Обслуживание технических систем в условиях Крайнего Севера

В данной статье будет проведено исследование эффективности систем охлаждения компрессорного оборудования передвижных компрессорных установок, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера.

Эффективность системы охлаждения на газоперекачивающих станциях во многом определяет экономичность, безопасность и надёжность работы компрессорного оборудования. Применительно к таким объектам наиболее распространёнными являются поршневые и роторные компрессоры с давлением нагнетаемого воздуха до 1,5 МПа и производительностью от 5 до 50 нм³/мин. Известны примеры передвижных компрессорных станций (ПКС) на базе автомобильных шасси с производительностью свыше 100 нм³/мин, а также специальных воздушных и азотных автомобильных ПКС среднего и высокого давления (с давлением нагнетания до 25–30 МПа) [4]. Существуют два основных типа систем охлаждения поршневых и роторных компрессоров: первый – внешнее охлаждение рабочей камеры (цилиндра) с использованием в качестве охлаждающей среды атмосферного воздуха или жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре; второй – так называемое «внутреннее» охлаждение, осуществляемое путём непосредственного впрыска охлаждающей жидкости в проточную часть компрессорной ступени.

Постановка задачи в условиях крайнего севера для системы с «внутренним» охлаждением и применением в качестве охлаждающей среды жидкости связано с известными проблемами: необходимость использования нескольких типов жидкости с различными температурными уровнями и их многократная замена в течение года; наличие в составе передвижного транспортного средства дополнительной системы зимнего подогрева охлаждающей жидкости; необходимость обеспечения современных требований экологии при эксплуатации жидкостных систем охлаждения. Аналогичные проблемы имеют место и при использовании компрессоров с внешним охлаждением и смазываемой рабочей камерой.

В этой связи представляется актуальным применение компрессоров с не смазываемой проточной частью. Такие компрессоры получили распространение в различных отраслях техники главным образом благодаря высокому качеству сжатого газа, в котором отсутствуют примеси (например, масло). В рассматриваемом нами случае наиболее важным преимуществом бес смазочных компрессоров представляется возможность применения в проточной части компрессорной ступени элементов внутреннего микрооребрения, обеспечивающих повышение эффективности внешнего воздушного охлаждения [4].

Применительно к условиям крайнего севера основные требования к компрессорному оборудованию дорожно-строительных машин и автотракторной техники можно сформулировать в следующем виде:

1.  Высокая степень мобильности, т.е. транспортабельность (малый вес, малые габаритные размеры, возможность транспортирования с высокой скоростью, высокая проходимость по бездорожью) и малое время перевода из походного состояния в рабочее и обратно.

2.  Высокая степень автономности (высокая надежность и большие межремонтные периоды, максимальное время работы при фиксированном количестве запасного топлива).

3.  Высокая степень приспосабливаемости к широкому диапазону атмосферных условий, главным образом к отрицательным температурам атмосферного воздуха, а также его повышенной влажности в летний период.

4.  Высокая степень приспосабливаемости к широкому спектру условий транспортировки (температура, давление, инерционные перегрузки, вибрация, стойкость к ударным воздействиям).

5.  Простота обслуживания и эксплуатации (количество персонала и его квалификация).

6.  Соответствие санитарным и экологическим нормативам, требованиям безопасности труда и эргономики (уровень шума и вибрации, количество и вредность технологических отходов, защита персонала от механических подвижных частей, электричества и давления рабочих газов).

7.  Экономичность как при транспортировке, так и на рабочих режимах.

8.  Низкая себестоимость и технологичность [1].

Рассмотрим выше указанные требования во взаимосвязи с системой охлаждения компрессорной ступени при отсутствии смазывающей или охлаждающей жидкости в её проточной части.

Представляется вполне очевидным, что применение бес смазочных поршневых и роторных компрессоров в значительной степени способствует выполнению требований 3, 4, 5, 6.Что касается требования обеспечения высокой мобильности, можно отметить следующее. Результаты расчётно-теоретических и экспериментальных исследований показывают, что применение внутреннего микрооребрения позволяет обеспечить интенсификацию охлаждения сжимаемого воздуха и, как результат, снижение величины температуры нагнетания на 15–40^оС [3]. Таким образом обеспечивается снижение тепловой нагрузки на теплообменное оборудование, входящее в состав компрессорной установки; последнее, в свою очередь, позволяет уменьшить вес и габаритные размеры теплообменных аппаратов (Рис. 1).

Для удобства представления результатов вводится величина относительного веса теплообменного оборудования системы охлаждения , величина относительного габаритного параметра этого оборудования и относительного расхода топлива , где G_max, Г_max и m_max – максимальный вес, габаритный параметр теплообменного оборудования и расход топлива при отсутствии охлаждения воздуха, сжимаемого в ступени компрессора, G , Г и m – фактический вес, габаритный параметр теплообменного оборудования и расход топлива при охлаждении сжимаемого в компрессоре воздуха с различной интенсивностью. Интенсивность внешнего охлаждения характеризуется условным коэффициентом теплоотдачи на внешней поверхности рабочей камеры – α_y.

Рисунок 1. Влияние величины рабочего давления и интенсивности охлаждения сжимаемого газа на массогабаритные параметры теплообменного аппарата

Следовательно, выполняется требования 2: за счёт снижения возимого веса конструкции теплообменного оборудования установки можно увеличить вес ввозимого запаса топлива и повысить степень автономности автотракторного транспортного средства или дорожно-строительной машины.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что интенсификацию охлаждения компрессорного оборудования с бессмазочной проточной частью путем использования элементов микрооребрения на ее поверхностях можно рассматривать, как одно из перспективных направлений совершенствования компрессорного оборудования дорожно-строительных машин и автотракторной техники, предназначенной для эксплуатации в условиях крайнего севера.