Расчет компрессора. Цикл поршневого двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Расчет теоретических циклов теплового двигателя и поршневого компрессора

1.1 Расчет свойств рабочего тела (газовой смеси)

1.2 Определение параметров характерных точек цикла

1.3 Построение P-V диаграммы цикла

1.4 Определение газа за цикл

1.5 Построение T-S диаграммы цикла

1.6 Определение по диаграмме T-S подведенного,отведенного и полезного тепла

1.7 Определение термического коэффициента полезного действия цикла и сравнение его с термического К.П.Д. цикла Карно

2. Расчет теоретического цикла одноступенчатого поршневого компрессора, процессы в реальном компрессоре

2.1 Построение индикаторной диаграммы идеального компрессора в P-

V координатах

2.2 T-S диаграмма цикла идеального компрессора

2.3 Определение теоретической работы компрессора

2.4 Построение индикаторной диаграммы реального компрессора

2.5 Мощность привода компрессора и его К.П.Д

2.6 Основные размеры компрессора

Заключение

Список использованных источников

Введение

Для стабилизации и укрепления положительных тенденций в развитии экономики нашей страны необходимо широкое обновление средств и методов производства, использование высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования, способных обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке продукции. Тепловые процессы получили самое широкое распространение в технике, и сегодня очень трудно назвать оборудование или технологию, где бы тепловая энергия не играла определяющей роли. Тепло используется как для выработки механической и электрической энергии, так и для проведения и интенсификации технологических процессов. Широкое распространение нашли также холодильные установки умеренного и глубокого охлаждения, установки для разделения воздуха, газотурбинные установки для дожигания вредных отходов и другое оборудование. Техническая термодинамика занимается разработкой теории тепловых двигателей и установок, таких как двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные и ракетные двигатели, холодильные и компрессорные машины. На ее основе формируются методы прямого преобразования теплоты в электрическую энергию, проводится анализ эффективности циклов, процессов теплообмена, изучаются термодинамические свойства различных веществ.

1. Расчет теоретических циклов теплового двигателя и поршневого компрессора

Исходные данные

В качестве исходных данных для расчета цикла в задании даются следующие величины, параметры и зависимости:

а) Состав рабочего тела:

Единицы измерения	О2	N2	СО	СО2	H2O	SO2	Сухой воздух
Граммы	130	250		300		250	70

б) Температура рабочего тела в начале сжатия Т1 = 397 К;

в) Давление в начале сжатия р1 = 0,12 МПа;

г) Степень сжатия = 9;

д) Степень повышения давления = 1,6;

е) Степень предварительного расширения = 1,7.

1.1 Расчет свойств рабочего тела (газовой смеси).

Массовые доли компонентов равны.

- для кислорода (О2) кг;

- для азота (N2) кг;

- для углекислого газа (СО2) кг;

- для сернистого газа (SO2) кг;

- для сухого воздуха кг;

Определяем газовые постоянные компонентов смеси.

где: - молекулярные массы компонентов:

--- универсальная газовая постоянная.

- для кислорода (О2)

- для азота (N2)

- для углекислого газа (СО2)

- для сернистого газа (SO2)

- для сухого воздуха

Газовая постоянная смеси будет равна.

4. 0пределяем кажущуюся молекулярную массу смеси.

5. Плотность и удельный объем смеси при нормальных физических условиях.

6. Объёмные доли компонентов смеси равны.

, ,……

- для кислорода (О2)

- для азота (N2)

- для углекислого газа (СО2)

- для сернистого газа (SO2)

- для сухого воздуха

7. Объёмы компонентов смеси.

, ………., м3

- для кислорода (О2) м3

- для азота (N2) м3

- для углекислого газа (СО2) м3

- для сернистого газа (SO2) м3

- для сухого воздуха м3

8. Парциальные давления компонентов найдем из уравнения.

, ,………, Па.

где: -- давление смеси в начале сжатия (согласно задания ).

- для кислорода (О2) М Па.

- для азота (N 2) МПа.

- для углекислого газа (СО2 ) МПа.

- для сернистого газа (SO2) МПа.

- для сухого воздуха МПа.

9. Определяем массовые теплоемкости Ср и Сv .

