Проектирование мембранного компрессора

Проектирование мембранного компрессора

Исходные данные

мембранный компрессор вал термодинамический

Условные обозначения

ИВЛ-искусственная вентиляция легких;

.к.п.-трех кулачковый патрон;- объёмная производительность компрессора, м3/с;

Т - температура, К;н - начальное давление, МПа;к - конечное давление, МПа;- показатель адиабаты;

δвс-потери давления на всасывании;

Пц - отношение давлений в рабочей камере при теоретическом цикле в ступени компрессора;

β - относительные потери давления при проходе газа в тракте;

λ - коэффициент производительности;- площадь, м2;- диаметр мембраны, м;ход мембраны, мтолщина мембраны, м;

Е-модуль Юнга, МПа;

ν-коэффициент Пуассона;

ам-относительное мертвое пространство;м-величина мертвого пространства, мм- мощность, кВт;- газовая постоянная, Дж/(кг∙К);

ξ - коэффициент местных потерь;

η - коэффициент полезного действия;

ω - угловая частота вращения, рад/с;

с-скорость потока, м/с;

1. Техническое задание

Спроектировать медицинский компрессор для системы искусственной вентиляции легких V=35-50 л/мин.

Объёмная производительность: V = 0,05 м³/мин.

Температура всасывания: T = 293 К.

Давление всасывания (начальное): Pн = 0,1 МПа

Давление нагнетания (конечное абсолютное): Pк = 0,35 МПа.

Сжимаемый газ: Воздух (допускается смесь воздуха и кислорода и закиси азота)

1.1 Выбор типа компрессора

Исходя из технического задания и специфики работы компрессора, было принято решение выбрать мембранный компрессор, поскольку он обеспечивает отсутствие в сжимаемом газе частиц масла и не требует установки дополнительных устройств. Данный вопрос подробно рассмотрен в разделе 5.3 стр. 108.

Применение мембранных компрессоров:

. В металлургической промышленности;

. В горнодобывающей промышленности;

. В вакуумных установках;

. В пневматическом транспорте;

. В химической промышленности;

. В судостроении, в том числе подводном.

Классификация мембранных компрессоров.

Мембранные компрессора классифицируется следующим образом:

. По количеству рабочих органов (одно -, двух - и трех мембранные)

. По характеру привода (с механическим приводом мембран, с гидроприводом).

Основные достоинства мембранных компрессоров.

Высокая экономическая эффективность и техническая целесообразность применения мембранных компрессоров определяется следующим:

. Мембранный компрессор можно эксплуатировать в некотором диапазоне производительностей и давлений без существенных отклонений от оптимальных значений КПД;

. Отсутствие функциональной связи между числом оборотов компрессора и его степенью сжатия, что позволяет иметь нужную степень сжатия при любых оборотах компрессора;

. Позволяют получить высокое давление на выходе (до 100 Мпа)

. Высокая удельная производительность, приходящаяся на единицу веса, площади и объёма компрессора;

. Высокая степень надёжности компрессора и высокий моторесурс благодаря простоте конструкции;

. Отсутствие помпажа, характерного для машин динамического сжатия;

. Возможность сжатия влажного газа, содержащего капельную жидкость (например, воду, масло и др.);

. Возможность сжатия сильно загрязнённых газов без снижения моторесурса;

. Возможность сжатия любых газов, в том числе с малым удельным весом (гелий, водород, воздух.);

. Низкий уровень шума.

Недостатки мембранных компрессоров.

. Предъявляются повышенные требования к материалам из которых изготавливаются мембраны;

. Низкая объемная производительность, обусловленная прочностью мембран.

. Для мембранных компрессоров с гидроприводом необходимо дополнительно устанавливать гидронасос.

1.2 Применение мембранного компрессора в установках искусственной вентиляции легких

Аппарат искусственной вентиляции лёгких (аппарат ИВЛ) - это медицинское оборудование, которое предназначено для принудительной подачи газовой смеси (кислород и сжатый осушенный воздух) в лёгкие с целью насыщения крови кислородом и удаления из лёгких углекислого газа.

Деление аппаратов ИВЛ по назначению:

. Аппараты ИВЛ общего назначения;

. Аппараты ИВЛ специального назначения.

Аппараты ИВЛ общего назначения:

. Длительная или повторно-кратковременная ИВЛ для взрослых и детей старше 6 лет:

. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты.

. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты, амбулатории.

. Длительная или повторно-кратковременная ИВЛ для новорожденных и детей первого года жизни:

. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты, отделения анестезиологии.

Применение мембранных компрессоров в установках ИВЛ обусловлено тем, что предъявляются высокие требования к чистоте воздуха, а так как в мембранных компрессорах нет смазочных веществ в рабочей камере, т.е. не происходит контакта между сжимаемым газом и маслом, процесс очистки сжимаемого газа от масла не нужен.

Рисунок 1 Принципиальная схема установки ИВЛ.

-компрессор; 2-фильтр; 3-мембранный осушитель; 4-теплообменник; 5-дросель; 6 - электромагнитный клапан; 7-обратный клапан; 8 - предохранительный клапан; 9-манометр электроконтактный; 10-ресивер; 11-реле давления

1.3 Цель работы

Разработать мембранный компрессор для применения в установке искусственной вентиляции легких. В данном дипломном проекте рассматривается работа системы ИВЛ в штатном режиме. Состав всасываемого компрессором воздуха 78% азота, 21% кислорода 0,05% углекислого газа. Указанный состав воздуха имеет следующие параметры: показатель адиабаты 1,4, газовая постоянная 287,2 Дж/(кг К), удельная теплоемкость 1005 Дж/(кг К).

2. Конструкторский расчет компрессора

.1 Термодинамический расчёт мембранного компрессора

Распределение повышения давления по ступеням.

Общее номинальное относительное повышение давления компрессора подсчитаем по формуле (2.1.1.1) [2]:

 (2.1.1.1)

Подставим в эту формулу имеющиеся у нас значения:

Принимаем число ступеней z=1.

Относительные потери давления найдем из формулы (2.1.1.2) [2]:

 (2.1.1.2)

где А - коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, принимаем А=2,66 [2]. Подставим значения в (2.1.1.2):

Относительные потери на нагнетании первой ступени определим по формуле (2.1.1.3) [2]:

 (2.1.1.3)

где А - коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, принимаем А=2,66 [2]. Подставим значения в (2.1.1.3):

Средние расчетные давления в рабочей камере при действительном цикле:

в процессе всасывания рассчитаем по формуле (2.1.1.4), (2.1.1.5) [2]:

 (2.1.1.4),

в процессе нагнетания:

 (2.1.1.5)

где индекс «’» здесь и далее обозначает параметры в рабочей камере. Подставим значения в формулы (2.1.1.4), (2.1.1.5):

Определение коэффициентов подачи.

Уменьшение производительности действительного компрессора по сравнению с производительностью идеального компрессора принято оценивать коэффициентом подачи (2.1.2.1) [2]:

 (2.1.2.1)

где - производительность действительного компрессора; - производительность идеального компрессора, равная описанному мембраной объему.

Коэффициент подачи показывает, какую часть производительности идеального компрессора составляет производительность действительного компрессора, т.е. коэффициент подачи является безразмерной характеристикой производительности действительного компрессора.

