avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-4-29-38WVAYGRavroen-121Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGАнализ термодинамической эффективности теоретического многоступенчатого компрессора с комбинированным применением адиабатного, изотермического и субизотермического процессов сжатияAnalysis of the thermodynamic efficiency of a theoretical multi-stage compressor with the combined use of adiabatic, isothermal and subisothermal compression processeshttps://orcid.org/0000-0001-9858-7687ЮшаВ. Л.YushaV. L.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор , главный специалист технического отдела 

AuthorID (SCOPUS): 6505861937

ResearcherID: J-8079-2013

644042, г. Омск, ул. Иртышская набережная, 11, корп. 1

YUSHA Vladimir Leonidovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Specialist of Technical Department

Omsk

SPIN-code: 1503-9666

ORCID: 0000-0001-9858-7687

AuthorID (SCOPUS): 6505861937

ResearcherID: J-8079-2013

ОАО «Сибнефтетранспроект»РоссияOJSC «Sibneftetransproekt»Russian Federation202430122024842938Copyright © Юша В.Л., 20242024Юша В.Л.Yusha V.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/121

Представлен термодинамический анализ процессов сжатия при интенсивном отводе тепла в предположении о возможности его реализации при показателе политропы, меньшем единицы. Предложена терминологическая классификация политропных процессов, в том числе рассмотрено понятие о субизотермическом процессе. Разработана методика определения показателя политропы субизотермического процесса при теоретическом комбинированном многоступенчатом сжатии, а также методики сравнительной оценки энергоэффективности различных вариантов теоретического комбинированного многоступенчатого сжатия и тепловой нагрузки на теплообменное оборудование. Выполнен сравнительный термодинамический анализ различных вариантов теоретического многоступенчатого сжатия при комбинированном применении адиабатных, изотермических и субизотермических ступеней. Полученные результаты позволяют предполагать, что теоретически, с точки зрения термодинамических критериев эффективности, комбинированное многоступенчатое сжатие предпочтительнее в сравнении с многоступенчатым адиабатным сжатием. Перспективы практического применения субизотермических ступеней в составе многоступенчатых компрессорных установок определяются возможностями их конструктивной реализации. 

