avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-4-21-28VAZJGBavroen-117Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGОценка рациональных затрат энергии на диспергирование жидкости в поршневых компрессорах с двухфазным рабочим теломEvaluation of rational energy costs for liquid dispersion in piston compressors with a two-phase working fluidhttps://orcid.org/0000-0002-5262-008XЩербаВ. Е.ScherbaV. E.

ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» 

AuthorID (SCOPUS): 7006190048

ResearcherID: D-5093-2014

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

SCHERBA Viktor Evgenyevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Hydromechanics and Machines Department, Omsk State Technical University

Omsk.

AuthorID (SCOPUS): 7006190048

ResearcherID: D-5093-2014

https://orcid.org/0000-0003-0565-2254КужбановА. К.KuzhbanovA. K.

КУЖБАНОВ Акан Каербаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» 

ResearcherID: p-2641-2015

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

KUZHBANOV Akan Kayerbayevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Hydromechanics and Machines Department,

Omsk

ResearcherID: p-2641-2015

ГильдебрандтМ. И.GildebrandtM. I.

ГИЛЬДЕБРАНДТ Маргарита Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» 

AuthorID (SCOPUS): 57201776013

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

GILDEBRANDT Margarita Ivanovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology Department

Omsk.

AuthorID (SCOPUS): 57201776013

https://orcid.org/0000-0002-4521-2379КуденцовВ. Ю.KudentsovV. Yu.

КУДЕНЦОВ Владимир Юрьевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение»

AuthorID (SCOPUS): 55318654800

ResearcherID: E-6640-2014

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

KUDENTSOV Vladimir Yuryevich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of Aircraft and Rocket Building Department

Omsk

AuthorID (SCOPUS): 55318654800

ResearcherID: E-6640-2014 

https://orcid.org/0000-0001-8945-1542ГалдинН. С.GaldinN. S.

ГАЛДИН Николай Семенович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Строительная, подъемно-транспортная и нефтегазовая техника» 

AuthorID (SCOPUS): 6602305514

644080, г. Омск, пр. Мира, 5

GALDIN Nikolay Semenovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Construction, Lifting, Transport and Oil and Gas Equipment Department

Omsk

AuthorID (SCOPUS): 6602305514

https://orcid.org/0000-0002-2484-8685ГладенкоА. А.GladenkoA. A.

ГЛАДЕНКО Алексей Анатольевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология»

AuthorID (SCOPUS): 57190854254

ResearcherID: B-4257-2017

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

GLADENKO Aleksey Anatolyevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology Department

Omsk

Омский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationСибирский государственный автомобильно-дорожный университетРоссияSiberian State Automobile and Highway UniversityRussian Federation202430122024842128Copyright © Щерба В.Е., Кужбанов А.К., Гильдебрандт М.И., Куденцов В.Ю., Галдин Н.С., Гладенко А.А., 20242024Щерба В.Е., Кужбанов А.К., Гильдебрандт М.И., Куденцов В.Ю., Галдин Н.С., Гладенко А.А.Scherba V.E., Kuzhbanov A.K., Gildebrandt M.I., Kudentsov V.Y., Galdin N.S., Gladenko A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/117

В работе рассмотрено условие эффективной работы поршневого компрессора при впрыске охлаждающей жидкости, которое заключается в том, что затраты на ее распыление и впрыск должны быть меньше, чем выигрыш в индикаторной работе, получаемый при интенсивном охлаждении газа и приближении процесса сжатия к изотермическому.Максимальный относительный выигрыш в подводимой технической работе составляет не более 25 % при использовании системы впрыска охлаждающей жидкости. Следовательно, для получения энергетического эффекта от применения системы охлаждения затраты на ее организацию не должны превышать 10–15 %.Наибольшее влияние на величину выигрыша энергии при организации впрыска жидкости оказывает средний радиус капель охлаждающей жидкости, затем — относительное количество впрыскиваемой жидкости.Эффективность впрыска жидкости увеличивается с увеличением отношения давления нагнетания к давлению всасывания и с уменьшением числа оборотов коленчатого вала. 

