Расчет работы двухступенчатого компрессора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального  образования «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В. С. Черномырдина»

Кафедра механико-технологических  дисциплин

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине «ТЕПЛОТЕХНИКА»

Выполнил: студент гр. N°781

Савельев Евгений Петрович,

 курс 4 специальность 190601

 «Автомобили и автомобильное  хозяйство»

Вариант 80, шифр 710408

Проверил: преподаватель            Дятлов Роман Николаевич

 

Рязань, 2012

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….…3

 

Задание на курсовую работу……………………………………………………4

 

Исходные данные (таблица 1)…………………………………………………..5

 

Порядок проведения работы……………………………………………………6

 

Приложение А…………………………………………………………………..15

 

Список литературы……………………………………………………………..16

 

Приложение Б………………………………………….……………………17,18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теплотехника - наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты - энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом использовании, теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).

 

 

 

 

 

 

 

 Задание на курсовую работу

В идеальном двухступенчатом компрессоре  сжимается воздух от давления p₁=0,1 МПа до давления p₃. Температура воздуха на входе первой ступени t₁. Объемная производительность компрессора при условиях входа - v₁, показатели политропы сжатия в обеих ступенях одинаковы и равны п. Определить параметры воздуха в начале и конце сжатия в каждой ступени, теоретическую мощность привода компрессора N_пр и расход охлаждающей воды G_вод, прокачиваемой через промежуточный холодильник. Изобразить в масштабе процессы сжатия и охлаждения воздуха в pV- и Ts-координатах.

Холодильник выполнен из параллельно  включенных стальных труб диаметром d_вн и толщиной стенок δ=3 мм, по которым движется воздух. Коэффициент теплопроводности стали λ_ст=50 Вт/(м•К). Число труб n₁. Вода, поступающая в межтрубное пространство, имеет температуру t₁вод. Повышение температуры воды в холодильнике принять равным Δt_вод=20 °С. Определить площадь поверхности F теплообмена холодильника. При этом коэффициент теплоотдачи от воздуха к трубам а₁ рассчитать, а от поверхности труб к воде а₂ принять в соответствии с таблицей исходных данных. Изобразить изменение температуры воздуха и воды вдоль поверхности теплообмена. Представить эскиз теплообменника (холодильника) и принципиальную схему двухступенчатого компрессора.

Исходные данные выбрать из таблицы 1 по предпоследней и последней  цифрам шифра. 

Таблица 1 - Исходные данные

Исходные данные	Последняя цифра шифра
	0	1		2	3	4	5	6	7	8	9
n	1,15	1,16		1,17	1,18	1,19	1,20	1,21	1,22	1,23	1,24
, м3/с	0,05	0,06		0,07	0,08	0,09	0,10	0,11	0,12	0,13	0,14
	950	900		850	800	750	700	650	600	550	500
рз, МПа	3,0	3,2		3,4	3,6	3,8	4,0	4,2	4,4	4,6	4,8
Исходные данные	Предпоследняя цифра шифра
	0		1	2	3	4	5	6	7	8	9
	14		13	12	11	10	9	8	7	6	5
, °С	20		21	22	23	24	25	26	27	28	29
dвн, мм	65		60	55	50	45	40	35	30	25	20
	15		16	17	18	19	20	21	22	23	24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Порядок проведения расчетов

1. Мощность привода идеального компрессора. Все величины, входящие в эти уравнения, необходимо подставлять в системе СИ.

Для определения мощности привода  идеального компрессора сначала  определим давление воздуха в  конце сжатия в первой ступени  по формуле

= = Па,

где p₁ - давление воздуха в начале сжатия в первой ступени, Па; p₃ - давление

воздуха в конце сжатия во второй ступени, Па.

При одинаковых степенях повышения  давления газа в каждой ступени, мощности привода каждой ступени одинаковы. Для расчета можно воспользоваться формулой

 

 

 

 

 

 

 

 

где n - показатель политропы сжатия; v₁ - объемная производительность компрессора, м³/с.

2. Теплопроизводительность промежуточного холодильника, в котором воздух после сжатия в 1-ой ступени охлаждается до первоначальной температуры t₁, определяется по уравнению

 

 

 

 

где C_p=1004 Дж/(кг-К) - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; G_воз - массовая производительность компрессора, кг/с; T₂ - температура воздуха после сжатия в 1-ой ступени, К.

Температура воздуха на входе первой ступени T₁=t₁+273,15=20+273.15=293,15 К.

Температура воздуха после политропного сжатия в 1-ой ступени

 

 

 

 

 

G_воз определяется из уравнения состояния по параметрам на входе в компрессор , откуда

  , кг/с

 

 

 кг/с

 

где R=287 Дж/(кгК) - удельная газовая постоянная воздуха.

3. Для построения процессов сжатия и охлаждения в pV-диаграмме прежде всего необходимо определить удельный объем воздуха в начале и конце процессов сжатия в 1-ой ступени (V₁, V₂), а также в начале и конце сжатия во 2- ой ступени (V₃, V₄), воспользовавшись уравнением состояния идеального газа

pV=RT.

 

,

 

,

 

,

 

 

 

Для более точного изображения  линий сжатия требуется определить координаты (р, V) для нескольких промежуточных состояний рассматриваемых процессов. Для этого рассчитаем значения V₁₂ в интервале (V₁... V₂) и V₃₄ в интервале (V₃... V₄) и определим по уравнению политропного процесса pVⁿ=const соответствующие значения давления.

