Експериментальна установка

Мета роботи

а) вивчити експериментальну установку;

б) виконати експериментальну частину роботи;

в) обробити результати перевірки і зробити висновок про придатність манометра до експлуатації.

1.2.Підготовка до роботи

Прилади тиску, які засновані на використанні деформації або згинального моменту пружинних чутливих елементів, що сприймають вимірювальний тиск середовища і перетворюють його в переміщення або зусилля, застосовують в різних галузях техніки в широкому діапазоні вимірювання – від 50 Па до 1000 МПа. Вони виготовляються в вигляді тягомірів, напоромірів, манометрів, вакуумметрів і мановакууметрів.

Як пружні чутливі елементи в приладах тиску застосовуються мембрани, мембранні коробки, сильфони і трубчаті пружини.

Найбільш розповсюджений показувальний манометр з трубчатою одновитковою пружиною (рис.1).

Трубчата пружина складається з порожнистої трубки 3 еліптичного або овального перерізу, вигнутого по кругу.

Для малих тисків трубки виготовляються з латуні або міді, а для великих тисків – з сталі. Один кінець відкритий і з'єднується є з допомогою ніпеля з гайкою з місцем виміру тиску, а другий кінець запаяний і з'єднаний з допомогою тяги 9 і зубчастого сектору 8 з стрілкою 6.

При надходженні в порожнисту пружину рідини або газу під дією тиску пружина деформується і через тягу і зубчастий сектор повертає стрілку, яка і показує величину тиску.

Однією з основних характеристик пружного елемента є залежність переміщення λ певної його точки від діючого навантаження Р (тиску або різних тисків, або зосередженої сили).

Рис. 1. Манометр з трубчатою пружиною:

1 – ніпель з гайкою; 2 – стійка; 3 – трубчата одновиткова пружина; 4 – корпус; 5 – шкала; 7 – пружина; 8 – зубчатий сектор; 9 – тяга.

Внаслідок недосконалості пружних властивостей реальних матеріалів перебіг статичної характеристики λ=f(Р) чутливого елемента при збільшенні і зменшенні навантаження в межах пружних деформацій неоднозначний і створює т.зв. петлю гистерезісу (рис.2).

Істотний вплив на розмір гістерезису роблять хімічний склад, структура матеріалу і значення напруження в матеріалі чутливого елемента. Гістерезис виявляється в процентах:

.

Розмір гістерезису є важливою характеристикою, оскільки він визначає похибку приладу. На величину похибки впливають також наявність зазору в зчленуваннях вимірювальних механізмів, сили тертя в рухомих елементах приладу і т.д.

Рис. 2. Статична характеристика чутливого елемента манометра

Похибкою вимірювання називається відхилення результатів вимірювання від справжнього значення вимірювання величини.

Величина похибки залежить від навколишніх умов, при яких відбувається вимірювання. Розрізняють основну і додаткову похибку.

Основна похибка приладу – це похибка при нормальних умовах його роботи, додаткова – викликається відхиленням умов від нормальних.

Величина основної похибки приладу установлюється стандартами.

По величині основної допустимої похибки прилади розподіляються на класи точності. Клас точності вказується на циферблаті приладу і показує величину основної допустимої похибки в відсотках від межі шкали (верхнього показа шкали), наприклад, похибка приладу класу 1,5 при нормальних умовах не перебільшить 1,5% від діапазону шкали в будь-якій точці від нуля до максимуму

В залежності від призначення прилади тиску з пружними чутливими елементами поділяються на зразкові і робочі. Робочі прилади випускаються класів точності: 1; 1,5; 1,6; 2,5; 4 і призначені для тривалої експлуатації. Зразкові прилади призначені для перевірки робочих приладів і випускаються класів точності 0,16-0,5.

З часом стабільності характеристик пружного чутливого елемента може змінюватись внаслідок пластичного перебігу, повзучості матеріалу, який може виникати при нормальній температурі і напруженнях, менших границі пружності. Це зв'язано з неоднорідністю структури матеріалу і появі в його мікроелементах залишкових напружень при виготуванні. Крім того, внаслідок спрацьованості змінюються зазори в зчленуваннях і сили тертя в рухомих елементах приладу. Вказані причини викликають необхідність періодичної перевірки, при якій встановлюється відповідність приладу класу точності.

Методика перевірки манометрів полягає в порівнянні показів двох приладів: еталонного і перевіряємого при одному і тому ж тиску.

Якщо різниця показів не перевищує допустимої похибки перевіряємого манометра, то він придатний до експлуатації, якщо перевищує – прилад до експлуатації не придатний.

Величина допустимої похибки визначається класом точності приладу

де Р_м – верхній показ шкали манометра;

δ – клас точності.

Як еталонні прилади можуть застосовуватися зразкові або вантажно-поршневі манометри, як, наприклад, в даній лабораторній роботі.

Експериментальна установка

Експериментальна установка показана на рис. 3. На горизонтальній плиті змонтовані: гвинтовий прес 2, поршневий манометр 4, чаша з маслом 3, колонка 5 для приєднання перевіряємого манометра 6, запірні крани 7.

Поршневий манометр складається з вантажної колонки 8 з циліндричним вертикальним каналом для поршня 9, тарілки 10 для вантажів 11.

Тиск масла в системі створюється пресом 2, а зрівноважується вантажами 11 поршневого манометра. Поршневий манометр служить як еталонний.

Перевірка пружинного манометра полягає в порівнянні показів перевіряємого манометра з показами поршневого манометра.

Черга виконання роботи

1. Приєднати перевіряємий манометр до колонки 5, відкрити відповідний запірний кран.

2. Відкрити вентиль чаші з маслом і обертанням штурвалу гвинтового пресу проти годинникової стрілки, заповнити систему приладу маслом, закрити вентиль.

