Программа и методика эксперимента

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18

«ИСПЫТАНИЕ ПОРШНЕВОГО ВОЗДУШНОГО КОМПРЕССОРА»

Цель работы: Расширение и закрепление теоретических знаний студентов, ознакомление с методикой и овладение техникой проведения эксперимента испытания поршневого компрессора при различных режимах его работы.

Задача работы:

1. Ознакомиться с лабораторной установкой для проведения эксперимента, дать её краткое описание.

2. Изучить термодинамические процессы, происходящие в компрессоре при сжатии воздуха.

3. Снять индикаторную диафрагму компрессора в координатах Р-φ и рассчитать частоту вращения вала компрессора.

4. Построить индикаторную диаграмму компрессора в координатах P-V.

5. Рассчитать среднее индикаторное давление и индикаторную мощность компрессора.

Программа и методика эксперимента

Краткое описание используемого метода

Компрессоры – машины, служащие для сжатия воздуха и технических газов.

Компрессоры, как и все нагнетатели, классифицируются по способу действия, развиваемому давлению, роду перемещаемой среды.

Основными показателями компрессоров являются: степень повышения давления λ_к; производительность V_к; мощность N_к затрачиваемая на привод компрессора; коэффициент полезного действия η_к; объемный коэффициент или коэффициент подачи η_v.

Нагнетатели могут приводится в движение электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания или турбиной и сообщают рабочему телу дополнительную энергию. Они могут быть классифицированы по рабочему телу на:

- нагнетатели, в которых используются в качестве рабочего тела н сжимаемые среды (жидкости);

- нагнетатели, в которых рабочим телом являются сжимаемые среды (пары, газы). В эту группу входят:

- вентиляторы, у которых степень повышения давления рабочего тела λ=P₂/P₁ 1,15 (Р₁ и Р₂ - начальное и конечное давления), а подача изменяется от самой небольшой до 1∙10⁶ м³/ч;

- воздуходувки, у которых 1,15 < λ < 3,5, подача 5∙10⁵ м³/ч;

- компрессоры, у которых λ > 1,15, при наличии устройств для охлаждения рабочего тела в процессе сжатия, а производительность в тех же пределах, что и у нагнетателей.

По условиям сообщения рабочему телу дополнительной энергии:

а) компрессоры, работающие по объемному принципу, когда рабочее тело засасывается в емкость (цилиндр и др.) и в нем под действием поршня (поршневой компрессор) или пластин (ротационный компрессор) сжимается до заданного давления и вытесняется газопровод;

б) компрессоры, работающие по динамическому принципу, в которых рабочее тело сжимается до заданного давления под воздействием быстро вращающихся лопастей, лопаток, дисков и т.п. При этом приобретаемая газом большая скорость преобразуется в диффузорах, куда вытесняется газ, в давление. Этот класс машин относится к турбокомпрессорам, работающим по схеме преобразования энергии обращенной турбины (в турбине энергия давления преобразуется в соплах в скорость, как и турбины, турбокомпрессоры могут быть радиальными (центробежными) и аксиальными (осевыми).

в) компрессоры, работающие по струйному принципу, в которых частицам рабочего тела, придается дополнительная скорость за счет смешения основного потока с потоком разогнанной (другой или той же самой жидкости рабочим телом), вследствие чего результирующая скорость возрастает. При прохождении через диффузор скорость снижается, а давление рабочего тела возрастает. По этому принципу работают инжекторы, эжекторы, элеваторы.

Энергетический баланс рабочего тела в компрессоре записывается уравнением:

(1)

где l - подведенная удельная энергия на сжатие, Дж/кг;

h_K, h_H - удельная энтальпия рабочего тела в конце и начале сжатия, Дж/кг;

с_к, с_н - скорости рабочего тела соответственно в конце и начале сжатия, м/с;

q - удельное количество теплоты, отведенной от рабочего тела в цикле, Дж/кг.

Уравнение (1) можно преобразовать к виду

_, (2)

где энтальпия торможения (полная энтальпия);

часть теплоты, сообщаемой газу в результате перехода механической энергии, работы, затраченной на трение, в теплоту.

В компрессорах есть внутренние потери l_тр часто называемые гидродинамическими, и внешние l_вн возникающие из-за утечек рабочего тела: их сумма l_тр + l_вн = l_пот.

При отсутствии теплообмена q=0, Работа подведённая извне к нагнетателю, расходуется на повышение кинетической энергии и частично на преодоление потерь суммированных в виде l_тр. При отсутствии потерь и С₁=С₂ работа l_нагн=l_cж мы получим идеальный нагнетатель.

Относительный внутренний КПД компрессора подсчитывается по формуле:

η_ад.вн. = l_ад/(l_ад – l_пот). (3)

Мощность (Вт), затрачиваемая на сжатие рабочего тела в количестве m (кг/с) внутри компрессора, определяется по формуле:

N_вн = m∙l_ад/η_вн (4)

Мощность, расходуемая на приведение в действие компрессора на валу, называется эффективной

N_е=N_i/h_м , (5)

где N_е – индикаторная или внутренняя мощность.

Т.е. отношение N_вн/N_с = η_м называется механическим КПД компрессора с учетом потерь на холостой ход:

N_е = N_вн + N_xx (6)

Полный КПД компрессора выражается формулой:

η = Q∙∆p/N_е (7)

где Q = m/r - действительная объемная подача, м³/с;

∆р = p_к - р_н - повышение давления, создаваемое компрессором, Па;

r - плотность рабочего тела, кг/м³;

В одноступенчатом поршневом компрессоре индикаторная диаграмма имеет вид, приведенный на рисунок 1 приложения. Рассмотрим ее подробно. При ходе всасывания давление в цилиндре ниже атмосферного (кривая 4-1); при обратном ходе поршня воздух сжимается по политропическому процессу 1-2; кривая 2-3 характеризует процесс нагнетания; процесс 3-4 соответствует расширению воздуха, оставшегося во вредном пространстве компрессора.

Таким образом, рабочий цикл в компрессоре совершается за два хода поршня.

Отношение объема вредного пространства (минимальный объем, остающийся между крышкой и поршнем) к объему, описанному поршнем называется коэффициентом или долей вредного пространства. Обычно σ=от 0,3 до 0,8. Величина σ существенно влияет на подачу компрессора.

Из рисунка 1 видно, что объем воздуха V_вс, поступившего в цилиндр, меньше объема V_h, проходимого поршнем за один ход. Отношение V_вс/V_h = λ, называется объемным коэффициентом и степенью повышения давления компрессора.

При хорошем охлаждении цилиндра компрессора λ может достать значений 0,85 ÷ 0,95.

Коэффициент λ оценивает степень использования рабочего объема цилиндра без учета влияния нагрева воздуха от стенок впускной системы, а также утечек газа через неплотности и перетекания его между рабочими полостями. Эти факторы снижают подачу компрессора. Поэтому для полной оценки степени использования рабочего объема цилиндра применяют так называемый коэффициент подачи η_v который представляет собой отношение действительного объема поданного газа при параметрах окружающей среды к теоретической подаче компрессора Q_т. Коэффициент η_v = (0,90 ÷ 0,98) λ

Теоретическая подача одноступенчатого компрессора Q, (м³/ч) определяется по известным размерам цилиндра (диаметра D и хода поршня S) и частоте вращения коленчатого вала n (мин^-1).

Q_т = 60(π∙D²/4) ∙S∙n (8)

Действительная подача вычисляется по формуле

Q = η_v∙ Q_т = 60∙η_v ∙(π∙D²/4) ∙S∙n (9)

где η_v - коэффициент подачи.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора, определяется по формуле:

N_i = P_i∙F∙S∙n/60 (10)

где P_i - среднее индикаторное давление, Па;

F - площадь поршня ,м²;

S - ход поршня, м;

n - частота вращения вала компрессора, мин^-1.

Мощность, подводимая к валу компрессора (эффективная) больше индикаторной мощности на размер потерь на трении в самом компрессоре.

