Воздухоразделительные установки      

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Центр дополнительного образования

Кафедра «Мехатроника, автоматизация и электроника»

РАСЧЁТ

МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

000000 00000000 09 ПЗ

Преподаватель                                                                К.В.Суворов

Слушатель                                                                       А.В. Кылин

Группа                                                                             ППФ–160751–ПТ

Нижний Тагил

2018

Содержание

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ. 3

2.1 Хранение, транспортировка хладоагрегатов и хладоносителей. 3

2.2 Энергосбережение при снабжении потребителей технической водой. 4

2.3 Воздухоразделительные установки. 6

2 РАСЧЁТ ТРЁХСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА.. 8

2.1 Исходные данные. 8

2.2 Распределение повышения давления по ступеням. 9

2.3 Определение коэффициента подачи. 14

2.4 Определение основных размеров и параметров ступеней. 17

2.5 Определение температуры нагнетания. 22

2.6 Выбор клапанов по пропускной способности. 23

2.7 Определение мощности привода компрессора. 27

3 Графическая часть проекта. 29

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 31

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Хранение, транспортировка хладоагрегатов и хладоносителей.

Холодильные агенты хранят и перевозят в жидком состоянии в стальных баллонах ёмкостью от 20 до 55 л. При техническом обслуживании малых фреоновых холодильных машин используют баллоны ёмкостью 5 л. У каждого баллона имеется угловой запорный вентиль с маховичком и гайкой-заглушкой на боковом штуцере. Вентиль предохраняется от повреждений стальным колпаком.

Баллоны окрашивают в установленный по ГОСТу цвет и делают на них трафаретную надпись. Так, баллоны для фреона-12 окрашивают под алюминий и делают надпись чёрной несмываемой краской «фреон-12»; баллоны под фреон-22 окрашивают также под алюминий, делают две жёлтые поперечные полосы и надпись «фреон-22». На баллонах под аммиак (цвет окраски жёлтый) надпись чёрной краской «аммиак»

Жидкий холодильный агент заливают в баллоны по следующей норме: фреон-12—1—1,1 кг/л; фреон-22—0,9— 1,0 кг/л; аммиак — 0,50 кг/л. Баллоны, заполненные холодильным агентом, хранятся на специально оборудованных складах с соблюдением правил техники безопасности. Хранение одного баллона с фреоном-12 согласно правилам техники безопасности разрешается в машинном отделении.

Наполненные баллоны на близком расстоянии переносят на носилках специальной конструкции двое рабочих или перевозят на специальных двухколёсных тележках. Для перевозки за пределы предприятия и на далёкие расстояния служит рессорный транспорт. В деревянном кузове автомобиля или в повозке баллоны укладывают горизонтально, вентилями в одну сторону на деревянных с гнёздами прокладках и закрепляют на них с помощью откидных винтов. От действия солнечных лучей баллоны предохраняются ватным одеялом или мокрым брезентом.       

Энергосбережение при снабжении потребителей технической водой.

Беззатратные и малозатратные энергосберегающие мероприятия

На осуществление малозатратных, а тем более беззатратных энергосберегающих мероприятий не требуется существенных вложений. Они окупаются в течение нескольких месяцев вследствие снижения эксплуатационных расходов. К числу беззатратных и малозатратных мероприятий по энергосбережению в водоснабжении и канализации относят:

- Соблюдение правил эксплуатации систем водоснабжения и канализации и применяемого в них оборудования. Эти правила предусматривают своевременное проведение планово-предупредительных ремонтов, замену набивки и подтяжку уплотнений насосов, вентилей и задвижек, замену неисправной арматуры, устранение утечек и т.д.

- Замена асбестографитовых уплотнений насосов уплотнениями на основе тефлона, обеспечивающих увеличение срока эксплуатации в среднем в 6 раз. Затраты окупаются в течение не более 6 месяцев.

- Замена арматуры устаревших типов на современную.

Среднезатратные энергосберегающие мероприятия

Это мероприятия, затраты на проведение которых окупаются за 2-3 года. К ним относят:

- Обеспечение экономичных режимов эксплуатации насосов.

- Изменение диаметра трубопроводов, применение труб из полимерных материалов изменение принципиальной схемы конструктивного исполнения систем водоснабжения и водоотведения.

- Экономия электроэнергии и воды при переходе к оборотным системам водоснабжения.

- Борьба с отложениями в системах водоснабжения и водоотведения.

- Устранение утечек воды.

