Метод проектирования термомеханического компрессора энергетической установки летательного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Благин Евгений Валерьевич

• Благин Евгений Валерьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Благин Евгений Валерьевич

Введение

1 Анализ существующих типов конструкций термомеханических компрессоров и их применения

1.1 Анализ научных публикаций об исследовании рабочего процесса термомеханических компрессоров

1.2 Анализ существующих видов конструкции термомеханических компрессоров

1.3 Известные методы повышения эффективности термокомпрессоров

1.4 Анализ возможных способов применения термомеханических компрессоров

2 Метод проектирования термомеханического компрессора в составе энергетических установок летательных аппаратов с учётом влияния неизотермичности полостей термокомпрессора и гидравлических потерь при движении газа через регенератор на эффективность термокомпрессора

2.1 Рабочий процесс термомеханического компрессора

2.2 Термодинамический анализ термокомпрессора

2.3 Оценка эффективности работы термокомпрессора

2.4 Анализ рабочих процессов в полостях термокомпрессора

2.5 Уточнённая методика расчета термокомпрессора с учетом гидравлического сопротивления регенератора

2.6 Методика проектирования термокомпрессора

3 Исследование влияния различных факторов на эффективность работы термеханического компрессора

3.1 Влияние оребрения поверхности на характеристики термокомпрессора

3.2 Влияние частоты привода на температуру газа в полостях

3.3 Влияние коэффициента теплоотдачи на эффективность термокомпрессора

3.4 Влияние геометрических параметров термокомпрессора на его характеристики

3.5 Влияние КПД регенератора на характеристики термокомпрессора.

3.6 Влияние мертвого объема на характеристики термокомпрессора

3.7 Влияние частоты привода, отношения температур в полостях и вязкости рабочего тела на величину гидравлического сопротивления регенератора

4 Верификация расчетных моделей и оценка эффективности энергетической установки

4.1 Экспериментальная установка для испытаний термокомпрессора

4.2 Программа и методика испытаний

4.3 Экспериментальное исследование рабочего процесса в термокомпрессоре

4.4 Определение влияния применения термокомпрессора на эффективность энергетической установки

Заключение

Список литературы

155

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования термомеханического компрессора энергетической установки летательного аппарата»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время основными источниками энергоснабжения космических летательных аппаратов для средне- и долгосрочных миссий являются топливные элементы, солнечные фото-электрические преобразователи и радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Топливные элементы являются наиболее экономически выгодными для среднесрочных миссий (например, полеты к Луне), солнечные панели являются наиболее выгодными для длительных миссий в небольшом удалении от Солнца (в пределе до Юпитера), а радиоизотопные термоэлектрические генераторы используются в длительных удаленных миссиях (Вояджеры, Кассини, Новые Горизонты).

Ввиду возобновившегося интереса по исследованию Луны (российские программы Луна-25, китайская Чанъэ-6, индийская Чандраян-3, а также американские пилотируемые миссии проекта Artemis), можно сделать вывод о том, что в будущем будет востребованы высокоэффективные топливные элементы для энергоснабжения космических аппаратов. В настоящее время наиболее перспективным типом топливных элементов является твердооксидные топливные элементы, которые обладают наибольшей эффективностью в большом диапазоне мощностей. Кроме того, гибридные энергетические установки, сочетающие работу твердооксидного элемента с газотурбинной установкой, являются одними из самых эффективных преобразователей энергии, массовое производство которых в настоящее время освоено.

Основным отличием твердооксидных топливных элементов является высокая температура протекающей электрохимической реакции. Для ее обеспечения в установках, как правило, реализуется рекуперация тепла уходящих газов. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости одновременного подогрева рабочего тела и повышения его давления (для преодоления гидравлических потерь в классической установке и для обеспечения необходимой степени повышения давления в гибридной). Такой

процесс возможно реализовать в термомеханическом компрессоре (ТК) -устройстве, реализующим повышение давления рабочего тела за счёт подвода теплоты к нему в замкнутом объёме. Согласно первому закону термодинамики затрачиваемая работа в таком процессе будет равна нулю, и повышение давления будет реализовываться за счёт подвода тепла, что позволит снизить затраты механической энергии на привод компрессора. В связи с отмеченным выше, разработка уточненных методик расчёта рабочего процесса и установление закономерностей влияния рабочих параметров термокомпрессора на его эффективность являются актуальной задачей.

Степень разработанности темы.

Большое развитие и вклад в развитие науки в области термомеханических преобразователей были сделаны выдающимися советскими и российскими учёными: Архаровым А.М., Архаровым И.А., Афанасьевым В.А., Бродянским В.М., Грезиным А.К., Григоренко Н.М., Гороховским Г.А., Журавлёвым А.М., Загорученко В.А., Карагусовым В.И., Кунисом И.Д., Малковым М.П., Меркуловым А.П., Микулиным Е.И. , Могорычным В.И., Новотельновым В.Н., Прусманом Ю.О., Сычёвым В.В. Сусловым А.Д., Филиным Н.В. и др. Среди научных школ, как наиболее значимых в области термомеханических преобразователей, можно отметить московские вузы МЭИ и МГТУ им. Баумана, ОмГТУ, Университет ИТМО, НГТУ, СамГТУ и Самарский университет.

Хронологически работы по ТК включают в себя исследование Ф. Аркеса, где было предложено учесть кинематику термокомпрессора, но при постоянных температурах рабочего тела в полостях. Работа Р. Б. Петерсона посвящена исследованию теплового двигателя с внедренным термокомпрессором. Далее М. Эдвардс выполнил термодинамический анализ термокомпрессора с учётом некоторых факторов, влияющих на неидеальность процессов. Д. Яргер и др. предлагают использовать двухфазный термокомпрессор в качестве насоса для жидкостей. Н.С. Кумар и соавторы предлагают использовать термокомпрессор в ортопедии.

