Например, Бобцов

Изменение параметров состояния пара хладагента вэлементарном рабочем процессе маслозаполненного холодильного винтового компрессора

УДК 664.03, 664.08
Изменение параметров состояния пара хладагента в элементарном рабочем процессе маслозаполненного
холодильного винтового компрессора
Носков А. Н., Петухов В.В.
Маслозаполненный холодильный винтовой компрессор (ВКМ) относится к компрессорам объемного принципа действия в котором сжатие происходит за счет сокращения объема парной полости (ПП).
Наличие зазоров между рабочими органами компрессора приводит массообмену и соответствующему обмену энергией между сопряженными парными полостями, а также к тепло и массообмену между паром хладагента и маслофреоновым раствором.
Таким образом, характерной особенностью действительного рабочего процесса холодильного винтового компрессора является наличие утечек и внутренних перетечек, которые существенно влияют на его объемные и энергетические показатели, что приводит к необходимости применять для расчета рабочего процесса аппарат термодинамики тела переменной массы [I].
Так как винтовой компрессор в составе паровой холодильной машины работает с холодильными агентами, близкими к состоянию насыщенного пара, другой особенностью рабочего процесса является необходимость использования уравнений для реального газа, сжимаемого компрессором.
Для уплотнения зазоров между винтами и отвода теплоты сжатия в парные полости ВКМ подается масло.
В области рабочих температур растворимость пара фреона в маслах относительно высокая, поэтому участвующее в рабочем процессе масло фактически является маслофреоновым раствором.
Рассмотрим действительный элементарный рабочий процесс, происходящий в парной полости ВКМ, сжимающего фреон в течение малого отрезка времени.
В процессе сжатия происходит интенсивный тепло- и массообмен между холодильным агентом и маслофреоновым раствором.
Сжатие маслофреонового раствора с холодильным агентом является сложным процессом и его расчет возможен лишь в случае принятия допущений о характере и структуре двухфазного потока в компрессоре. Подача маслофреонового раствора в парную полость осуществляется после ее отсечения от окна всасывания, т.е. в процессе сжатия, через ряд отверстий небольшого диаметра. Впрыснутый маслофреоновый раствор дробится зубьями роторов на мелкие капли, которые распределяются в сжимаемом объеме.

Экспериментальное определение размера и концентрации капель в

полости сжатия винтового компрессора представляет собой очень сложную

задачу.

Если считать, что дробление капель раствора и их перемешивание со

сжимаемым хладагентом происходит интенсивно, можно сделать допущение

о наличии равновесия между ними.

Тепловое равновесие между маслофреоновым раствором и паром

хладагента на нагнетании было подтверждено экспериментально при

исследовании холодильного ВКМ на кафедре холодильных машин и НПЭ

СПбГУНиПТ. Если предположить, что равновесие между хладагентом и

маслом имеет место в течение всего процесса сжатия, то можно считать, что

в парной полости сжимаются мелкие частицы маслофреонового раствора,

находящиеся в тепловом равновесии с хладагентом. Будем считать, что

объем, занимаемый маслом пренебрежимо мал, по сравнению с объемом

парной полости.

Для количественной оценки изменения параметров состояния пара

хладагента в рассматриваемой ПП воспользуемся первым законом

термодинамики для тела переменной массы в дифференциальной форме:

dU = dL − dQмр − dZξ + dZнат − dZ ут + dQтр

(1)

где dU - изменение полной внутренней энергии пара хладагента в

элементарном процессе; dL - внешняя работа, затраченная на сжатие хлада-

гента, заключенного в ПП; dQмр - теплота, воспринимаемая масляным

раствором; dZξ - энергия пара хладагента, абсорбируемого масляным

раствором; dZнат , dZ ут - энергия хладагента натекающего в ПП и

вытекающего из нее, соответственно, за рассматриваемый промежуток

времени; dQтр - количество теплоты, подводимой к хладагенту в результате

трения винтов о паромасляную смесь.

С учетом того, что дифференциал удельной внутренней энергии

хладагента du = ∂u dT + ∂u dv , где v – удельный объем, T – температура ∂T ∂v

пара, рост температуры пара в элементарном процессе сжатия

dT

=

du − (∂u / ∂v) (∂u / ∂T ) .

(2)

Дифференциал изменения полной внутренней энергии пара хладагента
dU = (u ⋅ G) = u ⋅ dG + G ⋅ du ,

где G - текущее значение массы пара в ПП.

Внешнюю работу, затраченную на сжатие хладагента, можно

определить по формуле
dL = − p ⋅ dW , где p - текущее значение давления в ПП; dW - изменение объема ПП за

рассматриваемый промежуток времени.

Теплота, воспринимаемая маслом dQм = смр ⋅ Gмр ⋅ dT ,

где смр ,Gмр - теплоемкость и масса масляного раствора в ПП.

Энергия пара хладагента, абсорбируемого масляным раствором

dZξ

=

i ⋅ Gмр



dξ мр ξ2мр

,

где i - энтальпия пара хладагента; ξмр ,dξмр - текущее значение

концентрации масляного раствора и изменение концентрации раствора за

рассматриваемый промежуток времени, соответственно.

