанов диктуется величиной давления на входе в ступень и требованием минимизации её мертвого пространства.

При разработке экспериментального стенда учитывались требования по его использованию не только аспирантами, но и в учебном процессе кафедры КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА при выполнении лабораторных работ и задач исследовательского плана в ходе курсового и дипломного проектирования.

В состав экспериментального стенда входит исследуемый ДКА, технологический компрессор ЭК-16, блок осушки и комплекс контрольно-измерительных приборов и устройств, включающий в себя: - 8-ми канальный измеритель УКТ38, принимающий и преобразующий

сигналы, поступающие от датчиков температуры типа ТСМ 50М вмонтированных в стенки элементов ряда детандерной ступени ДКА;

- термометр сопротивления (ИС-264А № Е3064), фиксирующий конечную температуру воздуха на выходе детандерной ступени Тк;

- ротационный расходомер для контроля расхода газа на выходе ДКА;

- индикатор МАИ-2 для записи индикаторных диаграмм.

При проведении натурного эксперимента в качестве основной ставилась задача регистрации теплового состояния стенок рабочей камеры, массового расхода и конечной температуры газа на выходе из агрегата в сочетании с записью индикаторных диаграмм при различных режимах работы ДКА.

3. Моделирование рабочих процессов в ступенях ДКА.

В качестве основной в настоящей работе рассматривалась уточненная автором математическая модель (ММ), которая позволяет более корректно (по сравнению с ранее созданными моделями) вести численный анализ работы ступеней ДКА с клапанами различного тина и оценивать работу уплотнения поршня по мере износа уплотнительных элементов при эксплуатации.

При разработке ММ были приняты следующие допущения: рабочий газ -идеальный, отсутствуют колебательные процессы в полостях, граничащих с рабочей камерой, процессы массообмена подчиняются законам адиабатного истечения через неплотности элементов ступеней, вращение вала агрегата принимается равномерным. Расчетная практика ряда авторов показывает достаточную корректность данных допущений.

Основным уравнением, устанавливающим взаимосвязь параметров газа в рассматриваемой (1 - и) рабочей камере, является уравнение сохранения энергии тела переменной массы

d(ulml) = dQ¡-dL + YJdEJI,

которое после преобразований с учетом принятых допущений представим в

опредеЛет^я соотёетст'вий^'' й) уравнением состояния идеального газа при

Текущая масса газа в рабочей полости т^ = р9 • . Изменение массы газа в рабочей полости за время, соответствующее повороту вала на угол определяется соотношением

(О 1

где М - массовый расход газа через органы газораспределения и уплотнения;

При течении газа через открытые клапаны или окна величина М определяется по уравнениям Сен-Венана-Вентцеля. В случае протечек газа через узкие щели (закрытые клапаны, уплотнения) в программе расчета используется модифицированное уравнение Захаренко СЕ.

виде

Текущее давление газа

Движение жестких пластин клапанов описывается уравнением Ньютона п

т —у -"газ + "пр> на основании которого, зная законы изменения газовой <1т

силы и силы упругости пружин во времени, определяются перемещение и скорость перемещения пластин в соответствии с уравнениями Д ф та

Моделирование динамики движения пластин клапанов типаЛУ В случае применения клапанов, в которых пластины обладают собственной упругостью (например, ленточные клапаны с упругим ограничителем), перемещение центральной ^ и концевых ^ точек пластин нельзя рассматривать с позиций одномассовой динамической системы.

Моделирование динамики пластин клапанов данного типа подробно рассмотрено в ряде работ. Однако, описанные в них методики не учитывают того фактора, что предварительное задание (см. рис. 2) длины пластин Ц,л, величин ^ и \ несовместимо с произвольно задаваемой формой жесткого ограничителя подъёма, характеризуемой величиной угла 2<х . В этом случае возникают погрешности при определении жесткости консольных элементов упругого ограничителя (^у3) и его натяга, что искажает результаты расчета.

Взаимосвязь параметров клапана: Ьу, Ьц, Ьк, Ь0,61№ 6„р = 2а)

тц =0.64[1-С/(5С+1.6)]шпл, тЕ = Ш1+ шу* = 0.5(тпл - тц) + 0.25ту, тк.» ~ Ь,„ Ьгш 5,,., рп„, ту = ЬуЬу8у/>у, ту =0.25ту, С = Суф / С„,

т»" УГ = */2„л- ГУо+ 3/1б'Ргаз- Здесь: Рт= рл Др Ь™ Ь11Л, Др = (р„ - р^ «и' Уг" = - Ру„л + Ш/1б • Р™, где О <у2 йцнО <у, ^ Гу „„ = С„-( у2 -уО.Р>о= Су-( у, + Ь0), где С11Л = 48(Ш)ПЛ/ ЬПД

Су = 3(Е1)У/ЬД Ьу=%2,У1)

Расчет клапанов типаЛУ Этап 1. ф <ф'-* у2 '¿¡¡гф < ^и • *■ контакт центра пластины с ограничителем = A- f(y,) - {[A-f(y,)]2 - V4- A-Lra2}05, где А = sino/[2(l - sin«)]; %,) = ,/2-LIul-Ctga+ (hs- yO; Lуф= Vi L„, - Кф-(Угк-a) Этап 2. ф>ф'~* h2/<y2 <h„. Ьц = hK + Vrhm Ctga - R* / (2A); Ly* = Уг Lm - R' {Угж-а); Цф = Ly*-(hK - y,) / (hK - y,')

Теплообмен газа со стенками рабочей камеры

Условный зазор в уплотнениях с учетом износа поршневых колец В период эксплуатации радиальная толщина поршневых колец Ьк по мере их износа уменьшается на величину ДЬК до Ь*, = Ь, - АЬК. Поскольку внешний диаметр колец остается неизменным Бк = Бц, а внутренний с1к - возрастает, это приводит к увеличению зазора в замке до величины Д*3 = А3+2я'АЬк, а следовательно, и условного зазора в уплотнении поршня При заданной степени износа колец текущий условный зазор в уплотнении

поршня рассчитывается по уравнению

Согласно данной зависимости интенсивность утечек газа через уплотнение поршня, будет зависеть от степени износа колец, обусловленной зазором в паре «поршень-цилиндр», заданным режимом работы (рвс, рнг, п, сп), номером ступени сжатия (Бц, Ьк, Ьк), числом и размерами радиальных каналов на торцах колец (г, Д, 6)к и другими факторами.

Полученная система уравнений является основой созданной прикладной программы расчета. На стадии проектирования ДКА она была использована с целью обоснования конструкции компрессорных и детандерной ступеней агрегата и оценки ожидаемых технико-экономических показателей.

4.Предварительные испытания опытного образца ДКА.

Целью проведения предварительных испытаний детандерной ступени в составе агрегата являлось: установление возможных режимов работы ступени, её работоспособности в условиях высокой частоты вращения вала при «сухом» исполнении цилиндро-поршневых групп и механизма движения; анализ адекватности расчетных (полученных на стадии проектирования) и фактических (текущих и инте!ральных) параметров ДКА; изучение особенностей пусковых режимов работы детандерной ступени; оценка показателей эффективности и надежности работы агрегата в целом: выявление возможных недостатков, связанных с приработкой узлов агрегата, а также обоснование возможных изменений в конструкции, способствующих улучшению технико-экономических показателей ДКА. На этой стадии в составе агрегата использовалась прямоточная детандерная ступень, укомплектованная нормально-открытыми впускными клапанами с пластинами сферической формы и механическим (резиновым) демпфером.

