Диссертация (1025207), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Было установлено, что потери на выхлоп не оказываютсущественного влияния на изоэнтропный КПД при относительно малых12степенях расширения. В разделе 6.2 даются рекомендации по использованиюмашины. Отмеченные преимущества машины, дают основания полагать, чтоспиральный детандер может работать в составе малорасходных воздушныххолодильных машин. Например, для целей охлаждения кабин.
Полученныеэкспериментальные данные о работе машины в режиме пневмомотора говорят отом, что использование спиральной машины в качестве пневмопривода и всистемах резервного электроснабжения перспективно.13ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.1.1. Анализ проведённых исследований.
Области примененияспиральных машинИнформация об исследованиях, касающихся спиральных машин, сталапоявляться лишь в последние годы. Такую информацию можно разделить пообластям, в которых предполагается применение спиральных детандеров.Можно обозначить 5 приоритетных направлений, в которых начинаютсяисследования данных машин, предполагается использование в качестве:1.
Двигателя в цикле Ренкина2. Компрессор-детандерного агрегата в цикле Чистякова-Плотникова3. Расширительного устройства в холодильном цикле4. Пневмомотора5. Детандера в криогенных циклахНа Рисунке 1.1. показана схема установки для утилизации теплоты наоснове закрытого цикла Ренкина. Жидкость подаётся насосом Н в испарительИ, в котором она кипит за счёт внешнего подвода теплоты. Затем пар подаётсяна двигатель Д, в котором он, расширяясь, производит работу, снимаемую свала детандера генератором Г. После детандера пар конденсируется вконденсаторе К за счёт отвода теплоты вовне и откачивается насосом.Использованию спиральной машины в качестве двигателя в циклеРенкина посвящена первая статья, в которой упоминается экспериментальноеисследование установки со спиральным детандером [31]. Статья, авторомкоторой является бельгийский инженер Сильван Кволин, посвящена, восновном,исследованиюцикла,преимуществах спирального детандера.однакоприведенаинформацияо14Рисунок 1.1.
Схема установки для утилизации теплоты на основе циклаРенкинаСтоит отметить области применения закрытого цикла Ренкина суглеводородами в качестве рабочего тела и его отличие от обычного циклаРенкина, в котором в качестве рабочего тела используется вода. В наши дни изза сокращения энергетических ресурсов их цена продолжает расти. Поэтомудля предприятий становится выгодным использовать теплоту, котораявыделяется во многих технологических процессах.
Существуют разныеспособыиспользованиятеплоты:вотоплении,втеплоиспользующиххолодильных машинах, тепловых насосах. Использование теплоты дляполучения механической работы целесообразно при температуре кипения вышеплюс 100 °С (Рисунок 1.2). Данная температура теоретически достаточна дляорганизации цикла Ренкина, но крайне проблематична при использовании водыв качестве рабочего тела из-за того, что нормальная температура кипения водыравна плюс 100 °С, и цикл будет работать с давлением ниже атмосферного.Низкое давление в цикле приводит к увеличению размеров трубопроводов и15машин, а также к снижению коэффициента теплоотдачи. Поэтому для данныхусловий целесообразно использовать вещества, нормальная температуракипения которых ниже, чем у воды.
К таким веществам относятся фреоны,такие как R-11, R-113, R-123, R141b, R245fa и углеводороды: бензин, пентан,изопентан и т.д. Цикл Ренкина, в котором используются фреоны илиуглеводороды в качестве рабочего тела, в зарубежной литературе получилназвание organic Rankine cycle (ORC).Рисунок 1.2. Изменение действительного и теоретического КПД в циклеРенкина в зависимости от температуры кипения; рабочее тело R245fa,температура конденсации – плюс 50 °С, перегрев – 3 К, КПД насоса идвигателя – 60 %Поршневые детандеры затруднительно использовать в ORC из-за рядапроблем, возникающих при их эксплуатации: необходимость системыгазораспределения, высокие гидропотери в клапанах, вибрации и шум.Использоватьпластинчатыедетандерытакженежелательноиз-заихневысокого ресурса работы до ремонта – от данных систем требуетсяпостоянная работа.
Поэтому для систем ORC при малой мощности на валу(менее 10 кВт) логично использовать спиральные детандеры, обладающиерядомпреимуществ:отсутствиеклапанов,полнаяуравновешенность,16компактность, большой ресурс работы.С использованием турбомашин тожевозникают проблемы. Примощностях на валу порядка 1 кВт частота вращения осерадиальной турбиныбудет составлять 105 об/мин [31]. Естественно, трудоёмкость производстватакой машины велика, в то время как получаемая полезная мощность крайнемала. Данный факт показывает, что на текущем уровне развития техникииспользование турбомашин в этих условиях – неконкурентоспособноерешение.Кроме важной информации о цикле Ренкина и его применении дляутилизации теплоты, в работе [31] показано, что спиральный детандер можноиспользоватьнапрактике,егоработоспособностьэкспериментальноподтверждена.Использованию цикла Ренкина и спирального детандера в нём в качествесолнечной электростанции посвящена работа [33].
