Analysis of the effect of cylinder wall thickness on the characteristics of a single-stage long-stroke refrigerating compressor
DOI:
https://doi.org/10.25206/2588-0373-2025-9-4-30-38Keywords:
reciprocating refrigeration compressor, ammonia, low-speed long-stroke stage, operating processes, mathematical modeling, boundary conditions, refrigeration coefficient, cylinder wall thickness, temperature field.Abstract
The article examines thermodynamic characteristics of a single-stage, low-speed, long-stroke piston refrigeration compressor with a linear drive. Theoretical studies are conducted using a method for calculating the actual operating process of a single stage of such a compressor, considering account transient heat conduction processes under mixed boundary conditions. The coefficient of performance and the discharge temperature of the single-stage, low-speed, long-stroke piston compressor with a linear drive are considered as integral parameters. Condensation and boiling temperatures, the main dimensions and parameters of the stage, and the heat flux density on the outer cylinder surface are considered as independent parameters.
A comparative analysis of the energy efficiency of the operating process and the temperature regime of the stage in question is performed at a boiling temperature of 203 K in a condensing temperature range of 273 K to 343 K and at various heat flux densities on the outer cylinder surface. The relations between heat flux density, ammonia boiling and condensation temperatures, and the integral characteristics of a single-stage, low-speed, long-stroke piston compressor with a linear drive, as well as the temperature field distribution across the cylinder bore and the cylinder wall thickness, was studied. The research demonstrates that a rational combination of the external cooling mode of a cylinder of a single-stage low-speed reciprocating long-stroke compressor with a linear drive and its wall thickness makes it possible to ensure a cooling coefficient value higher than that of high-speed two-stage reciprocating compressors.
Downloads
References
(1). Пронин В. А., Кованов А. В., Цветков В. А. Современное состояние и перспективы развития холодильного компрессоростроения. Ч. 2. Технологии и наука // Вестник Международной академии холода. 2023. № 2. С. 14–25. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-2-14-25. EDN: RPHILW.
Pronin V. A., Kovanov A. V., Tsvetkov V. A. Sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya kholodil’nogo kompressorostroyeniya. Ch. 2. Tekhnologii i nauka [State of the art and prospects for refrigerating compressor industry. Part 2. Technology and science]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No. 2. P. 14–25. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-2-14-25. EDN: RPHILW. (In Russ.).
(2). Trott A. R., Welch T. Refrigeration and air-conditioning. 3rd ed. Oxford: Butterworth Heinemann, 2000. 377 p. ISBN 0-7506-4219-X.
(3). Эффективные решения для различных областей применения. URL: https://www.bitzer.de/ru/ (дата обращения: 16.01.2025).
Effektivnyye resheniya dlya razlichnykh oblastey primeneniya [Efficient solutions for your applications]. URL: https://www.bitzer.de/ru/ (accessed: 16.01.2025). (In Russ.).
(4). Сopeland – спиральные и поршневые компрессоры для климатической и холодильной техники. URL: https://copelandcompressor.ru/ (дата обращения: 16.01.2025).
Сopeland – spiral’nye i porshnevye kompressory dlya klimaticheskoy i kholodil’noy tekhniki [Copeland – scroll and piston compressors for air conditioning and refrigeration equipment]. URL: https://copelandcompressor.ru/ (accessed: 16.01.2025). (In Russ.).
(5). Компрессоры RDL. URL: https://radoil.ru/catalog/kompressory-rdl/. (дата обращения: 16.01.2025).
Kompressory RDL [RDL compressors]. URL: https://radoil.ru/catalog/kompressory-rdl/. (accessed: 16.01.2025). (In Russ.).
(6). Компрессоры Belief. URL: https://cpsholod.ru/doc/our-suppliers/blf_fin.pdf (дата обращения: 16.01.2025).
Kompressory Belief [Belief compressors]. URL: https://cpsholod.ru/doc/our-suppliers/blf_fin.pdf (accessed: 16.01.2025). (In Russ.).
(7). Кошкин Н. Н., Ткачёв А. Г., Бадылькес И. С. [и др.]. Холодильные машины / под ред. Н. Н. Кошкина. Москва: Пищевая промышленность, 1973. 512 с.
Koshkin N. N., Tkachev A. G., Badyl’kes I. S. [et al.]. Kholodil’nyye mashiny [Refrigeration machines] / Ed. by N. N. Koshkin. Moscow, 1973. 512 p. (In Russ.).
(8). Строммен И. Холодильные установки, кондиционеры и тепловые насосы для XXI века // Холодильный бизнес. 2000. № 5. С. 8–10.
Strommen I. Kholodil’nyye ustanovki, konditsionery i teplovyye nasosy dlya XXI veka [Refrigeration units, air conditioners and heat pumps for the 21st century]. Refrigeration business. 2000. No. 5. P. 8–10. (In Russ.).
