Проектирование поршневого компрессора на нормализованной базе

Проектирование поршневого компрессора на нормализованной базе

Курсовая работа

«Проектирование поршневого компрессора на нормализованной базе».

Содержание

1. Задание по курсовому проектированию

. Условные обозначения

. Введение

. Расчет по инженерной методике

. Оптимизационный расчет на ЭВМ

. Регулирование производительности

. Индивидуальное задание

Заключение

Список литературы

1. Задание по курсовому проектированию

Рассчитать и спроектировать поршневой компрессор на основе следующих данных (Вариант №35):

Р_вс=0.1 МПа;

Р_нг=0.9 МПа;

V_вс=12 м³/мин;

Т_вс=293К;

S_п=120 мм;

n=750 об/мин;

z_ст=2;

λ_шт=0.188;

рабочий газ: сухой воздух;

охлаждение: водяное;

база: ВП-12-8

. Условные обозначения

T,t - температура, К(⁰C);

P - давление, МПа;

Ρ - плотность, кг/м³;

V - объем, м³;

m - масса, кг;

m’ - массовый расход, кг/с;

V’ - объемный расход, кг/с;

R - газовая постоянная, Дж/(кгК);

к - показатель адиабаты;

M - критерий скорости потока газа;

П - отношение давлений;

П_б - номинальное усилие базы, кН;

D,d - диаметр, м;

F,f - площадь, м²;

S_п - ход поршня, м;

n - частота вращения вала, об/мин

ω - угловая скорость, рад/с

w - скорость, м/с;

c - относительный ход поршня;

a - относительное мертвое пространство;

λ - коэффициент подачи;

η - КПД;

τ - время, с;

L - работа, Дж;

N - мощность, кВт;

Q - холодопроизводительность, кВт;

N’ - удельная мощность, кВт/кВт.

. Введение

Компрессорные поршневые агрегаты широко применяются в современной криогенной технике и являются основными технологическими машинами, определяющими эффективность и надежность работы криогенной установки в целом.

В данной работе будет проведен расчет и спроектирован компрессор на нормализованной базе, используя ЭВМ и, в частности программу «Комдет», добьемся оптимальных параметров работы аппарата, с использованием этой же программы будет проведено регулирование производительности машины и проведено исследование с учетом индивидуального задания.

4. Расчет по инженерной методике

. Определение базы компрессора.

Имеем производительность компрессора по условиям всасывания V_вс=12 м³/мин. По табл 2.1 [1] определяем базу: П - образная.

. Предварительно определяем мощность компрессора.

Выбираем изотермический КПД компрессора из условия:

.5≤η_из≤0.7 принимаем η_из=0.5;

η_из=, где

N_из - мощность, затрачиваемая на сжатие и перемещение газа при термодинамическом процессе;

N_к - мощность на валу (муфте) компрессора;

N_из=

N_из== 43945 Вт; тогда

N_к===87890 Вт.

3. Определение параметров базы.

Определяем количество ступеней в ряду базы по рис 2.1 [1]:

. Определение требуемого числа ступеней.

П_к===9.

Из термодинамики имеем:

Т_2к=Т_1к, где

Т_1к - температура газа в цилиндре в начале сжатия, Т_1к≈Т_вс;

Т_2к - на 20 ⁰С ниже, чем при Т_нг при водяном охлаждении;

Т_нг1=,

Т_нг2=,

1) Принимаем р_нг=0.32 МПа:

Т_нг1== 408.6К,

Т_нг2== 420.7К,

Расхождение Т_нг1 и Т_нг2 велико, поэтому:

)Примем р_нг=0.33 МПа:

Т_нг1== 412.25К,

Т_нг2== 417К,

) Примем р_нг=0.335 МПа:

Т_нг1== 414К,

Т_нг2== 415.24К,

Расхождение Т_нг1 и Т_нг2 приемлемо, принимаем окончательно

р_нг=0.335 МПа.

. Проводим компоновку ступеней по рядам.

агрегат компрессор мощность криогенный

z

. Определение номинального усилия базы:

) N_р - мощность базы,

N_р===43945 кВт,

==3.78,

По рис 1.7 [1]: =3.3 =˃ П_б=27.1 кН.

2) Из уравнения 1.1 [1]:

П_б===25.58 кН.

Выписываем параметры базы табл 1.2 [1]:

П_б=20 кН;

z_p=2;

S_п=125 мм;

n=12.5 ;

N_p=36.0 кВт;

d_шт=32 мм;

c_п=3.12 м/с.

. Определение плотность газа по ступеням:

ρ_всi=,

ρ_вс1==1.19 кг/м³,

ρ_вс2==3.79 кг/м³.

8. Определяем массовый расход газа через компрессор:

m’= ρ_вс1V_вс - по всем ступеням, если не учитывать утечки газа;

m’=1.18·12/60=0.236 кг/с;

m_k - массовый расход за один оборот коленчатого вала,

m_k===0.0189 кг/об.

9. Конструктивный расчет компрессора.

