Диссертация (1025207), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Поэтому логичнопроизводить сравнение по точке, в которой был достигнут максимальный КПДсоставляет 58,9 %.Что касается изоэнтропного КПД, то он может показаться низким, таккак, например, для турбомашин он может достигать 86 % [17]. Однако, данныйтезис будет некорректным, так как каждая машина имеет свою область работы.Так, турбомашины крайне затруднительно использовать при расходе на выходе18 м3/час и холодопроизводительности порядка 350 Вт. Если принять вовнимание, что минимальная степень расширения в эксперименте составляет 2,то можно говорить о том, что спиральные машины в данной областипрактически не имеют конкурентов. Даже если турбомашина на такиепараметры будет изготовлена, её КПД будет значительно более низким.Аналогична ситуация с поршневыми детандерами. Поршневые детандерыиспользуются при намного более высоких степенях расширения.
При степени110расширения 3,6 резко возрастут потери в газораспределительном механизме,что приведёт к снижению изоэнтропного КПД. К тому же, КПД современныхсерийно выпускаемых поршневых детандеров также оставляет желать лучшего.Для сравнения, характеристики наименьшего в серии детандерного агрегатаДПВ 2-200/6-3М производства Уральского компрессорного завода:Таблица 20ХарактеристикиПоказателиПроизводительность (м3/час)140Холодопроизводительность, Вт4300Начальное давление, МПа20Конечное давление, МПа0,5Температура воздуха на входе, ºСот минус 20до плюс 30КПД детандера, %, не менее65Частота вращения коленвала, с-1 6,66 (400)(об/мин)Масса, кг415КПД указанного выше поршневого детандера составляет 65 %, чтонемногим больше, чем у испытываемой машины.Таким образом, имеет смысл сравнивать спиральный детандер сроторными детандерами.
КПД роторного детандера, как, например, в работе[16], также составляет порядка 49 %. Данный факт также свидетельствует отом, что в своей области работы исследуемый спиральный детандерконкурентоспособен, учитывая его достоинства по сравнению с другимитипами машин.Эксперимент показал, что для данной машины существенное влияние наКПД оказывает температура газа. Чем выше была температура на входе, темвыше становился КПД. Данный эффект скорее всего связан с тем, что111испытываемая машина изначально работала как компрессор и предназначаласьдля температурного уровня, соответствующего температурному уровню, прикотором достигался максимальный КПД в режиме детандера, т.е. порядка плюс10 °С на входе и плюс 70 °С на выходе в режиме компрессора.
Зазоры,вероятно, выбирались исходя из температурных деформаций, соответствующихэтому изменению температур. Также нужно отметить, что с увеличениемтемпературы снижается вязкость масла, что может снизить потери на трение иулучшить гидрозатвор в зазорах спиралей.Такимобразом,отклонениерасчётныхзначенийпотерьотэкспериментальных с увеличением степени расширения можно объяснитьувеличением потерь в связи с уменьшением температуры.
Коэффициентытрения и перетечек рассчитывались для незахоложенной машины, а сувеличением степени расширения уменьшалась температура на выходе, чтоприводило к увеличению потерь. Данный эффект не был учтён расчетноймоделью. С другой стороны, графики на Рисунках 4.3, 4.4, 4.5 показывают, чтопри отсутствии указанного эффекта максимальный КПД достигался бы приболее высокой степени расширения, и само значение изоэнтропного КПД былобы выше.Особенно стоит отметить испытание машины на хладоне R141b. Вышеприведённое сравнение по КПД не совсем корректно, так как была выявленазависимость КПД от температуры на входе, а в данном эксперименте онасоставляла порядка плюс 80 °С. В остальных экспериментах температура былаплюс 20±5 °С.
Приведём полученные значения к температуре на входе 20 °С.Также нанесём на график данные из исследования [26], эксперименты вкотором проводились на похожем хладоне R245fa.Из Рисунка 5.1. видно, что в другом исследовании был получен КПД науровне 60 %, что близко к полученному экспериментальному значению.112S. Quolin , 2009, R245fa70605040302010011,522,533,544,55Рисунок 5.1.
Зависимость изоэнтропного КПД от степени расширения дляхладона R141b. Пунктиром показан график с приведённой к плюс 20 °Стемпературой на входе. ШтрихпунктирнойШтрихпунктирн линией – данные исследования [26]Если сравнивать изоэнтропный КПД для испытанных веществ, в томчисле с R141b, можно увидеть, что, несмотря на то, что максимум достигаетсяпри разных степенях расширения, само значение КПД лежит в области около50 %.. Данный вывод не работает только для гелия,гелия, но низкие значения приработе на гелии можно объяснить его большой текучестью. Тем не менее,можно говорить, что с определённой долей погрешности работой на воздухеможно моделировать работу детандера на других рабочих телах, особенно напервых этапах испытаний.В испытаниях на R141b была выявлена устойчивая работа машины впарожидкостной области, т.е.
на вход детандера поступала смесь пара ижидкости. Данный факт может свидетельствовать о том, что спиральныйдетандер может работать вместо дросселя в холодильныхолодильных установках. Однаковопрос требует более тщательной проработки, так как на этих режимах неисключен гидроудар и кавитация.В эксперименте было установлено, что спиральная машина не требует113стартёра – вращение вала начинается сразу после подачи газа на вход.
Выход нарабочую частоту вращения занимает доли секунды. Эти качества позволятиспользовать машину вкачествепневмомотора-детандерадлясистемрезервного электроснабжения.Проведённая работа ставит ряд вопросов, которые предстоит решить вдальнейшем:1.
Расчёт реального процесса расширения газа в замкнутой полостиспиралей. Процесс сложен для моделирования – во время работы газ втекает ивытекает из полости, происходит теплообмен и трение. Расчёт необходим дляучёта всех факторов и нахождения оптимальной конструкции.2. Влияние типа масла на эффективность. Свойства компрессорных идетандерных масел отличаются из-за разницы температурных режимов.Предстоит подобрать масло, оптимальное для газовых спиральных детандеров.3. Вопросоптимизации.Можноварьироватьмножествокакконструктивных, так и рабочих параметров.4. Взаимное влияние факторов.
Например, влияние температуры навыходе из детандера на перетечки и трение.5. Система смазки спирального детандера. Направление течения газа вкомпрессоре и детандере противоположное, поэтому для серийных детандеровпотребуется оригинальная система смазки.6. Вопрос зависимости момента трения от частоты вращения.
Приопределённой частоте вращения зависимость переходит от линейной кквадратичной. Необходимо найти эту точку перехода.7. Вопросы длительной работы в парожидкостной области.5.2. Анализ результатов в режиме пневмомотораВотличиеотдетандеров,дляпневмомоторовобластьработыисследуемой машины является обычной областью работы, так как стандартнаяпромышленная пневмосеть имеет давление порядка 6 бар избыточных. По114мощности на валу уровень порядка 0,5 кВт также не является особенным.Таким образом, можно произвести корректное сравнение по многим типампневмомоторов.Таблица 21Типы пневмомоторовУдельная мощностькВт / дм3Удельная мощностькВт / кгНаклон механическойхарактеристики НмсЭксергетический КПДПластинчатые0,5 - 500,1 - 250,4 - 120,05 - 180,01 - 1500,3 – 0,60,4 – 0,70,4 – 0,60,4 – 0,80,3 - 1170/4003000/50001,1 – 2,0750/16001100/23000,86 - 2400/750 –2300/48000,9 – 1,7550/1200 –9000/215001,1 - 26000/8500 –(1-1,2) 1050,6 – 4,10,23 – 1,80,1 – 0,450,25 – 0,81,05 – 2,9до 12,50,07 – 0,40,05 – 0,20,1 – 0,30,16 – 0,650,5 – 4,5(0,09 – 3,3)6 10-3 – 1,2 0,01 – 2,910-22 10-4 – 0,2(0,5 -3) 10-314 – 32%12 – 26%10 – 45%15 – 33%16 – 27%ТурбинныеАксиальнопоршневыеМощность кВтДавление питанияМПаОбороты: ном./х.х.об/минУдельный расходм3 / мин кВтРадиальнопоршневыеПоказателиШестеренныеПоршневыеВ Таблице 21 [11] максимальный удельный расход соответствует, какправило, минимальной мощности, и наоборот, минимальный удельный расходсоответствует максимальной мощности.
Это логично, так как более крупныемашины обладают более высоким КПД и, как следствие, более низкимудельным расходом. Отметим, что исследуемая спиральная машина обладаетминимальнымудельнымрасходомнауровне0,9м3/(мин*кВт),чтосоответствует лучшим образцам поршневых пневмомоторов. Однако, такойуровень удельного расхода у поршневых пневмомоторов достигается приверхней границе мощности (порядка 10 кВт), в то время, как исследуемая115машина находится у нижней границы мощностей поршневых машин. Такимобразом, можно сказать, что спиральная машина обладает намного лучшимихарактеристиками, по сравнению с большей частью серийно выпускающихсяпневмомоторов.5.3. Сравнение характеристик при работе в режиме детандера ипневмомотораВкачествесравниваемыххарактеристиклогичноиспользоватьизоэнтропный КПД для детандера и удельный расход для пневомотора.Построим на одном графике зависимости этих параметров частоты вращениядля сходных режимов при работе на воздухе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
