МУ_ЛПЗ_ПиА. Методические указания по выполнению лабораторных работСоставитель А. В. Гербсоммер Омск бпоу 0 0 опэк 2018. с. 85
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
Б-Б б) Рисунок 3. 7 - Металлические (аи синтетические (б) поршневые кольца 1,2 - уплотняющие и маслосъёмные кольца 3,4 - расширитель в свободное и рабочее состояние Поршневой палец (рисунок 3.8, а) стальной цементированный и закаленный пустотелый валик — шарнирно соединяет поршень с шатуном. Устанавливают его в отверстия бобышек поршня. Наружная поверхность пальца, охваченная втулкой шатуна тщательно отшлифована и отполирована для снижения трения. Овальность и конусность пальца допускаются не более мм. Палец может поворачиваться как в головке шатуна, таки в бобышках поршня (плавающее крепление. Чтобы он не перемещался в осевом направлении и не касался зеркала цилиндра (прикасании пальца о зеркало цилиндра может произойти задир цилиндра, в бобышках поршня выполнены канавки, в которые устанавливают пружинящие стопорные кольца. Рисунок 3.8 - Поршневой палец (аи шатун (б - вкладыш 2 - шатунный болт с гайкой и шплинтом 3 - втулка с верхней головки шатуна 4 - ограничительное кольцо 5 - верхняя головка шатуна 6 - стержень 7 - крышка 8 - разбрызгиватель масла 9 - регулировочные прокладки. Шатун (рисунок 3.8, б) шарнирно соединяет поршни с коленчатым валом и передает усилие от коленчатого вала поршню вовремя работы компрессора. Шатун обычно штампуют из стали с поперечным двутавровым сечением. Верхняя головка шатуна цельная, в ней запрессована бронзовая втулка, которая уменьшает трение ее о поршневой палец. Нижняя головка, охватывающая шатунную шейку коленчатого вала, разъемная и состоит из двух частей. Верхняя часть составляет одно целое со стержнем шатуна, нижняя крышка соединена с верхней шатунными болтами с гайками, которые шплинтуют во избежание самопроизвольного ослабления затяжки шатунных болтов. Коленчатый вал (рисунок 3.9), изготовляемый из стали или ковкого высокопрочного чугуна, воспринимает усилия от двигателя (крутящий момент) и приводит в движение шатуны и поршни компрессора. Кроме того, коленчатый вал используют для привода вспомогательных механизмов вентилятора, масляного насоса, маховика. Состоит он из шатунных и коренных шеек, щеки противовесов. Шейки термически обработаны для придания им необходимой твердости, отшлифованы и отполированы с высокой степенью точности. Рисунок 3.9 - Коленчатый вал с опорным подшипником - передний и задний концы вала 2 - щека 3 - противовес 4 - шатунная шейка 5 - роликовый подшипник 7 - коренная шейка. Маховик, уменьшающий неравномерность вращения коленчатого нала, представляет собой отлитый из чугуна массивный диск, который насаживают непосредственно наконец коленчатого вала на шпонке и закрепляют гайкой. В компрессорах с фрикционной муфтой сцепления маховик является деталью муфты. На некоторых компрессорах маховик используют как полумуфту для соединения вала компрессора с полумуфтой нала электродвигателя. Устройство и принцип работы лабораторной установки Рассмотрим стенд компрессорной установки согласно рисунка 3.10. Воздушный компрессор состоит из двигателя 3, который превращает электрическую энергию вход поршня. Сжатый воздух выбрасывается в атмосферу. Датчик давления 6 снимает показания давления в поршне, а датчик положения поршня (оптический инкрементный энкодер) 8 измеряет положение поршня. С помощью ЛАТРа 11 можно задавать скорость вращения двигателя Рисунок 3.10 - Комплектация лабораторной установки для изучения работы компрессора - ресивер 2 - клапан подачи сжатого воздуха в ресивер 3 - мотор; 4-цилиндр поршня 5 - головка цилиндра 6 - датчик давления 7 - защитный кожух 8 - датчик положения поршня 9 - блок управления воздушного компрессора 10 - регулятор напряжения ЛАТРа; 11 - ЛАТР; 12 - дисплей ЛАТРа. Экспериментальная установка представляет собой одноступенчатый, одноцилиндровый поршневой компрессор простого действия. В котором за один ход поршня происходит одно всасывание и одно нагнетание. Одноступенчатые компрессоры изготовляют горизонтальными и вертикальными. Горизонтальные компрессоры обычно являются машинами двойного действия, а вертикальные - простого действия. В одноступенчатом компрессоре простого действия поршень передвигается в цилиндре. С одной стороны, цилиндр закрыт крышкой, имеющей всасывающий и нагнетательный клапаны. Поршень соединен непосредственно с шатуном и кривошипом, навалу которого установлен маховик. Приходе поршня слева направо в пространстве между крышкой цилиндра и поршнем создается разрежение. Под действием разности давлений во всасывающей линии и цилиндре открывается клапан, и газ поступает в цилиндр. При холе поршня справа, налево всасывающий клапан закрывается, а находящийся в цилиндре газ сжимается поршнем до определённого давления, при котором открывается клапан и газ выталкивается в нагнетательную линию. После этого цикл повторяется заново. Вертикальные одноступенчатые компрессоры по сравнению с горизонтальными более быстроходны и, следовательно, более производительны занимают меньшую производственную площадь, цилиндр и поршень медленнее изнашиваются. Поршневой компрессор состоит из кривошипно-шатунного и воздухораспределительного механизмов и четырех систем (смазочной, охлаждения, воздухоподготовки и регулирования производительности). Кривошипно-шатунный механизм вместе с цилиндропоршневой группой преобразует вращательное движение коленчатого вала в возвратно поступательное движение поршней. Кривошипно-шатунный механизм вместе с цилиндропоршневой группой рисунок 3.11) представляет собой чугунный корпус (картер. на котором установлены цилиндры низкого и высокого давления, коленчатый вал с закрепленными на нем шатунами и поршнями Рисунок 3 .1 1 - Конструкция блока управления поршневого воздушного компрессора- Выключатель («ON/OFF»), 2 - патрубок соединения с воздушным шлангом, 3 - кран подачи сжатого воздуха, 4 - манометр редуктора давления, 5- ручка редуктора, 6 - манометр давления в ресивере, 7 - предохранительный клапан, 8 - кран слива конденсата из ресивера. Воздушный компрессора состоит из электродвигателя М, которые приводит в движение поршень посредством коленчатого вала, шатуна и поршневого пальца (рисунок 3.12). Сжатый воздух нагнетается в атмосферу. Оптический инкрементный энкодер 1 измеряет положение поршня и соответственно число оборотов коленчатого вала. С помощью ЛАТРа регулируемого лабораторного автотрансформатора) можно задавать требуемую скорость вращения электродвигателя Рисунок 3.12 - Принципиальная схема лабораторной установки Практическая часть Задание: Экспериментально измерить давление, количество оборотов за 70 секунд работы компрессора при напряжении 65, 75,85,95 В. На основе экспериментальных данных рассчитать подачу компрессора. Построить график зависимости давления от скорости вращения Порядок выполнения работы. Ознакомиться со схемой лабораторной установки и расположением приборов. Подготовить стенд к испытанию. Удостовериться, что ресивер пуст. В противном случае, открыть кран подачи сжатого воздуха испустить весь воздух в атмосферу. Подключить стенд к сети В и включить автомат на самом стенде. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера и запустить программу Испытание компрессора. В программе Испытание компрессора заполнить поле Фамилия б.Включить «ВК1» на стенде и одновременно в программе нажать на клавишу Пуск. Если плата подключена правильно к программе, загорится следующий элемент Плата подключена в противном случае. С помощью ЛАТРа установить рабочее напряжение (в соответствие с заданием таблица 3.1). 8. При включении компьютерной системы измерения клавишей Пуск в программе на цифровых индикаторах лицевой панели (Рисунок 3.13) отображаются мгновенные значения давления и количество об/мин измеряемых датчиками, и графики их изменения во времени. Рисунок 3.13 - Лицевая панель компьютерной системы измерения 9. Через минуту работы компрессора произвести испытание в течение секунд при установившемся режиме и выключить его. То есть измерения проводятся в течение 1 минуты 10 секунд. Результаты измерений работы компрессора автоматически сохраняются в формате Exl. (таблица 3.1), путь к файлу указанна лицевой панели (Рисунок Таблица 3.1 - Результаты измерения работы компрессора Напряжение по ЛАТРу (U), В Время в соответствие с табл. 3, с Давление в соответствие табл. 3 (Рк), кПа Количество оборотов в соответствие с табл. 3 (n), об/мин 65 75 85 95 Рассчитать индикаторную мощность (Ni), мощность трения (Nip), эффективная мощность (Ne), объём описываемый поршнем (Vh), действительную производительность (Уд), теоретическую подачу QT, действительную подачу QA , Х объёмный коэффициент полезного действия. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу Таблица 3.2 - Расчётные результаты параметров работы компрессора, Вт МгрВт Ne, Вт, м3/с Уд, л/мин Q t , м3 Qд, м3 Яо 12. Построить график зависимости давления и скорости вращения от времени по 10-15 точкам на основании таблицы Обработка результатов эксперимента Исходные данные: D-диаметр цилиндра - 50 мм; S-ход поршня - 23 мм; Z-число цилиндров - Х- коэффициент подачи компрессора который учитывает потери при сжатии- 0,9 ртр - величина удельного давления трения, которая зависит от производительности компрессора - 40 кПа. 43 1 Определяем объём, описываемый поршнем компрессора - это объём, который освобождается в цилиндре при перемещении поршня от НМТ нижней мёртвой точки) до ВМТ (верхней мёртвой точки, м3/с п • D 2 Vh = — — S - Z - n (31) где D - диаметр цилиндрам- ход поршням- число цилиндров - число оборотов электродвигателя, св соответствие с таблицей 3.1). 