На первом этапе основной задачей являлось установление предельно возможной величины давления на входе в детандерную ступень рн пж . Для этого при работающем агрегате постепенно закрывался байпасный вентиль, вследствие чего рн возрастало. При некотором значении рн = рн тах выход холодного газа из детандерной ступени прекращался, что свидетельствовало

0 прекращении работы впускного клапана из-за несоблюдения условия его работоспособности: р6 > рн; здесь р6 - давление в конце обратного сжатия.

При предварительных испытаниях детандерной ступени с фактическим мертвым пространством было установлено, что рн ^ - 0.8 МПа. 5.0ценка адекватности расчетных и экспериментальных данных.

Для проверки адекватности методики расчета детандерной ступени экспериментально полученные индикаторные диаграммы сравнивались с расчетными. Их анализ позволяет утверждать, что каждый из процессов цикла детандерной ступени на номинальном режиме работы качественно и количественно идентичен реально протекающим процессам. Данный вывод вытекает из следующих результатов выполненного анализа:

1 .Продолжительность процесса наполнения практически одинакова.

2.Изменение параметров газа при расширении идентично.

3.В реальных условиях процесс выхлопа заканчивается при некотором недорасширении газа (р4 > рк). Однако данное обстоятельство не оказывает существенного влияния на точность определения интегральных показателей, поскольку приращение объёма цилиндра вблизи НМ'Г стремится к нулю.

4.Различия в параметрах газа на участке вытеснения пренебрежимо малы. 5.Окончанию расчетного процесса обратного сжатия соответствует меньший (на 4-5 градусов) угол поворота вала, что в силу допущения о герметичности рабочей камеры при расчетах представляется вполне логичным. б.Процессы «впуск-нагнетание» качественно идентичны и незначительно отличаются в количественном отношении.

Дополнительная оценка адекватности расчетных и экспериментальных данных проводилась при анализе индикаторных диаграмм, полученных при

работе детандерной ступени на режимах отличных от номинального. Сравнительный анализ полученных индикаторных диаграмм при работе детандерной ступени с переменным давлением на входе показывает, что модель адекватно (количественно и качественно) реагирует на изменение начального давления в ступени с самодействующими клапанами.

6. Тепловые испытания детандерной ступени.

При выполнении данного раздела работы ставилась задача получения объективных данных о тепловом состоянии элементов детандерной ступени при наличии (отсутствии): теплоизоляторов между ступенью и корпусом, внешней (внутренней) теплоизоляции выхлопной полости, водяного охлаждения крейцкопфной направляющей поршня детандерной ступени при отсутствии жидкостной смазки в паре трения.

Критерием целесообразности того или иного варианта исполнения детандерной ступени являлся минимум конечной температуры газа.

Первичные тепловые испытания проводились без теплоизоляции выхлопной полости детандерной ступени от окружающей среды на режиме: рн =0,7МПа, рк =0.1 МПа, п = 1500об/мин, Тн =293 К. Введение внешней теплоизоляции приводит к снижению температуры газа за детандерной ступенью всего на 1-2 градуса. При покрытии внутренней поверхности выхлопной полости слоем «макрофлекса» достигается снижение конечной температуры на 12...15К, т.е. эффективность работы ступени повышается.

На основе анализа полученных данных рекомендован следующий вариант исполнения детандерной ступени агрегата: поршень - дифференциальный, крейцкопфный; направляющая крейцкопфа теплоизолирована от корпуса и наряду с компрессорными ступенями охлаждается водой; внутренняя поверхность выхлопной полости покрыта слоем теплоизоляции.

При таком исполнении, кроме указанных выше положительных факторов, на внешних поверхностях ступени не образуется «снежная шуба».

7. Расчетно-теоретический анализ рабочих процессов в ступенях ДКА.

Целью численного эксперимента является выявление специфических особенностей газодинамических, тепловых, массообменных и механических процессов в элементах детандер-компрессорного агрегата и получение рекомендаций, способствующих улучшению его технико-экономических показателей. При выполнении численного эксперимента использованы прикладные программы расчета, реализованные в настоящей работе.

В ходе численного анализа был отработан ряд новых методик. В частности:

• Оценка герметичности клапанов различного типа в закрытом состоянии.

• Анализ динамики потоков газа в уплотнениях поршней с учетом износа колец и характера распределения давлений по уплотнительному узлу.

• Оптимизация конструкции клапанов различного типа в составе ступени.

• Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с различными объёмами цилиндров, плотностью газа на входе, условиями охлаждения и др.

При анализе работы детандерной ступени было установлено следующее:

• Двухклапанное газораспределение нецелесообразно для малорасходных ступеней из-за усложнения её конструкции, невозможности обеспечения в реальных условиях требуемого минимального мертвого пространства и работы ступени в компрессорном режиме при запуске агрегата.

• Минимизация мертвого пространства сопровождается ростом температуры газа в цилиндре в начале процесса наполнения, что несмотря на повышение эффективности процессов «расширение-выхлоп» не дает существенного снижения конечной температуры газа на выходе детандерной ступени.

• Открытие впускного самодействующего клапана в конце процесса обратного сжатия сопровождается его кратковременным закрытием под действием потока газа, поступающего из впускной полости в цилиндр.

• Анализ работы детандерных ступеней с различными геометрическими параметрами при постоянном и переменном объёме цилиндра показал, что наиболее перспективным направлением является создание короткоходных детандерных ступеней, диаметр цилиндра которых соответствует номинальному усилию базы, а средняя скорость поршня минимальна.

• Температурное поле газа в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп-вытеснение» (см. рис.3) неоднородно. Его можно интерпретировать как низкотемпературное «ядро» сложной конфигурации, окруженное более теплой оболочкой, толщина которой зависит от типа ступени, режима её работы, способа подвода газа в цилиндр, геометрических размеров цилиндра, выхлопной камеры, каналов в клапанах и выхлопных окнах, эффективности элементов теплоизоляции и ряда других факторов.

• Обобщение результатов расчета и экспериментальных данных позволило рекомендовать для определения средней температуры стенок рабочей камеры зависимость вида: Тст = (Тн + ТК5)/( 1,7-1,8).

В условиях эксплуатации давление на входе в детандерную ступень рн может меняться. В случае снижения рн подача газа от компрессорного блока агрегата тк остается практически неизменной, в то время как потребление газа детандерной ступенью описывается нелинейной зависимостью тд~(С2-С6).рн, имеющей минимум при определенной величине рн. Следовательно, при работе ДКА автоматически будет устанавливаться определенное значение рн, соответствующее равенству расходов газа через компрессор тк и детандер т^. При необходимости регулирование величины рн в заданном интервале или поддержание его на постоянном уровне достигается частичным перепуском газа с нагнетания на всасывание компрессорного блока агрегата.

