teplotech
.pdfЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование цикла поршневого компрессора.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1.Определение величины показателя политропы и работы, затрачиваемой на привод компрессора.
2.Изучение влияния интенсивности охлаждения газа в процессе сжатия на величину работы, затрачиваемой на привод компрессора.
ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
Одноступенчатый компрессор. Поршневые компрессоры применяются для сжатия газов. При подготовке к данной лабораторной работе необходимо усвоить принцип действия поршневого компрессора, который основан на изменении объема рабочей полости цилиндра за счет перемещения поршня. При движении поршня 2 из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) давление в цилиндре 1 становится меньше, чем во всасывающей магистрали (рис. 1). Под действием разности давлений открывается всасывающий клапан 4, и цилиндр заполняется газом. Всасывание изображено на теоретической индикаторной диаграмме (рис. 2) линией 4-1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и газ сжимается до давления р2 (процесс 1-2). Как только давление в цилиндре превышает р2, открывается нагнетательный клапан 5 (рис. 1) и газ начнет выталкиваться поршнем в газосборник (процесс 2-3, рис.2). При достижении поршнем ВМТ в реальном компрессоре сначала происходит расширение газа (процесс 3-4), оставшегося в надпоршневом зазоре (вредном пространстве V0), до давления во всасывающей магистрали. Лишь после этого откроется всасывающий клапан и начнется наполнение цилиндра новой порцией газа. В результате часть рабочего объема не заполняется свежей порцией газа. Отношение объема всасывания V к рабочему объему Vh представляет собой объемный коэффициент полезного действия
компрессора: |
|
|
|
|
ηV = |
V |
, |
(1) |
|
V |
||||
|
|
|
||
|
h |
|
|
по величине которого оценивается подача сжатого газа потребителю (производительность компрессора). Обратите внимание на то (см.[1-3]), что объемный КПД уменьшается с увеличением вредного пространства и повышением давления сжатия. Следует помнить, что работа lк, затрачиваемая на привод компрессора, численно равна площади, ограниченной контуром индикаторной диаграммы. На рис. 2 это площадь, ограниченная контуром 12341 (заштрихованная площадь). Эта работа зависит от характера процесса сжатия. На рис. 2 изображены изотермический (n=1). адиабатный (n=к) и политропный (к >n >1) процессы сжатия. Обратите внимание на то, что сжатие по изотерме требует наименьших затрат работы, т. е. является энергетически наиболее выгодным. Чтобы приблизить процесс сжатия в компрессоре к изотермическому, необходимо отводить теплоту от сжимаемого газа. Это достигается за счет охлаждения цилиндра, например, водой, подаваемой в рубашку охлаждения 3. образуемую полыми стенками цилиндра (рис. 1). В реальных условиях эксплуатации отвод теплоты является таким, что сжатие газа осуществляется по политропе с показателем политропы n=1,18-1,23.
3
Рис. 1. Схема одноступенчатого |
Рис. 2. Теоретическая индикаторная |
|
компрессора: 1-цилиндр; 2-поршень; |
диаграмма |
одноступенчатого |
3-рубашка охлаждения; 4-впускной |
компрессора |
|
клапан; 5-нагнетательный клапан |
|
|
Многоступенчатый компрессор. 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. 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 может быть пояснена на примере двухступенчатого компрессора, схема которого представлена на рис. 3, а его идеальная (при V0 = 0) индикаторная диаграмма - на рис. 4.