The paper considers the condition of efficient operation of a piston compressor with coolant injection, which consists in the fact that the costs of its spraying and injection should be less than the gain in indicator work obtained with intensive gas cooling and the compression process approaching isothermal.The maximum relative gain in the supplied technical work is no more than 25 % when using a coolant injection system. Therefore, to obtain an energy effect from using a cooling system, the costs of organizing it should not exceed (10–15) %.The greatest influence on the amount of energy gain when organizing liquid injection is exerted by the average radius of coolant droplets, then by the relative amount of injected liquid.The efficiency of liquid injection increases with an increase in the ratio of the discharge pressure to the suction pressure and with a decrease in the number of crankshaft revolutions.Keywords: positive displacement compressor, gain in indicator work, coolant injection, injection pressure, number of revolutions, relative amount of injected liquid, average droplet radius, heat exchange.компрессор объемного действиявыигрыш в индикаторной работевпрыск охлаждающей жидкостидавление нагнетаниячисло оборотовотносительное количество впрыскиваемой жидкостисредний радиус каплитеплообменpositive displacement compressorgain in indicator workcoolant injectioninjection pressurenumber of revolutionsrelative amount of injected liquidaverage droplet radiusheat exchangeReferencesПластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет. 3-е изд. Москва: Колос, 2006. 456 с. ISBN 5-9532-0428-0.Plastinin P. I. Porshnevyye kompressory. V 2 t. T. 1. Teoriya i raschet [Piston compressors. In 2 vols. Vol. 1. Theory and calculation]. 3rd ed. Moscow, 2006. 456 p. ISBN 5-9532-0428. (In Russ.).Фотин Б. С., Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К., Пластинин П. И. Поршневые компрессоры // под общ. ред. Б. С. Фотина. Ленинград: Машиностроение, 1987. 372 с.Fotin B. S., Pirumov I. B., Prilutskiy I. K., Plastinin P. I. Porshnevyye kompressory [Piston compressors] // Ed. by B. S. Fotina. Leningrad, 1987. 372 p. (In Russ.).Щерба В. Е. Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров объемного действия. 2-е изд., доп. Москва: Юрайт, 2019. 323 с.Scherba V. E. Teoriya, raschet i konstruirovaniye porshnevykh kompressorov ob”yemnogo deystviya [Theory, calculation and design of piston compressors of volumetric action]. 2nd ed., supplement. Moscow, 2019. 323 p. (In Russ.).Shcherba V. E., Khait A., Nosov E. Yu., Pavlyuchenko E. A. Numerical Analysis of Unsteady Heat Transfer in the Chamber in the Piston Hybrid Compressor with Regenerative Heat Exchange // Machines. 2023. Vol. 11 (3). Р. 363. DOI: 10.3390/machines11030363.Shcherba V. E., Khait A., Nosov E. Yu., Pavlyuchenko E. A. Numerical Analysis of Unsteady Heat Transfer in the Chamber in the Piston Hybrid Compressor with Regenerative Heat Exchange // Machines. 2023. Vol. 11 (3). Р. 363. DOI: 10.3390/ machines11030363. (In Engl.).Shcherba V. E., Khodoreva E. V., Dorofeev E. A. Methodology for Preliminary Assessment of Design Parameters of Suction Valve and Discharge Valve of a Piston Hybrid Energy Machine of Volumetric Action with Regenerative Heat Exchange // Russian Engineering Research. 2024. Vol. 44, no. 5. P. 639–646. DOI: 10.3103/S1068798X24700758.Shcherba V. E., Khodoreva E. V., Dorofeev E. A. Methodology for Preliminary Assessment of Design Parameters of Suction Valve and Discharge Valve of a Piston Hybrid Energy Machine of Volumetric Action with Regenerative Heat Exchange // Russian Engineering Research. 2024. Vol. 44, no. 5. P. 639– 646. DOI: 10.3103/S1068798X24700758. (In Engl.).Shcherba V. E., Grigoriev A. V., Zaloznov I. P., Ovsyannikov A. Yu. Assessing the efficiency of various cooling methods for reciprocating compressors // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. Vol. 57, no. 9–10. Р. 756–764. DOI: 10.1007/ s10556-022-01003-5.Shcherba V. E., Grigoriev A. V., Zaloznov I. P., Ovsyannikov A. Yu. Assessing the efficiency of various cooling methods for reciprocating compressors // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. Vol. 57, no. 9–10. Р. 756–764. DOI: 10.1007/ s10556-022-01003-5. (In Engl.).Shcherba V. E., Shalai V. V., Grigoryev A. V., Pavlyuchenko E. A., Ovsyannikov A. Yu. General approach for estimating the energy efficiency of cooling in positive displacement compressors // Chemical and Petroleum Engineering. 2021. Vol. 57, no. 7–8. Р. 567–575. DOI: 10.1007/s10556-021-00977-y. EDN: CMOZRA.Shcherba V. E., Shalai V. V., Grigoryev A. V., Pavlyuchenko E. A., Ovsyannikov A. Yu. General approach for estimating the energy efficiency of cooling in positive displacement compressors // Chemical and Petroleum Engineering. 2021. Vol. 57, no. 7–8. Р. 567–575. DOI: 10.1007/s10556-021-00977-y. EDN: CMOZRA. (In Engl.).Пат. 2763099 Российская Федерация, МПК F04В 39/06 (2006.01), F04В 49/02 (2006.01). Способ работы системы жидкостного охлаждения машины объемного действия и устройство для его осуществления / Щерба В. Е., Болштянский А. П., Азябин З. В., Носов Е. Ю., Тегжанов А. С. № 2021107058; заявл. 18.03.2021; опубл. 