Ср см = Cpl·q1 + Ср2· q2+…+ Сpn·qn = ;

Ср см = CpN2·qN2 + СрCO2· qCO2+ CpH2O·qH2O + СрSO2· qSO2 = 0,9232*0,13+1,0316*0,25+0,88658*0,3+0,636*0,25+1,0061*0,07=0,12+0,2579+0,25974+0,159+0,07=0,87 ;

CV см = Cv1·q1 +Cv2·q2+... +Сvn·qn =

CV см = Cv N2·qN2 +Cv CO2·q CO2+Сv H2O·qH2O+Cv SO2· qSO2 = 0,6632*0,13+0,7365*0,25+0,6770*0,3+0,507*0,25+0,7193*0,07=0,086+0,184+0,2031+0,12675+0,05=0,65

10. Показатель адиабаты смеси равен.

.

=

1.2 Определение параметров характерных точек цикла

Циклы ДВС.

-- Цикл с подводом теплоты при V=const (рис. 1)

а).Рабочее тело с начальными параметрами Р1,V1, T1 (точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

; Т2 = Т1· к-1;

M3

M3

К

б) По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу сообщается некоторое количество теплоты - q1 .

Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3):

P3 = ·P2 = ·; T3 = ·T2; V3 =

P3=1,6*0,12*106*91,3=3,3 МПа

T3=1,6*754,3=1206,8 К

V3=V2=0,08 М3

в). Адиабатное расширение рабочего тела (процесс 3-4).

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения ( точка 4):

= = ·P1; ; V4=V1.

P4=1,6*0,12*106=0,19 МПа

К

V4=V1=0,7 М3

г). По изохоре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q2 .

В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в точку 1 с

первоначальными параметрами.

-- Цикл с подводом теплоты при p=const (рис. 2).

а). Процесс аналогичен циклу с подводом теплоты при V =const .

Рабочее тело с начальными параметрами Р1,V1, T1(точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

Параметры конца процесса сжатия (точка 2):

; Т2 = Т1· к-1;

б). По изобаре ( линия 2-3) к рабочему телу сообщается некоторое количество теплоты - q1.

Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3) :

P3 = P2 = P1 · k; T3 = · T2 = · T1 · k-1; V3 = V2 · .

P3=2,09 МПа

T3=1,7*767,5= 1304,7 К

V3=V2 · =0,08*1,7=0,1

в). От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4).

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):

; ; V4 = V1.

МПа

К

V4=V1=0,7

-- Цикл со смешанным подводом тепла (рис. 3).

а). Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты является обобщающим предыдущих циклов, т.е. процесс подвода теплоты производится сначала по изохоре потом затем по изобаре.

Рабочее тело с начальными параметрами Р1,V1, T1 (точка1), сжимается по адиабате (линия 1-2).

Параметры конца сжатия (точка 2) определяются так же, как и в предыдущих случаях по формулам:

; Т2 = Т1· к-1;

M3

К

б). По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу подводится первая доля теплоты qi1, а по изобаре (ли-ния 3-4) вторая доля теплоты - qil1 .

Параметры рабочего тела в точках определяются по формулам:

-- для точки 3.

Р3=·Р2; T3=·T2; V3 = .

Р3=1,6.2,09=3,344 МПа

T3=1,6.767,5=1228 К

V3 = M3

--для точки 4.

Р4=Р3; Т4 = ·Т3; V4 = ·V3.

P4=3,344 МПа

Т4 =1,7. 1228=2087,6 К

V4 =1,7.0,08=0,1 M3

в) От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате (линия 4-5) до точки 5.

Параметры конца процесса расши-рения (точка 5).

Р5 =Р1·· к; T5 = T1·· к; V5 = V1.

Р5=0,12.1,6.1,71,3=0,4 МПа

T5 = 397·1,6·1,71,3=1266,2 К

V5=0,7M3

г) . По изохоре (линия 5-1) от рабочего тела отводится тепло q2 .

В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

Циклы ГТУ

-- Цикл с подводом тепла при P=const (рис. 4)

а) Рабочее тело с начальными параметрами Р1,V1,T1 (точка 1), сжимается по адиабате (линия 1-2). Сжатие производится в воздушном компрессоре.

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

; Т2 = Т1· к-1;

МПа

M3

б). По изобаре (линия 2-3) к рабочему телу подводится теплота q1 Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3):

Рз = Р2; T3 = ·T2; V3 = ·V2

Рз =2,09 МПа

T3 =1,7.767,5=1304,8 К

V3 =0,08.1,7=0,1 M3

в) От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4). Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):

Р4 = Р1; T4 = ·T1; V4 = ·V1

Р4 =0,12 МПа

T4 =397·1,7=674,9 К

V4 =1,7·0,7=1,19 M3

г) По изобаре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q2 .

В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

-- Цикл с подводом тепла при V=const (рис. 5.)