- Организация учёта водопотребления.

- Диспетчеризация и АСУ.

- Стимулирование персонала предприятий в снижении перерасхода воды.

Воздухоразделительные установки      

В настоящее время существует три основных метода разделения воздуха:

- адсорбционный

- мембранный

- криогенный

В основе перечисленных методов разделения лежат различные принципы.

Адсорбционный метод разделения воздуха опирается на принцип селективного поглощения компонентов газовой смеси. Поглощение осуществляется специальными молекулярными ситами (МС) в условиях короткоцикловой адсорбции. В основе процесса лежит зависимость поглощения газа адсорбентом от давления: способность адсорбента к поглощению газа прямо пропорциональна давлению. Таким образом, адсорбция идёт при повышенном давлении, а процесс десорбции осуществляется путём сброса давления.

Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе избирательной проницаемости мембран.

Принцип действия мембранных газоразделительных установок заключается в различной скорости проникания газов через полимерную мембрану под действием перепада парциальных давлений на мембране.

В обоих случаях в мембранную установку подаётся предварительно очищенный сжатый воздух и движущей силой разделения является разность парциальных давлений каждого компонента воздуха по обе стороны мембраны, обуславливающая различную скорость проницания.

В соответствии с этим компоненты воздуха можно условно разделить на два класса:

- легкопроникающие (ЛПК) или «быстрые газы»;

- труднопроникающие (ТПК) или «медленные газы».

При попадании сжатого воздуха в надмембранное пространство «быстрые газы» проникают через мембрану в зону низкого давления, таким образом, газ на выходе из мембраны обогащается легкопроникающим компонентом. Непроникшая часть воздуха, обогащается труднопроникающим компонентом и выводится из надмембранного пространства.

Метод криогенного разделения базируется на тепло-массообменных процессах, в частности процессе низкотемпературной ректификации, базирующейся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов находящихся в равновесии жидких и паровых смесей.

В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массо- и теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая высококипящим компонентом.

Таким образом, поднимаясь по ректификационной колонне вверх, пар обогащается низкокипящим компонентом – азотом, а стекающая вниз жидкость насыщается высококипящим компонентом – кислородом.

Соответственно все промышленные установки делятся на:

- Криогенные установки

- Адсорбционные установки (КЦА, ВКЦА)

- Мембранные установки

2 РАСЧЁТ ТРЁХСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА

2.1 Исходные данные

Рассмотрим пример теплового расчёта стационарного компрессора по следующим исходным данным:

Вариант: 9;

− кол-во ступеней компрессора: 3;

− рабочая среда: воздух;

− р_вс = 0,1 МПа;

− р_н= 1,6 МПа ;

− температура всасываемого газа Т_вс= 310 °К (37°С);

− температура охлаждающей воды Т_охл. = 288 °К (15 °С);

− производительность компрессора V_е = 4 м³ /мин (66,67л/с);

− допустимые отклонения производительности не более ± 5 %.

Определить:

−диаметр цилиндра D;

− полный ход поршня S_п;

− частоту вращения коленчатого вала n_о;

− производительность компрессора V_е с учётом округления основных размеров цилиндров;

− определить индикаторную и эффективную мощность привода компрессора N_инд.к,N_е;

− коэффициент полезного действия компрессора η.

− температуры нагнетания Т;

− выбор клапанов по пропускной способности;

Графическая часть:

−чертёж компрессора в определённом масштабе;

2.2 Распределение повышения давления по ступеням

Общее номинальное относительное повышение давления компрессором подсчитываем по уравнению (1):

                                      (1)

Выбираем число ступеней (из исходный данных):

Z =3

Номинальное относительное повышение давления во всех ступенях принимаем одинаковыми (2):

                     (2)

Номинальное давление всасывания во 2-ойступени, Мпа (3):

                     (3)

Номинальное давление всасывания в 3-ейступени, Мпа (4):

                 (4)

С развитием компрессоростроения будут улучшаться конструкции клапанов, узлов межступенчатых коммуникаций, т.е. межступенчатые потери будут уменьшаться и их величина может быть выражена в общем виде (5):

,                                       (5)

где А и q – коэффициенты, значения которых зависят от газодинамического совершенства клапанов, а также от межступенчатых аппаратуры и коммуникаций,в данной работе коэффициентыA= 2,66 иq = 0,25.

Рис. 1. Схематизация индикаторных диаграмм многоступенчатого компрессора

а – схематизированныеиндикаторные диаграммы; б – принципиальная схема повышения давления компрессора.