Выполненный анализ также показал, что незначительное изменение конструкции детандерной ступени агрегата, связанное с корректировкой величины мертвого пространства ступени (путём установки проставок различной толщины) и натяга клапанных пружин (регулировочные шайбы в гнездах седла иод пружинами) позволяет при неизменной массовой производительности компрессорного блока агрегата обеспечивать температуру газа у потребителя как в области положительных (+2°...+5°С), так и в области отрицательных температур (-20°... -140°С).

Основные результаты.

1.Разработан автономный малорасходный экологически чистый поршневой детандер-компрессорный агрегат низкого давления. Предложен ряд его модификаций, обеспечивающих температуру газа у потребителя в диапазоне от +5°С до -70°С. Обоснован параметрический ряд малорасходных ДКЛ на унифицированных базах с частотой вращения вала n = 1500 об/мин.

2.Усовершенствована математическая модель рабочих процессов детандерной и компрессорных ступеней, базирующаяся на допущении о механическом и термическом равновесии газа в пределах рабочей камеры. На её основе создана и апробирована программа расчета ступени с клапанами типа ЛУ.

3. Апробирована модель*, предполагающая струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре детандерной ступени и учитывающая неравновесность параметров газа по оси и радиусу цилиндра.

4.Получены данные о распределении температур газа в рабочей камере детандерной ступени в процессах «выхлоп-вытеснение». Температурное поле представляет собой низкотемпературное «ядро», окруженное более теплой оболочкой сложной конфигурации, форма которой переменна во времени и зависит от ряда геометрических и режимных параметров ступени.

5.Предложены эмпирические зависимости, связывающие зазоры в закрытых клапанах и узлах уплотнений и температуру стенок цилиндра с родом газа и режимом работы детандерной ступени.

6.Рекомендованы методики дифференцированной оценки интенсивности протечек газа через закрытые всасывающие (нагнетательные) клапаны и узлы уплотнения и прогнозирования их долговечности при эксплуатации. Предложена методика оптимизации конструкции уплотнения поршня.

7.Установлено, что при пуске ДКА возможна работа детандерной ступени с двухклапанным газораспределением в режиме компрессора.

8.Результаты численного эксперимента говорят о целесообразности создания короткоходных детандерных ступеней, диаметр цилиндра которых определяется номинальным усилием принятой при проектировании базы и давлением на входе в детандерную ступень.

9.По результатам натурных испытаний ДКА рекомендуется крейцкопфный вариант дифференциального поршня ряда детандерной ступени с водяным охлаждением направляющей крейцкопфа, установка теплоизоляторов между элементами ряда и базой агрегата и внутренняя теплоизоляция выхлопной полости с ограничением её объёма величиной

10.Результаты работы позволяют утверждать, что детандер-компрессорный агрегат ДКА20-10/1С и его модификации снабжены эффективной и надежной системой газораспределения, экологически безопасны и перспективны при использовании в качестве автономных источников холода с регулируемым расходом воздуха и его температуры у потребителя.

11 .Предложенные методики в виде прикладных программ расчета внедрены в ОАО «КОМПРЕССОР» и ООО «НИИХИММАШ» и используются в учебном процессе кафедры «Криогенная техника» СПбГУНиПТ. * Автор разработки - к.т.н., доц. Григорьев А.Ю., СПбГУНиПТ

Рис 1 Схема и рабочие циклы экспериментальной детандерной ступени

одноклапанная.-двухклапанная ступень

1,2, 6 - реперные точки цикла

Рис 2 Схема клапана типа ЛУ перед (а) и после (б) сборки

<5 = 180°

сечение

р = 200"

сечение

Рис 3 Поле температур газа в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп-вытеснение» при различных углах поворота вала

Oö'o-i- Об: об

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Григорьев А.Ю., Прилуцкий А.А.

Влияние геометрии ограничителя движения на работу прямоточного клапана. М.: Вестник международной академии холода. № 4 , 2002. с. 19-22.

2. Григорьев А.Ю., Берлин Е.А., Прилуцкий А.А.

Математическое моделирование движения запирающей пластины лепесткового клапана поршневой машины.

СПб.: Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. № 2(6), 2003. с. 34-38.

3. Кузнецов Л.Г., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.А. Автономные малорасходные поршневые детандер-компрессорные агрегаты. М.: Компрессорная техника и пневматика. № 1, 2004. с.32-35.

4. Иванов Д.Н., Прилуцкий А.А., Молодова Ю.И., Ворошилов И.В. Оценка герметичности самодействующих клапанов поршневых компрессоров на стадии проектирования.

М.: Компрессорная техника и пневматика. № 1, 2004. с.39-41.

5. Кузнецов Л.Г., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Берлин Е.А., Прилуцкий А.А. Оценка герметичности компрессорных ступеней с учетом износа уплотнений поршней при эксплуатации. М.: Холодильная техника. №3, 2004. с.28-31.

6. Прилуцкий А.А. Динамика потоков газа в уплотнениях поршней компрессорных ступеней. М.: Химическая техника. № 2 , 2004. с.32-33.

7. Григорьев А.Ю., Прилуцкий А.А., Борзенко Е.И., Прилуцкий И.К. Температурное поле в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп - вытеснение».

М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 5, 2004. с. 23-27

8. Бессонный А.Н., Прилуцкий АА., Прилуцкий СА. Детандер-компрессорные агрегаты (ДКА) на оппозитных базах.

// Тр. X111 МНТК по компрессоростроению. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке. Том 2. - Сумы, 2004. - с. 106-114.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОРШНЕВЫЕ ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРНЫЕ АГРЕГАТЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1. Преимущества совмещения компрессорных и детандерных ступеней в составе детандер-компрессорного агрегата (ДКА).

1.2. Области применения детандеров и детандер-компрессорных агрегатов.

1.3. Поршневые детандеры. Конструкции. Современное состояние. Тенденции повышения технического уровня.

1.4. Формулировка научной и технической проблем.

1.5. Основные задачи исследования

2. КОНСТРУКЦИЯ ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРНОГО АГРЕГАТА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Цель и задачи эксперимента.

2.2. Конструкция детандер-компрессорного агрегата.

2.3. Экспериментальный стенд. Методика эксперимента.

2.4. Предварительные испытания детандер-компрессорного агрегата.

2.4.1. Порядок пуска агрегата.

2.4.2. Предельно допустимая величина начального давления газа.

2.4.3. Анализ контрольных индикаторных диаграмм.

Оценка адекватности расчетных и экспериментальных данных.

2.4.4. Особенности работы детандерной ступени при рн -» рк.

2.4.5. Контрольные тепловые испытания детандерной ступени.

2.4.6. Результаты испытаний модернизированной детандерной ступени.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

В КОМПРЕССОРНЫХ И ДЕТАНДЕРНЫХ СТУПЕНЯХ ДКА.

3.1. Введение.

3.2. Общие допущения.

3.3. Математическая модель второго уровня.

3.4. Математическая модель третьего уровня.

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ СТУПЕНЕЙ ДКА

4.1. Анализ работы компрессорных ступеней.

4.1.1. Согласование работы ступеней в составе агрегата.

4.1.2. Методика оценки герметичности клапанов в закрытом состоянии

4.1.3. Герметичность ступеней при износе уплотнительных колец.

4.1.4. Динамика потоков газа в уплотнении поршней тронкового типа.