а). Рабочее тело с начальными параметрами Р1,V1,T1 (точка 1), сжимается по адиабате (линия 1-2). Сжатие производится в воздушном компрессоре.
Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия (точка 2):

Р2 = Р1·к; T2 = T1·k-1;

Р2 = 0,12·91,3=2,09 МПа

M3

б). По изохоре (линия 2-3) к рабочему телу подводится теплота q1 Параметры рабочего тела в конце процесса подвода теплоты (точка 3)::

P3 = ·P2; T3 =·T2; V3 = V2.

Р3=1,6.2,09=3,344 МПа

T3=1,6.767,5=1228 К

V3 = M3

в) От точки 3 происходит адиабатное расширение рабочего тела (линия 3-4).

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка 4):

Р4 = Р1;

Р4 =0,12 МПа

К

M3

г). По изобаре (линия 4-1) от рабочего тела отводится тепло q2 .

В результате отвода теплоты рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с параметрами соответствующими началу сжатия (точка 1).

1.3 Построение Р-V диаграммы цикла

P-V диаграмма цикла выполняется на миллиметровой бумаге формата 210х297 мм с соблюде-нием масштабов.

Ориентировочные значения масштабов:

давление - 1см. - 1Мпа; объём 1см. - 1м3.

Построение P-V диаграммы цикла производится следующим образом:

На оси P-V- в выбранном масштабе наносятся координаты параметров характерных точек цикла, вычисленные в пункте 1.2.

Для всех циклов принимаем объём рабочего тела в точке 1 равным величине степени сжатия V1= .

Тогда координаты:

точки 1.

ордината -- V1 = ;

абсцисса -- Р1

точки 2.

ордината -- V2 = ;

абсцисса -- Р2;

. точки 3.

для цикла ДВС со смешанным подводом теплоты и циклов ДВС И

ГТУ с подводом теплоты при V = const

ордината -- V3 = V2;

абсцисса -- Р3;

-- для циклов ДВС и ГТУ с подводом тепла при P=const

V3 = .

точки 4.

для цикла ДВС со смешанным подводом теплоты

ордината -- V4 = V3;

абсцисса -- Р4;

для цикла ДВС с подводом теплоты V =const и P=const

V4 = V1.

точки 5.

Параметры точки 5 строятся только для цикла со смешанным подводом теплоты.

ордината -- V5 = V1;

абсцисса -- Р5;

Изохоры и изобары диаграмм наносятся путем соединения пря-мыми линиями соответствующих характерных точек этих процессов.

Для построения процессов сжатия и расширения необходимо рассчитать параметры трех-четырех промежуточных точек.

Например: Пусть P1=0,12 МПа, V1=0,7 м3, V2=0,08м3. Для адиабаты сжатия ( линия 1-2) в промежутке между значениями удельных объемов рабочего тела в точках 1 и 2 ( V1 и V2 ) диаграммы, выбираются два-три удельных объема Va= 0,2 M3, Vб = 0,35 M3, Vc = 0,55 M3 и по уравнению адиабатного процесса

,

находятся соответствующие значения pa, pb, pc, pd в следующем виде.

МПа;

МПа;

МПа;

По значениям удельных объёмов и соответствующим им давлениям в выбранном масштабе на диаграмму наносятся промежуточные точки (а,б,в)

Соединяя плавной линией точки (1-а- б-в-2 ) получаем адиабату сжатия 1-2.

Адиабата расширения строится аналогичным образом.

Для адиабаты расширения (линия 4-5) в промежутке между значениями удельных объемов рабочего тела в точках 4 и 5 ( V1 и V2 ) диаграммы, выбираются два-три удельных объема Va= 0,2 M3, Vб = 0,35 M3, Vc = 0,55 M3 и по уравнению адиабатного процесса

,

находятся соответствующие значения pa, pb, pc, pd, ре, рf в следующем виде:

МПа;

МПа;

МПа;

По значениям удельных объёмов и соответствующим им давлениям в выбранном масштабе на диаграмму наносятся промежуточные точки (а,б,в)

Соединяя плавной линией точки (4-а- б-в-5 ) получаем адиабату сжатия 1-2.

Адиабата расширения строится аналогичным образом.

1.4 Определение работы газа за цикл

Работа газа за цикл -L цикл , равна алгебраической сумме работы расширения - L расш и сжатия- L сж, т.е.

L цикл = L расш -L сж

Для цикла ДВС с подводом теплоты при V=const

L расш =

L сж =

L цикл = 0,44-0,28=0,16

Для цикла ДВС с подводом тепла при P=const

L раcш = Р2(V3-V2) +

L сж =

Для цикла ДВС со смешанным подводом топлива

L раcш = Р3 (V4-V3)+

L сж =

Для цикла ГТУ с подводом топлива при P=const

L раcш = Р2(V3-V2)

L сж = Р4 (V1-V4) +

Для цикла ГТУ с подводом топлива при V=const

L раcш =

L сж=Р4 (V1-V4) +

Построение T-S - диаграммы цикла (рис.7-11).

T-S диаграмма цикла также как и Р-V диаграмма выполняется на миллиметровой бумаге формата 210х297 мм с соблюде-нием масштабов.

Ориентировочные значения масштабов:

Температура - 1мм. - 1К; энтропия 1мм. - .

Построение T-S диаграммы цикла производится следующим образом:

На координатной оси T-S - в выбранном масштабе наносятся значения температур ха-рактерных точек цикла, вычисленные в пункте 1.2. Значения параметров откладывать от начала координат. Полагая что при нормальных физических условиях ( Т0 = 273,15°С, Р0 = 0,101Мпа) значения энтропии равна нулю т.е. S = 0.

Принимаем для всех циклов координаты:

точки I.

ордината -- ,

абсцисса -- T1= 403 , K

Т.к. процесс 1-2 адиабатный то S2 = S1 и координаты

точки 2.

ордината -- S2 = S1= 0,13 ;

абсцисса -- Т2= 754,3 К.

Определение энтропии в конце процесса подвода теплоты ( точка 3) производится для каждого цикла.

-- Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты (V=const).

Координаты:

точки 3:

ордината -- ;

абсцисса -- Т3= 1206,8 K.

точки 4: т.к. процесс 3-4 - адиабатный, то

ордината -- S4 = S3 = 0,44 ;

абсцисса -- Т4= 635,2 K.
Для проверки найти:

Для построения изохор 2-3 и 4-1 необходимо рассчитать координаты двух -трех проме-жуточных точек.

Например:

Построение изохоры 2-3.

На диаграмме в интервале температур Т2 ... Т3 выбираем два произвольных значения температур , (см. рис. 12) для которых определяем энтропию

и ;

В выбранном масштабе обозначаем соответственно по координатам

отмечаем точку а, а по отмечаем точку б.

Построение изохоры 4-1.

Аналогично в интервале температур Т4 ...Т1 выбираем два произвольных значения температур для которых определяем энтропию.

Соответственно по координатам обозначаем точку с, а по точку д.

-- Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (P=const).

S4 = S3=0,54

Значение S4 проверяется по формуле.

Для построения изобары 2-3 выбираем промежуточные температуры и находим значение энтропии по формулам:

,

,

Изохора 4-1 строится аналогично предыдущему циклу.

Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (Р =const, V=const).

,

,

S4 = S5 ,

Построение изохоры 2-3 и 5-1 а также изобары 3-4 производить аналогично предыдущим циклам.

Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (V=const).

,

Цикл Г'ГУ с изобарным подводом теплоты (Р=сonst)

,

S4 = S3,

Расчет промежуточных точек при построении изохор и изобар для циклов ГТУ производится аналогично как в циклах ДВС.

1.6 Определение по диаграмме T-S подведенного, отведенного и полезного тепла

На построенной (пункт 1.5) T-S диаграмме, штриховкой показать:

полезно использованное тепло - (площадь внутри диаграммы);

тепло, отданное холодильнику, ( площадь под циклом);

подведенное тепло - (сумма указанных площадей),

по которым нужно определить подведенное, отведенное и полезно использованное в цикле тепло. Для определения этих количеств тепла разобьем всю площадь диаграммы через равные промежутки вертикальными линиями и получим ряд тра-пеций (1, 2, 3, …,10), (11,12, ……..20).(см. рис12).

Определим площадь каждой трапеции как произведение полусуммы оснований на высоту. Высота трапеции есть , полусумма оснований берется непосредственно с чер-тежа (средняя линия).

Сумма площадей трапеций изображает полезно использованное тепло -, а сумма площадей трапеций изображает тепло, отданное холодильнику - .

Если высота трапеции бе-рется в единицах энтропии , а длина средней линии в градусах( Кельвина) , то сумма площадей трапеций

.

F11+ F12+….F20= q2

Если же площади находятся в см2, то

где: , и , - масштабы энтропии и темпе-ратуры.

Подведенное тепло определяется из выражения

q1 = (q1 - q2) + q2,

q1 = 69,8-62,2=7,6

1.7 Определение термического коэффициента полезного действия цикла и сравнение его с термическим К.ПД. цикла Карно

Термический К.ПД. определяется двумя способами:

Первый способ (графический) -- по диаграмме T-S ( см. пункт 1.6 )

Второй способ ( аналитический) -- по формулам термического К.П.Д.

