ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА

Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА
Задание
1. Экспериментально исследовать процессы, протекающие при сжатии
воздуха в одноступенчатом поршневом компрессоре.
2. Провести расчёты по обработке результатов измерений.
3. Построить процессы в P- υ координатах.
Лабораторная установка
Лабораторная установка (рис.1) включает одноступенчатый поршневой
воздушный компрессор 1, электродвигатель переменного тока 2 и
необходимое вспомогательное и измерительное оборудование. Всасываемый
воздух сжимается до давления, равного давлению воздуха в ресивере 6
(при этом давлении открывается шариковый клапан в нагнетающем канале
9), и начинается механический процесс выталкивания воздуха в ресивер.
Давление Р2 воздуха в ресивере замеряют манометром 4 и регулирует
вентилем 7.
Температуру сжатого воздуха Т2 измеряют термопарой с
помощью милливольтметра 5. Перевод в градусы Цельсия осуществляется с
помощью справочной таблицы термопары (приложение 1), с учетом
комнатной температуры. Поступающий в компрессор воздух проходит через
газовый
счетчик
3. Замеряя время прохождения определенного объема
воздуха, определяют секундный объемный расход воздуха G. Параметры
состояния на входе в компрессор принимают равными параметрам воздуха в
лаборатории. Мощность электродвигателя замеряют с помощью ваттметра.
7
5
6
1.25
P2
4
mV
9
A
V 220В
8
3
1
2
Рис.1. Схема лабораторной установки: 1 - компрессор;
2 - электродвигатель; 3 - газовый счетчик; 4 - манометр;
5 - милливольтметр; 6 - ресивер; 7 - вентиль; 8 - канал
всасывающий; 9 - канал нагнетания
Теоретические основы
Рабочий
цикл
любого
идеального одноступенчатого компрессора
(рис.2), осуществляемый с 1 кг рабочего тела, можно представить
состоящим из трех последовательных процессов.
Первый - обратимый (без трения и других диссипативных эффектов)
механический процесс
всасывания газа
в компрессор. Для поршневого
компрессора это соответствует ходу поршня от верхнего мертвого положения
(ВМП) до нижнего (НМП) при открытом всасывающем клапане. Изменения
термодинамических параметров газа при этом не происходит, но его
количество увеличивается. В координатах P - υ он условно изображается
штриховой линией
а - 1. Силы давления Р1, действуя на поверхность
поршня компрессора, при его перемещении от ВМП до НМП совершают
работу. Работа газа при всасывании получается положительной. Ее величина
определяется через элементарную работу газа
в равновесных и обратимых
Р
T
b
2и 2п 2а
начало процесса
политропного
сжатия
2а
a
1
2п

2и
1(a)
ВМП
s
НМП
Рис. 2. Рабочий процесс идеального одноступенчатого
компрессора: а - 1 - всасывание; 1 - 2 - сжатие в компрессоре;
2 - b - нагнетание
процессах в соответствии с выражением
1
1
a
a
l a 1  P υ d m   Pm d υ  P1 υ1 (1  0)  0  P1 υ1  0 .
(1)
Второй - обратимый термодинамический процесс 1 - 2 сжатия
рабочего тела в компрессоре с показателем политропы n, определяемым при
выполнении лабораторной работы. Поршень движется по направлению к
ВМП, оба клапана закрыты, масса рабочего тела остается неизменной.
Сжатие заканчивается при достижении в цилиндре давления Р2, равного
давлению потребителя. Работа в этом процессе является отрицательной, так
как совершается над газом за счет внешнего привода
2
l12
где
  P2
P1
RT1
  Pdυ 
(1  
n

1
1
n 1
n )
<0,
- степень повышения давления в компрессоре.
(2)
Показатель политропы сжатия n определяется выражением:
n
1
1
T
ln 1
(3)
.
T2
ln P2
P1
Третий - обратимый механический процесс
ресивер
2 - b нагнетания газа в
компрессора. В этом процессе параметры газа остаются
неизменными и равными P2 , υ 2 , и T2 . Масса газа убывает от 1 кг в
состоянии 2 до 0 кг в состоянии b (при достижении поршня ВМП). Работа
нагнетания получается отрицательной, так как направлена на преодоление
сопротивления сил давления в ресивере компрессора
b
b
2
2
l 2  b   P υ d m   Pm dυ P2 υ2 (0  1)  0   P2 υ2  0 .
(4)
Методика проведения и обработки опытов
1. Определить значения давления и температуры воздуха в лаборатории.
2. Открыть вентиль 7,
Прикрывая вентиль,
включить электродвигатель 2 компрессора.
создать
избыточное давление Р2.
в
ресивере компрессора 6 требуемое
По истечении заданного преподавателем
времени работы компрессора замерить время  протекания 10 литров
воздуха через газовый счетчик, показания манометра Р2, и ваттметра W, а
также величину термо-ЭДС термопары с милливольтметра. Результаты
замеров занести в табл.1.
3. Аналогичным образом поступить на втором и всех последующих режимах,
отличающихся друг от друга более высоким давлением Р2 (количество
режимов задаётся преподавателем).
Таблица 1
Номер
Ратм ,
Р2 изб,
tком,
Δ
t
t2
,
W,
опыта
Па
кГс/см2
°C
мВ
с
°C
Вт
1
2
3
4. После проведения опытов плавно открыть вентиль, охладить компрессор
его работой без нагрузки и выключить электродвигатель.
5. Провести обработку опытных данных. Результаты расчётов свести в
табл.2.
Таблица 2
Р1 =
. . .
υ 1 = . . . м3/кг
Па
Номер
Р2,
υ 2,
Т2 ,
опыта
Па
м3/кг
К
n
Т1= . . . К
lк,
Gv,
Gm,
Nки,
Nку,
Дж/кг
м3/с
кг/с
Вт
Вт
ку
1
2
3
При проведении расчётов для определения параметров состояния
воздуха на входе
и выходе из компрессора использовать уравнение
состояния идеального газа. Показатель политропы сжатия рассчитать по
формуле (3), а удельную техническую работу компрессора в соответствии с
выражением
l k  l a 1  l 12  l 2b
n 1
n
R T1 ( 1   n ) .
   υdP 
n 1
1
2
Мощность идеального компрессора
N ки  lk Gm ,
где Gm 
Gυ
υ1
- массовый расход воздуха.
Мощность реальной компрессорной установки определить через
потребляемую электрическую мощность и КПД электродвигателя
N ку = W  ηэл.двиг. .
Для лабораторной установки КПД электродвигателя принять равным 95%.
Совершенство компрессорной установки, т.е. степень приближения реальной
установки к идеальной, оценить относительным КПД
ηку = N ки N ку .
6. Построить рабочую диаграмму термодинамического процесса сжатия для
каждого режима.
Дополнительные задания
1.
Построить зависимости мощности компрессорной установки Nку и ее
коэффициента полезного действия ку от степени повышения давления
в компрессоре.
2.
Вычислить
удельную
техническую
работу
компрессора
при
изотермическом и адиабатном сжатии воздуха для одного из режимов
опыта. Изобразить Р- υ диаграмму этих процессов.
3.
Построить процесс сжатия в тепловой диаграмме. При определении
удельной энтропии принять, что s = 0 при Р = 105 Па и Т = 273 К.
4.
Установить пределы возможных значений показателя политропы сжатия
для данной компрессорной установки.
5.
Процесс сжатия заканчивается в точке b. Объясните принцип работы
такого компрессора.
6.
Рассчитать и представить графически изменение внутренней энергии и
энтальпии рабочего тела в процессе сжатия.
7.
Определить теплоемкость воздуха в процессе сжатия.
8.
Компрессор всасывает 600 м3/ч воздуха при давлении 1 бар и t = 20°C и
сжимает его до давления 5 бар. Определить теоретическую мощность на
привод компрессора при политропном (n = 1,25) сжатии.
9.
Дайте характеристику особенностей работы компрессора, показатель
политропы сжатия которого равен 0,9 (и ли 1,8).
10. Сколько литров сжатого воздуха можно получить за 15 минут работы
компрессора в условиях первого опыта?
11. Сколько времени потребуется для заполнения сжатым воздухом баллона
ёмкостью 50 литров в условиях одного из опытов?
12. Определить объёмный и массовый расход воздуха по входу и выходу из
компрессора в условиях одного из опытов.
13. Как измениться удельная техническая работа компрессора, если сжатие
воздуха производить двухступенчато
охлаждением до начальной температуры
с полным промежуточным
при одинаковых значениях
показателя политропы сжатия и степени повышения давления в каждой
ступени компрессора.
14. Изобразить Р- υ диаграмму сжатия в двухступенчатом компрессоре.
Графически проиллюстрировать изменение удельной технической
работы по сравнению с одноступенчатым сжатием.