Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

Кафедра технологического оборудования и систем жизнеобеспечения

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МАШИНЫ

методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения направления подготовки 16.03.03 – Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения

Краснодар

2015

Составители: канд. техн. наук, доц. В.И.Алешин;

канд. техн. наук, доц. М. В. Шамаров,

Низкотемпературные машины: методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения направления подготовки 16.03.03 –Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения. / Сост: В.И.Алешин, М.В.Шамаров; Кубан.гос.технол.ун-т. Каф. технологического оборудования и систем жизнеобеспечения. –Краснодар, 2015. – 84с.

Изучаются особенности конструкций компрессорных машин объемного и динамического действия. Рассматриваются области применения, как холодильных компрессорных машин, так и компрессоров общего назначения.

Ил. – 65, Табл. –7, Прил. – 1, Библиогр. – 7 наим.

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент кафедры ТОиСЖ КубГТУ Ю.С.Беззаботов;

инженер-проектировщик I категории ООО «Энсол» А.В.Видлога.

Содержание

	Введение. Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ	4
1	Лабораторная работа №1. Поршневые компрессоры холодильных машин	5
2	Лабораторная работа №2. Изучение конструкции воздуходувки РУТС	18
3	Лабораторная работа №3. Конструкции ротационных компрессоров	30
4	Лабораторная работа № 4. Изучение конструкций винтовых холодильных компрессоров	40
5	Лабораторная работа №5. Изучение конструкции спирального компрес-сора	60
6	Лабораторная работа №6. Анализ конструкций компрессоров динами- ческого действия (центробежные компрессоры)	74
7	Лабораторная работа №7. Анализ конструкций компрессоров динами- ческого действия (осевые компрессоры)	81
	Список рекомендуемой литературы	84

Введение. Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ

Дисциплина Низкотемпературные машины традиционно является профессиональной базовой и одной из основных при подготовке бакалавров по направлению 141200 – Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения.

Ей принадлежит важная роль при формировании бакалавра (механика), занимающегося конструированием, проектированием, эксплуатацией и ремонтом низкотемпературной техники.

Изучение дисциплины дает будущим специалистам знания по термо- и газодина­мическим основам сжатия различных газов, по теоретическим и реальным циклам одно- и многоступенчатых компрессорных машин различных типов, детандеров различных типов; изучение конструк­ций детандеров и компрессоров объемного и динамического действия, способов регулирова­ния производительности компрессорных и детандерных машин.

Для более глубокого и полного изучения дисциплины учебным планом предусматривается выполнение лабораторных работ. Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо изучить рассматриваемый вопрос по рекомендованной литературе. Для подготовки к защите лабораторных работ приведены контрольные вопросы, на которые студент должен ответить.

Каждый студент перед выполнением лабораторных работ обязан пройти инструктаж по технике безопасности и правилам выполнения работ в лаборатории и расписаться в журнале по технике безопасности.

1. Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен подробно ознакомиться с методическими указаниями, подготовить в отчете таблицы замеров и расчетов.

2. К лабораторной работе допускается студент только после собеседования с преподавателем по методике выполнения работы.

3. Перед началом работы проследить, чтобы на стенде отсутствовали посторонние предметы.

4. Пуск лабораторного стенда разрешается только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

5. Регулировку приборов автоматики производить только инструментом с изолированными ручками.

6. Запрещается прикасаться к движущимся механизмам не только при их работе, но и при автоматической остановке, так как внезапное включение машины может привести к несчастному случаю.

7. При возникновении неисправностей в работе стенда немедленно выключить его и доложить об этом преподавателю или учебному мастеру.

8. В случае попадания людей под электрическое напряжение следует немедленно выключить рубильник на силовом щите лаборатории.

1 Лабораторная работа №1. Поршневые компрессоры холодильных машин

1.1 Общие положения

Тема: Изучение конструкций компрессоров малых холодильных машин

Цель занятий:

изучить назначение, принцип работы, устройство и узлы малых компрессоров;

ознакомиться с классификацией и обозначением типов компрессоров;

научиться методике построения характеристик компрессоров и их подбору для заданных условий эксплуатации.

Время работы: 4 часа

Место занятий: лаборатория холодильных машин кафедры ТОСЖ.

Учебное оборудование и наглядные пособия: малые компрессоры различных типов и их основные узлы, демонстрационные плакаты, набор необходимых слесарных и измерительных инструментов.