Для цикла ДВС с подводом тепла при V=const

Для цикла ДВС с подводом тепла при p=const

Для цикла со смешанным подводом тепла

Для цикла ГТУ с подводом тепла при V=const

Для цикла ГТУ с подводом тепла при p=const

Термический К.П.Д. цикла Карно определить по формуле

где: Тmax - максимальная температура рабочего тела в цикле.

Тmin- минимальная температура рабочего тела.

.

2. Расчёт теоретического цикла одноступенчатого поршневого компрессора, процессы в реальном компрессоре

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных для расчёта цикла одноступенчатого поршневого компрессора принимаются следующие параметры:

а) рабочее тело- атмосферный воздух состава (0,21О2 +0.79N2);

б) Т1 (К) - температура воздуха в начале сжатии: 410 К

в) Р1 - давление воздуха в начале сжатия, МПа: 0,09 МПа

г) V1, объём всасываемого воздуха: 4,4 М3/ч

д) Р2 - давление воздуха в конце сжатия, МПа: 0,37 МПа

е) а = - относительная величина вредного пространства:0,13

Компрессором называются машины, предназначенные для сжатия воздуха и различных газов. Различные по конструкции и принципам сжатия компрессоры характеризуются одинаковыми по сути термодинамическими процессами. По этому анализ термодинамических процессов легче провести на примере простого поршневого компрессора.

Одноступенчатый компрессор представляет собой цилиндр 1, внутри которого движется поршень 2. В крышке цилиндра расположены клапаны, впускной 3 и нагнетательный 4. Поршень движется в пределах двух крайних положений: верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ).

Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала или два хода поршня. При движении поршня от (НМТ) влево впускной клапан 3 закрывается, и воздух имеющийся в цилиндре, сжимается до давления Р2 и выталкивается в воздушный ресивер. При движении поршня в обратном направлении давление в цилиндре падает, клапан 3 закрывается, и оставшийся в мертвом объёме сжатый воздух, расширяется. В некоторый момент, когда давление в цилиндре сравнивается с давлением внешней среды, открывается впускной клапан 4 и происходит всасывание воздуха в цилиндр. Затем все процессы повторяются. Теоретическая индикаторная диаграмма идеального компрессора представлена на рис. Наполнение цилиндра компрессора воздухом протекает при постоянном давлении.

2.1 Построение индикаторной диаграммы идеального компрессора в P-V координатах

При построении диаграммы принимать (давление в МПа, объём в м3).

Индикаторная диаграмма цикла идеального компрессора в P-V координатах строится для трех процессов сжатия. Построение производить следующим образом. Т. к. начало всех трёх процессов сжатия совмещены в точке 1, то на координатной системе P-V в соответствующем масштабе отмечается точка 1 с координатами:

абцисса -- V1, ордината -- P1.

Конечные точки строится для трех процессов:

а). - изотермического сжатия (точка 2).

Уравнение изотермического процесса:

Масса всасываемого компрессором воздуха

, . (2.1)

PV=const или (2.2)

откуда V2 =

и координаты точки 2 ;

абцисса -- V2, ордината -- P2

б).- адиабатного сжатия ( точка 2")..

Уравнение адиабатного процесса: или

откуда (2.3)

где: - показатель адиабаты.

и координаты точки 2";

абцисса -- V2", ордината -- P2" = P2

в). - политропного сжатия ( точка 2' ).

Уравнение политропного процесса: или

откуда (2.3)

где: n =1,18 - 1,2 -показатель политропы.

т.к. P2' = P2 то координаты точка 2' ;

абцисса -- V2 ' , ордината - P2' = P2

2.2 T-S.диаграмма цикла идеального компрессора

Зависимости между начальными и конечными параметрами адиабатного процесса:

между Р и Т

Зависимости между начальными и конечными параметрами политропного процесса:

между P и Т

Вид рассмотренных ранее процессов в T-S - координатах приведен. Изотермический процесс сжатия будет изображаться на этой диаграмме горизонтальным отрезком 1-2, адиабатный процесс - вертикальным отрезком 1-2", а политропный - отрезком 1-2', заключенными между двумя изобарами Р1 и Р2 соответствующими начальному и конечному давлениям газа в компрессоре.

Другими словами, уравнение изотермы :

Т = const. (2.7)

При этом изменения энтропии в изотермическом процессе равно:

(2.8.)

При вычислениях натуральный логарифм может быть заменен десятичным

Т.к. рабочим телом является атмосферный воздух то значение газовой постоянной воздуха можно принять R=287.

Уравнение адиабаты:

S = const. (2.9)

Уравнение политропы:

(2.10)

где:

Для справки, уравнение изохоры в T-S - координатах

изохоры и изобары идеального газа в этих координатах изображаются логарифмическими кривыми).

Поскольку в технической термодинамике приходится иметь дело не с абсолютными значениями энтропии, а с ее изменением, отсчет значений энтропии можно вести от любого состояния, т.е. оперировать ее приращением s.

Для изображения рассчитываемого процесса в Т-S- координатах следует воспользоваться. На нем дана часть диаграммы Т-S для воздуха ( участок необходимый для расчета одноступенчатых компрессоров), на которой нанесены изотермы, адиабаты и изобары (отсутствуют изохоры).

Следует помнить, что 1 бар = 0,1МПа. Изобары соответствующие расчетным данным переносятся на собственный график и на них откладывается начальная и конечная температуры воздуха. Необходимо также найти точки на нескольких промежуточных изобарах.

Изменение энтропии :

(2.11)

Количество тепла, которое должно быть отнятого от газа в изотермическом процессе, эквивалентное полной работе сжатия, выражается площадью a-l-2-в .

=315*(-0,3)=94,5 (2.12)

При политропном сжатии теплообмен xapaктеризуется площадью а-1-2-е. При адиабатном сжатии площадь превращается линию А2", (теплообмен с внешней средой отсутствует dq = 0 ).

Графическим интегрированием определяется площадь а- 1 -- е. Для этого она разбивается вертикалями, проходящими через точки f,g,h на ряд фигур, которые приближенно можно считать трапециями. По методике аналогичной описанной в 1 .6. определяется искомая площадь и соответствующее ей тепло, отводимое в процессе политропного сжатия.

Диаграмма Т-S весьма широко применяется в термодинамике, с её использованием значительно упрощается решение различных задач, особенно в тех случаях, когда расчеты не требуют большой точности.

2.3 Определение теоретической работы компрессора

Теоретическая работа компрессора l0 определяется площадью индикаторной диаграммы (на рис. 13 она заштрихована) и зависит от характера протекания процесса сжатия. Кривая 1-2 изображает процесс изотермического сжатия, кривая 1-2" - адиабатного сжатия и кривая 1-2' - политропного сжатия. При изотермическом сжатии теоретическая работа компрессора равна работе изотермического сжатия (для 1 кг воздуха).

Если масса всасываемого воздуха М кг, а объём его V1 м3, то:

(2.14)

Работа, отнесенная к 1 м3 всасываемого воздуха,

= p1 ln(p2/p1)=0,09*ln(0,37/0,09)=0,12 (2.15)

Работа для получения 1 м3 сжатого воздуха

=p2 ln(p2/p1)=0,37*ln(0,37/0,09)=0,51 (2.16)

Количество тепла, которое должно быть отведено при изотермическом сжатии,

q = l0 или Q = L0 (для М кг воздуха).

При адиабатном сжатии теоретическая работа компрессора выражается

l0=[k/(k-1)]p1v1[(p2/p1)-1]=(1,41/(1,41-1))*0,09*2((0,37/0,09)0,29-1)=0,7 (2.17)

Если масса всасываемого воздуха М кг а объём его V1 м3, то:

L0=[k/(k-l)]p1v1[(p2/p1)-1]=(1,41/(1,41-0,7))*0,09*4,6((0,37/0,09)0,291)=0,14 (2.18)

Работа, отнесенная к 1 м3 всасываемого воздуха,

=[k/(k-1) ]p1[(p2/p1)-1]=(1,41/(1,41-1)*0,09((0,37/0,09)0,29-1)=0,15 (2.19)

Работа для получения 1 м3 сжатого воздуха

=[k/(k-1)]p2[(p1/p2)-1]=(1,41/(1,41-1))*0,37((0,09/0,37)0,29-1))=-0,44 (2.20)

Температуру газа в конце сжатия можно определить из соотношения параметров адиабатного процесса.