Относительные потери давления на всасывании 1– ой ступени (6):

,                     (6)

гдеА – коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, (А = 2,66).

Относительные потери давления на всасывании 2– ой ступени (7):

                   (7)

Относительные потери давления на всасывании 3– ей ступени (8):

                 (8)

Относительные потери давления на нагнетании ( на нагнетательных клапанах и в межступенчатом охладителе воздуха) 1 – ой ступени (9):

                       (9)

Относительные потери давления на нагнетании ( на нагнетательных клапанах и в межступенчатом охладителе воздуха) 2 – ой ступени (10):

                     (10)

Относительные потери давления на нагнетании ( на нагнетательных клапанах и в межступенчатом охладителе воздуха)3 – ей ступени (11):

                      (11)

Проверяем полученные значения по рисунку 2: «Относительные потери давления между ступенями»─полученные результаты расчёта соответствуют требованиям графика.

Рис.2. Относительные потери давления между ступенями

Определим действительные давления на всасе и нагнетании первой ступеникомпрессора, на всасе и нагнетании второй ступени компрессора, на всасе и нагнетании третьей ступени компрессора (12):

        (12)

Результаты расчётов сведём в таблицу 1.

Таблица 1 ─Результаты расчётов

2.3 Определение коэффициента подачи

Коэффициент подачи λ определяется по формуле (13):

                                      (13)

Задаёмся в соответствии с рекомендациями коэффициентами: подогрева λ_тр.,герметичности λ _г. Объёмный коэффициент λ_о подсчитываем по формуле (14):

,                             (14)

но для практических расчётов воспользуемся номограммой рис.3

Рис. 3. Номограмма для определения λ_о

Таблица 2─ Коэффициенты ступеней насоса

1-ая ступень	2-ая ступень	3-ья ступень
m=1,15	m=1,2	m = 1,25
k=1,31	k = 1,31	k = 1,31
λо=0,87	λо=0,88	λо=0,89

Политропа конечных параметров – это такая условная политропическая зависимость с постоянным показателем, начальные и конечные параметры которой совпадают с действительными, имеющими место в процессе обратного расширения в действительном процессе (15):

,                                         (15)

гдеА и kсоответственно коэффициенты, зависящие от давления рвс. Результатыподсчётов по формуле приведены в таблице 3.

Таблица 3─Результаты расчётов

Действительный объём воздуха, подаваемый компрессором, зависит также от термического коэффициента λ_ти коэффициента герметичности λ_г, учитывающих нагрев воздуха при всасывании, герметичность цилиндра компрессора, необходимость дополнительного давления для срабатывания клапанов.

Термический коэффициент определяется из уравнения (16):

                            (16)

Коэффициент герметичности компрессора примем близким к 1, как у компрессора в хорошем техническом состоянии (17):

                                           (17)

Результаты расчётов сводим в таблицу 4.

Таблица 4─Результаты расчётовкоэффициент подачи

2.4 Определение основных размеров и параметров ступеней

2.4.1 Определение объёмов, описываемых поршнями

Объём, описываемый поршнем первой ступени (18):

      (18)

Температура всасываниявторой ступени (19):

К,               (19)

где ΔТ – недоохлаждение перед второй ступенью принимаем 10°.

Объём описываемый поршнем второй ступени, л /с (20):

 (20)

Температура всасывания 3 − ступени (21):

 К,               (21)

гдеΔТ– недоохлаждение перед третьей ступенью принимаем 15°

Объём описываемый поршнем второй ступени, л /с (22):

 (22)

2.4.2 Определение диаметра цилиндра компрессора.

Определение диаметра первой и второй ступени компрессора.

Частоту вращения коленчатого вала современных бескрейцкопфных компрессоров производительностью от 0,01 до 0,15 м³ /с принимают равной частоте вращения электродвигателей, синхронная частота вращения которых равна 16 или 25 ¹/с. На основании изложенного, задаёмся частотой вращения вала электродвигателя n_o= 960 об / мин = 16 ¹/с.

Выбираем для компрессора V – образную схему с цилиндрами простого действия.

Для бескрейцкопфного компрессора задаёмся средней скоростью поршняС _m = 4,0 м / с (см.табл.5).

Таблица 5─ Средняя скорость поршня

  Данное ограничение вызвано необходимостью обеспечить надёжную и экономичную работу клапанов. Значение возьмёмC_m, воспользуюсь рис. 4

Рис. 4. Значение средней скорости С_mпоршня для бескрейцкопфных компрессоров. Значения отношения хода поршня к диаметру цилиндра для бескрейцкопфного компрессора

Средняя скорость поршня определяется из равенства (23):

,                                 (23)

где H = 2 S_п– путь, проходимый поршнем за один оборот коленчатого вала; n_о- частота вращения коленчатого вала.

Описанный объём компрессора простого действия (24):

,                              (24)

где S_п– полный ход поршня; n_о – частота вращения коленчатого вала.

Тогда получим (25):

или                   (25)

диаметр 1 – ой ступени, м, (26)

                                 (26)

диаметр 2 – ой ступени, м, (27)

                              (28)

диаметр 3 – ой ступени, м, (29)

                        (29)

Рассчитываем полный ход поршня м, (30)

        (30)

Округляем ход поршня: S_п= 0,1м.

Уточняем среднюю скорость поршня, м/с (31):

                     (31)

После определения полного хода поршняS_пи его диаметра D₁, проверим значения (31), (32):

                                (31)

 м/с²                         (32)

Эти значения соответствуют современным тенденциям развития компрессоростроения.

Проверяем производительность, л/с (33):

                  (33)

Полученный результат точно совпадает с заданной производительностью компрессора.

Основные размеры и параметры ступеней компрессора сводим в таблицу 6.

Таблица 6─Основные размеры и параметры ступеней компрессора

Полученный результат точно совпадает с заданной производительностью компрессора.

2.5 Определение температуры нагнетания

Принимая, что сжатие воздуха происходит адиабатически (k = 1,41), находим температуру нагнетания, °К (34):

             (34)

Расчёт сводим в табл.7.

Таблица7─ Параметры ступеней компрессора

Параметр	1 - ступень	2 - ступень	3 - ступень
Твс,К	310	320	335
Степень сжатия, εц	2,30	2,50	2,45
Степень сжатия,	1,27	1,31	1,30
Тн,К	394,95	417,70	434,72

Примечание:Полученная температура нагнетания является допустимой, в частности для использования компрессорных смазочных масел.

2.6 Выбор клапанов по пропускной способности

Допустимую относительную потерю мощности в клапанах  выбираем по рекомендациям (см. табл. 8).

Таблица 8─ Допустимые относительные потери мощности в клапанах

Параметры клапанов	Давление всасывания, МПа
	0,1 – 0,5	0,5 – 1,5	1,5 – 5	5 – 15	15 – 50
, %	11,2	9,2	7,4	5,8	4,4
Fвсmax	0,22	0,2	0,18	0,16	0,14

По выбранному допустимому значению потери мощности находим соответствующие значения критерия скорости F= 0,22.

Скорость звука при условиях в клапане определяем по уравнению, м/с (35):

,                                        (35)

где R – газовая постоянная (см. табл. 9),k – показательадиабаты газа; Т – текущаятемпература газа, °К.

Таблица 9─Газовые постоянные

Примечание: 1. плотность газов приведена при 0°С и давлениир = 0,1 МПа; 2. показатель адиабаты для газов (при 0°С и р = 0,1МПа); 3. газовая постоянная R, Дж /(кг / єК) для газов: воздух – 287,2.

Рассчитываем скорость звука (36):

               (36)

Рассчитываем допустимую условную скорость газа в клапане, м/с (37):

w_ф= F ∙ a_зв.

                        (37)

Определяем необходимое значение эквивалентной площади клапана, см² (38), (39), (40):

                                       (38)

                       (39)

                                 (40)

Расчёт сводим в табл.10.

Таблица 10─ Эквивалентная площадь клапанов

Примечание: Числоклапанов Z_кл в полости цилиндра выбирают из конструктивных соображений.

По необходимым значениям эквивалентной площади клапанов подбираем стандартизованные клапаны КТ по ОСТ 26- 12 - 2030 – 81 (табл.11):

По необходимым значениям эквивалентной площади клапанов подбираем стандартизованные клапаны КТпо ОСТ 26- 12 - 2030 – 81 (табл.1.4.Исходныеданные):

- всасывающиеклапаны1 – ойступениВКТ 200-3,0-1,0 с эквивалентнойплощадью 48,5 см²;

- нагнетательныеклапаны1 – ой ступениНКТ200-2,5-1,0 с эквивалентнойплощадью43,4 см²;

- всасывающийклапан2 – ойступениВКТ 200-3,0-1,0 с эквивалентнойплощадью 48,5 см²;

- нагнетательныйклапан2 – ойступениНКТ 200-2,0-1,0 сэквивалентнойплощадью39,4 см²;

- всасывающие клапаны 3 – ой ступени ВКТ 200-2,5-1,0 с эквивалентной площадью 43,4 см²;

- нагнетательные клапаны 3 – ой ступени НКТ 200-2,0-1,0 сэквивалентнойплощадью 39,4 см².

Таблица 11─Основные данные клапанов ВКТ и НКТ

2.7 Определение мощности привода компрессора

Определяем индикаторную мощность ступени компрессора, используя упрощённую схематизированную индикаторную диаграмму, кВт (41), (42):

                        (41)

где – коэффициент, учитывающий возвращение энергиив процессе обратного расширения.

– для 1 – ойступени: ;

– для 2 – ойступени: ;              (42)

– для 3 – ойступени: .

Тогдаиндикаторныемощностипоступеням , кВт (43):

  (43)

Индикаторнаямощностькомпрессораравнасуммеиндикаторных мощностей ступеней, кВт (44):

(44)

Таккак,механическийКПДусуществующихкомпрессоров составляет η_мех= 0,8 − 0,95,топринимаяη_мех= 0,85 можно определитьэффективную

мощность компрессора, кВт (45):

                           (45)

ИспользуязначениеN_eподбираемкомпрессор с электродвигателемипроверяем правильность принятойчастотывращениявала электродвигателяn_oпри определении основныхразмеровступеней КТ-6

3 Графическая часть проекта

Общее устройство компрессора КТ-6 показано на рис. 5.

Компрессор КТ-6 - двухступенчатый, трёхцилиндровый.поршневой с W- образный расположением цилиндров.

Компрессор КТ-6 состоит из корпуса (картера)13, двух цилиндров 29 низкого давления (ЦНД), имеющих угол развала 120°. одного цилиндра 6 высокого давления (ЦВД) и холодильника 8 радиаторного типа с предохранительным клапаном 10, узла шатунов 7 и поршней 2, 5.

Корпус 18 имеет три привалочных фланца для установки цилиндров и два люка для доступа к деталям, находящимся внутри. Сбоку к корпусу прикреплён масляный насос 20 с редукционным клапаном 21, а в нижней части корпуса помещён сетчатый масляный фильтр 25. Передняя часть корпуса (со стороны привода) закрыта съёмной крышкой, в которой расположен один из двух шарикоподшипников коленчатого вала 19. Второй шарикоподшипник расположен в корпусе со стороны масляного насоса.

Все три цилиндра имеют ребра: ЦВД выполнен с горизонтальным оребрением для лучшей теплоотдачи, а ЦНД имеют вертикальные ребра для придания цилиндрам большей жёсткости. В верхней части цилиндров расположены клапанные коробки 1 и 4.

Коленчатый вал 19 компрессора - стальной, штампованный с двумя противовесами, имеет две коренные шейки и одну шатунную. Для уменьшения амплитуды собственных колебаний к противовесам винтами 23 прикреплены дополнительные балансиры 22. Для подвода масла к шатунным подшипникам коленчатый вал снабжён системой каналов, показанных на рис. 3.2. пунктиром.

Рис. 5. Общее устройство компрессора КТ-6

1 – клапанная коробка цилиндра низкого давления – ЦНД (первой ступени); 2 – поршень ЦНД; 3 – сапун; 2 – клапанная коробка цилиндра высокого давления – ЦВД (второй ступени); 5 – поршень ЦВД; цилиндр высокого давления (ЦВД); 7 – узел шатунов; 8 – холодильник; 9 – всасывающий воздушный фильтр; 10 – предохранительный клапан; 11 – рым-болт; 12 – кронштейн вентилятора; 13 – болт регулировки натяжения ремня вентилятора;14 – вентилятор; 15 – тройник для присоединения трубопровода от регулятора давления; 16 – манометр давления масла;17 – бачок для гашения пульсаций стрелки манометра; 18 – корпус (картер); 19 – коленчатый вал; 20 – масляной насос; 21 – редукционный клапан; 22 – дополнительный балансир; 23 – пробка для слива масла; 23 – винт крепления дополнительного балансира; 24 – шплинт; 25 – масляный фильтр; 26 – указатель уровня масла (щуп); 27 – пробка для залива масла; 28 – пробка для слива масла; 29 – цилиндр низкого давления (ЦНД); 30 – поршневой палец.