Рис. 3. Стенд для перевірки пружинних манометрів:

1 – плита; 2 – гвинтовий прес; 3 – чаша за маслом; 4 – поршневий манометр; 5 – колонка; 6 – перевіряємий манометр; 7 – запірний кран; 8 – вантажна колонка; 9 – поршень; 10 –тарілка; 11 – вантажі; 12 – покажчик навантаження.

3. Відкрити запірний кран 7 поршневого манометру. Створити тиск в системі гвинтовим пресом, поки нижня площина тарілки 10 підніметься до рівня покажчика навантаження 12. Показ перевіряємого манометра 6 записати в таблицю результатів перевірки в графу “прямий хід”.

4. Завантажити тарілку 10 вантажами 11 почергово до тих пір, поки буде використана вся шкала перевіряємого манометра. Показ записати в таблицю.

5. Знімаючи почергово вантажі з тарілки, розвантажити поршневий манометр. Розвантаження виконувати з додержанням тих правил, що і при навантаженні. Показ перевіряємого манометра записати в графу “зворотний хід”.

1.5. Обробка дослідних даних

1. Визначити тиск поршневого манометра, тобто дійсний тиск в системі по формулі:

де G₁ – сила ваги поршня з тарілкою, Н;

G₂ – сила ваги вантажу, Н;

f – робоча площа поршня, f = 0,2·10^{-4, м2}.

Значення тиску записати в таблицю.

2. Визначити похибку перевіряємого манометра при прямому і зворотному ході і визначити середню похибку

; ; ,

де Р_пр, Р_зв = покази перевіряємого манометра при прямому і зворотному ході.

3. Визначити допустиму похибку перевіряємого манометра по його класу точності:

.

4. Порівняти величину допустимої похибки з середньою похибкою перевіряємого манометра і зробити висновок про придатність манометра до експлуатації.

1.6. Запитання для самоперевірки і контролю

1. Прилади для вимірювання тиску.

2. Будова і принцип дії манометра з одновитковою пружиною.

3. Будова і принцип роботи поршневого манометра.

4. Як визначити тиск в системі при допомозі поршневого манометра?

5. Причини, які викликають необхідність перевірки пружинних манометрів.

6. Що означає “перевірити манометр”?

7. Що називається класом точності манометра?

8. Методика виконання роботи.

9. Методика визначення помилок манометра.

Література для підготовки лабораторної роботи

1. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты в с.х. М.: «Колос», 1979. – с. 61-66.

2. Есин В.В. и др. Практикум по теплотехнике и применению тепла в с.х. М.: «Колос», 1971. – с. 13-14.

Лабораторна робота

Перевірка пружинного манометра

1. Вихідні дані

1. Верхній показ шкали перевіряємого манометра

Р_м = … МПа.

2. Клас точності перевіряємого манометра δ = … .

3. Робоча площа поршневого манометра f = 0,2·10^{-4 м2}.

4. Сила ваги поршня з тарілкою G₁ = 50 Н.

Схема установки

3. Таблиця результатів перевірки

№ пп	Найменування величини	Позна-чення	Одини-ця виміру	№№ режимів
1.	Сила ваги вантажу	G2	Н
2.	Тиск поршневого манометра	P	МПа
3.	Показ перевіряємого манометра “прямий хід”	Pпр	МПа
4.	Показ перевіряємого манометра «зворотний хід»	Pзв	МПа
5.	Похибка показів перевіряємого манометра: а) при “прямому ході” б) при “зворотному ході” в)середня похибка .	δпр δзв δср	МПа     МПа     МПа
6.	Допустима похибка перевіряємого манометра	δдоп	МПа

Зробити висновки про придатність манометра до експлуатації.

Студент_________________

Робота виконана___________

II. ІНДИЦІЮВАННЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕСОРА

Мета роботи

1. Вивчити будову і принцип роботи поршневого компресора.

2. Вивчити будову і принцип роботи механічного індикатора.

3. Вивчити будову і роботу лабораторної установки.

4. Зняти індикаторну діаграму поршневого компресора.

5. З допомогою індикаторної діаграми визначити максимальний тиск в циліндрі компресора і коефіцієнт подачі.

2.2. Підготовка до роботи

Компресор – це теплова машина, призначена для стиснення і нагнітання газів або пари. Слово «нагнітання»означає переміщення стисненого газу з однієї області в іншу.

В сучасній техніці компресори одержали широке розповсюдження. В промисловості, будівництві, в сільському господарстві вони є джерелами стиснення газів і пари, зокрема, стисненого повітря. В газотурбінних, поршневих і комбінованих двигунах, в холодильних машинах компресор є одним із основних агрегатів.

Для здійснення робочого процесу потрібна витрата енергії від зовнішнього середовища, тобто привід компресора здійснюється від стороннього джерела енергії – двигуна будь-якого типу.

За конструкцією і принципом роботи існує декілька типів компресорів. Їх будова і принцип роботи розглядаються в навчальній і спеціальній літературі.

В сільському господарстві широко застосовуються поршневі компресори.

Схема поршневого компресора наведена на рис.4

Рис. 4. Принципова схема і індикаторна діаграма одноступінчастого поршневого компресора:

1 – поршень; 2 – циліндр; 3 – шатун; 4 – впускний патрубок;

5 – впускний клапан; 6 – нагнітальний клапан; 7 – нагнітальний патрубок

Поршневий компресор складається з циліндра 2, в якому зворотно-поступально рухається поршень 1. Рух поршень одержує від колінчастого валу через його кривошип і шатун 3. В свою чергу колінчастий вал одержує рух через відповідний передавальний механізм від двигуна. Зверху циліндра розміщена кришка (головка), в якій знаходиться два клапани: впускний 5 і випускний або нагнітальний 6. Клапани притиснені до своїх сідел пружинами: впускний слабою, а нагнітальний - жорсткою. Жорсткість пружини нагнітального клапана визначає величину тиску стисненого газу. Відкриваються і закриваються клапани автоматичною під дією різниці тисків до і після клапану.

