Лабораторная работа № 3. «ИСПЫТАНИЕ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА»

Целью работы является углубление знаний по теории, конструкции и методике испытаний поршневых компрессоров.

Задание

Определить производительность, коэффициент подачи, показатель политропы сжатия, работу, затраченную на сжатие воздуха, мощность, потребляемую компрессором, к.п.д. компрессора.

Теоретическая часть

Машины для сжатия газов называются компрессорами. В зависимости от принципа сжатия их можно разделить на две основные группы: 1) машины объемного сжатия – повышение давления газа происходит за счёт уменьшения объёма рабочего пространства. К этой группе машин относятся поршневые компрессоры с возвратно-поступательным движением поршней и различные типы ротационных компрессоров с вращающимися поршнями; 2)машины кинетического сжатия – процесс сжатия проходит при принудительном установившемся движении, полученная кинетическая энергия переходит в энергию давления при торможении газового потока. К этой группе относятся центробежные и осевые машины.

Различают одноступенчатое и многоступенчатое сжатие газов в компрессорах.

На рис.1. представлена схема одноступенчатого поршневого компрессора.

Если при крайнем верхнем положении поршня отсутствует зазор между крышкой цилиндра и днищем поршня, то такой компрессор называется идеальным. При движении поршня сверху вниз возникает разряжение, за счет чего впускной клапан автоматически открывается и цилиндр наполняется газом по изобаре ab при давлении P_н. Точка b соответствует крайне нижнему положению поршня. При движении поршня снизу вверх происходит сжатие газа в цилиндре, при закрытых клапанах. Сжатие может происходить по адиабате bс, политропе bсў или по изотерме bсўў. Характер процесса сжатия определяется интенсивностью охлаждения цилиндра компрессора. Обычно сжатие политропное, показатель политропы n=1,2ё1,25. При достижении в цилиндре давления P_к выпускной клапан автоматически открывается, и сжатый газ нагнетается в ресивер по изобаре cd или cdў, или cdўў. При следующем ходе поршня в цилиндр поступает новая порция газа и все процессы повторяются.

Рис.1. Схема одноступенчатого поршневого компрессора

1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - крышка цилиндра; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – впускной клапан; 7 – впускной патрубок; 8 – выпускной клапан; 7 – выпускной патрубок; 10 – водяная рубашка охлаждения цилиндра; 11 – ресивер; 12 – подача газа к потребителю.

Работа, затрачиваемая на адиабатное сжатие в компрессоре равна l_a, то есть

где K – показатель адиабаты; R – индивидуальная газовая постоянная газа, Дж/(кгЧК); - степень повышения давления.

При политропном сжатии газа в компрессоре затрачивается работа l_П, равная .

При изотермическом сжатии затрачивается работа

Охлаждение цилиндра компрессора в процессе сжатия позволяет получить экономию работы, равную площадке bccўb , и, кроме того, снижает температуру конца сжатия (см. рис. 3).

При сжатии по адиабате bc температура конца сжатия равна Т_ка, при политропном сжатии bcў - T_кп, а при изотермическом сжатии bcўў температура конца сжатия Т_ки= Т_н.

На рис.4 представлена теоретическая индикаторная диаграмма реального одноступенчатого компрессора. В реальном компрессоре обязательно имеется зазор между крышкой цилиндра и днищем поршня, то есть имеет место объём (мёртвого) пространства, который обозначают V_c. При движении поршня сверху вниз газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется по политропе da до тех пор пока в цилиндре не возникнет некоторое растяжение. При давлении P_н впускной клапан откроется, и в цилиндр будет поступать свежий заряд газа по изобаре ab. При движении поршня снизу вверх газ сжимается в цилиндре при закрытых клапанах по политропе bc. В точке C автоматически открывается выпускной клапан и происходит нагнетание газа в ресивер по изобаре cd. При следующем ходе поршня газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется и все процессы повторяются.

Объём, описываемый поршнем за один ход, называют рабочим объёмом и обозначают V_н.

Объем газа, поступающего в цилиндр в процессе наполнения обозначают V.

Отношение V/V_н называют объёмным к.п.д. компрессора компрессора. Объёмный к.п.д. зависит от величины объёма вредного пространства V_c и степени повышения давления p.

Для того, чтобы уменьшить влияние объёма вредного пространства на производительность процессора, а так-же, чтобы снизить температуру конца сжатия, применяют многоступенчатое сжатие.

На рис.5 представлена схема двухступенчатого поршневого компрессора. Процесс сжатия газа в многоступенчатых компрессорах осуществляется последовательно во всех ступенях с охлаждением газа после сжатия в каждой ступени.

Наиболее выгодным оказывается многоступенчатое сжатие в случае, если степень повышения давления одинаковые во всех ступенях.

На рис.6 показан процесс сжатия газа в двухступенчатом поршневом компрессоре, где ac – процесс наполнения первой ступени; bc – политропное сжатие газа в первой ступени; cd – процесс нагнетания сжатого газа по изобаре P₂ в промежуточный холодильник; cbў - изобарное охлаждение газа в промежуточном холодильнике до температуры Т_н1; dbў - процесс наполнения цилиндра второй ступени; bўc₂ – политропное сжатие во второй ступени; c₂dў - процесс нагнетания сжатого газа при давлении P_к в ресивер; площадка abcda – работа, затрачиваемая на сжатие газа в первой ступени; площадка dbўc₂dўd – работа, затрачиваемая на сжатие газа в одноступенчатом компрессоре от давления P_н до давления P_к; площадка cc₁c₂b’c – экономия работы за счет двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением.