Была построена реальноработающая установка в Лесото, южной части Африки. Данное исследованиерасширяет область применения цикла и спирального детандера, в частности.В работе [26] проведено исследование спирального детандера на R245fa,полученазависимостьизоэнтропногоКПДотстепенирасширения(Рисунок 1.3), от массового расхода масла, проведено разделение потерь.Эксперименты проводились при температурах на входе от плюс 103 °С доплюс 125 °С, давлениях на выходе от 1,78 до 3,19 бар. Полученные значениямаксимального изоэнтропного КПД – 60 % – дают основания полагать, чтоспиральный детандер с такими параметрами может использоваться на практике.В работе [13] описан теплоиспользующий холодильный цикл, который внастоящее время получил название по авторам данной работы – циклЧистякова-Плотникова. Схема цикла приведена на Рисунке 1.4.17Рисунок 1.3.
Изоэнтропный КПД спирального детандера в зависимости отстепени расширения [26]Рисунок 1.4. Схема цикла Чистякова-ПлотниковаСиловая часть цикла отмечена на Рисунке 1.4 красным цветом,холодильная часть – синим. Силовая часть аналогична циклу Ренкина.18Отличием является то, что механическая работа двигателя Д тратится на сжатиев компрессоре Км, который откачивает пары хладагента из испарителя Их,нагнетает пар в конденсатор К, используемый совместно с силовым контуром.После конденсатора жидкость идёт на дроссель Др, наблюдается понижениетемпературы. Таким образом, испаритель Их позволяет снять теплоту на уровнетемператур ниже окружающей среды.
Использование спирального компрессордетандерного агрегата особенно актуально для данного цикла, так каквозможноконструктивноисполнитьмашинусоднойдвухстороннейподвижной спиралью; машина будет простой и компактной.Применению спирального детандера в качестве расширительногоустройства в парокомпрессионной холодильной машине на CO2 посвященаработа [23]. Нужно отметить, что использование детандера в ПКХМ будетвыгодно не для всех условий.
В случае классического цикла ПКХМ происходитрасширение жидкости или парожидкостной смеси, работа расширения которых,как правило, мала. Использование детандера выгодно в случае применениясвехркритического цикла ПКХМ. Например, возможно использования CO2 притеплоотдаче на уровне выше его критической точки. В данном случаепроисходит расширение из газовой области, работа расширения больше, чем уфреонов при прочих равных условиях.Цикл, описанный в [23], организован таким образом, что работа,полученная при расширении, полностью расходуется на сжатие в дожимающемкомпрессоре (Рисунок 1.5).
Данный эффект достигается применениемспирального детандер-компрессора (Рисунок 1.6). Главное преимуществоспиральных машин в указанном применении – компактность и простота работыв виде детандер-компрессора. Машина устроена таким образом, что на однойстороне подвижной спирали происходит сжатие, а на противоположной –расширение. Таким образом, два процесса можно реализовать с минимальнымиконструктивными дополнениями в машине, предназначенной только дляодного процесса.19Рисунок 1.5.
Схема двухступенчатого холодильного цикла на CO2 с детандером[23]Рисунок 1.6. Продольный разрез спирального детандер-компрессора [23]Вработе[23]приводитсятакжеинформацияоповышенииэффективности цикла при использовании спирального детандера. Потребление20электроэнергии снижается примерно на 25 % при включении в цикл детандеркомпрессора по сравнению с простым циклом. Очевидно, что указанноетехническое решение может быть конкурентоспособным.В работе [3] предложено использование спирального детандера в качествепневмомотора.Однимконкурентоспособностьизосновныхпневмомотора,параметров,являетсявлияющихкомпактность,навысокаяудельная мощность (мощность на единицу массы машины). Теоретическоеисследованиепоказывает,чтомоментнаяхарактеристикаспиральногопневмомотора практически не отличается от характеристик других типовмоторов (Рисунок 1.7).
В то же время мощность, отнесённая к единице объёма,у спиральной машины на 40-50 % выше без учёта противоповоротногоустройства. Данный факт можно объяснить тем, что объём рабочего механизмау спиральных машин используется более эффективно, чем у пластинчатых –объём рабочих камер меньше занят «металлом», по сравнению с роторнопластинчатыми машинами.Рисунок 1.7. Зависимости крутящего момента на валу M, мощности N отчастоты вращения ω. Сравнение характеристик пластинчатого (сплошнаялиния) и спирального (штриховая линия) пневмомотора [3]21Британские инженеры A.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