A thermodynamic analysis of compression processes with intensive heat removal is presented under the assumption that it can be realized with a polytropic index less than 1. A terminological classification of polytropic processes is proposed, including the concept of a subisothermal process. A method has been developed for determining the polytropic index of a subisothermal process under theoretical combined multi-stage compression, as well as methods for comparative assessment of the energy efficiency of various options for theoretical combined multi-stage compression and the thermal load on heat exchange equipment. A comparative thermodynamic analysis of various options for theoretical multi-stage compression with the combined use of adiabatic, isothermal and subisothermal stages has been performed. The results obtained suggest that, theoretically, from the point of view of thermodynamic efficiency criteria, combined multistage compression is preferable to multistage adiabatic compression. The prospects for the practical use of subisothermal stages as part of multi-stage compressor units are determined by the possibilities of their constructive implementation.классификация политропных процессовсубизотермическое сжатиетеоретический комбинированный многоступенчатый компрессордожимной поршневой тихоходный длинноходовой компрессорэнергоэффективностьтепловая нагрузка на теплообменное оборудование.классификация политропных процессовсубизотермическое сжатиетеоретический комбинированный многоступенчатый компрессордожимной поршневой тихоходный длинноходовой компрессорэнергоэффективностьтепловая нагрузка на теплообменное оборудование.classification of polytropic processessubisothermal compressiontheoretical combined multistage compressorbooster piston low-speed long stroke compressorenergy efficiencythermal load on heat exchange equipmentReferencesАгурин А. П. Передвижные компрессорные станции. Москва: Высшая школа, 1979. 168 с.Agurin A. P. Peredvizhnyye kompressornyye stantsii [Mobile compressor stations]. Moscow, 1979. 168 p. (In Russ.).Петров Л. А., Антонов О. В. Опыт эксплуатации компрессорной азотной станции при освоении нефтяных скважин // Компрессорная техника и пневматика. 2004. № 4. С. 8.Petrov L. A., Antonov O. V. Opyt ekspluatatsii kompressornoy azotnoy stantsii pri osvoyenii neftyanykh skvazhin [Experience of operating a nitrogen compressor station during oil well development] // Kompressornaya tekhnika i pnevmatika. Compressor Technology and Pneumatics. 2004. No. 4. P. 8. (In Russ.).Передвижные и переносные компрессорные станции для получения азота // Техномир. 2006. № 4. С. 42–43.Peredvizhnyye i perenosnyye kompressornyye stantsii dlya polucheniya azota [Mobile and portable compressor stations for nitrogen production] // Tekhnomir. Technomir. 2006. No. 4. P. 42–43. (In Russ.).Пластинин П. И. Передвижные компрессорные станции // Насосостроение и компрессоростроение. Холодильное машиностроение. Москва: 1977. Т. 1. 103 с.Plastinin P. I. Peredvizhnyye kompressornyye stantsii [Mobile compressor stations] // Nasosostroyeniye i kompressorostroyeniye. Kholodil′noye mashinostroyeniye. Nasosostroyeniye i Kompressorostroyeniye. Kholodil′noye Mashinostroyeniye. 1977. Vol. 1. 103 p. (In Russ.).Дмитриев В. Т. Обоснование и выбор энергосберегающих параметров функционирования шахтных компрессорных установок: дис. д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2006. 227 с.Dmitriyev V. T. Obosnovaniye i vybor energosberegayushchikh parametrov funktsionirovaniya shakhtnykh kompressornykh ustanovok [Rationale and choice of energy saving parameters for operation of mine compressor units]. Ekaterinburg, 2006. 227 p. (In Russ.).Хисамеев И. Г., Максимов В. А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры: теория, расчет и проектирование. Казань: Фэн, 2000. 638 с.Khisameyev I. G., Maksimov V. A. Dvukhrotornyye vintovyye i pryamozubyye kompressory: teoriya, raschet i proyektirovaniye [Twin-rotor screw and spur screw compressors: theory, calculation and design]. Kazan, 2000. 638 p. (In Russ.).Юша В. Л. Создание и совершенствование ступеней компрессоров объёмного действия для автономных мобильных установок: дис. … д-ра техн. наук. Омск, 2008. 434 с.Yusha V. L. Sozdaniye i sovershenstvovaniye stupeney kompressorov ob′′yemnogo deystviya dlya avtonomnykh mobil′nykh ustanovok [Creation and improvement of volumetric compressor stages for autonomous mobile units]. Omsk, 2008. 434 p. (In Russ.).Захаренко С. Е., Анисимов С. А., Дмитревский В. А. [и др.]. Поршневые компрессоры / под ред. С. Е. Захаренко. Москва-Ленинград: Машгиз, 1961. 455 с.Zakharenko S. E., Anisimov S. A., Dmitrevskiy V. A. [et al.]. Porshnevyye kompressory [Piston compressors] / ed. by S. E. Zakharenko. Moscow-Leningrad, 1961. 455 p. (In Russ.).Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. 