Рабочие процессы и динамика движения жидкостного поршня в идеальном поршневом компрессоре с активным жидкостным поршнем при изотермическом сжатии газа

Основываясь на ранее разработанной концептуальной модели поршневого компрессора с активным жидкостным поршнем и используя законы сохранения энергии, массы, движения и уравнение состояния, разработана математическая модель рабочих процессов, позволяющая определять изменение термодинамических параметров сжимаемого газа и охлаждающей жидкости, а также динамические характеристики (перемещение и скорость) активного жидкостного поршня. Анализ результатов численного эксперимента по разработанной математической модели показал, что процесс сжатия можно разделить на следующие три части: организация процесса для изотермического сжатия (которая составляет примерно 7,2 % всего процесса сжатия), изотермический процесс сжатия (75,0 %); неизотермический процесс сжатия (так как высота слоя охлаждающей жидкости над поршнем остается постоянной и равной величине мертвого пространства). Процесс сжатия протекает со скоростью, равной скорости движения механического поршня и постоянной высоте слоя охлаждающей жидкости над поршнем, что позволяет вытеснить полностью сжимаемый газ из рабочей камеры. При всасывании высота этого слоя уменьшается от величины мертвого пространства до нуля, что позволяет к концу процесса заполнить весь объем рабочей камеры. Для организации подачи охлаждающей жидкости в рабочую камеру необходимо использовать подпоршневое пространство, где давление должно меняться по соответствующему закону, чтобы обеспечивать динамику жидкостного поршня. Изменение температуры охлаждающей жидкости в рабочей камере пренебрежимо мало, вследствие чего при практических расчетах им можно пренебречь.
EDN: XKVVIH, https://elibrary/xkvvih

Литература

[1] Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. Москва, Колос, 2006. 456 с.

[2] Щерба В.Е. Рабочие процессы компрессоров объемного действия. Москва, Наука, 2008. 319 с.

[3] Щерба В.Е., Болштянский А.П., Шалай В.В. и др. Насос-компрессоры. Москва, Машиностроение, 2013. 367 с.

[4] Фотин Б.С., ред. Поршневые компрессоры. Ленинград, Машиностроение, 1987. 372 с.

[5] Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Ленинград, Машиностроение, 1970. 400 с.

[6] Щерба В.Е., Болштянский А.П., Азябин З.В. и др. Способ работы системы жидкостного охлаждения машины объемного действия и устройство для его осуществления. Патент РФ 2763099. Заявл. 18.03.2021, опубл. 27.12.2021.

[7] Воропай П.И. Эффективный способ охлаждения воздуха в поршневых компрессорах. Промышленная энергетика, 1963, № 12, с. 24–29.

[8] Щерба В.Е., Ходорева Е.В., Болштянский А.П. Способ работы поршневого компрессора с регенеративным охлаждением и устройство для его осуществления. Патент РФ 2801766. Заявл. 14.10.2022, опубл. 15.08.2023.

[9] Jin Y., Guo Y., Zhang S. et al. Study on the dynamic characteristics of the free piston in the ionic liquid compressor for hydrogen refuelling stations by the fluid-structure interaction modelling. Int. J. Hydrog. Energy, 2023, vol. 48, no. 6, pp. 25410–25422, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.202

[10] Guo Y., Wang Q., Liu X. et al. Numerical analysis of the dynamic two-phase flow behaviour in the ionic liquid compressor for hydrogen refuelling stations. Appl. Therm. Eng., 2023, vol. 219-B, art. 119607, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119607

[11] Shcherba V.E., Bolshtyanskii A.P., Kaigorodov S.Yu. et al. Benefits of integrating displacement pumps and compressors. Russ. Engin. Res., 2016, vol. 36, no. 3, pp. 174–178, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X1603014X

[12] Shcherba V.E., Shalai V.V., Kostyukov V.N. et al. A mathematical model of the working processes of a hybrid power displacement piston machine with profiled groove seal. Chem. Petrol. Eng., 2018, vol. 54, no. 5–6, pp. 335–344, doi: https://doi.org/10.1007/s10556-018-0484-1

[13] Щерба В.Е., Тегжанов А.С., Болштянский А.П. Математическая модель рабочих процессов сжатия и нагнетания в бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машине при значительном отношении номинальных давлений нагнетания в компрессорной и насосной секциях. Вестник машиностроения, 2020, № 9, с. 10–15.

[14] Shcherba V.E., Shalai V.V., Tegzhanov A.S. et al. Generalized comparative analysis of crosshead-free and crosshead schemes of piston hybrid power machines. J. Mech. Sci. Technol., 2020, vol. 34, no. 12, pp. 5093–5107, doi: https://doi.org/10.1007/s12206-020-1113-4

[15] Щерба В.Е., Носов Е.Ю., Тегжанов А.С. и др. Экспериментальное исследование бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машины объемного действия с интенсивным охлаждением компримируемого газа. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 10, с. 78–85, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2019-10-78-85