К вопросу оптимизации рабочих характеристик спирального компрессора в составе бустерной холодильной машины на СО2 с целью повышения ее эффективности

Цель. В условиях сокращения применения хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления повышение эффективности холодильных машин, использующих натуральные хладагенты, является весьма актуальной задачей. Так, например, цикл бустерной холодильной машины на СО2 может быть оптимальным для сфер коммерческого холода, климатехники и тепловых насосов, но требует адаптации к регионам с жарким климатом. Целью исследования также является и систематизация возможных способов совершенствования спиральной технологии, как залог повышения эффективности бустерных холодильных машин. Такие решения уже апробированы за счёт использования эжектора и параллельного сжатия, что повышает эффективность использования транскритического цикла.

Метод. Применение спирального компрессора в транскритическом цикле, может являться хорошей альтернативой данным способам. Подобное решение, несколько улучшает технико-экономические показатели холодильной машины, в большей части снижая капитальные и эксплуатационные затраты. Рассматривая перспективу повышения эффективности бустерной системы со спиральным компрессором, следует обратиться к вопросу оптимизации характеристик компрессора. Данную задачу можно отнести к разряду повышения эффективности холодильной машины за счёт её внутренних характеристик.

Результат. Рассмотрен концептуальный подход к решению данной проблемы на основе системного анализа влияния характеристик компрессора, как основного энергоёмкого элемента холодильной машины, на параметры её работы.

Вывод. Разработка концептуальной модели позволяет идентифицировать степень влияния различных факторов на работу спирального компрессора, повысить адекватность математической модели за счёт выбора определяющих факторов, использовать необходимые методики расчёта.

1. Refrigeration portal. S. Y. Pleshanov. Prospects of Development of Carbon Dioxide (CO2) Refrigeration Systems in Russia. [Electronic resource]. 2020. Date of accession: 10.02.2022. URL:http://refportal.com/news/market-news/perspektivi-razvitiya-holodil-nih-sistem-na-dioksideugleroda-so2-v-rossii/.

2. World Guide to Transcritical CO2 Refrigeration. [Electronic resource]. 2020. Date of access: 16.01.2022. URL;https://issuu.com/shecco/docs/r744-guide

3. Pronin V. A., Kovanov A. V., Kalashnikova E. A., Tsvetkov V. A. Perspective of Ozone-Safe Refrigerants with Low Global Warming Potential in Scroll Compressors. Part 1 // UMSTU Bulletin of series "Aviation and rocket and power engineering". 2021. Т. 5, № 4. C. 9-16.

4. Emerson aims to increase R744 adoption in smaller shops by simplifying systems. [Electronic resource].2021.Access date: 26.01.2022. URL: https://r744.com/emerson-aims-to-increase-r744-adoption-insmall-stores-by-simplifying-systems-dynamic-vapor-injection/

5. Evangelos B., Christos T. Incorporation of an organic Rankine cycle in a transcritical booster CO2 refrigeration system // International Journal of Energy Research. 2020. Vol. 44, no.10, P. 7974-7988.

6. Zhu Y., Li C., Zhang F., Jiang P. Comprehensive experimental study on a transcritical CO2 ejectorexpansion refrigeration system // Energy Convers. Manag. 2017. Vol. 151, P. 98-106.

7. Taslimitaleghani S., Sorin M., Poncet S. Energy and exergy efficiencies of different configurations of the ejector-based CO2 refrigeration systems // J. Energy Prod. Manag. 2018. Vol. 3, no.1, P. 22–33.

8. Sevilla D., Cuisano J., Ortega P. Advanced exergetic analysis for design optimization of a CO2 refrigeration system using parallel compression // IEEE ANDESCON. 2020. pp. 1-6.

9. Zheng S, Wei M, Hu C, Song P, Tian R. Flow characteristics of tangential leakage in a scroll compressor for automobile heat pump with CO2 // Sci. China Technol. Sci. 2021. Vol. 64, no. 5, P. 971-983.

10. Sun S., Wang X., Guo P., Wu K., Luo X., Liu G. Numerical analysis of the transient leakage flow in axial clearance of a scroll refrigeration compressor // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2019. Vol. 236, no.1, P. 47-61.

