Методы прогнозирования производительности для винтовых компрессоров.


1. ВВЕДЕНИЕ

Винтовые компрессоры все чаще используются в холодильной и газовой промышленности из-за их высокой эффективности и высокой надежности по сравнению с другими типами компрессоров (модели винтовых дизельных компрессоров можно посмотреть тут). Улучшенные характеристики производительности обеспечивают много преимуществ, таких как снижение эксплуатационных расходов и низкий общий углеродный след, что поможет снизить воздействие на окружающую среду. Следовательно, точные прогнозы производительности востребованы с помощью винтового компрессорного продукта и системных разработок.

Был инициирован проект R & D с целью разработки программного обеспечения для выбора винтового компрессора нового поколения в Howden Compressors Limited. Параллельно с этим было проведено исследование для оценки различных методов прогнозирования эффективности, которые могут быть реализованы в программном обеспечении выбора. В настоящем документе обсуждается ряд методов прогнозирования эффективности, используемых в настоящее время как в промышленности, так и в академических кругах.

Предсказание характеристик винтового компрессора при работе с различными газами было одной из основных областей исследований в этой области. Значительная часть исследовательских работ была проведена путем разработки и исследования различных математических моделей для различных применений винтовых компрессоров [1]. Эмпирические и численные методы прогнозирования эффективности были успешно реализованы в пакетах программного обеспечения, используемых для проектирования или выбора винтовых компрессоров.

При выборе подходящего метода прогнозирования эффективности для конкретного приложения необходимо учитывать различные факторы. Точность данных о производительности, очевидно, является важным фактором во многих случаях. Однако часто необходимо учитывать такие факторы, как скорость вычисления, гибкость и адаптивность, зависимость от тестовых данных и надежность метода. Эмпирические методы широко используются в программном обеспечении для выбора компрессора для быстрого выбора и прогнозов производительности; однако результаты являются точными только для моделей компрессоров и рабочих диапазонов, которые они испытывали. В то время как аналитические и численные методы обеспечивают более надежные модели, которые могут охватывать широкий спектр моделей компрессоров и рабочих условий. Однако объем усилий, необходимых для разработки и улучшения этих моделей, часто является существенным.

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Двумя наиболее важными характеристиками винтовых компрессоров являются поглощенная мощность и поток газа. В холодильной промышленности холодильная мощность, которая непосредственно связана с потоком газа, является одним из основных показателей эффективности. Производители компрессоров стремятся улучшить эксплуатационные характеристики за счет минимизации внутренних утечек, снижения потерь мощности в подшипниках и уплотнениях вала и улучшения термодинамической эффективности процесса сжатия.

Два различных типа винтовых компрессоров изготавливаются для целенаправленных применений в качестве безмасляных и масляных компрессоров. В безмасляном типе сжатый газ изолируется от компрессорной масляной системы уплотнениями вала, и газ остается полностью свободным от масла при прохождении через компрессор. В компрессорах с масляным впрыском масло присутствует в роторной камере, которая вытекает из подшипников и / или непосредственно впрыскивается в камеру ротора [2]. Характеристики производительности несколько отличаются для двух типов компрессоров из-за влияния масла на процесс сжатия. В компрессорах с масляной подачей часть тепла, выделяемого при сжатии газа, переносится в масло, что помогает повысить эффективность процесса сжатия. Однако масло, которое выходит из подшипников, нагревает всасывающий газ, что уменьшает мощность машины. Кроме того, определенный процент газа может растворяться в масле в зависимости от газообразной смешиваемости в масле, что может создать ряд неблагоприятных эффектов, таких как более низкая объемная эффективность и деградация масла. Важно учитывать смешиваемость газа в масле, особенно при расчете характеристик компрессоров холодильных винтов.

Холодильные системы работают в замкнутых контурах, тогда как большинство систем сжатия природного газа являются открытыми системами. Холодильные системы сложны по сравнению с системами сжатия природного газа из-за количества представленных дополнительных компонентов системы. Производительность холодильной системы, измеряемая коэффициентом производительности, может быть улучшена за счет включения системы экономайзера [3].

