Автореферат (1025206), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассмотрены формулы расчёта объёма парнойполости спиралей из полуокружностей (Быков А.В.), для спирали Архимеда(Тимофеевский Л.С.) и спирали Архимеда переменной толщины(Ефремов С.Н., Шестакович И.А.). Приведены данные о расчёте расходаперетечек и относительных потерь на перетечки. Приведена формула расчётаудельного числа оборотов. Был сделан вывод, что в указанных источниках неприводится полная методика расчёта, разделения потерь, недостаточноинформации о работе на различных рабочих телах, и влияниютермодинамических свойств веществ на характеристики спиральногодетандера.
Это делает затруднительным оптимизацию характеристик4спиральных машин, и не позволяет прогнозировать параметры систем с ихприменением.На основании проведённого анализа были сформулированы цели изадачи исследования.Вторая глава посвящена экспериментальному исследованиюспирального детандера. Глава состоит из восемнадцати разделов.В первом разделе описана установка для испытаний спиральногодетандера (Рисунок 1). При испытаниях на воздухе газ подавался отвоздушного компрессора, при испытаниях на аргоне, углекислоте, гелии – отбаллона, при испытаниях на хладоне R141b установка модифицировалась(см. ниже).
Для поддержания давления на входе в детандер использовалсяредуктор. Температура на входе и выходе из детандера контролироваласьплатиновыми термометрами сопротивления, давление на входе – образцовымманометром. Мощность на валу снималась порошковым электромагнитнымтормозом, подвешенным на статическом датчике крутящего момента,который измерял крутящий момент на валу машины. Частота вращения валазамерялась лазерным тахометром. Расход на выходе из машиныфиксировался с помощью ротаметра. Так как для испытаний использовалсямаслозаполненный спиральный детандер, то в газ перед входом в машинуподмешивалось кремнийорганическое масло. Так как его температуракристаллизации составляет около минус 120 °C, то оно позволяло работатьмашине на всех допустимых режимах.
Приведены данные о геометрическиххарактеристиках спиралей испытываемой машины и характеристикиизмерительных приборов.Рисунок 1. Схема установки для испытаний спирального детандера. Км –компрессор, Осуш. – осушитель воздуха, Ред. – редукторВо втором разделе приведена методика проведения эксперимента:1. Измерение температуры на входе Tвх и выходе Tвых , объёмногорасхода V, крутящего момента на валу Mкр при постоянных частотахвращения n0 и изменении степени расширения πд. Рабочее тело – воздух,аргон, углекислота, гелий, хладон R141b. Определение максимума ηs.52.
Измерение температуры на входе Tвх и выходе Tвых , расхода V,крутящего момента Mкр при степени расширения, соответствующеймаксимуму ηs при изменении частоты вращения вала n0 для воздуха.3. Испытания в режиме пневмомотора на воздухе – измерение частотывращения n0, расхода V при заданной степени расширения πд и изменениикрутящего момента на валу Mкр.Указана формула для расчёта изоэнтропного КПД на основеэкспериментальных данных:== вх вых ,(1)вхвыхгде Δh и Δhs – реальная и изоэнтропная разность энтальпий на входе ивыходе из машины, кДж/кг.В третьем разделе приведены зависимости изоэнтропного КПД отстепени расширения (Рисунок 2) и зависимость изоэнтропного КПД отчастоты вращения при работе на воздухе.
Определён максимумизоэнтропного КПД, который составил в данной серии экспериментов 49,1%.ηs601500 об/мин502000 об/мин4030202500 об/мин10011,522,533,544,55πдРисунок 2. Зависимости изоэнтропного КПД от степени расширения дляразличных частот вращения при работе на воздухеВ разделах 2.4, 2.5, 2.6 приведены данные об испытаниях на аргоне,углекислоте и гелии соответственно.
На аргоне и углекислоте была полученазависимость изоэнтропного КПД от степени расширения при одной частотевращения, для гелия получена одна точка (Рисунок 3,4). Максимумизоэнтропного КПД для аргона составил 48,8 %, для углекислоты – 47,3 %.Для гелия КПД составил 29,3 %.6605040Гелий3020100123456Рисунок 3.
Зависимость изоэнтропного КПД от степени расширения дляаргона и экспериментальнаяэкспериментальная точка для гелия (1350 об/мин)605040302010012345Рисунок 4. Зависимость изоэнтропного КПД от степени расширениярасширени дляуглекислоты (1500 об/мин)Раздел 2.77 посвящён описанию установки и результатам экспериментана хладоне R141b.. Вместо баллона в установке подключался парогенератор,заполненный хладоном. Парогенератор представляет собой стальнуюёмкость объёмом 110 л, внутри которой размещёнразмещён теплообменник,подключённый через фланцевое соединение снизу.
Давление парасоздавалось за счёт подвода теплоты в парогенераторе к жидкому R141bчерез трубчатый теплообменник. Через него проходила проточная вода изсистемы горячего водоснабжения, которая дополнительно подогревалась вэлектроводонагревателе мощностью 21 кВт, таким образом, её температураповышалась до примерно плюс 100 °С.С.
На выходе рабочее тело попадаловместо маслоотделителятеля в конденсатор. Конденсатор охлаждался проточной7водой. Жидкий фреон из конденсатора стекал в ресивер. Для контролядавления на выходе был установлен манометр. Результаты экспериментапоказаны на Рисунке 9. Для сравнения данных с зависимостями,полученными на других веществах, зависимость изоэнтропного КПД былаприведена к температуре на входе плюс 20 °С.В разделе 2.8 показано, как машина выходит на режим по температурена выходе и приведены графики зависимости температуры на выходе отвремени эксперимента.