4.1.5. Методика оптимизации конструкции уплотнительных узлов.

4.1.6. Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с различным объёмом рабочего цилиндра.

4.1.7. Влияние начальной плотности газа на теплообмен в ступени.

4.1.8. Особенности динамики движения пластин ленточных клапанов с упругим ограничителем (ЛУ).

Методика оптимизации конструкции клапанов.

4.2. Анализ работы детандерной ступени.

4.2.1. Сравнительный анализ рабочих циклов.

4.2.2. Температурное поле в цилиндре детандерной ступени в процессах выхлоп-вытеснение.

4.2.3. Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с различным объёмом рабочего цилиндра.

4.2.4. Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с постоянным объёмом цилиндра и частотой вращения вала.

4.2.5. Влияние величины начальной плотности газа.

4.3. Особенности совместной работы компрессорных и детандерной ступеней ДКА20-10/1С при переменном давлении на входе в детандерную ступень рн

4.4. Автономные малорасходные детандер-компрессорные агрегаты на многорядных высокооборотных базах.

Создание прогрессивных образцов новой техники в современных условиях неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета и их практического применения на стадии проектирования. Это позволяет выявить и глубже изучить особенности протекающих физических процессов, обосновать наиболее приемлемый вариант конструкции машины, сократить затраты на подготовку и проведение натурного эксперимента при модернизации существующих или доводке вновь создаваемых машин нового поколения и прогнозировать их технико-экономические показатели при работе на номинальном и не расчетных режимах.

Широкое использование в различных отраслях народного хозяйства сжатых газов, различных по составу и параметрам, немыслимо без применения компрессорных и расширительных машин. Они широко используются в различных технологических процессах и составляют основу криогенных и холодильных установок. От их совершенства в первую очередь зависит эффективность работы и надежность установки в целом. По существующим оценкам [58] до 15% вырабатываемой электроэнергии тратится на привод компрессоров. При этом на долю поршневых компрессоров приходится до 60% от указанной величины. Применение расширительных машин (детандеров), использующих предварительно сжатые в компрессорах газы, способствует возврату затраченной при сжатии мощности в диапазоне от 5 до 30%.

В свете сказанного разработку, создание и внедрение в производство прогрессивных конструкций компрессорных и расширительных машин с улучшенными, теоретически обоснованными и подтвержденными натурным экспериментом технико-экономическими показателями следует отнести к одному из важнейших направлений развития науки и техники.

Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование в установках различного назначения детандер - компрессорных агрегатов (ДКА), представляющих собой совокупность однотипных по конструкции компрессорных и детандерных ступеней монтируемых на серийно выпускаемых многорядных базах. Такое конструктивное решение позволяет сократить сроки технологической подготовки новых машин к производству, снизить их удельные массо - габаритные показатели, уменьшить номенклатуру комплектующих узлов, повысить безопасность эксплуатации при сохранении показателей эффективности и надежности на современном уровне.

Учитывая тенденцию по снижению габаритных размеров и удельной металлоемкости вновь создаваемых машин, в качестве основного объекта исследования автором были выбраны высокооборотные малорасходные поршневые ДКА низкого давления. Такой подход позволил минимизировать затраты на разработку и изготовление комплектующих объекта исследований и проведение натурного эксперимента.

Известно, что эффективность машин объемного действия снижается по мере уменьшения их мощности (холодопроизводительности). Исходя из этого, в работе особое внимание уделяется развитию методик расчета, обеспечивающих раскрытие физической сущности протекающих в рабочих камерах ДКА газодинамических, тепловых и механических процессов и позволяющих получать на стадии проектирования более обоснованные рекомендации по оптимизации конструкции детандер-компрессорного агрегата и входящих в его состав сборочных единиц, узлов и элементов.

К основным методическим разработкам, изложенным в работе, относятся:

1. Апробирование прогрессивной (по мнению автора) методики расчета рабочих процессов в детандерных ступенях ДКА [32], учитывающей струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре, впускной и выпускной полостях. Научная новизна и практическая значимость данной методики состоит в том, что на стадии проектирования появляется возможность получения и анализа дополнительной информации о полях локальных скоростей газа, давлений и температур в рабочем объеме цилиндра и примыкающих полостях.

2.Развитие методики расчета ленточных (полосовых) клапанов компрессорных ступеней ДКА. Новизна разработки состоит в корректировке взаимосвязи формы профиля жесткого ограничителя подъёма пластин клапана с величинами перемещения крайних и центральной точек клапанных пластин в динамике. Методика апробирована при расчете ленточных клапанов как при наличии, так и при отсутствии в конструкции клапана упругого ограничителя. 3.Совершенствование и апробирование методики расчета рабочих процессов в уплотнительных узлах поршней. Новизна разработки заключается в учете износа уплотнительных колец в процессе эксплуатации и связанных с этим изменений в работе компрессорных и детандерных ступеней.

Вторым направлением работы является создание опытного образца автономного малорасходного высокооборотного детандер-компрессорного агрегата на Ш - образной базе (ДКА20-10/1С) без смазки цилиндров и механизма движения унифицированного с компрессором специального назначения СКАВ 6, выпускаемым объединением ОАО «Компрессор».

Рабочему проектированию и изготовлению ДКА предшествовал расчетно-теоретический анализ ряда возможных вариантов исполнения компрессорных и детандерной ступеней агрегата, выполненный с использованием указанных выше методик расчета. Основное внимание при проведении численного эксперимента было уделено оптимизации конструкции ступеней агрегата, в основу которой закладывались требования обеспечения заданных техническими условиями на проектировании параметров агрегата и максимальной эффективности и надежности его работы.

В ходе численного эксперимента: 1 .Рассмотрена целесообразность применения в составе детандерной ступени одно - и двухклапанной систем газораспределения, укомплектованных самодействующими клапанами, и обоснована наиболее приемлемая из них при создании детандеров с начальным давлением газа рн <1.0 МПа;

2.На модели изучено влияние геометрических размеров компрессорных и детандерных ступеней агрегата на эффективность его работы;

3.Установлена качественная и количественная взаимосвязь газодинамических и тепловых процессов в цилиндре детандерной ступени;

4.Выявлены особенности динамики газовых потоков в уплотнениях тронковых поршней различного конструктивного исполнения;

5.Найдены оптимальные геометрические параметры самодействующих клапанов компрессорных и детандерной ступеней, соответствующие номинальному режиму работы детандер-компрессорного агрегата.

Рёзультаты предварительного расчетного анализа использованы при рабочем проектировании ступеней опытного образца ДКА.

Третьим направлением работы является создание экспериментального стенда и проведение предварительных натурных испытаний детандерной ступени агрегата*. На этом этапе решались следующие задачи:

1.Регистрация текущих и интегральных параметров, соответствующих работе опытного образца агрегата на номинальном и нерасчетных режимах;

2.Сравнение результатов предварительного расчета с данными эксперимента;

3.Анализ теплового состояния основных теплообменных поверхностей детандерной ступени агрегата на основе экспериментальных данных;

4.Корректировка конструкции детандерной ступени с учетом полученных экспериментальных данных.

5.Обоснование адекватности разработанных математических моделей.

