8. Испытание поршневого компрессора

Лабораторная работа 18
ИСПЫТАНИЕ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
Цель работы:
1.
Определить
основные
технические
показатели
компрессора
(производительность, мощность, КПД).
2.
Записать индикаторные диаграммы в цилиндрах компрессора,
определить индикаторную мощность и значения частных КПД (механического,
индикаторного).
Определение опытных величин
1. Объемная производительность компрессора измеряется с помощью
нормальной диафрагмы, установленной на выходе воздуха из компрессора (в
конечном сечении – индекс «к»):
Vк      f
2p
,
к
(1)
где α – коэффициент расхода через диафрагму, зависящий от отношения размеров
диафрагмы d/D (рис. 1);
σ – коэффициент расширения воздуха, определяемый по номограмме (рис. 2);
f – площадь отверстия в диафрагме;
Δр – перепад давления в диафрагме;
ρк – плотность воздуха перед диафрагмой.
Из уравнения состояния газа
ρк 
pк
,
R  Tк
(2)
где рк, Тк – абсолютные давление и температура перед диафрагмой:
pк  pкм  pб ,
pкм – манометрическое давление перед диафрагмой;
рб – барометрическое давление;
R – газовая постоянная сухого воздуха (после влагомаслоотделителя воздух
становится сухим), R = 287 Дж/кг·К.
Рис. 1. График для определения коэффициента расхода через диафрагму α
Рис. 2. Номограмма для определения коэффициента расширения воздуха σ
2. Массовая производительность компрессора (массовый расход воздуха на
выходе из компрессора)
mк Vк  ρк
(3)
3. Объемная производительность компрессора, приведенная к стандартным
условиям,
Vо  Vк 
pк Tо
 ,
pо Tк
(4)
где pо, Tо – абсолютные давление и температура в стандартных условиях:
pо = 760 мм рт. ст. = 0,1013МПа; То= 29З К.
4. Относительная влажность всасываемого воздуха φн1 определяется по
психрометрической таблице по разности показаний двух термометров (сухого и
влажного).
5. Коэффициент влажности всасываемого воздуха равен отношению
массовой производительности сухого воздуха к массовой производительности
влажного или, что то же самое, отношению парциального давления сухого
б
 pб ):
воздуха рсух к давлению смеси сухого воздуха и паров влаги ( pн1
 
mк pсух
p
 б  1  н1  бп ,
mн
pн1
pн1
(5)
где pп – давление насыщенных паров влаги при начальной (индекс «н»)
температуре tн1, определяемое по графику (Приложение 3 лабораторного
практикума).
6. Объемная производительность, приведенная к начальным условиям
(объемный расход воздуха на входе в компрессор), с поправкой λφ на количество
влаги, выпавшей в промежуточном холодильнике:
Vн1  Vк 
pк Tн1 1


.
б
Tк  
pн1
(6)
7. Частота вращения коленчатого вала компрессора n измеряется
непосредственно тахометром или определяется в зависимости от соотношения
частоты тока в сети, установленной при проведении испытания ν оп с помощью
частотного регулятора, и стандартной частоты тока νст = 50 Гц:
n  nном 
 оп
,
 ст
(7)
где nном – номинальная частота вращения электродвигателя при стандартной
частоте тока.
8. Рабочий объем, описываемый поршнем 1-ой ступени в единицу времени,
Vs1  Vs1n ,
(8)
где Vs1 – рабочий объем первой ступени компрессора,
Vs1 = F1·S.
Здесь F1 – площадь поршня первой ступени; S – длина хода поршня.
9. Коэффициент производительности 1-ой ступени
λ1 
Vн1
.
Vs1
(9)
10. Отношение давлений в первой ступени (индекс 1), во второй ступени
(индекс 2) и в компрессоре (без индекса):
ε1 
pк1
;
б
pн1
ε2 
pк 2
;
pн2
ε
pк 2
,
б
pн1
(10)
где pк1, pк2 – абсолютные давления после первой и второй ступени компрессора:
pк1  pкм1  pб ;
pк 2  pкм2  pб .
11.
Адиабатные мощности
- в первой ступени:
N ад1 
pнб1
k 1

