3 Термодинамический расчет поршневого компрессора

3.1 Задание по разделу

В двухступенчатом компрессоре производительностью V происходит сжатие воздуха от давления р₁. до давления р₂. После сжатия в первой ступени воздух охлаждается в промежуточном холодильнике до начальной температуры. Температура охлаждающей воды повышается на t. Сжатие в обеих ступенях происходит по политропе с показателем n. Начальная температура воздуха t₁. Теплоёмкость воды с_в=4,19 кДж/кг.

Найти

1. объяснить преимущества многоступенчатого сжатия газа;

2. теоретическую мощность привода компрессора;

3. количество охлаждающей воды, прокачиваемой через промежуточный холодильник;

4. изобразить процессы в p-v и T-s диаграммах.

Значения нижеприведённых параметров выбираются по последней цифре номера зачётной книжки.

Таблица 5

Цифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
V, м3/ч	300	350	400	450	500	325	375	425	475	550
р1, ат.	1	0,95	1,05	1	0,98	0,9	0,98	1,02	1,04	1,06
р2., ат.	40	35	32	42	38	38	30	34	40	44

Значения нижеприведённых параметров выбираются по предпоследней цифре номера зачётной книжки.

Таблица 6

Цифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
t1, °С	0	5	10	15	20	25	30	27	17	7
t, °С	18	20	22	27	25	18	22	27	25	22
n	1,25	1,26	1,27	1,28	1,30	1,2	1,27	1,33	1,37	1,21

Производим термодинамический расчет двухступенчатого поршневого компрессора в соответствии с индивидуальным заданием.

1. Применение одноступенчатых ком­прессоров для получения сжатых газов с весьма высоким давлением нецелесообраз­но, так как с повышением давления нагнетания объемный КПД и производитель­ность компрессора уменьшаются. Другой причиной ограничения давления сжатия в одной ступени является недопустимость высокой температуры в конце сжатия, которая увеличивается с ростом конечного давления. По­вышение температуры газа выше 200°С ухудшает условия смазки (происходит кок­сование масла) и может привести к самовозгоранию масла.

Для получения сжатого газа более высокого давления 1,0…1,2 МПа и выше применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени. Сущность многоступенчатого сжатия можем пояснить на примере двухступенчатого компрессора, схема которого представлена на рисунке 5, а его идеальная (при V_o = 0) индикаторная диаграмма – на рисунке 6.

P b 5 4 2'

вода Р₃

Р₁; T₁ Р₂; T₂ Р₂; T₁ Р₃; T₂

II ступень

газ а 2

3 Р₂ 3

1 I ступень

Р₁ 0 1

вода 2 вода

V

Рисунок 5 – Схема двухступенчатого Рисунок 6 – Индикаторная диаграмма

поршневого компрессор двухступенчатого компрессора

В первой ступени 1 (рисунки 5 и 6) газ сжимается по политропе 1–2 до давления Р₂, а затем он поступает в промежуточный холодильник 3, где охлаждается до начальной температуры T₁. Гидравлическое сопротивление холодильника по воздушному тракту делают не­большим. Это позволяет считать процесс охлаждения 2–3 изобарным. После холодиль­ника газ поступает во вторую ступень 2, где сжимается по политропе 3–4 до давления Р₃. Если бы сжа­тие до давления Р₃ осуществлялось в идеальном одноступенчатом компрессоре (ли­ния 1–2', рисунок 6), то величина затраченной за цикл работы определялась бы площадью 012'b0 .При двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением эта работа численно равна площади 01234b0. Заштрихованная площадь соответствует экономии работы за цикл при двухступенчатом сжатии. Обратите внимание на то, что чем больше ступеней сжатия и промежуточных холодильников, тем ближе будет процесс к наи­более экономичному изотермическому, так как ломанная линия 1–2–3–4 приближается к кривой изотермического сжатия 1–3–5 .

Н

Рисунок 7

а рисунке 7 изображены процессы политропного сжатия 1–2, 3–4 и промежуточного изобарного охлаждения 2–3 в Ts-координатах. Заштрихованные площади показывают (в масштабе) количество теплоты, отводимой от воздуха в систему охлаждения: в первой ступени q_1-2, во второй ступени q_3-4 и в промежуточном холодильнике q_2-3. Из рисунка видно, что промежуточное охлаждение позволяет снизить температуру конца сжатия с Т₂' до T₂, что обеспечивает надёжную смазку трущихся поверхностей.

Специальные расчёты показывают, что наиболее выгодным многоступенчатое сжатие оказывается в том случае, когда отношение давлений в каждой ступени будет одинаковым. При этом работа, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора, будет минимальной.

2. Определяем теоретическая мощность привода компрессора при политропном сжатии N, кВт по формуле

(39)

где λ – степень повышения давления.

Степень повышения давления в каждой ступени мно­гоступенчатого компрессора может быть определена по формуле

(40)

где z – число ступеней компрессора, шт.;

р_z – давление газа на выходе из последней ступени, Па;

р₁ – давление газа на входе в первую ступень, Па;

ψ – коэффициент, учи­тывающий потери давления между ступенями, принимается (ψ = 1,1-1,15). Принимаем равным ψ = 1,1.

По условию задания давление дано в технических атмосферах. Необходимо давлении перевести в систему СИ, т.е в Паскали.

1 ат=9,81·10⁴ Па

Теоретическая мощность привода двухступенчатого компрессора

N_пр=2·N, кВт.

