Диссертация (1024726), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Разработка и исследование роторного волнового криогенератора(РВКГ) для малотоннажных установок сжижения природного газаВ настоящее время получают все более широкое применение такназываемые «безмашинные» способы генерации холода. К устройствам, гдереализуются эти способы, относятся: криогенераторы Гиффорда-Мак-Магона сгазовымпоршнем,резонансныеитермоакустическиеохладителигаза(основанные на эффекте Гартмана и Шпренгера), пульсационные трубкиГиффорда-Лонгсворда с отводом среды в теплой части, пульсационныеохладители газа, полустатические обменники давления, энергообменники и«волновые детандеры». Характерной особенностью всех этих устройств являетсяналичие энергообменного канала (ЭК), в котором происходит обмен энергиеймежду активной и пассивной частями рабочего тела (средой) при ихнепосредственном контакте. Исследование резонансных и пульсационныхохладителей в МГТУ им.
Н.Э. Баумана под руководством проф. А.М. Архаровапозволило сделать вывод о волновой природе энергообмена в этих аппаратах [21].ИсследованиявоВНИИГАЗепульсационныхохладителейгаза,энергообменников и «волновых детандеров» привели к аналогичному выводу[48]. Таким образом, данный тип газорасширительных машин примененных вобласти низких температур можно определить как волновые криогенераторы сэнергообменным каналом, - далее ВКГ.1595.1.1. Анализ принципов энергообмена в известных конструкциях«безмашинных» и низкооборотных РВКГОсновой для создания волновых криогенераторов послужило исследованиеШпренгера, предложившего в звуковом генераторе Гартмана увеличить напорядок длину резонансной камеры [22, 177]. Его эксперименты показали,принципиальнуювозможностьсущественногоповышениятемпературывтупиковой части трубки (эффект Шпренгера).
Исследования, проведенные вМГТУ им. Н.Э. Баумана в направлении практического применения эффектовГартмана и Шпренгера, привели к созданию новых методов генерации холода[177].Физическая природа процесса энергообмена заключается впульсацийдавлениявканалеВКГ.Условновыделивналичиипульсатор-газораспределитель и энергообменный канал (ЭК), можно определить двеосновных конструктивных схемы: с одним пульсатором-газораспределителем(Рис.
5.1, a) и с двумя (Рис. 5.1, б). Пульсатор является ключевым элементом ВКГ,обеспечивая пульсацию давления в ЭК (генерируя волны сжатия и разрежения)путем подачи и сброса сред высокого и низкого давления. Смешение, времяподачиисбросарабочеготела,задаваемыеэффективность всего устройства в целом.пульсатором,определяют160а)б)Рис.
5.1. Конструктивные схемы ВКГ:а) - с одним пульсатором; б) - с двумя пульсаторами и «петлевой» схемойрасположения источников и стоков массы газа:Q0 –тепло сжатия, Q – полезная нагрузка;АВ – активный поток высокого давления; АН – активный поток низкого давления;ПВ – пассивный поток высокого давления; ПН – пассивный поток низкогодавленияРабочая (внутренняя) поверхность ЭК может представлять собой цилиндр,параллелепипед или более сложную геометрическую фигуру (эллипсоид,параболоидит.д.).Усложнениемвнутреннейповерхностидостигаетсяинтенсификация процесса энергообмена.Конструктивные схемы с одним пульсатором характерны для резонансныхВКГ и так называемых пульсационных генераторов холода.
С двумя - дляимпульсных трубок с отводом среды в теплой части ЭК, «волновых детандеров» иРВКГ.Как показано на Рис. 5.1 и Рис. 5.2 работу всех ВКГ можно условноразделить на две фазы [10]. Первая фаза начинается с подачи активной средывысокого давления (АВ) через «левый» пульсатор в ЭК заполненный пассивнойсредой низкого давления (ПН). В начальный момент формируется контактнаяповерхность (КП1), разделяющая пассивную среду находящуюся в канале с161активной средой, подаваемой в канал. Активная среда сжимает пассивную,выделяемая при этом теплота сжатия Q0может выводиться с торца ЭК(Рис.
5.2, а) или вместе с пассивной средой удаляться за пределы ЭК через«правый» пульсатор с возможностью дальнейшего полезного использованияэнергии сжатия (Рис. 5.2, б).Вторая фаза рабочего процесса начинается со сброса активной среды из ЭКчерез «левый» пульсатор.
