АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИН ОБЪЁМНОГО ДЕЙСТВИЯ

В настоящее время проблема энергосбережения является весьма актуальной. Энергосбережение относится к стратегическим задачам государства. В статье 24 Федерального Закона № 261-ФЗ [13] предъявляются требования по сокращению энергетических ресурсов, в размере трёх процентов ежегодно на предприятиях муниципальной и бюджетной сферы. Программа Правительства РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики» [11] предполагает сокращение издержек на все виды энергоресурсов.

Насосы, компрессоры и гидроцилиндры имеют широкую сферу применения. В любой отрасли производства встречаются данные агрегаты. Автомобили, самолеты, дорожно-строительная техника, система отопления и коммунальное водоснабжение, добыча и транспортировка природных ресурсов и др. области использования. Подобные агрегаты обладают следующими преимуществами: простота, надежность, широкий рабочий диапазон, легкость автоматизации, большая передаваемая мощность [16].

На данный момент существует несколько способов усовершенствования машин объемного действия, такие как: сгущение поршней, изменение закона движения приводного механизма, разработка более эффективных уплотнений, совершенствование работы, и создание новых видов клапанов.

Авторы статьи [15] проводят исследование неравномерности теоретической подачи многоцилиндровых поршневых насосов. Целью статьи являлось определения наиболее значимых параметров сильнее всего влияющих на неравномерность подачи. Приводится пример различных законов перемещения поршня, как одного из факторов уменьшения неравномерности, который повышает КПД, в целом увеличивая энергоэффективость установки.

Еще одним из методов является усовершенствование процесса охлаждения. Одним из примеров объемных гидравлических машин с улучшенными показателями энергоэффективности будет поршневой насос-компрессор двойного действия с газовым объемом на всасывании. Так как проблема является актуальной, ей занимаются многие ученые по всему миру.

В статье американского ученого описывается применение охладительного оборудования, для стандартного, прямолинейного компрессора, как один из методов увеличения КПД. [19] Ученые разработали модель, указав уравнения, описывающие процесс теплообмена, также собрали опытную установку. Результаты их работы показали положительные результаты, при изменении температуры рабочей среды и улучшении показателей теплообмена, менялся показатель мощности и как следствие увеличивался КПД.

В патенте [2] описывается конструкция машины объемного действия, которая может перекачивать одновременно газ и жидкость. Верхняя часть цилиндра заполнена газом, нижняя жидкостью. Задачей изобретения является повышение работоспособности машины объемного действия и снижение ее габаритов. В документе представлено полное описание изобретения с наглядной схемой и подробно описанным принципом действия.

Продолжает труды предыдущего патента автор статьи [4]. Молодой ученый в своей кандидатской работе более подробно останавливается на конструкции, с учетом уже имеющегося опытного образца. Автор занимался разработкой математической модели с подробной проработкой рабочей камеры и процессов теплообмена. Благодаря математической модели, получена индикаторная диаграмма. Автор доказывает актуальность данной темы, что даёт возможность для дальнейшей доработки данной конструкции.

Патент [6] усовершенствует конструкцию, приведенную в предыдущем источнике. Поршневой компрессор с автономным жидкостным охлаждением. В данной конструкции рабочая камера перекачивает только одно тело – газ, но за счет постоянного перепада давления в камерах насоса, была предложена система автономного жидкостного охлаждения. Вода под действием давления начинает отступать в сторону теплообменника, где отдаёт тепло, полученное от компрессора атмосфере. Происходит процесс теплообмена с охлаждением жидкости. Как только давление в полости нагнетания падает, другая часть теплообменника, сообщающаяся с атмосферой, действует давлением P_атм заставляя охлажденную жидкость двигаться обратно. Таким образом получается круговорот охлаждающей жидкости за счет естественного перепада давления. Данная конструкция позволяет избежать усложнения. Поскольку исключает необходимость подключения сторонней системы охлаждения с отдельным циркуляционным насосом.