(9). Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных транскритических циклов диоксида углерода // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. № 3 (63). С. 8. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-3-1601. EDN: YHEUPJ.
Arkharov A. M., Shishov V. V., Talyzin M. S. Entropiyno-statisticheskiy analiz nizkotemperaturnykh transkriticheskikh tsiklov dioksida ugleroda [Statistical entropy analysis of carbon dioxide low-temperature transcritical cycles]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. Engineering Journal: Science and Innovation. 2017. No. 3 (63). P. 8. DOI: 10.18698/2308-6033-2017-3-1601. EDN: YHEUPJ. (In Russ.).
(10). Хрёкин А. С., Баранов И. В. Сравнительный анализ эффективности циклов холодильных машин // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 12–21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21. EDN: LNYFMY.
Khrekin A. S., Baranov I. V. Sravnitel’nyy analiz effektivnosti tsiklov kholodil’nykh mashin [Comparative analysis of the efficiency of refrigeration machine cycles]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021. No. 1. P. 12–21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21. EDN: LNYFMY. (In Russ.).
(11). Хрёкин А. С., Баранов И. В., Никитин А. А. Анализ эффективности циклов каскадных холодильных машин с применением диоксида углерода // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 4. С. 55–64. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-4-55-64. EDN: OCCHZZ.
Khrekin A. S., Baranov I. V., Nikitin A. A. Analiz effektivnosti tsiklov kaskadnykh kholodil’nykh mashin s primeneniyem dioksida ugleroda [The analysis of cascade refrigeration machine cycles efficiency using carbon dioxide]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 4. P. 55–64. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-4-55-64. EDN: OCCHZZ. (In Russ.).
(12). 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.
Yusha V. L. Nauchno-tekhnologicheskiye predposylki sovershenstvovaniya i promyshlennogo osvoyeniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov na baze dlinnokhodovykh porshnevykh stupeney [Scientific and technological prerequisites for improvement and industrial development of low-flow compressor units based on long-stroke piston stages]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 3. P. 24–39. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-24-39. EDN: YVEINB. (In Russ.).
(13). Юша В. Л. Теоретическая оценка эффективности применения одноступенчатых длинноходовых поршневых компрессоров в холодильной технике и системах сжижения углеводородов // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2024. Т. 8, № 1. С. 17–24. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-1-17-24. EDN: SWSUHV.
Yusha V. L. Teoreticheskaya otsenka effektivnosti primeneniya odnostupenchatykh dlinnokhodovykh porshnevykh kompressorov v kholodil’noy tekhnike i sistemakh szhizheniya uglevodorodov [Theoretical assessment of the effectiveness of application single-stage long-stroke piston compressors in refrigeration and hydrocarbon gas liquefaction systems]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2024. Vol. 8, no. 1. P. 17–24. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-1-17-24. EDN: SWSUHV. (In Russ.).
(14). Бусаров С. С. Создание и совершенствование бессмазочных поршневых компрессоров среднего и высокого давления на базе малорасходных тихоходных длинноходовых ступеней: дис. ... д-ра техн. наук. Омск, 2023. 325 с. URL: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_012860386/ (дата обращения: 15.02.2025).
Busarov S. S. Sozdaniye i sovershenstvovaniye bessmazochnykh porshnevykh kompressorov srednego i vysokogo davleniya na baze maloraskhodnykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupeney [Creation and improvement of grease-free reciprocating compressors of medium and high pressure on the basis of low-speed long-stroke stages]. Omsk, 2023. 325 p. URL: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_012860386/ (accessed: 15.02.2025). (In Russ.).
(15). Юша В. Л., Бусаров С. С., Недовенчаный А. В. Оценка применимости одноступенчатых поршневых длинноходовых тихоходных компрессоров в низкотемпературных холодильных машинах // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2024. Т. 8, № 3. С. 21–28. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-21-28. EDN: XANLWO.
Yusha V. L., Busarov S. S., Nedovenchanyy A. V. Otsenka primenimosti odnostupenchatykh porshnevykh dlinnokhodovykh tikhokhodnykh kompressorov v nizkotemperaturnykh kholodil’nykh mashinakh [The assessment of applicability of single-stage piston long-stroke low-speed compressors in low-temperature refrigeration machines]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2024. Vol. 8, no. 3. P. 21–28. DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-21-28. EDN: XANLWO. (In Russ.).
(16). Ивашнев Е. А. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров малой производительности с воздушным охлаждением: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ленинград, 1981. 16 с.
Ivashnev E. A. Issledovaniye rabochikh protsessov porshnevykh kompressorov maloy proizvoditel’nosti s vozdushnym okhlazhdeniyem [Research of low performance piston compressors with air cooling]. Leningrad, 1981. 16 p. (In Russ.).