Для машин с двумя пульсаторами помимо сбросаактивной среды из ЭК происходит подача пассивной среды низкого давления(ПН) через «правый» пульсатор. В начале подачи пассивной среды формируетсяконтактная поверхность (КП2). Таким образом, наличие второго пульсаторапозволяет организовать подачу и отвод пассивной части рабочего тела (при одномпульсаторе сжатие и расширение пассивной части рабочего тела происходит впределах ЭК). Так как часть энергии активной среды отводится (чаще всего в видетеплоты сжатия Q0), появляется возможность ввести в систему энергию в виде,например, теплоты полезной нагрузки в количестве Q.а)б)Рис.
5.2. Диаграммы подачи сред ВКГ:а) - с одним пульсатором; б) - с двумя пульсаторами и «петлевой» схемойрасположения источников и стоков162Работа ВКГ для случая с двумя пульсаторами рассмотрена для такназываемой «петлевой» схемы расположения источников и стоков активной ипассивной части рабочего тела. Данная схема является более предпочтительной,так как дает возможность разделить ЭК на теплую и холодную зоны, а так жеформирует КП2 с противоположный стороны от сброса активного газа, чтоположительно сказывается на КПД устройства [48]. Тем не менее, возможна и«прямоточная» схема, когда АВ иПН подаются с «левого» пульсатора исбрасываются с «правого».
Возможна также схема с двумя пульсаторами, но безиспользования источника пассивной среды низкого давления ПН - такназываемый режим температурного разделения потоков среды [21] или делителяпотока [48]. В качестве сжимаемой среды в этом случае выступает расширеннаяактивная среда, остающаяся в канале после сброса активной среды в сток низкогодавления АН. Так же с использованием двух пульсаторов, но без сбросапассивного газа высокого давления возможно реализовать режим уравнителядавлений или режим подобный работе эжектора, позволяющий получить навыходе смесь активного и пассивного газа низкого давления.
Известны и болеесложные конструктивные схемы ВКГ с большим количеством пульсаторов,обеспечивающих ступенчатое сжатие пассивной среды и ступенчатое расширениеактивной [100]. Во всех перечисленных конструкциях рассмотренные основныепринципы организации энергообмена в канале сохраняются.В процессе энергообмена в ВКГ кинетическая энергия струи активной частирабочего тела трансформируется в тепловую энергию сжимаемой пассивнойчасти, акустическую, а в некоторых ВКГ (незначительно) в электрическую имеханическую энергию. Энтальпия расширенного в устройстве газа при этомпонижается, величина ее изменения определяет холодопроизводительностьустройства.
Для всех ВКГ характерно, что введение в конструкцию второгопульсатора приводит к росту КПД. Это объясняется тем, что активному газунеобходимо совершать дополнительную работу выталкивания пассивного газа[74].163По принципу работы пульсатора ВКГ-ры можно разделить на две группы:бесприводные или струйные [12] и с механической системой газораспределения.К бесприводным ВКГ относятся: резонансные и термоакустическиеохладители газа, пульсационные генераторы холода статического типа, а такжерезонансные охладители с отводом среды в теплой части ЭК.
Характернойконструктивнойдвижущихсяособенностьючастей,чтоданногоделаетихтипаВКГособенноявляетсяотсутствиепривлекательнымиприиспользовании в области низких температур.Резонансные охладители и пульсационные генераторы холода статическоготипа могут быть с одним пульсатором, а резонансные, термоакустические ипульсационные охладители с отводом среды в теплой части ЭК - с двумя.Усовершенствованныйвариант пульсационной трубы с дополнительнымресивером и дюзой, разработанный в МГТУ им. Н.Э.
Баумана [74] реализован посхеме с двумя пульсаторами (см. Рис. 5.1, б). В качестве «правого» пульсатора, вданном случае, выступает непосредственно ресиверный объем и дюза.Особый интерес представляют исследования резонансных охладителей симпульсной трубкой переменного сечения (с эллипсоидной и параболоиднойрабочей камерой) представленные в докторской диссертации В.Л. Бондаренко[21]. Идея улучшения характеристик путем изменения геометрии трубки (канала)универсальна и может быть применена для любого ВКГ.
Это подтверждаетсяисследованиями OOO «Газпром ВНИИГАЗ» [49] и «Мицубиси Дзюкоге К.К»применившими конические каналы для «волнового детандера» и пульсационногоохладителя газа соответственно.Наличие механического пульсатора позволяет уменьшить смешениеактивной и пассивной среды и обеспечить более точную организацию фазрабочего процесса, поэтому КПД волновых криогенераторов с механическимпульсатором больше чем у бесприводных. К волновым газорасширительныммашинам с механическим пульсатором относятся: ПОГ с механической системой164газораспределения, полустатические обменники давления, энергообменники,«волновые детандеры».Согласно предложенной в работе А.М. Архарова, В.Л. Бондаренко иЮ.М. Симоненко [12] систематизации пульсаторов (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