Многоступенчатое сжатие в ТК было оценено С. Томасом и соавторами. По мнению авторов, применение пяти ступеней термокомпрессора может обеспечить повышение давления в 10 раз. Те же авторы проводят анализ влияния различных законов движения поршня на эффективность регенератора и производительность работы устройства.

Применение щелевого регенератора в термомеханическом компрессоре впервые было введено Х. Карабулутом. А В. Лин и др. предлагают использовать такой термокомпрессор в охладителе с пульсационной трубкой, что вводит ТК в область термоакустики. Д. Ванг и др. проводят анализ трёхмерной модели ТК для трёх различных рабочих тел: азота, гелия и водорода.

Во всех вышеупомянутых работах предлагаются квазистационарные расчётные модели термокомпрессора, они сводятся к термодинамическому анализу без учёта реальности рабочего процесса и введению поправочных коэффициентов. Кроме того, ни один из вышеупомянутых авторов не учитывает гидравлические потери в регенераторе при определении характеристик термокомпрессора.

Цель работы: повышение энергетической эффективности бортовых энергетических установок летательных аппаратов за счёт применения метода проектирования энергетической установки, использующей в своем составе термомеханический компрессор с учётом неизотермичности его полостей и гидравлического сопротивления регенератора.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка математических моделей, позволяющих описывать рабочий процесс термокомпрессора с учётом неизотермичности температур в рабочих полостях и гидравлического сопротивления в регенераторе.

2. Создание метода оценки эффективности термокомпрессора на основании параметров его рабочего процесса.

3. Выявление закономерностей влияния рабочих параметров термокомпрессора (частоты привода термомеханического компрессора,

коэффициента теплоотдачи от стенок полостей к газу, относительного мёртвого объёма полостей и регенератора, эффективности теплообмена в регенераторе) на его эффективность.

4. Создание метода проектирования термокомпрессора на основе показателей его эффективности и рабочих параметров энергетической установки

5. Оценка термодинамических параметров энергетической установки и обоснование возможности снижения затрат механической энергии за счёт применения термомеханического компрессора.

Научная новизна:

1 Создан метод проектирования термомеханического компрессора в составе энергетических установок летательных аппаратов с учётом влияния неизотермичности полостей термокомпрессора и гидравлических потерь при движении газа через регенератор на эффективность термокомпрессора.

2 Установлены закономерности влияния частоты привода термомеханического компрессора, коэффициента теплоотдачи от стенок полостей к газу, относительного мёртвого объёма полостей и регенератора, эффективности теплообмена в регенераторе на температуру газа и давление в полостях термокомпрессора, а также на его эффективность.

3 Создан метод оценки эффективности работы термокомпрессора в составе энергетических установок летательных аппаратов.

4 Обоснована возможность снижения затрат механической энергии при повышении давления рабочего тела в энергетических установках летательных аппаратов за счёт применения термомеханического компрессора.

Теоретическая значимость работы заключается в создании математической модели, описывающей рабочий процесс термокомпрессора с учётом неизотермичности процессов, протекающих в полостях термокомпрессора, а также гидравлического сопротивления регенератора.

Практическая значимость результатов работы заключается в получении экспериментальных характеристик, позволяющих подтвердить применимость разработанной математической модели рабочего процесса термокомпрессора.

Методы и средства исследований.

Работа выполнена на основе классических методов математического анализа, а также эмпирического метода, использованного в экспериментальной части. Разработанная математическая модель реализована в программном пакете, написанном на языке Python 2.7.10. Дифференциальные уравнения, составленные в рамках математической модели, решались при помощи метода Эйлера.

Объект исследований. Термомеханический компрессор с внешним регенератором.

Предмет исследований. Термодинамические процессы, протекающие в полостях термомеханического компрессора и регенераторе.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная математическая модель рабочего процесса термомеханического компрессора с учётом неизотермичности газа в его полостях и наличия гидравлического сопротивления в регенераторе;

- метод оценки эффективности термомеханического компрессора с учётом наличия мёртвого объёма, гидравлического сопротивления и несовершенства теплообмена в регенераторе;

- метод проектирования термомеханического компрессора с учётом неизотермичности его полостей и гидравлического сопротивления в регенераторе;

- установленные закономерности влияния частоты привода, коэффициента теплоотдачи, относительного мёртвого объёма и степени несовершенства теплообмена в регенераторе на эффективность работы термомеханического компрессора.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью принятых допущений и упрощений в моделях рабочего процесса термокомпрессора; применением фундаментальных уравнений термодинамики, газовой динамики и теплопередачи; приемлемым совпадением экспериментальных и расчётных данных, использованием в экспериментальном исследовании метрологически аттестованного и повереннего измерительного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: - Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, Москва), 2012 г; - VI Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке (ИТМО, Санкт-Петербург), 2013 г.; - VII Общероссийская молодежная научно-техническая конференция «Молодежь, техника, космос» (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург), 2015 г; - VII Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке (ИТМО, Санкт-Петербург), 2015 г.; - Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства, (Омский Государственный технический университет, Омск), 2016 г. - 3rd International Conference on Power and Energy Systems Engineering, (Kyushu Institute of Technology, Китакюшу, Япония), 2016 г; - 2016 2nd International conference on mechanical engineering and electrical systems (Universiti Teknologi MARA, Гонконг), 2016 г; - 2017 2nd International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2017), (Китайский университет геофизики, г. Ухань, Китай) - 2020 Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям (Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток), - Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», посвященная 110-летию со дня рождения генерального конструктора Н.Д. Кузнецова (Самарский университет, Самара).

Внедрение результатов работы. Разработанные математические модели использованы при выполнении государственного задания по проекту №FSSS-2020-2019.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в периодических изданиях, включенных в список ВАК России, и 12 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.

