Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора
Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование»
№ 1, 2014
УДК 621.57
Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора
Благин Е. В., д-р техн. наук Довгялло А.И., канд. техн. наук Угланов Д.А. dmitry.uglanov@mail.ru
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)
443086, Самарская область, г. Самара, Московское шоссе, д. 34
В данной статье рассматривается применение термокомпрессора с температурой холодной области, равной температуре сжиженного природного газа. Ключевой отличительной чертой данного устройства является возможность повышать давление без совершения механической работы над рабочим телом. Это осуществляется за счет того, что процессы нагрева и охлаждения в термокомпрессоре происходят при одинаковом объеме. Мощность привода расходуется только на преодоление гидравлических потерь. Рассматриваются преимущества и недостатки данного устройства. Создана математическая модель, учитывающая реальность рабочего тела, находящегося в холодной полости и регенераторе. Построены зависимость производительности термокомпрессора от отношения температур и от частоты. В результате анализа получившихся зависимостей было подобрано оптимальное значение частоты, равное 0,7 Гц. Была дана оценка целесообразности использования термокомпрессора для работы на сжиженного природном газе.
Ключевые слова: термомеханический компрессор, изохорный процесс, сжиженный природный газ, идеальный газ, реальный газ.
Methods for calculating the characteristics of cryogenic thermomechanical compressor
Blagin E. V., Dovgyallo A.I., Uglanov D.A.
Samara State Aerospace University 443086, Samara region, Samara, Moskovskoye Highway, 34
This article describes application of the thermocompressor with the cold chamber temperature equal to temperature of liquid natural gas. The main distinctive feature of this device is an ability to increase pressure without compression of working fluid. It is possible by isochoric heating and refrigeration in thermocompressor. Power is required for overcoming friction. Also this article deals with advantages and disadvantages of the thermocompressor. Mathematical model was created with account for reality of working fluid situated in the cold chamber and regenerator. Thermocompressor’s capacity relative to frequency and temperatures was plotted. Analysis of this dependencies was carried out, and the optimum of frequency was determined. Appraise of the thermocompressor’s application with liquid natural gas was made.
Keywords: thermomechanical compressor, isochoric processes, liquid natural gas, ideal gas, real gas.
Благин Е.В. и др. Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора / Е. В. Благин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование», 2014. – № 1.[Электронный ресурс]: http://www.refrigeration.ihbt.ifmo.ru/
Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование»
№ 1, 2014
Введение процессов внутренней регенерации теплоты в тепловые компримирующие устройства позволяет создать достаточно эффективные установки для производства сжатого газа. Впервые регенерация теплоты при перемещении газа из одной полости цилиндра в другую разными температурами осуществлена В. Бушем в 1939 г. Прототипом предлагаемого устройства является механический термокомпрессор с вытеснителем- регенератором [1]. Конструктивно он состоит из цилиндра, внутри которого находиться регенератор, делящий термокомпрессор на холодную и горячую полости и приводимый в движение через шток. Рабочий цикл такого термокомпрессора осуществляется за счет периодического нагрева и охлаждения части газа при его перемещении из горячей полости в холодную. Рабочим веществом данного термокомпрессора является сжиженный природный газ.
Рис. 1 - Рабочий цикл термокомпрессора: а – впуск; б – рабочий ход; в – выпуск; г – обратный ход.
Подогрев горячей полости осуществляется за счет внешнего источника тепла. Охлаждение холодной полости в рассматриваемом термокомпрессоре осуществляется за счет самого рабочего тела (криопродукт).
В термокомпрессоре данной схемы цилиндр имеет два канала: канал 3 – подвод газа из емкости, канал 8 – отвод к потребителю (рисунок 1).
При движении поршня вниз газ проходит через регенератор и поступает в горячую полость, где нагревается до температуры Тг. В момент достижения поршнем нижнего положения объем горячей полости будет максимальным (а, следовательно, и давление внутри термокомпрессора). При этом открывается выпускной клапан, и газ поступает потребителю. После того, как необходимая порция газа будет выпущена, клапан закрывается, и поршень начнет обратный ход. В момент достижения поршнем верхнего положения объем холодной полости будет максимальным, давление в системе принимает соответственно минимальное значение, открывается впускной клапан, поступает новая порция низкотемпературного газа[2].
Благин Е.В. и др. Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора / Е. В. Благин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование», 2014. – № 1.[Электронный ресурс]: http://www.refrigeration.ihbt.ifmo.ru/
Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование»
№ 1, 2014
Преимуществом такого компрессора является компримирование без затраты механической работы, а недостатком – зависимость степени повышения давления от уровня температур горячей и холодной полости.
Рабочее тело в горячей полости может быть описано уравнением состояния идеального газа. Но при уровнях температуры холодной полости Тх=110…200К использование уравнения идеального газа не корректно, поэтому предлагается использовать реальные значения теплофизических свойств.