Для індиціювання швидкохідних поршневих машин застосовується механічний індикатор тиску прутково-пружинного типу. Принцип його дії заснований на зрівноваженні тиску, що виникає в циліндрі машини, і дією на поршень приладу сили пружної деформації стержневої пружини.

Працює поршневий компресор так. Коли поршень рухається від верхньої до нижньої мертвої точки, в циліндрі створюється розрідження. Тиск на тарілку впускного клапану 5 з боку циліндра становиться меншим, ніж з боку впускного патрубка 4. в результаті впускний клапан, навантажений слабою пружиною, відкривається, а циліндр заповнюється газом. При зворотному ході поршня від НМТ до ВМТ об'єм циліндра зменшується, а тиск газу в циліндрі росте і впускний клапан закривається. Нагнітальний клапан, навантажений жорсткою пружиною, залишається закритим, поки сила стисненого газу не зрівняється з силою пружини клапану. Тоді нагнітальний клапан відкривається, і поршень, рухаючись до ВМТ, виштовхує стиснений газ в нагнітальний патрубок 7.

При русі поршня в циліндрі змінюється його об'єм і тиск газу. Якщо записати в координатах р- тиск газу, V- об'єм циліндра залежність тиску газу в циліндрі від об'єму циліндра, будемо мати робочу або індикаторну діаграму. Індикаторною вона називається тому, що прилад, який її записує, називається індикатором. Сам процес запису діаграми має назву "зняття індикаторної діаграми" або "індиціювання машини" (компресора або двигуна).

Основними параметрами роботи компресора є міра підвищення тиску λ і об'ємна продуктивність або подача компресора V.

Міра підвищення тиску є якісною характеристикою компресора. Вона показує, в скільки раз збільшується тиск газу в циліндрі компресора:

де Р₁ - тиск газу перед впускним клапаном;

Р₂ - тиск газу при відкритті нагаітального клапану (в нагнітальному патрубку).

В поршневому компресорі найбільше значення міри підвищення тиску не перевищує λ ≈ 10. Критичною є температура стисненого газу: чим більше тиск газу, тим більше його температура. В циліндрі компресора знаходиться не чистий газ, а його суміш з парою компресорного масла. При високих температурах ця суміш може спалахнути, компресор почне працювати як двигун, внаслідок чого може виникнути поломка машини. Щоб цього не було, обмежують величину λ. В реальних машинах вона дорівнює λ≈ 5...8.

Для одержання більш високих тисків Р₂ (і λ) застосовують багатоступінчасте стиснення. Спочатку газ стискують в одному циліндрі до певного значення λ. Далі стиснений газ направляють в холодильник, де його температура знижується майже до початкової без зміни тиску Р₂ на виході з першого циліндра. Потім охолоджений газ поступає в другий циліндр, де його тиск Р₂ знову підвищується, а температура не перевищує максимальну, таку як і на виході з першого циліндра.

Подачею компресора називається об'ємна кількість газу, яку подає компресор за одиницю часу, віднесену до параметрів газу перед впускним клапаном, м³/с, м³/хв. і т. ін.

V = V_h· n · η_v,

де V_h - робочий об'єм циліндра;

n - частота обертання колінчастого валу, об/с, об/хв. і т. ін.

η_v - об'ємний коефіцієнт корисної дії або коефіцієнт подачі.

Фізичний зміст коефіцієнта подачі η_v пов'язаний з такими поняттями як "ідеальний" і. "дійсний" поршневий компресор.

Технічна термодинаміка розглядає ідеальний поршневий компресор, в якому:

а) відсутній зазор між кришкою циліндра і поршнем, коли він знаходиться в ВМТ (поршень упирається в кришку);

б) відсутнє тертя;

в) відсутній гідравлічний опір впускної і нагнітальної систем;

г) відсутній витік газу через зазор між поршнем і циліндром.

На рис. 4.а наведені індикаторні діаграми ідеального компресора (1'2 34') і дійсного (122'34). В ідеальному компресорі в кінці процесу нагнітання газу 23 поршень упирається в кришку і весь газ виходить із циліндра. При ході поршня від ВМТ до НМТ тиск газу падає від Р₂ до Р₁ ( (процес 34'), зразу відкривається впускний клапан і в циліндр заходить газ, об'єм якого рівний V_h.

В дійсності не можна зробити машину, в якої не було б зазору між кришкою і поршень, коли він знаходиться в ВМТ. Інакше при роботі поршень буде стукатись об кришку і машина вийде з ладу. Об'єм V_o називається шкідливим. В кінці нагнітання в ньому залишається стиснений газ при тиску Р₂. Цей тиск діє на впускний клапан з боку циліндра і при відході поршня від ВМТ не дає можливості відкритись впускному клапану. Щоб впускний клапан відкрився, в циліндрі повинен бути тиск Р₁. Для зменшення тиску газу від Р₂ до Р₁ поршень повинен відійти від ВМТ на певну відстань, газ, який залишився в об'ємі V_o, розшириться (процес 34), і при тиску Р₁ впускний клапан відкриється (т. 4). Але в цьому випадку в циліндр поступить об'єм газу V_вс < V_h і подача дійсного компресора буде менша, ніж в ідеальному. Шкідливий вплив об'єму V_o на величину подачі компресора оцінюється коефіцієнтом подачі .= .

Для компресорів, що випускає промисловість, шкідливий об'єм становить від 4 до 10 % робочого об'єму циліндра.

Індикаторна діаграма складається з чотирьох процесів: стиснення газу 1-2, нагнітання газу в ресивер (в лабораторній роботі в холодильник) 2-3, розширення газу, який залишився в шкідливому об'ємі 34 і всмоктування газу в циліндр 4-1.

2.3. Установка і прилади

Лабораторна установка складається з двохступінчатого поршневого компресора повітряного охолодження, механічного індикатора МИ-2, який приєднаний до робочого об'єму першого ступеня компресора. Барабан індикатора крізь систему блоків з'єднаний шнуром з шайбою, закріпленою на кінці колінчастого валу компресора (рис.5). Тиск повітря після компресора регулюється вентилем, встановленим в нагнітальному патрубку другого ступеня.