Рис. 3. Схема двухступенчатого |
|
компрессора: 1 - первая ступень; 2 - |
Рис. 4. Идеальная индикаторная диа- |
вторая ступень; 3 - промежуточная |
грамма двухступенчатого компрессора |
ступень |
|
В первой ступени 1 (рис.3) газ сжимается до давления p2, а затем он поступает в промежуточный холодильник 3, где охлаждается до начальной температуры Т1. Гидравлическое сопротивление холодильника по воздушному
4
тракту делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения изобарным. После холодильника газ поступает во вторую ступень 2, где сжимается до давления p3. Если бы сжатие до давления p3 осуществлялось в идеальном одноступенчатом компрессоре (линия 1-2’, рис.4), то величина затраченной за цикл работы определялась бы площадью 012’b0. При двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением эта работа численно равна площади 012’b0. Заштрихованная площадь соответствует экономии работы за цикл при двухступенчатом сжатии. Обратите внимание на то, что чем больше ступеней сжатия и промежуточных охладителей, тем ближе процесс к наиболее экономичному изотермическому (T1 = T3 = const).
На рис.5 изображены процессы сжатия и промежуточного охлаждения в TS координатах. Заштрихованные площади показывают (в масштабе) количество теплоты, отводимой от воздуха в систему охлаждения: в первой ступени q1-2, во второй ступени q3-4 и в промежуточном холодильнике q2-3. Из рис.5 видно, что промежуточное охлаждение позволяет снизить температуру конца сжатия с Т2' до Т2, что обеспечивает надежную смазку
трущихся поверхностей.
Рис 5. Изображение в TS - координатах процессов в двухступенчатом компрессоре
Обратите также внимание на то, что при многоступенчатом сжатии в реальном компрессоре увеличивается его объемный КПД за счет уменьшения перепада давлений в ступенях [1,2,3].
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Установка (рис.6) состоит из поршневого компрессора 4 с электроприводом 11. Давление p1 и температура t1 воздуха на входе в компрессор принимаются равными давлению В и температуре t0 окружающий среды, которые измеряются соответственно с помощью барометра 2 и термометра 1, находящихся в лаборатории. Давление Pbp, и температура t2 воздуха после сжатия регистрируются по манометру 8 и потенциометру 5, подключенному к термопаре, установленной в нагнетательной магистрали первой ступени.
5
Рис. 6. Схема установки: 1 - термометр; 2 - барометр; 3 - воздухозаборник; 4 - компрессор; 5 - потенциометр; 6 - воздухопровод; 7 - ресивер; 8 - манометр
(избыточное |
давление |
в |
ресивере); |
9 |
- |
регулировочный |
вентиль; |
10 - предохранительный клапан; 11 - электромотор. |
|
|
|
||||
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1.Изучить правила техники безопасности.
2.Включить компрессор (включается лаборантом) и через 5 мин с момента его включения произвести измерение давления и температуры окружающей среды
(В, t0) и воздуха на выходе из компрессора (ризб, t2). Результаты измерений занести в табл. 1.
|
|
|
|
Таблица 1 |
№ опыта |
В, мм. рт. ст. |
t0, °С |
Р„г„ кгс/см- |
t2, °С |
|
|
|
|
|
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА
1. Давление Р (в Па) и температура T1 (в К) воздуха на входе в компрессор
принимаются равными давлению и температуре окружающей среды: |
|
Р1 = В; Т1 = t0 + 273, |
(2) |
где В - давление окружающей среды, Па; t0 - температура окружающей среды, °С.
2. |
Абсолютное давление воздуха на выходе из компрессора, Па; принима- |
|
ется равным давлению в ресивере и подсчитывается по формуле |
|
|
|
Р2 = Ризб + В, |
(3) |
где Ризб - избыточное давление воздуха в ресивере, Па. |
|
|
3. |
Термодинамическая (абсолютная) температура воздуха на выходе из |
|
первой ступени. К: |
|
|
|
Т= t2 + 273, |
(4) |
где t2 - температура воздуха на выходе из компрессора, °С. |
|
|
4. |
Показатель политропы сжатия воздуха в первой ступени определяется по |
|
формуле |
|
|
|
n = [ln(P2/P1)]/[ln(P2/P1)-ln(T2/T1)]. |
(5) |
5. |
Количество теплоты, отводимой в систему охлаждения компрессора от 1 |
|
кг воздуха в процессе его сжатия в первой ступени (Дж/кг), |
определяется с |
|
|
6 |
|
помощью одной из следующих формул При политропном сжатии
qпол = с1 [(n - k)/(n-1)](T2 - T1)
где Сv - массовая теплоемкость газа в изохорном процессе (для воздуха Сv = 716 Дж/(кг · К)); k - показатель адиабаты (для воздуха k = l,4); n - показатель политропы, определенного в пункте 4.
