Диссертация (1024726), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Сравнительныеэкспериментальные исследования энергообменника с передающим каналом и безнего, проведённые ХАИ [39], показали, что передающий канал эффективен пристепени расширения больше пяти.В фирме ВВС были проведены эксперименты с сотовым расположениемэнергообменных каналов в роторе. Это, помимо увеличения эффективности,позволило снизить шум при работе энергообменника с 90 дБ до 13 дБ [152, 159].Исследования,направленныенаприменениеэнергообменниковвустановках низкотемпературной обработки газа, проведенные ВНИИГАЗ,привели к созданию «волновых детандеров» [17, 20, 29-31, 45-49, 59]. Конечныйрезультат этих работ - успешная промышленная эксплуатация разработаннойконструкции «волнового детандера» (ВД) в качестве генератора холода установки«отбензинивания» газов Сосногорского ГПЗ и успешная промышленнаяэксплуатация «волнового детандера» ВД-3 в составе установки исследованиятехнологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсатана Вуктыльском (Республика Коми) газоконденсатном месторождении [29].Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены областью180больших объемных расходов перерабатываемого газа (до 20 тыс.
м3/час) иположительной областью температур расширяемого (активного) газа.ВД по функциональному назначению подобен детандерно-компрессорномуагрегату, однако в отличие от последнего в нем отсутствует промежуточноепреобразование энергии в механическую работу. Расширяемая (активная среда)непосредственно воздействует на пассивную, осуществляя ее сжатие посредствомударныхволн.Имеясопоставимуюсдетандеромтермодинамическуюэффективность, ВД характеризуется невысокой частотой вращения (10006000 об/мин), менее критичен к наличию в обрабатываемом газе жидкой фазы, нетребует возведения специального фундамента, наличия сложных маслосистем исистем управления.
Благодаря этому достигается более высокая эксплуатационнаянадежность и упрощается техническое обслуживание. В ряду расширительныхмашин, расположенных по возрастанию производительности, волновой детандеркомпрессор находится в области от самых малых производительностей,свойственных объемным расширительным машинам (поршневым, ротационным,винтовым и т.д.), но сложных в конструкции, до больших расходов, гдетурбодетандеры более предпочтительны.Устройство ВД показано на Рис. 5.13. Основными элементами «волновыхдетандеров»являютсянеподвижныеторцевыедиски-газораспределители,содержащие окна для подачи и отвода сред, и установленный между нимивращающийся ротор, который может быть цилиндрической или коническойформы.
Глубокие полые отверстия в роторе являютсяэнергообменнымиканалами. Конструктивно «волновые детандеры» могут выполняться как свращающимся ротором и неподвижными газораспределителями, так и наоборот с вращающимися газораспределителями и неподвижным ротором.Рабочий цикл ВД в детандерно-компрессорном режиме схематическипредставленнаРис. 5.15волновойдиаграммой.Основнымиволнами,участвующими в процессе энергообмена являются: ПУВ – падающая ударнаяволна, образующаяся при впуске в энергообменный канал активной среды181высокого давления (волна сжатия); ВС2 - волна сжатия, образующаяся при впускев канал пассивной среды низкого давления; ВТ1, ВТ2 - волны торможения,образующиеся, соответственно, при набегании потока на кромку пассивного иактивного газораспределителей при закрытии энергообменного канала; ВР 1 волна разрежения, образующаяся при отсечке энергообменного канала кромкойактивного газораспределителя; ВР2 - волна разрежения, образующаяся присообщении энергообменного канала с окном отвода пассивной среды высокогодавления;ВРЗ-волнаразрежения,образующаясяпривыпускеизэнергообменногс канала активной среды низкого давления.На 1-ой фазе в канал наполненный ПН поступает АВ (точки 1-3),формируется контактная поверхность КП1 и ПУВ.
После сжатия пассивного газаударной волной ПУВ начинается его сброс (точка 2) и формируются волныразрежения ВР2. При полном заполнении канала активным газом сброс газапрекращается (точка 4). Завершение подачи АВ (точка 3) приводит квозникновению волн разрежения ВР1. По завершению подачи АВ заканчивается 1фаза работы ВД. Вторая фаза начинается со сброса активного газа из канала вполость АН (точка 5).Рис. 5.15. Волновая диаграмма газодинамического процесса в канале волновогодетандер-компрессора182Образуемые при этом волны разрежения ВР3 обеспечивают падение давления вканале благодаря чему ПН поступает в канал (точки 6 и 8). При полномзаполнении канала ротора пассивным газом сброс в полость активного газанизкого давления прекращается (точка 7).
Завершение сброса АН (точка 7)приводит к возникновению волны торможения ВТ2.В работе [48] на макетных образцах были исследованы зависимостихарактеристик ВД при изменении следующих параметров: степени расширенияактивной среды, степени сжатия пассивной среды, давления пассивной среды,торцевых зазоров, частоты вращения ротора, а так же координаты кромкиоткрытия окна выхода пассивной среды (см. Рис. 5.15, точка 2). Влияние степенирасширения активной среды (πт) на режимные параметры ВД исследовалось вдиапазоне πт=1,04..5,0. При этом степень сжатия в компрессорной части ВДпримерно равнялась степени расширения в детандерной πк=πт, и соблюдалосьравенство величин давлений АН и ПН. Анализ результатов экспериментальныхисследований показал, что область πТ<2,2 является наиболее оптимальнойобластью эксплуатации «волнового детандера».