Рис.5. Принципова схема будови і роботи механічного індикатора:

1 - циліндр компресора; 2 - індикаторний кран; 3 - корпус індикатора; 4 - втулка; 5 - поршень індикатора; 6 - шток;

7 - калібрована пружина; 8 - важіль записуючої системи;

9 - записуючий штифт; 10 - барабан індикатора;

11 - індикаторний папір; 12 - шнур приводу барабана;

13 - ходозменшувач; 14 - поршень компресора.

Частота обертання колінчастого валу визначається ручним тахометром.

Конструктивні розміри компресора: діаметр циліндру першого ступеню – 106 мм, діаметр циліндру другого ступеню – 54 мм, хід поршня – 89 мм.

Механічний індикатор прутково-пружинного типу МИ-2 – це самопишучий манометр, який застосовується для запису (зняття індикаторних діаграм) швидко протікаючих періодичних процесів зміни тиску в циліндрі швидкохідних машин.

Тиск, який виникає в циліндрі машини в залежності від шляху, що проходить поршень, зображується графічно в вигляді замкнутої кривої в координатах “тиск-об'єм циліндра”.

Площа діаграми в деякому масштабі зображує роботу, яка розвивається для двигунів, або поглинається для насосів і компресорів в циліндрі машини.

Індикатор забезпечений комплектом пруткових пружин різної жорсткості. Масштаб пружин набитий на гайках пружин.

Індикатор тиску МИ-2 складається з трьох частин: корпуса, індикаторної головки з записуючою системою і барабана, на якому закріпляється індикаторний папір (рис.5).

Прилад працює таким способом. Гази з циліндру потрапляють в канал індикаторного штуцера і при відкритому крані індикатора тиснуть на поршень приладу, який розташований в індикаторній голівці, закріплений на корпусі гайкою. Поршень має можливість здійснювати зворотно-поступальний рух.

З поршнем системою важелів зв'язаний важіль записуючого механізму, на кінці якого розміщений латунний олівець. Натиск олівця на індикаторний папір регулюється упорним гвинтом.

В отвір штоку поршня входить стержень каліброваної пружини. Вона забезпечує сувору пропорційність між зміною тиску в циліндрі поршневої машини і відповідним переміщенням поршня індикатора.

Для кріплення індикаторного паперу на барабані служить пластичноподібний паперотримач, закріплений двома ґвинтами на основі циліндра барабана і складений з двох пластинчатих пружин.

Олівець здійснює переміщення тільки по прямій, тому для одержання індикаторної діаграми потрібен обертальний рух барабану, котрий йому надає шнур, накручений на нижню частину барабану. Шнур приводиться в рух від валу через особливий механізм – індикаторний привід. При цьому кут оберту барабана пропорційний шляху, пройденому поршнем компресора.

В результаті двох рухів – повороту барабана (пропорційно ходу поршня) і поступального руху олівця (пропорційно тиску газів в циліндрі) на папері записується діаграма зміни тиску газу в залежності від шляху поршня (а значить і об'єму циліндра), тобто індикаторна діаграма.

Щоб закріпити індикаторний папір на барабані, необхідно відвести пишучий важіль від поверхні барабана, повернувши пишучий механізм зліва направо за голівку установочного гвинта, після цього індикаторний папір згорнути в циліндр, діаметр якого повинен приблизно дорівнювати діаметру барабана. Кінці затиснути між пальцями і надіти папір на барабан так, щоб вони входили через проріз паперотримача, папір стиснути навколо барабана.

Пуск компресора здійснити з допомогою кнопки "пуск", відкрити індикаторний кран і при допомозі вентиля на нагнітальному трубопроводі другого ступеня дати навантаження пружині без запису на барабан, після чого миттєво легким натиском пальця на голівку регулюючого гвинта записати діаграму. Після запису діаграми відвести олівець від барабану, закрити індикаторний кран і зупинити компресор натиском на кнопку "стоп".

Після зупинки компресора на індикаторній діаграмі записати атмосферну лінію, для чого повернути маховик компресора на 360° і легко натиснути пальцем на регулювальний гвинт. Зняти з барабану папір з зафіксованою індикаторною діаграмою.

На знятій індикаторній діаграмі записати масштаб пружини індикатора (набито на гайці пружини), частоту обертання колінчастого валу (заміряти під час експерименту), і дату запису діаграми.

2.4. Визначення максимального тиску в циліндрі

Для визначення максимального тиску в циліндрі надлишкового необхідно максимальну висоту "знятої" індикаторної діаграми над атмосферною лінією помножити на масштаб пружини індикатора:

.

Максимальний абсолютний тиск рівен:

,

де Р_ат – атмосферний тиск, береться по барометру.

2.5. Визначення об'ємного к.к.д, циліндра компресора

Вплив шкідливого об'єму на продуктивність компресора характеризується теоретичним об'ємним коефіцієнтом корисної дії.

,

де V_д - дійсний об'єм всмоктування (на рис. 4 це довжина процесу 4-1); V_h - робочий об'єм циліндра (на рис.7 довжина діаграми).

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з установкою.

2. Підготувати установку до пуску, для чого провести зовнішній огляд, відкрити нагнітальний вентиль, провернути вал компресора вручну за маховик, закріпити індикаторний папір на барабан індикатора.

3. Включити стенд в електромережу (загориться червона лампочка "включено"). Запустити компресор напуском кнопки "пуск".

4. Тахометром заміряти оберти вала компресора.

5. Відкрити індикаторний кран.

6. Вентилем на нагнітальному трубопроводі компресора установити хід олівця пишучого механізму в межах 25-40% висоти барабана індикатора, записати індикаторну діаграму.

7. Натиском кнопки "стоп" зупинити компресор.

8. Після зупинки компресора провести атмосферну лінію на діаграмі, закрити індикаторний кран, нагнітальний вентиль, зняти індикаторну діаграму з барабана.

