1. Тепловой расчёт двухступенчатого поршневого компрессора

   1. Распределение повышения давления по ступеням

Общее номинальное относительное повышение давления компрессором подсчитываем по уравнению:

Выбираем число ступеней сжатия [2, § 4.7]:

z = 2.

Номинальное относительное повышение давления во всех ступенях принимаем одинаковым [2, § 4.4 и уравнения (4.3) и (4.5)]:

Номинальное давление всасывания во II ступень [2, уравнения (4.6) и (4.8)]:

Относительные потери давления на всасывании I ступени [2, уравнения (4.19) и (4.18 а)]:

где А ‒ коэффициент, учитывающий совершенство компрессора [2]:

А = 2,66.

Относительные потери давления во всасывающих клапанах II ступени:

Относительные потери давления на нагнетании (нагнетательных клапанах и межступенчатом охладителе воздуха) I ступени [2, уравнения (4.19) и (4.18 а)]:

Относительные потери давления на нагнетании II ступени определяем без учета концевого охладителя в предположении, что потери происходят только в нагнетательных клапанах. Предполагая по аналогии со всасывающими клапанами, на которые приходится 0,3δ_і, [2, уравнение (4.19)], что в нагнетательных клапанах относительные потери давления равны 0,3δ_і, получим:

Усредненные давления р₁ и р₂ [2 уравнения (4 21) и (4.21 а)]:

Результаты расчетов сведем в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 ‒Усредненные давления всасывания и нагнетания

Введение

Компрессорные машины предназначаются для сжатия и перемещения газов [1]. Наиболее широкое применение компрессорные машины нашли в холодильных установках.

Все компрессоры могут быть разделены на 3 группы по способу их действия, то есть по тому, каким образом энергия передается газу, и по тому, какие физические явления используются для повышения газа:

1. объемные компрессоры;

2. динамические компрессоры;

3. тепловые компрессоры.

В некоторых типах компрессоров используют сочетание нескольких способов повышения давления.

Объемные компрессоры повышают давление газа путем уменьшения замкнутого объема (камеры), содержащего определенное количество газа, то есть определенное число молекул газа. Уменьшение замкнутой полости сопровождается увеличением концентрации молекул в единице объема. Давление газовой среды на стенку согласно законам кинетической теории газов пропорционально суммарной энергии соударений молекул газа со стенкой. При увеличении числа молекул в единице объема увеличивается количество соударений молекул, приходящихся на единицу площади стенки, то есть увеличивается давление газа.

При этом необходимо, чтобы рабочая полость объемного компрессора периодически то увеличивалась, то уменьшалась. Во время увеличения объема рабочей полости газ заполняет последнюю, входя в нее. Во время уменьшения этого объема газ сжимается, его давление повышается, и затем в сжатом виде газ выталкивается из рабочей полости.

Наиболее типичным представителем объемных компрессоров является поршневой. Поршневые компрессоры имеют широкое распространение. Они отличаются от компрессоров других типов высокой экономичностью, простотой конструкции, обслуживания и ремонта, большой надежностью.

Поршневым компрессором называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательной движение.

Превращение вращательного движения вала приводного двигателя в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня осуществляется кривошипно-шатунным, кулисным или кулачковым механизмом. Наибольшее распространение в поршневых компрессорах получил кривошипно-шатунный механизм [2].

Целью данной курсовой работы является проектирование и расчет поршневого двухступенчатого воздушного компрессора с цилиндрами простого действия и промежуточным охладителем.

Исходные данные:

Давление всасывания р_вс = 0,1 МПа

Давление нагнетания р_н = 0,85 МПа

Температура всасываемого газа Т_вс = 30 °С

Температура охлаждающей воды Т_w = 25 °С

Производительность компрессора V_e = 1,7 м³/мин

Частота вращения вала компрессора n_к = 750 мин^-1

Показатель политропы сжатия n = 1,28

Компоновка компрессора вертикальная

Охлаждение цилиндров компрессора воздушное

Вид охладителя труба в трубе

2. Определение показателей политроп сжатия и расширения

Политропа сжатия рассчитывается по формуле [1]:

где k =1,4 – показатель адиабаты;

i = 2 – количество ступеней.

где .

