Поршневой двухступенчатый воздушный компрессор с цилиндрами простого действия и промежуточным охладителем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

ИНЖЕНЕРНО - ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра “Вакуумная и компрессорная техника ”

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Поршневой двухступенчатый воздушный компрессор с цилиндрами простого действия и промежуточным охладителем

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил                  М. М. Макиенко

 

Руководитель                                            

Старший преподаватель                      В.В.Бабук

 

 

Минск 2012

ВВЕДЕНИЕ

Компрессором называется машина, осуществляющая повышение давления или пара. Другими словами, компрессор-это машина-орудие для подвода энергии извне  к газу или пару и превращения ее в потенциальную энергию давления газа или пара.

Наиболее широкое применение компрессорные машины нашли в холодильных установках.

Все компрессоры могут быть разделены на 3 группы по способу их действия, то есть по тому, каким образом энергия передается газу, и по тому, какие физические явления используются для повышения газа:

1. объемные компрессоры
2. динамические компрессоры
3. тепловые компрессоры.

В некоторых типах компрессоров используют сочетание нескольких способов повышения давления.

В данной курсовой работе рассматривается один из видов объемных компрессоров(поршневой).

Объемные компрессоры повышают давление газа путем уменьшения замкнутого объема(камеры), содержащего определенное количество газа, то есть определенное число молекул газа. Уменьшение замкнутой полости сопровождается увеличением концентрации молекул в единице объема.  Давление газовой среды на стенку согласно законам кинетической теории газов пропорционально суммарной энергии соударений молекул газа со стенкой. При увеличении числа молекул в единице объема увеличивается количество соударений молекул, приходящихся на единицу площади стенки, то есть увеличивается давление газа.

Отметим, что процесс сжатия в объемных компрессорах происходит периодически. Необходимо, чтобы рабочая полость объемного компрессора периодически то увеличивалась, то уменьшалась. Во время увеличения объема рабочей полости газ заполняет последнюю, входя в нее. Во время уменьшения этого объема  газ сжимается , его давление повышается. и затем в сжатом виде  газ выталкивается из рабочей полости.

Наиболее типичным представителем объемных компрессоров является поршневой.

 Поршневые компрессоры имеют  широкое распространение. Они отличаются  от компрессоров других типов  высокой экономичностью, простотой  конструкции, обслуживания и ремонта, большой надежностью. По численности  поршневые компрессоры составляют  более 80% всего компрессорного парка  страны.

Поршневым компрессором называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательной движение.

Превращение вращательного движения вала приводного двигателя в прямолинейное возвратно-поступательное движения поршня осуществляется кривошипно-шатунным, кулисным или кулачковым механизмом. Наибольшее распространение в поршневых компрессорах получил кривошипно-шатунный механизм.

Целью данной курсовой работы является проектирование  и расчет поршневого двухступенчатого воздушного компрессора с цилиндрами простого действия и промежуточным охладителем.

 

1. Тепловой расчет двухступенчатого поршневого компрессора.

 

1. Распределение повышения давления по ступеням.

 

Общее номинальное относительное повышение давления компрессором находим по уравнению [1]:

 

ɛк=рн/рвс           (1.1)

ɛк =0,95/0,1=9,5.

 

Выбираем число ступеней сжатия [1]:

z=2.

Номинальное относительное повышение давления во всех ступенях принимаем одинаковым [1]:

 

ɛ*стI= ɛ*стII          (1.2)

ɛ *стI= ɛ *стII ==3,1.

Номинальное давление всасывания во II ступень:

 

pmI=pвсII=pвсI* ɛ *стI         (1.3)

pmI=pвсII =0,1*3,1=0,31 (МПа).

Относительные потери давления на всасывании I ступени:

,         (1.4)

=0,3* 2,66/(0,1* 106)0,25=0,045,

где

 А- коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, А=2,66.

Относительные потери давления во всасывающих клапанах IIступени:

(1.5)

=0,3* 2,66/(0,31* 106)0,25=0,034.

Относительные потери давления на нагнетании(нагнетательных клапанах и межступенчатом охладителе воздуха) Iступени:

(1.6)

=0,7* 2,66/(0,31* 106)0,25=0,079.

 

Относительные потери давления на нагнетании II ступени определяем без учета концевого охладителя в предположении, что потери происходят только в нагнетательных каналах. Предполагая по аналогии со всасывающими клапанами, на которые приходится 0,3(стр.100, [1]), что в нагнетательных клапанах относительные потери давления равны 0,3, получим:

 

(1.7)

=0,3* 2,66/(0,95* 106)0,25=0,026.

Осредненное давление в цилиндре р1 и р2:

р1I=(1-)*рвсI         (1.8)

р1I =(1-0,045)*0,1=0,0955 (МПа);

р2I=(1+)*рвсII         (1.9)

р2I =(1+0,079)*0,31=0,3345 (МПа);

р1II=(1-)*рвсII         (1.10)

р1II =(1-0,034)*0,31=0,2995 (МПа);

р2II=(1+)*рн         (1.11)

р2II =(1+0,026)*0,95=0,9747 (МПа).

 

Относительное повышение давления в цилиндре:

ɛц =р2i/р1i          (1.12)

 

ɛц I =р2I /р1I =0,3345/0,0955=3,503;

ɛц II =р2 II /р1 II=0,9747/0,2995=3,254.

 

Результаты расчетов сведем в таблицу 1.1 :

Таблица 1.1- Результаты расчетов

Параметр	I ступень	II ступень
Номинальное давление, МПа Всасывания рвсi Нагнетания рнi	0,1 0,31	0,31 0,95
Осредненное давление в цилиндре, МПа Всасывания р1i Нагнетания р2i	0,0955 0,3345	0,2995 0,9747
Относительное повышение давления в цилиндре ɛц=р2i/р1i	3,503	3,254

 

 

2. Определение коэффициента подачи.

 

Составляющая коэффициента подачи определяем следующим образом. Задаемся в соответствии с рекомендациями коэффициентами: дросселиованиядрi(стр.49 [1]), подогрева тi(стр.53 [1]), плотности плi.(стр.54 [1]). Объемный коэффициент 0 iподсчитываем по формуле:

0i=1-ам[(р2/рвс)1/n-1].        (1.13)

Задаемся значениями относительного объема ам=2мм, для обеих ступеней (стр.44 [1]), значение показателя политропы конечных параметров принимаем одинаковым в обеих ступенях, задано по условию: n=1,26.

Коэффициенты подачи ступеней находим по уравнению:

=0*др*т*пл. ,         (1.14)

Результаты расчетов сводим в таблицу 1.2:

Таблица 1.2– Коэффициент подачи и его составляющие

Коэффициент подачи и его составляющие	I ступень	II ступень
0	0,839	0,852
др	0,96	0,98
т	0,96	0,97
пл	0,98	0,97
	0,758	0,785

 

 

3. Определение основных размеров и параметров ступеней.

Рассчитаем объем, описываемый поршнем I ступени:

VhI=Ve/I          (1.15)

VhI =0,208/0,758=0,27485 (м3/с)=274,85 (л/с).

Температура всасывания II ступени:

ТвсII= ТвсI+Т,         (1.16)

где

 Т-недоохлаждение перед II ступенью принимаем 10 К.

ТвсII=301+10=311 (К).

Объем, описываемый поршнем II ступени:

VhII=(Ve/II)*(рвсI/рвсII)*(ТвсII/ТвсI)       (1.17)

VhII=(0,208/0,785)*(0,1/0,31)*(311/301) =0,0883 м3/с=88,3(л/с).

Предполагаем, что привод компрессора осуществляется от асинхронного электродвигателя через упругую муфту. Частота вращения коленчатого вала электродвигателя задана по условию и равно n0=730 мин-1=12,2 с-1.

По заданию схема компрессора L-образная с одним цилиндром простого действия I ступени и одним цилиндром простого действия II ступени.

Для компрессора задаемся средней скоростью поршня Cm=4,0 м/с (стр.68 [1]).

Средняя скорость поршняCm=2*Sn*n0.Описанный объем компрессора простого действия :

Vh=(π/4)*D2*Sn*n0.         (1.18)

Тогда получим:

Vh=( π /8)*D2*Cm или D=1,596(Vh/ Cm)1/2.     (1.19)

Диаметр I ступени:

DI=1,596(0,27485/4)1/2=0,418 (м).

Значение DI округляем до ближайшего стандартного размера диаметра цилиндра по ГОСТ 9515-81 (стр.74 [1]).

DI=0,420 м

Рассчитаем полный ход поршня:

Sn=4*VhI/ π *DI2*n0         (1.20)

Sn=4*0,27485 /3,14*(0,42)2*12,2=0,15979 (м).

Округляем ход поршня:

Sn=0,16 м.

После округления значения хода поршня уточняем среднюю скорость поршня:

Cm=2*Sn*n0          (1.21)

Cm =2*0,16*12,2=3,904 (м/с).

Диаметр цилиндра II ступени:

DII=1,596(VhII/ Cm)1/2        (1.22)

DII =1,596(0,0883/3,904)1/2=0,2378 (м).

Округляем DII до стдартого размера по ГОСТ 9515-81 ( стр.74 [1]):

DII=0,240м.

Проверим значения Sn/DIиSn*n02:

Sn/DI=0,16 /0,42=0,381;        (1.23)

Sn*n02=0,16 *(12,2)2=23,81.       (1.24)

Значения Sn/DIи Sn*n02 соответствуют современным тенденциям    (стр. 74 [1]).

Уточняем описанные поршнями объемы после округления диаметров цилиндров и хода поршня:

VhI=( π /4)*D2I*Sn*n0        (1.25)

VhI =(3,14/4)*(0,42)2*0,16*12,2=0,270 (м3/с);

VhII=( π /4)*D2II*Sn*n0        (1.26)

VhII =(3,14/4)*(0,24)2*0,16 *12,2=0,088 (м3/с).

Проверяем производительность компрессора с учетом округления основных размеров цилиндра:

Ve=I* VhI          (1.27)

Ve=0,758*0,270 =0,205 (м3/с)

Согласно ГОСТ 23680-79 производительность компрессора не должна отличаться от номинальной не более чем на ±5 %. В нашем случае отклонение составляет +0,25%.

Основные размеры и параметры ступеней компрессора сведем в таблицу 1.3:

Таблица 1.3– Основные размеры и параметры ступеней компрессора

Параметр	I ступень	II ступень
Число цилиндров	1	1
Диаметр цилиндра D, м	0,42	0,24
Ход поршня Sn, м	0,16	0,16
Частота вращения вала n0, 1/с	12,2	12,2
Объем, описываемый поршнем Vh, м3/с, л/с	0,270 270	0,088 88

4. Определение температуры нагнетания.

 

Принимая, что сжатие воздуха происходит адиабатически (k=1,4),найдем температуру нагнетания:

Тн=Твс* Ец(k-1)/k         (1.28)

ТнI=301*3,503(1,4-1)/1,4=430,65 (К),

ТнII=311*3,254(1,4-1)/1,4=435,68 (К).

Результаты расчетов сводим в таблицу 1.4:

Таблица 1.4 – К определению температуры нагнетания

Параметр	I ступень	II ступень
Твс , К	301	311
ɛц	3,503	3,254
ɛц(k-1)/k	1,431	1,401
Тн , К	430,65	435,68

 

 

5. Определение мощности привода компрессора.

Определяем индикаторную мощность ступени компрессора, используя упрощенную схематизированную диаграмму(стр.38 [1]):

,      (1.29)

где

 -коэффициент, учитывающий  возвращение энергии в процессе обратного расширения =1-ам( -1).

 

I=1-0,002*(3,503 1/1,4-1)=0,997;

II=1-0,002*(3,2541/1,4-1)=0,997.

Тогда индикаторные мощности по ступеням будут равны:

NиндI=0,0955*0,270*0,997*1,4/(1,4-1)*(3,503(1,4-1)/1,4-1)*106=38,75 (кВт).

NиндII=0,2995*0,088*0,997*1,4/(1,4-1)*(3,254(1,4-1)/1,4-1)*106=36,86 (кВт).

Индикаторная мощность компрессора равна сумме индикаторных мощностей ступеней:

Nинд.к.=NиндI+NиндII         (1.30)