Диссертация (1025207), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Goodwin и J. Derby из Energetix Group [22]предложили использовать спиральные пневмомоторы, которые приводят вдвижение электрогенераторы, как резервне источники электроэнергии. Вкачестве рабочего тела предложено использовать сжатый воздух, которыйхранится в баллонах высокого давления.
Наполнение баллонов производитсякомпрессором во время стабильной подачи электроэнергии. Механическаямощность регулируется давлением подаваемого воздуха.Авторы сравнивают данную систему с системами на основе маховиков исвинцовых аккумуляторов. Маховики требуют постоянной работы, чтоприводит к большим потерям на трение в подшипниках (из-за чего систематакже изнашивается даже во время простоя). Аккумуляторные батареиобладают небольшим ресурсом, малым количеством циклов перезарядки итребуют замены, поэтому их применение может привести к большимфинансовым затратам. В связи с этим система резервного электропитания наоснове спиральных пневмомоторов может быть конкурентоспособна.Также авторы приводят характеристики рассматриваемой системы: запускпневмодвигателя производится в течение 50 мс, выход на режим – в течение200 мс, электрическая мощность блока – 25 кВт, время автономной работы –около 30 секунд (рассматривается увеличение до 4 часов благодаря большемуколичеству баллонов).Данную установку предполагается использовать для компенсациипиковых нагрузок на электрическую сеть, резервного электропитания накороткий промежуток времени (до пуска дизель-генераторов).
Авторыуказывают на то, что холодный воздух после спиральной машины можетполезно использоваться для целей кондиционирования, что позволит такжеснизить электрическую нагрузку за счёт отключения штатной системыкондиционирования воздуха.A. Iglesias и D. Favrat в работе [25] также предлагают использоватьспиральную машину в системе аккумулирования энергии. Особенностью ихподхода является то, что, во-первых, используется спиральный пневмомотор с22двумя вращающимися спиралями, во-вторых – для снижения перетечекиспользуются обильный впрыск воды на входе в детандер.
Впрыск воды такжепозволяет приблизить процесс к изотермическому, таким образом увеличивработу на валу. В работе представлены результаты эксперимента –максимальный КПД пневмомотора без впрыска воды составил 30 %, свпрыском – около 55 %.Указанная информация позволяет предположить, что использованиеспиральной машины в качестве пневмомотора также может быть перспективно.По типу смазки спиральные машины делятся на две группы:маслозаполненные и сухие. Применение маслозаполненных спиральных машинв криогенной технике затруднительно: температура хлопьеобразования самыхустойчивых к холоду кремнийорганических жидкостей, использующихся длясмазки, составляет примерно минус 120 °С, что гораздо выше нормальнойтемпературы кипения жидкого азота.
В то же время, если сравниватьбезмасляные поршневые детандеры и спиральные машины, можно отметить,что срок службы фторопластового уплотнения в поршневых детандерахсоставляет порядка 2000-3000 часов [12], в то время как срок службы доремонта спиральных безмасляных компрессоров Atlas Copco составляет более10000 часов. Эксперименты показывают, что снижение температуры от 80 К до20Кприводиткснижениюкоэффициентатренияфторпластапохромированной поверхности [12], что даёт основания полагать, что спиральнаябезмасляная машина, работающая в режиме криогенного детандера, будетиметь ресурс больший, чем при работе в режиме компрессора.
Также в данномслучае могут быть важны и другие преимущества спиральных детандеров:отсутствие системы газораспределения, относительно большая быстроходностьи компактность.Предварительная оценка показывает, что спиральный детандер можетбыть конкурентоспособным при замене поршневого детандера в криогенныхустановках.В книге [18] приведена информация по использованию, геометрическому23и силовому расчёту спиральных компрессоров.
Кроме того, что информациютакже можно использовать для расчета спиральных детандеров, нужноотметить, что в данном источнике прямо сказано о возможности использованияспиральных детандеров: «В заключение напомним, что спиральный компрессорможет работать с ещё большим успехом (с более высоким КПД, чемкомпрессор) в качестве детандера или газового мотора».1.2. Анализ известных методов расчёта спиральных машин. Цели изадачи исследованияМетодикирасчётаспиральныхкомпрессоровразнойстепенипроработанности описаны в разных исследованиях. Однако, на данный моментописаниеметодикирасчётанепосредственноспиральногодетандераотсутствуют. Нужно отметить, что спиральный компрессор и детандергеометрически подобны, поэтому методика расчёта компрессора с небольшимиизменениями может быть применена для детандера во многих случаях.В работе [17] приведена следующая формула для получения описанногообъёма в случае геометрии спиралей из полуокружностей:Параметры A, B, C рассчитываются по формулам::=:=:=(1.2)(1.3)(1.4)При этом число полуокружностей необходимо выбирать в зависимости отгеометрической степени сжатия, зная шаг спирали t и радиус полуокружностипри требуемой степени сжатия (Рисунок 1.8).24Рисунок 1.8.
