Пример расчета c.5 выбор испытательного газа для испытаний второго типа на основании уравнений идеального и реального газа
Данный пример предназначен для того, чтобы продемонстрировать образ действий по выбору испытательного газа и определению частоты оборотов. Компрессор, спроектированный для работы на смеси углеводородов, должен проходить испытания в цеховых условиях в конфигурации с замкнутым контуром, чтобы считаться испытанием, выполненным в соответствии с методиками ASME. В Табл. С.5.1 содержатся параметры заданных эксплуатационных условий и предполагаемых рабочих характеристик для точки замера при проведении испытаний. Кроме того, в ней задаются конструктивные требования к оборудованию, такие как максимальная температура, давление, требования в части частоты оборотов, параметры проектирования рабочего колеса, необходимые для оценки эквивалентности испытания, и величина критического числа оборотов системы ротора компрессора.
Выбор испытательного газа и расчет требуемого числа оборотов являются многоэтапными процессами. В Табл. С.5.2 в виде блок-схемы представлены основные этапы указанных процессов. На первом этапе выполняется вычисление заданных условий; числа Рейнольдса, числа Маха, степени повышения давления, отношения объемов, и т.д. Указанная информация содержится в Табл. С.5.4. Следующим этапом является выбор из числа допустимых испытательных газов. В данном случае в качестве приемлемых испытательных газов были выбраны азот, диоксид углерода, хладагент 134а (R134a) и хладагент 22 (R22)1. Учитывая тот факт, что испытания будут проводиться в замкнутом контуре, значения равные 20 фунтов на кв.дюйм (абсол. давления), а также 100°F были выраны в качестве первого приближения входных условий. Значение в 20 фунтов на кв.дюйм (абсол. давления) было выбрано в целях получения избыточного (выше атмосферного) давления, что, в свою очередь, позволит исключить возможность натекания воздуха через течи, причем в данном случае воздух рассматривается в качестве загрязняющей примеси. В Табл. С.5.3 для каждого из газов приведены данные о входных условиях в случае применения газа в качестве испытательного. Следующим этапом будет определение того, какие методы расчета должны применяться – соответствующие идеальному или реальному газу.
Коэффициенты сжимаемости Шульца были вычислены для заданного газа, а также для каждого из испытательных газов. Было определено, что заданный газ потребовал выполнения расчетов, соответствующих реальному газу, азот мог рассматриваться в качестве идеального газа, а CO2, R134a, R22 потребовали выполнения расчетов для реального газа. На основании величин коэффициентов X и Y был выполнен оценочный расчет параметра cp и функции сжимаемости Z, показателя политропы при проведении испытаний. Учитывая тот факт, что отношение удельных объемов при проведении испытаний должно приравниваться к отношению удельных объемов при заданных эксплуатационных условиях, степень повышения давления рассчитывалась в комплексе с выходными параметрами давления и температуры при проведении испытаний; см. Табл. С.5.4. На данном этапе проверка по условиям проектирования механической системы показала, что выходные температуры азота и оксидов углерода (COZ) превышали максимально допустимые с точки зрения проектирования механической системы, кроме того, дальнейшее сравнение частот вращения также выявило чрезвычайно высокие частоты вращения при проведении испытаний, превышающие допустимые с точки зрения конструкции. Наличие такого рода данных позволило не проводить дальнейшие расчеты по азоту и оксидам углерода, в результате чего они были исключены. Предварительные расчеты по температурам и частотам вращения хладагента 134а и хладагента 22 (см. Табл. С.5.4) подтвердили возможность их применения в качестве испытательных газов, поскольку нарушения конструкционных требований выявлено не было. Тем не менее, частота вращения при работе на R22 была лишь на 3 процента ниже первой критической частоты, а при работе на R134a частота была на 14 процентов ниже первой критической частоты. В ходе первой итерации, не вводилась поправка на число Рейнольдса, не выполнялись проверки отношения удельных объемов, КПД или оценки поправочных коэффициентов для реального газа. Необходимо осуществлять проверку окончательной величина частоты оборотов при проведении испытаний на предмет того, чтобы она не была слишком близкой к критической частоте.
Следующим этапом является вычисление напора при проведении испытаний, энтальпии на выходе, изоэнтропических условий на выходе, а также коэффициента поправки параметров реального газа на политропическую работу. В Табл. С.5.5 содержатся данные по R134a.
1 Общепризнанно, что использование хладагента 22 является опасным для окружающей среды. В данном примере он используется только в целях демонстрации метода расчета.
123 |
ТАБЛИЦА С.5.1