1.2 Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство, классификацию компрессоров.

2. Изучить принцип работы и основные узлы поршневого и ротационного компрессора.

3. По указанию преподавателя для конкретного компрессора измерить его параметры и построить характеристику Qо = f (tо).

4. Оформить отчёт о работе согласно.

5. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

Рекомендуемая литература

1.1 Бараненко А.В. и др. Холодильные машины: Учебник для ВУЗов по специальности Техника и физика низких температур. –Спб., 2006. -944с.

1.2 Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. -М.: Пищевая промышленность, 1977. – 367с.

1.3 Поршневые компрессоры малых холодильных машин. Назначение компрессора холодильной машины

Компрессор является одним из четырех основных элементов холодильной машины, располагается между испарителем и конденсатором и выполняет следующие функции:

-обеспечивает низкую температуру кипения t₀ холодильного агента в испарителе, поддерживая понижение давления кипения Р₀ путем отсасывания образующихся паров из испарителя;

- повышает температуру холодильного агента от t₀ до t_К с целью обеспечения последующего теплообмена с охлаждающей средой, путем сжатия паров от давления кипения Р₀ до давления конденсации Р_к;

- нагнетает сжатые пары холодильного агента в конденсатор для проведения процесса теплообмена;

- обеспечивает циркуляцию холодильного агента по элементам холодильной машины за счет создаваемого перепада давления Р_К — Р_0.

1.4 Классификация компрессоров

Компрессоры классифицируют для удобства их подбора по условиям эксплуатации по следующим основным признакам:

- холодильному агенту;

- температурному режиму работы;

- принципу действия;

- степени герметичности корпуса.

По степени герметичности и числу разъемов компрессора подразделяют:

- сальниковые, в которых ведущий вал уплотняется при помощи сальника;

- бессальниковые со встроенными электродвигателями, с разъемами и съемными крышками;

- герметичные со встроенными электродвигателями в заваренном кожухе без разъемов.

В сальниковых компрессорах (рисунок 1.1) конец коленчатого вала выведен наружу. Герметичность в месте выхода вала достигается с помощью самоуплотняющегося сальника. Движение от электродвигателя к валу компрессора передается через муфту или клиноременной передачей, что позволяет использовать один компрессор с разным числом оборотов для получения требуемой холодопроизводительности.

Бессальниковае компрессоры (рисунок 1.2) имеют встроенный в общий кожух электродвигатель на одном валу с компрессором. Для возможности ремонта и замены деталей в корпусе имеется ряд крышек на болтах, что позволяет полностью разбирать компрессор и электродвигатель для осмотра и ремонта.

В герметичном компрессоре (рисунок 1.3) компрессор и электродвигатель собраны на одном коленчатом валу в сварном кожухе. Охлаждение электродвигателя осуществляется холодильным агентом, поступающим при всасывании из испарителя непосредственно в кожух.

1.5 Основные узлы и детали поршневого компрессора

Конструкции компрессоров изучаются по плакатам и различным компрессорам на стенде.

Корпус (картер у сальниковых и бессальниковых компрессоров) - базовая деталь, на которой крепят все узлы и детали компрессора. Картер воспринимает переменные нагрузки при работе компрессора, поэтому должен быть жестким, прочным.

Цилиндр — основная часть компрессора, внутри которого совершаются рабочие процессы. В герметичных компрессорах может изготавливаться непосредственно в корпусе или в виде блока цилиндров для других типов компрессоров. Внутренняя поверхность цилиндра обработана с высокой степенью точности и чистоты. На наружной поверхности блока имеются ребра (которые увеличивают площадь поверхности теплообмена с воздухом) или специальные полости, в которых циркулирует охлаждающая вода.

Клапаны — всасывающий и нагнетательный располагаются на клапанной доске, которая герметично закрывает сверху цилиндр.

Всасывающий клапан — из легированной стали толщиной 0,25 мм, имеет обычно форму лепестка и плотно прижимается к клапанной доске з счет своей упругости. Нагнетательный клапан представляет собой чаще всего пятачковые клапаны из легированной стали толщиной 0,3 мм. Закрытие клапана осуществляется спиральной пружиной. Клапаны должны быть герметичными, прочными и износостойкими.

Головка цилиндров разделена перегородкой на полости всасывания т нагнетания и расположена над клапанной доской.