(17). Морозюк Л. И. Термодинамический анализ машин для производства тепла и холода на двух температурных уровнях каждого // Холодильная техника и технология. 2015. Т. 51, № 5. С. 20–26. DOI: 10.15673/0453-8307.5/2015.44774. EDN: VHUVYV.
Morozyuk L. I. Termodinamicheskiy analiz mashin dlya proizvodstva tepla i kholoda na dvukh temperaturnykh urovnyakh kazhdogo [Thermodynamic analysis of machines for producing heat and cold at two temperature levels]. Kholodil’naya Tekhnika i Tekhnologiya. 2015. Vol. 51, no. 5. P. 20–26. DOI: 10.15673/0453-8307.5/2015.44774. EDN: VHUVYV. (In Russ.).
(18). Хрёкин А. С. Энергосберегающие решения для создания холодильных машин с применением диоксида углерода: дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2023. 328 с. EDN: EKLVDS.
Khrekin A. S. Energosberegayushchiye resheniya dlya sozdaniya kholodil’nykh mashin s primeneniyem dioksida ugleroda [Energy-saving solutions for creating refrigeration machines using carbon dioxide]. Saint Petersburg, 2023. 328 p. EDN: EKLVDS. (In Russ.).
(19). Капелюховская А. А. Разработка и исследование тихоходных компрессоров малых холодильных машин: дис. … канд. техн. наук. Санкт- Петербург, 2025. 198 с.
Kapelyukhovskaya A. A. Razrabotka i issledovaniye tikhokhodnykh kompressorov malykh kholodil’nykh mashin [Development and research of low-speed compressors for small refrigerating machines]. Saint Petersburg, 2025. 198 p. (In Russ.).
(20). Прилуцкий И. К. Разработка, исследование и создание компрессоров и детандеров для криогенной техники: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Ленинград, 1991.
Prilutskiy I. K. Razrabotka, issledovaniye i sozdaniye kompressorov i detanderov dlya kriogennoy tekhniki [Development, research, and design of compressors and expanders for cryogenic equipment]. Leningrad, 1991. (In Russ.).
(21). Хрусталев Б. С. Математическое моделирование рабочих процессов в объёмных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования: дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 1999. 269 с.
Khrustalev B. S. Matematicheskoye modelirovaniye rabochikh protsessov v ob”yemnykh kompressorakh dlya resheniya zadach avtomatizirovannogo proyektirovaniya [Mathematical modeling of work processes in volumetric compressors for solving computer-aided design problems]. Saint Petersburg, 1999. 269 p. (In Russ.).
(22). Котлов А. А., Кузнецов Ю. Л., Бураков А. В. Анализ работы поршневого компрессора, работающего в составе автомобильной газонаполнительной компрессорной станции // Компрессорная техника и пневматика. 2019. № 2. С. 27–32. EDN: FMNXNU.
Kotlov A. A., Kuznetsov Yu. L., Burakov A. V. Analiz raboty porshnevogo kompressora, rabotayushchego v sostave avtomobil’noy gazonapolnitel’noy kompressornoy stantsii [The analysis of the operation of a piston compressor working as a part of automobile gas-filling compressor stations]. Kompressornaya tekhnika i pnevmatika. Compressor Technology and Pneumatics. 2019. No. 2. P. 27–32. EDN: FMNXNU. (In Russ.).
(23). Юша В. Л., Новиков Д. Г. Интенсификация процессов теплообмена в рабочей камере бессмазочных компрессоров // Вестник международной академии холода. 2004. № 4. С. 8–11. EDN: PNMNRJ.
Yusha V. L., Novikov D. G. Intensifikatsiya protsessov teploobmena v rabochey kamere bessmazochnykh kompressorov [Intensification of heat exchange processes in the working chamber of oil-free compressors]. Vestnik mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2004. No. 4. P. 8–11. EDN: PNMNRJ. (In Russ.).
(24). Юша В. Л., Бусаров С. С. Интенсификация внешнего охлаждения бессмазочных компрессоров // Холодильная техника. 2006. № 2. С. 24–28. EDN: HTSZDH.
Yusha V. L., Busarov S. S. Intensifikatsiya vneshnego okhlazhdeniya bessmazochnykh kompressorov [Intensification of external refrigeration of lubrication-free compressors]. Kholodil’naya tekhnika. Refrigeration Technology. 2006. No. 2. P. 24–28. EDN: HTSZDH. (In Russ.).
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Non-exclusive rights to the article are transferred to the journal in full accordance with the Creative Commons License BY-NC-SA 4.0 «Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Worldwide License (CC BY-NC-SA 4.0»)