) Ориентировочно задается относительное мертвое пространство по ступеням:

α_i=α₁ + (0.020.04)(i-1),

α₁ - выбираем 0.1;

α₂=0.1+0.03=0.13

) Расчет объемного коэффициента:

λ_0i=1- α_i(-1),

n_p=0.975n_сж, n_сж=0.975к

к=1.4 =˃ n_сж=0.9751.4= 1.365 =˃ n_p=0.9751.365=1.331;

λ₀₁=1- 0.1(-1)=0.852;

λ₀₂=1- 0.13(-1)=0.857;

) Расчет коэффициента подогрева:

λ_Тi=(1-δ_T)-C(П_i-1)

Выбираем δ_T=0.01; С=0.01 - при водяном охлаждение.

λ_Т1=(1-0.01)-0.01(3.35-1)=0.968,

λ_Т1=(1-0.01)-0.01(2.686-1)=0.972;

) Выбор коэффициента давления:

Принимаем λ_р1=0.98; λ_р1=0.99.

5)Оценка статической негерметичности элементов ступени:

ν_пр=ν_кл+ν_П,

ν_кл=0.02 - суммарные относительные протечки через закрытые клапаны ступеней,

ν_П=0.02 - относительные протечки через уплотнения поршня,

ν_пр=0.02+0.02=0.04.

ν_вл1=0.01; ν_вл2=0.

7)Оценка динамической негерметичности ступеней

Принимаем ν_пер=0.02

) Определение коэффициента подачи ступеней:

λ_i=[ λ_p λ_T (λ_o- ν_пер)]_i-ν_прi-ν_влi-Принимаем =0,

λ₁=[ 0.98· 0.968 (0.852-0.02)]-0.04-0.01=0.739

λ₂=[ 0.99· 0.972 (0.857-0.02)]-0.04=0.765

10. Определение уточненных температур нагнетаемого газа по ступеням:

Т_нгi=,

Т_нг1==429.8К,

Т_нг2==428.8К.

. Определение рабочих объемов цилиндров:

V_hi=;

V_h1==0.0107 м³,

V_h2==0.00326 м³.

12. Определение активной площади поршня:

F_ni=,

F_n1==0.0892 м²,

F_n2==0.0272 м².

13. Рассчитываемы диаметры ступеней, учитывая конструкционные особенности:

d===0.186 м,

D===0.385 м.

Выбираем диаметры из стандартных:

d=190 мм,

в_к=6.5 мм,

h_k=5 мм;

D=400 мм,

в_к=11.5 мм,

h_k=9 мм.

Пересчитаем V_h и F:

V_h2===0.0034 м³,

V_h1===0.011 м³;

F_n2===0.0283 м²,

F_n1===0.0973 м².

14. Расчет поршневых сил:

p=p_атм(F_n2+ F_n1)+р_вс1F_n1+р_вс2F_n2-р_нг1F_n1-р_нг2F_n2,

р=0.1·10⁶(0.0973+0.0283)+0.1·10⁶·0.0973+0.335·10⁶·0.0283-0.335·10⁶·0.0973-0.9·10⁶0.0283=26288 кН≤1.2·25.58.

15. Расчет производительности:

V_k^’=λ₁· V_h1·n·z,

V_k^’=0.739·0.011·750·2=12.19 м³/мин.

. Расчет потребляемой мощности.

N_номi=р_всiV_hi(λ_o,адi-ν_перi)(-1),

λ_o,адi=1-α_i(-1),

λ_o,ад1=1-0.1(-1)=0.863,

λ_o,ад1=1-0.1(-1)=0.897;

N_ном1=3.5·0.1·10⁶·0.011(0.863-0.02)(3.35^0.286-1)·2·=41077 Вт,

N_ном2=3.5·0.335·10⁶·0.0034(0.897-0.02)(2.686^0.286-1) )·2·=34920 Вт.

17. Относительные потери давления.

δ_всi=0.3(),

δ_вс1=0.3()=0.0333,

δ_вс2=0.3()=0.0259;

δ_нгi=0.7(),

δ_нг1=0.7(),=0777,

δ_нг1=0.7(),=0604.

. Относительные суммарные потери мощности.

ΔN_i=,

ΔN₁=0.286=0.0997,

ΔN₂=0.286=0.093.

. Расчет индикаторной мощности.

N_индi= N_номi(1+ ΔN_i),

N_инд1=41077(1+0.0997)=45173 Н,

N_инд2=34920(1+0.093)=38168 Н,

N_индк=45173+38168=83341 Н.

. Расчет мощности компрессора.

N_к===87727 Вт.

21. Мощность двигателя.

N_дв=к_р=1.1=100478 Вт.

22. Изотермический КПД.

η_из=,

N_из=,

η_из==0.5088.

23. Выбор клапанов.

) Относительные потери в мощности в клапанах по ступеням:

ΔN_клi=0.6 ΔN_i,

ΔN_кл1=0.6·0.0997=0.05982,

ΔN_кл1=0.6·0.093=0.0558;

)Критерий скорости потоков:

С_n=2·S_n·n=2·0.12·750/60=3,

M_i=,

M₁==0.1776,

М₂==0.145;

) Эквивалентная площадь:

М=, отсюда

=,

==47.87 см²,

==16.51 см².