1 Анализ существующих типов конструкций термомеханических компрессоров и их применения

1.1 Анализ научных публикаций об исследовании рабочего процесса термомеханических компрессоров

Термомеханический компрессор или компрессор Стирлинга - это устройство, предназначенное для повышения давления путем добавления тепла к объему рабочей жидкости. Первая заметная попытка использовать этот принцип была предпринята В.Бушем в 1944 году [1]. Метод, предложенный им, использует принцип чередования нагрева и охлаждения газа в ограниченном объеме. Однако этот способ требует значительного времени для изменения температуры рабочего тела, и, таким образом, не находит его применения. Уменьшение времени изменения температуры может быть достигнуто путем применения регенератора между горячей и холодной областями компрессора (почему его иногда называют компрессором Стирлинга). Во-первых, регенератор использовался в исследованиях искусственного сердца, проведенных в 1970-х годах В. Мартини и другими [2,3]. Регенератор обеспечивает свободный нагрев для массы рабочей жидкости, которая остается в термокомпрессоре, поэтому нагрев требуется только для массы, которая пройдет через компрессор, что, в свою очередь, позволяет увеличить рабочую частоту привода и выходную массу газа под давлением. Предлагаемые системы искусственного сердца используют источник ядерной энергии, но после катастрофы на Чернобыльской АЭС из-за общего недоверия к ядерной энергии исследования были остановлены. Те же авторы позже разработали систему искусственного сердца с электрическим источником тепла [4].

Существует два основных типа расположения регенератора внутри термокомпрессора: внутри вытеснителя и снаружи цилиндра термокомпрессора. Первый тип регенератора использовался системой искусственного сердца [2,3],

второй тип был предложен в [5]. В этой работе также представлено основное управляющее уравнение для работы термокомпрессора, которое позднее использовалось большинством исследователей. Этот тип регенератора также использовался А. Корнхаузером [6], когда он выполнил термодинамический анализ процессов в термокомпрессоре и рассчитал его характеристики - в основном зависимости объемной эффективности и теплоотдачи от соотношения температуры и давления.

Дальнейшие работы включают в себя исследование Ф. Аркеса кинематики термокомпрессора, которое позволяет ему моделировать движение поршня в термокомпрессоре с постоянными температурами рабочего тела в камерах [7]. Р. Б. Петерсон проанализировал тепловой двигатель с внедренным термокомпрессором [8], получил его основные характеристики и провел термодинамический анализ. М. Эдвардс [9,10] выполнил термодинамический анализ термокомпрессора с неидеальными характеристиками его частей. Д. Яргер и др. [11] предлагают использовать двухфазный термокомпрессор в качестве насоса для жидкостей. Н. Кумар и соавторы [12,13] предлагают использовать термокомпрессор, приводимый в движение источником углеводородного топлива, для перемещения пневматически приводимого в действие голеностопного протеза.

Многоступенчатое моделирование термокомпрессора было предложено С. Томасом и соавторами [14]. По мнению авторов, применение 5 ступеней термокомпрессора может обеспечить повышение давления в 10 раз. Те же авторы [15] проводят анализ влияния различных профилей движения поршня на эффективность регенератора и производительность работы устройства.

Применение щелевого регенератора в термомеханическом компрессоре впервые было введено Х. Карабулутом [16]. В. Лин и др. [17] предлагают использовать такой термокомпрессор для привода холодильника с импульсной трубкой, что, в свою очередь, обуславливает исследование его термоакустических характеристик [18]. Д. Ванг и др. Проводят трехмерный

анализ модели конечного объема третьего порядка для трех различных рабочих жидкостей; азот, гелий и водород [19]. Д. Ван и др. [20] проводят детальный анализ энергии и эксергии теплового компрессора типа Стерлинга.

Предыдущие исследования автора включают исследование применения термомеханического компрессора в опреснительной установке [21] и оптимизацию параметров такой опреснительной установки [22].

Следует отметить, что существует другой тип устройств, который также называется термокомпрессором - это фактически эжекторы горячего газа (например, пара) [23, 24]. Термокомпрессор, описанный в настоящей работе, относится к классу термомеханических или компрессоров Стирлинга.

1.2 Анализ существующих видов конструкции термомеханических компрессоров

1.2.1 Компрессор для сжатия газов

В работе [25] термокомпрессор представляет собой цилиндр, в крышке которого установлены всасывающий и нагнетательный клапаны. В цилиндре помещен подвижной в осевом направлении регенератор с отверстиями в торцевых стенках, образующий со стенками цилиндра полости, одна из которых сообщена с подогревателем, а другая - с холодильником для повышения давления и нагрева газа при перетекании его из одной полости в другую (Рисунок 1.1).

Такая конструкция позволяет снизить затраты механической энергии.

Работа компрессора состоит из 4 фаз.

Процесс сжатия происходит изотермически, поскольку клапаны расположены в холодной зоне.

Нагрев и охлаждение цилиндра могут быть осуществлены одним из известных методов, в том числе путем теплообмена излучением на поверхностях подогревателя и холодильника.

1-крышка 5 - регенератор

2-цилиндр 6,7-отверстия в торцовых стенках

3 -всасывающий клапан 8-подогреватель

4 - нагнетательный клапан 9-холодильник

Рисунок 1.1 - Компрессор для сжатия газов [25] Работа компрессора состоит из 4 фаз.

Процесс сжатия происходит изотермически, поскольку клапаны расположены в холодной зоне.

Нагрев и охлаждение цилиндра могут быть осуществлены одним из известных методов, в том числе путем теплообмена излучением на поверхностях подогревателя и холодильника.

1.2.2 Термокомпрессор, работающий по циклу Валюмье-Такониса Компрессор содержит вытеснитель, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную зоны и регенератор, установленные в цилиндре, в торцах которого размещены нагнетательные и всасывающий клапаны, электропривод, и теплообменники.

