Theoretical substantiation of the efficiency of a screw single-rotor compressor with a new type of in-built capacity regulator

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

BACKGROUND: The need for energy conservation is caused by the global social, environmental, and economic agenda. Refrigeration equipment is a significant consumer of power; thus, ensuring energy efficiency of cooling systems for various applications is an urgent task. This area can benefit from regulating the compressor displacement, which in turn is the main energy consumer of refrigeration systems.

AIM: To explain the efficiency of single screw compressor with novel built-in displacement regulator.

MATERIALS AND METHODS: We studied the single screw compressor equipped with a built-in displacement regulator (a rotary adjustment ring). Single screw compressor displacement during its regulation was calculated based on the developed mathematical model automated in the Python programming environment and ANSYS tools. In this case, single screw compressor efficiency was evaluated by two parameters, including volumetric efficiency λ and specific power consumption Ns.

RESULTS: The paper compares the efficiency of single screw compressor for frequency displacement regulation and regulation with a rotary adjustment ring. It was found that regulation with a rotary adjustment ring is preferable.

CONCLUSION: The study revealed the preferable operating range of single screw compressor at the highest values of λ, approximately corresponding to the operation at 1500–3000 rpm. This range can be considered as optimal. Displacement regulation by its reduction using a frequency control outside the selected range will be ineffective. In the regulation range of actual displacement Va ≈ 10%–40%, Ns increases. However, this value in the considered range is lower in regulation with an adjustment ring compared to the frequency regulation (up to 23.7% more effective for air-operated and up to 13.6% more effective for ammonia-operated control ring).

作者简介

Vadim Tsvetkov

ITMO University; AUO Ural Scientific Center

编辑信件的主要联系方式.
Email: wadimtsvetkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4357-0022

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Vladimir Pronin

ITMO University

Email: maior.pronin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9278-5903
SPIN 代码: 3737-3495

Professor, Dr. Sci. (Engineering)

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Ekaterina Mikhailova

ITMO University

Email: mikhaylova_en@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2700-0348
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Alexander Kovanov

ITMO University

Email: avkovanov@itmo.ru
ORCID iD: 0000-0003-2821-795X

Assistant Professor, Cand. Sci. (Engineering)

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

参考

  1. Pronin VA, Tsvetkov VA, Kovanov AV, Kalashnikova EA. Modelling of capacity regulation of single-rotor screw compressor using a rotary regulator ring. AIP Conference Proceedings. 2023;2784. doi: 10.1063/5.0140383
  2. Tsvetkov VA, Pronin VA, Kovanov AV, et al. Design Improvement of the In-Built Regulator of Volumetric Capacity of Single Screw Compressor. In: Proceedings of the 10th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2024. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer; 2024:49–59. doi: 10.1007/978-3-031-65870-9_6
  3. GOST 28567-90 Compressors. Terms and definitions. Moscow: Standartinform; 1990. (In Russ.)
  4. Sakun IA. Screw compressors: Fundamentals of theory, calculation. Leningrad: Mechanical engineering; 1970. (In Russ.)
  5. Kudryavtsev LD. Course of mathematical analysis. 3 vols. Moscow: Moscow: Yurait Publishing House; 2023;1. (In Russ.)
  6. Pronin VA. Screw single-rotor compressors for refrigeration and pneumatics [dissertation] St. Petersburg; 1998. (In Russ.) EDN: WXFHHV
  7. Khisameev IG, Maksimov VA. Two-rotor screw and spur compressors: theory, calculation and design. Kazan: Feng; 2000. (In Russ.)
  8. Khlumskiy V. Rotary compressors and vacuum pumps. Moscow: Mashinostroenie; 1971. (In Russ.)
  9. mir-klimata.info Features of using chillers based on screw and scroll compressors [Internet] Accessed: 10.11.2024. Available from: https://mir-klimata.info/osobennosti-primeneniya-chillerov-na-baze-vintovyh-i-spiralnyhkompressorov/#:~:text=Было%20установлено,%20что%20в%20течение,при%20температуре%20внешнего%20воздуха%20270С (In Russ.)
  10. Feng Y, Shu J, Wang Ch, et al. Energy-saving control method for NH3-CO2 cascade refrigeration system by directly regulating slide valve position in twin-screw compressor. Applied Thermal Engineering. 2024;(239). doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.122116 EDN: TMEQSI
  11. Pronin VA, Tsvetkov VA, Kovanov AV, Zhignovskaia DV. Methods for regulating the performance of screw compressors and features applications for single rotor machines. AIP Conference Proceedings. 2021;2412(1):30–40. doi: 10.1063/5.0075107 EDN: URABNP
  12. Patent RUS № 212922 / 21.06.2022. Byul № 23. Kuznetsov LG, Kuznetsov YuL, Pronin VA, et al. Single-rotor screw compressor. (In Russ.) EDN: TTQEAU
  13. Refrigeration compressors: Handbook. Moscow: Legkaya i pishchevaya promyshlennost; 1981. (In Russ.)
  14. Noskov AN. Increasing the efficiency of refrigeration screw compressors based on improving the geometry of screws and methods of regulating productivity [dissertation] St. Petersburg; 2001. (In Russ.) EDN: ONMTGR
  15. Verny AL. Research and calculation methods for screw oil-filled compressors. Processes, technology and control in cryogenic engineering. Moscow; 1978:72–82. (In Russ.)
  16. Amosov PE. Influence of physical properties of gases on the rotation speed of screw compressor machines. Compressor and refrigeration engineering. 1966;(4):22–24. (In Russ.)
  17. Golubev SN. Thermodynamic study of the suction process of a screw marine compressor [abstract of dissertation] Leningrad; 1974. (In Russ.)
  18. Anufriev AV. Increasing the efficiency of regulating the performance of a refrigeration screw compressor [dissertation] St. Petersburg; 2005. (In Russ.)
  19. Baranenko AV. Refrigeration machines. St. Petersburg: Polytechnic; 2006. (In Russ.)