Таким образом, применение двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением дает экономию в работе и снижает температуру конца сжатия газа.

Степень повышения давления в каждой ступени равна .

При этом во всех ступенях компрессора затрачивается одинаковая работа , где n – показатель политропы сжатия.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора , где G – массовая производительность компрессора, кг/с; N_к – мощность привода компрессора, кВт; h_к – к.п.д. компрессора.

Описание опытной установки

Схема опытной установки представлена на рис.7. Установка содержит двухцилинровый одноступенчатый компрессор 1, электродвигатель 2, вращающий вал компрессора через клиноременную передачу, счетчик газа 3, ресивер 4 для сглаживания пульсации потока воздуха, пружинный вакуумметр 5, два последовательно соединенных ресивера 6 для сбора сжатого воздуха, пружинный монометр 7, предохранительный клапан 8, штуцеры 9, для подачи сжатого воздуха к потребителю, пробковые краны 10, ваттметр 11, хромель – копелевую термопару 12, установленную на трубопроводе сжатого воздуха 13 и подключенную к милливольтметру 14. Число оборотов вала комрессора измеряется тахометром.

Количество воздуха (производительность компрессора ), поступающего в компрессор, измеряется при помощи счетчика газа, установленного на ресивере 4. Внешняя поверхность цилиндров компрессора оребрена и обдувается потоком воздуха, создаваемым шестью радиальными лопастями, укрепленными на приводном шкиве компрессора.

Рис.7. Схема эксперементальной установки.

1 - поршневой компрессор; 2 - электродвигатель; 3 - газовый счетчик; 4 - ресивер; 5 - вакуумметр; 6 - рессиверы компрессора; 7- манометр; 8 - предохренительный клапан; 9 - штуцеры; 10 - пробковые краны; 11 - ваттметр; 12 - хромель-копелевая термопара; 13 - трубопровод сжатого воздуха; 14 - милливольтметр

Проведение опыта

Перед запуском компрессора для снижения пусковых токов электродвигателя необходимо полностью открыть пробковые краны. Нужно проверить, чтобы пределы ваттметра были установлены: по току “J=25A”, по напряжению “U=303В”. Включить установку и через несколько секунд переставить штекерами ваттметра предел по току с 25 на 10А. После этого, закрывая пробковые краны, установить давление сжатого воздуха по манометру P_M=2-3 кг/см², прогреть компрессор в течении 10-15 мин. Когда компрессор прогреется, то показания милливольтметра не будет изменятся и его показание будет соответствовать температуре конца сжатия t₂⁰C. При помощи счетчика газа и секундомера находим время t, за которое через счётчик пройдёт объём воздуха D=0.5 -1.0 м³. Тахометром измеряем число оборотов вала компрессора n_в, об/мин. Снижаем показания ваттметра по мощности n_p, по току n_j напряжению n_u. По барометру находим давление атмосферного воздуха P_б, а по жидко-стеклянному термометру - его температуру t⁰C.Результаты измерений заносим в протокол испытаний.

После проведения всех измерений выключить установку.

Протокол испытаний

Pб, Па	t0, 0С	PM, кг/см2	t2, 0С	nв, об/мин	Показания ваттметра	DV, м3	t, с
					np, дел	nu, дел	nJ, дел

Обработка опытных данных

1. Определяем рабочий объём цилиндра компрессора V_h(м³)

.

где D=0,0875 м - диаметр цилиндра; S=0,0845 м ход поршня.

2. Определим теоретическую объёмную производительность компрессора V_т(м³/c)

.

3. Определим действительную объёмную производительность компрессора V_g(м³/c)

.

4. Находим коэффициент подачи компрессора

.

5. Находим плотность атмосферного воздуха r(кг/м³)

.

6. Определим действительную массовую производительность компрессора G_g(кг/c)

7. Вычисляем показатель политропы сжатия (используя соотношение )

,

где P₂=P_б+0.98×10⁵×P_м - абсолютное давление сжатого воздуха, Па.

1. Определим работу сжатия 1 кг воздуха l(Дж/кг)

,

где R = 287 Дж/(кг×К) - газовая постоянная воздуха.

1. Вычисляем теоретическую мощность компрессора N_t(кВт)

.

2. Определим мощность на валу компрессора N_е(кВт)

,

где h_э=0.85 - к.п.д. электродвигателя; h_пр=0.92 - к.п.д. клиномерной передачи.

1. Вычисляем к.п.д. компрессора

h_к=N_т/N_e

1. Вычисляем косинус фи

cos j = Nэ/(U/J),

где N_э = 0.01 ×n_p×”J”×”U”,Вт; U = 0.01×n_u×”U”,В; J = 0.01×n_j×”J”,A.

Контрольные вопросы

1. Сжатие воздуха в идеальном компрессоре.

2. Сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением.

3. Изобразить процесс сжатия воздуха в T-S диаграмме.