|
При изотермическом сжатии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
qиз = -RT1 ln(P2/P1) |
|
|
|
|
(7) |
||||
где газовая постоянная для воздуха R = 287 Дж/(кг · К). |
|
|
|
|
|||||||||||
|
6. Удельная теоретическая работа, затраченная на привод идеального |
||||||||||||||
компрессора (Дж/кг), определяется: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
при политропном сжатии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
lк, пол = [n/(n - 1) RT1 [1- (P2/P1)(n-1)/n]; |
|
|
(8) |
||||||||
|
при адиабатном сжатия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
lк, ад = [k/(k - 1) RT1 [1- (P2/P1)(k-1)/k]; |
|
|
(9); |
||||||||
|
при изотермическом сжатии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
lк, из = qиз, |
|
|
|
|
(10) |
|||
|
7. Результаты расчетов свести в табл.2, в которой представить значения P1 и |
||||||||||||||
Р2 в МПа, a q и lк - в кДж/кг. |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Р1 |
|
P2 |
T1 |
|
T2 |
|
n |
qпол |
|
qиз |
|
lк, ад |
lк, пол |
|
lк, из |
|
МПа |
|
К |
|
|
|
|
|
|
кДж/кг |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. По данным табл.2 сделать вывод о наиболее эффективном процессе сжатия воздуха и указать условия его осуществления.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1.Цель работы.
2.Схема установки (рис. 6).
3.Опытные данные (табл. 1) и ход их обработки.
4.Результаты расчетов (табл.2).
5.Выводы по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Назначение компрессора. Типы компрессоров по способу сжатия, принцип действия.
2.Схема и описание работы одноступенчатого компрессора.
3.Теоретическая индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора,
ееизображение и описание.
4.Какие процессы возможны при сжатии газа в компрессоре? Дать определение этих процессов, написать их уравнения и привести значения показателя политропы в реальных условиях эксплуатации компрессора.
7
5.При каком процессе сжатия газа работа, затрачиваемая на привод компрессора, будет наименьшей? При ответе используйте индикаторную диаграмму компрессора.
6.Какие причины приводят к необходимости отводить теплоту от газа в компрессорах и какими способами это осуществляется?
7.Какими уравнениями описывается теплота, отводимая от газа при изотермическом и политропном сжатиях? Дать определение величинам, входящим в эти выражения.
8.Записать уравнения работы, затрачиваемой на привод компрессора при изотермическом, адиабатном и политропном сжатиях газа. Дать определение величинам, входящим в эти выражения.
9.Что понимается под вредным пространством, рабочим объемом и объемом всасывания? При ответе используйте индикаторную диаграмму компрессора.
10.Что такое объемный КПД компрессора, от каких параметров и каким образом он зависит? При ответе используйте индикаторную диаграмму компрессора.
11.Почему одноступенчатый компрессор не используют для получения высокого давления газа?
12.Схема и описание работы многоступенчатого компрессора.
13.Теоретическая индикаторная диаграмма, многоступенчатого компрессора, ее изображение и описание.
14.Преимущества многоступенчатого сжатия. При ответе используйте индикаторную диаграмму компрессора.
15.Какое распределение общего перепада давлений по ступеням является оптимальным? Приведите формулу для определения степени увеличения давления в каждой ступени.
16.Как определяется работа на привод многоступенчатого компрессора?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высш. шк., 1980.-С. 217-230.
2.Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - М.: Наука, 1979.-512 с.
3.Термодинамика и теплопередача: Лабораторный курс/Под ред. Г.Н. Злотина, М.С. Приходько; ВолгПИ. - Волгоград, 1971.- С. 41-54.
8
