Мета роботи. 1. Вивчити будову і принцип роботи поршневого компресора.

1. Вивчити будову і принцип роботи поршневого компресора.

2. Вивчити будову і принцип роботи механічного індикатора.

3. Вивчити будову і роботу лабораторної установки.

4. Зняти індикаторну діаграму поршневого компресора.

5. З допомогою індикаторної діаграми визначити максимальний тиск в циліндрі компресора і коефіцієнт подачі.

2.2. Підготовка до роботи

Компресор – це теплова машина, призначена для стиснення і нагнітання газів або пари. Слово «нагнітання»означає переміщення стисненого газу з однієї області в іншу.

В сучасній техніці компресори одержали широке розповсюдження. В промисловості, будівництві, в сільському господарстві вони є джерелами стиснення газів і пари, зокрема, стисненого повітря. В газотурбінних, поршневих і комбінованих двигунах, в холодильних машинах компресор є одним із основних агрегатів.

Для здійснення робочого процесу потрібна витрата енергії від зовнішнього середовища, тобто привід компресора здійснюється від стороннього джерела енергії – двигуна будь-якого типу.

За конструкцією і принципом роботи існує декілька типів компресорів. Їх будова і принцип роботи розглядаються в навчальній і спеціальній літературі.

В сільському господарстві широко застосовуються поршневі компресори.

Схема поршневого компресора наведена на рис.4

Рис. 4. Принципова схема і індикаторна діаграма одноступінчастого поршневого компресора:

1 – поршень; 2 – циліндр; 3 – шатун; 4 – впускний патрубок;

5 – впускний клапан; 6 – нагнітальний клапан; 7 – нагнітальний патрубок

Поршневий компресор складається з циліндра 2, в якому зворотно-поступально рухається поршень 1. Рух поршень одержує від колінчастого валу через його кривошип і шатун 3. В свою чергу колінчастий вал одержує рух через відповідний передавальний механізм від двигуна. Зверху циліндра розміщена кришка (головка), в якій знаходиться два клапани: впускний 5 і випускний або нагнітальний 6. Клапани притиснені до своїх сідел пружинами: впускний слабою, а нагнітальний - жорсткою. Жорсткість пружини нагнітального клапана визначає величину тиску стисненого газу. Відкриваються і закриваються клапани автоматичною під дією різниці тисків до і після клапану.

Для індиціювання швидкохідних поршневих машин застосовується механічний індикатор тиску прутково-пружинного типу. Принцип його дії заснований на зрівноваженні тиску, що виникає в циліндрі машини, і дією на поршень приладу сили пружної деформації стержневої пружини.

Працює поршневий компресор так. Коли поршень рухається від верхньої до нижньої мертвої точки, в циліндрі створюється розрідження. Тиск на тарілку впускного клапану 5 з боку циліндра становиться меншим, ніж з боку впускного патрубка 4. в результаті впускний клапан, навантажений слабою пружиною, відкривається, а циліндр заповнюється газом. При зворотному ході поршня від НМТ до ВМТ об'єм циліндра зменшується, а тиск газу в циліндрі росте і впускний клапан закривається. Нагнітальний клапан, навантажений жорсткою пружиною, залишається закритим, поки сила стисненого газу не зрівняється з силою пружини клапану. Тоді нагнітальний клапан відкривається, і поршень, рухаючись до ВМТ, виштовхує стиснений газ в нагнітальний патрубок 7.

При русі поршня в циліндрі змінюється його об'єм і тиск газу. Якщо записати в координатах р- тиск газу, V- об'єм циліндра залежність тиску газу в циліндрі від об'єму циліндра, будемо мати робочу або індикаторну діаграму. Індикаторною вона називається тому, що прилад, який її записує, називається індикатором. Сам процес запису діаграми має назву "зняття індикаторної діаграми" або "індиціювання машини" (компресора або двигуна).

Основними параметрами роботи компресора є міра підвищення тиску λ і об'ємна продуктивність або подача компресора V.

Міра підвищення тиску є якісною характеристикою компресора. Вона показує, в скільки раз збільшується тиск газу в циліндрі компресора:

де Р₁ - тиск газу перед впускним клапаном;

Р₂ - тиск газу при відкритті нагаітального клапану (в нагнітальному патрубку).

В поршневому компресорі найбільше значення міри підвищення тиску не перевищує λ ≈ 10. Критичною є температура стисненого газу: чим більше тиск газу, тим більше його температура. В циліндрі компресора знаходиться не чистий газ, а його суміш з парою компресорного масла. При високих температурах ця суміш може спалахнути, компресор почне працювати як двигун, внаслідок чого може виникнути поломка машини. Щоб цього не було, обмежують величину λ. В реальних машинах вона дорівнює λ≈ 5...8.

Для одержання більш високих тисків Р₂ (і λ) застосовують багатоступінчасте стиснення. Спочатку газ стискують в одному циліндрі до певного значення λ. Далі стиснений газ направляють в холодильник, де його температура знижується майже до початкової без зміни тиску Р₂ на виході з першого циліндра. Потім охолоджений газ поступає в другий циліндр, де його тиск Р₂ знову підвищується, а температура не перевищує максимальну, таку як і на виході з першого циліндра.

Подачею компресора називається об'ємна кількість газу, яку подає компресор за одиницю часу, віднесену до параметрів газу перед впускним клапаном, м³/с, м³/хв. і т. ін.

V = V_h· n · η_v,

де V_h - робочий об'єм циліндра;

n - частота обертання колінчастого валу, об/с, об/хв. і т. ін.

η_v - об'ємний коефіцієнт корисної дії або коефіцієнт подачі.

Фізичний зміст коефіцієнта подачі η_v пов'язаний з такими поняттями як "ідеальний" і. "дійсний" поршневий компресор.

Технічна термодинаміка розглядає ідеальний поршневий компресор, в якому:

а) відсутній зазор між кришкою циліндра і поршнем, коли він знаходиться в ВМТ (поршень упирається в кришку);

б) відсутнє тертя;

в) відсутній гідравлічний опір впускної і нагнітальної систем;

г) відсутній витік газу через зазор між поршнем і циліндром.

На рис. 4.а наведені індикаторні діаграми ідеального компресора (1'2 34') і дійсного (122'34). В ідеальному компресорі в кінці процесу нагнітання газу 23 поршень упирається в кришку і весь газ виходить із циліндра. При ході поршня від ВМТ до НМТ тиск газу падає від Р₂ до Р₁ ( (процес 34'), зразу відкривається впускний клапан і в циліндр заходить газ, об'єм якого рівний V_h.

В дійсності не можна зробити машину, в якої не було б зазору між кришкою і поршень, коли він знаходиться в ВМТ. Інакше при роботі поршень буде стукатись об кришку і машина вийде з ладу. Об'єм V_o називається шкідливим. В кінці нагнітання в ньому залишається стиснений газ при тиску Р₂. Цей тиск діє на впускний клапан з боку циліндра і при відході поршня від ВМТ не дає можливості відкритись впускному клапану. Щоб впускний клапан відкрився, в циліндрі повинен бути тиск Р₁. Для зменшення тиску газу від Р₂ до Р₁ поршень повинен відійти від ВМТ на певну відстань, газ, який залишився в об'ємі V_o, розшириться (процес 34), і при тиску Р₁ впускний клапан відкриється (т. 4). Але в цьому випадку в циліндр поступить об'єм газу V_вс < V_h і подача дійсного компресора буде менша, ніж в ідеальному. Шкідливий вплив об'єму V_o на величину подачі компресора оцінюється коефіцієнтом подачі .= .

Для компресорів, що випускає промисловість, шкідливий об'єм становить від 4 до 10 % робочого об'єму циліндра.

Індикаторна діаграма складається з чотирьох процесів: стиснення газу 1-2, нагнітання газу в ресивер (в лабораторній роботі в холодильник) 2-3, розширення газу, який залишився в шкідливому об'ємі 34 і всмоктування газу в циліндр 4-1.

2.3. Установка і прилади

Лабораторна установка складається з двохступінчатого поршневого компресора повітряного охолодження, механічного індикатора МИ-2, який приєднаний до робочого об'єму першого ступеня компресора. Барабан індикатора крізь систему блоків з'єднаний шнуром з шайбою, закріпленою на кінці колінчастого валу компресора (рис.5). Тиск повітря після компресора регулюється вентилем, встановленим в нагнітальному патрубку другого ступеня.

Рис.5. Принципова схема будови і роботи механічного індикатора:

1 - циліндр компресора; 2 - індикаторний кран; 3 - корпус індикатора; 4 - втулка; 5 - поршень індикатора; 6 - шток;

7 - калібрована пружина; 8 - важіль записуючої системи;

9 - записуючий штифт; 10 - барабан індикатора;

11 - індикаторний папір; 12 - шнур приводу барабана;

13 - ходозменшувач; 14 - поршень компресора.

Частота обертання колінчастого валу визначається ручним тахометром.

Конструктивні розміри компресора: діаметр циліндру першого ступеню – 106 мм, діаметр циліндру другого ступеню – 54 мм, хід поршня – 89 мм.

Механічний індикатор прутково-пружинного типу МИ-2 – це самопишучий манометр, який застосовується для запису (зняття індикаторних діаграм) швидко протікаючих періодичних процесів зміни тиску в циліндрі швидкохідних машин.

Тиск, який виникає в циліндрі машини в залежності від шляху, що проходить поршень, зображується графічно в вигляді замкнутої кривої в координатах “тиск-об'єм циліндра”.

Площа діаграми в деякому масштабі зображує роботу, яка розвивається для двигунів, або поглинається для насосів і компресорів в циліндрі машини.

Індикатор забезпечений комплектом пруткових пружин різної жорсткості. Масштаб пружин набитий на гайках пружин.

Індикатор тиску МИ-2 складається з трьох частин: корпуса, індикаторної головки з записуючою системою і барабана, на якому закріпляється індикаторний папір (рис.5).

Прилад працює таким способом. Гази з циліндру потрапляють в канал індикаторного штуцера і при відкритому крані індикатора тиснуть на поршень приладу, який розташований в індикаторній голівці, закріплений на корпусі гайкою. Поршень має можливість здійснювати зворотно-поступальний рух.

З поршнем системою важелів зв'язаний важіль записуючого механізму, на кінці якого розміщений латунний олівець. Натиск олівця на індикаторний папір регулюється упорним гвинтом.

В отвір штоку поршня входить стержень каліброваної пружини. Вона забезпечує сувору пропорційність між зміною тиску в циліндрі поршневої машини і відповідним переміщенням поршня індикатора.

Для кріплення індикаторного паперу на барабані служить пластичноподібний паперотримач, закріплений двома ґвинтами на основі циліндра барабана і складений з двох пластинчатих пружин.

Олівець здійснює переміщення тільки по прямій, тому для одержання індикаторної діаграми потрібен обертальний рух барабану, котрий йому надає шнур, накручений на нижню частину барабану. Шнур приводиться в рух від валу через особливий механізм – індикаторний привід. При цьому кут оберту барабана пропорційний шляху, пройденому поршнем компресора.

В результаті двох рухів – повороту барабана (пропорційно ходу поршня) і поступального руху олівця (пропорційно тиску газів в циліндрі) на папері записується діаграма зміни тиску газу в залежності від шляху поршня (а значить і об'єму циліндра), тобто індикаторна діаграма.

Щоб закріпити індикаторний папір на барабані, необхідно відвести пишучий важіль від поверхні барабана, повернувши пишучий механізм зліва направо за голівку установочного гвинта, після цього індикаторний папір згорнути в циліндр, діаметр якого повинен приблизно дорівнювати діаметру барабана. Кінці затиснути між пальцями і надіти папір на барабан так, щоб вони входили через проріз паперотримача, папір стиснути навколо барабана.

Пуск компресора здійснити з допомогою кнопки "пуск", відкрити індикаторний кран і при допомозі вентиля на нагнітальному трубопроводі другого ступеня дати навантаження пружині без запису на барабан, після чого миттєво легким натиском пальця на голівку регулюючого гвинта записати діаграму. Після запису діаграми відвести олівець від барабану, закрити індикаторний кран і зупинити компресор натиском на кнопку "стоп".

Після зупинки компресора на індикаторній діаграмі записати атмосферну лінію, для чого повернути маховик компресора на 360° і легко натиснути пальцем на регулювальний гвинт. Зняти з барабану папір з зафіксованою індикаторною діаграмою.

На знятій індикаторній діаграмі записати масштаб пружини індикатора (набито на гайці пружини), частоту обертання колінчастого валу (заміряти під час експерименту), і дату запису діаграми.

2.4. Визначення максимального тиску в циліндрі

Для визначення максимального тиску в циліндрі надлишкового необхідно максимальну висоту "знятої" індикаторної діаграми над атмосферною лінією помножити на масштаб пружини індикатора:

.

Максимальний абсолютний тиск рівен:

,

де Р_ат – атмосферний тиск, береться по барометру.

2.5. Визначення об'ємного к.к.д, циліндра компресора

Вплив шкідливого об'єму на продуктивність компресора характеризується теоретичним об'ємним коефіцієнтом корисної дії.

,

де V_д - дійсний об'єм всмоктування (на рис. 4 це довжина процесу 4-1); V_h - робочий об'єм циліндра (на рис.7 довжина діаграми).