На основании проведенныхисследованийрекомендованыследующие оптимальные диапазоны значенийстепеней сжатия и расширения: πК/πТ=0,9...1,1 при πТ≤2,2; πК/πТ=0,75..1 при2,2≤πТ≤4. Большим значениям πТ соответствуют меньшие значения πК/πТ. Такжеустановлено, что с увеличением величин торцевых зазоров δ расходы пассивнойсреды и величина охлаждения активной среды уменьшаются. При этом степеньвлияния зазора с пассивной стороны существенно выше. На основе результатовэкспериментальных исследований и опыта эксплуатации опытно-промышленныхобразцов рекомендуются следующие диапазоны оптимальных относительныхторцевых зазоров: со стороны активного газа пассивного -пас=δпас/Lакт=δакт/L< 1,4·10-3 и со стороны<1·10-3.
Результаты проведенных исследований показалитакже, что характеристики ВД остаются стабильными при изменении частотывращения ротора в диапазоне 50-110 % от расчетной величины.183Попыткаинтенсификацииволновогопроцессаэнергообменабылапредпринята путем разработки конструкции ВД с ротором конической формы иэнергообменными каналами переменного сечения, представленной на Рис.
5.16.Рис. 5.16. ВД с коническим ротором и каналами переменного сечения:АВ - активная среда высокого давления; АН - активная среда низкого давления;ПВ - пассивная среда высокого давления; ПН - пассивная ,среда низкогодавления; 1б - ротор с коническими каналами; 2- газораспределительный дискактивной среды; 3 -распределительный диск пассивной средыСравнительный анализ характеристик моделей с энергообменными каналами переменного и постоянного сечения показал, что ВД с переменнымсечением каналов обеспечивает более высокие значения изоэнтропийного КПДрасширения активной среды, но с более высоким темпом его падения по мереувеличения πт (Рис. 5.17).184Рис.
5.17. Характеристики «волновых детандеров» с энергообменными каналамипостоянного ( ) и переменного ( ) сеченияБолее высокие значения изоэнтропного КПД расширения авторы [49]объясняютснижениемнагреварасширеннойактивнойсредыприраспространении в расширяющемся канале отражённой ударной волны и волныторможения. Различие между диссипативными потерями в каналах сужающегосяи одинакового сечения обуславливает более высокий темп падения КПД в каналепеременного сечения с ростом πт вследствие дополнительных затрат надифракцию падающей ударной волны.Изоэнтропийный КПД охлаждения газа в ВД находится на уровне0,60...0,85. Это существенно превышает эффективность ПОГ, особенно в областинизких степеней расширения (πт<2). В отличие от ПОГ ВД позволяеткомпримировать часть расширенного газа и имеет существенные преимуществапо массово-габаритным показателям.5.1.2.
Нелинейная газодинамическая модель расчета процессов в РВКГДляописанияакустические,такпроцессовиболеевэнергообменникахсложные–нелинейныеиспользуютсякакгазодинамические185математические модели. Акустическая модель, представленная в работе [153],использует линеаризованное уравнение движения в предположении малостивеличин возмущения давления, скорости и температуры. В работе Кутищева М.А.[53] предлагается более совершенная математическая модель, учитывающаяпотеринатрениеидиссипациюэнергииприпоступлениисредывэнергообменный канал.
Для учёта касательных напряжений используютсяуравнения Навье-Стокса и неразрывности. Конечное время открытия-закрытияканала не учитывается и считается, что канал открывается мгновенно и такжемгновенноизменяютсякраевыеусловия.Диссипативныепроцессыприсообщении канала с окном подачи активной среды учитываются корректировкойвеличины импеданса (в общем случае импеданс - это отношение амплитудыколебаний давления к амплитуде колебаний скорости частиц в данном сечении).Рассмотренные акустические модели ограничены областью применения моделиидеального газа.Согласно представленной в работе [154] нелинейной математическоймодели, активная и пассивная среды представляют собой идеальный газ спостоянной теплоёмкостью, движение газа одномерно и затраты энергии натрение не учитываются.
При решении уравнения движения используетсяграфоаналитический метод характеристик. Краевые условия, описывающиепоступление и отвод среды, в графоаналитических методах формулируютсяразличным образом. Например, в работах [142, 154] считается, что при истечениисреды из ЭК в окно, давление в торцевом сечении и скорость звука постоянны.При наполнении канала используется уравнение сохранения энергии длястационарного потока. Более совершенная модель, приведенная в [149],учитывает потери энергии на трение, теплообмен, а также конечное времяоткрытия-закрытия ЭК. Основной недостаток графоаналитических методов большие затраты времени на решение, что можно устранить путем использованиячисленных методов, как и предложено в [185], где краевые условия и допущенияаналогичны модели рассмотренной в работе [149].186Наиболее совершенной на сегодняшний день представляется модель,предложенная Эрсмамбетовым В.Ш.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