k  k
 Vн1 
ε 1  1 ,

k  1 

(11)
- во второй ступени:
N ад 2 
pнб1  Vн1
k 1

Tн 2 k  k


 2  1 ,


Tн1 k  1


(12)
где Tн2 – температура воздуха на входе во вторую ступень компрессора;
k – показатель адиабаты (для воздуха k = 1,4).
Суммарная адиабатная мощность
Nад = Nад1 + Nад2.
(13)
12. Изотермная мощность компрессора
N из  pнб1  Vн1  ln ε .
(14)
13. Мощность компрессора N определяется по мощности, потребляемой
приводным электродвигателем из сети Nэ
N = Nэηэ .
(15)
КПД электродвигателя ηэ, зависящий от нагрузки и коэффициента
мощности (cosφ), определяется по тарировочному графику (Приложение 4
лабораторного практикума).
14. Адиабатный КПД компрессора
η ад 
N ад
.
N
(16)
15. Изотермный КПД компрессора
ηиз 
N из
.
N
(17)
16. Индикаторная мощность компрессора определяется по индикаторным
диаграммам ступеней, записанным в координатах «перемещение поршня –
давление в цилиндре» (рис. 3), как сумма индикаторных мощностей в ступенях
Nинд = Nинд1 + Nинд2.
Рис. 3. Индикаторные диаграммы компрессора:
а – первой ступени; б – второй ступени
(18)
Индикаторная мощность ступени
N индi  pиндi  Vs ,
(19)
где pиндi – среднее индикаторное давление ступени
pинд i 
hинд i
f инд i
,

aинд xинд i aинд
(20)
hиндi – высота прямоугольника, площадь и длина которого равны соответственно
площади fиндi и длине xиндi индикаторной диаграммы данной ступени (см. рис. 3);
aинд – масштаб записи давления индикаторной диаграммы.
Площадь fиндi и длина xиндi определяются обработкой полученных при
испытании индикаторных диаграмм.
Масштаб индикаторной диаграммы aинд может быть задан как параметр
стенда или рассчитан через промежуточное давление (показание манометра на
м
выходе из первой ступени pк1
) по формуле:
h
aинд  м ,
pк1
где Δh – высота записи промежуточного давления относительно линии атмосферы
(среднеарифметическая величина давления нагнетания первой ступени и давления
всасывания второй ступени при допущении равенства потерь в нагнетательном
клапане первой ступени и всасывающем клапане второй ступени) – (рис. 4).
Рис. 4. Определение масштаба индикаторной диаграммы
17. Механический КПД компрессора
N
(21)
η м  инд .
N
18. Индикаторный адиабатный КПД компрессора
N
(22)
ηад. инд  ад .
N инд
19. Индикаторный изотермный КПД компрессора
N
(23)
η из. инд  из .
N инд
20. Объемный коэффициент λо определяется по индикаторной диаграмме
первой ступени (см. рис. 3а)
λо 
xвс1
,
xинд1
(24)
где xвс1 – длина линии всасывания;
xинд1 – длина индикаторной диаграммы первой ступени.
21. Коэффициент эффективности всасывания

э  1 .
о
22. Теоретический объемный коэффициент
 1

 о.т  1  a1  1m  1 ,




где a1 – относительный объем мертвого пространства первой ступени,
a1 
(25)
(26)
Vм xм
;