Теоретическая мощность компрессора вычисляется исходя из соображения термодинамического процесса сжатия. Так для адиабатного сжатия теоретическую мощность можно определить по формуле:

(11)

где Р₁ - давление всасывания, Па;

Q - действительная подача компрессора, м³/ч;

k - показатель адиабаты, для воздуха k = 1,4.

Эффективная мощность компрессора больше теоретической и находится по формуле:

N_e = N_Т/η_ад∙ η_м (12)

где η_ад - адиабатный КПД компрессора;

η_м - механический КПД компрессора.

Адиабатный КПД компрессора учитывает увеличение потребной мощности, необходимой для преодоления сопротивления всасывающего и нагнетательного клапанов, а также трубопроводов и отклонение действительного процесса сжатия от теоретического. Для поршневого компрессора η_ад = 0,7 ÷ 0,9.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 2 приложения. Воздух из атмосферы через дроссельную заслонку 2 и воздушный фильтр 3 поступает во всасывающую камеру головки цилиндра 1. Сжатый в компрессоре воздух из нагнетательной камеры головки цилиндра направляется в воздухосборник, снабжённый предохранительным клапаном. Из воздухосборника воздух поступает к потребителю. Привод компрессора осуществляется клиноремённой передачей от электродвигателя переменного тока 4. Компрессор оборудован вариатором объёма мёртвого пространства 5, а также устройством для осциллографирования индикаторной диаграммы, состоящим из осциллографа 6, усилителя импульсов 7 и датчиков давления 8. Кроме того, на установке размещены различные контрольно-измерительные приборы, с которыми студенты знакомятся непосредственно на стенде.

Изменение давления в системе в течение длительности одного оборота коленчатого вала регистрируется с помощью мембранного датчика П-1Б. Устройство датчика показано на рисунке 3 приложения. Стабилизированное питание 12 В постоянного тока подается на датчик со стабилизированного блока питания.

Выходной сигнал с датчика регистрируется и визуализируется однолучевым осциллографом С1-57.

Питание компрессора, датчика и блока питания осуществляется от сети переменного тока 220 В.

Положение в верхней мертвой точки (в.м.т.) фиксируется на осциллограмме сигналом, поступающим с геркона.

Условие и порядок проведения эксперимента

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы компрессора и датчика П-1Б. Осмотреть компрессор удостоверится в его полной исправности.

2. Собрать установку согласно схеме на рис.4 приложения.

3. Проверить подключение всех вилок электрических приборов к штепсельным розетка малого щита.

4. Включить осциллограф и настроить его согласно инструкции по эксплуатации. Переключить его в режим отсечки постоянной составляющей сигнала (~). Установить переключатель отклонения по оси Y в положение 0,1 В/дел, переключатель диапазона развертки в положение 5 мс/дел.

5. Включить компрессор. Для выхода компрессора в стандартный тепловой режим необходимо около 15 мин.

6. Включить блок питания. На экране осциллографа отобразится процесс изменения давления, представляющий собой зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала компрессора.

7. Снять индикаторную диаграмму компрессора в координатах Р - φ. Пуск компрессора осуществляется только с разрешения и под присмотром преподавателя или учебного мастера. Индикаторную диаграмму с экрана осциллографа переводят на прозрачную бумагу.

8. Повторить измерения с изменением производительности компрессора методом дросселирования газа на всасывании.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. Мощность потребляемая компрессорной установкой вычисляется по формуле: N=I×U×10^-3, кВт

2. По осциллограмме рассчитать частоту вращения коленчатого вала компрессора

n = 60000 / (x∙d);

где n - частота вращения вала компрессора об/мин;

х - период обращения в делениях шкалы осциллографа;

d - цена деления, мс/дел.

Пересчитать показания осциллографа в паскали, учитывая, что 101000 Па соответствуют 12В.