Политропа расширения рассчитывается по формуле [1]:

Для 1-го цилиндра:

Для 2-го цилиндра:

3. Определение коэффициента подачи

Составляющие коэффициента подачи определяем следующим образом. Задаемся в соответствии с рекомендациями коэффициентами: дросселирования _дрі, [2, §3.7], подогрева [2, §3.9], плотности _nлi [2, § 3.10]. Объемный коэффициент _0і подсчитываем по формуле [2, уравнение (3.16)]:

Задаемся значением относительного объема а_м = 0,1 для обеих ступеней [2, §3.6]. Значение показателя политропы n = 1,4 [2, уравнение (3.8) или табл. 3.1].

Коэффициенты подачи ступеней находим по уравнению [2, уравнение (3.10)]:

Результаты расчетов сводим в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 ‒ Коэффициент подачи и его составляющие:

Коэффициент подачи и его составляющие	I ступень	II ступень
	0,84	0,87
о	0,94	0,94
др	0,95	0,98
	0,98	0,98
	0,96	0,96

4. Определение основных размеров и параметров ступеней

Объем, описываемый поршнем I ступени:

Температуру всасывания II ступени [2, §4.1]:

где ∆Т ‒ недоохлаждение перед II ступенью, принимаем 10 К.

Объем, описываемый поршнем II ступени [2, уравнение (4.28)]:

Предполагаем, что привод компрессора осуществляется от асинхронного электродвигателя через ременную передачу. По условию курсовой работы частотой вращения вала электродвигателя = 750 мин^-1 = 12,5 с^-1.

По заданию курсовой работы выбираем схему вертикального поршневого компрессора (рисунок 1.1)

1 – всасывающий клапан; 2 – нагнетательный клапан; 3 – рабочие полости цилиндра; 4 – шатун; 5 – кривошип (коленчатый вал); 6– поршень

Рисунок 1.1 – Схема двухступенчатого двухцилиндрового

поршневого компрессора простого действия

Для бескрейцкопфного компрессора задаемся средней скоростью поршня C_m = 4 м/с [2, §3.17].

Средняя скорость поршня [2, уравнение (3.60)]:

Описанный объем компрессора простого действия[2, уравнение (1.2)]:

Тогда получим:

откуда

Диаметр I ступени:

Значение D_I округляем до ближайшего стандартного размера диаметра цилиндра по ГОСТ 9515-81 [2, §3.18]:

D_I = 0,145 м.

Рассчитываем полный ход поршня [2, из уравнения (1.2)]:

Округляем ход поршня:

S_n = 0,16 м.

После округления значения хода поршня уточняем среднюю скорость поршня [2, уравнение (3.60)]:

Диаметр цилиндра ІІ ступени:

Округляем D_ІІ до стандартного размера по ГОСТ 9515—81 [2, §3.18]:

D_ІІ=0,085 м.

Проверим значение S_п/D_І и S_пn_о²:

S_п/D_І=0,16/0,145=1,1;

S_пn_о²=0,17 12,5²=25 м/c².

Эти значения S_п/D_І и S_пn₀² соответствуют современным тенденциям [2, §3.17 и 3.18].

Уточняем описанные поршнями объемы после округления диаметров цилиндров и хода поршня:

Площадь поршня для каждой ступени:

Проверяем производительность компрессора с учетом округления основных размеров цилиндра:

V_eI = λ_І V_hІ =0,84 0,033 = 0,0277 м³/c = 27,7 л/c;

V_eII = λ_ІI V_hІI =0,87 0,011 = 0,0096 м³/c = 9,6 л/c.

Согласно ГОСТ 23680-79 производительность компрессора не должна отличаться от номинальной более чем на ±5 %. Основные размеры и параметры ступеней компрессора сводим в таблице 1.3.

Таблица 1.3 ‒ Основные размеры и параметры ступеней компрессора

Параметр	I ступень	II ступень
Число цилиндров	1	1
Диаметр цилиндра D, м	0,145	0,085
Ход поршня Sn, м	0,16	0,16
Частота вращения вала no, с-1	12,5	12,5
Площадь поршня, м2	0,0165	0,0057
Объем, описываемый поршнем, Vh
м3/c	0,033	0,011
л/c	33	11