3-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Машиностроение, 1969. 744 с.Frenkel M. I. Porshnevyye kompressory. Teoriya, konstruktsii i osnovy proyektirovaniya [Piston compressors. Theory, structures and design fundamentals]. 3nd ed., revised and supplemented. Leningrad, 1969. 744 p. (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] / by ed. B. S. Fotina. Leningrad, 1987. 372 p. (In Russ.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. Москва: КолосС, 2006. 456 с.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. (In Russ.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 2. Основы проектирования. Конструкции. Москва: КолосС, 2008. 711 с.Plastinin P. I. Porshnevyye kompressory. V 2 t. T. 2. Osnovy proyektirovaniya. Konstruktsii [Piston compressors. In 2 vols. Vol. 2. Fundamentals of design. Structures]. 3rd ed. Moscow, 2008. 711 p. (In Russ.).Берман Я. А., Маньковский О. Н., Марр Ю. Н., Рафалович А. П. Системы охлаждения компрессорных установок. Ленинград: Машиностроение, 1984. 228 с.Berman Ya. A., Mankovskiy O. N., Marr Yu. N., Rafalovich A. P. Sistemy okhlazhdeniya kompressornykh ustanovok [Compressor cooling systems]. Leningrad, 1984. 228 p. (In Russ.).Юша В. Л. Научно-технологические предпосылки совершенствования и промышленного освоения малорасходных компрессорных агрегатов на базе длинноходовых поршневых ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 3. С. 24–39. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-24-39.Yusha V. L. Nauchno-tekhnologicheskiye predposylki sovershenstvovaniya i promyshlennogo osvoyeniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov na baze dlinnokhodovykh porshnevykh stupeney [Scientific and technological prerequisites forimprovement and industrial development of low-flow compressor units based on long-stroke piston stages] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionnoraketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 3. P. 24–39. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-24-39. (In Russ.).Бусаров С. С. Создание и совершенствование бессмазочных поршневых компрессоров среднего и высокого давления на базе малорасходных тихоходных длинноходовых ступеней: дис. … д-ра техн. наук. Омск, 2024. 325 с.Busarov S. S. Sozdaniye i sovershenstvovaniye bessmazochnykh porshnevykh kompressorov srednego i vysokogo davleniya na baze maloraskhodnykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupeney [Creation and improvement of greasefree reciprocating compressors of medium and high pressure on the basis of low-flow low-speed long stroke stages]. Omsk, 2024. 325 p. (In Russ.).Yusha V. L., Den’gin V. G., Busarov S. S., Nedovenchanyj A. V., Gromov A. Yu. The estimation of thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages in reciprocating compressors // Procedia Engineering. 2015. Vol. 113. P. 264–269. DOI: 10.1016/j.proeng. 2015.07.333.Yusha V. L., Den’gin V. G., Busarov S. S., Nedovenchanyj A. V., Gromov A. Yu. The estimation of thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages in reciprocating compressors // Procedia Engineering. 2015. Vol. 113. P. 264–269. DOI: 10.1016/j. proeng. 2015.07.333. (In Engl.).Yusha V. L., Busarov S. S., Gromov A. Y. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 53 (7-8). P. 453–458. DOI: 10.1007/s10556-017-0362-2.Yusha V. L., Busarov S. S., Gromov A. Y. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 53 (7-8). P. 453–458. DOI: 10.1007/s10556-017-0362-2. (In Engl.).Busarov S. S., Nedovenchanyi A. V., Yusha V. L., Gromov A. Yu., Sazhin B. S. Analysis of thermal state of intensely cooled long-stroke low-speed piston compressor stage // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52. Р. 597–601.Busarov S. S., Nedovenchanyi A. V., Yusha V. L., Gromov A. Yu., Sazhin B. S. Analysis of thermal state of intensely cooled long-stroke low-speed piston compressor stage // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52. Р. 597–601. (In Engl.).Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik: Teil I. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 p.Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik: Teil I. Darmstadt; Steinkopff, 1998. 543 p. (In Engl.).Кириллин В. А., Сычёв В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. Москва: Энергоатомиздат, 1983. 407 с.Kirillin V. A., Sychev V. V., Sheyndlin A. E. Tekhnicheskaya termodinamika. [Technical thermodynamics]. Moscow, 1983. 407 p. (In Russ.).Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. Москва: Мир, 1977. 518 с.Ber G D. Tekhnicheskaya termodinamika [Technical thermodynamics]. Moscow, 1977. 518 p. (In Russ.).Богданов С. Н., Бучко Н. А., Гуйго Э. И. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен. Москва: Агропромиздат, 1986. 