Масло, отделяемое после компрессора, часто необходимо охлаждать до рекомендуемой температуры до того, как оно будет подано обратно в компрессор. Вторичная текучая среда, такая как вода, часто используется для охлаждения масла в масляном охладителе. В холодильных установках охлажденное масло может быть использовано для охлаждения масла путем непосредственного впрыска в камеру ротора (LRI) или подачи жидкого хладагента в маслоохладитель для охлаждения масла (термосифен). Все эти дополнительные функции делают прогнозы производительности более сложными и сложными.

Винтовые компрессоры используются для сжатия различных чистых газов и их смесей. Вычисление точных термодинамических и транспортных свойств газов имеет большое значение для прогнозирования характеристик винтовых компрессорных систем. В дополнение к свойствам газа свойства жидкости также необходимы для расчетов системы охлаждения. Существует ряд методов, которые могут быть использованы для получения термодинамических свойств газов и жидкостей. Для систем сжатия природного газа идеальное газовое предположение обычно обеспечивает достаточную точность. Свойства смесей можно рассчитать, применив закон Гиббса-Дальтона и рассмотрев свойства составляющих. Однако для получения более точных данных термодинамических и транспортных свойств может потребоваться внедрение более сложных моделей, которые обеспечивают полный набор данных о свойствах как для газов, так и для жидкостей и их смесей [4]. NIST Refprop и Infochem Multiflash - две из популярных баз данных свойств жидкости, которые широко используются в промышленности и научных кругах.

3 МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

В этом разделе представлен ряд методов прогнозирования эффективности, используемых в промышленности и научных кругах. Эти методы в основном включают эмпирические, аналитические и численные методы.

3.1. Эмпирические модели

Эмпирическое моделирование использует данные испытаний, полученные от конкретного винтового компрессора или ряда винтовых компрессоров, испытанных при различных условиях эксплуатации [5]. Эмпирическая модель может быть создана путем подгонки кривой или использования более сложных статистических методов. Большинство коммерческих программ для выбора винтовых компрессоров используют эмпирические модели в разных формах.

В этом разделе описаны две различные эмпирические модели. Оба используются для прогнозирования производительности винтовых компрессоров в системах охлаждения и природного газа. Однако известно, что метод корреляции дает более точные результаты по сравнению с методом коррекции.

3.1.1 Метод коррекции

Метод коррекции использует данные проверки мощности и расхода, доступные для конкретного компрессора (эталонного компрессора), испытанного с рядом газов. Данные испытаний должны быть доступны для различных коэффициентов давления, ряда различных значений давления всасывания или давления нагнетания и для разных отношений Vi. Ряд моделей разрабатывается с использованием данных испытаний для каждого газа, которые должны оцениваться. Эти модели обеспечивают расчет мощности и расхода для эталонного станка, когда указаны отношение газ, Vi и рабочие условия.

Чтобы вычислить мощность и расход другого размера компрессора, работающего с другой скоростью, были получены коэффициенты коррекции масштаба и скорости. Масштабные факторы учитывают влияние изменения размера на мощность и поток; в то время как факторы скорости правильных для изменения скорости от исходной скорости, где данные испытаний доступно.

3.1.2. Метод корреляции

Испытательные винтовые компрессоры с различными газами и хладагентами дороги и сложны; им часто требуются специальные испытательные кольца и уход при испытании особо токсичных газов, таких как аммиак. Метод корреляции обеспечивает способ прогнозирования производительности винтового компрессора, работающего с конкретным газом или смесью газов, на основе испытания на воздухе.

Для винтовых компрессоров имеется множество данных об испытаниях воздуха, так как они обычно протестированы с воздухом для принятия на заводе. Данные о мощности и потоке сопоставляются с отношением давления, скоростью вращения ротора и Vi вместе со стандартными условиями всасывания. 