С целью повышения степени сжатия путем снижения вредного объема, в работе [26] предложено вытеснитель установить в цилиндре с образованием кольцевого зазора и снабдить его двумя клапанами, один из которых выполнен

в виде поршневого кольца, размещенного в дополнительно выполненной в верхней части вытеснителя в проточке с канавками для сообщения регенератора через кольцевой зазор с теплой зоной. А другой клапан разместить во втором дополнительно выполненном канале вытеснителя для соединения центральной части теплой зоны с регенератором. Конструкция компрессора представлена на рисунке 1.2

1-цилиндр

2,3-нагнетательный, всасывающий клапаны

4-вытеснитель

5-теплая зона

6-холодная зона

7-регенератор

10-кольцевой клапан

11-полость канавки

12-обратный клапан

13-канал

14-кольцевой зазор

15-канал

16-электропривод

8,9-теплообменники

Рисунок 1.2 - Термокомпрессор, работающему по циклу Валюмье-

Такониса [26]

1.2.3 Термокомпрессор (1981)

Сжатие осуществляется за счёт теплового расширения сжимаемого газа.

В работе [27] предложен термокомпрессор, содержащий корпус с газораспределительными клапанами, в котором размещена термоэлектрическая батарея, работающая в режиме периодического изменения полярности питающего тока и разделяющая корпус на две рабочие камеры. С целью повышения КПД термоэлектрическая батарея выполнена в виде полого цилиндра.

Полый цилиндр батареи обеспечивает компактность и равномерный нагрев (охлаждение) сжимаемого газа.

1.2.4 Термокомпрессор. Патент (1059247)

Термокомпрессор, предложенный в работе [28], содержит последовательно установленные компрессионные камеры, сообщенные между собой при помощи отсечных клапанов, и устройство для охлаждения и нагрева камер. Камеры примыкают друг к другу и соседние из них имеют общие стенки. Устройство для охлаждения и нагрева выполнено в виде расположенных вдоль камер коллекторов для теплоносителя и хладагента и размещенных в них каналов, в которых установлены поршня, разделяющие каналы на полости по числу камер и снабженные приводным механизмом, а отсечные клапаны расположены в общих стенках. Такая конструкция термокомпрессора обеспечивает более высокий КПД благодаря уменьшению потерь давления газа по тракту, более четкому разграничению фаз нагрева и охлаждения, возможности использования более дешевой энергии непосредственно в форме теплоты (рисунок 1.3). Еще одним достоинством является уменьшение габаритов компрессора.

Рисунок 1.3 - Термокомпрессор 1960-го года [28] Недостатком такого компрессора является невысокая надежность, обусловленная перетеканием высокотеплопроводного вещества по зазорам между стенками каналов и поршнями, а также неэффективным теплообменном между стенками камер и коллекторами.

1.2.5 Многоступенчатый термокомпрессор 1983-го года Многоступенчатый термокомпрессор, представленный в работе [29] содержит компрессионные камеры, расположенные через общие теплоизолирующие стенки. Камеры сообщены между собой при помощи отсечных клапанов, выполненных в виде седел, которые закреплены на теплоизолирующих стенках и перекрываемых затворами и, устройство для нагрева и охлаждения сжимаемого газа в виде расположенных вдоль камер коллекторов для теплоносителя и хладагента и выполненных в них каналов, в которых установлены теплопроводящие поршни, разделяющие каналы на полости по числу камер и соединенные с приводным механизмом.

Отличие в том, что с целью повышения КПД, термокомпрессор снабжен штоком, сильфонами и системой управления клапанами и перемещением поршней, затворы клапанов закреплены на штоке, а их седла установлены на стенках камер через сильфоны четных и нечетных камер направлены противоположно.

1.2.6 Термокомпрессор 1988-го года

Термокомпрессор представляет собой цилиндр с торцовыми крышками. В цилиндре установлен разделитель с перепускными каналами. Разделитель образует в цилиндре холодную и горячую полости, перемещается возвратно-поступательно. Охладитель и нагреватель, расположенные в соответствующих полостях, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные в торцовых крышках соответственно со стороны холодной и горячей полостей.

С целью повышения эффективности путем улучшения взаимной теплоизоляции нагревателя и охладитель установлены в торцовых крышках, разделитель снабжен тепловым экраном. Привод выполнен в виде ферромагнитного кольца, закрепленного на разделителе.

Охладитель, нагреватель и тепловой экран выполнены цилиндрическими и расположены соосно, при этом диаметр теплового экрана больше диаметра охладителя и нагревателя.

Перепускные каналы расположены от оси поршня на расстоянии, превышающем радиус охладителя и нагревателя. Компрессор представлен в работе [30].

1.2.7 Термокомпрессор с щелевым регенератором

В работе [17] предложен термокомпрессор с щелевым регенератором (рисунок 1.4).

Достоинствами такого регенератора являются простота и отсутствие необходимости изготовления сетки регенератора, однако у такого регенератора относительно велики тепловые и гидравлические потери.

1 - горячая камера

2 - нагреватель

3 - слой изоляции

4 - регенератор

5 - охладитель воды

6 - холодильная камера

7 - привод

8 - датчик давления горячей полости

9 - датчик температуры горячей полости

10 - поршень

11 - корпус

12 - отверстие

13 - датчик температуры холодной полости

14 - датчик давления горячей полости

15 - воздушный резервуар

Рисунок 1.4 - Термокомпрессор с щелевым регенератором [17] 1.3 Известные методы повышения эффективности термокомпрессоров

Отличие компрессора, предложенного в работе [31] от термокомпрессора, представленного на рисунке 1.3 в том, что с целью повышения надежности, поршни выполнены из высокотеплопроводного материала и имеют длину, равную длине камер. Выполнение поршней высокотеплопроводными и длиной, равной длине камер, обеспечивает надежный теплообмен в процессе работы, что в целом повышает надежность термокомпрессора (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Термокомпрессор 1982-го года [31] Отличие термокомпрессора 1983-го года, представленного в работе [32], от термокомпрессора на рисунке 1.5, в том, что для повышения КПД, компрессионные камеры и коллектор для хладагента с размещенными в нем каналами выполнены кольцевыми, а коллектор для теплоносителя имеет цилиндрическую форму и размещен внутри камер.

