avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-1-17-24SWSUHVavroen-13Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGТеоретическая оценка эффективности применения одноступенчатых длинноходовых поршневых компрессоров в холодильной технике и системах сжижения углеводородовTheoretical assessment of the effectiveness of application single-stage long-stroke piston compressors in refrigeration and hydrocarbon gas liquefaction systemshttps://orcid.org/0000-0001-9858-7687ЮшаВ. Л.YushaV. L.

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

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

AuthorID (SCOPUS): 6505861937; ResearcherID: J-8079-2013.

 

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

Irtyshskaya Embankment str., bld. 11/1, Omsk, 644042.

AuthorID (SCOPUS): 6505861937; ResearcherID: J-8079-2013.

1978yusha@mail.ruОАО «Сибнефтетранспроект»РоссияOJSC «Sibneftetransproekt»Russian Federation202430032024811724Copyright © 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/13

Представлен анализ основных современных технологий получения низких температур и ожижения углеводородов с использованием компрессорного оборудования и приведены наиболее значимые результаты исследований в области малорасходных компрессоров на базе тихоходных длинноходовых поршневых ступеней. Представлена методика расчета идеального парокомпрессионного холодильного цикла, адаптированная к рассматриваемому объекту с учетом возможности реализации квазиизотермического сжатия. Выполнен сравнительный расчетный анализ температурных режимов и термодинамической эффективности двухступенчатого холодильного цикла и одноступенчатых холодильных циклов при адиабатном и квазиизотермическом процессах сжатия в диапазоне температур кипения 278 К … 198 К. Показано, что по величине температуры нагнетания и холодильного коэффициента одноступенчатая парокомпрессионная аммиачная холодильная машина на базе тихоходной квазиизотермической ступени сравнима с аналогичной двухступенчатой машиной на базе адиабатных ступеней. Это позволяет, применительно к действительным объектам — малым холодильным машинам и установкам, прогнозировать как энергетические, так и технические преимущества применения одноступенчатой схемы на базе тихоходных длинноходовых поршневых компрессоров. Кроме этого, показано, что эффективное применение такого компрессора возможно и в системах ожижения углеводородов, при этом обеспечиваются их безопасные температурные режимы в широком диапазоне атмосферных температур.

The analysis of the main modern technologies for obtaining low temperatures and liquefying hydrocarbons using compressor equipment is presented and the most significant results of research in the field of low-flow compressors based on low-speed, long-stroke piston stages are presented. A method for calculating an ideal vapor-compression refrigeration cycle is presented, adapted to the object under consideration, taking into account the possibility of implementing quasi-isothermal compression. A comparative computational analysis of temperature conditions and thermodynamic efficiency of a two-stage refrigeration cycle and single-stage refrigeration cycles is carried out during adiabatic and quasi-isothermal compression processes in the boiling temperature range 278 K ... 198 K. It is shown that in terms of the discharge temperature and coefficient of performance, a single-stage vaporcompression ammonia refrigeration machine based on a low-speed quasi-isothermal stage is comparable to a similar two-stage machine based on adiabatic stages. This allows, in relation to actual objects — small refrigeration machines and installations, to predict both the energy and technical advantages of using a single-stage scheme based on low-speed, long-stroke piston compressors. In addition, it has been shown that the effective use of such a compressor is also possible in hydrocarbon liquefaction systems, while ensuring their safe temperature conditions in a wide range of atmospheric temperatures.

