РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
по дисциплине Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров
на тему Проектирование поршневого компрессора
Пояснительная записка
Шифр проекта КП-2068999-48-14-19.01.01.0000
Студента Нигматуллина Максима Рамильевича
Курс 4 Группа ЗТМО-161 Направление (специальность): 15.03.02 Технологические машины и оборудование
15.03.02 Технологические машины и оборудование
Руководитель доцент, к.т.н.
Бусаров Сергей Сергеевич
Выполнил
К защите
| Выполнение и подготовка к защите КП | Защита КП | Итоговый рейтинг |
Проект защищен с оценкой
Министерство образования и науки РФ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
Институт Нефтехимический
Кафедра Холодильная и компрессорная техника и технология
Дисциплина Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров
Задание
на выполнение курсового проекта
Студенту Нигматуллину Максиму Рамильевичу Группа ЗТМО-161
Направление (специальность) 15.03.02 Технологические машины и оборудование
Тема проекта Проектирование и расчет поршневого компрессора.
Срок сдачи проекта на кафедру «» 20 19 г.
Исходные данные к проекту Сжимаемый газ – природный газ; давление всасывание –5 МПа; давление нагнетания -17 МПа; Производительность: Q=26,3 м3/мин; температура всасывания – 298К.
Содержание пояснительной записки термодинамический и динамический расчеты.
Перечень графического материала с указанием основных чертежей и (или) иллюстративного материала сборочный чертеж компрессора, чертеж коленчатого вала, лист графиков и диаграмм, спецификация.
Методическая литература и иные информационные источники
Дата выдачи задания «» 20 19 г.
Руководитель доцент, к.т.н. Бусаров Сергей Сергеевич
Зав. Кафедрой профессор, д.т.н. Юша Владимир Леонидович
Задание принял к исполнению студент «» 2019г.
Содержание
Введение………………………………………………………………………...3
2. Расчет компрессора. 4
2.1. Распределение повышения давления по ступеням.. 5
2.2. Определение коэффициентов подачи. 7
2.3. Определение основных размеров и параметров ступеней. 9
2.4 Определение индикаторной мощности компрессора и выбор двигателя 12
2.6.Выбор клапанов по пропускной способности. 13
2.7.Подбор пружин клапанов. 15
3. Динамический расчет. 20
3.1. Уравновешивание компрессора. 20
3.2. Построение индикаторной диаграммы.. 22
3.3. Построение диаграмм суммарной поршневой силы.. 25
3.4. Построение диаграмм суммарного противодействующего момента……………………………………………………………………...…31
Заключение. 35
Список литературы.. 36
Введение
В данной расчетно-графической работе необходимо выбрать и проанализировать схему поршневого компрессора. Провести термодинамический расчет, в котором нужно определить число ступеней сжатия, диаметр цилиндра, подобрать электродвигатель. В динамическом расчете требуется уравновесить компрессор, построить индикаторные, силовые диаграммы, а также диаграммы суммарного противодействующего момента.
2. Расчет компрессора
Термодинамический расчет поршневого компрессора включает в себя определение коэффициентов подачи и описанных объемов ступеней; подбор стандартизированных клапанов, определение индикаторной мощности, подбор двигателя.
Исходные данные:
Давление всасывания – Рвс= 5 МПа,
Давление нагнетания – Рн= 17 МПа,
Производительность – Vе= 26,3 м3/мин,
Газ – природный газ
Состав природного газа представлен в таблице 2.1.1
Таблица 2.1.1.
| № | Наименование газа | Химическая формула | Молярная масса Mi , г/моль | Критическая температура T к i , К | Критическое давление р к i , МПа | Показатель адиабаты к | Теплоемкость cpi, Дж/(кг·К) | Доля |
| Метан | СН4 | 16,043 | 190,555 | 4,5988 | 1,32 | 0,9823 | ||
| Этан | C2H6 | 30,07 | 305,83 | 4,88 | 1,202 | 826,7 | 0,0055 | |
| Пропан | С3Н8 | 44,097 | 369,82 | 4,25 | 1,138 | 0,0097 | ||
| н -Бутан | н -С4Н10 | 58,123 | 425,14 | 3,784 | 1,95 | 0,0005 | ||
| Диоксид углерода | CO2 | 44,01 | 304,2 | 7,386 | 1,4 | 0,001 | ||
| Азот | N2 | 28,0135 | 126,2 | 3,39 | 1,404 | 0,0012 |
2.1. Распределение повышения давления по ступеням
Общее номинальное относительное повышение давления компрессора:
(2.1)
В существующих компрессорах значения относительного повышения давления в зависимости от числа ступеней следующие (таблица 2.1.2):
Таблица 2.1.2
| Одна | 4…7 | Пять | 150…1000 |
| Две | 6…30 | Шесть | 200…1100 |
| Три | 14…150 | Семь | 600…1500 |
| Четыре | 36…400 |
Принимаем число ступеней z=2.
Номинальное относительное повышение давления во всех ступенях принимаем:
(2.2)
Номинальное давление всасывания во вторую ступень находим по формуле:
(2.3)
Относительные потери давления на всасывании найдем из формулы:
(2.4)
где А – коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, А=2,66;
Относительные потери на нагнетании определим по формуле:
(2.5)
где А – коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, А=2,66;
Осредненные давления 
и 
находим по формулам:
(2.6)
(2.7)
МПа
МПа
МПа
МПа
Полученные результаты занесем в таблицу 2.2:
Таблица 2.2
| Параметр | 1 ступень | 2 ступень |
| Номинальное давление, МПа | ||
| Всасывание Pвсi | 9,22 | |
| Нагнетание Pнi | 9,22 | |
| Осредненное давление в цилиндре, МПа | ||
| Всасывание P1i | 4,916 | 9,086 |
| Нагнетание P2i | 9,531 | 17,493 |
| Относительное повышение давления в цилиндре | ||
| εцi=P2i/P1i | 1,939 | 1,925 |
2.2. Определение коэффициентов подачи
Уменьшение производительности действительного компрессора по сравнению с производительностью идеального компрессора принято оценивать коэффициентом подачи:
где 
- производительность действительного компрессора;
- производительность идеального компрессора, равная описанному поршнем объему.
Коэффициент подачи показывает, какую часть производительности идеального компрессора составляет производительность действительного компрессора, т.е. коэффициент подачи 
является безразмерной характеристикой производительности действительного компрессора.
В инженерных расчетах коэффициент подачи обычно представляют в виде формулы (2.8):
(2.8)
где 
- объемный коэффициент, учитывающий уменьшение производительности действительного компрессора из-за расширения газа, остающегося после нагнетания в мертвом пространстве. Его значение определяют по формуле (2.9):
(2.9)
где 
- значение относительного мертвого объема. В проектном расчете, когда неизвестны абсолютные значения составляющих мертвого объема можно задаваться в пределах: 0,02…0,1 в первой ступени, 0,03…0,1 во второй ступени. Задаемся значением относительного объема =0,03 для обеих ступеней. Значение показателя политропы для двух ступеней m = 1,31.
- коэффициент дросселирования, учитывает уменьшение производительности из-за падения давления при протекании газа через всасывающие клапаны. Его значения находятся в пределах 
.
Принимаем: 
- коэффициент подогрева, учитывает уменьшение производительности из-за подогрева всасываемого газа во время процесса всасывания, т.е. за счет того, что в цилиндре в конце всасывания температура будет выше, чем в СТВ. Его значение определяем по формуле:
(2.10)
- коэффициент плотности, учитывает уменьшение производительности из-за неплотностей рабочей полости. Его значения находятся в пределах:
.
Принимаем: 
- коэффициент влажности, учитывает уменьшение производительности из-за выпадения конденсата в природном газе.
.
Так как влажность – величина переменная, то оценивать влияние влажности можно только приближенно. Однако ошибка не будет больше 3 % от производительности компрессора. Выпадением влаги после второй ступени можно пренебречь, так как оно слишком мало (λвл2 = 1).
Подставим все полученные значения коэффициентов в формулу:
Полученные результаты занесем в таблицу 2.3:
Таблица 2.3
| Коэффициент подачи и его составляющие | Первая ступень | Вторая ступень |
| λдр1 | 0,97 | 0,98 |
| λпл1 | 0,97 | 0,98 |
| λвл1 | 0,99 | |
| λm1 | 0,991 | 0,991 |
| λo1 | 0,980 | 0,981 |
| λ1 | 0,905 | 0,933 |
2.3. Определение основных размеров и параметров ступеней
Описанные объемы ступеней сжатия рассчитывают, исходя из необходимости обеспечить в каждой ступени определенную объемную производительность при условиях всасывания в эту ступень, т.е. из необходимости обеспечить заданные межступенчатые давления. При решении этой задачи для действительного компрессора следует учитывать все потери производительности и недоохлаждение. Тогда объем описываемый поршнем первой ступени определяем по формуле:
(2.11)
где 
- производительность компрессора(26,30 м3/мин).
При переходе из одной ступени сжатия в другую газ охлаждается не полностью. Температуру всасывания во второй ступени определяем по формуле:
(2.12)
где 
- недоохлаждение перед второй ступенью (принимаем 
).
Объем описанный поршнем второй ступени определяем по формуле:
(2.13)
Активные площади поршней I, II ступеней определяем из уравнения
,
Где 
- средняя скорость поршня = 2· SП · no = 2·0,146·16,667 = 4,876 м/с
Тогда:
м2; 
м2.
В ступенях двойного действия со штоком с одной стороны поршня (что
по формуле
,
где 
– площадь штока, она равна 
.
Тогда получим выражение для расчета диаметра цилиндра в следующем виде:
;
м;
м2.
Рассчитаем значение 
:
м.
Значение 
и 
округляем до ближайшего стандартного размера диаметра цилиндра по ГОСТ 9515-81: D1 = 0,210 м и D 2 = 0,160 м
Рассчитаем геометрические площади поршней:
м2; 
м2.
Уточним описанные поршнями объемы после округления диаметров цилиндров и хода поршня по формуле
;
м3/с; 
м3/с.
Проверяем производительность компрессора с учетом округления основных размеров цилиндра: так как Vе = λ1·Vh1, получаем Vе = 0,905·0,493∙60 = 26,745 м3/мин.
Согласно ГОСТ 23680–79 производительность компрессора не должна отличаться от номинальной более чем на ± 5 %. В нашем случае отклонение составляет 1,68 %.
Полученные результаты занесем в таблицу (2.4):
Таблица 2.4
| Параметр | 1 ступень | 2 ступень |
| Число цилиндров | ||
| Диаметр цилиндров Di,м | 0,210 | 0,16 |
| Площадь поршня Fi, м2 | 0,035 | 0,020 |
| Объем описываемый поршнем Vhi, м3/с | 0,493 | 0,286 |
2.4 Определение индикаторной мощности компрессора и выбор двигателя
Определяем индикаторную мощность компрессора по формуле:
(2.15)
где k – показатель адиабаты, k=1,31;
где 
- коэффициент, учитывающий возвращение энергии в процессе обратного расширения,
Найдём индикаторную мощность в ряду компрессора
Эффективную мощность (мощность на валу компрессора) определяем по формуле
где 
- механический коэффициент полезного действия компрессора. Его значение находится в пределах 
Принимаем 
[4].
Следовательно, электродвигатель должен обладать мощностью: Nк = Nд = 3897,82 кВт. Исходя из этого, выбираем газотурбинный двигатель ГТД-4РМ мощностью 4140 кВт (таблица 2.5)
Таблица 2.5:
| Вид двигателя | Мощность, кВт | n, об/мин | КПД, % | Масса общая, кг |
| ГТД-4РМ | 32,5 |