3. Расход охлаждающей воды, кг/ч

(41)

где с_в – теплоемкость воды, принимаем с_в=4,19 кДж/кг;

Q – количество теплоты, отводимой от воздуха, кДж/ч;

t – повышение температуры охлаждающей воды, ^оС

Количество теплоты, отводимой от воздуха, в изобарном процессе, кДж/ч

(42)

где М – массовая производительность компрессора, кг/ч;

с_р – массовая теплоемкость воздуха, с_р =1,01 кДж/(кг·К);

– температура в конце политропного процесса сжатия воздуха, ^оС.

Температуру в конце политропного сжатия определяем из соотношения параметров Т и р в политропном процессе по формуле

. (43)

Массовая производительность компрессора из уравнения состояния идеального газа

(44)

где – удельная газовая постоянная, для воздуха =287 Дж/(кг·К);

v – объемная производительность, м³/ч (по условию);

р₁, Т₁ – начальные давления и температура воздуха (по условию).

4. Находим параметры в характерных точках для построения процессов сжатия в p-v и T-s диаграммах.

Удельный объем воздуха перед компрессором первой ступени v₁, м³/кг определяется по следующему выражению

(45)

Из соотношения параметров в политропном процессе сжатия воздуха определяем удельный объем после сжатия в первой ступени

(46)

Давление воздуха после сжатия в компрессоре первой ступени:

(47)

Удельный объем воздуха перед компрессором второй ступени , м³/кг, при условии, что после сжатия в первой ступени воздух охлаждается в промежуточном холодильнике до начальной температуры , определяем из соотношения параметров в изобарном процессе

(48)

где – температура воздуха на входе во вторую ступень, , К (по условию задания).

Из соотношения параметров в политропном процессе сжатия воздуха удельный объем после сжатия во второй ступени , м³/кг, по формуле

(49)

Энтропия воздуха перед компрессором первой ступени S₁, кДж/(кг·К) по формуле

(50)

где и – соответственно температура и давление воздуха при нормальных условиях.

Определяем изменение энтропии в политропном процессе в компрессоре первой ступени , кДж/(кг·К) по формуле

(51)

где с_v – удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, принимаем ;

– показатель адиабаты для воздуха и всех двухатомных газов.

Энтропия в точке

(52)

Определяем изменение энтропии , в изобарном процессе охлаждения газа

Энтропия перед компрессором второй ступени ,

(53)

Энтропия воздуха после прохождения второй ступени компрессора

(54)

Производим построение процессов сжатия в p-v и T-s диаграммах.

Рисунок 8 – Процесс сжатия в р-v диаграмме

Рисунок 9 – Процесс сжатия в T-s диаграмме

приложение

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

h-s диаграмма водяного пара

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н. П. ОГАРЁВА»

Институт механики и энергетики

Кафедра теплоэнергетических систем

курсовая работа

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ДВС, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ поршневого компрессора

Автор курсовой работы _____________

Обозначение курсовой работы КР – 02069964 – 13.03.01 – __ – 16

Направление 13.03.01 теплоэнергетика и теплотехника

Руководитель работы

канд. техн. наук, доц. Д. В. Кузнецов

Оценка ___________

Саранск

2016

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н. П. ОГАРЁВА»

Институт механики и энергетики

Кафедра теплоэнергетических систем

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по дисциплине «Нагнетатели и тепловые двигатели»

Студент ___________ ___ гр. з/о

1 Тема «Тепловой расчет паровой турбины и ДВС, термодинамический расчет поршневого компрессора»

2 Срок представления работы к защите

3 Исходные данные: вариант индивидуального задания (вариант №___), справочная литература, СП, диаграммы

4 Содержание курсовой работы

Реферат

Введение

Тепловой расчет паровой турбины

Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания

Термодинамический расчет двухступенчатого поршневого компрессора

Заключение

Список литературы

5 Приложение: h-s диаграмма водяного пара

Руководитель работы Д. В. Кузнецов

^{подпись, дата инициалы, фамилия}

Задание принял к исполнению ______________________

^{подпись, дата}

П РИЛОЖЕНИЕ 4

Реферат

Курсовая работа содержит __ страниц, __ рисунков, ___ таблиц, ___ использованных источников, ___ приложение.

пар, турбина, скорость, лопатки, потери, кпд, двс, мощность, тепловой баланс, работа, производительность, компрессор.

Объектом исследования являются паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, двухступенчатый поршневой компрессор.

Цель работы – освоение и закрепление методики теплового расчета турбины, теплового расчета четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, и термодинамического расчета двухступенчатый поршневой компрессор с промежуточным охлаждением рабочего тела.

В процессе работы проводился расчет основных показателей работы тепловых двигателей и нагнетателей, определены расчетные режимы работы с изображением основных процессов в диаграммах состояния.

В результате проведенной работы выполнены основные расчеты, которые позволили выявить расчетный режим для тепловых двигателей, проанализировать процесс расширения пара в проточной части паровой турбины, проследить изменение показателей рабочего тела в двухступенчатом поршневом компрессоре с промежуточным охлаждением, определить эффективные показатели работы двигателя внутреннего сгорания.

Область применения – объекты исследования имеют большое применение в промышленности, в автомобилестроении, а также в отраслях, занимающихся производством электроэнергии.

Эффективность – повышение знания студентов. Выполнению работы должно предшествовать тщательное изучение соответствующих разделов курса «Нагнетатели и тепловые двигатели».

ПРИЛОЖЕНИЕ 5