Исследование термодинамических процессов поршневого компрессора

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФГБОУ ВПО «БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ имени В. Р.ФИЛИППОВА

_____________________________________________________________

Кафедра: «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Методические указания к лабораторной работе по

ДИСЦИПЛИНЕ: «ТЕПЛОТЕХНИКА»

для студентов направлений подготовки:

1.  110800 – «Агроинженерия»

2.  140100 – «Теплоэнергетика и теплотехника»

Улан – Удэ 2014

УДК 536.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

. – Улан – Уддэ: БГСХА, 2014. – 40 с.

Приведены основные определения и расчетные соотношения по теме: «ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА».

Представлена схема опытной установки для проведения лабораторной работы: «ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА».

Изложены методики проведения лабораторной работы и обработки опытных данных. Приводится пример обработки опытных данных.

Для контроля знаний студентов по рассматриваемой теме предложены вопросы.

Рецензент – , д – р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой МСХП БГСХА

Улан – Удэ 2014

Цель лабораторной работы

1.  Ознакомление с поршневым компрессором и его техническими характеристиками.

2.  Практическое закрепление знаний по термодинамическим процессам в компрессоре.

3.  Построение процессов компрессора в PV- и TS-диаграммах.

4.  Определение степени сжатия, технической работы и других характеристик компрессора.

1. Термодинамические процессы в компрессоре

1.1. Одноступенчатый компрессор

Компрессором называется [1] установка для сжатия газов. Конструктивно компрессоры подразделяются на объемные (статического сжатия за счет уменьшения объема газа) и лопаточные (динамического сжатия за счет преобразования кинетической энергии движущегося газа в потенциальную энергию давления). Так как с термодинамической точки зрения процессы в объемных и лопаточных компрессорах не отличаются, рассмотрим их на примере поршневого компрессора (рис. 1.1).

В цилиндре 2 движется поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо происходит всасывание газа 4-1 через открытый всасывающий клапан 3, при практически постоянном давлении p1. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения (нижней мертвой точки), процесс всасывания заканчивается, клапан 3 закрывается и поршень начинает двигаться влево. Происходит сжатие газа 1-2. Когда давление газа в цилиндре достигает значения, несколько превышающего давление в баллоне сжатого газа (ресивере), нагнетательный клапан 4 открывается и происходит нагнетание 2-3 сжатого газа в ресивер. Дойдя до крайнего левого положения (верхней мертвой точки), поршень вновь начинает двигаться вправо и процесс повторяется.

В PV-диаграмме на рис. 1.1 показаны: работа всасывания l41 – вертикальная штриховка; работа сжатия l12 – косая штриховка и работа нагнетания l23 – горизонтальная штриховка. Сумма этих работ дает так называемую техническую работу компрессора

(1.1)

Рисунок.1.1.Поршневой компрес-сор.

Рисунок. 1.2. Процессы сжатия в Pv - и TS-диаграммах.

Каждая составляющая технической работы в общем случае определяется по формуле

(1.2)

Считая всасывание и нагнетание изобарными процессами и подставляя работы l41, l12, l23, определенные по формуле (1.2), в уравнение (1.1), после несложных преобразований можно получить общее выражение для технической работы

(1.3)

Можно представить три возможных термодинамических процесса сжатия в компрессоре (рис. 1.2): изотермический 1-2и, адиабатный 1-2а и политропный 1-2п. Так как техническая работа в PV-диаграмме представляет собой площадь цикла 12341 (1.1), то минимальная техническая работа будет при изотермическом сжатии, а максимальная – при адиабатном (см. рис. 1.2). Изотермическое сжатие можно представить при идеальном охлаждении компрессора, а адиабатное – для идеально изолированного компрессора (нет теплообмена между сжимаемым газом и окружающей средой). Но ни идеальное охлаждение, ни идеальную изоляцию осуществить невозможно, поэтому в реальном компрессоре сжатие газа происходит по политропе 1-2п, располагающейся между изотермой 1-2и и адиабатой 1-2а; очевидно показатель этой политропы 1<n<к.

Из уравнения политропы

, (1.4)

где левая часть соответствует любой точке на политропе, а правая часть – начальному состоянию газа (т.1). Находя удельный объем v из формулы (1.4), подставляя его в уравнение (1.3), можно получить техническую работу политропного (реального) компрессора

, (1.5)

Или с учетом уравнения Клапейрона для идеального газа

(1.6)

1.2. Двухступенчатый компрессор

Рисунок 1.4.-Реальные процессы в одноступенчатом компрессоре.