320 с.Bogdanov S. N., Buchko N. A., Guygo E. I. Teoreticheskiye osnovy khladotekhniki. Teplomassoobmen [Theoretical foundations of refrigeration engineering. Heat and mass transfer]. Moscow, 1986. 320 p. (In Russ.).Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных транскритических циклов диоксида углерода // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. Вып. 3. DOI: 10.18698/2308-6033-20173-1601. EDN: YHEUPJ.Arkharov A. M., Shishov V. V., Talyzin M. S. Entropiynostatisticheskiy analiz nizkotemperaturnykh transkriticheskikh tsiklov dioksida ugleroda [Statistical entropy analysis of carbon dioxide low-temperature transcritical cycles] // Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. Engineering Journal: Science and Innovation. 2017. Issue 3. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-3-1601. EDN: YHEUPJ. (In Russ.).Хрёкин А. С., Баранов И. В. Сравнительный анализ эффективности циклов холодильных машин // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 12–21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21. EDN: LNYFMY.Khrekin A. S., Baranov I. V. Sravnitel′nyy analiz effektivnosti tsiklov kholodil′nykh mashin [Comparative analysis of the efficiency of refrigeration machine cycles] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021. No. 1. P. 12–21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21. EDN: LNYFMY. (In Russ.).World Guide to Transcritical CO2 Refrigeration. Part 1. URL: https://ingenium-company.ru/upload/world-guide-to-transcritical-co2-refrigeration-part-1.pdf (дата обращения: 11.05.2024).World Guide to Transcritical CO2 Refrigeration. Part 1. URL: https://ingenium-company.ru/upload/world-guide-to-transcritical-co2-refrigeration-part-1.pdf (accessed: 11.05.2024). (In Engl.).Юша В. Л. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров: моногр. Новосибирск: Наука, 2006. 236 с. ISBN 5-02-023169-X.Yusha V. L. Sistemy okhlazhdeniya i gazoraspredeleniya ob”yemnykh kompressorov [Refrigeration and gas distribution systems for positive displacement compressors]. Novosibirsk, 2006. 236 p. ISBN 5-02-023169-X. (In Russ.).Бажан П. И., Каневец Г. Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. Москва: Машиностроение, 1989. 366 с.Bazhan P. I., Kanevets G. E., Seliverstov V. M. Spravochnik po teploobmennym apparatam [Handbook for heat exchangers]. Moscow, 1989. 366 p. (In Russ.).Данилова Г. Н., Богданов С. Н., Иванов О. П. [и др.]. Теплообменные аппараты холодильных установок. Ленинград: Машиностроение, 1973. 328 с.Danilova G. N., Bogdanov S. N., Ivanov O. P. [et al.]. Teploobmennyye apparaty kholodil′nykh ustanovok [Heat exchangers in refrigeration plants]. Leningrad, 1973. 328 p. (In Russ.).Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности»: приказ Ростехнадзора от 15.12.2020 г. URL: https://hna34.ru/federalnyenormy-i-pravila-v-oblasti-promyshlennoj-bezopasnosti/246prikaz-rostekhnadzora-15-12-2020-533.html (дата обращения: 15.05.2024).Federal′nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti. «Obshchiye pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnykh khimicheskikh, neftekhimicheskikh i neftepererabatyvayushchikh proizvodstv. Federal′nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti»: prikaz Rostekhnadzora ot 15.12.2020 g. [Federal norms and rules in the field of industrial safety. ‘General rules of explosion safety for explosion and fire hazardous chemical, petrochemical and oil refining industries. Federal norms and rules in the field of industrial safety’: order of Rostechnadzor dated 15.12.2020]. URL: https:// hna34.ru/federalnye-normy-i-pravila-v-oblasti-promyshlennojbezopasnosti/246-prikaz-rostekhnadzora-15-12-2020-533.html (accessed: 15.05.2024). (In Russ.).ГОСТ Р 54802 — 2011 (ИСО 13631:2002). Нефтяная и газовая промышленность. Компрессоры поршневые газовые агрегатированные. Технические требования (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. № 1166-ст). Введ. 01.06.2013. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200098739 (дата обращения: 15.05.2024).GOST R 54802 — 2011 (ISO 13631:2002). Neftyanaya i gazovaya promyshlennost′. Kompressory porshnevyye gazovyye agregatirovannyye. Tekhnicheskiye trebovaniya [Petroleum and natural gas industries. Packaged reciprocating gas compressors. Technical requirements]. URL: https://docs.cntd.ru/ document/1200098739 (accessed: 15.05.2024). (In Russ.).Busarov S. S., Yusha V. L. Implementation features of multistage compression in air compressor units based on lowspeed long-stroke stages // Chemical and Petroleum Engineering. 2021. Vol. 57 (3). P. 576–582. DOI: 10.1007/s10556-021-00978-x.Busarov S. S., Yusha V. L. Implementation features of multistage compression in air compressor units based on lowspeed long-stroke stages // Chemical and Petroleum Engineering. 2021. Vol. 57 (3). P. 576–582. DOI: 10.1007/s10556-021-00978-x. (In Engl.).

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