11. Pereira E., Deschamps C. Numerical analysis and correlations for radial and tangential leakage of gas in scroll compressors // Int J Refrigeration. 2020. Vol. 110, P. 239–247.

12. Kenji Y., Hideto N., Mihoko S. Development of Large Capacity CO2 Scroll Compressor // International Compressor Engineering Conference. 2008. Paper 1836.

13. Minikaev A., Yerezhep D., Zhignovskaia D., Pronin V., Kovanov A. Power interactions of scroll compressor elements // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. no. 826, P. 012022

14. Zheng S., Wei M., Song P., Hu C., Tian R., Thermodynamics and flow unsteadiness analysis of transcritical CO2 in a scroll compressor for mobile heat pump air-conditioning system // Applied Thermal Engineering. 2020, Vol. 175. P.115368.

15. Hidaka A, Ikeda A, Morimoto T, Koura O, Matsui M. Axial and Radial Force Control for a CO2 Scroll Expander // HVAC&R Research. 2009, Vol. 15, no. 4. P. 759-770.

16. Hirofumi Y., Atsushi S., Yoshiyuki F., Takashi M., Noriaki I. Clearance Control of Scroll Compressor for CO2 Refrigerant. // International Compressor Engineering Conference. 2008, Paper 1848.

17. Blunier G., Cirrincione Y., Hervé A., Miraoui A. New analytical and dynamical model of a scroll compressor with experimental validation // International Journal of Refrigeration. 2008. Vol. 32., no.5, P. 874-891.

18. Chen Y., Halm N. P., Groll E. A., Braun J. E. Mathematical Modeling of Scroll Compressors-Part I: Compression Process Modeling // International Journal of Refrigeration. 2002, Vol. 25, no. 6, P. 731-750.

19. Chen Y., Halm N. P., Groll E. A., Braun J. E. Mathematical Modeling of Scroll Compressors-Part II: Overall Scroll Compressor Modeling // International Journal of Refrigeration. 2002. vol. 25, no. 6 pp. 751-764.

20. Татаренко Ю.В. Введение в математическое моделирование характеристик паровых компрессорных холодильных машин - Санкт-Петербург: СПб.: Университет ИТМО; ИХиБТ, 2015. - 100 с.

21. Щерба В. Е. Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров объемного действия: учебное пособие для вузов / В. Е. Щерба. — 2-е изд., доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2022. — 323 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-09232-5

22. Косачевский В. А. Разработка метода расчета и анализ рабочего процесса спиральных компрессоров: дис. ... кандидата технических наук: 05.04.06 / Санкт-Петербургский гос. техн. ун-т. - СанктПетербург. 1998, - 188 с.

23. Райков А.А., Бронштйн М.Д., Бурмистров А.В., Саликеев С.И. Влияние скорости орбитального движения спирали на перетекания в спиральном вакуумном насосе // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия машиностроение. 2014, Т.4, № 97, с.73-82.

24. Бурмистров А.В., Бронштейн М.Д., Райков А.А., Саликеев С.И., Якупов Р.Р. Расчет проводимости профильного канала спирального вакуумного насоса при молекулярном режиме течения газа // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013, № 9-10, с.3-10.

25. Бурмистров А.В., Бронштейн М.Д., Гимальтынов А.Т., Райков А.А., Саликеев С.И. Численное моделирование потоков газа в щелевых каналах с движущимися стенками при давлениях ниже атмосферного // Вестник Казанского технологического университета. 2016. Т. 19, №5, с. 116-120.

26. Пронин В.А., Цветков В.А., Молодова Ю.И., Жигновская Д.В. Влияние подвижности стенки щели на течение газа в радиальном зазоре "поршневое кольцо – зеркало цилиндра" компрессора // Вестник Международной академии холода. 2020. № 2. С.19-25

27. Пронин В. А. Винтовые однороторные компрессоры для холодильной техники и пневматики: диссертация ... доктора технических наук: 05.04.03. – Санкт-Петербург, 1998. 226 с.

28. Pronin V., Kuznetsov Y., Zhignovskaia D., Minikaev A., Yerezhep D. Improving methodology calculating the leakages compressible environment in the working part of a screw compressor // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141, P. 030010.

29. Паранин Ю. А. Разработка и исследование спирального компрессора сухого сжатия: диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.06 / - Казань, 2011. - 254 с.