ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИСПЫТАНИЕ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
Цель лабораторной работы: изучение термодинамических процессов, происходящих в поршневом компрессоре. Определение параметров, характеризующих работу поршневого компрессора.
|
Задачи: |
– ознаком ться с принципиальной схемой одноступенчатого |
|
поршневого компрессора; |
|
С |
|
– |
зуч ть д аграммы теоретического и реального рабочих процес- |
и |
|
сов поршневого компрессора; |
|
– определ ть производительность, коэффициент подачи, коэффи- |
|
ц |
ент полезного действия и удельный расход энергии. |
|
|
е и оснащение: |
1) |
поршневой компрессор (видео 1); |
|
2) |
электродвигатель; |
|
Оборудован3) вакуумметр; |
||
4) |
манометр; |
|
5) |
расходомер воздуха; |
|
6) |
ваттметр; |
|
7) |
А |
|
термометр. |
Д |
|
|
|
|
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Компрессором называется машинаИх, которая служит для сжатия газов и паров.
Для приведения компрессора в действие затрачивается электрическая или механическая энергия. В современной технике компрессоры получили широкое применение. используютИв машиностроительной, строительной, нефтяной, горнорудной промышленности, на транспорте, в газотурбинных установках и реактивных двигателях, в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в холодильных установках, для питания пневматического инструмента, в автомобилях для привода тормозной системы и т. д [1,2,3].
По конструктивным признакам и принципу работы компрессоры можно разделить на пять основных групп (илл. 1): поршневые (илл. 2), (илл. 3), (илл. 4), роторные (илл. 5), (видео 2), (видео 3), (илл. 6), центробежные (илл. 7), (илл. 8), (видео 4), осевые, струйные.
53
Сравнительные показатели различных типов компрессоров представлены в табл. 9.
С |
|
|
|
Таблица 9 |
|
|
|
|
|
||
|
равнительные показатели различных типов компрессоров |
||||
|
|
|
|
|
|
|
На менован е |
Производительность, |
Степень повы- |
КПД |
|
|
типа компрессора |
м3/мин |
шения давления |
компрессора |
|
|
Поршневые |
|
200 |
2–10000 |
0,75–0,85 |
|
Роторные |
3000 |
3–10 |
0,65–0,75 |
|
|
Лопаточные: цен- |
|
|
|
|
|
тробежные (рад - |
50–3000 |
15–20 |
0,75–0,85 |
|
|
альные) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Осевые |
300–10 000 |
8–10 |
0,85–0,95 |
|
|
иСтруйные |
– |
|||
|
|
|
|
4–5 |
0,15–0,45 |
|
|
А |
|
||
|
Применительно к поршневым компрессорам сжатие газа до не- |
||||
|
большогобдавления осуществляют в одноступенчатых компрессорах. |
||||
|
Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые |
||||
|
компрессоры, в которых сжатие газа производится в нескольких по- |
||||
следовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа в холодильниках (intercooler) после каждого цилиндра.
Количественной характеристикой компрессора является его производительность. Производительностью компрессора называется количество газа, действительно сжимаемое компрессором в единицу
Качественной характеристикойИкомпрессора является степень повышения давления, равная отношению давления газа за компрессо-
3 |
3 |
Д |
|
|
|
времени (м /с; м /мин; л/мин), замеренное на выходе, но приведенное |
||
к начальному состоянию газа при всасывании. ногда производи- |
||
тельность определяется в кг/ч.
ром P2 к давлению газа P1 перед компрессором, т. е.
|
P2 |
. |
(22) |
|
|||
|
P |
|
И |
|
1 |
|
|
Хотя компрессоры и различаются по устройству и принципу работы, термодинамика протекающих в них процессов сжатия одинакова и процессы эти описываются одними и теми же уравнениями.
54
Наиболее наглядно процесс сжатия газа можно проследить в одноступенчатом поршневом компрессоре.
Одноступенчатый поршневой компрессор (рис. 26) состоит из цилиндра, поршня с кривошипно-шатунным механизмом и двух клапанов в крышке цилиндра – впускного и выпускного (нагнетательно-
Сго), которые открываются автоматически под действием разности давлений газа в цилиндре и над соответствующим клапаном. Рабочий процесс в компрессоре совершается за один оборот коленчатого вала или, что одно то же, за два хода поршня. При ходе поршня к н.м.т., когда давлен е в цилиндре окажется ниже давления над впускным клапаном, впускной клапан открывается и цилиндр заполняется газом.
ходе поршня к в.м.т. впускной клапан закрывается и газ сжимается. Когда давлен в цилиндре превысит давление над выпускным
клапаном, газ перетекает в ресивер, где накапливается и может быть |
|
При |
|
направлен потре телю [2,4]. |
|
Сжат |
газа в компрессоре состоит из сложных процессов, по- |
этому для |
их изучения рассматриваем сначала теоретиче- |
скую диаграммуоблегченияв идеальном компрессоре, а затем более сложную |
|
|
А |
действительную индикаторную диаграмму реального компрессора.
Особенности теоретического, или идеального компрессора: |
|
|
Д |
1) |
отсутствует вредный объём, т. е. в верхнем положении пор- |
шень вплотную подходит к крышке цилиндра; |
|
2) |
отсутствуют потери давления при перетекании газа через |
клапаны; 3) отсутствует утечка газа через клапаны и через зазоры между
поршнем и цилиндром; 4) отсутствуют силы трения в сопряженных деталях.
Диаграммы рабочего процесса идеального и реального поршне-
вого компрессора в системе координат P – V представлены |
|
|
И |
на рис. 27, 28. |
И |
Теоретическая диаграмма идеального компрессора. Когда поршень движется вправо при постоянном давлении P1, происходит наполнение цилиндра газом. Линия AB называется линией всасывания. При ходе поршня влево по линии BC происходит сжатие до давления P2. Процесс сжатия газа может происходить по изотерме BC, политропе BC1 или адиабате BC2. В конце процесса сжатия в точке С (С1 или С2) выпускной клапан открывается и происходит выталкивание газа (линия нагнетания в ресивер CD).
55
В начале последующего хода поршня (слева направо) выпускной клапан закрывается, и давление в цилиндре теоретически мгновенно падает с P2 до P1 (процесс DA), в точке А открывается впускной клапан, и описанный процесс снова повторяется.
С |
|
|
|
|
|
|
|||
и |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
б |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
А |
|
|
|
||
|
|
|
|
Рис. 26. Схема поршневого компрессора |
|||||
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
С С1 |
C2 |
PVk = const |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Д |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
PVn = const |
|
|
|
|
|
|
|
И |
|||
2 |
|
|
|
|
|
|
PV = const |
||
P |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
A |
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||
|
|
|
|
O |
E |
|
F |
||
|
1 |
|
|
V1 |
|
|
|
|
V |
|
P |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 27. Диаграмма теоретического рабочего процесса |
|||||||
|
|
||||||||
|
|
|
|
поршневого компрессора |
|||||
56
P
D |
С |
|
2 |
V |
|
|
P |
|
|
|
1 |
|
|
|
P |
|
|
|
С |
|
B |
|
|
|
|
|
A |
|
F |
|
|
|
|
|
VD |
VB |
|
V |
|
|
||
и |
VA |
|
|
б |
|
|
|
Рис.28. Индикаторная диаграмма рабочего процесса реального |
|
||
|
компрессора |
|
|
А |
|
|
|
Линии всасывания AB и нагнетания CD не изображают термо- |
|||
динамические процессы, так как состояние газа при всасывании и на- |
|||
гнетании остается неизменным, а меняется только количество газа. |
|
Поэтому и замкнутая линия ABCDA представляет собой не цикл, а |
|
Д |
|
только теоретическую диаграмму идеального компрессора [4]. |
|
Площадь теоретической диаграммы ABCDA равна работе l, за- |
|
траченной на получение 1 кг сжатого газа. |
|
Тогда работу l можно представить следующим образом: |
|
И |
|
l SABCDA SODCEO SECBFE SOABFO , |
(23) |
или учитывая, что площадь под линией процессаИв P-V координатах численно равна работе, совершённой в данном процессе, т. е. SODCEO = = P2V2 и т.п., то
l P V |
V2 |
PdV P |
V |
|
|
|
|
, |
(24) |
||||
2 2 |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
|
|
57 |
|
|
|
|
|
где P1V1 – работа, производимая внешней средой при заполнении цилиндра газом; P2V2 – работа, затраченная на выталкивание газа; ∫ PdV – работа, затраченная на сжатие газа в компрессоре.