Для расчета энергообмена между рассматриваемой и сопряженными

полостями служат следующие зависимости:
∑dZнат = i0dGнат.k
k;
dZ ут = ∑ idGут. j
j,

где i0 - энтальпия пара хладагента в ПП, из которой происходит натекание в рассматриваемую парную полость; где i - текущее значение энтальпии хладагента в ПП; dGнат.k ,dGут. j - количество хладагента, натекающего и вытекающего из ПП, соответственно, через одну из щелей за рассматриваемый промежуток времени.
Мощность трения винтов о паромасляную смесь определяется по
формуле ∑ ∑Nтр = Nтр.ц + Nтр.т , где ∑ Nтр.ц - мощность трения цилиндрических поверхностей винтов о паромасляную смесь; ∑ N тр.т -
мощность трения торцевых поверхностей винтов о паромаслянную смесь. Для определения мощности трения винтов о паромасляную смесь
использовались зависимости, приведённые в работе [2]. Расчёты показывают, что мощность трения роторов состоит в основном
из трения наружной цилиндрической поверхности перьев зубьев ведомого винта и торцевых поверхностей ведомого и ведущего винтов на стороне всасывания и нагнетания.
Принимаем, что тепловой эквивалент мощности трения равномерно распределяется между паром и маслофреоновым раствором.
Масса маслофреонового раствора, приходящаяся на 1 кг пара хладагента:
m = Gмр = Gм + Gа.р GG
гдеGмр - масса маслофреонового раствора; Gм - масса чистого масла;

Gа.р - масса хладагента, растворенного в масле; G - масса пара хладагента.

Kоличество теплоты, подводимой к хладагенту в результате трения

винтов о паромасляную смесь

dQтр

=

N тр z1

⋅τ



m m +1

где τ - время элементарного процесса, z1 - число заходов ведущего винта.

С учетом приведенных выше зависимостей получим выражение для

расчета изменения температуры в элементарном рабочем процессе

dT = dTW + dTQ + dTξ + dTнат + dTут + dTтр

(3)

где dTW ,dTQ ,dTξ ,dTнат ,dTут ,dTтр — изменение температуры в

элементарном рабочем процессе в результате сокращения объема парной

полости; теплоты, воспринимаемой масляным раствором; энергии пара

хладагента, абсорбируемого масляным раствором; энергии поступающей в

ПП с натекающим хладагентом; энергии уходящей из ПП с вытекающим из

ПП хладагентом; теплоты, подводимой к хладагенту в результате трения

винтов о паромасляную смесь.

Соответствующие слагаемые прироста температуры в выражении (3)

определяются по следующим зависимостям:

dTw

=



[p
G

+ (∂u / ∂v)] ⋅ (∂u / ∂T )



dW

;

dTQ

=



m⋅
(∂u

diмр
/ ∂T );

( )dTξ

=

i

⋅m⋅

∂ξ
(∂u

/ /

ξ2м
∂T ) ;

dTнат

=

(i0

− u)⋅ ∑ G ⋅ (∂u /

dGнат
∂T )

;

dTут

=



p⋅ G

v ⋅ ∑ dGут ⋅ (∂u / ∂T )

;

dTтр

=

dQтр cv ⋅ G

.

где сv ,iмр - изохорная теплоемкость и энтальпия маслофреонового раствора,

соответственно.

Дифференцируя уравнение состояния p ⋅ v = z ⋅ G ⋅ R ⋅T , получим

dp = zGRdT + zTRdT − pdW W,

где W и dW - текущее значение объема ПП и его изменение,

соответственно; z - коэффициент сжимаемости; R - газовая постоянная.

Подставив в это выражение слагаемые роста температуры в

элементарном рабочем процессе и изменения массы хладагента, получим

формулу для определения роста давления в элементарном рабочем процессе

dp = dpW + dpQ + dpξ + dpнат + dpут + dpтр

(4)

Соответствующие слагаемые прироста давления в выражении (4)

определяются по следующим зависимостям:

dpw

=

 −z




R⋅

[

p + (∂u / ∂v)] (∂u / ∂T )

+

 p ⋅


dW W

dpQ

=



z

⋅G⋅ W

R



m⋅
(∂u

diмр / ∂T

)

;

dpξ

=

z

⋅G⋅R⋅m W




(∂u

i /

∂T )

 + T 



dξ м ξм

;

dpнат

=

z⋅R W



 

(i0 (∂u

− u) / ∂T )

 + T 

⋅ ∑ dGнат

;

dp ут

=



z⋅R W



 p⋅v
(∂u / ∂T

)

 + T 

⋅∑

dG ут

;

dpтр

=

z W

⋅R ⋅ cv

⋅ dQтр

На кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики

СПбГУНиПТ было проведено экспериментальное исследование

холодильного ВКМ. В качестве экспериментального компрессора был

использован холодильный маслозаполненный винтовой компрессор ВХ-130,

разработанный в СКБК г.Казань совместно с ВНИИХолодмашем.

Компрессор имеет следующие основные характеристики: соотношение числа

зубъев ведущего и ведомого винтов 4/6; внешний диаметр ведущего винта

160 мм; относительная длина винтов 0,9; ход ведущего вита 192 мм;

полезный объем парной полости 429 см3; частота вращения ведущего винта

49 с-1. В компрессоре использованы винты типоразмерного ряда СКБК для

маслозаполненных винтовых компрессоров.

Был произведен расчеты изменения давления в ПП в результате

действия приведенных выше факторов от угла поворота ведущего винта φ1.

Расчеты производился для экспериментального компрессора, работающего

на фреоне 22 с маслом ХА-30. Давление хладагента на всасывании

изменялось в пределах 1,06·10-1…4,98·10-1 МПа, а степень повышения

давления – от 2 до 6.

Выполненные расчеты показали хорошую сходимость расчетных и

экспериментальных данных при определении изменения давления в парной

полости. Погрешность при расчете изменения давления в ПП не превышает

5% по сравнению с экспериментальными данными.

Список литературы
Носков А.Н., Сакун И.А., Пекарев В.И. Исследование рабочего процесса холодильного винтового компрессора сухого сжатия // Холодильная техника. -1985. -№6. -с. 20-24. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплопередача вращающихся тел. -М.: Физматгиз, 1960. -162 с.