Расчет поршневого компрессора: Методические указания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Расчет поршневого компрессора Методические указания к расчетно-графической работе по курсу «Нагнетатели и тепловые двигатели» для студентов специальности 5509 «Промышленная теплоэнергетика»

Составитель Д.Л. Жуховицкий

Ульяновск 2001

УДК 621.1.016.7(075) ББК31.7бя7 __Р24 Рецензент? начальник службы перспективного развития «Ульяновскэнерго» КВ. Григорьев Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета Ульяновского государственного технического университета. Расчет поршневого компрессора: Методические указания к РГР по 24 курсу «Нагнетатели и тепловые двигатели»/Сост. ДЛ. Жуховицкий-Ульяновск УлГТУ,200 1 .-• 14 с. Даны варианты заданий, порядок и основные формулы расчета двухступенчатого поршневого компрессора с водяным охлаждением и промежуточным охладителем воздуха. Методические указания предназначены для студентов специальности 5509.Работа подготовлена на кафедре 'Теплоэнергетика".

УДК 62 .1.016.7(076) ББК31.76,я7

©Оформление. УлГТУ, 2001

Содержание Введение..............................................................................

4

1 .Задание на РГР «Расчет поршневого компрессора»...................... 2.Определение параметров воздуха после первой и второй ступеней компрессора. Массовая производительность компрессора............ 3.Построение процесса сжатия в первой ступени в pv- диаграмме...... 4.Техническая работа политропного и изотермического сжатия. Мощность компрессора........................................................... 5.Определение поверхности охлаждения промежуточного охладителя воздуха.............................................................................. Список литературы......................................................................................

4 5 7 8 9 10

4

Введение Учебным планом по специальности 5509 («Промышленная теплоэнергетика») предусмотрено выполнение расчетно-графической работы (РГР) по курсу «Нагнетатели и тепловые двигатели» - «Расчет поршневого компрессора». Выбор темы обусловлен тем обстоятельством, что потребители сжатого воздуха имеются на любом промышленном предприятии, что вызывает необходимость установки компрессорных агрегатов. РГР преследует следующую основную цель: усвоение принципов работы и расчета поршневых компрессоров (ПК). При выполнении РГР обязательным является изучение соответствующих разделов лекционного курса «Нагнетатели и тепловые двигатели», учебной литературы, а также повторение некоторых разделов технической термодинамики.

1.Задание на РГР «Расчет поршневого компрессора» Исходные данные для расчета ПК приведены в таблице 1. В двухступенчатом двухцилиндровом ПК простого действия (рис.1) воздух сжимается от давления р}=1 бар абс, при T=27 °С до давления рз(см, табл. 1 ).Степень повышения давления в обеих ступенях является одинаковой

Стенки цилиндров первой ступени (ЦНД) и второй ступени (ЦВД) охлаждаются водой с одной интенсивностью, поэтому процессы сжатия в обеих ступенях происходят по политропе с одинаковым показателем n (см, табл.1).После первой ступени в промежуточном охладителе воздух охлаждается при постоянном давлении р2 до начальной температуры t1. Производительность компрессора при параметрах на всасывании (pl,t1) равна Vj (см. табл. 1). Частота вращения коленчатаго вала Пкв также приведена в таблице 1. Для рабочего тела (воздуха) следует принять

Требуется определить: Давление воздуха после первой ступени

5ар.

2. Температуру в конце сжатия в каждой ступени условиям задания

(по

3. Объемный расход сжатого воздуха после первой ступени V2 и после второй ступени 4. Производительность К по массе сжатого воздуха G , кг/ч.