Механизм движения поршневого компрессора служит для превращения вращательного движения коленчатого вала в возвратно — поступательное движение поршня. Механизм состоит из нескольких деталей — коленчатого вала, шатуна, поршневого пальца, поршня.

Коленчатый вал вращается в подшипниках скольжения с помощью электродвигателя и имеет шейки для крепления шатунов.

Шатун — соединяет коленчатый вал с поршнем.

Поршневой палец служит для подвижного соединения шатуна с поршнем.

Поршни — осуществляют рабочие процессы в цилиндре, совершая возвратно — поступательные движения. Для уплотнения зазора между поверхностью цилиндра и поршнем на последнем устанавливают уплотнительные кольца.

1.6 Принцип действия поршневого компрессора

Основным рабочим органом компрессора (рисунок 1.4) является цилиндр 2, в котором возвратно - поступательно перемещается поршень 1. Цилиндр отделяется от испарителя и конденсатора и периодически сообщается с ними с помощью клапанов - всасывающего 4 и нагнетательного 3.

Клапаны - запорные перекрывающие устройства, периодически сообщают рабочий объем цилиндра с испарителем для всасывания из него паров холодильного агента и конденсатором для нагнетания в него сжатых паров.

Клапаны самодействующие - автоматически открываются и закрываются под действием разности давлений по обе стороны. Поддержание клапанов в открытом положении в процессах всасывания и нагнетания обеспечивается динамическим напором, создаваемым потоком пара холодильного агента, проходящего через клапан.

Условия работы всасывающего клапана:

- клапан открыт при Р₀ > Р_ц + Р_пр

-клапан закрыт при Р₀ < Р_ц + Р_пр

Условия работы нагнетательного клапана:

-клапан открыт при Р_К < Р_ц + Р_пр

-клапан закрыт при Р_К > Р_ц + Р_пр

ВМТ - верхняя мертвая точка; НМТ – нижняя мертвая точка; s – ход

поршня; D_ц – диаметр цилиндра; Р_ц – давление пара в цилиндре

Рисунок 1.4 – Рабочие процессы в цилиндре компрессора

Рисунок 1.5 – Действительная индикаторная диаграмма поршневого компрессора

Принятые обозначения: Р₀ - давление в испарителе;

Р_{К —} давление в конденсаторе; Р_ц — давление в цилиндре;

Р_ПР — давление пружины клапана.

Для анализа процессов внутри цилиндра используют индикаторные диаграммы (рисунок 1.5), дающие графическую зависимость давления пара холодильного агента в цилиндре от его объема (V_ц) или хода поршня (s).

Движение поршня от ВМТ к НМТ

Происходит увеличение объема рабочей полости цилиндра и давление Р_ц в нем понижается (рисунки 1.4 и 1.5). На части хода поршня s от точки «а» до точки «б» происходит расширение сжатых паров, оставшихся в объеме цилиндра от предыдущего процесса сжатия. Давление этих паров задерживает открытие всасывающего клапана.

При достижении поршнем точки «б» давление Р_ц в рабочем объеме цилиндра снизится до величины, достаточной для открытия всасывающего клапана: Р_ц < Р₀ + Р_пр. Клапан откроется, и при дальнейшем движении поршня к НМТ будет происходить заполнение рабочего объема цилиндра парами холодильного агента из испарителя под давлением Р_ВС. Величина Р_ВС ниже давления Р₀ на величину Δ Р_вс сопротивлений в трубопроводах, клапанах и каналах компрессора. При достижении поршнем НМТ скорость его становится равной нулю и процесс всасывания заканчивается.

Таким образом, при движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре компрессора происходят последовательно два процесса:

«а» - «б» - расширение паров, оставшихся от предыдущего хода;

«б» - 1 — всасывание паров из испарителя.

Движение поршня от НМТ к ВМТ

Происходит уменьшение рабочего объема цилиндра (рисунки 1.4 и 1.5) и давление паров Р_ц, возрастает (процесс 1 — 2). всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие паров холодильного агентадо давления Р_Н, превышающего давление конденсации Р_к на величину Δ Р_н соответствующую сопротивлению в каналах, клапанах и трубопроводах до конденсатора.