При политропном сжатии теоретическая работа компрессора выразится

l0=[n/(n-1)]p1v1[(p2/p1)-1)]=(1,2/(1,2-1))*0,09*4,6((0,37/0,09)0,17-1))=0,67 (2.21)

Если масса всасываемого воздуха М кг а объём его v1 м3 м , то:

L0 =[n/(n-l)]p1v1[(p2/p1)-1)]=(1,2/(1,2-0,67))*0,09*4,6((0,37/0,09)0,17-1))=0,24 (2.22)

Работа, затрачиваемая на сжатие 1 м3 всасываемого воздуха,

=[n/(n-1)]p1[(p2/p1)-1)]=(1,2/(1,2-1))*0,09((0,37/0,09)0,17-1))=0,1 (2.23)

Работа для получения 1 м3 сжатого воздуха

=[n/(n-1)]p2[(p1/p2)-1)]=(1,2/(1,2-1))*0,37((0,09/0,37)0,17-1))=-0,44 (2.24)

Из сопоставления площадей соответствующих полной (суммарной) работе компрессора при изотермическом, политропном и адиабатном сжатии, газа, видно, что наиболее экономичным является компрессор, в котором рабочее тело сжимается изотермически, (процесс происходит с наименьшими затратами энергии).

Чтобы приблизить процесс сжатия к изотермическому, необходимо отводить от сжимаемого в компрессоре газа тепло. Это достигается путем охлаждения цилиндра водой, подаваемой в рубашку, образуемую полыми стенками цилиндра. Однако практически сжатие осуществляется по политропе с показателем n = 1,18 ... 1,2, поскольку достичь значения n = 1 не удается по техническим причинам . Количество тепла, которое должно быть отведено при политропном сжатии определяется :

q =C· (Т2- Т1) · (T2 - Т1=)0,74*(472,5-410)=62,5;

Q = М·C· (Т2- Т1) = M ·· (T2- Т1)=121,45*46,25=5617,1 (2.25)

Теплота Q определяется также по известной работе политропного процесса:

(2.26)

Если результат совпадает с ранее полученными данными, это послужит подтверждением правильности произведенных расчетов. В выше приведенных формулах (2.13) - (2.26) значения р , V, l0, L0, , берутся соответственно в следующих единицах : Р1 и Р2 - в Н/м2; V ( объём всасываемого или сжатого воздуха) - в ; L0 -в ; и в .

2.4 Построение индикаторной диаграммы реального компрессора

Действительная индикаторная диаграмма значительно отличается от теоретической тем, что в ней учитывается вредное пространство (мертвый объём- Vо), потери давления во впускном и нагнетательном клапанах и теплообмен между газом и стенками цилиндра.

При наличии вредного пространства в индикаторную диаграмму вводится добавочный процесс (линия 3-4) - процесс расширения сжатого газа, оставшегося к концу нагнетания во вредном пространстве цилиндра и только с точки 4 начинается процесс всасывания в реальном компрессоре.

Отношение объёма вредного пространства к рабочему объёму, описываемому поршнем, т.е. величину называют относительной величиной вредного пространства. =0,05

Вследствие наличия вредного пространства производительность компрессора уменьшается.

Объёмный коэффициент компрессора можно выразить через относительную величину вредного пространства и отношение давлений нагнетания и всасывания:

(2.28)

где: n - показатель политропы расширения газа, оставшегося во вредном пространстве.

Все ранее приведенные формулы работы применимы для компрессора, не имеющего вредного пространства. Однако они справедливы и при наличии оного. Действительно, сжатое рабочее тело, остающееся во вредном пространстве, расширяется, совершая работу. Но затем это же количество рабочего тела сжимается. Можно считать, что работы расширения и сжатия приблизительно равны и процессы происходят при постоянном показателе политропы n. Следовательно, наличие вредного пространства почти не влияет на общую теоретическую работу сжатия, оно влияет на производительность компрессора.

Строго говоря, фигура не отражает полностью процессы в реальном компрессоре. В силу сопротивления нагнетательного клапана и трубопровода давление в начале процесса 2-3 фактически выше расчетного р2. По тем же причинам, давление процесса 4-1 ниже расчетного. Кроме того, при поступлении в цилиндр рабочее тело получает тепло от стенок цилиндра, оно нагревается так же от смешения с газом, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла. В результате температура рабочего тела оказывается выше температуры всасываемого воздуха, и фактическая масса рабочего тела в цилиндре уменьшается. Она уменьшается также из-за утечек газа через не плотности.

Отношение действительно засасываемого объёма VС к рабочему объёму Vh называется коэффициентом подачи . Коэффициент подачи оценивают по предварительно вычисленному объёмному коэффициенту v с уточнениями:

= v· др· т· пл=0,72*0,98*0,99*0,98=0,68 (2.29)

в выражении :

др - коэффициент дросселирования, учитывающий уменьшение производительности за счет снижения давления газа в рабочей полости в конце всасывания .

т - коэффициент подогрева, учитывающий уменьшение производительности обусловленное повышением температуры газа в рабочей полости в процессе всасывания;

пл - коэффициент плотности, учитывающий уменьшение производительности из-за не плотностей рабочей полости.

