Лабораторная работа № 4
Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и теплотехническими расчётами характеристик поршневого компрессора.
Приборы и оборудование: стенд, секундомер, измерители температуры (термопара с автоматическим потенциометром и стеклянный термометр)
Введение. ( перед выполнением работы ознакомиться с содержанием §3.9)
Особенности расчета характеристик компрессора
Масса воздуха, перекачиваемая компрессором в единицу времени, - величина постоянная и зависит от его конструктивных особенностей. Однако производительность принято определять не в массовых, а в объемных величинах, что часто приводит к путанице и ошибкам в расчетах.
Дело в том, что воздух, как и другие газы, сжимаем. Это означает, что одна и та же масса воздуха может занимать разный объем в зависимости от давления и температуры. Точная взаимосвязь между этими величинами описывается сложной степенной зависимостью или уравнением политропы. В случае компрессора, наполняющего ресивер, это означает, что с ростом давления в ресивере (на выходе компрессора) его объемная производительность уменьшается.
Если объемная подача компрессора - переменная по времени,- какая же цифра указывается в технических характеристиках? Согласно ГОСТ, производитель- ность компрессора - это объем воздуха, выходящий из него, пересчитанный на физические условия всасывания. В большинстве случаев физические условия на входе в компрессор соответствуют нормальным: температура 200С, давление 1 бар. ГОСТ также допускает возможность отклонения реальных характеристик компрессора от указанных в паспортных данных на величину ±5%.
Кстати, на нормальные условия пересчитывают и параметры потребителей сжато го воздуха, чтобы привести их к общему знаменателю с характеристиками источника. Поэтому номинальный расход 100 л/мин означает, что при рабочем давле- нии пневмоинструмент за минуту потребляет такое количество воздуха, которое при нормальных условиях заняло бы объем, равный 100 литрам.
Зарубежные производители, не знакомые с содержанием наших ГОСТов, определяют производительность своей продукции иначе, что порой приводит к ошибкам. В паспортных данных на импортную технику указывается теоретическая производительность компрессора (производительность по всасыванию).
Теоретическая производительность определяется геометрическим объемом воздуха, который поместится в рабочей полости компрессора за один цикл всасывания, умноженный на количество циклов в единицу времени. Она отличается от реальной, выходной, в большую сторону. Отличие учитывается коэффициентом производительности, зависящим от условий всасывания и конструктивных особенностей поршневого компрессора - потерь во всасывающих и нагнетательных клапанах, наличия недовытесненного, «мертвого», объема, приводящих к уменьшению наполнения цилиндра. Для компрессоров профессиональной серии коэффициент производительности может составлять величину от 0,6 до 0,7, причем большие значения соответствуют большей подаче.
Точный расчет характеристик поршневого компрессора сложен и связан с решением степенных уравнений.
В поршневом компрессоре можно получить высокие степени повышения давления. В то же время при большой производительности получаются чрезвычайно боль шие размеры цилиндра и шатунно-кривошипного механизма. Это ведет к необходимости работать с малым числом оборотов, что затрудняет соединение компрессора с турбо- или электроприводом. Кроме того, сжимаемое тело загрязняется смазочным маслом. По изложенным причинам поршневые компрессоры применяют для малой производительности и высокой степени повышения давления.
В настоящее время в автосервисной практике нахо дят применение в основном поршневые устройства. Конструктивно они представляют собой агрегат, включающий компрессорную головку, электропривод, ресивер и устройство автома тического регулирования давления (прессостат).
К основным характеристикам компрессора относятся два параметра - максимальное давление (Pмакс) и объемная производительность или подача (Qд= Vд /τ).
Большинство предлагаемых сегодня на рынке компрессоров развивают давление, превышающее потребности стандартного пневмооборудования и инструмента, используемого при авторемонте. На рынке представлены компрессоры с максимальным давлением 6, 8, 10, 13 бар.
Напомним, что номинальное рабочее давление окрасочных пистолетов 3-4 бар, пневмоинструмента - до 6,5 бар. Исключение составляет пневмопривод шиномонтажных станков, для которого многие производители рекомендуют использовать сжатый воздух при давлении 8-10 бар. Впрочем, практика показывает, что пневма- тика шиномонтажного оборудования надежно работает и при использовании 8-барного компрессора.
Что еще нужно учитывать, определяя максимальное давление, развиваемое компрессором?
Во-первых, следует иметь в виду, что система автоматического регулирования давления всех компрессоров настроена таким образом, что обеспечивает поддержание давления в ресивере с допуском (-2 бар) от максимального значения. Это означает, что в процессе работы компрессора с Pмакс=8 бар давление на выходе может изменяться в диапазоне от 6 до 8 бар, у 10-барного, - соответственно, от 8 до 10 бар.