Повышение КПД путем исключения потерь тепловой энергии теплоносителя в окружающую среду.

Термокомпрессор 1982-го года, представленный в работе [31] отличается тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности, в каждой общей стенке между компрессионной камерой и отсечным клапаном выполнена полость, снабженная теплопроводящей насадкой и крышкой, соединенной с насадкой и установленной в канале коллектора хладагента.

Термокомпрессор 1982-го года, представленный в работе в работе [33] включает размещенный между коллекторами для теплоносителя и хладагента блок компрессионных камер, соседние из которых имеют общие стенки и сообщены между собой при помощи расположенных в общих стенках отсечных клапанов. Отличается тем, что с целью повышения КПД и увеличения производительности, блок компрессионных камер установлен относительно коллекторов с зазором, а каждый коллектор разделен по числу компрессионных камер на чередующиеся полости теплоносителя и хладагента

и снабжен приводом радиального перемещения коллекторов относительно блока компрессионных камер.

Блок компрессионных камер и внутренняя поверхность коллекторов выполнены цилиндрическими.

Компрессор 1986-го года, работающий по циклу Валюмье-Такониса содержит вытеснитель, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную зоны и регенератор, установленные в цилиндре, в торцах которого размещены нагнетательные и всасывающий клапаны, электропривод, и теплообменники.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Благин Евгений Валерьевич, 2022 год

/ // »

/: / / * / / / ' -0% ......... 1% -----5% ---10%

/ ' /

/

1,5

2,5

Рисунок 2.16 - Влияние относительного перепада давления на клапанах на коэффициент подачи термокомпрессора при: а) - т=3 и различных степенях повышения давления; б) - пк=1,5 и различных значениях отношения

температур

Из графика видно, что перепад давления на клапанах значительно влияет на коэффициент подачи термокомпрессора, особенно на режимах с высокой степенью сжатия.

Вывод обобщенного выражения для коэффициента подачи

Для комплексной оценки влияния различных факторов на коэффициент подачи термокомпрессора предлагается использовать выражение для коэффициента подачи с учетом мертвого объема, где используются скорректированные значения отношения температур и степени повышения давления:

ф = 1-Пд -

ег

£Г + И----т , —

х 0,5(тр+1) Тр

7+—

(2.22)

где пА =

Рнаг+^Рн

Рвс-ДРвс

термокомпрессоре;

_ 1 + 0-1 )Ур ег Р Т-(Т-! ег

- действительная степень повышения давления в

действительное отношение температур в

термокомпрессоре;

2

3

4

1

2

ех - удельный относительный мертвый объем холодной полости; £рег - удельный относительный объем регенератора; £г - удельный относительный мертвый объем горячей полости. 2.3.3 Пример оценки эффективности термокомпрессора в составе теплового двигателя

Теоретически возможно создание тепловых двигателей на основе термокомпрессора. В таком случае простейший тепловой двигатель будет состоять из трех элементов: термокомпрессора, детандера или турбины и теплообменника отвода тепла (рисунок 2.17).

1 - термокомпрессор 3 - теплообменник отвода тепла

2 - детандер или турбина

Рисунок 2.17 - Схема простейшего теплового двигателя на основе

термокомпрессора В таком двигателе основной подвод тепла будет осуществлять в термокомпрессоре 1 в ходе процесса изохорного повышения температуры, а отвод тепла будет осуществляться в изобарном теплообменнике 3. Механическая работа будет совершаться в турбине или детандере 2.

Эффективность работы цикла будет зависеть от характера процесса, происходящего в турбине. Рассмотрим два основных возможных случая -адиабатное и изотермическое расширение.

Сначала рассмотрим цикл с адиабатным расширением (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - p-V диаграмма цикла с адиабатным расширением Термические кпд такого двигателя будет определяться следующим образом:

Ъ = (2.23)

Здесь Ql = су(Т2 - 71), & = ср(Т3 - 71)

„ /с 1 „ /с 1 л /с 1

При этом 73 = 72 = 72 = Т2(±)—,

И2 И2 т

где т=Т]/Т1.

Подставляем Тз, <1 и <2 в формулу для термического кпд, сокращаем все

на су и Т1:

к (г

(1)

к-1 £

-1)

т-1

(2.24)

Как видно, итоговая эффективность цикла зависит только от свойств рабочего тела и отношения температур в термокомпрессоре.

Рассмотрим цикл с изотермическим расширением (рисунок 2.19).

Рисунок 2.19 - p-V диаграмма цикла с изотермическим расширением В таком цикле значения подведенного и отведенного тепла будут определяться следующим образом:

Ql = cv(T2-Tl) + RT2lnф,

Р2

Q2 = СР(Т3 - Т1) Проводя аналогичные преобразования, получим:

к(т-1)

т-1+(к-1)тЫ (т)

(2.25)

(2.26)

(2.27)

Аналогично, итоговая эффективность цикла зависит только от свойств рабочего тела и отношения температур в термокомпрессоре.

Можно сравнить полученные зависимости для кпд с аналогичными значениями других циклов. Особенностью данного теплового двигателя будет то, что значение отношения максимальной и минимальной температур здесь всегда равно степени повышения давления. Сравним полученные зависимости с коэффициентами полезного действия в идеальных циклах Брайтона и Карно (рисунок 2.20). Для цикла Брайтона по горизонтальной оси отложена степень повышения давления, а для Карно - отношение температур.

л

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Рисунок 2.20- Сравнение эффективности теплового двигателя с термокомпрессором с тепловыми двигателями, работающими по циклам

Карно и Брайтона

Как можно увидеть из графика, предложенный тепловой двигатель уступает по эффективности двигателю, работающему по циклу Брайтона что можно объяснить более низким теплосодержанием газа после термокомпрессора по сравнению с газом после камеры сгорания. Однако, стоит отметить, что предложенный тепловой двигатель конструктивно проще и может найти свою нишу применения в случае наличия источника дешевого высокотемпературного тепла.