В точке 2 открывается нагнетательный клапан и начинается выталкивание поршнем сжатого пара холодильного агента из

цилиндра в конденсатор (процесс 2 - «а»). Когда поршень достигнет ВМТ, скорость его движения станет равной нулю, окончится процесс нагнетания и закроется нагнетательный клапан.

При движении поршня от НМТ к ВМТ в цилиндре компрессора последовательно протекают два процесса (рисунок 4б):

1-2 сжатие паров;

2 - «а» - нагнетание паров в конденсатор.

1.7 Последовательность выполнения работы

- Изучить процессы в цилиндрах поршневого компрессора, его индикаторную диаграмму;

- По указанию преподавателя для конкретного компрессора измерить его геометрические параметры;

- Выполнить необходимые расчеты;

- Построить графическую характеристику компрессора Q₀=f (t₀).

Пример графика — на рисунке 6;

- Оформить отчет о работе согласно п.6 методических указаний;

- Подготовить ответы на контрольные вопросы для защиты лабораторной работы, используя рекомендуемую литературу и конспекты лекций.

1.8 Измерение параметров компрессора

С помощью слесарного инструмента снимите головку компрессора и штангенциркулем замерьте необходимые размеры. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1.1 - Геометрические параметры компрессора

Марка компрессора

Диаметр цилиндра, Dц ,м

Ход поршня s,м

Количество цилиндров, z, шт

Число оборотов вала, n, c

Объем, описываемый поршнями в ед. времени, Vh, м3/с

1.8 Расчет характеристик компрессора

Характеристики компрессора представляют собой графическую зависимость холодопроизводительности компрессора Q_0к от температуры конденсации t_k,

Построение характеристик проводится по расчетной формуле холодопроизводительности компрессора Q_ок, кВт:

Q_ок=λ٭q_v*V_h, (1.1)

где λ – Коэффициент подачи компрессора

q_v – Удельная объемная холодопроизводительность холодильного агента, кДж/кг

V_h – объем, описываемый поршнями компрессора в единицу времени, м³/с

Значения q_v рассчитываются по формуле

(1.2)

где q₀ – удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента, кДж/кг;

i₁, i₄ – удельная энтальпия холодильного агента на выходе и входе его в испаритель, кДж/кг

v₁ – удельный объем пара холодильного агента, поступающего в компрессор, м³/кг.

Объем, описываемый поршнями компрессора V_h, м³/с, равен:

(1.3)

где D_ц – диаметр цилиндра, м;

s – ход поршня, м;

z – число цилиндров компрессора;

n – число оборотов вала, с^-1.

Каждому студенту назначается расчетный температурный режим работы компрессора, холодильный агент, температуру конденсации t_k, температуру переохлаждения t_п, диапазон температур кипения t_o, для которого с интервалом

5 ⁰С рассчитывается холодопроизводительность компрессора.

Параметры холодильного агента принимаются по таблицам приложения. Значения λ в зависимости от вредного объема компрессора – по графику на рисунке 1.6.

1 – для сальниковых компрессоров;

2 – для бессальниковых компрессоров;

3 – для герметичных компрессоров.

Рисунок 1.6 - Зависимость коэффициента подачи λ от отношения давлений Р_к/Р_о

Данные и результаты расчета должны быть сведены в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 – холодопроизводительность компрессора

Дано: холодильный агент: , tk=___oC, tп____oC
t 0 oC	Po МПа	i1 кДж	i4 кДж	qo кДж/кг	Pк/ Po	λ	v1 м3/кг	qv кДж/м3	Qок кВт
-30 -25 -20 -15 -10 -5

1.9 Построение характеристик компрессора

Группа студентов, выполняющая лабораторную работу после расчета индивидуальных расчетов выполняет общий график зависимости Q₀=f(t₀) при различных температурах конденсации t_к.

Рисунок 1.7 – Зависимость холодопроизводительности компрессора Q_ок от температур t₀ и t_к

1.10 Содержание отчета о работе

- Назначение компрессора холодильной машины.

- Рабочие процессы в цилиндре.

- Индикаторная диаграмма поршневого компрессора.

- Расчеты и таблицы исходных расчетных данных.

- График расчетных характеристик.

1.11 Контрольные вопросы к защите лабораторной работы

1. Назначение компрессора холодильной машины.

2. Рабочие процессы в цилиндре компрессора при движении поршня от ВМТ до НМТ.

3. Рабочие процессы в цилиндре компрессора при движении поршня от НМТ до ВМТ.