На завершающей стадии работы на конкретных примерах показаны возможности и целесообразность применения созданных методик расчета в расчетной практике организаций, связанных с разработкой (модернизацией), изготовлением и эксплуатацией компрессорных и расширительных машин.

Указанный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выполнялся в соответствии со следующими программными документами: 1. Основные направления работ по программе Международной академии холода (МАХ).

В виду ощутимых материальных затрат, в металле были изготовлены только база и детандерная ступень агрегата.

2. Рекомендации международных и всероссийских конференций и семинаров по компрессорной, холодильной и криогенной технике.

3. Программа ОАО «Газпром» - «Создание прогрессивных технологий и технических средств в области использования СПГ в качестве моторного топлива и энергоносителя на 1997 - 2005 гг.».

4. Программа «Холод без фреонов», предложенная Конгрессом МИХ.

5. Проект программы «Промышленный холод».

До комплексных исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии, имелись лишь отдельные разработки, связанные с созданием поршневых детандер - компрессорных агрегатов [12,19,88,92,93, 95], имеющих общий механизм движения для привода поршней компрессорных и детандерных ступеней. Их можно разделить на две основные группы:

1.Детандерная ступень агрегата питается от внешнего источника сжатого газа, а компрессорная ступень в составе ДКА выполняет функцию «тормоза» [88].

2.Источником сжатого воздуха на входе в детандерную ступень агрегата является компрессорный модуль, состоящий из одной или нескольких компрессорных ступеней. В этом случае имеем дело с автономным детандер -компрессорным агрегатом, рабочие параметры которого всецело определяются расходом и давлением газа на выходе из компрессорного модуля ДКА [11].

В настоящей работе основное внимание уделено детандер-компрессорным агрегатам второй группы. Автором выполнено разноплановое (численный анализ и натурный эксперимент) исследование автономного многорядного детандер-компрессорного агрегата с «сухим» картером. В результате получены сведения о тепловом состоянии элементов ряда детандерной ступени с поршнем дифференциального типа, о направлении тепловых потоков и их интенсивности, о целесообразности организации внутренней теплоизоляции выхлопной полости, введения водяного охлаждения направляющей дифференциального поршня (крейцкопфа ряда детандерной ступени) и установки теплоизоляторов между направляющей крейцкопфа и базой агрегата.

В процессе работы над диссертацией опубликовано 9 печатных трудов. Отдельные методические разработки внедрены в расчетную практику ряда проектных организаций и промышленных предприятий, а также используются в учебном процессе СПбГУНиПТ при изучении ряда специальных курсов («Машины низкотемпературной техники», «Расширительные машины» и др.), при дипломном и курсовом проектировании и в научно-исследовательской работе студентов кафедры «Криогенная техника».

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «Компрессор» за участие в технической экспертизе сборочных и рабочих чертежей ДКА, в изготовлении и монтаже элементов экспериментального стенда и проведении предварительных испытаний опытного образца, а также профессорско-преподавательскому составу кафедры «Криогенная техника» за практические советы и конструктивную критику на различных этапах работы над диссертацией.

9.Результаты работы позволяют утверждать, что детандер-компрессорный агрегат ДКА20-10/1С и его модификации снабжены эффективной и надежной системой газораспределения, экологически безопасны и перспективны при использовании в качестве автономных источников холода с регулируемым расходом воздуха и его температуры у потребителя.

Ю.Разработанные методики реализованы в виде прикладных программ расчета, внедрены в ОАО «КОМПРЕССОР» и ООО «НИИХИММАШ» и используются в учебном процессе кафедры «Криогенная техника» СПбГУНиПТ.

По мнению автора, поставленные перед началом работы над диссертацией задачи, решены полностью.

196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая результаты работы, можно отметить следующее:

1.Разработан автономный малорасходный экологически чистый поршневой детандер-компрессорный агрегат без смазки цилиндров и механизма движения. Опытный образец ДКА изготовлен на многорядной высокооборотной базе и унифицирован с серийными компрессорами ОАО «КОМПРЕССОР».

Предложен ряд модификаций опытного образца ДКА с повышенной холодопроизводительностью, работающих в диапазоне давлений 0.4 - 0.8 МПа при постоянном расходе газа через детандерную ступень и обеспечивающих температуру газа у потребителя в диапазоне от +5°С до -70°С.

На основе опыта, приобретенного при выполнении работы, обоснован параметрический ряд автономных малорасходных ДКА на унифицированных базах с частотой вращения вала п = 1500 об/мин с номинальным усилием по рядам от 0.25 до 1.6 т, освоенных на отечественных предприятиях.

2.При обосновании конструкций ДКА использован метод численного анализа, базирующийся на математических моделях различного уровня сложности, в сочетании с экспериментальной проверкой принятых конструктивных решений.

3.Усовершенствована математическая модель рабочих процессов детандерной и компрессорных ступеней, базирующаяся на допущении о механическом и термическом равновесии газа в пределах рабочей камеры переменного объёма.

Новизна модели заключается:

- В более корректном описании взаимосвязи геометрических параметров клапанов типа ЛУ, при котором принятый профиль жесткого ограничителя однозначно предопределяет предварительный натяг упругих элементов и перемещение крайних и центральной точек клапанных пластин в динамике.

- В формализации закономерностей изменения геометрических параметров уплотнительных элементов поршней в процессе эксплуатации, что позволяет прогнозировать интенсивность износа уплотнительных колец и изменения параметров, характеризующих работу детандер-компрессорного агрегата.

- В более корректном, основанном на результатах численного и натурного эксперимента, задании геометрических размеров каналов, разделяющих полости с различным давлением газа.

4.Апробирована модель, предполагающая струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре детандерной ступени, т.е. учитывающая неравновесность параметров газа по оси и радиусу цилиндра в функции от угла поворота вала.

Научная новизна и практическая значимость данной методики состоит в том, что на стадии проектирования появляется возможность получения и анализа дополнительной, принципиально новой информации о полях локальных скоростей газа, давлений и температур в рабочем объеме цилиндра переменного во времени.

5.В ходе численного эксперимента выявлен ряд специфических особенностей физических процессов, протекающих в ступенях ДКА. В частности:

- Температурное поле газа в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп-вытеснение» неоднородно и представляет собой низкотемпературное «ядро» сложной конфигурации, окруженное более теплой оболочкой, толщина которой переменна во времени и зависит от типа ступени, режима её работы, способа подвода газа в цилиндр, геометрических размеров цилиндра, каналов в клапанах и выхлопных окнах, эффективности элементов теплоизоляции.

- Применение клапанов с минимальным газодинамическим сопротивлением не гарантирует существенного выигрыш в эффективности работы ступени из-за «негерметичности» клапанов в закрытом состоянии.

- При малой продолжительности процесса наполнения и низком отношении давлений в детандерной ступени с двухклапанным газораспределением возможен переход от детандерного цикла к компрессорному. В прямоточных детандерных ступенях при пуске агрегата возможна кратковременная работа на холостом ходу сопровождаемая разогревом цилиндра.

6.Результаты численного анализа указывают на перспективность применения предложенных методов расчета при решении ряда практических задач на стадии проектирования компрессорных и детандерных ступеней. В частности:

- Анализ влияния рода рабочего газа, конструктивных и режимных параметров ступеней, недоохлаждения газа в промежуточном холодильнике и других факторов на эффективность и надежность работы агрегата в целом.

- Прогнозирование работы ступеней на расчетных и нерасчетных режимах с отысканием новых значений промежуточных давлений между ступенями.

- Дифференцированная оценка интенсивности протечек газа через закрытые всасывающие (нагнетательные) клапаны и оптимизация их конструкции.

- Оптимизация конструкции уплотнений поршней, включая анализ процессов массообмена в уплотнении и оценку его герметичности при эксплуатации.

- Возможность эффективного использования прикладных программ расчета компрессорных и детандерных ступеней в учебном процессе.

7. По результатам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

- Создание короткоходных (ф = S/D и Сп = 2Sn min) детандерных ступеней, максимальный диаметр цилиндра которых выбран по номинальному усилию базы, является одним из перспективных направлений совершенствования ДКА.

- Применение детандерных ступеней с двухклапанным газораспределением целесообразно лишь в агрегатах низкого давления (П < 4) при условии возможности достижения предельно малого мёртвого пространства.

- Оптимальный относительный ход поршня в процессе наполнения зависит от давления на входе в детандерную ступень и рекомендуется в диапазоне:

Сг — 0.2 . 0.3 — в циклах высокого давления; С2 = 0.3 . 0.4 - в циклах среднего давления; Сг - 0.5 . 0.6 - в циклах низкого давления;

- При расширении «легких» газов относительный ход поршня Сз, соответствующий началу процесса выхлопа, следует задавать максимальным при минимальном числе и размерах выхлопных окон.

- При предварительных расчетах процессов теплообмена среднюю температуру стенок рабочей камеры детандерной ступени следует задавать, используя эмпирическую зависимость вида:

TCT = (TH + TKS)/(1.7. 1.8).

- В ступенях, укомплектованных комбинированными кольцевыми клапанами, предпочтительным является вариант с периферийным входом газа и нагнетанием в направлении оси цилиндра, поскольку при этом снижаются суммарные относительные протечки через закрытые клапаны.

8. По результам натурного эксперимента рекомендуется:

- Дифференциальное исполнение поршня ряда детандерной ступени.

- Водяное охлаждение направляющей крейцкопфа дифференциального поршня.

- Установка теплоизоляторов между элементами ряда детандерной ступени и базой агрегата.

- Обеспечение внутренней теплоизоляции выхлопной полости.

- Ограничение объёма выхлопной полости величиной VB,n «0.5Vh.

1. Акулов JI.A. Использование холода сжиженного природного газав установках разделения воздуха. // Обзорная информация. Серия ХМ-6. Криогенное и вакуумное машиностроение.- М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. 36 с.

2. Акулов JI.A., Быстров Д.И. Анализ детандерных циклов ожижения природного газа, использующих перепады давлений на ГРС / В сб. «Совершенствование процессов и оборудования низкотемпературной техники и пищевых технологий». СПбГАХПТ. - Деп. в ВИНИТИ, 1998.

3. Андрианов А.А. Разработка методики расчета самодействующих клапанов поршневых компрессоров с учетом неплоскопараллельного движения запорного органа. / Дисс. . к.т.н. МГТУ, Москва, 1996.

4. Аринин А.Ф., Буткевич И.К., Пуртов Н.А. Моделирование и исследование цикла гелиевого парожидкостного поршневого детандера с электромагнитным клапаном впуска. //Межвуз.сб. научн. трудов ВЗМИ, №12. М.: ВЗМИ. - 1983.

5. Архаров A.M. Исследование рабочих циклов низкотемпературных газовых машин. / Автореф. дисс. . д.т.н. М.: МВТУ им. Баумана. - 1969.

6. Архаров A.M. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы).- М., Машиностроение, 1969. - 221 с.

7. Архаров A.M. и др. Техника низких температур. / Под ред. И.В.Марфениной, Е.И. Микулина. М.: Энергия, 1964. - 448 с.

8. Белушкин В.А., Готвянский Н.Ф. Новый поршневой детандер с внутренним приводом клапанов для сжатия водорода.

9. Химическое и нефтяное машиностроение. 1972. - № 1. - С.36-39

10. Бершадский С.А. Снижение вибраций и шума поршневых компрессоров.

11. JI.: Судостроение.- 1990. 270 с.

12. Бессонный А.Н., Прилуцкий А.А., Прилуцкий С.А. Детандер-компрессорные агрегаты (ДКА) на оппозитных базах.

13. Тр. XI11 МНТК по компрессоростроению. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке. Том 2. Сумы, 2004. - с. 106-114.

14. Бондарев В.Н., Онучин М.Ф. Многослужебные метановые детандер-компрессорные станции. ООО «ИРЦ Газпром».

15. Обзорная информация. Серия: Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Использование газа. — Москва. — 2000. — 40с.

16. Бродянский В.М., Грачев А.Б., Бумагин Г.И.

17. Новый поршневой прямоточный детандер с внутренним приводом клапанов. // Компрессорное и автогенное машиностроение. — 1971. № 1. 1 б.Бумагин Г.И. Поршневые детандеры. Учебное пособие. - Омск: ОмПИ, 1981. - 85 с.

18. Буткевич И.К. Создание и исследование гелиевого поршневого детандера с манжетным уплотнением и азотной рубашкой.

19. Автореф. дисс. . к.т.н. -М.: МВТУ. 1969.

20. Буткевич И.К., Добров В.М. Гелиевый поршневой детандер с манжетным уплотнением поршня.

21. Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. - № 8. -С.4-5.19.Ваняшов А.Д.

22. Разработка и исследование поршневых детандер-компрессорных агрегатов с самодействующими воздухораспределительными органами. / Автореф. дисс. . к.т.н. ОмГТУ. - 1999.

23. Верболоз А.П., Ваньшин А.И. Оценка влияния геометрических параметровкривошипно-шатунного механизма на работу поршневого детандера. Холодильная техника. 2000, №., с.

24. Верный A.JL, Ильин Б.А., Проккоев В.В., Хисамеев И .Г. Новые компрессоры разработки АО "НИИТУРБОКОМПРЕССОР". Ж. Компрессорная техника и пневматика. 1997, вып. 3-4

25. Ворошилов И.В., Устюшенкова О.Ю., Хрусталев Б.С. Исследование работы уплотнений штока поршневого компрессора.

26. Тр. XI11 МНТК по компрессоростроению. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке. Том 3. Сумы, 2004. с. 95-102.

27. Видинеев Ю.Д., Дьячков М.И., Смородин А.И. Детандер-насос для систем циркуляционного обеспечения. // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Криогенная техника — науке и производству». Москва, 23-27 сентября, 1991.- М., 1991. - С.70.

28. Винокуров А.Г., Деньгин В.Г., Ермаков В.М. Опыт созданияи тенденции развития компрессоров без смазки для микрокриогенных систем. ВестникМАХ, вып. 1., 2000, с.15-17.

29. Герш С.Я. Глубокое охлаждение.-М-Л.: Государственное энергетическое издательство. 4.1,1957; 4.2, 1960.

30. Гильман И.И. Оценка термодинамической эффективности поршневого детандера. Аппараты и машины кислородных установок. Труды ВНИИКИМАШ. Вып.4. - М.: Машгиз, 1964.