2.3.4 Метод оценки степени совершенства термокомпрессора

Анализ показывает, что можно установить соответствие между площадью внутри p-v диаграммы термокомпрессора (рисунок 1б) и цикловым расходом газа через термокомпрессор:

5 = у±(рз - - Уз(рз - Рг) = Ур1(пк =

\11i3 ¡п^у

здесь т0, р0, V и пк - постоянные величины, задаваемые при проектировании, и являющиеся одинаковыми для термокомпрессоров, работающих на

одинаковых температурных уровнях с одинаковой степенью повышения давления.

Таким образом, зная площадь р-у диаграммы термокомпрессора можно определить цикловой расход газа через термокомпрессор. При этом цикловой расход реального термокомпрессора будет меньше, чем расход идеального термокомпрессора, который можно определить по его характеристике. Тогда эффективность работы термокомпрессора можно оценить отношением реального циклового расхода, определяемому по площади диаграммы, к цикловому расходу идеального термокомпрессора:

Лтк = ДтреаЛ/Атт. (2.29)

2.4 Анализ рабочих процессов в полостях термокомпрессора

Для начала необходимо задать геометрические размеры термокомпрессора. Для данной задачи предполагаем, что термокомпрессор имеет цилиндрическую форму. Соответственно необходимо задать его диаметр.

Тогда его высота будет определяться как

4 ■ V

Кк = -ЧК. (2.30)

п ■ а

тк

2.4.1. Вывод уравнений, определяющих основные параметры газа в полости термокомпрессора

Каждую из полостей рабочего тела можно рассматривать как термодинамическую систему с переменной массой рабочего тела

Запишем закон сохранения энергии для открытой системы:

ад+а = аи+си. (2.31)

Распишем каждую составляющую уравнения.

Внешнее тепло за счет теплоотдачи к газу от боковой поверхности полости и теплопритоки от регенератора:

= аг • ^ • (Тсг - Тг) • йт-дп • ёт; йЯх = « • ^ • (Тсх -Тх)• йт + & • йт.

где аг и ах - текущие значения коэффициентов теплоотдачи[54],

Qп - тепловые потери вследствие теплопроводности насадки и регенератора, а также тепловые потери вследствие теплопроводности термокомпрессора:

Qп =АОр + ^стр + Оптк

(2.32)

где

О-птк

й рег +3)2 Х(1рег2

Я

корп

I

(Тг - Тх).

корпуса корпуса

(2.33)

(2.34)

рег

Работа деформации, совершаемая газом:

йЬг = рйУг; ¿Ьх = рйух.

Изменение энтальпии газа в полости за счет изменения массы:

\й1г = Срг • Трг • dmрг, если dmрг > 0; \й1 = с • Т • dm , если dm < 0.

^ г рг г рг5 рг

й1х = Срх • Трх • т + Срх • Тквх • ^тк . если ^тк > 0 ^,рх > 0;

й1х = Срх • Трх • ^рх + Срх • Тквых • ^тк . еСЛи ^тк < 0 Щ > 0;

й1х = Срх • Тх • ^рх + Сpх • Тквх • ^тк . если ^тк > 0 ^рх < 0;

й1х = Срх • Тх • ^рх + Сpх • Тквъх • ^тк . если ^тк < 0 ^рх < 0.

Изменение внутренней энергии газа в полости:

\йиг = Суг • Трг • dmpг + суг • mг • dТг, если dmрг > 0; \йи = С • Т • dm + c • m • dТ , если dm < 0.

^ г уг г рг уг г г5 рг

йих = Сух • Трх • ^рх + Сух • Тквх • ^тк + Сух ' тх • ^х . если ^тк > 0 ^рх > 0; йих = Сух • Трх • ^рх + Сух • Тквъх • ^тк + Сух • тх • ^х , если ^тк < 0 йт рх > 0; йих = Сух • Тх • ^рх + Сух • Тквх • ^тк + Сух ' тх • ^х . если ^тк > ^рх < 0; йи„ = С_ • Т_ • ^рх + Сух • ТквЬ1х • ^тк + Сух • тх • ^х . если ^тк < 0> ^рх < 0.

ух х

(2.35)

(2.36)

(2.37)

Уравнение энергии для горячей полости:

К • ¥г • (Тсг - Тг ) • йт - Яп • йт + Срг • Трг • ^рг = Суг • Трг • ^рг + Суг • Щ • ^г + р^г > есШ ^рг > 0; [«г • ¥г • (Тсг - Тг ) • йт - Яп • йт + Срг • Тг • ^рг = Суг • Тг • ^рг + Суг • Щ • ^г + р^г > есШ ^рг < 0.

(2.38)

Уравнение энергии для холодной полости:

Ч ■ ¥х ■ (Та - Тх ) • йт + (°п • йт + срх • Трх • йшрх + срх • Ткех • ёттк = с„ • Трх • ётрх + с„ • Ткех • ёттк + с„ • тх • ёГх + pdVx, если ёттк > 0, ётрх > 0;

ах- ¥х • (Тсх - Тх ) • <Ь + Оп • <Ь + срх • Трх • ётрх + Срх • Тквых • ёттк = Сух ' Трх ' ётРх + Сух ' Тквых ' ^тк + Сух ' тх ' ЛТ'х + Р^х , еСЛи ^тк < 0 ёт рх > 0;

Чх • ¥х • (Тсх - Тх ) • ¿Т + Яп • ¿Т + срх • Тх • ётрх + срх • Тквх • ёттк = Сух ' Тх ' ^рх + Сух ' Тквх ' ^тк + Сух ' тх ' ёТх + РёК , еСЛи ёттк > 0 ё™рх < 0;

Чх • ¥х • (Тсх - Тх ) • <Ь + Оп • <Ь + Срх • Тх • ётрх + Срх • Тквых • ёттк = Сух ' Тх ' рх + Сгх ' Тквых ' ^тк + Сух ' тх ' ёТх + РёК , еСЛи ^тк < 0 ёт рх < 0 (2.39)

После преобразований уравнений искомой величиной будет текущее изменение температуры в полости. Для горячей полости:

ОГ = Ч ' К ' (Тсг - Т ) • ёТ-О • йТ + Суг ' Трг ' С'1П р - ' Трг ' С'1П рг - 1рсП \ ^ > ()•

' ^г * ™г ' рг > ;

^ аг • ¥г • (Тсг - Тг ) • ^^ - Яп • ^ + Сг • Тг • ётРг - С^ • Тг • ётрг - р<^г . п

а1 =-------, если ёт < 0.