Во-вторых, необходимо учитывать, что наличие протяженных пневмомагистралей до потребителей сжатого воздуха вызывают падение давления в линии. При ошибках в проектировании пневмосети (применении труб малого диаметра, использовании водопроводных запорных устройств, нерациональной прокладке магистралей и т. д.) оно может достигать существенной величины и стать причиной неэффективной работы пневмооборудования. Чтобы избежать возможных неприятностей в таких случаях, нужно отдать предпочтение компрессору с более высоким максимальным давлением.
Из сказанного следует, что в качестве универсального гаражного источника сжатого воздуха можно использовать компрессор с максимальным давлением 8 бар. Если компрессор будет использоваться исключительно для окрасочных работ, можно обойтись и 6-барным, а в случае разветвленных пневмосетей надежнее использовать компрессор, развивающий давление до 10 бар.
Некоторый запас по давлению полезен и с другой точки зрения. Чем выше давление, развиваемое компрессором, тем большую массу воздуха он может закачать в ресивер и тем большее время последний будет опорожняться до минимально допустимо го давления, обеспечивая компрессору время для отдыха.
Кстати, об отдыхе: а нужен ли он железному компрессору? В ответе на этот вопрос кроется ключ к пониманию особенности рабочего процесса в поршневом компрессоре. Учитывая ее, определяют важнейшую характеристику компрессора - производительность. Принципиальная схема и цикл одноступенчатого одноцилиндрового горизонтального компрессора представлен на рис. 1. При движении поршня 2 слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасывающем патрубке. Всасывающий клапан (клапаны обозначены цифрой 3) открывается и по мере движения поршня вправо полость цилиндра заполняется газом теоретически по линии 4-1. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ теоретически по кривой 1-2, пока давление в цилинд
ре не достигнет давления Р2, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении Р2 (линия 2-3). В нача ле нового хода поршня слева направо вновь открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с Р2, до Р1 теоретически мгновенно (линия 3-4) и процесс повторяется. При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения: 1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах). 2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны. 3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются. 4. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует. 5.Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.
Рис. 1. Принципиальная схема и идеальный цикл компрессора простого действия.
При изотермическом процессе газ сжимается по кривой 1-2"', при адиабатическом 1-2", а при политропическом 1- 2 или 1-2'. Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла объем газа уменьшится с V1 до V2, давление изменится от р1 до р2, а температура - от Т1 до Т2. При нагнетании газа в трубопровод (2-3) давление и температура газа остаются неизменными (р2 и Т2 ). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (р1). Период всасывания (4-1) характеризуется постоянным давлением Р1 и температурой газа Т1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1 . Работа сжатия газа от давления всасывания р1 до давления нагнетания р2 в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью инди каторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы. При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах. Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие газа от давления р1 до давления р2 затрачивается меньше энергии (см. рис. 1, площадь 1-2" '- 3-4 наименьшая). Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессо-
ры работают при политропическом или адиабатическом процессе. В реальном компрессоре в силу сопротивления нагнетательного клапана и трубо-провода давление р2* (точка m на рис.2) в конце сжатия и при нагнетании выше давления р2 среды, куда происходит нагнетания. Поэтому нагнетание изобразится линией 2-m-3. Выступ m в начале нагнетания обусловлен инерцией наг нетатель-ного клапана. От точки 3 рабочее тело, оставшееся во вредном пространстве, расширяется – линия 3-4 (рис.2), и реальная индикаторная диаграмма компрессора замы-кается. При поступлении в цилиндр рабочее тело получает тепло от стенок цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме того, оно получа- ет тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания р1*.
Рис. 2. Реальная индикаторная диаграмма поршневого компрессора.
В результате температура рабочго тела t1* оказывается больше темпера-туры среды t 1, из которой происходит всасывание. Поэтому объем рабочего тела, действитель но всасываемого в цилиндр за один ход поршня, т.е. всасывае мый объем при параметрах р1* и t1*, изображается на индикатор- ной диаграмме отрезком Vд. Рабочий объем цилиндра – объем между крайними положениями поршня – обозначен Vт. Отношение λ = 
(3-59) определяет уменьшение производительности компрессора, обусловленное наличием вредного пространства, понижением давления и повышением температуры при всасывании, и называется объемным коэффициентом,(коэффициентом подачи компрессора, коэффициентом производительности). Можно принимать λ = 0,8 ÷ 0,85.
Выполнение работы
1.Включить компрессор (см.рис. 3)
2. При закрытом вентиле нагнетать под давлением воздух в бак, измерить время увеличения давления до Р2. Измерения провести дважды.
