Matematický model rázové komprese a expanze

Zdeněk Šmída

Doctoral thesis

Mathematical Model of Impact Compression and Expanssion

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá výzkumem rázové komprese a rázové expanze u objemových kompresorů s rotačním pohybem pístů(u) a vestavěným tlakovým poměrem. Rázová komprese a rázová expanze jsou negativní jevy, které se mohou za určitých provozních podmínek vyskytnout při chodu uvedených kompresorů. Výroba stlačeného vzduchu, či jiných technických plynů, je nedílnou součástí moderního průmyslu. Jedná se o značně energeticky náročný proces zhruba s 19% využitelností vložené energie. Vzhledem k faktu, že spotřeba elektrické energie v lidské civilizaci vykazuje setrvalý růst, je trendem současné doby, hledat možné úspory i v aplikacích, které se doposud nevyznačovaly významnými „ztrátami“ elektrické energie. Především proces stlačování vzduchu je v technické praxi mnohdy neprávem podceňován, protože vzduch je sice zdarma, ale stlačený vzduch je jednou z nejdražších forem energie. Podstatou práce je obohacení vědního oboru o znalosti vlivu rázové komprese a rázové expanze na základě vytvoření matematických modelů a laboratorních experimentů. Disertační práce je strukturována do několika části, jejichž návaznost vytváří ucelený postup vedoucí k naplnění stanovených hlavních cílů. První část práce se věnuje problematice stlačeného vzduchu v současné společnosti a průmyslu, nehodě jednotky se šroubovým kompresorem iniciující výzkum rázových jevů na VŠB-TUO, shrnutí teoretických vědomostí z termodynamiky kompresorů a souhrnu současných znalostí o rázové kompresi a rázové expanzi. Druhá část disertační práce představuje samotnou tvorbu matematických modelů a to ideálního modelu simulujícího ideální pracovní proces s implementací ideálních rázových jevů a pokročilého modelu simulujícího polytropické děje s různými hodnotami polytropických exponentů s pracovním médiem s vlastnostmi reálného plynu. Simulace potvrzují změny měrné kompresní práce, příkonu, sděleného tepla a práceschopnosti plynu při kombinovaných dějích s následnou rázovou kompresí či rázovou expanzí. Třetí část disertační práce se věnuje návrhu a realizaci měření vlivu rázových jevů na jednotku se šroubovým kompresorem. Obecně lze říci, že se výsledky experimentů shodují s výsledky matematických modelů. Na závěr této části práce jsou navrženy experimentální měřicí standy pro budoucí výzkum rázových jevů, přičemž prototyp experimentálního měřicího standu pro měření Rootsova dmychadla byl v rámci tvorby disertační práce realizován. Závěrečná část práce se věnuje interpretaci výsledků a jejich zhodnocení, diskuzi a také porovnání výsledků simulací s výsledky měření. Jsou zde shrnuty přínosy disertační práce pro vědní obor a pro praxi a také navrženy doporučení pro další výzkum dané problematiky.

Abstract:

The presented dissertation thesis deals with the research of the shock compression and the shock expansion at the displacement compressors with the rotary movement of the piston(s) and the built-in pressure ratio. The shock compression and the shock expansion are negative phenomena that may occur under certain operating conditions when operating said compressors. The production of compressed air or other technical gases is an integral part of the modern industry. This is a very energy-intensive process with approximately 19% utilization of the input energy. Given the fact that electricity consumption in human civilization is showing steady growth, the trend is nowadays to look for possible savings even in applications that have not been characterized by significant “losses” of electric energy. The process of compressing air is often unduly underestimated in technical practice because air is free but compressed air is one of the most expensive forms of energy. The essence of the dissertation is to enrich the scientific field with the knowledge of the influence of shock compression and shock expansion based on the creation of mathematical models and laboratory experiments. The dissertation thesis is structured into several parts, the continuity of which forms a coherent process leading the fulfillment of the stated goals of the dissertation. The first part of the thesis deals with the compressed air issues in contemporary society and industry, the accident of the screw compressor unit initiating the shock phenomena research at the VŠB-TUO, a summary of theoretical knowledge of compressor thermodynamics and a summary of current knowledge about the shock compression and the shock expansion. The second part of the thesis deals with the creation of mathematical models. The ideal mathematical model simulates the ideal working process with the implementation of ideal shock phenomena. The advanced mathematical model simulates the polytropic processes with different values of polytropic exponents with working medium with real gas properties. The simulations confirm changes in the specific compression work, power consumption, specific heat, and the work-ability in combined processes with subsequent shock compression or shock expansion. The third part of the thesis deals with the preparation and realization of shock phenomena influence measurements at the compressor unit with the screw compressor. In general, the results of experiments coincide with the results of mathematical models. At the end of this part of the thesis, experimental measurement stands for future shock phenomena research are designed. The prototype of the experimental measuring stand for measuring the Roots blower was realized in the framework of the thesis. The final part of the thesis deals with the interpretation of results and their evaluation, discussion and comparison of simulation results with measurement results. There are summarized the benefits of the dissertation for the scientific discipline and for the practice and also suggested recommendations for further research on this issue.

Keywords

Rázová komprese, Rázová expanze, Šroubový kompresor, Matematický model, Měření, Exergie

Keywords

Shock Compression, Shock Expansion, Screw Compressor, Mathematical model, Measurement, Exergy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 12. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 6. 2. 2020
• Supervisor: Stanislav Honus
• Reader: Michal Hoznedl, Mojmír Vrtek, Michal Holubčík

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Energetické stroje a zařízení