В среднем, выход на режим происходит в течение 40минут.Девятый раздел посвящён зависимости изоэнтропного КПД оттемпературы на входе в детандер при работе на воздухе. Данная зависимостьпредставлена на Рисунке 5. Было установлено увеличение КПД с ростомтемпературы на входе. Максимальное полученное значение изоэнтропногоКПД в данном эксперименте является максимальным из всей серииэкспериментов и составляет 58,9 %.ηs, % 706050403020100020406080tвх, °CРисунок 5. Зависимость изоэнтропного КПД от температуры на входе вдетандер при частоте вращения 1500 об/мин, степени расширения – 3,6В десятом разделе проведено испытание машины в режимекомпрессора. К машине через ременную передачу был подключенасинхронный электродвигатель частота вращения которого регулироваласьчастотным преобразователем.
Изоэнтропный КПД в эксперименте составил75,6 %.Одиннадцатый раздел посвящён тепловому балансу установки. Дляиспытываемоймашиныдолжновыполнятьсяравенствохолодопроизводительности, мощности на валу, и теплоты, снятой сэлектромагнитного тормоза (охлаждается проточной водой). Былоустановлено, что эти 3 величины равны с точностью 5%.В разделе 2.12 описано экспериментальное определение механическихпотерь в детандере. Был определён момент трогания вала детандера с8помощью штанги, закреплённой на валу детандера и подвешенным к нимгрузикам. Для определения зависимости момента трения от частотывращения к валу был подключен электродвигатель, частота вращениякоторого задавалась частотным преобразователем. Зависимость представленана Рисунке 6. Относительные потери на трения рассчитывались по формуле:тр,(2)тр =втргде Nтр – мощность трения, кВт;Nв – мощность на валу, кВт.0,25Mкр, Н·м0,20,150,10,050050010001500n0, об/минРисунок 6. Зависимость момента трения от частоты вращенияРаздел 2.13 посвящен определению суммарных потерь на перетечки вспиральном детандере.
Расход перетечек измерялся у машины призастопоренном валу (Рисунок 7). Данные были проверены путём построениязависимости расхода от частоты вращения с линейной экстраполяцией до 0частоты вращения. Спиральный детандер – машина объёмного типа действияи расход у неё линейно зависит от частоты вращения. Была указана формуладля расчёта относительных потерь на перетечку:пер,(3)пер =где Gпер – массовый расход перетечек, кг/с;G – массовый расход рабочего тела через детандер, кг/с.10Vпер, м3/час864200123456πд9Рисунок 7. Зависимость расхода перетечек от степени расширенияВ разделе 2.14 описан расчёт относительных потерь на охлаждениемасла. Так как на вход в детандер с помощью лубрикатора подаётся масло, наего охлаждение тратится часть холодопроизводительности детандера.
Этудолю можно оценить с помощью следующей формулы:∙ мм∙,(4)масл =∙где cМ – удельная теплоёмкость масла, кДж/(кг∙К);ΔT – разница температур на входе и выходе из детандера, К;GМ – расход масла, кг/с.Раздел 2.15 посвящён определению погрешности эксперимента приработе в режиме детандера. Резульаты показывают, что абсолютнаяпогрешность изоэнтропного КПД для воздуха максимальна при низкомдавлении и составляет примерно ±3,1% и минимальна при высоком давлении– 1,9%. Все точки графиков попадают в доверительный интервал, чтоговорит о корректности проведённого эксперимента и отсутствии промахов.Раздел 2.16 посвящён описанию эксперимента в режиме пневмомотора.Представлены особенности проведения эксперимента в режимепневмомотора на воздухе.В разделе 2.17 приведены результаты испытаний машины в режимепневмомотора на воздухе.
Построены зависимости мощности, расхода,удельного расхода от частоты вращения для различных степенейрасширения.В разделе 2.18 произведена оценка погрешностей эксперимента приработе в режиме пневмомотора. Расчёты показали, что экспериментальныеданные попадают в доверительный интервал.Третья глава посвящена созданию алгоритма расчёта спиральногодетандера и состоит из семи разделов.В первом разделе описаны особенности исследуемой машины, которыенеобходимо учитывать при расчёте, полученные в ходе экспериментальногоисследования. Высказан тезис о том, что невозможно произвести расчёт, незная величин потерь в машине, и о том, что большую часть потерь можнооценить только экспериментально.
Описаны основные возможные потери вспиральной машине, их влияние и вывод о необходимости их учитывать врасчёте.Второй раздел посвящён выбору математического описания геометрииспиралей. Были выбраны уравнения, описывающие геометрию спиралейАрхимеда переменной толщины, описанные в первой главе.В третьем разделе приведена информация о расчёте объёма парнойполости спиралей путём интегрирования уравнений спирали.В разделе 3.4 отмечено, что способ получения значения объёма парнойполости путём интегрирования не всегда удобен, и учитывая, чтозависимость объёма парной полости от угла поворота в случае процесса10расширения газа – линейная, можно вывести простую зависимость.Аналитическое решение интеграла было затруднительно из-за его крайнейсложности, поэтому было принято решение вывести уравнение численнымиметодами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