 

,

 

 

 

,

 

,

 

 

 

 

 

V, м3/кг	p, МПа
0	4,6
0,026	4,6
0,078	1,3
0,13	0,7
0,18	0,7
0,51	0,2
0,84	0,1

По полученным данным составим таблицу  для построения pV-диаграммы.

Рисунок 1.(Приложение Б.)

 

 

 

 

 

4. Расход охлаждающей воды через холодильник

 

 

где С_вод=4190 Дж/(кгК) - теплоёмкость воды,

ΔT_вод=Δt_вод+273,15=20+273.15=293,15 К - температура нагрева воды в холодильнике, К.

5. Площадь поверхности теплообмена холодильника определяется по основному уравнению теплопередачи

 

 

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м К); Δt_сp - средний логарифмический температурный напор между воздухом и охлаждающей водой.

 

Средний логарифмический температурный  напор

,

Где ,

,

,

,

 

В соответствии с указаниями к заданию  коэффициент теплопередачи к можно определить по формуле для плоской стенки:

 

 12,4 Вт/()

 

при этом α₂ принимается в соответствии с таблицей исходных данных, а α₁ рассчитывается.

При расчете α₁ в случае турбулентного режима движения воздуха в трубах коэффициент теплоотдачи α₁ может быть определен по критериальному уравнению:

N_u=0.018Re^0.8.

Здесь:  N=-число Нуссельта; Re= Вт/(м²

 

критерий Рейнольдса. Получаем

 

 

 

Характерным размером в формуле  является внутренний диаметр труб d_вн , а определяющей температурой - средняя температура воздуха в теплообменнике t_воз._ср=0,5(t_1вод-t_2вод)+Δt_ср=0.5(14-34 )+33,49 = 23,49 °С. При этом теплопроводность λ_воз и динамическая вязкость μ_воз выбираются по справочным данным (см. приложение А), а плотность ρ_воз рассчитывается по уравнению состояния идеального газа:

 

 

Где

Скорость воздуха определяется по массовой производительности компрессора и площади проходного сечения труб

 

 

 

F, м2	t, °С
0	146,15	Воздух
43,6	20
0	34	Вода
43,6	14

 

На основании выполненных расчетов построим график движения теплоносителей (распределение температуры по площади холодильника). Таблица с данными для построения схемы. Рисунок 2.(Приложение Б.)

 

 

 

 

6. Рабочая длина труб в промежуточном охладителе равна

 

 

где d_ср =d_вн - средний диаметр труб.

 

По общей длине труб l определяется число секций холодильника на основании их стандартных размеров 1 м, 1,5 м, 2 м, 3 м.

 

 

 

         

Выбираем секции: 5 секций по 3метра

 

Рисунок 3 - Принципиальная схема холодильника

По общей длине труб l=14,24м определяем число секций холодильника 1,5 м, 2 м, 3 м.

 

 

Рисунок 4 - Принципиальная схема двухступенчатого компрессора: 1 - цилиндр низкого  давления; 2 - промежуточный холодильник; 3 - цилиндр

высокого давления

7. Расчёт Ts- диаграммы. Построение процессов в Ts-координатах следует начинать с выбора масштабов для температуры и изменения энтропии. На диаграмму наносятся линии T₁=const и T₂=const, в пределах которых осуществляются процессы сжатия и охлаждения газа. Т₂ - температура воздуха после по- литропного сжатия в каждой ступени - определяется по уравнению

 

 

 

Начальная точка процесса сжатия в 1-ой ступени (точка 1) выбирается на линии T₁=const в правой части диаграммы. Далее рассчитывается изменение энтропии в процессе сжатия в 1-ой ступени по формуле

 

Δ

 

где C_V=717 Дж/(кг К) - изохорная теплоемкость воздуха; k_а= 1,4 - показатель адиабаты двухатомных газов.

Получаемое отрицательное значение Δs₁₂ означает, что энтропия в процессе 1-2 уменьшается.

Отложив в масштабе от точки 1 влево  отрезок, равный |Δs₁₂|, и восстановив перпендикуляр к изотерме T₁=const до пересечения с линией T₂=const, получим точку 2, соответствующую состоянию воздуха в конце сжатия в 1-ой ступени.

Для определения положения точки 3 (начала сжатия во 2-ой ступени) вычисляется изменение энтропии воздуха в охладителе по формуле

Дж/(кгК)

где С_р=1004 Дж/(кгК) - изобарная теплоемкость воздуха. Отрицательное значение Δs₂₃ указывает на уменьшение энтропии воздуха в процессе охлаждения.

Отложив в масштабе от точки 2 влево  отрезок, равный |Δs₂₃| и опустив перпендикуляр к изотерме T₂=const, получим точку 3.

Положение точки 4, характеризующей  состояние воздуха в конце  сжатия во 2-ой ступени, определяется аналогично точке 2 при сжатии в 1-ой ступени. Причем, поскольку показатели политропы сжатия n в обеих ступенях одинаковы, то и изменение энтропии воздуха также одинакова, т.е.

Δ=.

Для определения местоположения промежуточных  точек процессов 1-2, 2-3 и 3-4 выбираются значения температуры T между T₁ и T₂. Затем рассчиты-