9. Відключити стенд від електромережі.

10. По знятій індикаторній діаграмі визначити максимальний тиск в циліндрі і об'ємний к.к.д.

2.7. Запитання для самоперевірки

1. Призначення, будова і принцип роботи поршневого компресора.

2. Призначення, будова і робочий процес багатоступінчастих компресорів.

3. Основні елементи експериментальної компресорної установки.

4. Будова і принцип дії індикатора МИ-2.

5. Пояснити робочий процес компресора по індикаторній діаграмі.

6. Методика визначення максимального тиску газу в циліндрі і об'ємного к.к.д. компресора по індикаторній діаграмі.

Література для підготовки до лабораторної роботи

1. Есин В.В. и др. "Практикум по теплотехнике и применению теплоты в сельском хозяйстве". М.: "Колос", 1971, - С.128-131.

2. Баскаков А.П. Теплотехника. М.: "Энергоиздат", 1991. - С.52-54.

3. Мироненко Г.П., Спаська Л.І. Теоретичні основи теплотехніки. Харків, 1999, с. 89-96.

Лабораторна робота

Індиціювання поршневого компресора

1. Вихідні дані

1. Тип компресора – поршневий, двохступінчатий, повітряного охолодження.

2. Діаметр циліндра D = 106,4 мм.

3. Хід поршня S = 89 мм.

4. Частота обертання вала компресора n = 700 об/хв.

5. Тип індикатора – прутково-пружинний МИ-2.

6. Масштаб пружини індикатора μ = ... Па/мм.

Схема установки

3. Знята індикаторна діаграма (або її копія).

Студент_________________

(підпис)

Робота виконана___________

(дата)

Робота прийнята_____________

(підпис, дата)

III. Визначення індикаторної потужності

Ступеня компресора

Індикаторна потужність компресора – це потужність, затрачена в циліндрі на стиск і нагнітання газу без урахування механічних втрат в компресорі і приводі.

Відомо, що в координатах p-Vплоща під кривою будь-якого процесу дорівнює роботі цього процесу. Отже, площа індикаторної діаграми 1-2-3-4 – це є індикаторна робота (яка витрачається в циліндрі на стиснення і нагнітання газу) за один оберт колінчастого валу. Знайшовши цю роботу і помноживши її на частоту обертання колінчастого валу за 1 с, одержимо індикаторну потужність.

Площу індикаторної діаграми можна знайти з допомогою інтегрального обчислення. Для цього треба знати залежність тиску від об’єму циліндра p = f(v), тобто треба знати рівняння кожної лінії діаграми: 1-2, 2-3 і т. ін. В нашій лабораторній роботі цих рівнянь нема. В таких випадках для обчислювання визначеного інтегралу застосовують наближені методи (метод Гауса, метод прямокутників, метод трапецій і т. ін.).

В даній лабораторній роботі площа індикаторної діаграми визначається наближеним чисельним методом обчислення визначеного інтеграла – способом трапецій.

Суть даного методу полягає в тому, що площу під кривою лінією, незручну для обчислювання, заміняють іншою площею, яка близька до заданої, але обчислюється легше.

Спосіб трапецій полягає в тому, що дана крива, що визначається рівняннями y = f(x), замінюється n-ланковою ломаною, а площа криволінійної трапеції – сумою площ прямолінійних трапецій (рис.6).

Для наближеного обчислення інтегралу відрізок інтегрування розбивають на n рівних частин довжиною , де h – крок, і з кожної точки проводять ординату y до перетину з заданою кривою.

Рис.6. Обчислення інтеграла

Визначений інтеграл знаходиться по формулі:

.

Абсолютна похибка оцінки інтегралу визначається по наближеній формулі

,

де Δ²у_мах – найбільше абсолютне значення різниці другого порядку.

3.1. Порядок визначення площі індикаторної діаграми

Площу індикаторної діаграми знаходимо як різницю площ під кривим стиску і нагнітання і кривими розширення газу і всмоктування: f = nл1234 = nл12356 – nл14356.

Для цього довжину діаграми (b-a) розбиваємо по осі абсцис на 5-6 рівних частин (h) і через одержані точки проводимо ординати до перетину з верхньою і нижньою лініями діаграми. Означаємо їх y₀, y₁, y₂,... y₆і т.д. до верхньої кривої 123 і y₀, y'₁, y'₂,... y₆для нижньої.

Рис. 6.а. Обчислення площі індикаторної діаграми

Тоді площа індикаторної діаграми:

де l – довжина індикаторної діаграми, мм;

h₁, h₂,..., h₅ – висота ординат між нижньою і верхньою лініями діаграми, мм (заміряють на діаграмі)

3.2. Визначення середнього індикаторного тиску

Середнім індикаторним тиском компресора називається умовний сталий по величині тиск, який діє на поршень при його русі від НМТ до ВМТ і на подолання якого треба витратити ту ж роботу, що й при змінному тиску.

В загальному випадку середній індикаторний тиск визначається по формулі

, Па,

де V_h – робочий об'єм циліндра (в нашій роботі – це довжина діаграми).

– індикаторна робота в циліндрі компресора за один цикл (хід поршня від НМТ до ВМТ).

Визначення середнього індикаторного тиску по індикаторній діаграмі ґрунтується на одній із властивостей діаграми: Р_і – це середня висота діаграми

, Па,

де f – площа індикаторної діаграми, мм²;

μ – масштаб пружини індикатора, Па/мм;

l – довжина діаграми, мм.

3.3. Визначення індикаторної потужності ступеня компресора

Індикаторна потужність, кВт, визначається за формулою:

, кВт,

де P_i – середній індикаторний тиск, Па;

F – площа поршня компресора, м²;

S – хід поршня компресора, м;

n – частота обертання вала компресора, об/с.

3.4. Запитання для самоперевірки

1. Методика визначення площі індикаторної діаграми.

2. Що таке середній індикаторний тиск компресора?