31. Голиков Г.Е., Данилов И.Б. Выбор зазора в поршневом детандере. Химическое и нефтяное машиностроение. 1989. - № 10. - С.20-21.

32. Горбенко А.Л. Основы расчета и проектирования поршневых детандеров с автоматическим двухклапанным газораспределением.

33. Автореф. дисс. . .к.т.н. СПб.: ГАХиПТ. - 1999. - 16с.

34. Горбунов А.А., Данилов Р.А., Калекин В.В., Калекин B.C. Пневмодвигатель компрессорный агрегат с самодействующими клапанами. //Тр. XI11 МНТК по компрессоростроению. Компрессорная техникаи пневматика в XXI веке. Том 2. -Сумы, 2004. с. 18-21.

35. Григорьев А.Ю. Исследование течения газа в ступени поршневого компрессора. / Автореф. дисс. . к.т.н. J1.: ЛПИ им. М.И. Калинина. - 1981.

36. Григорьев А.Ю., Прилуцкий А.А., Борзенко Е.И., Прилуцкий И.К. Температурное поле в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп вытеснение». М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 5, 2004. с. 23-27.

37. Григорьев А.Ю., Приходько С.А. Конечно-разностный метод решения задачи течения газа в рабочей камере поршневого детандера. // Совершенствование процессов и аппаратного оформления пищевой технологии и холодильной техники:

38. Сб. науч. тр. СПб.: ГУНиПТ, 2000. Деп. в ВИНИТИ 26.10.2000, №2722.

39. Даль Г.Ф., Пашкова JI.JL, Струков В.И., Докшицкий Е.А. Создание унифицированного ряда поршневых детандеров для малорасходных ВРУ. Химическое и нефтяное машиностроение. 1989, №11. - С.17-18.

40. Данилов И.Б. Детандерные ожижители гелия. /Автореф. дисс. .д.т.н. ИФП. 1963.

41. Данилов И.Б. Текстолитовый поршень для гелиевого детандера. ПТЭ.-№1.- 1963.

42. Детандер генераторные агрегаты. Проспект фирмы "КРИОКОР".

43. Добров В.М. Создание бесклапанного детандера с манжетным уплотнением и исследование его при температурах ниже 40 К.

44. Автореф. дисс. . к.т.н. -М.: МВТУ.-1977.

45. Докшицкий Е.А. Создание и исследование поршневых детандеров с электромагнитным приводом клапанов.

46. Автореф. дисс. .к.т.н. М.: КРИОГЕНМАШ. -1978. -21с.

47. Евгеньев С.С., Галеев A.M., Коломывцев Е.В.(АО «Казанькомпрессормаш»). Унифицированные компрессоры и детандеры. // Компрессорная техника и пневматика. / АСКОМП, С.Пб.: Выпуск 3-4 (12-13). - С. 52-56. 40.3арницкий Г.Э., Репин JI.A., Чернин Р.А.

48. Совершенствование холодильного цикла с винтовым детандером в установкахдля промысловой обработки нефтяного газа.

49. Подгот. перераб. нефт. газов Зап. Сибири и Прикасп. впадины.-М., 1989.-С. 114-120.41.3ахаренко В.П.

50. Влияние профиля наружной поверхности поршневого кольца компрессора без смазки на изменение параметров газа в зазоре между кольцом и цилиндром. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998, №11. - с. 39-43. 42.3ахаренко В.П.

51. Основы расчета и проектирования двухступенчатых поршневых детандеров. /Автореф. дисс. . к.т.н. СПБ.: СПбГУНиПТ. - 2000. - 16с.45.Иванов В.И.

52. Исследование теплообмена в проточной части поршневых компрессоров. / Дисс. к.т.н. Л.: ЛПИ им. Калинина. - 1979.

53. Иванов Д.Н. Разработка методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанного поршневого детандера.

54. Автореф. дисс. . к.т.н. СПб.: СПбГАХПТ. 1998.

55. Иванов Д.Н., Прилуцкий А.А., Молодова Ю.И., Ворошилов И.В. Оценка герметичности самодействующих клапанов поршневых компрессоров на стадии проектирования.

56. М.: Компрессорная техника и пневматика. № 1, 2004. с.39-41.

57. Исследование спирального детандера. Yanagisawa Т., Shimizu Т., Fukuta М., Handa Т.

58. Нихон Кикай Гаккай Ромбунсю. 1988. - 54, № 605. - С.2798 - 2803.

59. Клименко А.П. Аналитическое исследование реального цикла детандера. // Труды ИИГ АН УССР, кн. 4. Киев, 1956. - С.29-58.

60. Коваленко С.В. Комбинированная система воздухораспределения с самодействующими клапанами поршневых ДКА.

61. Автореф. дисс. . к.т.н. Омск.: ОмГТУ. - 2003.

62. Кондратьева Т.Ф., Исаков В.П. Клапаны поршневых компрессоров. Ленинградское отделение изд. «МАШИНОСТРОЕНИЕ». 1983.-с. 158.

63. Криогенные поршневые детандеры. / Архаров A.M., Буткевич К.С., Буткевич И.К. и др.; под ред. Архарова А.М.-М.Машиностроение, 1974.- 240с.

64. Крылов В.В. Исследование путей совершенствования гелиевых парожидкостных детандеров.

65. Автореф. дисс. .к.т.н. -М.: НПОКРИОГЕНМАШ.- 1988.

66. Кузнецов Л.Г., Горбенко А.Л. К вопросу учета процессов теплообмена в ступени поршневого детандера. Вестник МАХ, вып. 1.- 2000, с. 12-14.

67. Кузнецов Л.Г., Горбенко А.Л., Иванов Д.Н. Влияние масштабного фактора на эффективность работы и тепловое состояние ступени поршневого детандера. Компрессорная техника и пневматика. 2001. №2, с. .

68. Кузнецов JI.Г., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Берлин Е.А., Прилуцкий А.А. Оценка герметичности компрессорных ступеней с учетом износа уплотнений поршня при эксплуатации. М.: Холодильная техника. №3, 2004. с. 28-31

69. Кузнецов Л.Г., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Верболоз А.П. Обобщенная математическая модель рабочих процессов ступени машин объемного действия. Компрессорная техника и пневматика-2000, №1, с. 23-26.

70. Кузнецов Л.Г., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.А. Автономные малорасходные поршневые детандер-компрессорные агрегаты. М.: Компрессорная техника и пневматика. № 1, 2004. с.32-35.

71. Лазарев Л.Я., Куличихина С.В. (МЭИ, Москва).

72. Разработка конструктивных схем турбодетандеров. // Энергосбережение и водоподготовка. / НПО «Энергоинвест», М.: 1997. - № 2. - С.31-37.

73. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука. 1978.

74. Ляпин В.И. Совершенствование конструкции газовой холодильной машины Стирлинга. Холодильная техника. 1999, № 9, с. 9.

75. Медведев И.В. Разработка метода расчета и анализ рабочих процессов в уплотнении поршня компрессора без подачи смазки в цилиндр.

76. Автореф. дисс. . к.т.н. Л.: ЛПИ им. Калинина. - 1985.