Если необходимо получить газ достаточно высокого давления, то даже при хорошем охлаждении компрессора температура сжатого газа получается недопустимо высокой. Чтобы избежать этого, применяются многоступенчатые компрессоры с охлаждением газа в промежуточных холодильниках. На рис. 1.3 представлены термодинамические процессы в теоретическом 2-ступенчатом компрессоре: 71 – изобарное всасывание; 12 и 34 – политропное сжатие в I и II ступенях компрессора; 23 и 45 – изобарное охлаждение в промежуточных холодильниках; 56 – изобарное нагнетание сжатого газа в ресивер. Промежуточные холодильника рассчитывают так, чтобы температуры Т5=Т3=Т1. Если бы сжатие осуществлялось в 1-ступенчатом компрессоре по политропе 128, то техническая работа была бы выше на величину заштрихованной площадки 23482 (рис. 1.3).

Рисунок1.3.-Теоретические процессы в двухступенчатом компрессоре.

Параметры газа на входе в цилиндр высокого давления PxVx (т.3) можно найти, приравняв технические работы I и II ступеней компрессора по формуле (1.5)

. (1.7)

Считая, что сжатие в I и II ступенях осуществляется при одинаковых показателях политропы n=idem и учитывая, что Т3=Т1, то есть P1v1=Pxvx (уравнение Бойля-Мариотта для изотермического процесса), получаем

, (1.8)

Следовательно

. (1.9)

Таким образом, преимуществом многоступенчатого компрессора является приемлемая температура сжатого газа и экономия в технической работе, то есть в расходах энергии на привод компрессора.

1.3. Реальный одноступенчатый компрессор.

В реальном компрессоре имеется так называемый вредный объем V3, из-за которого не весь сжатый газ нагнетается в ресивер. Вредный объем – это объем зазора между днищем поршня в его крайнем левом положении (верхней мертвой точке) и головкой цилиндра с клапанами. Этот зазор необходим для безударной работы компрессора. На рис. 1.4 изображены термодинамические процессы реального одноступенчатого компрессора, где p1 и p2 – давления в окружающей среде и в ресивере. Сжатие газа 1-2 происходит до давления несколько выше p2, необходимого для открытия нагнетательного клапана. После нагнетания 2-3 оставшийся во вредном объеме V3 газ расширяется до V4 при обратном ходе поршня. Для начала всасывания 4-1 давление в цилиндре должно стать несколько ниже атмосферного, что необходимо для открытия всасывающего клапана. Рабочий объем цилиндра, м3

(1.10)

Это объем цилиндра между крайними положениями поршня (между ВМТ и НМТ). Здесь d, м – диаметр цилиндра, S, м – ход поршня. На рис. 1.4 представлена так называемая индикаторная диаграмма компрессора, которая снимается с помощью механического индикатора. По ней с помощью планиметра определяется площадь индикаторной диаграммы fi, представляющая собой индикаторную (внутреннюю) работу компрессора Li за один оборот вала компрессора. Тогда индикаторная (внутренняя) мощность привода компрессора, Вт

, (1.11)

где Li, Дж/об – индикаторная работа; n, об/с – число оборотов вала компрессора.

По определенным с помощью механического индикатора площади диаграммы fi в мм2 и рабочего объема цилиндра Vh в мм определяется среднее индикаторное давление газа в цилиндре pi в МПа

(1.12)

где m=0,1 МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.

2.  Реальный двухступенчатый компрессор.

2.1.  Паспортные данные компрессора.

Таблица 2.1 - Паспортные данные компрессора

№ п/п	Характеристика	Обозна-чение	Размер- ность	Величи-на
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	Тип компрессора Диаметр цилиндра низкого давления Диаметр цилиндра высокого давления Ход поршня Число цилиндров Число оборотов компрессора Производительность компрессора по всасываемому воздуху Объем цилиндра низкого давления Объем цилиндра высокого давления Объем ресивера Относительно вредный объем Эффективная мощность привода компрессора	2-ОК-1 dН dВ S Z n V Vн Vв Vр а Ne	– м м м – об/с м3/с м3 м3 м3 – Вт	– 0,1 0,035 0,1 2 8,3 0,0072 6,9·10-4 0,96·10-4 0,15 0,06 7360

2.2.  Основные характеристики компрессора.

Степень сжатия компрессора

, (2.1)

где давление сжатого воздуха, МПа

, (2.2)

здесь p, мм – максимальная высота индикаторной диаграммы (см. рис. 1.4); m=0,1МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.

Начальное давление воздуха перед компрессором, МПа

, (2.3)

Где В, мм. рт. ст. – давление окружающей среды по барометру;

1МПа=7500мм. рт. ст.

Производительность компрессора при p1, t1, м3/с

, (2.4)

здесь

; (2.5)

(2.6)

Начальный и конечный объем воздуха в ресивере, приведенные к условиям на входе в компрессор;

Vр=0,15м3 – объем ресивера;

; (2.7)

(2.8)

Абсолютные начальное и конечное давления воздуха в ресивере, МПа; Рнач и Ркон – избыточные давления (по манометру) в ресивере на начало и конец измерений; МПа; t, с – время работы компрессора.