В инженерных расчетах коэффициент подачи для мембранного компрессора обычно представляют в виде формулы (2.1.2.2) [2]:

 (2.1.2.2)

где - объемный коэффициент, учитывающий уменьшение производительности действительного компрессора из-за расширения газа, остающегося после нагнетания в мертвом пространстве. Его значение определяют по формуле (2.1.2.3):

 (2.1.2.3)

где - значение относительного мертвого объема. Задаемся значением относительного объема =0,01 [2]. Температурный показатель политропы по конечным параметрам, для компрессоров принимают:

Выбираем:        

Принимаем:

коэффициент подогрева, учитывает уменьшение производительности из-за подогрева всасываемого газа во время процесса всасывания, т.е. за счет того, что в цилиндре в конце всасывания температура будет выше, чем в начале процесса. Его значение для мембранного компрессора определяем по формуле (2.1.2.4):

 (2.1.2.4)

Где - температура газа на входе в камеру сжатия; - температура газа после смешения его с газом, оставшемся в мёртвом пространстве. Теплообменом между стенками рабочей области и газом пренебрегаем. Найдем температуру по формуле (2.1.2.5)

 (2.1.2.5)

Где - температура газа до процесса сжатия, - температура газа после процесса сжатия, - плотность газа на входе, - плотность газа на выходе, - относительное мертвое пространство. Найдём, по формулам (2.1.2.6), (2.1.2.7), (2.1.2.8):

Подставим полученные значения в формулу (2.1.2.5):

Подставим полученные значения в формулу (2.1.2.4):

;

коэффициент плотности, учитывает уменьшение производительности из-за неплотностей рабочей полости. Его значения для мембранных компрессоров равен 1 [1].

Принимаем:

Подставим все полученные значения коэффициентов в формулу (2.1.2.2)

Определение основных размеров и параметров

Описанные объемы ступеней сжатия рассчитывают, исходя из необходимости обеспечить в каждой ступени определенную объемную производительность при условиях всасывания в эту ступень, т.е. из необходимости обеспечить заданные межступенчатые давления. При решении этой задачи для действительного компрессора следует учитывать все потери производительности и недоохлаждение. Тогда объем описываемый мембраной первой ступени определяем по формуле (стр. 43 [1]) (2.1.3.1):

 (2.1.3.1)

где - производительность компрессора ().

Приближенную площадь мембраны находим по формуле (2.1.3.2):

 (2.1.3.2)

 (2.1.3.3)

Полученный результат подставляем в формулу (2.1.3.2):

Посчитаем предварительный диаметр мембраны по формуле (2.1.3.4):

 (2.1.3.4):

Подставим значения в формулу (2.1.3.4):

Уточним размеры мембраны, используя формулу

V_м=(〖(1-a〗_m)∙2∙π∙R^2∙w_0)/3; (2.1.3.5):

где aм-относительное мертвое пространство, принимаем aм=0,01; w0-прогиб мембраны в центральной точке, принимаем w0=1,75 мм из прототипа; R-радиус мембраны;

_h=V_м∙n∙z∙4; (2.1.3.6)

где n-частота вращения приводного вала, принимаем n=900 об/мин; z-количество секций компрессора, конструктивно принимаем z=2; Vh-объемная производительность.

Выразим радиус мембраны из формулы (2.1.3.5):

=√((3∙V_h)/((1-a_м)∙z∙n∙π∙ω_0∙4);) (2.1.3.6)

=√((3∙0,0461)/(0,99∙2∙900∙3,14∙0,00175∙4))=0.0325 м

Принимаем диаметр мембраны равным 0,065 м

Рис. 2 Схема разделения объема, описываемого мембраной.

Произведем расчет давления в конце цикла сжатия газа

Найдем давление в конце сжатия по формуле (2.1.3.7):

_2=P_1∙(〖V_1/V_2)〗^К; (2.1.3.7):

где P1-давление всасывания; P2-давление нагнетания; V1, V2 - объемы в начале и в конце сжатия.

Найдем объем в конце сжатия используя систему трехмерного моделирования Компас 3D:=0, 7573•10-6 м³найдем из расчета геометрических параметров мембраны V1=2, 0231•10-6 м³

Давление всасывания берем из термодинамического расчета компрессора:= 95512 Па

Подставим значения в формулу (2.1.3.7):_2=95512∙(〖(2,0231∙〖10〗^(-6))/(0,7573∙〖10〗^(-6)))〗^1,4=378007 Па

Давление, полученное к концу цикла сжатия больше чем давление, полученное в термодинамическом расчете. Однако следует заметить, что данная методика не учитывает деформации мембраны под действием сил давления.