77. Миркин А.З. Свободно-поршневые детандер-компрессоры. ЦИНТИхимнефтемаш. 1969. - № 2.

78. Молодова Ю.И. Анализ работы поршневой расширительной машины. Компрессорная техника и пневматика. СПб, вып. 1-2 (18-19), с. 37-41.

79. Молодова Ю.И. Многоцелевая расширительная машина. Химическое и нефтегазовое машиностроение. №4,1998. - с. 39

80. Молодова Ю.И. Совершенствование технико-экономических показателей многоцелевых поршневых расширительных машин.

81. Автореф. дисс. .к.т.н. СПб.: СПбГУНиПТ. - 2002 . - 16с. 73 .Новиков И.И., Захаренко В.П.

82. К вопросу об особенностях работы компрессоров без смазки. Компрессорная техника и пневматика. 1998, вып. 1-2, с. 35-37.

83. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. Л.: Машиностроение, 1981. - 238 с.

84. Новотельнов В.Н., Медведков Е.А. Математическая модель процесса расширения в криогенном газожидкостном поршневом детандере. Известия ВУЗов. Машиностроение, №4. 1985. - С.43-47.

85. Новотельнов В.Н., Суслов А.Д., Полтараус В.Б. Криогенные машины. СПб: Политехника, 1991. - 335 с.

86. Нуждин А.С., Ужанский B.C. Измерения в холодильной технике. Справочное руководство. М.: Агропромиздат, 1986. - 368 с. 78,Ольшевский П.А., Стасенко В.П., Ляпин В.И.

87. Газовая холодильная машина Стерлинга с направляющими качения поршней, работающих в условиях сухого трения.

88. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию (паспорт). НПК «ПРОВИТА». СПб. - 2003.

89. Петриченко P.M., Оносовский В.В.

90. Рабочие процессы поршневых машин.-Л.: Машиностроение. 1972.

91. Петриченко P.M., Петриченко М.Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах. Л.: Машиностроение. - 1979.83.Пирумов И.Б.

92. Разработка методов газодинамического, динамического и прочностногорасчетов, моделирование работы и оптимизация самодействующих клапанов. / Дисс. д.т.н. JL: ЛПИ им. Калинина.- 1984.

93. Пластинин П.И. Исследование и расчет поршневых вакуум-насосов. / Дисс. . д.т.н. М.: МВТУ им. Баумана - 1978.

94. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1.

95. Теория и расчет /2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2000. -456с.

96. Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ / Итоги науки и техники.

97. Серия насосостроение и компрессоростроение. Т.2. - М.: 1981.

98. Попырин JT.C. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия. - 1978.

99. Поршневой детандер ДП 50. Техническое описание.

100. Поршневые компрессоры. Учеб. пособие для ВУЗов.

101. Фотин Б.С., Пирумов И.Б., Прилуцкий И.К., Пластинин П.И. Под общ. ред. Фотина Б.С. Л.: Машиностроение, 1987. - 372 е.: ил.

102. Прилуцкий А.А. Динамика потоков газав уплотнениях поршней компрессорных ступеней. М.: Химическая техника. № 2 ,2004. с.32-33.

103. Прилуцкий А.И. Совершенствование системы газораспределения компрессорных и расширительных машин.

104. Автореф. дисс. .к.т.н. СПб.: ЛТИХП. - 1997. - 16с.

105. Вестник Международной академии холода». 2000г, вып. 3, с.8.

106. Прилуцкий И.К., Горбенко А.Л., Гурьянов Д.Ю.

107. Поршневые детандер-компрессорные агрегаты и перспективы их применения в газовой промышленности.

108. Компрессорная техника и пневматика. № 3, - 2000. - С. 13-14.

109. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Бессонный А.Н., Прилуцкий А.И. Опыт практического применения методов моделированияпри доводке уплотнительных узлов ступеней поршневых компрессоров на стадии проектирования.

110. М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 9, 2004. с.27-30.

111. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю., Молодова Ю.И. Научно-технические проблемы совершенствованияпоршневых расширительных машин. Вестник МАХ. Вып. 1, 1998, с. 11-15.

112. Прилуцкий И.К., Ивашнев Е.А., Прихожай Е.П. Полосовые клапаны с упругим ограничителем.

113. ЦИНТИхимнефтемаш, экспресс информация. Серия ХМ-5.- 1981. -№ 5.

114. Прилуцкий И.К. и др. А.С. № 1141258, 1979.

115. ЮО.Прилуцкий И.К. и др. Поршневой детандер. Патент №2029911, 1995. БИ №6 от 27.02.95 по заявке №4765021/06, индекс МПК F25BVo2.

116. Прилуцкий И.К., Петраш В.И., Ивашнев Е.А. Математическая модель полосового клапана с упругим ограничителем. / Сб. трудов ВНИИХОЛОДМАШ. М.: 1986. - С.13 - 17.

117. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах.

118. Учебн. пособие для ВУЗов. СПб.ГАХПТ. - 1995.103 .Разделение воздуха методом глубокого охлаждения.

119. Под ред. В.И. Епифановой, Л.С. Аксельрода. М.: Машиностроение, 1973.

120. Ю4.Рыжиков Л.Н. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров.

121. Автореф. дисс. . .к.т.н. Л.: ЛПИ им. Калинина. - 1978. - 16с.

122. Под общей редакцией проф. МЭИ Трухния А.Д. М.: Недра. - 1999. - 258 с.

123. Уайлд Д. Оптимальное проектирование.

124. Пер. с англ. B.C. Данилина, В.А. Петушкова, П.П. Усова. Под ред. В.Г. Арчегова. М.: Мир. - 1981.

125. Устюшенкова О.Ю. Математическое моделирование рабочих процессов в многоступенчатых крейцкопфных компрессорах.

126. Автореф. дисс. . к.т.н. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина. - 1974.

127. Фотин Б.С. Рабочие процессы поршневых компрессоров. / Дисс. . д.т.н. — Л.: ЛПИ им. Калинина. 1974.

128. Ю.Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Изд. Машиностроение. Л., 1969. 111 .Хрусталев Б.С.

129. Математическое моделирование рабочих процессов в объемных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования. / Автореф. дисс. . д.т.н. СПб.: - СПбГТУ. - 2000.

130. Шмалько К.Я., Новотельнов В.Н. К вопросу выбора относительного мертвого пространства бесклапанного поршневого детандера. Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. - № 3. - С.6-8.

131. Штейнгарт Л.А. Исследование рабочих процессовпоршневых компрессоров с помощью математического моделирования. / Автореф. дисс. . к.т.н. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина. - 1973.

132. А. М. Arkharov, I. V. Marfenina, Ye. I. Mikulin

133. CRYOGENIC SYSTEMS Vol. 1: Basics of theory and design Edited by Alexis M. Archer Bauman Moscow State Technical University Press Moscow, 2000

134. Hans-Joachim Huff, Reinhard Radermacher. CO2 Compressor-Expander analysis.

135. AIR-CONDITIONING AND REFRIGERATION TECHNOLOGY INSTITUTE. Arlington, Virginia. March, 2003. 116.Wauters P., de Vlaminck M.

136. Theoretical analysis of utilization of helical screw expanders. //Vdl Ber. - 1987. № 640. - C. 81-89.