3. Що таке індикаторна потужність компресора?

4. Методика визначення середнього індикаторного тиску та індикаторної потужності.

Лабораторна робота

Визначення індикаторної потужності ступеня

Поршневого компресора

1. Вихідні дані – див. попередню лаб. роботу.

2. Таблиця визначення індикаторної потужності

№ пп	Найменування величин	Позна-чення	Одиниці вимірюв.	Значення величини
1.	Площа індикаторної діаграми	f	мм2
2.	Довжина проекції індикаторної діаграми на горизонтальну вісь	l	мм
3.	Середній індикаторний тиск	Pi	кПа
4.	Індикаторна потужність ступеня компресора	Ni	кВт

Студент_________________

(підпис)

Робота виконана___________

(дата)

Робота прийнята_____________

(підпис, дата)

IV. ВиВчення будови і робочого процесу парової компресійної холодильної установки.

Мета роботи

1. Ознайомитись з будовою і принципом дії парової компресійної установки.

2 Розрахувати і побудувати теоретичний цикл парової компресійної установки по заданим параметрам.

4.2. Підготовка до роботи

В сільськогосподарському виробництві для зберігання, а також переробки продукції, особливо продукції тваринництва, широко застосовується її охолодження. Охолодження може відбуватись з допомогою льоду, природного або штучного, суміші льоду і солі (льодосоляне охолодження). Зручним і економічним є машинне охолодження - з допомогою холодильних машин. Найбільш поширені парові компресійні машини. Холодильні машини призначені для охолодження тіл до температури нижче температури навколишнього середовища. В принципу роботи холодильних машин лежить II закон термодинаміки. Холодильна машина — це теплова машина і для її роботи треба мати два джерела теплоти — вище і нижче з різними температурами, а робоче тіло повинно здійснювати термодинамічний цикл. Для холодильних машин це зворотний цикл (рис. 7).

Для холодильної машини нижчим джерелом теплоти є тіло, яке треба охолодити (наприклад, в побутових холодильниках це продукти, які з ньому знаходяться). Верхнім джерелом теплоти є навколишнє середовище - повітря того приміщення, де знаходиться холодильник.

Здійснюється зворотний цикл так. Теплота q₂ відбирається від продукту охолодження (НДТ) і передається робочому тілу, яке розширюється (процес 1a2). Для того, щоб відбувся самодовільний процес теплообміну між НДТ і робочим тілом, треба щоб температура робочого тіла в процесі його розширення була нижче температури НДТ (продукту охолодження). Тоді теплота сама собою піде від тіла більш теплого (НДТ) до тіла менш теплого (робочого тіла). В парових компресійних машинах робоче тіло (воно називається холодильним агентом) при здійсненні циклу змінює свій агрегатний стан: з рідини перетворюється в пару, а потім пара конденсується в рідину.

Рис. 7. Зворотний цикл

На початку процесу розширення 1a2 холодильний агент - рідина, а в кінці процесу - пара. Тобто, в процесі 1a2 холодильний агент приймає теплоту від продукту охолодження, кипить (як правило, при t < 0, °С) і перетворюється в пару.

Відібрану від продукту охолодження теплоту q₂ треба передати навколишньому середовищу. Для цього холодильний агент стискується в процесі 2б1. В результаті його температура підвищується до температури, більшої за температуру навколишнього середовища. Тоді теплота сама собою піде від більш теплого тіла (стисненого гарячого холодильного агента) до менш теплого (повітря приміщення, де знаходиться холодильна машина).

На початку процесу 2б1 холодильний агент знаходиться в пароподібному стані при

t < 0, °С, при здійсненні процесу пара перегрівається, а потім конденсується при температурі, більшій температури навколишнього середовища. При конденсації холодильний агент віддає теплоту q₁. При чому q₁ = q₂ + l_ц Де l_ц - робота, витрачена на стиснення холодильного агента.

Таким чином, в процесі здійснення циклу холодильної машини два рази теплота сама собою переходить від більш теплого до більш холодного тіла: в процесі 1а2 від продукту охолодження до робочого тіла і в процесі 2б1 від робочого тіла до навколишнього середовища. В результаті теплота переходить від холодного тіла (продукту охолодження) до теплого (навколишнього середовища), але вже не сама собою, а з допомогою витрати енергії зовні - роботи l_ц, затраченої на стиснення робочого тіла. Робота l_ц, є компенсацією за передачу теплоти від холодного тіла до теплого.

Ефективність циклу холодильної машини оцінюється холодильним коефіцієнтом, який визначає, скільки теплоти відібрано від холодного тіла на одиницю витраченої роботи:

4.3. Будова і принцип дії холодильної машини

Принципова схема холодильної машини наведена на рис. 8. Основними елементами машини є: випарник, компресор, конденсатор і терморегулюючий вентиль (ТРВ).

В випарник 2 поступає рідкий холодильний агент - хладон (фреон) при температурі

t < 0, °С. Відбираючи теплоту від продукту охолодження, він кипить і перетворюється в пару. Температура продукту охолодження в результаті здійснення цього процесу знижується до температури нижче температури навколишнього середовища. При кипінні хладону в випарнику підтримується понижений тиск.

Утворена в випарнику пара відсмоктується компресором 3, стискується ним до більш високого тиску. При цьому пара хладону перегрівається до температури вище температури навколишнього середовища. Із компресора стиснена перегріта пара хладону поступає в конденсатор 4, де вона охолоджується потоком повітря, яке подається примусово з допомогою вентилятора 5. В процесі охолодження температура пари хладону знижується до температури конденсації при тиску після компресора, а потім пара конденсується, віддаючи теплоту повітрю.

Гарячий рідкий хладон після конденсатора поступає в терморегулюючий вентиль 1. ТРВ виконує дві функції. По-перше, він змінює термодинамічні параметри робочого тіла. Це відбувається при дроселюванні хладону: при проходженні його через місцеве звуження і подальшому різкому розширенні знижується тиск хладону від тиску нагнітання після компресора до тиску всмоктування після випарника, а температура зменшується від t > 0, °С після конденсатора до t < 0, °С на вході в випарник.