Зависимость геометрической степни сжатия от параметра t/R1 приразных z [17]Приведённая методика достаточно проста в использовании, но у неё естьсущественные недостатки. Во-первых, она применима только для спирали изполуокружностей. Во-вторых, формула (1.1) позволяет получить описанныйобъём, но не изменение объёма парных полостей в зависимости от углаповорота, что ограничивает её применение. Тем не менее, указанную методикуможно использовать в качестве предварительного, оценочного расчёта.Более подробная методика описана в книге [18] в §8.3. «Спиральныекомпрессоры».
Здесь описан расчёт для двух типов спиралей: эвольвентной испирали Архимеда. Кратко рассмотрим данный расчёт для спирали Архимеда.В полярных координатах уравнение спирали Архимеда имеет вид:(φ) =(1.5)Длину дуги спирали Архимеда можно получить интегрированием:Следовательно, площадь сечения ребра можно записать как:р=(1.7)25Площадь ячейки всасывания, если пренебречь отклонением угла контактаспиралей от угла поворота вала, составит:А(≅п−(п−2 ) )(1.8)Таким образом, объём парной ячейки на всасывании компрессора:вс= 2ℎА− р!(1.9)В приведённых формулах выполнена привязка к углам, что позволяетлегко перейти к расчёту детандера и получить зависимость изменения объёмаполости от угла поворота вала.
Однако и у неё существуют недостатки:методика не учитывает геометрии внутреннего концевого участка, в случае,если он изготовлен по кривой, отличной от исходной.В [20] предложен метод расчёта спирального компрессора, основанныйна формуле:ℎ="#вх$%&'(,(1.10)где δ – толщина спирали, мм. Проверяется по соотношению h/δ=4..8.Kθ=θп-1,(1.11)где θп – угол закрутки спиралей, рад.
Выбирается по таблицам, например,для R22 и степени сжатия до 4 он составляет от 4,5 до 5 π.Таким образом, методом последовательных приближений по указаннымзависимостям можно рассчитать машину.Ещё один подход к расчёту спиральных компрессоров описан в статьях[9] и [10]. Выбрана спираль Архимеда с некоторыми изменениями,позволяющими получить профилирование концевого участка и переменнуютолщину спирали.Для начала представим уравнения в декартовых координатах, которымиможно описать все поверхности спиралей.Внутренняя поверхность неподвижной спирали:) ( )=cos φ(1.12)- ( )=26sin φ(1.13)Внутренняя поверхность подвижной спирали) ( , )=cos(φ + π) + e ∙ cos(θ)- ( , )=(1.14)sin(φ + π) + e ∙ sin(θ)(1.15)Внешняя поверхность неподвижной спирали:) ( )=- ( )=( + ) cos( + 2 ) − 5( + ) sin( + 2 ) − 5678(9: $):(9:$);<6(9: $)= :(9:$);<6(9: $):(9:$)678(9: $)Внешняя поверхность подвижной спирали) ( , )=- ( , )=( + ) cos( + ) − 5( + ) sin( + ) − 5= :(9:$)678(9:$):(9:$);<6(9:$)= :(9:$);<6(9:$):(9:$)>?@(9:$)= :(9:$)(1.16)(1.17)+ 5 ∙ cos( ) (1.18)+ 5 ∙ sin( ) (1.19)Переход от декартовых в полярные координаты, радиус-векторы:Внутренняя поверхность неподвижной спирали:( )=(1.20)Внешняя поверхность неподвижной спирали:( ) = =)+-(1.21)Остальные радиус-векторы записываются аналогично предыдущему.Объём полости в зависимости от угла поворота подвижной спиралиможно получить интегрированием:( ) = BCAC$( ( ) −( − , ) )D(1.22)Указанная выше методика лучше двух предыдущих тем, что в ней вявном виде присутствует формула для определения объёма полости взависимости от угла поворота вала, а также учтено профилирование концевогоучастка.Одним их основных видов потерь в спиральных машинах являетсяотносительная потеря на перетечку газа ζпер.
Исследованию данного вопросапосвящена работа [24]. Данный параметр выражается как отношение массовогорасхода перетечки к общему массовому расходу:27Eпер =FперF(1.23)Оценить относительные потери на перетечку через радиальный зазормежду спиралями можно с помощью следующего уравнения:Eпер =GзH ΔIJKLHзВ данном случае длина и величина зазора(1.24)GзLз≈ 10 Q .Расчёт по формуле (1.24) показывает, что при зазоре 1 мкм величинаотносительной потери на перетечку через радиальный зазор составляет около0,2 %. Но если увеличить зазор до 8 мкм, то величина потери на перетечкуувеличится до почти 100 %, что показывает важность расчёта данной величины.Другой подход к расчёту перетечек описан в книге [18] в §8.3.«Спиральные компрессоры».Секундный расход газа через единицу площади щели q из полости сдавлением p2 в полость с давлением p1>p2 (Рисунок 1.9) рассчитывается поформуле, кг/(см2∙с):R = STUTTV=WT X,(1.25)Коэффициент расхода можно рассчитать по следующей формуле:где ε=p2/p1.ST =JY&=WT XGз TV (Z),(1.26)Нужно отметить, что сложно найти реальные детандеры, которыеработали при точно таких же оптимальных условиях, как и исследуемаямашина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
