Министерство образования Российской Федерации
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Машиностроения и автосервиса
Кафедра “Технологическое оборудование и системы жизнеобеспечения”
Расчетно-графическая работа
Тепловой и динамический расчет поршневого компрессора одноступенчатой холодильной машины
Выполнил:
ст. гр. __________
ФИО_____________
Проверил: доцент
_______________
Краснодар - 2015 г.
ЗАДАНИЕ
Выполнить тепловой и динамический расчет холодильного компрессора.
Исходные данные:
Таблица 1
| Вариант | 
| 
| 
| 
| Холодильный Агент | Компрессорная машина |
| -15 | R134 | П80 |
СОДЕРЖАНИЕ
1.Тепловой расчет поршневого компрессора одноступенчатой холодильной машины …………………………………………………………….. 4
2. Динамический расчет поршневого компрессора одноступенчатой холодильной машины ……………………………………………………………. 11
Список использованных источников ……………………………………... 18
Приложение 1 ……………………………………………………………….19
Приложение 2 ……………………………………………………………….20
Приложение 3. Типовые варианты заданий на выполнение расчетных работ ……………………………………………………………………………..…21
1 Тепловой расчет поршневого компрессора одноступенчатой холодильной машины
Схема холодильной машины, определение параметров характерных точек цикла.
Рисунок 1 – Схема холодильной машины
Рисунок 2 – Цикл холодильной машины
Находим параметры характерных точек цикла и заносим их в таблицу 1.2.
Таблица 1.2 – Параметры характерных точек цикла холодильной машины.
| 
| 
| 
| |
| 0.18 | -15 | 0.08 | ||
| 0.18 | |||
| 0.9 | ||||
| 0.9 | |||
| 0.9 | ||||
| 0.9 | |||
| 0.18 | -15 |
Тепловой расчет компрессора одноступенчатой холодильной машины.
Удельная массовая холодопроизводительность агента, 
Масса всасываемого пара 
Удельная объемная холодопроизводительность агента, 
,
где - удельный объем всасываемого пара в точке 1, 
Действительный объем всасываемых паров в компрессор, 
Объем описываемый поршнями компрессора, 
Коэффициент подачи 
,
где 
- коэффициент индикаторных потерь;
- коэффициент, учитывающий подогрев в цилиндре в процессе всасывания и перетекания из полости сжатия в полость всасывания из-за внутренних неплотностей.
,
с – относительная величина мертвого пространства (выбирается в пределах 0,015-0,05 в зависимости от типа и размера компрессора, а также от конструкции клапанов и режима работы (2))
с=0,03
, 
- депрессии во всасывающих и нагнетательных клапанах принимаются равными 0,005 и 0,01 МПа, соответственно.
Тогда
Отсюда
Теоретическая удельная работа компрессора 
Теоретическая мощность компрессора 
Индикаторный КПД компрессора 
,
где 
- для фреонов
Индикаторная мощность компрессора, 
Эффективная мощность компрессора, 
,
где 
- механический КПД компрессора зависящий от его конструктивных особенностей
Электрическая мощность (мощность, забираемая электродвигателем из сети), 
,
где 
- КПД электродвигателя
- механический КПД передачи.
Теоретический холодильный коэффициент 
Действительный холодильный коэффициент 
Степень термодинамического совершенства 
,
где 
- холодильный коэффициент соответствующего цикла Карно, построенного на тех же температурах кипения и конденсации холодильного агента
Следовательно:
Основные размеры и характеристики компрессора.
Задаемся величиной 
,
где S – ход поршня, м;
D – диаметр цилиндра, м.
Величина определяется многими факторами, важнейшим из которых является разность давлений нагнетания и всасывания, величина сил инерции неуравновешенно движущихся масс, скорости пара в клапанах. Принимаем 
.
Определяем диаметр цилиндра компрессора из выражения 
,
где z – число цилиндров компрессора;
n – частота вращения вала компрессора, с-1
Согласно ГОСТ 951581-81 принимаем значение D равное 110 мм.
Определяем ход поршня S, м
Округлив до ближайшего целого значения получаем ход поршня равный
Проверка средней скорости поршня, 
Средняя скорость поршня 
не выходит за пределы допустимой средней скорости 
Определяем теоретический объем, описываемый поршнями проектируемого компрессора 
Определяем разницу между объемом 
и 
Уточняем характеристики компрессора.
Холодопроизводительность проектируемого компрессора в рабочем режиме 
Действительная масса пара, засасываемого компрессором, 
Индикаторная мощность
Эффективная мощность в рабочем режиме 
Максимальная эффективная мощность для подбора электродвигателя вычисляется для второго расчетного режима (режима максимальной мощности)
,
где 
- среднее индикаторное давление при режиме максимальной мощности согласно ГОСТ 2603-943-77
2 Динамический расчет поршневого компрессора одноступенчатой холодильной машины
2.1 Силы действующие на поршень
2.1.1 Силы давления рабочего тела на поршень П, Н
,
где 
- давление газа в цилиндре, Па;
- площадь поршня м2;
;
Определяем силу давления рабочего тела на поршень для давления газа в цилиндре равного 
:
2.1.2 Построение индикаторной диаграммы.
По результатам теплового расчета строим условную индикаторную диаграмму. На оси ординат откладываем величину силы давления пара на поршень , а на оси абсцисс откладываем пройденный поршнем путь.
В выбранной системе координат на оси абсцисс откладываем в принятом масштабе выраженную через ход поршня относительную величину мертвого пространства Sм, м
а также ход поршня S, м. На оси ординат откладываем в принятом масштабе значения 
Полученная в результате построения точка «а» соответствует концу всасывания и началу сжатия, а точка «с» - концу нагнетания и началу обратного всасывания.
Линии сжатия и обратного расширения строят по эквивалентным политропам с показателем n=1.07 (линия сжатия) и m=1.03 (линия расширения)
Положение точки «b», соответствует концу сжатия в цилиндре, характеризует по оси ординат давления 
, а по оси абсцисс откладывается координата Sb, м
,
где 
и 
- давление пара на поршень в точке «а» и «b» соответственно
Промежуточные точки для политропы сжатия находят, задаваясь промежуточных давлений Pn в интервале от 
до 
и определяется положение поршня Sx, м при заданных давлениях по формуле
Полученные промежуточные значения заносим в таблицу 3.
Положение точки d, соответствующей концу обратного расширения пара в цилиндре, характеризует по оси ординат величина 
, а по оси абсцисс – координата Sd, которую определяем по формуле:
,
где 
- путь поршня в начале обратного расширения, м;
- давление в цилиндре в начале обратного расширения, Па.
Промежуточные точки для обратного расширения строим, принимая значения давления 
в интервале от до и определяется положение поршня Sy, м при этих давлениях, по формуле
Заносим полученные данные в таблицу 3
Таблица 3.
| P, МПа | 0.2 | 0.4 | 0.6 |
| П, Н | 1948,2 | 3848,8 | 5749,5 |
| Sx, м | 0,0702 | 0,0372 | 0,0255 |
| Sy, м | 0,0100 | 0,0051 | 0,0035 |
2.1.3 Развертка индикаторной диаграммы
Построенную индикаторную диаграмму развертываем по углу поворота кривошипа, для чего под диаграммой проводим полуокружность радиусом, равным 
. Так как конечная длина шатуна влияет на действительный путь, пройденный поршнем, то для учета действительного изменения пути в сторону коленвала откладываем в принятом масштабе величину поправки ОО¢, мм.
,
где 
- длина шатуна;
- конструктивный размер
, м
Из центра 
проводим полуокружность произвольного радиуса и через каждые 15 градусов проводим вспомогательные лучи.
Через точки вспомогательных лучей с основной окружностью радиуса проводим вертикальные прямые линии. Проекции точек пересечения вспомогательных лучей с основной окружностью на ось абсцисс указывают действительные положения поршня, соответствующие повороту вала на угол j, с учетом конечной длины шатуна.
Руководствуясь принятым направлением вращения, проставляем углы поворота вала, считая за начало движения положения поршня в верхней мертвой точке.
Индикаторную диаграмму перестраиваем в систему координат 
.
2.2 Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.
В механизме движения компрессора от масс, совершающих возвратно-поступательное движение возникают силы инерции 
,
где 
- сила инерции первого порядка, период изменения которой равен времени одного оборота вала, Н;
- сила инерции второго порядка, период изменения которой равен времени полуоборота вала, Н.
Силы инерции возвратно-поступательного движущихся масс направлены в сторону, противоположную ускорению, их определяют по формулам:
,
где 
- массы возвратно-поступательно движущихся частей;
- угловая скорость
где А=1635 коэффициент массы.
Для построения диаграммы сил инерции первого порядка значения силы подсчитывают для положения вала через каждые 30° угла поворота кривошипа, записывая полученные данные в таблицу 4.
Таблица 4.
| 
| 
|
| -1964,35 | ||
| 0,866 | -1701,18 | |
| 0,5 | -982,18 | |
| -0,5 | 982,18 | |
| -0,866 | 1701,18 | |
| -1 | 1964,35 | |
| -0,866 | 1701,18 | |
| -0,5 | 982,18 | |
| 0,5 | -982,18 | |
| 0,866 | -1701,18 | |
| -1964,35 |
Для построения диаграммы сил инерции второго порядка значения силы подсчитывают для положения вала через каждые 15° угла поворота кривошипа, записывая полученные данные в таблицу 5.
Таблица 5.
| 
| 
|
| -392,87 | ||
| 0,866 | -196,44 | |
| 0,5 | 196,44 | |
| 392,87 | ||
| -0,5 | 196,44 | |
| -0,866 | -196,44 | |
| -1 | -392,87 | |
| -0,866 | -196,44 | |
| -0,5 | 196,44 | |
| 392,87 | ||
| 0,5 | 196,44 | |
| 0,866 | -196,44 | |
| -392,87 |
Рассчитанные значения сил инерции, из таблиц 4 и 5, откладываем в принятом масштабе сил на диаграмме сил давления газа на поршень.
2.3 Силы трения возвратно-поступательно движущихся масс.
Значения сил трения деталей компрессора, совершающих возвратно-поступательное движение, переменны по величине. Так как в сравнении с силами давления пара на поршень и силами инерции они малы, то при расчете их значения принимаем как средне постоянные.
Равнодействующая направлена по оси цилиндра в сторону, противоположную движению поршня, и, следовательно, меняет свой знак: при ходе к валу она принимается отрицательной, при ходе поршня от вала – положительной.
где 
- мощность затрачиваемая на трение
- число цилиндров компрессора
Значения 
откладывают в принятом масштабе сил на диаграмме свободных усилий.
2.4 Суммарная сила, действующая на поршень.
Для построения диаграммы суммарных сил графически суммируют значение сил давления газа на поршень, сил инерции и сил трения в соответствующих положениях вала. Количество и характер изменения кривых на диаграммах поршневых сил зависят от схемы и режима работы компрессора.
2.5 Диаграмма сил Т.
Диаграмму тангенциальных сил Т используют для расчета маховика.
Силу Т, изменяющуюся в зависимости от угла поворота, рассчитываем по формуле:
,
где 
- угол отклонения оси шатуна от цилиндра связан с углом 
, град уравнениями
Величина силы 
для каждого угла поворота вала берем из диаграммы суммарных сил, действующих на поршень
Значения и T заносим в таблицу 6.
Таблица 6.
| °
| °
| ,Н
| Т,Н |
| -2135 | |||
| 2,97 | |||
| 5,74 | |||
| 8,13 | -567 | -458 | |
| 9,97 | -564 | -537 | |
| 11,14 | |||
| 11,54 | |||
| 11,14 | |||
| 9,97 | |||
| 8,13 | |||
| 5,74 | |||
| 2,97 | |||
| -2,97 | -289 | ||
| -5,74 | -581 | ||
| -8,13 | -877 | ||
| -9,97 | -1133 | ||
| -11,14 | -1374 | ||
| -11,54 | -1721 | ||
| -11,14 | -2272 | ||
| -9,97 | -3045 | ||
| -8,13 | |||
| -5,74 | -2477 | ||
| -2,97 | -1198 | ||
2.6 Диаграмма крутящих моментов
Крутящий момент (момент сопротивления) на валу компрессора меняется вместе с изменением силы Т в зависимости от угла поворота вала. Мгновенное значение момента сопротивления многорядного компрессора
где 
- тангенциальная сила отдельного ряда, Н.
Для определения полного крутящего момента многорядного компрессора строим суммарную диаграмму тангенциальных сил, нанося их на одну диаграмму, Смещая одну кривую относительно другой в соответствии с величиной угла между цилиндрами и коленами вала.
За начало отсчета угла 4 принимаем ВМТ первого ряда. Сила Т2 второго ряда, имеющая такой же характер изменяется, наносим на диаграмму со сдвигом на угол между 1 и 2 рядом 
. Суммируя графически силы 
, 
, 
, 
, получаем суммарную потенциальную силу Тсум1 от четырех рядов, шатуны которых закреплены на первом колене. С учетом угла между коленами 180 градусов нанесена Тсум2 от четырех рядов, шатуны которых закреплены на втором колене.
Общая Тсум получается путем графического сложения сил Тсум1 и Тсум2То
Тогда полный момент сопротивления примет вид:
,
где 
- сила трения для расчетного режима
Значения средней тангенсальной силы Тср определим по формуле
F=372 см2
2.7 Расчет маховика
Необходимый маховый момент маховика 
площадь максимальной площади на тангенсальной диаграмме
Список использованных источников
1. Низкотемпературные машины:методические указания по выполнению практических занятий для студентов всех форм обучения направления подготовки 16.03.03 –Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения. / Сост: В.И.Алешин, М.В.Шамаров; Кубан.гос.технол.ун-т. Каф. технологического оборудования и систем жизнеобеспечения. –Краснодар, 2015. – 38с.
2.Бараненко А.В. и др. Холодильные машины: Учебник для ВУЗов по специальности Техника и физика низких температур. –Спб., 2006, -944с.
Приложение 3. Типовые варианты заданий
Варианты заданий для выполнения контрольной работы по дисциплине «Низкотемпературные машины»
Варианты заданий для выполнения расчетных работ выдаются на практических занятиях индивидуально каждому студенту. Примеры заданий приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Варианты заданий
| ФИО студента | Холодильный агент | Холодопроизво-дительность Qo, кВт | Температура кипения to, оС | Температура конденсации tк, оС | Температура перегрева на всасывании ^tвс, оС | Число оборо-тов коленча-того вала, n, с-1 | Число цилиндров z | Прототип | Примечание |
| 1. | R22 | -14 | П110 | ||||||
| 2. | R717 | -14 | П110 | ||||||
| 3. | R22 | -20 | П110 | ||||||
| 4. | R134а | -20 | ФУБС12 | ||||||
| 5. | R134а | -13 | ПБ165 | ||||||
| 6. | R22 | -18 | П165 | ||||||
| 7. | R717 | -16 | ПБ40 | ||||||
| 8. | R22 | -10 | ПБ28 | ||||||
| 9. | R717 | -15 | АВ100 |