Vs1 S
m – показатель политропы расширения (m ≈ 1,3).
Коэффициент a1 является одним из параметров компрессора (см. Данные
установки).
23. Теоретический коэффициент эффективности всасывания
λэ.т = 1,01 – 0,022ε1.
24. Удельный расход электроэнергии
qэ 
Nэ
.
mн1
(27)
Устройство экспериментальной установки (рис.5)
Двухступенчатый V-образный бескрейцкопфный поршневой компрессор с
прямоточными клапанами всасывает воздух из атмосферы через воздушный
фильтр 1 и нагнетает его в буферную емкость (ресивер) 4. Давление в буферной
емкости регулируется вентилем 5, степень открытия которого определяет расход
воздуха через диафрагму 7 в нагнетательной линии 8.
Рис. 5. Схема стендовой установки:
1 – воздушный фильтр; 2 – первая ступень сжатия; 3 – вторая ступень сжатия; 4 – буферная
емкость; 5 – вентиль; 6 – датчик дифференциального давления; 7 – диафрагма расходомера;
8 – нагнетательная линия; 9 – манометр; 10 – влагомаслоотделитель; 11 – клапан
предохранительный; 12 – промежуточный холодильник
Привод
компрессора
осуществляется
от
частотно-регулируемого
электродвигателя переменного тока, соединенного напрямую с маховиком
коленчатого вала пальцевой муфтой.
Охлаждение компрессора – водяное прямоточное с промежуточным
холодильником кожухо-трубчатого типа. Сжатый в первой ступени до
промежуточного давления воздух перед поступлением во вторую ступень
проходит через влагомаслоотделитель 10 и холодильник 12.
Система смазки – циркуляционная от шестеренного масляного насоса с
приводом от коленчатого вала компрессора. Для защиты от чрезмерного давления
компрессор оснащен предохранительным клапаном 11, установленным в
промежуточном холодильнике 12.
Давление атмосферного воздуха измеряется барометром, относительная
влажность воздуха – психрометром (см. выше).
Давление воздуха после первой ступени, после второй ступени и перед
диафрагмой регистрируется манометрами 9. Перепад в диафрагме замеряется
датчиком дифференциального давления 6.
Давление в цилиндрах компрессора, необходимое для записи индикаторной
диаграммы
измеряется
датчиками
давления
потенциометрического
типа.
Перемещение поршня за оборот вала регистрируется при помощи индуктивного
датчика (отметчика времени), бесконтактно взаимодействующего с магнитом,
закрепленным на маховике и выставленным при регулировке стенда по одной из
мертвых точек поршня. Индикаторная диаграмма отображается на экране
компьютера и копируется на бумаге в клетку для удобства измерения площади.
Температура в контрольных точках (после первой ступени, перед второй
ступенью, после второй ступени и перед диафрагмой) измеряется датчиками,
выполненными по схеме термопреобразователя сопротивления.
Частота тока, мощность и cosφ электродвигателя замеряются по приборам
частотного регулятора.
Проведение испытания
1. Подключить измерительный комплекс стенда (питание датчиков и
компьютера). Подготовить частотный регулятор к пуску.
2. Открыть вентиль 5 на выходе из компрессора.
3. Проверить щупом уровень масла в картере компрессора.
4. Открыть кран системы охлаждения (подачи воды).
5. Включить электродвигатель в холостом режиме компрессора,
установив заданное значение частоты тока на пульте управления
частотным регулятором привода.
6. Проверить давление в системе смазки компрессора (по манометру на
выходе шестеренного масляного насоса).
7. Установить вентилем 5 заданное давление на выходе из компрессора
и поработать 10-15 минут для стабилизации температурного режима.
8. Снять показания приборов и сделать необходимые замеры, записать
индикаторные диаграммы ступеней.
9. Перед остановкой компрессора перевести его на холостой ход, для
чего открыть вентиль 5 на выходе из компрессора.
10.Отключить электродвигатель.
11.Закрыть кран системы охлаждения.
Данные установки
Тип компрессора ….
Марка компрессора ….
Число ступеней сжатия ….
Диаметр поршня первой ступени D1 = …. мм
Диаметр поршня второй ступени D2 = …. мм
Длина хода поршня
Длина шатуна
S = …. мм
L = …. мм
Относительный объем мертвого пространства первой ступени
Диаметр отверстия в диафрагме
a1 = … %
d = …. мм
Диаметр трубопровода в месте установки диафрагмы
Масштаб записи давления индикаторной диаграммы
Номинальная частота вращения электродвигателя
Номинальная мощность электродвигателя
D = …. мм
aинд = …. см/МПа
nном = ….. об/мин
Nном = …. кВт
Nэ. ном = …. кВт
Таблица измерений
Измеренная величина
Обозначение
Барометрическое давление
pб
Температура всасываемого воздуха
tн1
Относительная влажность
φн1
Давление после первой ступени
м
pк1
Давление перед второй ступенью
м
pн2
Давление после второй ступени
м
pк2
Давление перед диафрагмой
Перепад давления в диафрагме
pкм
Δp
Температура после первой ступени
tк1
Температура перед второй ступенью
tн2
Температура после второй ступени
tк2
Температура перед диафрагмой
tк
Частота электрического тока в сети
νоп
Мощность, потребляемая из
электрической сети
Nэ
Коэффициент мощности
cosφ
Значение величины
по прибору
в един. СИ
Обработка результатов испытания
1. Определить постоянные геометрические параметры:
- площади поршней первой и второй ступени
D12
D22
, F2 
;
F1 
4
4
- площадь отверстия в диафрагме
d 2
;
f 
4
- рабочий объем первой ступени компрессора
Vs1 = F1·S.
2. Определить параметры состояния газа перед диафрагмой рк, Тк и ρк по
формуле (2).
3. Определить коэффициенты α и σ (по номограммам рис. 1 и рис. 2).
4. Вычислить объемный расход газа через диафрагму Vк по формуле (1).
5. Вычислить коэффициент влажности воздуха λφ по формуле (5).
6. По формулам (3) и (4) определить массовую mк
и объемную
производительность Vо компрессора, по формулам (6), (7) и (8) вычислить
объемную производительность компрессора Vн1 , рабочий объем, описываемый
поршнем первой ступени за единицу времени Vs1 , и коэффициент рабочего
объема λ.
7. Произвести расчеты по позициям 7 – 24.
8. К отчету приложить схему экспериментальной установки и обработанные
индикаторные диаграммы ступеней.
Контрольные вопросы
1. Как измеряется объемная производительность компрессора?
2. Что такое коэффициент влажности всасываемого воздуха?
3. Как определяется объемная производительность, приведенная к
начальным условиям?
4. Что понимается под стандартными условиями?
5. Как определяется коэффициент объемного расхода ступени?
6. С какой целью записываются индикаторные диаграммы ступеней
компрессора?
7. Как определяется адиабатная мощность многоступенчатого компрессора?
8. Какая разница между адиабатным КПД и индикаторным адиабатным
КПД компрессора?
9. Как определяется коэффициент эффективности всасывания?
10. По индикаторной диаграмме объясните составные элементы рабочего
процесса компрессора.
11. Как определяется масштаб индикаторной диаграммы?
12. В скольких точках лабораторного стенда производится измерение
температуры и давления?
13. От чего зависит давление на выходе компрессора?
14. Опишите последовательность операций при пуске компрессора.