Проведено узагальнення матеріалів про хвильових кріогенераторах з енергообміну каналами. Виявлено основні можливі схеми організації енергообміну в хвильових кріогенераторах. Визначено перевагу в ефективності схем енергообміну з двома пульсаторами перед схемами з одним пульсатором. Зроблено висновок про те, що найефективнішим з точки зору організації енергообміну є роторний хвильової кріогенератор.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Архарів Олексій Михайлович, Семенов Віктор Юрійович, Малахов Сергій Борисович


Область наук:

  • Енергетика і раціональне природокористування

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал

    Інженерний журнал: наука та інновації


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ПРИНЦИПІВ ОРГАНІЗАЦІЇ енергообміну В ХВИЛЬОВИХ КРІОГЕНЕРАТОРАХ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ПРИНЦИПІВ ОРГАНІЗАЦІЇ енергообміну В ХВИЛЬОВИХ КРІОГЕНЕРАТОРАХ»

    ?УДК 621.565: 621.59

    А. М. Архарів, В. Ю. Семенов, С. Б. Малахов

    АНАЛІЗ ПРИНЦИПІВ ОРГАНІЗАЦІЇ енергообміну В ХВИЛЬОВИХ КРІОГЕНЕРАТОРАХ

    Проведено узагальнення матеріалів про хвильових кріогенераторах з енергообміну каналами. Виявлено основні можливі схеми організації енергообміну в хвильових кріогенераторах. Визначено перевагу в ефективності схем енергообміну з двома пульсаторами перед схемами з одним пульсатором. Зроблено висновок про те, що найефективнішим з точки зору організації енергообміну є роторний хвильової кріогенератор.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ключові слова: хвильовий кріогенератор, ВКГ, енергообменнік, роторний хвильової кріогенератор, хвильової детандер-компресор, пульсаційний охолоджувач газу, полустатіческій обмінник тиску, резонансний охолоджувач газу.

    На сьогоднішній день відомий цілий ряд газорасшірітельних машин, які можна об'єднати за наступним ознакою - наявністю енергообміну каналу (ЕК), в якому відбувається обмін енергією між активною і пасивною частинами робочого тіла (середовищем) при їх безпосередньому контакті. До таких пристроїв відносяться кріогенератори Гиффорда-Макмагона з газовим поршнем, хвильові кріогенератори (ВКГ), що використовують ефекти Гартмана і Шпренгера (резонансні охолоджувачі газу), пульсації трубки Гиффорда-Лонгсворда з відведенням середовища в теплій частині, пульсації охолоджувачі газу, полустатіческіе обмінники тиску , енергооб-меннікі, хвильові детандери і роторні хвильові кріогенератори (РВКГ). Дослідження резонансних і пульсаційних охолоджувачів в МГТУ ім.Н.Е.Баумана під керівництвом А.М.Архарова дозволило зробити висновок про хвильову природу енергообміну в цих апаратах [1]. Паралельні дослідження у ВНИИГАЗе пульсаційних охолоджувачів газу, енергообменніков і створених ними хвильових детандерів привели до того ж висновку [2]. Таким чином, даний тип газорасшірітельних машин застосованих в області низьких температур можна визначити як ВКГ з енергообміну каналом.

    Як відомо, основою для створення ВКГ послужило дослідження Шпренгера [3], який запропонував в звуковому генераторі Гартмана збільшити на порядок довжину резонансної камери. Експерименти показали принципову можливість істотного підвищення температури в тупиковій частині трубки (ефект Шпренгера). Дослідження в МГТУ ім. Н.е Баумана в напрямку практичного застосування еф-

    Мал. 1. Конструктивні схеми ВКГ:

    а - з одним пульсатором; б - з двома пульсаторами і петлевий схемою розташування джерел і стоків

    дефектів Гартмана і Шпренгера привели до створення нових методів генерації холоду [4].