По-друге, ТРВ змінює подачу холодильного агента в випарник в залежності від припливу теплоти від об'єкту охолодження (його температури) до холодильного агента.

Таким чином, холодильний агент, який циркулює в машині, не витрачається, а на виробництво хладону затрачується тільки механічна енергія, яку одержують від електродвигуна, що приводить в дію компресор і вентилятор.

Рис. 8. Принципова схема холодильної компресійної машини

4.4. Холодильні агенти

В малих холодильних машинах як холодоагенти використовують хладон-12 (фреон-12, міжнародний індекс R-12) і хладон-22 (R-22).

Хладон-12 (дифтордихлорментан CF₂Cl₂) найбільш поширений холодильний агент. Він являє собою безбарвний газ, значно важчий за повітря, з дуже слабим запахом. Запах стає примітним при наявності його в повітрі більш 20%, (слабий запах ефіру), а при наявності повітрі більш 30% по об'єму з'являються ознаки отруєння організму через нестачу кисню.

Хладон-12 дуже текучий. Він здатний проходити через дрібніші нещільності, де повітря або аміак пройти не можуть.

Рідкий хладон-12 розчиняє мастило, не горючий, не вибухонебезпечний, практично не розчиняє воду. При відсутності вологи в хладоні-12 він нейтральний до всіх металів, які застосовуються в машинобудуванні. Нерозчинена вода в холодильних установках навіть в невеликих кількостях сприяє корозії і, замерзаючи, створює льодяні пробки, які забивають вузькі проходи, найчастіше в дросельних пристроях. Температура кипіння хладону-12при атмосферному тиску (100 кПа) мінус 29°С.

Хладон-12 широко застосовується в холодильних машинах з температурою кипіння до мінус 30°С і конденсації до плюс 70°С. Найбільше поширення він має в малих і середніх холодильних установках, але його використовують також в установках великої продуктивності.

Хладон-22 має добрі термодинамічні і експлуатаційні властивості. Він більш отруйний, ніж хладон-12, не вибухонебезпечний і не горючий. Рідкий хладон-22 може розчиняти в 8 разів більше води, ніж хладон-12. Температура кипіння пари при нормальному тиску мінус 40,8°С.

Хладон-22 нешкідливий, але при великій концентрації в повітрі він може бути задушливим.

В мастилі хладон-22 розчиняється необмежено при температурах вище 20°С, при більш низьких температурах його розчинність обмежена.

Хладон-22 має велику текучість, з металами майже не взаємодіє.

4.5. Установка і прилади

Експериментальна установка складається з холодильного агрегату Вс-07-3 з герметичним поршневим компресором

ФГ-07-3, ребристого випарника, розташованого в холодильній шафі, приладів автоматичного регулювання і захисту.

Технічна характеристика компресора:

Виконання середньотемпературне

Холодильний агент R-12 (фреон-12)

Мастило ХВ-12-18

Номінальна холодовидатність Вт/ккал/год 815/700

Марка компресора ФГ-07-3

Потужність двигуна компресора кВт 0,37

Сумарний об'єм, який описують

поршні компресора м³/с 0,88·10^-3

Кількість циліндрів шт 2

Частота обертання с^-1 23,6

Індикаторний к.к.д. 0,8

Механічний к.к.д. 0,85

Площа поверхні конденсатора м² 2,2

Потужність двигуна вентилятора Вт 30

Зарядка фреону кг 2,0

Зарядка мастила кг 2,0

4.5.1. Основні агрегати холодильної машини

Повітряний конденсатор - теплообмінний апарат, призначений для зниження температури перегрітої пари холодильного агента до температури конденсації і перетворення пари в рідину (конденсації пари).

Ресивер - герметична циліндрична посудина, є ємністю для рідкого холодильного агента, забезпечує стабільність і безпеку роботи холодильної установки, звільняє конденсатор від рідини і створює рівномірний потік рідкого агенту до ТРВ. Ресивер установлюється між конденсатором і терморегулюючий вентилем.

Фільтр-осушник - призначений для утримання надлишкової вологи і мастила в хладоні, тому що надлишкова волога при проходженні через ТРВ (якщо t < 0, °С) перетворюється в лід і "запаює" дросельний отвір.

Терморегулюючий вентиль (ТРВ) - це пристрій з малим прохідним перерізом (дросель), при проштовхуванні рідини через дросель приводить до зниження термодинамічних параметрів: тиску і температури хладону, а також регулює кількість холодильного агента, який надається в випарник, в залежності від кількості теплоти, що відбирається від охолоджуваного тіла.

Випарник - теплообмінний апарат, в якому теплота, що забирається від об'єкту охолодження, підводиться до рідкого холодильного агенту. В результаті теплообміну холодильний агент кипить і перетворюється в насичену пару, а температура об'єкту охолодження знижується.

Прилади автоматики

Агрегат обладнаний засобами автоматики, які забезпечують регулювання основних параметрів робочого процесу установки і захист агрегату при виникненні небезпечних ситуацій.

Для регулювання температури охолоджуваного об’єкту застосовується двопозиційне реле регулювання температури повітря в холодильній камері ТР-1. Регулювання здійснюється за принципом пусків і зупинок електродвигуна компресора.

Реле являє собою прилад манометричного типу, в якому при зміні температури в заданих межах відбувається замикання або розмикання електричних контактів, які керують механізмом. Виконавчий механізм пускає або зупиняє електродвигуни компресора. Температура виключання регулюється натягом пружини. Збільшення стиску пружини призводить до підвищення температури виключання. В систему автоматичного управління і захисту холодильного агрегату входить магнітний пускач П6-121 і автоматичний вимикач АЕ2036-20р з номінальним струмом 1,6А.

4.6. Цикл холодильної компресійної установки

Для побудови циклу холодильної установки і визначення параметрів холодильного агента використовують діаграму координатах h-lgP (ентальпія - тиск).

