Расчет поршневого компрессора

Расчет поршневого компрессора

ВВЕДЕНИЕ

Сжатые газы широко применяются в разнообразных областях промышленности и технике: в металлургической и химической промышленности, при дальнем газоснабжении, в энергетике, атомной технике и др.

Потребители сжатого воздуха имеются на любом предприятии АПК, что вызывает необходимость установки компрессорных агрегатов.

При выборе компрессора необходимо знать все параметры и характеристики, определяющие процесс сжатия и сжимаемый газ.

При конечных давлениях до 100 МПа и выше и всасываемых объемах не выше 400 м3/мин применяют поршневые компрессоры; для давлений до 0,6…1 МПа и всасываемых объемов до 300… 400 м3/мин - ротационные компрессоры. При больших всасываемых объемах (до 6…7 тыс. м3/мин) и повышении давлений до 0,2…0,3 МПа используют центробежные компрессоры. Для получения очень высоких производительностей (до 10…12 тыс. м3/мин) и сравнительно невысоких отношений давлений применяют осевые компрессоры.

Компрессорные машины выполняют с охлаждением и без него. Как правило, все поршневые компрессоры имеют специальные устройства для охлаждения газа в процессе сжатия.

Компрессорные машины отличаются также различным приводом. Электрический привод применяют для любых типов этих машин как непосредственно, так и через передачу.

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА

Давление воздуха после первой ступени компрессора (промежуточное давление ) определяется из соотношения в МПа

       (1.1)

где -рвс - давление всасывания (принять =0,1 ), МПа;

рпр- промежуточное давление, МПа;

рн- давление нагнетания, МПа.

МПа

Согласно выражению (1.1) степень повышения давления в обеих ступенях является одинаковой и поэтому температура воздуха на выходе из обеих ступеней будет одинаковой.

Температура в конце сжатия подсчитывается исходя из закономерностей политропного процессаTн в К.

 (1.2)

где Твс- температура воздуха, К;с - показатель политропы сжатия (принять nс = 1,5);

;

гдеtвс- температура всасываемого воздуха, ;

 (1.3)

где k - показатель адиабаты.

Теоретическая производительность первой ступени QТ1 в м3/мин определяем по формуле:

     (1.4)

где Qд- действительная производительность компрессора, м3/мин;

где - λ1- коэффициент подачи первой ступени компрессора.

(1.5)

λо - объемный коэффициент ступени;

 коэффициент, учитывающий понижение давления при всасывании вследствие сопротивления системы всасывания;

 коэффициент, учитывающий повышение температуры (понижение плотности газа) от нагревания газа при контакте со стенками системы всасывания и стенками цилиндра;

lут- коэффициент, учитывающий утечки через неплотности во всасывающих клапанах и поршневых кольцах (принять равной 0,98);

(1.6)

(1.7)

Объемный коэффициент ступени

   (1.8)

где а - величина относительного "мертвого" пространства (принять равной 5%);

степень повышения давления в ступени;

р - показатель политропы расширения газа, остающегося во вредном объеме.

(1.9)

где nc-показатель политропы сжатия (принимаем 1,5);   

Теоретическая производительность второй ступени QТ2в м3 /мин определяем по формуле

          (1.10)

где λ2 - коэффициент подачи второй ступени компрессора (определить аналогично первой ступени);

Твс1 - температура всасывания первой ступени, К;

Твс2 - температура всасывания второй ступени, К;

 ( 1.11)

Диаметры цилиндров можно определить по следующим соотношениям в м.

(1.12)

где S - ход поршня, принимаем из условия равным 50мм; - частота вращения коленчатого вала компрессора, мин -1 .- принимаем из условия равным 8,34*60 мин -1.

Мертвые объемы цилиндровVм1в м3.

(1.13     )

где Vhi - рабочие объемы цилиндров компрессора, м3 .

(1.14)

Массовая производительность компрессора G подсчитывается с помощью уравнения состояния Клапейрона в кг/мин

где R - газовая постоянная воздуха, 287Дж/(кг∙К);

Изменение внутренней энергии в процессе сжатия

(1.17)

где Сv - изохорная теплоемкость воздуха,0,722 кДж/(кг∙К

Теплота политропного процесса сжатия в цилиндре первой ступени

(1.18)

Теплота q одинакова как для первой, так и для второй ступени.

Расход охлаждающей воды Gw1 на цилиндр первой ступени подсчитывается из уравнения теплового баланса

(1.19)

где t2w,t1w- разность температур охлаждающей воды на выходе и входе;

Св - массовая теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг·К).

Расход воды на цилиндр второй ступени будет таким же, т.е.

Отводимая от воздуха теплота в промежуточном охладителе при p2=const

 (1.20)

где Ср- изобарная теплоемкость воздуха,1,005 кДж/(кг·К)

поршневой компрессор сжатие индикаторный

2. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ

Индикаторная диаграмма первой ступени компрессора представлена на рисунке 2.1.

Точка 1, имеющая абсциссу Vм+Vh и ординату Pвс, соответствует концу всасывания и началу сжатия. Точка 3 с абсциссой, равной Vми с ординатой Рн характеризует конец нагнетания и начало расширения.

Рисунок 2.1 Индикаторная диаграмма первой ступени: 1-2 - сжатие, 2-3 - нагнетание, 3-4 - расширение, 4-1 - всасывание; Рвс и Рн - давления всасывания и нагнетания; Vм, Vh и Vа- мертвый, рабочий и полный объемы цилиндра компрессора.

Площадь первой индикаторной диаграммы F=0,002252м2..