27.12.2021. Бюл. № 36.Patent 2111900 Russian Federation, IPC F04V 39/06 (2006.01), F04V 49/02 (2006.01). Sposob raboty sistemy zhidkostnogo okhlazhdeniya mashiny ob”yemnogo deystviya i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [Method for operation of the liquid cooling system of the positive displacement machine and the device for its implementation] / Scherba V. E., Bolshtyanskiy A. P., Azyabin Z. V., Nosov E. Yu., Tegzhanov A. S. No. 2021107058. (In Russ.).Khait A., Shcherba V., Nosov E. Numerical and experimental investigation of the hybrid piston compressor using the novel multi-time-scale OpenFOAM®-based model // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 249 (5). 123448. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2024.123448.Khait A., Shcherba V., Nosov E. Numerical and experimental investigation of the hybrid piston compressor using the novel multi-time-scale OpenFOAM®-based model // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 249 (5). 123448. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2024.123448. (In Engl.).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 (751). С. 96–102. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-10-96-102. EDN: DISNZR.Scherba V. E. Metodika otsenki vremeni raboty v kompressornom rezhime porshnevoy gibridnoy energeticheskoy mashiny ob”yemnogo deystviya s regenerativnym teploobmenom [Method for estimating the operating time in the compressor mode of a reciprocating hybrid power machine with regenerative heat exchange] // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroyeniye. BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2022. No. 10 (751). P. 96–102. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-1096-102. EDN: DISNZR. (In Russ.).Пластинин П. И., Щерба В. Е. Рабочие процессы объемных компрессоров со впрыском жидкости. Москва: ВИНИТИ, 1996. 153 с.Plastinin P. I., Scherba V. E. Rabochiye protsessy ob”yemnykh kompressorov so vpryskom zhidkosti [Operating processes of liquid injection positive displacement compressors]. Moscow, 1996. 153 p. (In Russ.).Воропай П. И. Эффективный способ охлаждения воздуха в поршневых компрессорах // Промышленная энергетика. 1963. № 12. С. 24–29.Voropay P. I. Effektivnyy sposob okhlazhdeniya vozdukha v porshnevykh kompressorakh [Efficient method of air cooling in reciprocating compressors] // Promyshlennaya energetika. Promyshlennaya Energetika. 1963. No. 12. P. 24–29. (In Russ.).Слободянюк Л. И., Гогин Ю. Н. Охлаждение компрессора впрыском воды в цилиндр // Известия вузов. Энергетика. 1961. № 9. С. 62–66.Slobodyanyuk L. I., Gogin Yu. N. Okhlazhdeniye kompressora vpryskom vody v tsilindr [Cooling of the compressor by water injection into the cylinder] // Izvestiya vuzov. Energetika. Izvestiya Vuzov. Energetika. 1961. No. 9. P. 62–66. (In Russ.).Сакун И. А. Винтовые компрессоры. Ленинград: Машиностроение, 1970. 400 с.Sakun I. A. Vintovyye kompressory [Screw compressors]. Leningrad, 1970. 400 p. (In Russ.).Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуумнасосы / пер. с чешского А. А. Трохина. Москва: Машиностроение, 1971. 128 с.Khlumskiy V. Rotatsionnyye kompressory i vakuumnasosy [Rotary compressors and vacuum pumps] / trans. from Czech A. A. Trokhina. Moscow, 1971. 128 p. (In Russ.).Jin Y., Guo Y., Zhang S. [et al.]. Study on the dynamic characteristics of the free piston in the ionic liquid compressor for hydrogen refueling stations by the fluid-structure interaction modeling // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48 (2). P. 25410–25422. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.202.Jin Y., Guo Y., Zhang S. [et al.]. Study on the dynamic characteristics of the free piston in the ionic liquid compressor for hydrogen refueling stations by the fluid-structure interaction modeling // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48 (2). P. 25410–25422. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.202. (In Engl.).Zhou H., Dong P., Zhao S. [et al.]. Interrupted plate porous media design for ionic liquid-type liquid piston hydrogen compressor and analysis of the effect on compression efficiency // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 51 (17). 104410. DOI: 10.1016/j.est.2022.104410.Zhou H., Dong P., Zhao S. [et al.]. Interrupted plate porous media design for ionic liquid-type liquid piston hydrogen compressor and analysis of the effect on compression efficiency // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 51 (17). 104410. DOI: 10.1016/j.est.2022.104410. (In Engl.).Shcherba V. E., Shalay V. V., Nosov E. Yu., Pavlyuchenko E. А., Tegzhanov A. S. Development and Research of CrossheadFree Piston Hybrid Power Machine // Machines. 2021. Vol. 9, no. 32. Р. 1–38. DOI: 10.3390/machines9020032.Shcherba V. E., Shalay V. V., Nosov E. Yu., Pavlyuchenko E. А., Tegzhanov A. S. Development and Research of CrossheadFree Piston Hybrid Power Machine // Machines. 2021. Vol. 9, no. 32. Р. 1–38. DOI: 10.3390/machines9020032. (In Engl.).Shcherba V. E., Tegzhanov A.-Kh. S. Mathematical model of working processes of a positive displacement piston hybrid power machine with a gas cap and two suction valves // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. Vol. 58, no. 5–6. Р. 388–397. DOI: 10.1007/s10556-022-01104-1.Shcherba V. E., Tegzhanov A.-Kh. S. Mathematical model of working processes of a positive displacement piston hybrid power machine with a gas cap and two suction valves // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. Vol. 58, no. 5–6. Р. 388–397. DOI: 10.1007/s10556-022-01104-1. (In Engl.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.