В h-lgP - діаграмі (рис.9) по осі абсцис відкладають ентальпію, а по осі ординат – абсолютний тиск в логарифмічному масштабі. Сітка діаграми створена ізобарами (горизонтальні лінії) і ізоентальними (вертикальні лінії), на одержану сітку нанесені верхня і нижня граничні криві. Між ними розташована область вологої пари. Нижня гранична крива (х=0) відділяє область вологої пари від області рідини, а верхня (х=1) – область вологої пари від області перегрітої пари. На діаграмі показані лінії сталого об'єму (V=const) сталого ступеня сухотності (х=const) і сталої ентропії (S=const). В області вологої пари ізотерми (t=const) співпадають з ізобарами, а в області перегрітої пари являють собою криві, що круто опускаються в області рідини – криві, що вертикально піднімаються.

Рис. 9. Діаграма h – lg P.

На полі діаграми наносять лінії, які відповідають процесам теоретичного циклу холодильної установки (рис.10).

В цьому циклі процес 1-2 відповідає адіабатному стиску пари холодильного агента в компресорі. Процес 2-3 характеризує відведення тепла від холодильного агента при сталому стиску в конденсаторі, причому 2-2' – відведення теплоти перегріву, 2'-3' – конденсацію, 3'-3 – переохолодження рідини; процес 3-4 – дроселювання холодильного агента, який умовно зображується ізоентальпою. Процес 4-1 – ізобарно-ізотермічний процес відводу теплоти від тіла (середовища), що охолоджується, до холодильного агента при його кипінні в випарнику (4-1') і перегріву в теплообміннику (1'-1)

Для розрахунку побудови теоретичного циклу парової компресійної холодильної машини необхідно знати такі температури холодильного агента: кипіння в випарнику t₀, конденсації t_к, переохолодженого рідкого холодильного агента перед терморегулюючим вентилем t_п і пари на вході в компресор t_вс. Ці температури в сукупності визначають температурний режим роботи холодильної машини і можуть бути приблизно визначені по заданій температурі повітря в холодильній камері біля випарника t_пх і температурі повітря біля конденсатора t_пк шляхом розрахунку, або експериментально.

Для малих холодильних машин, які працюють на фреоні-12, температура кипіння може бути визначена з виразу

, °С.

Температура конденсації в холодильних машинах з конденсаторами повітряного охолодження:

, °С.

Температура переохолодженого рідкого фреону:

, °С.

Температура перегріву пари перед всмоктуванням в компресор:

, °С.

Рис. 10. Цикл холодильної компресійної машини.

Побудову циклу холодильної компресійної машини виконують таким чином. Наносять на діаграму ізотерми процесів кипіння t₀, конденсації t_к, температури переохолодження фреону перед ТРВ – t_п і температури пари на всмоктуванні в компресор t_вс. Визначають ізобари, які відповідають температурам кипіння, Р₀ і конденсації Р_к.

На перетині t_вс і Р₀ знаходять точку 1, яка характеризує стан фреону на вході в компресор. Через точку 1 проводять лінію сталої ентропії S = const до перетину з ізобарою Р_к в точці 2, яка характеризує стан пари фреону в кінці стиску. Лінія 1-2 зображує процес адіабатного стиску в компресорі.

Точка 3, яка відповідає переохолодженому фреону перед ТРВ, знаходиться на перетині ізобари Р_к з ізотермою t_п.

Процес 2-3 відповідає відведенню тепла від фреону в конденсаторі, ресивері і в трубопроводах від конденсатора до ТРВ при Р_к= const. Ізобара Р_к від точки 2 до перетину її з верхньою граничною кривою x = 1 в точці 2' (процес 2-2') відповідає процесу охолодження фреону від стану перегрітої пари до сухої пари; від точки 2' до перетину ізобари з нижньою граничною кривою x = 0 в точці 3' (процес 2'-3') – процесу конденсації пари, а ізобари 3' 3 – процесу переохолодження рідкого фреону.

Процес дроселювання холодильного агента в ТРВ характеризується зниженням його тиску і температури при незмінній ентальпії до стану вологої пари після ТРВ. Його лінія проходить через точку 3 до перетину ізоентальни з ізобарою Р₀ в точці 4 (процес 3-4). Після ТРВ холодильний агент поступає в випарник, де проходить процес пароутворення при сталому тиску Р₀ спочатку до стану сухої пари в точці 1' (перетини ізобари Р₀ з верхньою пограничною кривою), а потім до стану перегрітої пари (точка 1), і цикл змикається. В характерних точках теоретичного циклу (точки 1, 2, 3, 4) визначають з допомогою діаграми h-lgP основні, необхідні для розрахунку, параметри холодильного агента.

4.7. Запитання для самоперевірки і контролю

1. Принцип роботи холодильної машини.

2. Загальна будова холодильної машини.

3. Які холодильні агенти застосовуються в холодильних машинах і їх основні властивості.

4. Призначення і принцип роботи випарника, компресора, конденсатора, ТРВ, приладів автоматики.

5. Методика розрахунку температурного режиму установки.

6. Методика побудови теоретичного циклу холодильної машини.

7. Розповісти роботу холодильної машини по її теоретичному циклу.

Література для підготовки лабораторної роботи

1. Есин В.В. и др. Практикум по теплотехнике и применению тепла в с.х. М.:

«Колос», 1971. – с. 199-207.

2. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты в с.х. М.: «Колос», 1979.

– с. 246-258.

3. Мироненко Г.П., Спаська Л.І. Теоретичні основи теплотехніки. Харків –

1999, с. 89-96.

Лабораторна робота

Вивчення будови і робочого процесу парової компресійної холодильної установки

1. Вихідні дані

1. Температура повітря в холодильній камері t_пх = ,°С

2. Температура повітря навколо конденсатора t_пк = ,°С

3. Холодильний агент – фреон-12

Схема установки