Registration Number
0825U001025, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
07-05-2025
popup.evolution
o
Title
Modification of the real gas equation of state for modelling of working processes in a centrifugal compressor near the critical point of CO2
Author
Hanna Vorobiova,
popup.head Dmytro Dolmatov
popup.opponent Valentyn P. Malchevsky
popup.opponent Anton M. Ganzha
popup.review Illia I. Petukhov
popup.review Yurii O. Skob
popup.rada
National Aerospace University "Kharkiv Aviation Institute"
Description
Аналізуються проблеми моделювання процесів стискання СО2 у відцентровому компресорі, які здійснюються в безпосередній близькості до критичної точки. Відомо, що оптимальне поєднання умов роботи та обладнання визначають максимальну ефективність енергоустановок. Ефективність компресору вирішальним чином впливає на цей показник. Але робочий процес компресора проходить поблизу критичної точки CO2, де теплофізичні властивості дуже чутливі до змін тиску та температури. Це значно ускладнює математичне моделювання процесу стискання і робить критично важливим достовірний опис параметрів стану робочого середовища. Розглянуто різноманітні рівняння стану реального газу, які здатні цілісно описати однофазні та паро-рідинний стани середовища. Основним недоліком досліджених рівнянь є значна похибка відносно результатів експериментів для S-CO2 циклів, які реалізуються у безпосередній близькості до критичної точки CO2. Тому актуальною є науково-практична задача забезпечення моделювання робочих процесів у енергетичному обладнанні, яке використовує двоокис вуглецю, в області навколо критичної точки робочого тіла, вибору та модифікації рівняння стану реального газу.
Вирішення науково-практичної задачі виконувалася з відцентровим компресором циклу S-CO2, для якого є експериментальні результати, граничні умови та геометричні дані. Проточна частина відцентрового компресора була змодельована за допомогою програмних засобів 1D AxSTREAM® на основі серії звітів Sandia National Laboratories. Як робоче тіло був обраний CO2, властивості якого взяті з mini-NIST RefPROP - програми, яка використовує великі бази даних експериментальних вимірювань і складні рівняння стану). Рівняння Спана-Вагнера, яке використовується для визначення термодинамічних параметрів СО2 має значний недолік при використанні його у 3D CFD моделюванні. Для подальшого розрахунку у програмному пакеті обчислювальної математики FEA AxCFDTM сформована модель робочого тіла, яке описується рівнянням стану Редліха-Квонга-Анг’є. Це рівняння точно визначає властивості робочого тіла в надкритичній та газовій областях (менше 10% для тиску), але для областей рідкого та двофазного станів похибка для визначення тиску збільшується від 15% до 50%. У роботі представлене модифіковане рівняння стану Редліха-Квонга-Анг'є, що дозволяє описати всю робочу область СО2. Розроблені масштабні поправки дозволили істотно знизити похибку при визначенні тиску в широкому діапазоні температур і питомих об’ємів. Рідинна область розглядалася у температурному діапазоні від 220 К до 300 К. Для визначення тиску насиченої пари використовувався метод Лі-Кеслера. Порівняння експериментальних і розрахункових значень тиску показало їх добрий збіг. Для двофазної області розглядався температурний діапазон від 216,6 К до 304,12 К. Отриманий за методом Лі-Кеслера тиск насиченої пари використовувався при розв’язанні кубічного рівняння Редліха-Квонга-Анг'є для визначення питомого об'єму газової фази. Питомий об’єм рідкої фази визначався за емпіричним методом Ямади-Ганна. Порівняння об’ємів газової та рідкої фаз показало задовільний збіг з експериментальними даними. Безпосередньо для визначення тиску в критичній точці використано симбіоз масштабового рівняння та рівняння стану Редліха-Квонга-Анг'є із застосуванням класичної функції розподілу випадкових відхилень від середніх значень температури та густини.
Наукова новизна роботи:
1. Уперше розроблено масштабну поправку для рівняння Редліха-Квонга-Анг'є, що описує стан двоокису вуглецю як реального газу, яка дозволяє знизити похибку при розрахунку питомого об’єму рідкої фази в двофазній області відносно експериментальних даних з 6-25% до 0,5-1% для діапазону температур 220К-300К.
2. Уперше розроблено масштабну поправку для рівняння Редліха-Квонга-Анг'є, що описує стан двоокису вуглецю як реального газу, яка дозволяє знизити похибку при розрахунку докритичного тиску в області рідинного стану відносно експериментальних даних з 20–40% до 3–15% для діапазону температур 220–300 К.
3. На основі зазначених масштабних поправок суттєво вдосконалено математичну модель, яка описує термодинамічні параметри стану СО2 в усьому діапазоні, включаючи двофазну та надкритичну області, використання якої суттєво підвищує точність чисельного моделювання термодинамічних процесів у відповідному енергетичному обладнанні.
Registration Date
2025-03-27
popup.nrat_date
2025-03-27 / 2026-07-01