Авторы статьи [14] проводят анализ основных преимуществ объединения насоса и компрессора в гибридную машину объемного действия. Интенсивность охлаждения напрямую влияет на значение коэффициента полезного действия. Наиболее экономически выгодный процесс – изотермическое сжатие. В статье говорится, о том, что для достижения процесса, наиболее приближенного к изотерме необходимо отводить тепло в размере выработки этого тепла. Смена процессов, протекающих в рабочей камере происходит крайне быстро, поэтому использование принудительного воздушного охлаждения в априори не может дать такой эффект. Аналогично можно выразиться про принудительное водяное охлаждение. Оба этих способа имеют большой минус – ограниченность поверхности теплообмена. Достижение показателей изотермы возможно в случае максимального увеличения площади поверхности теплообмена. Конструкция, обосновываемая в данной статье, помогает решить данную проблему.

В статье молодого ученого [8] изложено описание конструкции поршневого насос – компрессора с газовым объемом на всасывание. В данной статье описывается конструкция новой гибридной поршневой машины объемного действия. Автор отмечает основные задачи, сложности исполнения и разработки данной машины. В работе представлена конструкция экспериментального стенда и описаны результаты проведенных опытов, которые показали возможность, работоспособность и эффективность использования данной конструкции.

В статье [9] подробно описана динамика движения поршня в цилиндре. На основе, которой произведен анализ действующих сил в квазистационарном состоянии. Данные силы и направления их действия представлены в виде уравнений и рисунков. Ученые в своей работе подчеркивают значения параметров трения, различных колебаний, и возникающего износа узлов и деталей агрегата при описанных динамических нагрузках.

Автор статьи [17] уделяет большое значение математическому описанию кинематики запорного органа. Несовершенство работы клапана приводит к появлению утечек. Математическое описание выполнено с учётом этого факта.

Иную интересную с точки зрения реализации модель представили авторы статьи [12]. Ученые более детально рассмотрели процесс сжатия, с представлением фазовых переходов рабочего тела. Работа авторов реализована с помощью программного обеспечения Matlab. В материалах [12], представлена блок схема последовательности составления математической базы.

В статье [1] описано влияние зазора, в цилиндропоршневой паре на характеристики компрессора. При неправильном проектировании или сборке насосного агрегата, появляется избыточный или недостаточный зазор, что негативно сказывается на энергоэффективности работы агрегата.

В статье автора Щербы и др. [18] изучается влияние частоты вращения коленчатого вала на эффективность работы гибридной машины. Авторы утверждают, что частота вращения вала двигателя напрямую влияет на утечки. Максимально допустимые обороты двигателя находятся в пределах 700 об/мин. Если значение будет превышать данную величину, то утечки будут увеличиваться, что приведёт к снижению объемного КПД.

Другие факторы, влияющие на работу насос – компрессора, описываются в статье [10]. Ученые проводят исследование влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости, на выходные характеристики поршневого насос – компрессора. Рост этого параметра ведет к увеличению температуры сжатия газа, то есть приводит к интенсивному выделению тепла, что требует лучшего охлаждения. Данный параметр существенно влияет на конструкцию поршня, а именно на величину мертвого объема, которая меняется в зависимости от численного значения дроби. Рост отношения давлений отодвигает процесс от близости к изотермическому, уменьшая КПД. Ученые в качестве вывода говорят, что оптимальное значение отношения давлений в одноступенчатой машине находится в пределах 3–4.

В статье авторы [3] изучают влияние процесса теплообмена на выходные характеристики компрессора. Авторы изучают зависимости различной конструкции компрессора на параметры теплообмена и работы установки в целом. Большое влияние уделяется как раз рабочему телу хладагента.

Схожее исследование проводит автор статьи [5]. В ней приведены данные анализа температурных полей в многоступенчатом компрессоре. Анализ дает понять, что температура в различных камерах (даже соседних) может отличаться на десятки градусов. Данное явление негативно сказывается на процесс теплообмена, поскольку газ при переходе из камеры в камеру должен мгновенно изменить температуру.