При адиабатном сжатии газа согласно (1) будем иметь |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
С |
|
|
1 |
P V P V P |
|
|
|
k |
|
P V P V (25) |
||||||||||||||||||
|
l |
|
P |
V |
|
|
V |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
ад |
2 |
|
2 |
|
k 1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
k 1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
|
||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
после преобразования |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
P2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
lад |
|
|
RT1 |
|
|
|
|
1 |
, |
|
|
|
|
|
|
(26) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
абсолютное |
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где T1 – |
|
|
ютная температура воздуха в условиях всасывания, К; |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
P – |
|
|
|
|
|
|
давление воздуха в ресивере, |
Па; |
k – |
Показатель |
||||||||||||||||||
адиабаты (для воздуха принять k = 1,40). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Давление атмосферного воздуха, Па, в условиях всасывания оп- |
||||||||||||||||||||||||||||
ределяется по формуле |
|
Д |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P 133,3 B 981000 H , |
|
|
|
|
(27) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
И |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где B – показания барометра, мм рт.ст.; H – показания вакуумметра, |
||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кг·с/см . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Плотность воздуха, кг/м3, в условиях всасывания |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P1 |
|
|
|
|
|
|
И |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(28) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где R – газовая постоянная, Дж/кг·ºС. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
8314 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(29) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где μ – молекулярная масса газа (для воздуха μ = 28,97).
58
В реальном компрессоре неизбежны потери давления на дросселирование во впускном и выпускном клапанах. Через зазоры цилиндропоршневой группы происходит утечка газа. Наконец, учитывается трение поршня о стенки цилиндра.
В реальном компрессоре поршень при крайнем левом положении не доходит до крышки цилиндра и между ними всегда остается некоторый свободный объем, необходимый для перемещения клапанов, который называется вредным пространством или вредным объемом.
Объем вредного пространства V0 |
обычно составляет 4 – 10% |
от |
С |
|
|
рабочего объема ц линдра компрессора Vh. Наличие вредного про- |
||
странства уменьшает количество газа, |
поступающего в цилиндр, |
и, |
следовательно, уменьшает производительность компрессора.
Секундный расход воздуха, кг/с, на входе в компрессор опреде- |
|
и |
|
ляется по формуле |
|
с V , |
(30) |
б |
|
А |
|
где Vτ – расход воздуха в условиях всасывания, м3/с.
Диаграмма ра очего процесса реального компрессора называет- |
||||
|
|
Д |
|
|
ся индикаторной диаграммой. |
|
|
||
На |
индикаторной |
диаграмме |
реального |
компрессора |
(см. рис. 28) видно, что после того, как закончится выталкивание сжа- |
||||
того газа в ресивер (линия CD), небольшое его количество еще оста- |
||||
ется во вредном пространстве цилиндра и занимает объем V0 при дав- |
||||
лении P2. Это давление P2 |
не дает возможности впускному клапану |
|||
открываться, пока не произойдет расширение оставшегося в цилиндре |
||||
ния P1, впускной клапан автоматическиИоткрывается, и в цилиндр впускается новая порция газа. Далее этот газ сжимается в современных компрессорах, чаще всего политропно, так как изотермическое сжатие осуществить практически невозможно, а адиабатное сжатие возможно только теоретически.
газа до давления P1. В реальном компрессоре расширение газа проис-
ходит по политропе DA. При этом давление газа снижается до давле- И
Сжатый газ направляется в ресивер, и процесс начинается сначала. Объем свежей порции газа V, поступившей в компрессор при всасывании, будет меньше рабочего объема цилиндра, т. е. V < Vц. Отношение объема действительно поступающего в цилиндр газа к рабочему объему цилиндра называется коэффициентом подачи или
59
коэффициентом наполнения, характеризующим производительность компрессора.
|
|
|
V |
1. |
(31) |
V |
|
||||
|
VЦ |
|
|
||
|
|
|
|
||
Для различных компрессоров ηV = 0,65–0,80.
Коэфф ц ент подачи компрессора на лабораторной установке
определяется по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
V |
|
60 V |
, |
|
|
|
|
|
|
(32) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
Vh n |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где n – частота |
|
вала компрессора, мин-1. |
|
||||||||||||||
вращения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
D2 |
S Z |
, |
|
|
|
(33) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
h |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где D – диаметр цилиндра компрессора, |
м; S – ход поршня, м; |
||||||||||||||||
Z – число рабочих цилиндров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Мощность, Азатрачиваемую на привод компрессора, Вт, можно |
|||||||||||||||||
вычислить по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N 3 NФ М , |
|
(34) |
|||||||||||
где N – показания |
ваттметра |
|
(активная |
мощность одной |
фазы); |
||||||||||||
Ф |
|
Д |
|
||||||||||||||
ηМ – механический КПД электродвигателя (для лабораторной уста- |
|||||||||||||||||
новки равен 0,95). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельный расход энергии, кВт·ч/кг, определяется по уравнению |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||||
|
|
|
A |
|
|
|
|
N |
|
10 6 . |
|
(35) |
|||||
|
|
|
уд |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
3,6 с |
|
|
|
|
И |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент полезного действия компрессора: |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
с lад |
, |
|
|
(36) |
||||||
|
|
|
|
К |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где lад – работа адиабатного сжатия [см. формулы (25), (26)].
60