одноступенчатые и многоступенчатые холодильные циклыпоршневая тихоходная длинноходовая ступень«квазиизотермическое» сжатиехолодильный коэффициенттемпература и давление кипения и конденсацииsingle-stage and multi-stage refrigeration cycleslow-speedlong-stroke piston stage«quasi-isothermal» compressioncoefficient of performancetemperature and pressure of boiling and condensationReferencesЗеликовский И. Х. Малые холодильные машины и установки: cправ. / под ред. И. Х. Зеликовского, Л. Г. Каплана. Москва: Агропромиздат, 1989. 671 с. ISBN 5-10-000203-4.Zelikovskiy I. Kh. Malyye kholodil’nyye mashiny i ustanovki: sprav. [Small refrigerating machines and installations: handbook] / ed. by Zelikovskogo I. Kh., Kaplana L. G. Moscow, 1989. 671 p. ISBN 5-10-000203-4. (In Russ.).Trott A. R., Welch T. Refrigeration and Air-Conditioning. 3rd ed. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000. 377 p. ISBN 9780750642194.Trott A. R., Welch T. Refrigeration and Air-Conditioning. 3rd ed. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000. 377 p. ISBN 9780750642194. (In Engl.).BITZER. Поршневые компрессоры. URL: https://www.bitzer.de/ru/ru/поршневые-компрессоры/ (дата обращения: 16.12.2023).BITZER. Porshnevyye kompressory [BITZER. Piston compressors]. URL: https://www.bitzer.de/ru/ru/поршневыекомпрессоры/ (accessed: 16.12.2023). (In Russ.).Компрессоры Copeland. URL: https://copelandcompressor.ru (дата обращения: 16.12.2023).Kompressory Copeland. [Copeland compressors]. URL: https://copelandcompressor.ru (accessed: 16.12.2023). (In Russ.).Колбенков С. П. Установки сжиженного газа для коммунально-бытовых и промышленных потребителей. 2-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Недра, 1976. 159 с.Kolbenkov S. P. Ustanovki szhizhennogo gaza dlya kommunal’no-bytovykh i promyshlennykh potrebiteley [Liquefied gas installations for municipal and industrial consumers]. 2nd ed. Leningrad, 1976. 159 p. (In Russ.).Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Москва, Ленинград: Машгиз, 1960. 655 с.Frenkel’ M. I. Porshnevyye kompressory. Teoriya, konstruktsii i osnovy proyektirovaniya [Piston compressors. Theory, structures and design fundamentals]. Moscow– Leningrad, 1960. 655 p. (In Russ.).Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: КолосС, 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- 0428-0. (In Russ.).Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»: приказ от 15.12.2020 г. № 533. URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=390702 (дата обращения: 23.06.2023).Ob utverzhdenii federal’nykh norm i pravil v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Obshchiye pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnykh khimicheskikh, neftekhimicheskikh i neftepererabatyvayushchikh proizvodstv»: prikaz ot 15.12.2020 g. № 533 [On approval of 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 production facilities»: Order No. 533 dated 15.12.2020]. URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=390702 (accessed: 23.06.2023). (In Russ.).ГОСТ Р 54802-2011 (ИСО 13631:2002). Нефтяная и газовая промышленность. Компрессоры поршневые газовые агрегатированные. Технические требования. Введ. 2013–06–01. Москва: Cтандартинформ, 2014. 92 с.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]. Moscow, 2014. 92 p. (In Russ.).Теплофизические основы получения искусственного холода: cправ. / Сост. Бучко Н. А., Данилова Г. Н., Гоголин А. А. [и др.]. Москва: Пищевая промышленность, 1980. 232 с.Teplofizicheskiye osnovy polucheniya iskusstvennogo kholoda: sprav. [Thermophysical bases for obtaining artificial cold: handbook] / Comp. Buchko N. A., Gogolin A. A., Latyshev V. P. [et al.]. Moscow, 1980. 232 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 technology. Heat and mass transfer]. Moscow, 1986. 320 p. (In Russ.).Dutta A. K., Yanagisawa T., Fukuta M. A Study on Compression Characteristic of Wet Vapor Refrigerant // International Compressor Engineering Conference at Purdue. 1996. 1112. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/1112 (дата обращения: 14.05.2022).Dutta A. K., Yanagisawa T., Fukuta M. A Study on Compression Characteristic of Wet Vapor Refrigerant // International Compressor Engineering Conference at Purdue. 