4. Индикаторная диаграмма поршневого компрессора.

5. Назначения и условия работы всасывающего и нагнетательного клапанов компрессора.

6. Конструкция и основные узлы сальникового компрессора.

7. Конструкция и основные узлы бессальникового компрессора.

8. Конструкция и основные узлы герметичного компрессора.

9. Вредный объем цилиндра компрессора, его влияние на объем всасываемого пара.

10. Формула холодопроизводительности компрессора. Факторы, влияющие на его производительность.

11. Дать определение следующим понятиям:

а) рабочий объем цилиндра;

б) ход поршня;

в) вредный объем цилиндра;

г) относительное повышение давления в компрессоре;

д) коэффициент подачи;

е) индикаторная диаграмма;

ж) объем, описываемый поршнями компрессора в единицу времени.

Приложение (справочное)

Таблица 1.3 - Параметры хладагента R717

t, 0C	P, мПа	i1, кДж/кг	i4, кДж/кг	Значения v1, м3/кг
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 22 25 28 30 32 35 38 40	0,07 0,05 0,12 0,15 0,20 0,23 0,30 0,35 0,45 0,55 0,60 0,75 0,80 0,88 1,05 1,10 1,20 1,30 1,35 1,50 1,60	1680 1625 1630 1635 1640 1650 1660 1665 1670 1675 1680 1682 1685 1686 1687 1689 1690 1692 1695 1698 1700	240 260 290 305 320 345 370 400 415 445 480 500 520 530 535 540 560 570 580 590 600	1,60 1,30 1,00 0,90 0,70 0,60 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,17 0,14 - - - - - - - -

Таблица 1.4 - Параметры хладагента R502

t, 0C	P, мПа	i1, кДж/кг	i4, кДж/кг	Значения v1, м3/кг
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 22 25 28 30 32 35 38 40	0,131 0,162 0,199 0,242 0,291 0,348 0,413 0,486 0,569 0,623 0,765 0,881 1,000 1,060 1,150 1,240 1,300 1,370 1,470 1,580 1,660	525,7 528,1 530,3 532,5 535,0 537,1 539,3 541,5 543,7 544,9 547,8 549,8 551,7 552,5 553,5 554,6 555,3 556,0 556,9 557,8 558,3	- - - - - - - - - 410,8 417,4 422,0 424,2 427,6 431,1 433,5 435,9 439,6 443,2 445,7	0,125 0,099 0,184 0,070 0,059 0,050 0,042 0,036 0,031 0,028 0,023 0,020 0,017 0,016 0,015 0,014 0,013 0,013 0,011 0,011 0,010

Таблица 1.5 - Параметры хладагента R134а

t, 0C	P, мПа	i1, кДж/кг	i4, кДж/кг	Значения v1, м3/кг
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 22 25 28 30 32 35 38 40	0,55 0,75 0,90 1,00 1,80 1,90 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 5,00 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00	370 375 380 385 390 392 393 396 400 402 405 408 410 411 412 414 415 416 418 422 425	140 150 160 165 170 175 180 190 200 205 210 220 230 234 236 238 240 242 245 250 255	0,35 0,3 0,2 0,17 0,12 0,11 0,10 0,08 0,07 0,06 0,05 0,045 0,04 0,038 0,035 0,032 0,03 0,029 0,028 0,025 0,02

Таблица 1.6 — Параметры хладагента R22

t, 0C	P, мПа	i1, кДж/кг	i4, кДж/кг	Значения v1, м3/кг
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 22 25 28 30 32 35 38 40	0,105 0,132 0,164 0,201 0,246 0,296 0,355 0,423 0,500 0,586 0,685 0,794 0,916 0,969 1,052 1,140 1,202 1,267 1,368 1,472 1,548	607,6 609,9 612,3 614,8 617,0 619,3 621,6 623,5 625,7 627,8 630,0 631,3 632,8 633,4 634,2 635,0 635,5 635,9 636,4 636,7 637,0	- - - - - - - - - - 431,3 437,8 444,4 447,1 451,2 455,4 458,2 461,0 465,2 469,4 472,3	0,205 0,166 0,135 0,112 0,093 0,078 0,065 0,056 0,047 0,041 0,435 0,029 0,026 0,024 0,023 0,021 0,019 0,018 0,017 0,016 0,015