Определение индикаторной мощности компрессора и выбор электродвигателя.

Чтобы правильно подобрать двигатель необходимо рассчитать индикаторную мощность по формуле (cтр. 27 [1]) (2.1.4.1)

 (2.1.4.1)

где Nинд-индикаторная мощность компрессора, P1-давление всасывания, P2-конечное давление, n-показатель политропы.

Подставим значения в формулу (2.1.4.1):

Мощность электродвигателя находим по формуле (2.1.4.2):

 (2.1.4.2)

Подставим значения в формулу (2.1.4.2):

При расчёте двигателя мощность принимается на 20-50% больше расчётной. Рассчитаем реальную мощность необходимую на привод компрессора по формуле (2.1.4.3)

Подбор электродвигателя.

По справочнику электродвигателей выбираем двигатель АИР71А6

Технические характеристики двигателя запишем в таблицу 3:

Таблица 3 Основные характеристики электродвигателя АИР71А6

Определение температуры нагнетания

Принимая, что сжатие воздуха происходит адиабатически (k=1,4), находим температуру нагнетания по формуле (стр. 26 [1]) (2.1.6.1):

 (2.1.6.1):

Подставим значения в формулу (2.1.6.1):

Полученная температура является слишком высокой для подачи ее человеку, поэтому установка ИВЛ предусматривает наличие теплообменника, через который проходит газ после сжатия в компрессоре.

Выбор клапанов по пропускной способности.

В данном проекте используем клапана прямоточного типа. Материал, из которого выполнены клапана мембраны резина листовая гост 7338-90. Клапана данного типа были выбраны из-за их простоты и надежности. Клапана данного типа используются в прототипе.

Рис. 3 Принцип работы клапана

Допустимую относительную потерю мощности в клапанах выбираем по рекомендациям из таблицы 6.1 (стр. 151 [2]).

Рис. 4 Суммарная потеря мощности в клапанах в зависимости от F

Таблица 4 Зависимость относительных потерь давления от критерия скорости

()_max,%

,229,2

,27,4

,185,8

,164,4

Выбираем при давлении Рвс=0,1 МПа; по выбранному допустимому значению находим соответствующие значения критерия скорости F=0,22.

Скорость звука при условиях в клапане определяем по формуле (2.1.7.1):

 (2.1.7.1)

где R - газовая постоянная воздуха; R=287,3 Дж/(кг•К) - берется из справочных данных.

Подставим значения в формулу (2.1.7.1) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Рассчитываем допустимую условную скорость газа в клапанах, при которой будет обеспечено допустимое значение потерь мощности по формуле (стр. 151 [1]) (2.1.7.2)

 (2.1.7.2)

Подставим значения в формулу (2.1.7.2) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Выберем число клапанов в обеих секциях: исходя из конструктивных особенностей прототипа.

Определяем необходимое значение эквивалентной площади клапана, которая обеспечит работу компрессора с допустимыми потерями мощности в клапанах. Значение необходимой эквивалентной площади Ф считаем по формуле (6.45 стр. 152 [2]) (2.1.7.3):

 (2.1.7.3):

где - площадь мембраны; - средняя скорость мембраны; - число всасывающих или нагнетательных клапанов в рабочей полости.

Подставим значения в формулу (2.1.7.3) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Расчет потерь давления в клапанах.