1996. 1112. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/1112 (accessed: 14.05.2022). (In Engl.).Akhmed H. J., Khalifa A. H., Khalaf D. Z. Performance Investigation of Vapor Compression Cycle with a Variable Speed Compressor and Refrigerant Injection // Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 16, no. 2. P. 63–76. DOI: 10.24191/jmeche.v16i2.15327.Akhmed H. J., Khalifa A. H., Khalaf D. Z. Performance Investigation of Vapor Compression Cycle with a Variable Speed Compressor and Refrigerant Injection // Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 16, no. 2. P. 63–76. DOI: 10.24191/jmeche.v16i2.15327. (In Engl.).Wang B., Yang M., Dewitte P. [et al.]. Evaluation of methods to decrease the discharge temperature of R32 scroll compressor // International Compressor Engineering Conference at Purdue. 2014. 2371. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/2371 (дата обращения: 11.03.2022).Wang B., Yang M., Dewitte P. [et al.]. Evaluation of methods to decrease the discharge temperature of R32 scroll compressor // International Compressor Engineering Conference at Purdue. 2014. 2371. URL: https://docs.lib.purdue.edu/icec/2371 (accessed: 11.03.2022). (In Engl.).Pawale K. T., Sali N. V., Deshpande G. N. Vapor compression refrigeration system with refrigerant injection: a review // Elixir Mech. Eng. 2014. Vol. 72. P. 25410–25414.Pawale K. T., Sali N. V., Deshpande G. N. Vapor compression refrigeration system with refrigerant injection: a review // Elixir Mech. Eng. 2014. Vol. 72. P. 25410–25414. (In Engl.).Lin J., Lian Y., Wu J. Numerical investigation on vapor-liquid two-phase compression in the cylinder of rotary compressors // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 170. 115022. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115022.Lin J., Lian Y., Wu J. Numerical investigation on vapor-liquid two-phase compression in the cylinder of rotary compressors // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 170. 115022. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115022. (In Engl.).BITZER. Система CIC для поршневых компрессоров Битцер. URL: http://cis.bitzer.ru/sistema_cic_dlya_porshnevih_kompressorov_bitcer (дата обращения: 22.02.2022).BITZER. Sistema CIC dlya porshnevykh kompressorov Bittser [BITZER. Controlled Injection Cooling (CIC) for BITZER piston compressors]. URL: http://cis.bitzer.ru/sistema_cic_dlya_porshnevih_kompressorov_bitcer (accessed: 22.02.2022). (In Russ.).Yusha V. L., Den’gin V. G., Busarov S. S. [et al.]. 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. [et al.]. 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.).Юша В. Л., Бусаров С. С. Определение показателей политропы схематизированных рабочих процессов воздушных поршневых тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 1. С. 15–22. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-1-15-22. EDN: OILEDY.Yusha V. L., Busarov S. S. Opredeleniye pokazateley politropy skhematizirovannykh rabochikh protsessov vozdushnykh porshnevykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh kompressornykh stupeney [Determination of polytropic indicators of schematized working processes of air piston slow-moving longstroke compressor stages] // Omskiy Nauchnyy Vestnik. Ser. Aviatsionno-Raketnoye i Energeticheskoye Mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 1. P. 15–22. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-1-15-22. EDN: OILEDY. (In Russ.).Юша В. Л., Бусаров С. С. Методика расчёта действительной производительности одноступенчатых длинноходовых поршневых компрессоров // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 4. С. 9–15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-9-15. EDN: OQNZMY.Yusha V. L., Busarov S. S. Metodika raschëta deystvitel’noy proizvoditel’nosti odnostupenchatykh dlinnokhodovykh porshnevykh kompressorov [Method for calculating actual capacity of single-stage long-stroke reciprocating compressors] // Omskiy Nauchnyy Vestnik. Ser. Aviatsionno-Raketnoye i Energeticheskoye Mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 4. P. 9–15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-4-9-15. EDN: OQNZMY. (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. EDN: YVEINB.Yusha V. L. Nauchno-tekhnologicheskiye predposylki sovershenstvovaniya i promyshlennogo osvoyeniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov na baze dlinnokhodovykh porshnevykh stupeney [Scientific and technological prerequisites for improvement 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. EDN: YVEINB. (In Russ.).