Сг • т

(2.40)

Для холодной полости:

а • К • (Т - Т ) • ёт + О • ёт + с • Т • ёт + с • Т • ёт - с • Т • ёт - с • Т • ёт - рёУ

1ГГ1 х х V сх х/ рх рх рх рх квх тк ух рх рх ух квх тк г х / ^/ч / ^/ч

аТх =-р-р-р-р-р-р-, если йттк > 0, ётх > 0;

СУх • тх

с1Т = ах ' Рх ' (Тсх - Тх ) • аТ + • аТ + Срх • Трх • ётрх + Срх • Тквых • ёттк - Сух ' Трх ' рх - Сух ' Тквых ' ёштК - рёУх ^ 0 ^ > ^

х тк рх

С^х •т (2.41)

а • ¥ • (Т - Т ) • ат + О • ат + с • Т • ёт + с • Т • ёт - с • Т • ёт - с • Т • ёт - рёУ

1гт х х \ сх х/ г^п рх х рх рх квх тк ух х рх ух квх тк г х / -../-ч/ с\

аТх =-р-р-р-р-, если ёттк > 0, < 0;

^х • тх

ГТ ах • ¥х • (Тсх - Тх ) • + °п • + срх • Тх • ётрх + Срх • Тквых • ёттк - Сух • Тх • Л™рх - сух • Тквых • ёштК - рёУх , . , .

аТ =---------, если ат < 0, ат < 0.

х тк рх

^х • тх

<

2.4.2. Алгоритм расчета параметров газа в полостях:

Задаём начальные значения параметров: Тго, Тхо, Vm, Vxm, Vрег, Vx, ш, dxK,

cp^ cpx, cpр, cvг, cvx, ^ре^-К^ Тсг, Тсх, р0, рвп, ^ып dрег, Дmгц, Ор, AQhp, Отр, Оп-

В качестве шага расчета выбираем временной параметр Ах. Для i=0:

1) Давление равно: p=po.

2) Температуры полостей:

Т=То; (2.42)

Тх=Тхо. (2.43)

Для каждого из последующих шагов

1) Текущие объемы горячей и холодной полостей (начальное положение

соответствует верхней мертвой точке):

Vi = Vm + 0,5 V • (1 - cos(®r)); К, = Vxm + 0,5VT • (1 + cos (or)).

V = va - Va x.

AFxi Vxi Vxi-1 *

2) Площади поверхностей теплообмена:

F =^ + nd -l + = ^ + ^

4 mK 4 mK ndl„ 4 d

(2.44)

(2.45)

mK

F =^ + nd -1 =^ + nd = ^ + 4Vxi

(2.46)

4 mK Xi 4 mK Trd2mK 4 d.

3) Температура газа в регенераторе:

р 2

4)Текущее давление внутри термокомпрессора:

Тр1= Т4Т- * (2.47)

4

4

т

тк I—1

К

Тг1—1 Тр1 Тх1—1

VI

& = рх если Vвx > VI = р^ если Vвыx <

-, если Vвx <

т

тк —1

К

V,, . Ур

-<р

вых>

Тг1—1 Тр1 Тх1 — 1

т

тк —1

К

вх---------ух1 '

Тг1—1 Тр1 Тх1—1

т

тк —1

К

V,- . Ур

Тг1—1 Тр1 Тх1—1

5) Масса газа в полостях:

рУ. рУ

= Г I х ;

рУр

т =

реп

г р

™ткг = ™гг + ™хг + ™ рг•

6) Плотности газа в полостях:

Рг =

Рг =

тга

у*

т^

Ухг

т

Ррегг

рг

У„.

7) Скорость газа на выходе из регенератора:

■ =

регг

( \ ^Р

4

(2.48)

(2.49)

(2.50)

(2.51)

8) Определим температуру газа, который входит или выходит из регенератора для каждой из полостей. Очевидно, что когда газ поступает в регенератор, его температура равна температуре полости, а когда поступает из регенератора, то находится из теплового баланса регенератора.

Ор - Ор + 0, 5 От

гр р ^р ^нр

Т ргг = Т хг-1 +

тр

с„ Ат

Рр гц

Т = Т -

рхг гг-1

Ор - Онр + 0,5Отр ср •Ат

Рр гц

(2.52)

(2.53)

9) Вязкость газа в полостях [55]:

V

V

Ргг (2.54)

Рхг'

где ц=ц(р,Т);

р= р (р,Т);

10) Значение числа Рейнольдса:

Яе„. =

регг тк

у .

' (2.55)

w • й

т-» регг тк Яе хг=~-.

у

хг

11) Значения коэффициентов теплоотдачи от стенок полостей в рабочему телу:

«=0'38;г ■ Ке0;7.

тк (2.56)

« = 0,38 Я • ке^г7. а

тк

12) Определим массу газа, которая была перенесена через регенератор из одной полости в другую:

Атг = тг - тгг-1.

АШрг = трг - трг-Г (2.57)

Атхг =-Атг1 -АтР1.

13) Определим массу газа, которая вошла или покинула термокомпрессор через клапаны.