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Rotary adjustment ring of the single screw compressor.

下载 (118KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Development drawing of the screw rotor (2 grooves), the rotary control ring and a housing section in plane frame: a) SSC screw; б) screw groove; в) suction port; г) rotary control ring; д) discharge port; е) rotary ring port aligned with the discharge port; ж) transfer port; з) direction of SSC screw rotation and the rotary adjustment ring; I, screw groove 1; II, screw groove 2; LGE, left screw groove edge; RGE, right screw groove edge; x, rotary adjustment ring displacement; dx, distance between the initial position of the transfer port and point N on the projection of helical groove II profile; h, transfer port height; Δx, sweep length of the transfer port.

下载 (61KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Location of the transfer port with different sizes and the port aligned with the discharge port at different displacements.

下载 (96KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Dependence graph of the single screw compressor displacement Vreg and displacement regulator rotation angle α (refrigerant: air).

下载 (130KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Changes in driven element engagement of the single screw compressor (axial plane).

下载 (47KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Estimated leakage flow rate q (m/s) in relation to speed n (rpm).

下载 (111KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Single screw compressor volumetric efficiency component corresponding to leakages λl in relation to speed n (rpm).

下载 (81KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Dependence of pressure losses in the suction area to overcome resistance ΔH1 on the screw speed n (rpm).

下载 (118KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Dependence of pressure losses at impact entry into the channels of the screw cavities ΔH2 on the screw speed n (rpm).

下载 (96KB)
索引源数据
11. Fig. 10. Dependence of resistance factor λс on Re·ηy2 complex: a, air; b, ammonia.

下载 (106KB)
索引源数据
12. Fig. 11. Dependence of pressure losses during the movement of the working medium flow in screw cavities ΔH3 on screw speed n (rpm).

下载 (87KB)
索引源数据
13. Fig. 12. Dependence of the volumetric efficiency changes at λ=λп·λг on screw speed n and in the case of regulation with a rotary adjustment ring.

下载 (94KB)
索引源数据
14. Fig. 13. Dependence of specific power consumed by the compressor Ns on actual displacement Va for the frequency regulation and regulation with a rotary adjustment ring.

下载 (108KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2025

许可 URL: https://eco-vector.com/for_authors.php#07

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».