3. Измерить температуру сжатого воздуха Т2 с помощью автоматического потенциометра и всасываемого воздуха Τ1 с помощью стеклянного ртутного термометра. Най- ти среднее значение температуры сжатого воздуха: Таблица 1.
| № | τ, сек | Vcж | t10C | t20C | P1 | P2 | d | h | ω | b |
| № | QД | Q теор | М | m | λ | l* | Nе | η ад | Qп | |
1. Для единицы массы (1 кг ) идеального воздуха техническая работа сжатия компрессора:
l* =[n/(n-1)]·(R*·Τ1)·[(Ρ2/Ρ1)(n-1/ n) - 1] (1) n ≈ γ = l,4 Здесь R*= R/μ=8,314 (кдж/кмоль 0К) /29 кг/кмоль = 0,287 кдж/кг0К. ( Молярная масса воздуха равна 29 кг /кмоль).
l* =
Так как манометр компрессора показывает избыточное давление, то для нахождения абсолютного давления на выходе P2 к атмосферному давлению Ρ1 = 1ат (1 бар) прибавляем избыточное и получаем P2 = 1бар + Р2изб; 2. Найти действительную и теоретическую производительности по формулам:
QД = Vcж·(Р2/Р1) · (Т1/Т2) /τ; (2) Vcж = V2 ( объём ресивера ) = 50 л. Температу- ры необходимо перевести в 0К.
Q теор = (π · d2/4) ·h ·ω·b (3).
Диаметр поршня d, ход поршня S, число поршней b находим в таблице основ- ных характеристик компрессора. Число оборотов в минуту ω переводим в об/с. h= 32 мм, ω = 2850 об/мин, b = 1, d = 54 мм. В формуле (2) объём можно брать в л ( объём ресивера Vcж= 50 л), а вре мя в мин. В этом случае действительная производительность будет выражена в л/мин. В формуле (3) диаметр поршня и ход поршня необходимо взять в дм (1 дм =100 мм), а число оборотов в об/мин=1/мин. Так как 1 дм3= 1л, то размерность теоретической производительности так же будет выражена в л/мин. Сравнить её значение с паспортными данными (Qп).
QД=
Q теор=
Внимание: н а импортных компрессорах приводится значение (паспортное Qп) теоретической производительности, а не действительной.
Рис.3. Компрессор
Примечание. Формула (2) получена следующим образом:при давлении Р2 объём -сжатого воздуха V2 равен объёму ресивера (Vcж). Как показа- но в §3.9 при расчёте производительности этот объём необ- ходимо приводить к нормальным условим (давлению 1 бар и комнатной температуре). Используем для этого уравнение Менделеева-Клапейрона. Запишем его дважды-для начальных и конечных условий P1·V1 = (m/μ)·R·T1 P2·V2 = (m/μ)·R·T2 V2 = Vcж -конечный объём равен объёму ресивера. Приведём его к начальным условиям, т.е. найдём V1. Поделим первое уравнение на второе P1·V1/ (P2·V2)= T1/T2 Отсюда V1= (P2·V2)·T1/ P1·T2 = V2·(Р2/Р1) (T1/T2) = Vcж·(Р2/Р1) · (Т1/Т2). QД= V1/τ. Формула (3) позволяет найти объём воздуха, который засасывается в цилиндр под поршень за ед.времени (1 с). Объём поршня равен произведению площади основания поршня (π · d2/4) на высоту цилиндра ( ход поршня h).
4. Найти коэффициент производительности
λ = QД/Qтеор =
Ранее ( §3.9) отмечалось, что индикаторную работу (а, следовательно и мощность) компрессора можно определить по индикаторной диаграмме, измеряя её площадь. Используя масштаб, единицы площади затем можно перевести в ед. работы.
Примечание: в данной работе этот метод не используется.Полный адиабатный КПД компрессора: η ад = Nад/ Nе = m· l */(τ · Nе) (5)
Здесь Nад- полная теоретическая мощность. Её определяют через полезную внеш нюю работу l *: Nад = L*/τ = m· l */τ; (6) М = m/τ -массовый расход воздуха. Nе – эффективная мощность, мощность на валу компрессора, её приближённо можно принять равной мощности электродвигателя компрессора Nэ.дв. Мощность электро- двигателя компрессора Νэ.дв = 1,1 к вт
5. Определить коэффициент полезного действия компрессора:
массу газа в ресивере при давлении Р2 приближённо можно определить из
уравнения Менделеева-Клапейрона Р2·V2 = (m/μ) R·Т2; m= Р2·V2 ·μ/ R·Т2 = ηад = Nад /Νэ.дв. = m· l */(τ ·Nэ.дв.) =
