Теплотехника. Лабораторный практикум для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия»

С учетом поправки к психрометрической разности температур истинное значение показания «мокрого» термометра

Значения давления насыщения водяного пара рs м и рs находятся по таблицам термодинамических свойств водяного пара на линии насыщения:

рs м 1500 Па, рs 2760 Па (Приложение 1, табл. П1-1). Поправочный коэффициент, учитывающий особенности кон-

струкции лабораторной установки и скорость воздуха в воздуховоде

Относительная влажность воздуха в воздуховоде определяется по психрометрической формуле

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе

Энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха

hвв 1,007·tс 0,001 d ( 2500 1,9 tс ) 1,007 22,7

0,001 5,8 ( 2500 1,9 22,7 ) 37,6 кДж / кг сухого воздуха.

В процессе исследования основные характеристики влажного воз-

11

духа определяются также с помощью h d диаграммы (рису-

нок1.2).

Результаты обработки опытных данных и характеристики влажного воздуха, найденные с помощью h d диаграммы, представлены в таблице1.4.

Таблица 1.4 – Результаты обработки экспериментальных данных

(tс 22 ,7 0C , t'м 13,0 0C )

Максимальное относительное расхождение между характеристиками влажного воздуха, полученными в результате обработки опытных данных и определенными с помощью h d диаграммы, не превышает 7 %.

3.Вопросы для контроля знаний

1.Что представляет из себя влажный воздух?

2.Дайте определение насыщенного, ненасыщенного и перенасыщенного влажного воздуха. Каковы отличительные особенности влажного воздуха, находящегося в этих состояниях?

3.Дайте определение температуры точки росы ts.

4.Что такое абсолютная влажность воздуха?

5.Что называется относительной влажностью воздуха?

6.Почему с увеличением температуры влажного воздуха его относительная влажность уменьшается?

7.Что называется влагосодержанием воздуха?

8.Какова связь между относительной влажностью воздуха и его влагосодержанием?

9.Как определяется энтальпия влажного воздуха?

10.Каким образом определяются параметры влажного воздуха с помощью диаграммы по показаниям «сухого» и «мокрого» термометров?

12

11. Как определить парциальное давление водяных паров pвп , если

задана точка на h d диаграмме, характеризующая состояние влажного воздуха?

Лабораторная работа № 2

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

(на примере поршневого компрессора) Цель 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 дру-

гих 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 (рисунок 2.1).

В цилиндре 2 движется поршень 1, совершающий возвратнопоступательное 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

13

мертвой точки), поршень вновь начинает двигаться вправо и процесс повторяется.

В PV-диаграмме на рисунке 2.1 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

Каждая составляющая технической работы в общем случае определяется по формуле

Считая всасывание и нагнетание изобарными процессами и подставляя работы l41, l12, l23, определенные по формуле (2.2), в уравнение (2.1), после несложных преобразований можно получить общее выражение для технической работы

Можно представить три возможных термодинамических процесса сжатия в компрессоре (рис. 2.2): 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. рисунок 2.2). Изотермическое сжатие можно представить при идеальном охлаждении ком-

14

прессора, 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 политро-

пы 1<n<к.

Из уравнения политропы

где левая часть соответствует любой точке на политропе, а правая часть – начальному состоянию газа (т.1). Находя удельный объем v из формулы (2.4), подставляя его в уравнение (2.3), можно получить техническую работу политропного (реального) компрессора

Или с учетом уравнения Клапейрона для идеального газа

1.2. Двухступенчатый компрессор

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 рисунке 2.3 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 (рисунок 2.3).

15

Параметры газа на входе в цилиндр высокого давления PxVx(т.3) можно найти, приравняв технические работы I и II ступеней компрессора по формуле (2.5)

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

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

1.3Реальный одноступенчатый компрессор

Вреальном 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

16

крайнем левом положении (верхней мертвой точке) и головкой цилиндра с клапанами. Этот зазор необходим для безударной работы компрессора. На рисунке 2.4 изображены термодинамические процессы реального одноступенчатого компрессора, где p1 и p2 – давление 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

Это объем цилиндра между крайними положениями поршня (между ВМТ и НМТ). Здесь d, м – диаметр цилиндра, S, м – ход поршня. На рисунке 2.4 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

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

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

1.4.Реальный двухступенчатый компрессор

1.Паспортные данные компрессора.

Паспортные данные компрессора приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Паспортные данные компрессора

17

здесь p, мм – максимальная высота индикаторной диаграммы (см. рис. 2.4); m=0,1МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.

Начальное давление воздуха перед компрессором, МПа

где В, мм.рт.ст. – давление окружающей среды по барометру; 1МПа=7500мм.рт.ст.

18

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

Абсолютные начальное и конечное давления воздуха в ресивере, МПа; Рнач и Ркон – избыточные давления (по манометру) в ре-

сивере на начало и конец измерений; МПа; , с – время работы

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

Коэффициент подачи компрессора представляет собой от-

ношение действительной производительности Vк теоретической.

4V z dH2 dB2 nS , (2.25)

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

Объемный коэффициент компрессора учитывает влияние вредного объема

19

здесь объем всасываемого воздуха Vвс, мм и рабочий объем цилиндра Vh, мм снимаются с индикаторной диаграммы (рис. 2.4).

Изотермический КПД компрессора представляет собой от-

ношение мощностей привода изотермического Nиз и реального Ni компрессоров

давление p1 в формуле (2.29) следует подставить в Па (Н/м2).

С учетом формул (2.22), (2.23) и (2.24)

По величине изотермического КПД можно судить о совершенстве реального компрессора. Мощность привода теоретического изотермического компрессора минимальна, поэтому, чем ближе

изк единице, тем совершеннее реальный компрессор.

2. 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 таблицу 2.1, расчеты выполняются в таблице 2.2.

Таблица 2.1 – Результаты измерений

20