Начальный шаг - разработать коэффициенты корреляции, которые могут быть использованы для получения рабочих характеристик контрактного компрессора (заинтересованного компрессора). Существует два подхода к разработке коэффициентов корреляции. В первом подходе коэффициенты корреляции для мощности и потока получены из данных, уже доступных для воздуха и контрактного газа (заинтересованного газа). В этом случае необходимо учитывать только конкретный компрессор (эталонный аппарат), работающий с одинаковым коэффициентом давления, встроенным коэффициентом громкости и скоростью. Преимущество такого подхода заключается в том, что эталонная машина может иметь любой размер с аналогичными геометрическими характеристиками. Если для контрактного газа нет данных, можно использовать интерполяцию или экстраполяцию данных из двух известных газов, имеющих молекулярные массы ближе к контрактному газу, но это вызывает определенные неточности. Недостатком этого метода является то, что для компрессоров с различными геометрическими характеристиками необходимо получить весь набор измерений для эталонного аппарата и всех необходимых газов.

Второй подход к разработке коэффициентов корреляции заключается в использовании теоретической мощности и объемной эффективности, рассчитанной для контактного компрессора, работающего на воздухе и контрактном газе. Изэнтропическую мощность можно использовать в качестве теоретической силы, а теоретический объемный коэффициент может быть определен с использованием смещенного объема и потока утечки, вычисленного по уравнению непрерывности массы. Преимущество такого подхода заключается в том, что данные испытаний для контрактного газа не требуются. Однако точность результатов может быть ограничена в некоторых случаях, поскольку коэффициенты корреляции основаны на вычислении термодинамической мощности, и в этом случае потери мощности на подшипниках и уплотнениях вала также коррелируют, в то время как в действительности они остаются почти постоянными. Также расчет теоретической объемной эффективности делает ряд предположений для упрощения процесса, который может повлиять на точность.

После разработки коэффициентов корреляции следующим шагом будет получение данных о характеристиках контактного компрессора на воздухе и использование коэффициентов коррекции для определения характеристик (мощности и расхода) контрактного компрессора, работающего на контрактном газе, и условий эксплуатации контракта.

Использованные источники

1.    D. V. Zaytsev, “Development of wet compressor for application in compression-resorption heat pumps,” Ph.D. Thesis, Delft Technical University, 2003.

2.    J. S. Fleming, Y. Tang, and G. Cook, The twin helical screw compressor, Part 1: development, applications and competitive position, “Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,” Vol. 212 Part C, 1998.

3.    P. A. O’Neill, Industrial Compressors: Theory and Practice, Butterworth- Heinemann Ltd, 1993, ISBN 978-0750608701.

4.    B. E. Poling, J. M. Prausnitz, J. P. O’Connell, The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill Professional, Fifth Edition, 2001, ISBN 978-0071189712.

5.    R. Pamlin, Empirical based simulation program for refrigeration compressors, “Technical Conference – Svenska Rotor Maskiner (SRM),” 2001.

6.    W. Huagen, X. Ziwen, and S. Pengcheng, Theoretical and experimental study on indicator diagram of twin screw refrigeration compressor, “International Journal of Refrigeration,” 27, pp331-338, 2004.

7.    J. S. Fleming, Y. Tang, and G. Cook, The twin helical screw compressor, Part 2: a mathematical model of the working process, “Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,” Vol. 212 Part C, 1998.

8.    N. Stosic, I. K. Smith, A. Kovacevic, Screw compressors – mathematical modelling and performance calculation, Springer Berlin Heidelberg New York, 2005, ISBN 978-3-540-24275-8.

9.    J. S. Fleming, and Y. Tang, The analysis of leakage in a twin screw compressor and its application to performance improvement, “Proceedings of Institution of Mechanical Engineers,” Vol. 209, 1995.

10. E. Mujic, “A numerical and experimental investigation of pulsation induced noise,” Ph.D. Thesis, City University London, 2008.

11. A. Kovacevic, N. Stosic, I.K. Smith, Screw Compressors - Three Dimensional Computational Fluid Dynamics and Fluid Solid Interaction, Springer, 2006, ISBN 3-540-36302-5.


Performance prediction methods for screw compressors
Ahmed Kovacevic
City, University of London


Авторизация
Забыли свой пароль?