Концептуальная модель и анализ эффективности и экономичности идеального поршневого компрессора с активным жидкостным поршнем для изотермического сжатия газа

Выполнен анализ способов и конструкций поршневых компрессоров, применяемых для эффективного сжатия газа. Установлено, что наличие слоя жидкости над механическим поршнем позволяет решить не только проблему ее охлаждения, но и уплотнения рабочей камеры и сокращения мертвого объема вплоть до нуля. Для повышения эффективности поршневого компрессора предложено использовать активный (управляемый) поршень, обеспечивающий изменение объема рабочей камеры по закону, близкому для изотермического сжатия газа. Разработана концептуальная модель поршневого компрессора с управляемым жидкостным поршнем в рамках принятых допущений, описана динамика изменения слоя жидкости над поршнем. После разработки концептуальной модели и анализа динамики движения жидкости в рабочей камере показано, что в идеальном поршневом компрессоре с жидкостным активным поршнем коэффициент подачи может быть больше единицы. Используя метод разделения потерь производительности, установлена связь между относительным мертвым пространством и коэффициентами подогрева и дросселирования для обеспечения коэффициента подачи равным единице и более. На основе раскрытых физических особенностей протекания процесса сжатия газа, а также динамики движения жидкости при всасывании и нагнетании, получено выражение для определения индикаторного изотермического коэффициента полезного действия.
EDN: LPZWXL, https://elibrary/lpzwxl

Литература

[1] 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

[2] 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

[3] Bazhenov A.M., Shcherba V.E., Shalai V.V. et al. Modeling the operation of bulk-action hybrid piston power systems. Russ. Engin. Res., 2019, vol. 39, no. 5, pp. 377–382, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X19050046

[4] 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

[5] Shcherba V.Е., Shalai V.V., Pustovoy N.V. et al. On profiling of the working cavity of the second stage in a hybrid piston volumetric power machine. Chem. Petrol. Eng., 2020, vol. 56, no. 1–2, pp. 125–136, doi: https://doi.org/10.1007/s10556-020-00749-0

[6] Shcherba V.E., Aver’yanov G.S., Pavlyuchenko E.A. et al. Viscous incompressible fluid flow in a positive displacement two-stage piston hybrid energy-generating machine having a gas cap. Chem. Petrol. Eng., 2021, vol. 56, no. 11–12, pp. 988–997, doi: https://doi.org/10.1007/s10556-021-00873-5

[7] Shcherba V.E., Shalay V.V., Nosov E.Yu. et al. Development and research of crosshead-free piston hybrid power machine. Machines, 2021, vol. 9, no. 2, art. 32, doi: https://doi.org/10.3390/machines9020032

[8] Shcherba V.E., Pavlyuchenko E.А., Nosov E.Yu. et al. Approximation of the compression process to isothermal in a reciprocating compressor with a liquid piston. Appl. Therm. Eng., 2022, vol. 207, art. 118151, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118151

[9] Щерба В.Е., Тегжанов А.С., Носов Е.Ю. и др. Сравнительный анализ массогабаритных показателей бескрейцкопфной и крейцкопфной поршневых гибридных энергетических машин объемного действия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 9, с. 88–95, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2019-9-88-95

[10] 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

[11] Носов Е.Ю., Щерба В.Е., Кужбанов А.К. и др. Разработка опытного образца поршневой гибридной энергетической машины объемного действия с регенеративным теплообменом и стенда для его исследования. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2025, № 2, с. 90–100. EDN: CMEQDO

[12] Shcherba V.E., Khait A., Nosov E.Yu. et al. Numerical analysis of unsteady heat transfer in the chamber in the piston hybrid compressor with regenerative heat exchange. Machines, 2023, vol. 11, no. 3, art. 363, doi: https://doi.org/10.3390/machines11030363

[13] Щерба В.Е. Методика оценки времени работы в компрессорном режиме поршневой гибридной энергетической машины объемного действия с регенеративным теплообменом. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 10, с. 96–102, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-10-96-102

[14] Shcherba V., Khait A. Comparative analysis of the regenerative and recuperative cooling of reciprocating compressors. Mech. Based Des. Struct. Mach., 2025, vol. 53, no. 12, pp. 8004–8023, doi: https://doi.org/10.1080/15397734.2025.2505194

[15] Guo Y., Wang T., Liu X. et al. Mathematical modelling and design of the ionic liquid compressor for the hydrogen refuelling station. Int. J. Energy Res., 2022, vol. 46, no. 13, pp. 19123–19137, doi: https://doi.org/10.1002/er.8224

[16] Zhou H., Dong P., Zhu S. et al. Design and theoretical analysis of a liquid piston hydrogen compressor. J. Energy Storage, 2021, vol. 41, art. 102861, doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102861

[17] Van de Ven J.D., Li P.Y. Liquid piston gas compression. Appl. Energy, 2009, vol. 86, no. 10, pp. 2183–2191, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.12.001

[18] Patil V.C., Ro P.I. Experimental study of heat transfer enhancement in liquid piston compressor using aqueous foam. Appl. Therm. Eng., 2020, vol. 164, art. 114441, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114441

[19] Li C., Wang H., He X. et al. Experimental and thermodynamic investigation on isothermal performance of large-scaled liquid piston. Energy?2022, vol. 249?art. 123731, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123731

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