Индикаторная (внутренняя) работа – это работа сжатия воздуха внутри цилиндров за один оборот компрессора, Дж/об

, (2.9)

Где z=2 – число цилиндров компрессора; Liнд, Liвд- индикаторные работы цилиндров низкого и высокого давлений.

Индикаторная мощность компрессора, Вт

(2.10)

Где n, об/с – измеренное число оборотов компрессора.

Эффективная мощность привода компрессора, Вт

(2.11)

где I, A; U, B – измеренные питающие электронагреватель ток и напряжение; cosφ=0,8.

Механический КПД компрессора.

(2.12)

Коэффициент подачи компрессора представляет собой отношение действительной производительности V к теоретической.

, (2.13)

Где z=2 – число цилиндров; dн, м; dв, м – диаметры цилиндров низкого и высокого давления из табл. 2.1; S, м – ход поршня из табл. 2.1; n, об/с – измеренное число оборотов компрессора.

Объемный коэффициент компрессора учитывает влияние вредного объема

, (2.14)

здесь объем всасываемого воздуха Vвс, мм и рабочий объем цилиндра Vh, мм снимаются с индикаторной диаграммы рис. 1.4.

Изотермический КПД компрессора представляет собой отношение мощностей привода изотермического Nиз и реального Ni компрессоров

(2.15)

где ; (2.16)

(2.17)

давление p1 в формуле (2.16) следует подставить в Па (Н/м2). С учетом формул (2.15), (2.16) и (2.17)

. (2.18)

По величине изотермического КПД можно судить о совершенстве реального компрессора. Мощность привода теоретического изотермического компрессора минимальна, поэтому, чем ближе hиз к единице, тем совершеннее реальный компрессор.

3.  Методика выполнения лабораторной работы.

Цель работы состоит в ознакомлении студентов с устройством и принципом работы поршневого компрессора. Запуск установки, снятие показаний и ее выключение выполняется под контролем учебного мастера. Результаты замеров вносятся в табл. 3.1, расчеты выполняются в табл. 3.2.

Таблица 3.1 -Результаты измерений

№ п/п	Характеристика	Обозна-чение	Размер-ность	Величина	Примечание
1	Давление окружающего воздуха	В	мм. рт. ст.		Барометр
2	Температура окружающего воздуха	t1	ºC		Термометр
3	Температура воздуха после холодильника ступени НД	t3	ºC		Термопара 3
4	Температура воздуха после холодильника ступени ВД	t4	ºC		Термопара 4
5	Температура охлаждающей воды на входе в рубашку охлаждение	tB1	ºC		Термопара 1
6	Температура воды на выходе	tB2	ºC		Термопара 2
7	Начальное давление воздуха в ресивере	Pнач	ати		Манометр
8	Конечное давление воздуха в ресивере	Ркон	ати		Манометр
9	Время работы компрессора	τ	с		Секундомер
10	Сила тока	I	A		Амперметр
11	Напряжение	U	B		Вольтметр
12	Число оборотов вала компрессора	n	об/с		Стробота-хометр
13	Индикаторные диаграммы ЦНД и ЦНД				Механический индикатор

Таблица 3.2 - Расчет основных характеристик компрессора

№ п/п	Характеристика	Формула	Величина	Размерность
1	Абсолютное давление воздуха перед компрессором			МПа
2	Абсолютное давление сжатого воздуха			МПа
3	Степень сжатия
4	Абсолютное начальное давление воздуха в ресивере			МПа
5	Начальный приведенный объем воздуха в ресивере			м3
6	Абсолютное конечное давление воздуха в ресивере			МПа
7	Конечный приведенный объем воздуха в ресивере			м3
8	Производительность компрессора			м3/с
9	Среднее индикаторное давление ступени НД			МПа
10	Индикаторная работа ступени низкого давления	, где VH и а взять из табл.2.1.		Дж/об
11	Среднее индикаторное давление ступени ВД			МПа
12	Индикаторная работа ступени высокого давления			Дж/об
13	Индикаторная работа компрессора			Дж/об
14	Индикаторная мощность компрессора			Вт
15	Эффективная мощность привода компрессора			Вт
16	Механический КПД компрессора
17	Коэффициент подачи компрессора
18	Объемный коэффициент компрессора
19	Изотермический КПД компрессора

Литература:

1.  Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций / , , . – М.: Недра, 1992. – 207 с.

2.  Сборник задач по технической термодинамике: Учебное пособие С 232 / , , . 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2000. – 356 с.

3.  Сборник задач по технической термодинамике: Учебное пособие для студентов теплоэнергетических специальностей / , , . 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергия, 1971. – 264 с.

4.  Теоретические основы теплотехники. Часть I. Термодинамика в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности /
, , . – М.: РГУ нефти и газа им. , 2005. – 148 с.

Теплотехника: Учебник для втузов / , ,
и др. Под общ. ред. , /
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. ,