    Основою енергообміну в каналі ВКГ є наявність в ньому пульсацій тиску. Умовно виділивши в ВКГ пульсатор-газорозподільник (пульсатор) і енергообміну канал (ЕК), можна визначити дві основних конструктивних схеми: з одним пульсатором-газораспределителем (рис. 1, а) і двома (рис. 1, б). Пульсатор є ключовим елементом ВКГ і забезпечує пульсацію тиску в ЕК (генеруючи хвилі стиснення і розрідження) шляхом подачі та скидання середовищ високого і низького тиску. Змішання середовищ, час подачі та скидання робочого тіла, що задаються пульсатором, визначають ефективність всього пристрою в цілому.

    Основним завданням ЕК є інтенсифікація енергообміну процесу. Робоча (внутрішня) поверхню ЕК може являти собою як простий циліндр або паралелепіпед, а може і поверхню зі складним змінним перетином (еліпсоїдна, параболоїд-ва поверхню і т.д.).

    Енергообмін з одним пульсатором характерний для резонансних ВКГ і так званих пульсаційних генераторів холоду; з двома - для імпульсних трубок з відведенням середовища в теплій частині ЕК, хвильових детандерів і РВКГ.

    Роботу всіх ВКГ можна умовно розділити на дві фази. Перша фаза починається з подачі активного середовища високого тиску (АВ) в ЕК, заповнений пасивним середовищем низького тиску (ПН). У початковий момент формується контактна поверхня (КП1), що розділяє пасивну середу, що знаходиться в каналі з активним середовищем, яка подається в канал. Активне середовище стискає (нагріває) пасивну, що дозволяє здійснювати відведення теплової енергії Q0. Для машин з одним пульсатором перша фаза закінчується завершенням подачі

    Мал. 2. Діаграми подачі середовищ ВКГ:

    а - з одним пульсатором; б - з двома пульсаторами і петлевий схемою розташування джерел і стоків

    активного середовища в ЕК (рис. 2, а), відведення теплової енергії Q0 здійснюється з нагрітого торця ЕК. Для машин з двома пульсаторами перша фаза робочого процесу закінчується скиданням стислій пасивної середовища через правий пульсатор (рис. 2, б), що дозволяє організувати відведення теплової енергії Qo за межею ЕК, і в подальшому використовувати механічну енергію стисненого інертного газу.

    Друга фаза робочого процесу починається зі скидання активного середовища з ЕК через лівий пульсатор. Для машин з двома пульсаторами крім скидання активного середовища з ЕК відбувається подача пасивної середовища низького тиску (ПН) через правий пульсатор. На початку подачі пасивної середовища формується контактна поверхня (КП2). Таким чином, наявність другого пульсатора дозволяє організувати подачу і відведення пасивної частини робочого тіла. (При одному ПУЛЬСАТОР стиснення і розширення пасивної частини робочого тіла відбувається в межах ЕК.) Оскільки частина енергії активного середовища відводиться (в основному у вигляді Q0), з'являється можливість ввести в систему деяку кількість теплоти Q у вигляді корисної холодопродуктивності.

    Робота ВКГ у випадку з двома пульсаторами розглянута для так званої петлевий схеми розташування джерел і стоків активної і пасивної частин робочого тіла. Дана схема є кращою, так як дає можливість розділити ЕК на теплу і холодну зони, а також формує КП2 з протилежний боку від скидання активного газу (рис. 2) в стік АН, що позитивно позначається на ККД пристрою [2]. Проте можлива й прямоточная схема, коли АВ подається з лівого пульсатора і скидається з правого, а пасивним середовищем подається з лівого і скидається з правого пульсатора (рис. 3).

    Мал. 3. ВКГ з двома пульсаторами і прямоточною схемою розташування джерел і стоків:

    а - конструктивна схема; б - діаграма подачі середовищ

    Можлива схема з двома пульсаторами, але без використання джерела пасивної середовища низького тиску ПН (рис. 4), так званий режим температурного поділу потоків середовища [1] або дільника потоку [2]. Як сжимаемой середовища в цьому випадку виступає розширена активне середовище, що залишається в каналі після скидання активного середовища в стік низького тиску АН.

    Відомі більш складні конструктивні схеми ВКГ з великим числом пульсаторів, що забезпечують поетапне стиснення пасивної середовища і ступеневу розширення активної [5], але вони не змінюють основних принципів організації енергообміну в каналі описаних раніше.