Расчет клапанов производится по методике, изложенной [2] стр. 150

Выбираем прямоточные клапаны, исходя из прототипа. Материал клапанов резина ГОСТ 7338-90

По известному значению критерия скорости Fi находим максимальное значение потерь давления в клапане в теоретическом хmaxi случае. Для этого воспользуемся графиком (стр. 153 [1]) зависимости хmaxi от Fi:

Рис. 5Зависимость хmaxi от Fi:

Задаемся отношением: (принимаем Θ = 0,2). (cтр. 153 [2])

По известным значениям Θ и хmaxi найдем минимальное значение перепада давлений в клапане, необходимого для преодоления силы упругости клапана. Для этого воспользуемся формулой (2.1.8.1):

 (2.1.8.1):

Подставим значения в формулу (2.1.8.1):

Рассчитаем минимальный перепад давлений необходимый для полного открытия клапана по формуле (2.1.8.2):

 (2.1.8.2):

где pi - давления всасывания и нагнетания (см. табл. 2).

Подставим значения:

Расчет клапанов на открытие.

Расчет клапанов на открытие был произведён в программном пакете Ansys 14 Workbench. Исходные данные расчета:

Материал клапана резиновый лист. Геометрические параметры клапана взяты из прототипа. Решение данной задачи можно свести к решению балки защемленной с одного края и распределенной приложенной нагрузкой.=16793 Па; ν=0,45 (из справочных данных); E=8,5МПа (из справочных данных). Принимаем что материал клапана изотропный.

Результаты расчета приведены на рис. 6,7.

Рис. 6 Деформации язычка клапана, под действием давления в нагнетательной камере.

Рис. 7 Напряжения, возникающие в язычке нагнетательного клапана под действием давления

Из расчета можно сделать следующие выводы:

При воздействии давления клапан прогибается, величина максимального прогиба составляет 1,5 мм. Характер распределения напряжений, возникающих в клапане соответствует реальной картине. Данную методику расчета можно применять в других работах. Применение клапанов такой конструкции может быть выполнено в данной работе.

Таблица 5. Основные параметры спроектированного компрессора.

2.2 Динамический расчет мембранного компрессора

Уравновешивание компрессора

Механизм движения компрессора - коленчатый вал, кулисный механизм толкатель, мембрана. Из них толкатель - совершает только возвратно-поступательные движения, коленчатый вал и кулиса - вращательное. Таким образом, масса возвратно-поступательно движущихся частей, определятся по формуле (2.2.1.1)

 (2.2.1.1)

 (2.2.1.2)

 (2.2.1.3)

Массы деталей находим из анализа программы твердотельного моделирования Siemens NX 8.5:

- Масса мембраны

Масса толкателя

Масса кулисы

мембранный компрессор вал термодинамический

Заключение

В результате анализа основных достоинств и недостатков компрессоров различных типов был выбран мембранный компрессор. В качестве прототипа был взят мембранный компрессор МК-1. Были проведены основные расчеты, такие как:

Термодинамический расчет, расчет геометрических параметров мембраны, конструкторский расчет основных и вспомогательных узлов компрессора, прочностной расчет.

Для увеличения производительности данного компрессора можно увеличить число секций без существенного изменения компрессора. Основными достоинствами данной конструкции являются высокая ремонтопригодность и низкая стоимость изготовления.

Список литературы

1. Алтухов С.М., Румянцев В.А. Мембранные компрессоры - Москва, 1967.

. П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры (1 том). - М.: «Колос», 2000.

. П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры (2 том). - М.: «Колос», 2000.

. М.И. Френкель. Поршневые компрессоры. - СПб: «Машиностроение», 1969.

. Компрессорные станции: Учебное пособие /А.Н. Вейраух, Р.А. Измайлов, Б.С. Фотин; Ленингр. политехн. ин-т. Л., 1990. - 84 с.

. С.Е. Захаренко, Б.С. Фотин, С.А. Анисимов Поршневые компрессоры Москва 1961.

. ГОСТ 18856-88 (Аппараты искусственного наркоза).

. Руководство Р2.2.2006-05. Руководство, по гигиенической оценке, факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификации условий труда.

. Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных ВУЗов /Под ред. Е.Я. Юдина, С.В. Белова. М.: Машиностроение, 1983 г., 432 с, ил

. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность и охрана труда: методич. указания / сост.: Т.Т. Каверзнева, Я.А. Лисочкин - Спб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - 51 с.