Для расчетов можно принять:

др = 0,95...0,98; пл = 0,96...0,98.

Коэффициент подогрева определяется из уравнения:

С учетом изложенного, и принимая во внимание относительную величину вредного пространства - а, следует построить схематизированную индикаторную диаграмму реального компрессора.

Объём фактически засасываемого воздуха Ve берется равным заданному V1 и по известному коэффициенту подачи

определяется рабочий объём:

(2.30)

После того уточняется объём V1 с использованием соотношения

V1= Vh + a·Vh =6,76+0,13*6,76=7,63 (2.31)

2.5 Мощность привода компрессора и его к.п.д.

Теоретическая работа идеального компрессора является минимальной. Увеличение количества механической энергии требуемой для сжатия газа в цилиндре обусловленное несовершенством реального цикла учитывается внутренним (индикаторным) адиабатным или изотермическим к.п.д.

Работа адиабатного сжатия при производительности Ve (в м3/ч) определяется по выражению (сравнить с формулой 2.22)

*106 (2.33)

Объём засасываемого воздуха v1- берется при начальных его параметрах.

Для m кг сжимаемого воздуха часовая объемная производительность V1=mv1 м3/ч, поэтому затрачиваемая индикаторная мощность N будет равна:

, Вт (2.34)

Эффективная мощность Ne, необходимая для вращения вала компрессора, больше мощности Ni вследствие наличия механических потерь при вращении вала в подшипниках, трения поршня о стенки цилиндра и т.д. Эти потери учитываются механическим к.п.д., значение которого принимается равным м=0,85...0,95.

Мощность на валу компрессора:

(2.35)

Совершенство рассчитываемого компрессора как машины определяется по его КПД. Которое определяется как:

к=iaд ·м=0,92*0,95=0,874 (2.36)

По полученному значению сделать выводы о совершенстве компрессора.

2.6 Основные размеры компрессора

Основные размеры компрессора, т.е. диаметр цилиндра и ход поршня, определяются по заданной производительности, зависящей от условий наполнения цилиндра.

Количество воздуха, поступающего в цилиндр за один ход поршня, равно Vhзv. Однако вследствие нагревания воздуха при всасывании и его утечек при сжатии действительное количество воздуха, поступающего в сеть, будет меньше.

Для оценки величины снижения производительности компрессора по указанным причинам вводится коэффициент подачи , представляющий собой отношение массы (в кг) воздуха, поданного в сеть, к теоретически возможному.

Диаметр цилиндра:

, (м) (2.37)

средняя скорость поршня при максимальной частоте вращения

После нахождения диаметра цилиндра определяется ход поршня и строится кинематическая схема компрессора с указанием основных размеров. Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра примерно находится в интервале 1-2.

Заключение

В ходе решения курсовой работы рассчитал и анализировал термодинамические циклы и тепловые процессы протекающие в них. Целью и задачей курсовой работы является закрепление теоретических знаний. В расчете теоретических циклов ДВС и ГТУ четко уяснил устройство и принцип действия поршневого ДВС и газотурбинной установки. Последовательно рассчитал свойства рабочего тела, параметры характерных точек цикла, построил диаграммы цикла в P-V и T-S- координатах; с помощью P-V- диаграммы аналитически определил работу цикла и ее составляющие; посредством T-S -диаграммы определил параметры тепломассообмена; в конце раздела рассчитал термический КПД цикла.

Компрессором называются машины, предназначенные для сжатия воздуха и различных газов. Построил индикаторную диаграммы идеального компрессора в P-V- координатах. Определил зависимости между начальными и конечными параметрами; определил теоретическую работу компрессора; построил индикаторные диаграммы реального компрессора; рассчитал мощность привода компрессора и его КПД и основные размеры компрессора.

Расчет этой курсовой работы помогает для развития инженерных расчетов , так же помогает улучшить производительность , КПД двигателей внутреннего сгорания , газотурбинных установок , и помогает вывести расчеты для целесообразного использовании экономии топлива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплотехника / Хазен М. М., Матвеев Г. А. и др.

Под ред. Г.А. Матвеева.- М.: Высшая школа, 1981.- 480 с.

2. Теплотехника / Архаров А. М. , Исаев С. И. и др.

Под ред. В.И. Крутова.- М.: Машиностроение. J986.-432 с.

3. Щукин А. А ., Сушкин И.Г. , Зах Р.-Ю. Г. и др. Теплотехника . - М.: Металлургия, 1973.- 480с.

4. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.
М.: Машиностроение, 1969.-376 с.

Размещено на Allbest.ru

...