Недовенчаный А. В. Повышение энергетической и динамической эффективности поршневого малорасходного одноступенчатого компрессорного агрегата с линейным приводом: дис. … канд. техн. наук. Омск, 2020. 232 с.Nedovenchanyy A. V. Povysheniye energeticheskoy i dinamicheskoy effektivnosti porshnevogo maloraskhodnogo odnostupenchatogo kompressornogo agregata s lineynym privodom [Improving the energy and dynamic efficiency of a piston low-flow single-stage compressor unit with a linear drive]. Omsk, 2020. 232 p. (In Russ.).Yusha V. L., Chernov G. I., Sadvakasov D. H. The Efficiency Theoretical Analysis of the Ammonia Refrigeration Cycle Based on the Compression in the Wet Vapor Region // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2285. 030078. DOI: 10.1063/5.0029565.Yusha V. L., Chernov G. I., Sadvakasov D. H. The Efficiency Theoretical Analysis of the Ammonia Refrigeration Cycle Based on the Compression in the Wet Vapor Region // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2285. 030078. DOI: 10.1063/5.0029565. (In Engl.).Садвакасов Д. Х., Чернов Г. И., Юша В. Л. Анализ влияния факторов неопределенности на математическое моделирование процесса сжатия аммиака в области влажного пара // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 3. С. 30–38. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-3-30-38. EDN: ILJMKS.Sadvakasov D. Kh., Chernov G. I., Yusha V. L. Analiz vliyaniya faktorov neopredelennosti na matematicheskoye modelirovaniye protsessa szhatiya ammiaka v oblasti vlazhnogo para [The analysis of uncertainty factors influence on mathematical modeling of ammonia compression in wet vapor area] // Omskiy Nauchnyy Vestnik. Ser. Aviatsionno-Raketnoye i Energeticheskoye Mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 3. P. 30–38. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-3-30-38. EDN: ILJMKS. (In Russ.).Преображенский Н. И. Сжиженные углеводородные газы. Ленинград: Недра, 1975. 280 с.Preobrazhenskiy N. I. Szhizhennyye uglevodorodnyye gazy [Liquefied hydrocarbon gases]. Leningrad, 1975. 280 p. (In Russ.).Рябцев Н. И., Кряжев Н. Г. Сжиженные углеводородные газы. Москва: Недра, 1977. 279 с.Ryabtsev N. I., Kryazhev N. G. Szhizhennyye uglevodorodnyye gazy [Liquefied hydrocarbon gases]. Moscow, 1977. 279 p. (In Russ.).Акулов Л. А. Установки для разделения газовых смесей. Ленинград: Машиностроение, 1983. 215 с.Akulov L. A. Ustanovki dlya razdeleniya gazovykh smesey [Installations for separating gas mixtures]. Leningrad, 1983. 215 p. (In Russ.).Бармин И. В., Кунис И. Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. 256 с.Barmin I. V., Kunis I. D. Szhizhennyy prirodnyy gaz vchera, segodnya, zavtra [Liquefied natural gas yesterday, today, tomorrow]. Moscow, 2009. 256 p. (In Russ.).Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. In 2 Teil. Darmstadt; Steinkopff, 1998. Teil I. 543 s.Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. In 2 Teil [Technical thermodynamics. In 2 parts]. Darmstadt; Steinkopff, 1998. Teil I. 543 s. (In Germ.).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.).Термодинамические диаграммы i-lgP для хладагентов. Москва: АВИСАНКО, 2003. 50 с.Termodinamicheskiye diagrammy i-lgP dlya khladagentov [Thermodynamic i-lgP diagrams for refrigerants]. Moscow, 2003. 50 p. (In Russ.).Сычёв В. В., Вассерман А. А., Козлов А. Д. [и др.]. Термодинамические свойства пропана. Москва: Изд-во стандартов, 1989. 266 с. ISBN 5-7050-0026-XSychev V. V., Vasserman A. A., Kozlov A. D. [et al.]. Termodinamicheskiye svoystva propana [Thermodynamic properties of propane]. Moscow, 1989. 266 p. ISBN 5-7050-0026-X. (In Russ.).

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