Ат = т - т ,. (2.58)

ткг ткг ткг-1 \ /

14) Температура газа в полостях на новом шаге расчета: в горячей полости:

а Я •(Т - Т .)• Ат-О • Ат + с Т Ат - с •Т Ат -Г рйУ

гг гг \ сг гг -1 / х^п рг ргг ргг уг ргг ргг I г г гг

Тг1 = Тг1_, +-^-, если Ат_ > 0;

С •т

уг гг

а

Я •(Т - Т .)• Ат-О •Ат + С • Т. , Ат - с Т.. Ат -Г рёУ

гг \ сг гг -1 / х^п рг гг -1 ргг уг гг -1 ргг I г г г

Т = Т +1 гг Т гг-1 +

С •т

уг гг

ргг

если Ат . < 0.

(2.59)

в холодной полости:

а

Я •(Т - Т .)• Ат + О • Ат + С Т Ат + с Т •Ат - с Т •Ат - с Т •Ат -Г р.ёУ

хг \ сх хг -1/ х^п рх рхг рхг рх квх ткг ух рхг рх ух квх ткг I г г х

Т = Т +-

Т хг Т хг-1 +

С •т

ух хг

, если ёттк > 0, ётрх > 0;

а

Я •(Т - Т .)• Ат + О • Ат + С •Т Ат + с •Т Ат - С •Т Ат - с •Т • Ат - Г рёУ

хг \ сх хг -1/ х^п рх рхг рхг рх квьгх ткг ^ рх рх ух квых ткг I г г х

Т = Т +-

Т хг Т хг-1 +

С •т

ух хг

, если ёттк < 0, йт]Ж > 0;

а

Я •(Т - Т .)• Ат + О • Ат + С Т Ат + с Т Ат - с Т •Ат - с • Т •Ат - Г рёУ

хг \ сх хг -1 / г^п рх хг -1 рхг рх квх ткг ух хг -1 рхг ^ квх ткг I г г х

(2.60)

Т = Т +-

Т хг Т хг-1 +

С •т

ух хг

, если ёттк > 0, ётрх < 0;

а

Я •(Т - Т .)• Ат + О • Ат + С Ту Ат + с Т Ат - с Т .. • Ат - с Т Ат -Г рЛУ

хг У сх хг -1/ х^п рх хг -1 рхг рх квыгх ткг ^ хг-1 рх ух квыгх ткг I г г х

Т = Т +-

Т хг Т хг-1 +

С •т

ух хг

, если йтт„ < 0, < 0.

тк рх

<

г 2

г1

х 2

х1

х 2

х1

х 1

х 2

х1

Алгоритм расчета представлен на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21 - Алгоритм проектирования термомеханического компрессора Таблица 2.2 - Исходные данные для расчета

Параметр Значение

Давление на входе Pin, Па 101325

Степень повышения давления, ntc 1,5

Температура стенки холодной полости TWc, K 100

Температура стенки горячей полости Twh, K 300

Величина мертвого объема, м3 2,5-10"4

Вытесняемый объем, м3 5-10"3

Диаметр цилиндра термокомпрессора, м 0,15

Объем регенератора, м3 3,55-10"3

Частота привода, Гц 1

Рабочее тело Азот

Распределение температуры в горячей и холодной полостях в случаях, когда температура газа в полости принималось постоянной, и в случае ее изменения представлено на рисунке 2.22.

Рисунок 2.22 - Изменение температуры в полостях термокомпрессора

Максимальное отклонение температуры газа от температуры стенок для горячей полости составляет - 33,2 К, а для холодной 46,4 К или -11,1% и 46,4% соответственно. Аналогичные средне-арифметические отклонения составили -26,2 К и 45,1 К или -8,7% и 45,1% соответственно. Однако, средние арифметические значения не показывают адекватную картину, потому что масса газа внутри полостей в течение цикла изменяется. Более подходящим для оценки отклонения температуры является среднее массовое значение:

т — т

^^ _ ы ыи

т

ы

т

ШИ ^тктеап

Т. — Т л т .

С1 ст С1

8Т =

(2.61)

т

сИ

т

Рассчитанные средние массовые значение составили -8,5% и 14,98% для горячей и холодной полостей соответственно.

р-У диаграммы полостей термокомпрессора представлены на рисунках 2.23 и 2.24.

Рисунок 2.23 - р-У диаграмма горячей полости термокомпрессора

Как можно увидеть из диаграмм, рабочие циклы полостей обратно направлены друг к другу, а площадь внутри диаграммы в изотермичном случая больше, чем в неизотермичном.

Дмликё

Давдише

0,13 0,12 0Д1 ОД

Р,

МПа

О 0Г001 0,002 V, дмЗ

Рисунок 2.24 - р-У диаграмма холодной полости термокомпрессора Как можно увидеть из диаграмм, рабочие циклы полостей обратно направлены друг к другу, а площадь внутри диаграммы в изотермичном случая больше, чем в неизотермичном.

Для термокомпрессора в целом р-У диаграмма может быть представлена только в зависимости от удельного объема, так как полный объем термокомпрессора не изменяется, и его цикл на Р-У диаграмме будет представлять собой прямую линию. Чем больше площадь внутри цикла, тем больше производительность термокомпрессора (рисунок 2.25).

Изменение давления для изотермического и неизотермического случаев представлено на рисунке 2.26. Можно заметить, что кривая неизотермической случая поднимается и опускается более плавно, что приводит к уменьшения вертикальной и горизонтальной площадок. Эти площадки соответствуют

Давдише

Р, МПа 0,13 0,12 0,11 ОД

0,3 ОД 0,5 ^мЗ/кг

Рисунок 2.25 - р-У диаграмма термокомпрессора

процессам впуска и выпуска, и чем шире эти площадки, тем больше производительность термокомпрессора.

Рисунок 2.26 - Изменение давления внутри термокомпрессора Производительность термокомпрессора определялась как:

^ ' - (2.62)

О* =■

Рог