Метод математического моделирования помогает не только конструкторам, разрабатывающим новые силовые установки и агрегаты, но и ремонтникам. Автор [16] в своей статье рассуждает на тему применения математического моделирования в диагностики неисправностей различного вида установок объемного действия. Автор утверждает, что при правильно составленной математической модели с низким уровнем погрешности, возможно, проанализировать состоянии насоса или компрессора, путем считывания входных и выходных параметров при испытании и сравнения их с результатами моделирования.

Список литературы:

1. Болштянский А. П. [и др.] Влияние зазора в цилиндропоршневой паре на характеристики поршневого насос – компрессора // Омский научный вестник. — 2012. — №1. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=19093105 (дата обращения 10.05.2016)
2. Болштянский А.П., Щерба В.Е., Виниченко В.С. Машина объемного действия // Патент [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.freepatent.ru/patents/2518796
3. Бумагин Г.И., Лапкова А.Г., Овчинников Г.С., Раханский А.Е. Совершенствование конструкции и работы электрогазодинамического (ЭГД) компрессора для холодильной техники и систем кондиционирования // Вестник международной академии холода. — 2008. — №3. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:  http://elibrary.ru/item.asp?id=11770129 (дата обращения 10.05.2016)
4. Виниченко В.С. Конструкция и расчет поршневого насос – компрессора // автореферат диссертации. — 2011. Омский государственный технический университет.
5. Григорьев А.Ю. О неравномерности полей температур газа в рабочих камерах многоступенчатого поршневого компрессора // Вестник международной академии холода. — 2008. — №4. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=11770138 (дата обращения 08.05.2016)
6. Кайгородов С.Ю., Кузеева Д.А., Щерба В.Е, Болштянский А.П. Поршневой компрессор с автономным жидкостным охлаждением // Патент [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.findpatent.ru/patent/257/2578748.html (дата обращения 12.05.2016)
7. Керимов З.Х. Трехмерная математическая модель теплообменных процессов в цилиндре поршневого двигателя на тактах впуска и сжатия // Вестник УГАТУ. — 2011. — №3. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=18861730 (дата обращения 12.05.2016)
8. Кузеева Д.А. Разработка и исследование поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании // Омский научный вестник. — 2015. — №3. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=25066503 (дата обращения 12.05.2016)
9. Макаров А.Р., Смирнов С.В., Осокин С.В. Математическое моделирование движения поршня в цилиндре // Известия МГТУ «МАМИ». — 2014. — №2. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=22449647 (дата обращения 12.05.2016)
10. Павлюченко Е.А. [и др.] Влияние отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости на характеристики поршневого насос – компрессора // Омский научный вестник. — 2012. — №1. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=19093121 (дата обращения 12.05.2016)
11. Программа Правительства РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики»
12. Туголуков Е.Н., Егоров Е.С. Методика математического моделирования термодинамических процессов поршневого компрессора //  Вестник АГТУ, сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2014. — №1. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=21118926 (дата обращения 12.05.2016)
13. Федеральный закон от 23.11.2009г №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»
14. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Кайгородов С.Ю., Кузеева Д.А. Анализ основных преимуществ объединения компрессоров и насосов объемного действия в единый агрегат // Вестник машиностроения. — 2015. — №12.
15. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Кайгородов С.Ю., Кузеева Д.А. Исследование неравномерности теоретической подачи многоцилиндровых поршневых насосов // Вестник машиностроения. — 2016. — №1.
16. Щерба В.Е., Зеленова Л.А., Павлюченко Е.А. Применение метода математического моделирования для технической диагностики компрессоров объемного действия // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность! — 2013. — №1. всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участниками.
17. Щерба В.Е., Григорьев А.В., Виниченко В.С., Ульянов Д.А. Математическое моделирование рабочих процессов насоса объемного действия // Омский научный вестник. — 2010. — №3. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=16894958 (дата обращения 12.05.2016)
18. Щерба В.Е. [и др.] Влияние частоты вращения на характеристики поршневого насос-компрессора // Омский научный вестник. — 2011. — №3. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=17328807 (дата обращения 12.05.2016)
19. Mahmoud A. Alzoubia. Characterization of Energy Efficient Vapor Compression Cycle Prototype with a Linear Compressor / TieJun Zhanga // Energy Procedia. — 2015. — №75. – С. 3253–3258.