Применение винтового компрессора сухого сжатия в составе паровой холодильной машины

В настоящее время винтовые компрессоры (ВК) получили достаточно широкое распространение, особенно маслозаполненные. Но ВК с технологией сухого сжатия также получают все большее применение в отдельных видах промышленного производства, например для производства сжатого воздуха, с высокими требованиями по чистоте. Несмотря на то, что применение винтовых компрессоров сухого сжатия в составе паровых холодильных машин не носит массовый характер, тем не менее, оно представляется довольно перспективным ввиду целого ряда преимуществ.


Для оценки эффективности работы экспериментального винтового компрессора сухого сжатия произведена оценка влияния перетечек на эффективность работы компрессора. Объектом исследования являлся холодильный винтовой компрессор сухого сжатия, разработанный на кафедре холодильных машин и низкопотепциальной энергетики (ХМ и НПЭ) Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. В компрессоре использованы винты, соответствующие параметрическому ряду холодильных маслозаполненных винтовых компрессоров. Основные геометрические характеристики роторов следующие: профиль зубьев — асимметричный, соотношение числа зубьев — 4/6, наружные диаметры роторов D1 = D2 = 125 мм, относительная длина винтов — 1,35, угол закрутки ведущего винта — 304°.


Для определения протечек из полостей нужно определить текущее давление хладагента в парной полости. Присвоим полостям индексы: j = 1 — полость, соединенная с окном всасывания, j = 2 — парная полость, следующая за этой полостью, т. е. отстоящей от нее по углу поворота ведущего винта в направлении торца нагнетания на величину Δφ1 = 2π/z1.


Текущее давление в парной полости определяется из следующего выражения, приближенно ис¬пользуя показатель изоэнтропы k (формула 1)


где Wn — максимальный полезный объем парной полости, м3; Wx — текущее значение объема парной полости, м3 .


Текущее значение давления газа в парной полости определяется методом, описанным в [1] в зависимости от угла поворота ведущего винта.


Для определения расхода пара хладагента через щели воспользуемся формулуй, предложенной С. Е. Захаренко (формула 2):


где γ'1= p1/(RT2); р2, T2, p1 — параметры газа до (индекс 2) и после (индекс 1) щели; l и δ — длина (по фронту) и минимальная высота щели; λ — коэффициент трения газового потока в щели; является функцией числа Re; ξ — коэффициент местных потерь; является функцией Re; Σ — коэффициент формы, постоянный для данной щели. g = 9,81 кг/с2; R — газовая постоянная, Дж/кг К.


Нужно отметить, что в данной работе рассматриваются только внутренние протечки, т. е. протечки из полостей с повышенным давлением в полости всасывания, т. е. полости, соединенные в данный момент с камерой всасывания. Наличие таких протечек ведет к уменьшению коэффициента подачи и к повышению начальной температуры сжимаемого газа, что ведет к увеличению удельной мощности и уменьшению КПД компрессора. Приведенным выше способом был произведен расчет утечек в полость всасывания для трех разных хладагентов (R22, R12, R717). Полученные результаты приведены на графике (см. рис. 1).


Далее по методу, изложенному в [1] были рассчитаны значения коэффициента подачи для экспе-риментального ВКС с учетом влияния утечек газа из парных полостей на параметры всасываемого пара фреона. Свежий газ, смешиваясь с газом протечек, подогревается, что несколько снижает коэффициент подачи. Наиболее ощутимое влияние на подогрев всасываемого пара оказывает утечка газа из полости в момент соединения с окном нагнетания. Утечка из этой парной полости составляет наибольшую величину среди остальных как по массе, так и по температуре пара. Существенное влияние на на эффективность работы ВКС оказывает профильный зазор, который составляет 0,005...0,015 мм.


Далее для определения степени влияния перетечек на эффективность процесса всасывания необходимо определить скорость истечения пара хладагента из соседней замкнутой полости в полость всасывания. Величину этой скорости можно определить из уравнения изменения количества движения (формула 3):


где с — скорость газа в щели; ρ — его плотность; x — характерный линейный размер в направлении потока газа; Dг — гидравлический диаметр щели; dp — полный дифференциал давления, найденный из уравнения Боголюбова — Майера с учетом реальности(упругости) пара хладагента.


Для лучшего наполнения полости, обеспечения эффекта газодинамического наддува и увеличения коэффициента подачи компрессора увеличивают угол всасывания ведомого винта на величину угла перекрытия Δα, который рассчитывается по формуле [2] (формула 4)


где n2 — частота вращения ведомого винта; l — длина канала (полости) ведомого винта; а1 — скорость звука; с — средняя скорость движения пара в полости ведомого винта.


Если предположить, что векторы средней скорости движения пара в полости и скорости истечения пара в полость всасывания коллинеарные и разнонаправлены, то результирующую скорость можно найти из уравнения сохранения количества движения (формула 5):


Значение результирующей скорости подставим в выражение для определения угла перекрытия. Очевидно, что в случае учета встречного потока газа в виде перетечки величина угла перекрытия будет несколько меньше, чем без ее учета. Однако произведенный расчет угла перекрытия с учетом перетечки между парными полостями показал, что учет перетечек не дает ощутимого влияния на величину угла перекрытия. Значение угла перекрытия уменьшается по сравнению с прежним в среднем на 20'...23'. Таким образом учет перетечки между полостями для корректировки угла перекрытия не имеет практического смысла.


Сравнивая ВМК и ВКС можно утверждать, что применение компрессора сухого сжатия в составе паровых холодильных машин вполне оправдано и может иметь место, так как по величине коэффициента подачи ВКС не уступает ВМК (за счет увеличения частоты вращения и уменьшения профильного зазора).


Список литературы


1. Сакун И. А. Винтовые компрессоры: основы теории, методы расчета, конструкции. — М.; Л.: Машиностроение, 1970 — 400 с.


2. Под общ. ред. Тимофеевского Л. С. Холодильные машины. — СПб.: Политехника, 2006. — 944 с.

Теги: Винтовой компрессор, парокомпрессионная холодильная машина Автор: Пархомов М. М.   |   12 Ноября 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет