Теоретическая оценка эффективности применения одноступенчатых длинноходовых поршневых компрессоров в холодильной технике и системах сжижения углеводородов

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.

1. Зеликовский 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.

2. Trott A. R., Welch T. Refrigeration and Air-Conditioning. 3rd ed. Butterworth Heinemann, Oxford, 2000. 377 p. ISBN 9780750642194.

3. BITZER. Поршневые компрессоры. URL: https://www.bitzer.de/ru/ru/поршневые-компрессоры/ (дата обращения: 16.12.2023).

4. Компрессоры Copeland. URL: https://copelandcompressor.ru (дата обращения: 16.12.2023).

5. Колбенков С. П. Установки сжиженного газа для коммунально-бытовых и промышленных потребителей. 2-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Недра, 1976. 159 с.

6. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Москва, Ленинград: Машгиз, 1960. 655 с.

7. 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.

8. 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).

9. 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.

10. Теплофизические основы получения искусственного холода: cправ. / Сост. Бучко Н. А., Данилова Г. Н., Гоголин А. А. [и др.]. Москва: Пищевая промышленность, 1980. 232 с.

11. Богданов С. Н., Бучко Н. А., Гуйго Э. И. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен. Москва: Агропромиздат, 1986. 320 с.

12. 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).

13. 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.

14. 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).

15. 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.

16. 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.

17. BITZER. Система CIC для поршневых компрессоров Битцер. URL: http://cis.bitzer.ru/sistema_cic_dlya_porshnevih_kompressorov_bitcer (дата обращения: 22.02.2022).

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Недовенчаный А. В. Повышение энергетической и динамической эффективности поршневого малорасходного одноступенчатого компрессорного агрегата с линейным приводом: дис. … канд. техн. наук. Омск, 2020. 232 с.

23. 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.

24. 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.

25. Преображенский Н. И. Сжиженные углеводородные газы. Ленинград: Недра, 1975. 280 с.

26. Рябцев Н. И., Кряжев Н. Г. Сжиженные углеводородные газы. Москва: Недра, 1977. 279 с.

27. Акулов Л. А. Установки для разделения газовых смесей. Ленинград: Машиностроение, 1983. 215 с.

28. Бармин И. В., Кунис И. Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. 256 с.

29. Bosnjakovic F., Knoche K. F. Technische Thermodynamik. In 2 Teil. Darmstadt; Steinkopff, 1998. Teil I. 543 s.

30. Кириллин В. А., Сычёв В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. Москва: Энергоатомиздат, 1983. 407 с.

31. Термодинамические диаграммы i-lgP для хладагентов. Москва: АВИСАНКО, 2003. 50 с.

32. 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-X