Если предположить, что процесс сжатия протекает с показателем политропыnс = const, то на основании уравнения процесса можно записать

    (2.1)

Откуда, задаваясь рядом величин Рх (5…6 значений) определяют соответствующие величины Vх.

По полученным величинам на диаграмме наносят точки, соединяя которые получим линию сжатия.

Аналогично строят линию расширения.

Таблица 1.Значения величин Vxи Vyдля построения диаграммы первой ступени.

Если соединить плавными кривыми точки на участках 1-2 и 3-4, а точки 4-1 и 2-3 прямыми линиями, то получим индикаторную диаграмму для данной ступени компрессора.

Аналогично строят индикаторную диаграмму для второй ступени.

Рисунок 2.2 Индикаторная диаграмма второй ступени: 1-2 - сжатие, 2-3 - нагнетание, 3-4 - расширение, 4-1 - всасывание; Рвс и Рн - давления всасывания и нагнетания; Vм, Vh и Vа- мертвый, рабочий и полный объемы цилиндра компрессора.

Таблица 2.Значения величин Vxи Vy для построения диаграммы второй ступени.

РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Средние индикаторные давления ступеней определяются по формуле Рiв кПа

     (3.1)

где F - площадь индикаторной диаграммы, мм 2 ;=Vh - длина диаграммы по оси абсцисс, мм;

μ - масштаб давления, кПа/мм.,принимаем μ=5,85 кПа/мм.

кПа

кПа

Индикаторные мощности ступеней N1,2i в кВт

         (3.2)

кВт

кВт        

Индикаторная мощность компрессора Ni в кВт

(3.3)

кВт

Эффективная мощность компрессора Nев кВт

           (3.4)

где ηмех- механический к.п.д. (0,8…0,93)

кВт

Мощность электродвигателя, приводящего в движение компрессор, подсчитывается по формуле Nэв кВт

(3.5)

где Кз=1,1…1,3 - коэффициент запаса;

ηпер - КПД передачи (ηпер=0,98…0,99 - упругая муфта,ηпер=0,94…0,98 - ременная передача, ηпер=0,96…0,98 - редуктор). По значению Nэ принимается марка электродвигателя. Вкратце приводятся его технические характеристики.

.

. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Электродвигатель АИР100L6 - низковольтный асинхронный общепромышленный электродвигатель среднего размера и мощности. Используется для привода насосов, дымососов, вентиляторов и другого промышленного оборудования. Обычно выпускается с двойным напряжением: 380/660В. Степень защиты IP54 или IP55 (в зависимости от завода- изготовителя или специального заказа). Монтажное исполнение стандартно 1001 (лапы, горизонтальная установка), но может производиться с фланцем. Для установки электродвигателя 132 габарита на вал или еще как-то иначе от стандартного, требуется специальное исполнение - с применением усиленных.Ниже приведены основные технические параметры и габаритно-присоединительные размеры электродвигателей АИР132М, 5АИ, А 132М.

Серии трехфазных асинхронных электродвигателей 132 габарита 4А, 4АА, 4АМ, 4ААМ, АОСЕ, АОС, АО, АО2, АОЛ, 4АМХ, АОП, 4АМУ, 2АИ в настоящее время не выпускаются, на замену выпускаются современные серии АИР, 5АН, 5АМИ, АИРЕ, АМУ, АИРХМ, АОД, АОДН, А, 5А, 5АМ, 5АИ, АМУ, АД, АДМ, АИРМ, 6А, 7АИ, АМХ. Даны средние значения по заводам, некоторые параметры и размеры могут несколько отличаться. У всех заводов- производителей двигатели имеют одинаковые посадочные размеры и диаметры вала!

Таблица 3. Технические характеристики электродвигателя стандарта DIN мощностью 2,2кВт с частотой вращения вала 1000об/мин

. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ОХЛАДИТЕЛЯ ВОЗДУХА

Поверхность охлаждения F подсчитывается из уравнения теплопередачи в м2

(4.1)

где Q - тепловой поток, передаваемый в охладитель от воздуха к охлаждающей воде, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ∙К); коэффициент теплопередачи от воздуха к водеК=20 Вт/(м2 ∙К).

Δtср - средний температурный напор между теплоносителями в охладителе воздуха.

В свою очередь тепловой поток Q подсчитывается по формуле в кВт

(4.2)

Величина Δtср подсчитывается по формуле

      (4.3)

где -и-соответственно большая и меньшая разность температур между воздухом и водой на входе и на выходе из охладителя при «противотоке».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе домашнего задания определили основные размеры и параметры компрессора,по результатам расчетов построили индикаторные диаграммы.Расчитали потребляемую мощность электродвигателя.По полученным мощности подобрали электродвигатель марки АИР100L6 <http://electronpo.ru/dvigatel_air100l>.А также определили поверхность охлаждения промежуточного охладителя воздуха.Выполнить расчеты двухступенчатого двухцилиндрового поршневого компрессора с водяным промежуточным охлаждением, приводом от внешнего электродвигателя и передачей крутящего момента на коленчатый вал через упругую муфту и построили индикаторные диаграммы

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Гайсин, Э.М. Расчет поршневого компрессора [Текст]: Методическое указание к расчетно-графической работе/ Э.М. Гайсин- М.: БГАУ 2009 - 12 с.

Черкасский, В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры [Текст]: учебник/ В. М. Черкассий- М.: Энергоатомиздат, 1989.-328с.

Фотин, Б. С. Поршневые компрессоры [Текст]: учебник/ Б.С. Фотин, И.. К. Прилуцкий., И.. Б. Пирумов., П.. И. Пластинин.. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987.- 372 с.

Михайлов, А. К.. Компрессорные машины [Текст]: учебник/ А. К. Михайлов, В. П. Ворошилов - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 288 с.