    В процесі енергообміну в ВКГ кінетична енергія струменя активної частини робочого тіла трансформується в теплову енергію стиснутої пасивної частини, акустичну, а в деяких ВКГ (незначно) в електричну і механічну енергію. Ентальпія розширеного в пристрої газу при цьому знижується, і він охолоджується в більшій мірі, ніж при дроселюванні. Для всіх ВКГ характерно, що введення в конструкцію другого пульсатора призводить до зростання ККД. Це пояснюється, тим що активному газу необхідно здійснювати додаткову роботу виштовхування інертного газу [6]. Скидання інертного газу з ЕК, здійснюваний другим пульсатором, дозволяє знизити середню температуру інертного газу в ЕК, що покращує режим роботи ВКГ і також веде до зростання ККД.

    За принципом роботи пульсатора ВКГ можна розділити на дві групи: беспріводние або струменеві [7] і з механічною системою газорозподілу.

    Мал. 4. Конструктивна схема дільника потоку:

    А (П) У - стискається активний газ, що залишився в каналі після скидання активного середовища в стік АН

    До беспріводние ВКГ відносяться резонансні охолоджувачі газу, пульсації генератори холоду статичного типу, а також резонансні охолоджувачі з відведенням середовища в теплій частині ЕК. Всі вони характеризуються тим, що використовуються в них пульсатори не мають рухомих частин, що робить їх застосування особливо доцільним при кріогенних температурах. Резонансні охолоджувачі і пульсації генератори холоду статичного типу реалізуються по

    схемою з одним пульсатором (див. рис.1, а), а резонансні і пульсу-ційних охолоджувачі з відведенням середовища в теплій частині ЕК з двома (див. рис.1, б і рис.4, а). Вдосконалений варіант Пульсаційні-ної труби з додатковим ресивером і дюзой, розроблений в МГТУ ім. Н.е. Баумана [6] є реалізацією схеми з двома пульсаторами (див. Рис. 1, б). Як правого пульсатора виступає безпосередньо ресиверної обсяг і дюза.

    В результаті досліджень, проведених в МГТУ ім. Н.е. Баумана, було встановлено, що частка виключеного з процесу енергоперетворення газу в резонансних ВКГ за один цикл складає не менше 63% потоку, що надходить в сопло. Це пов'язано з недоліками роботи резонансного пульсатора, в якому хоча подача АВ відбувається і безперервно, але на другій фазі робочого процесу подається в сопло активний газ не бере участі в енергообміну (рис. 2, а). Пульсаційні генератори холоду статичного типу позбавлені цього недоліку і, як наслідок, мають більш високий ККД.

    Особливий інтерес представляють дослідження резонансних охолоджувачів з імпульсною трубкою змінного перерізу, представлені в дисертації В.Л.Бондаренко [1], а саме з еліпсоїдної і пара-болоідной робочими камерами. Ідея поліпшення характеристик шляхом зміни геометрії трубки (каналу) універсальна і може бути застосована для будь-якого ВКГ. Це підтверджується дослідженнями ТОВ "Газпром ВНІІГАЗ" [8] і "Міцубісі Дзюкоге К.К", які застосували конічні канали для хвильового детандера і пульсаційного газоохолоджувача відповідно.

    Наявність механічного пульсатора дозволяє зменшити змішання активної і пасивної середовищ і забезпечити більш точну організацію фаз робочого процесу, тому ККД ВКГ з механічним

    Мал. 5. Основні конструктивні елементи роторного ВКГ:

    1 - ротор; 2 - газорозподільний диск активної середовища, 3 - розподільний диск пасивної середовища; 4 - енергообміну канали

    Мал. 6. Експериментальні дані впливу ступеня розширення активного потоку пк на Адіабатний ККД РВКГ (а) і відносний витрата Qп (б) і Qа - витрати пасивного і активного потоків)

    пульсатором більше, ніж у беспріводние. До хвильовим газорасшірітельним машинам з механічним пульсатором відносяться: ПОГ з механічною системою газорозподілу, полустатіческіе обмін-ники тиску, енергообменнікі, хвильові детандери і РВКГ (вакуумний хвильової детандр-компресор [9]).