В работе приведена методика выбора необходимого давления открытия выпускного клапана, а также определен характер изменения давления в термокомпрессоре с учетом переменной массы газа при открытии впускного и выпускного клапанов. Также был выполнен расчет производительности термокомпрессора. Основные расчетные формулы представлены ниже
рi
Мi 1 VГi RTГ
0,18091729VХi 0, 00001441VХi
0, 034723742VРЕГ , если р1
№ 1, 2014
УДК 621.57
Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора
Благин Е. В., д-р техн. наук Довгялло А.И., канд. техн. наук Угланов Д.А. dmitry.uglanov@mail.ru
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)
443086, Самарская область, г. Самара, Московское шоссе, д. 34
В данной статье рассматривается применение термокомпрессора с температурой холодной области, равной температуре сжиженного природного газа. Ключевой отличительной чертой данного устройства является возможность повышать давление без совершения механической работы над рабочим телом. Это осуществляется за счет того, что процессы нагрева и охлаждения в термокомпрессоре происходят при одинаковом объеме. Мощность привода расходуется только на преодоление гидравлических потерь. Рассматриваются преимущества и недостатки данного устройства. Создана математическая модель, учитывающая реальность рабочего тела, находящегося в холодной полости и регенераторе. Построены зависимость производительности термокомпрессора от отношения температур и от частоты. В результате анализа получившихся зависимостей было подобрано оптимальное значение частоты, равное 0,7 Гц. Была дана оценка целесообразности использования термокомпрессора для работы на сжиженного природном газе.
Ключевые слова: термомеханический компрессор, изохорный процесс, сжиженный природный газ, идеальный газ, реальный газ.
Methods for calculating the characteristics of cryogenic thermomechanical compressor
Blagin E. V., Dovgyallo A.I., Uglanov D.A.
Samara State Aerospace University 443086, Samara region, Samara, Moskovskoye Highway, 34
This article describes application of the thermocompressor with the cold chamber temperature equal to temperature of liquid natural gas. The main distinctive feature of this device is an ability to increase pressure without compression of working fluid. It is possible by isochoric heating and refrigeration in thermocompressor. Power is required for overcoming friction. Also this article deals with advantages and disadvantages of the thermocompressor. Mathematical model was created with account for reality of working fluid situated in the cold chamber and regenerator. Thermocompressor’s capacity relative to frequency and temperatures was plotted. Analysis of this dependencies was carried out, and the optimum of frequency was determined. Appraise of the thermocompressor’s application with liquid natural gas was made.
Keywords: thermomechanical compressor, isochoric processes, liquid natural gas, ideal gas, real gas.
Благин Е.В. и др. Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора / Е. В. Благин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование», 2014. – № 1.[Электронный ресурс]: http://www.refrigeration.ihbt.ifmo.ru/
Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование»
№ 1, 2014
Введение процессов внутренней регенерации теплоты в тепловые компримирующие устройства позволяет создать достаточно эффективные установки для производства сжатого газа. Впервые регенерация теплоты при перемещении газа из одной полости цилиндра в другую разными температурами осуществлена В. Бушем в 1939 г. Прототипом предлагаемого устройства является механический термокомпрессор с вытеснителем- регенератором [1]. Конструктивно он состоит из цилиндра, внутри которого находиться регенератор, делящий термокомпрессор на холодную и горячую полости и приводимый в движение через шток. Рабочий цикл такого термокомпрессора осуществляется за счет периодического нагрева и охлаждения части газа при его перемещении из горячей полости в холодную. Рабочим веществом данного термокомпрессора является сжиженный природный газ.
Рис. 1 - Рабочий цикл термокомпрессора: а – впуск; б – рабочий ход; в – выпуск; г – обратный ход.
Подогрев горячей полости осуществляется за счет внешнего источника тепла. Охлаждение холодной полости в рассматриваемом термокомпрессоре осуществляется за счет самого рабочего тела (криопродукт).
В термокомпрессоре данной схемы цилиндр имеет два канала: канал 3 – подвод газа из емкости, канал 8 – отвод к потребителю (рисунок 1).
При движении поршня вниз газ проходит через регенератор и поступает в горячую полость, где нагревается до температуры Тг. В момент достижения поршнем нижнего положения объем горячей полости будет максимальным (а, следовательно, и давление внутри термокомпрессора). При этом открывается выпускной клапан, и газ поступает потребителю. После того, как необходимая порция газа будет выпущена, клапан закрывается, и поршень начнет обратный ход. В момент достижения поршнем верхнего положения объем холодной полости будет максимальным, давление в системе принимает соответственно минимальное значение, открывается впускной клапан, поступает новая порция низкотемпературного газа[2].
Благин Е.В. и др. Методика расчета характеристик криогенного термокомпрессора / Е. В. Благин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование», 2014. – № 1.[Электронный ресурс]: http://www.refrigeration.ihbt.ifmo.ru/
Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование»
№ 1, 2014
Преимуществом такого компрессора является компримирование без затраты механической работы, а недостатком – зависимость степени повышения давления от уровня температур горячей и холодной полости.
Рабочее тело в горячей полости может быть описано уравнением состояния идеального газа. Но при уровнях температуры холодной полости Тх=110…200К использование уравнения идеального газа не корректно, поэтому предлагается использовать реальные значения теплофизических свойств.
В работе приведена методика выбора необходимого давления открытия выпускного клапана, а также определен характер изменения давления в термокомпрессоре с учетом переменной массы газа при открытии впускного и выпускного клапанов. Также был выполнен расчет производительности термокомпрессора. Основные расчетные формулы представлены ниже
рi
Мi 1 VГi RTГ
0,18091729VХi 0, 00001441VХi
0, 034723742VРЕГ , если р1