5. Изменение внутренней энергии

и энтальпии

з каждой ступени,

6.Количество теплоты, отводимое водой от воздуха при сжатии в каждой ступени , кДж/кг, а также в промежуточном охладителе и соответственно, расход охлаждающей воды на цилиндры и промежуточный охладитель G* , кг/ч, полагая» что вода в них нагревается о' ] на входе дс ia выходе, 7. Построить в pv-координатах по точкам графики процесса сжатия по политропе и изотерме для первой ступени с графическим изображением затрачиваемой технической работы. 8 Построить в Т-координатах по точкам графики процесса сжатия по политропе в первой ступени, а также графики вспомогательных изобар, между которыми расположен процесс сжатия. Обозначить площади, выражающие 9. Затрачиваемую техническую работу политропного сжатия

10. Затрачиваем труттчрскую работу изотермического сжатия /и,, теоретическую и действительную мощность потребляемую компрессором, если его изотермический 1 1. Поверхность охлаждения промежуточного охладителя воздуха при противотоке, принимая коэффициент теплопередачи от воздуха к воде

2.Определение параметров воздуха после первой и второй ступеней компрессора. Массовая производительность компрессора

2. Давление воздуха после первой ступени К определяется из соотношения (2) Давление перед ЦВД принимаем равным р2, потерями давления в промежуточном охладителе пренебрегаем. 2.2Лемпература в конце сжатия подсчитывается закономерностей политропного процесса

исходя

из

n - показатель политропы (задан). Исходя из соотношения (1) и равенства показателя политропы п для процессов сжатия в обеих ступенях по заданию получаем, что температура воздуха на выходе из обеих ступеней одинакова, т.е. Т2=Т3. 2.3. Объемный расход сжатого воздуха после первой ступени при давлении р2 и температуре Т2

после второй ступени при давлении р$ и температуре Т3

2.4.Массовая производительность компрессора G, кг/ч подсчитывается с помощью уравнения состояния Клапейрона

где pi - давление на входе в КПа; YI - производительность К при параметрах на всасывание, м /ч j R газовая постоянная воздуха, Дж/кг-К), 2.5.Изменение внутренней энергии в процессе сжатия в первой ступени где cv - изохорная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К). Изменение энтальпии в том же процессе:

Поскольку Т2 — Т1=Tз — Т1 , то подсчитанные по формулам Т и 8) величины дельта U и дельта h одинаковы для обеих ступеней. 2.6. Теплота политропного процесса сжатия в первой ступени:

Здесь

- теплоемкость политропного

процесса при заданном показателе политропы п. По указанной выше (п. 2,5) причине теплота q одинакова как для первой, так и для второй ступеней. Теплота q отводится из каналов охлаждения «рубашек») цилиндров с охлаждающей водой. Расход охлаждающей воды на ЦНД Gw подсчитывается из уравнения теплового баланса

где (t'' w - t'w )-разность температур охлаждающей воды на выходе и

входе;

Cw=4,19 кДж/(кг-Классовая теплоёмкость воды, Из уравнения (10) следует

Расход воды на ЦВД будет таким же, т.е. Gw2=Gwi . 2.7 Отводимая от воздуха теплота в промежуточном охладителе при p2=const

8

следующим образом. Подсчитываются удельные объемы в начальном (при p1, T1) и конечном (при p2, T2) состояниях по выражениям:

По параметрам /?/, К/ в выбранных масштабах наносится на график точка 1, по р2, V2 -точка 2. Для построения промежуточных точек a, Ь и т.д. параметры

вычисляются по следующим соотношениям:Доказательство: Если

то

j 3.2. Построение кривой изотермического процесса 1-2 (рис. 2) производится из той же начальной точки 1. Удельные объемы для конечного состояния (точка 2 ) и промежуточных точек изотермы а', и' и т. д. можно подсчитать исходя из уравнения изотермического процесса:

Из построенной pv- диаграммы t

видно*

что

затрачиваемая

техническая работа /(на рис. 2 вьщелена щтриховкой) при изотермическом сжатии будет меньше, чем при политропном сжатии.