3. Построить индикаторную диаграмму в координатах Р-V. Перестроение индикаторной диаграммы из координат Р-φ в координаты Р-V (Р-S) выполняется в предположении, что в верхней мёртвой точке давление внутри цилиндра равно давлению в воздухосборнике, а в нижней мёртвой точке - давлению в полости всасывания (давлению в помещении). Перемещение поршня от В.М.Т. до Н.М.Т. соответствует повороту коленчатого вала на 180⁰. Связь между перемещением поршня и углом поворота коленвала выражается зависимостью: DS=r×(1-cos a),

где r – радиус кривошипа, равный половине хода поршня;

a - угол поворота коленвала, отсчитываемый по часовой стрелке от В.М.Т. в градусах.

Для построения диаграммы разбить один период на диаграмме Р - на 12 равных интервалов, причем положение в.м.т. обозначить точкой 0. Тогда точка 6 будет соответствовать нижней мертвой точке, а точка 12 - снова в.м.т. Точки 1 и 11, 2 и 10, 3 и 9, 4 и 8, 5 и 7 будут соответствовать одинаковым положениям поршня, т.е. одинаковым объемам. Переводя угловые координаты в линейные, откладывают их положения на горизонтальной линии (атмосферной линии). Через них проводят вертикальные линии и на них откладывают ординаты давления. Точки соединяют плавной линией, полученная - кривая представляет собой индикаторную диаграмму компрессора в координатах Р -V.

Проводят ось объемов на расстоянии у, мм вниз от атмосферной линии

y = 10∙В/(735,6∙m_p)

где В - барометрическое давление в момент снятия индикаторной диаграммы, мм рт. ст.;

m_p - масштаб давления, МПа/мм.

Масштаб давления:

,

l – расстояние по координате Р между Р_н и Р_вс, мм;

Р_н – давление на нагнетании (В.М.Т.), МПа;

Р_вс – давление на всасывании (Н.М.Т.), МПа.

Масштаб осей координат Р и S можно выбирать произвольно, но не следует брать его слишком мелким.

Проводят ось давлений на расстоянии х мм влево от в.м.т.

x = 10∙V_m/m_v,

где V_m - объем мертвого пространства;

m_v - масштаб объема.

Индикаторная диаграмма позволяет определить среднее индикаторное давление и индикаторную мощность компрессора.

4. Находим среднее индикаторное давление Р_инд. Среднее индикаторное давление представляет собой среднее значение разности ординат линии расширения и сжатия и определяется по формуле

P_инд = m_p∙f_инд/S_инд

где f_инд - площадь индикаторной диаграммы компрессора мм²;

S_инд - расстояние, равное ходу поршня, мм.

5. Индикаторная мощность Вт компрессора определяется по формуле:

N_инд = P_инд∙F∙S_инд×n×10^-3/60

где F - площадь поршня, м²;

n - частота вращения вала компрессора, об/мин.

6. Определить индикаторный КПД компрессора пол формуле

,

где Q_к – объёмная производительность компрессора, м³/с.

7. Найти электромеханический КПД компрессора по формуле

8. Полный КПД компрессора

h_к=h_ih_эм.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется вредным пространством цилиндра компрессора?

2. Чем ограничено получение высоких давлений в одноступенчатом компрессоре?

3. Что называется средним индикаторным давлением ступени компрессора?

4. Дайте характеристику термодинамического процесса сжатия газа в компрессоре.

Литература

1. Нагнетатели и тепловые двигатели / В. М. Черкасский, Н.В. Калинушкин, Ю. В. Кузнецов, В. И. Субботин. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 384с.

2. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М. Энергоатомиздат, 1984. – 416с.

3. Андрющенко А.И. Основы термодинамических циклов теплоэнергетических установок. – М.: Высш. шк., 1985. – 319с.

4. Курс лекций «Тепловые двигатели и нагнетатели», раздел – поршневые компрессоры.

Приложение 1

Рисунок 1 - Индикаторная диаграмма поршневого компрессора

Приложение 2

Рисунок 2 - Принципиальная схема установки.

Приложение 3

Рисунок 3 - Устройство датчика давления П-1Б

1. Диафрагменный компрессор; 2. Датчик давления; 3. Вентиль; 4. Источник питания; 5. Осциллограф.

Рисунок 4 - Схема соединений