4) Выбираем клапаны из стандартных по величине эквивалентной площади:

ступень: 4 клапана на всасывание и нагнетание марки ЛУ110-0.6;

ступень: 2 клапана на всасывание и нагнетание марки ЛУ85-0.6 и ЛУ85-1.0 соответственно.

24.Подбор поршневых колец:

Число колец z_k зависит от перепада давления в ступенях и определяется по рис. 2.14 [1]:

Δр₁=(р_нг1-р_вс1)=0.335-0.1=0.235 МПа =˃ z_k=2;

Δр₂=(р_нг2-р_вс2)=0.9-0.335=0.565 МПа =˃ z_k=3.

25. Смазка элементов компрессора.

) Определение требуемого расхода масла для каждого цилиндра:

m_цi’=2K·π·D_i(S+H_i)n,

где К=2.5·10^-6, Н - суммарная высота уплотнительных колец на поршне, Н= z_kih_ki

H₁=2·9·10^-3=0.018 м; H₁=3·5·10^-3=0.015 м;

m_ц1’=2·2.5·10^-6·3.14·0.4(0.12+0.018)12.5=0.108 г/с,

m_ц2’=2·2.5·10^-6·3.14·0.19(0.12+0.015)12.5=0.05 г/с;

) Расход масла на сальники для нормализованных баз определяется по рис. 2.19 [1]

m_с1’= m_ц2’=0.01 г/с;

3) Суммарный расход смазки:

m_М’=+

m_М’=(0.01+0.108+0.01+0.05)·2=0.356 г/с;

) Мощность трения:

N_тр=К_ωN_k(1-η_мех), где К_ω=0.25,

N_тр=0.25·87727(1-0.95)=1.096 кВт;

) Мощность отводимая с потоком масла:

N_м=α·m_М’·c_m·Δt, где c_m=1.9 кДж/кг - теплоемкость смазочных масел, Δt=12⁰С - разность температур масла на входе и выходе из системы;

N_м=0.01·0.356·1900·12=81.168 Вт,

) Массовый расход в системе:

m’=( К_ωN_k(1-η_мех))/α ·c_m·Δt,

m’=1096/(0.01·1900·12)=4.8 кг/с;

) Производительность масляного насоса:

V’=K_p(m’/ρ_м), где K_p=1.1 - коэффициент резерва, ρ_м=900 кг/м³.

V’=1.1(4.8/900)=5.87 л/с,

) Мощность привода насоса:

N_м= ρ_м’· V’/η_м, где ρ_м’=0.65 МПа, η_м=0.5

N_м= 0.65· 0.00587/0.5=0.00754 кВт.

Расчет на ЭВМ и оптимизация промежуточного давления методом уравнивания массовых потоков ступеней.

На данном этапе я провел последовательный расчёт на ЭВМ, по программе «Комдет», ступеней компрессора, а затем оптимизацию промежуточного давления и, вследствие незначительных изменений параметров, представляю итоговые результаты расчетов:

1.  Первая ступень.

1) Исходные данные:

3) Конструктивные параметры клапанов:

7) Интегральные параметры:

2. Вторая ступень:

1) Исходные данные:

3)Конструкционные параметры всасывающих клапанов:

Снижение производительности методом отжима пластин.

Добьемся снижения производительности методом отжима пластин используя программу «Комдет»:

) Снизим производительность на 5%:

V’=V·0.95=8.7813·0.95=8.34 м³/мин.

В результате добились V’=8.3465 м³/мин при зазоре 3.15 мкм:

2)Теперь снизим производительность на 10%:

V’=V·0.90=8.7813·0.90=7.90 м³/мин.

В результате добились V’=7.9025 м³/мин при зазоре 6.1 мкм:

3)Уменьшим производительность на 15%:

V’=V·0.85=8.7813·0.85=7.46 м³/мин.

В результате добились V’=7.4633 м³/мин при зазоре 9.0 мкм:

7. Индивидуальное задание

В процессе планового ремонта в компрессоре был увеличен диаметр первой ступени D на 10% и поврежден холодильник после первый ступени так, что температура всасывания Т_вс2 увеличилась на 5%. Как изменится работа компрессора.

D’=D·1.1=400·1.1=440 мм;

Т_вс2^’= Т_вс2·1.05=313·1.05=328.7 K.

Вследствие этих изменений вырастает производительность, следовательно, необходимо отрегулировать промежуточное давление. Сделаем это с помощью программы «Комдет».

В итоге получили, что при р_пр=0.488 МПа массовый расход уравнивается:

Заключение

В проведенной работе был рассчитан и спроектирован компрессор на основе прямоугольной базы ВП-12-8, проведен расчет и оптимизация его на ЭВМ по программе «Комдет», выполнены испытания в виде индивидуального задания.

Список литературы

1.              Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах: Учеб. пособие. -СПб.: СПбГАХПТ, 1995. -194с.