4* Техническая работа политропного и изотермического сжатия. Мощность компрессора

4. Техническая работа политропного сжатия / в первой ступени (ЦНД) рассчитывается по формуле

8)

В соответствии с первым законом термодинамики из этого количества затрачиваемой работы отводится из цилиндра с охлаждающей водой и с воздухом после ЦНД кДж/кг. Баланс энергии процесса сжатия во второй ступени (ЦВД) аналогичен. 4.2.Техническая работа изотермического сжатия для всего К ,т.е. от p1 ДО р3, равна:

Работа Tиз принята в качестве теоретической для охлаждаемого К поэтому теоретическая мощность К равна

Действительная потребляемая мощность: .V

Здесь nиз - изотермический КПД К, который колеблется в пределах 0.6-0.8. Мощность электродвигателя, приводящего в движение К, подсчитывается по формуле

где Л 5 -1,1 -г 1,3 - коэффициент запаса;

NM =0,90-0,95 - механический КПД учитывающий также потери в

промежуточной передаче, если она имеется в компрессорной установке.

5.Определение поверхности охлаждения промежуточного охладителя воздуха Поверхность охлаждения F, м2 теплопередачи

подсчитывается из уравнения

где Q- тепловой поток, передаваемый в охладитель от воздуха к охлаждающей воде, Вт (Дзк/с);

К - коэффициент теплопередачи, принимаемый в данном случае

равным 20Вт/(м2-К); ЛЦ- средний температурный напор между теплоносителями в охладителе воздуха, °С (К). Величина Afcp подсчитывается по формуле

-соответственно большая и меньшая

где разность температур между воздухом и

водой на входе и на выходе из охладителя при «противотоке» (рис. 3).

В свою очередь тепловой поток Q подсчитывается по формуле^

где G - массовая производительность К, кг/ч; 1

q - теплота, отводимая от воздуха в промежуточном охладителе, Дж/кг.

Список литературы

1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры, ^ Энергоатомиздат, 1989.-328с, 2. Михайлов А.К.Т Ворошилов В .П. Компрессорные машины. Энергоатомиздат, 1989. - 288 с.

М.

1 2

8.0

3

31

500 600 700 800 11.0 700 11.5 600 12.0 500 11.5 400 11.0 300 10.5 400 10.0 500 9.5 600 9.0 700 8.5 800 8,0 700 8.5 600 9,0 500 9.5 400 10.0 300 10.5 400 1LO 450 11.5 500 12,0 550 8.0 600 8.5 650 9.0 700 9.5 750 10.0 800 10.5 300

32

11.0

4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 21 22 23 24 25 26

27 28 29 30

8,5 9.0 9.5 10.0 10,5

300 400

350

1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.22 1.24 1.26

1.28 1.30 1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.26

600 650 700 730 750 800 780 750 600 700 800 620 650 730 750

780 800 850 780 750 730 720 700 650 620 600 650 780 800 600 650 680

33 34 35 36 37 38 39 40

41 42 43 44 45 46

47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64

11.5. 12.0 11.5 11.0 10.5 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 11.5 10.0 9.5 9.0 8.5

400 450 500 550 600 650 700 750

800 750 700 650 600 550 500 450 400 500 550 600 650 400 300 350 500 600 700 550 450 350 650 750

1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 1.28 1.26 1.24

1.22 1.20 1.22 1.24

1.26 1.28 1.30 1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30

1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.26

600

650 700 730 750 780 800 750 600 650 700 620 650 730 750 780 800

850 780 750 730 720 700 650 620 600 650 780 800 600 650 680

Рис. 1. Схема двухступенчатого двухцилиндрового ПК простого действия: 1-цилиндр первой ступени (низкого давления); 2-цилиндр второй ступени (высокого давления); 3-промежуточный охладитель воздуха; 4-коленчатый вал; 5-шатуны; 6-штоки; 7-поршни;8-маховик

Рис- 2.Изображение процесса сжатия в первой ступени компрессора в pv-диаграмме