    Найбільш досконалим і перспективним на сьогоднішній день з точки зору організації енергообміну ВКГ є РВКГ, так як він працює за схемою з двома пульсаторами і використовує ефективний механічний (роторний) пульсатор-газорозподільник (рис. 5). Досягнутий ізоентропний ККД охолодження газу в РВКГ знаходиться на рівні 0,6-0,5 (рис. 6, а) при відповідних ступенях розширення 1,6-2,6 при температурі активного газу (метан) низького тиску 180-210К [9] . Витрата інертного газу становить 20. ..35% обсягу розширеного газу (рис. 5, б). Тиск стисненого інертного газу дорівнює тиску активного газу на вході в РВКГ, що дозволяє легко

    використовувати стиснутий пасивний газ в циклах кріогенних установок. РВКГ має просту конструкцію (частота обертання ротора всього 2000-6000 об / хв), не вимагає складних технологій при виготовленні і технічному обслуговуванні. Все це разом з невисокою вартістю РВКГ дозволяє використовувати каскад таких машин, зменшуючи ступінь розширення в окремій машині і підвищуючи тим самим ККД всього каскаду.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Бондаренко В. Л. Створення і дослідження хвильових кріогенераторов і їх застосування в технології отримання неону високої чистоти: Дис .... д-ра техн. наук. - М., 2003. - 294 с.

    2. К о з л про в А. В. Підвищення ефективності експлуатації хвильових детандерів в установках низькотемпературної обробки вуглеводневого газу. Дис .... канд. техн. наук: 05.02.13. - М., 2003. - 157 с.

    3. Sprenger H. S. Uber thermische Tffernt in Resonsnzrohren Vitteilungen aus dem Institut fur Aerodynamik E.T.H. - Zurich, 1954. - No. 21. - S. 18-35.

    4. Arharov A. M., Dondarenko V. L., Pronko V. G., K r ​​a k o v s k y B. D. et al. U.S. patent No. 4444019, (April 24, 1984).

    5. УетерстонР., Герцберг А. Енергообменнік - нова концепція в теорії високоефективних газотурбінних циклів // Енергетичні машини. - 1966. - T. 4, № 2. - C. 48-62.

    6. М і до у л і н E. І., Ананьєв В. В., П е р в а до C. Д., Тарасов О. А., Шевцов А. В., Кононенко Є. В. Результати дослідження криогенного пульсационного рефрижератора-ожіжітеля в діапазоні температур 40 ... 110 K // Вісник МГТУ ім. Н.е. Баумана. Сер. Машинобудування. - 1993. - № 3. -C. 77-80.

    7. Архарів А. М., Бондаренко В. Л., Симоненко Ю. М. Систематизація пульсаторів, використовуваних для приводу газодинамічних апаратів // Вісник МГТУ ім. Н.е. Баумана. Сер. Машинобудування. - 2010. - Спец. випуск. - C. 97-110.

    8. К о з л про в А. В., Бобров Д. М., Лаухін Ю. А. Хвильовий детандер з енергообміну каналами змінної площі перетину // Хімічне і нафтове машинобудування. - 2000. - № 11. - С. 27-29.

    9. Семенов В. Ю., Лаухін Ю. А., Козлов А. В., Малахов С. Б., Л е в д і до Г. Н., П р о к ш і н М. Ю. Результати експериментальних досліджень криогенного хвильового детандер-компресора // Хімічне і нафтогазове машинобудування. - 2009. - № 4. - C. 23-25.

    Стаття надійшла до редакції 1.10.2012


    Ключові слова: ХВИЛЬОВИЙ КРІОГЕНЕРАТОР /ВКГ /ЕНЕРГООБМЕННІК /РОТОРНИЙ ХВИЛЬОВИЙ КРІОГЕНЕРАТОР /ХВИЛЬОВИЙ детандер-КОМПРЕССОР /Пульсаційні ОХОЛОДЖУВАЧ ГАЗУ /ПОЛУСТАТІЧЕСКІЙ обмінниках ТИСКУ /РЕЗОНАНСНИЙ ОХОЛОДЖУВАЧ ГАЗУ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити