Теоретические основы работы

Попкова О.С.

УДК 536

ББК 31.3

© Казанский государственный энергетический университет, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания являются учебно-методическим пособием для выполнения лабораторной работы «Изучение модели центробежного компрессора на примере воздуходувной машины» по дисциплине «Техническая термодинамика»

Цель лабораторного практикума – закрепление теоретических знаний, полученных студентами на лекциях, ознакомление с конструкцией и принципом действия теплотехнических устройств, приобретение навыков эксплуатации оборудования, определение основных характеристик устройств.

На первом занятии со студентами проводится инструктаж по технике безопасности.

При подготовке к лабораторной работе студенту необходимо:

1) изучить теоретический материал по соответствующей теме с помощью методических указаний и специальной литературы, указанной в списке литературы;

2) изучить порядок проведения эксперимента;

3) дать ответы на все контрольные вопросы;

4) оформить заготовку отчета (при отсутствии заготовки отчета студент не допускается к выполнению лабораторной работы).

Заготовка отчета оформляется на отдельных листах и должна обязательно содержать название работы, цель работы, схему лабораторной установки с указанием всех ее составляющих частей и таблицы, в которые будут заноситься результаты измерений.

На занятии студенты сдают теорию по соответствующей теме, выполняют лабораторную работу, делают необходимые расчеты, строят графики и обязательно делают выводы.

Правильно оформленный отчет в конце занятия подписывается преподавателем.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ МОДЕЛИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА НА ПРИМЕРЕ ВОЗДУХОДУВНОЙ МАШИНЫ

Цель работы

Изучение модели центробежного компрессора на примере воздуходувной машины и построение индикаторной диаграммы работы компрессора.

Теоретические основы работы

Компрессорная машина – устройство для сжатия и подачи воздуха или другого газа под давлением.

В зависимости от величины повышения давления ( ) компрессорные машины подразделяют на вентиляторы, газодувки и компрессоры. Степень повышения давления в компрессоре более 3.

Компрессоры применяются главным образом для перемещения и сжатия газов, а также сжжижения, охлаждения и др. Перемещение газа осуществляется под действием разности давлений на двух участках потока в замкнутых каналах (трубопроводах, газоходах и т.д.) или без них. В последнем случае перемещение газов называется вентиляцией. Необходимая разность давлений определяется требуемой скоростью газового потока и допускаемым гидравлическим сопротивлением системы, возникающим при движении газа по трубопроводу. Перепад давлений, обеспечивающий перемещение газов, достигается с помощью их сжатия. Конечное давление при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой.

Газ в компрессоре может сжиматься в изотермическом, адиабатном или политропном процессах. При изотермическом сжатии вся расходуемая энергия превращается в теплоту, которая полностью отводится в окружающую среду. При адиабатическом сжатии теплообмен отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на возрастание внутренней энергии газа и повышении его температуры. Действительный процесс сжатия – политропный и рассматривается как совокупность последовательных изменений равновесных состояний газа. При этом изменяется его температура и часть теплоты отводится в окружающую среду. Тогда реальный процесс сжатия можно приближенно описать уравнением политропы:

где p –давление газа, v – удельный объем газа, n – показатель политропы, определяемый свойствами, количеством газа и его теплообменом с окружающей средой, а также работой сил трения. Показатель политропы n обычно переменен, поэтому такой процесс принято заменять условным, который эквивалентен действительному с постоянным показателем политропы.

Работа L, затрачиваемая на повышение давления газа в компрессоре любого типа, равна сумме работ сжатия и перемещения газа

где L_выт и L_вх – работы, совершаемые соответсвенно после сжатия при вытеснении газа из рабочих полостей машины и при входе газа в них.

В общем случае

При политропном сжатии идеального газа работа

где V₁ и V₂ – объемы газа на входе и на выходе из компрессора соответственно, p₁ – начальное давление, или давление всасывания, p₂ – конечное давление, или давление нагнетания. Температура в конце политропного сжатия

Теоретически наиболее выгодно изотермическое сжатие, поскольку при этом затраты энергии компрессорной машины на уменьшение объема или перемещение минимальны. Однако полное изотермическое сжатие неосуществимо и для приближения к нему сжимаемый газ в ряде случаев охдаждают, понижая температуру стенок рабочих полостей машины.

В промышленности часто используют центробежный компрессор (рис.1).

Рис. 1. Центробежный компрессор: 1 — вал; 2, 6, 8, 9, 10 и 11 — рабочие колёса; 3 и 7 — кольцевые диффузоры; 4 — обратный направляющий канал; 5 — направляющий аппарат; 12 и 13 — каналы для подвода газа из холодильников;14 — канал для всасывания газа.

Центробежный компрессор (рис. 1) в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал 1 с симметрично расположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ступенчатый компрессор разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в каналы 12 и 13. Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетической энергии в потенциальную. После этого газ по обратному направляющему каналу поступает в другую ступень компрессора и т.д

Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени (более 25 – 30, а у промышленных компрессоров – 8 – 12), ограничено главным образом, пределом прочности рабочих колёс допускающих окружные скорости до 280—500 м/с.

При сжатии компрессор потребляет энергию, подведенную от стороннего источника. Компрессор с электродвигателем потребляет электрическую энергию и, регулируя мощность, подводимую электродвигателю, можно изменять параметры рабочей среды на выходе из компрессора в широком диапазоне.

Важной особенностью центробежных компрессоров является зависимость давления сжатого газа от потребляемой мощности, а также кпд от его производительности. Характер этой зависимости для каждой марки компрессоров отражается на графиках, называемых рабочими характеристиками. В промышленности для расчета режимов работы используются рабочие «индикаторные» диаграммы работы компрессора.

Величина элетрической мощности, подводимой к электродвигателю, определяется по формуле

(1)

где N_э – электрическая мощность [Вт], расходуемая на процесс сжатия, U – напряжение на клеммах двигателя [В], I – ток, протекающий через обмотки двигателя [А].

В электродвигателе, в процессе превращения электрической мощности в механическую, и затем механической в тепловую в самом компрессоре, неизбежно происходят потери. В случае электродвигателя они связаны с геометрической неидеальностью обмоток статора и ротора двигателя, а в случае компрессора с потерями на трение в подшипниках. Эти потери учитываются с помощью КПД электродвигателя, являющегося отношением механической мощности на валу электродвигателя к электрической мощности подводимой к нему и КПД механической передачи, являющейся отношением тепловой мощности сработанной в компрессоре к механической мощности на валу электродвигателя

(2)

Из соотношени (2) следует, что величину тепловой мощности компрессора из электрической мощности электродвигателя находится следующим образом

(3)

Для двигателей, используемых в промышленности, величина КПД достигает высоких значений: и примерно такое же оно и у подшипников компрессора: .

Тепловая мощность компрессора расходуется на прокачку рабочего тела через компрессор и поднятие его параметров

, (4)

где G – расход рабочего тела компрессор [кг/с],

H – величина удельного теплоперепада на компрессоре [Дж/кг] (это разность энтальпий на входе и выходе из компрессора и она равна полезной работе компрессора).

Будем считать процесс сжатия в компрессоре адиабатным процессом, то есть процессом, происходящим без теплообмена с окружающей средой, однако ввиду того, что внутри самого компрессора рабочее тело движется с большой скоростью неизбежно возникает трение при котором рабочее тело нагревается. Для того чтобы преодолеть силы трения рабочего тела на процесс сжатия в компрессоре расходуется дополнительная энергия. Потери энергии на трение учитываются величиной КПД компрессора равной отношению теплоперепада в теоретическом процессе сжатия рабочего тела к его действительному значению

. (5)

Величина КПД компрессора является одной из важнейших технических характеристик и предоставляется заводом изготовителем при монтаже оборудования. Его значение для промышленных компрессоров при номинальном режиме работы может достигать , однако оно может очень сильно зависеть от срабатываемой мощности и от параметров работы и при нерасчетном режиме работы уменьшаться вдвое. В данной работе предлагается пренебречь зависимостью КПД компрессора от параметров среды и подводимой мощности.

Теоретическое значение теплоперепада на компрессоре находится из следующего выражения:

, (6)

где k – коэффициент адиабаты (для воздуха 1,4),

R – удельная газовая постоянная

(для воздуха R=287,004 [кДж/(кг*К)]),

T₁ – температура воздуха на входе в комперессор [К], p₁, p₂ – давление воздуха на входе и выходе из компрессора соответственно.

Поскольку процесс сжатия в компрессоре не является самопроизвольным, то решение уравнения (6) дает отрицательный знак.

На индикаторных диаграммах вместо абсолютного значения давления обычно указывается напор развиваемый насосом или разница между давлением на выходе и входе в компрессор:

. (7)

Конечная зависимость подводимой электрической мощности от параметров работы компрессора

или

(8)

Решив это уравнение относительно Δp получим:

(9)

На основании выражения (9) строится индикаторная диаграмма работы компрессора – зависимость перепара давления на выходе и входе компрессора от массового расхода воздуха.

Массовый расход воздуха G определяется по перепаду давления на трубке Пито Δр_Пито. Для этого необходимы отборы статического давления и давления полного торможения потока воздуха, которые соединены с датчиком перепада давления. Плотность воздуха расчитываем по уравнению Клапейрона

. (10)

Из формулы

(11)

определяем среднюю скороть потока .

Измерив радиус трубы можно вычислить площадь поперечного сечения и определить расход воздуха

. (12)

Величину КПД рекомендуется определить решив уравнение (8) относительно данного КПД:

(13)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: