Введение к работе
Актуальность темы.
Роторные компрессоры типа Руте находят свое применение там, где требуются большие расходы при малых давлениях, например, при транспортировке сыпучих продуктов; обеспечивают продолжительную надежную работу, малочувствительны к запыленности всасываемого воздуха по сравнению с компрессорами, где в камере сжатия присутствуют пары трения. Внешний тип сжатия данных машин называется изохорным и является достаточно энергозатратным.
Исследуемый в данной работе роторный компрессор внутреннего сжатия (РКВнС), созданный на базе машины типа Руте, благодаря установке в полости нагнетания двух газораспределительных золотников, имеет более эффективный рабочий процесс, который происходит внутри рабочей камеры. Наряду с характером изменения объема рабочей полости на эффективность процесса сжатия оказывают влияние условия теплообмена между газом и стенками, протечки через щелевые зазоры и другие факторы, зависящие от режимных параметров. При математическом моделировании рабочего процесса компрессора необходимо учитывать указанные явления. До настоящего времени теплообмен между газом и стенками в математической модели (ММ) РКВнС не учитывался ввиду отсутствия данных по теплообмену, что снижает точность расчета его характеристик.
На данный момент процесс теплообмена среди машин объемного действия достаточно глубоко изучен только в поршневых компрессорах. Роторным компрессорам в этом направлении уделено недостаточно внимания ввиду сложности осуществления измерения температур газа и стенок в условиях вращения роторов. Известна диссертационная работа Шарапова И.И, посвященная экспериментальному определению параметров теплообмена в шестеренчатом компрессоре типа Руте внешнего сжатия (ШКВС). Однако использование полученных в данной работе зависимостей для математического моделирования рабочего процесса РКВнС является недопустимым ввиду различий в конструкции машин и характере протекания сжатия газа или требует дополнительного обоснования.
Поэтому изучение параметров теплообмена между рабочим телом и стенками РКВнС, то есть определение значений коэффициента теплоотдачи расчетно-экспериментальным путем, является в настоящее время актуальной задачей. Решение её позволит повысить точность расчета характеристик компрессора на этапе проектирования.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение точности расчета при математическом моделировании рабочих процессов в PKBhC путем учета теплообмена между газом и стенками рабочей полости.
В соответствии с этим необходимо решить следующие задачи:
-
Усовершенствовать расчетно-экспериментальную методику определения коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам роторных компрессоров типа Руте путем разработки способа осуществления замеров температур газа в рабочей полости и теплообменных поверхностей корпуса компрессора в процессе его работы;
-
Провести экспериментальные исследования по определению внешних характеристик РКВнС и измерению изменяющихся во времени температур газа в рабочей полости и поверхностей корпуса компрессора температурными датчиками, чувствительными элементами которых являются малоинерционные термопары. Для этого создать экспериментальный стенд в комплекте со специализированным измерительным комплексом для исследования быстропротекающих процессов;
-
Получить на основе экспериментальных данных значения коэффициентов теплоотдачи между газом и стенками РКВнС на различных режимах его работы. Представить полученные значения коэффициентов теплоотдачи в виде критериальных уравнений с целью возможности применения полученных данных при математическом моделировании компрессоров со схожим характером протекания рабочего процесса;
-
Повысить точность MM исследуемого РКВнС путем использования полученных данных по теплообмену в рабочей полости компрессора.
Научная новизна работы. Предложена уточненная MM рабочего процесса РКВнС с учетом теплообмена в рабочей полости. Предложен и реализован более совершенный способ регистрации температуры газа в рабочей полости роторного компрессора типа Руте в процессе его работы по сравнению с методикой, изложенной в работе Шарапова И.И. Получены зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи между газом и стенками РКВнС, которые могут быть применены при математическом моделировании рабочих процессов в компрессорах подобной конструкции и схожим характером протекания рабочего процесса.
Практическая значимость работы. Предложенная MM рабочего процесса РКВнС с учетом теплообмена в рабочей полости позволяет уменьшить расхождение между расчетными и действительными показателями проектируемого компрессора, и, таким образом, качественно увеличить точность расчета характеристик машины. Полученные в безразмерном виде уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в PKBhC могут использоваться в MM рабочих процессов компрессоров с подобной конструкцией.
Реализация работы в промышленности. Расчетно- экспериментальная методика определения коэффициента теплоотдачи между газом и стенками роторного компрессора внутреннего сжатия и расчетная методика учета теплообмена при математическом моделировании рабочего процесса роторного компрессора внутреннего сжатия внедрены в расчетную практику ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа».
Достоверность полученных результатов обеспечена
применением общепринятых методов исследования характеристик компрессоров объемного принципа действия, основанных на проведении и обработке результатов экспериментов, а также применением MM рабочего процесса. Достоверность результатов измерения изменяющихся во времени температуры и давления газа, а также температур стенок компрессора достигнута путем использования аттестованных средств измерения, апробированных методов обработки данных и анализом точности измерений. Достоверность результатов расчетов обеспечена применением апробированных численных методов и обоснованностью принятых допущений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII и IX Международных научно- технических конференциях молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», Казань, 2009 и 2012 гг., Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», Москва, 2010г., XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 201 Ir.; ежегодных научных сессиях КНИГУ (КГТУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано тринадцать работ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 71 иллюстрацию и 11 таблиц. Список использованной литературы включает 100 наименований. В приложении представлен акт о внедрении результатов диссертационной работы.