2 Площадь поршням Л Действительная производительность компрессора, м3/с; У д = У к -Л где Я - коэффициент подачи компрессора, который учитывает потери при сжатии и (принимается по практическим данным, для воздушного компрессора коэффициент подачи находится в пределах 0,85 - 0,95) 2 = 2 • 2 • 2 • 2 /I С др /lW /1ПЛ где Яс — объёмный коэффициент, обусловленный наличием мёртвого пространства Ядр ■ Xw • Япл- коэффициент дросселирования, подогрева и плотности Рассчитываем длину хода поршня характеризующий период всасывания, м = 0,8 -D (3.4) 5 Рассчитываем объёмный коэффициент полезного действия отражает эффективность всасывания цилиндра и выпуска из цилиндра рабочей среды Яо = S i / S (3.5) 6 Рассчитываем теоретическую объёмную подачу - это объём описываемый поршнем в единицу времени без учёта коэффициента трениями п = ^ - ^ - S - — (3.6) 4 60 7 Рассчитывает действительную подачу, м3, Qд = т Я, (3.7) 8 Разность длинны хода поршням Мощность, затраченную на сжатие пара в действительном процессе, определят по индикаторной диаграмме и называют индикаторной. Индикатор мощности, кВт = V h • рк где рк - давление в цилиндре компрессора, Па 10 Под эффективной мощностью понимают мощность навалу компрессора, которая равна сумме мощностей индикаторной и трения. Эффективная мощность, Вт Критерии оценки: Оценка отлично выставляется, если- лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы- экспериментально определены основные параметры работы компрессора и проведена обработка данных в соответствие с методикой- заполнена таблица результатов (давление, количество оборотов, время- по итогам расчета составлен вывод- ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение аргументировано отвечать. Оценка хорошо если- лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы- экспериментально определены основные параметры работы компрессора и проведена обработка данных в соответствие с методикой- заполнена таблица результатов (давление, количество оборотов, время, но имеются неточности- по итогам расчета составлен вывод- ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение отвечать. При неправильном ответе студент сам исправляет свои ошибки. Оценка удовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с небольшими нарушениями правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия, нов нем отсутствует описание некоторых этапов лабораторной работы; (3.10) Для определения Nmp пользуются выражением: Nтр Ртр • ^h (3.11) 45 - экспериментально определены основные параметры работы компрессора и проведена обработка данных в соответствие с методикой- заполнена таблица результатов (давление, количество оборотов, время, но имеются грубые ошибки в расчетах- составлен вывод с недочетами- ответы на дополнительные вопросы неполные и требуют уточнения. Оценка неудовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с серьезными нарушениями техники безопасности- отчет не оформлен вовремя занятия или содержит грубые ошибки в оформлении и выводе- определены основные параметры работы компрессора и не проведена обработка данных в соответствие с методикой- не заполнена таблица результатов (давление, количество оборотов, время- ответы на вопросы неправильные. Контрольные вопросы. Назовите основные узлы воздушного компрессора и принцип его работы. Какие существуют типы поршневых компрессоров. Изображение рабочих процессов, происходящих в теоретическом поршневом компрессоре в p-V координатах. Изображение рабочих процессов, происходящих в действительном поршневом компрессоре в p-V координатах. В чём отличия теоретической индикаторной диаграммы от действительной. Какие факторы влияют на производительность компрессора. Что называется, мёртвым объёмом, назначение. Пример построения графика давления и скорости вращения к времени Лабораторная работа Тема Исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции Цель работы Выявление различных механизмов переноса тепла, расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена - количеств тепла, передаваемого от ее поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности. Оборудование, приборы, и материалы. Лабораторная установка по изучению комбинированного теплообмена. Ноутбук с установленным программным обеспечением «Measlab» для работы с лабораторной установкой по изучению комбинированного теплообмена. Инструкция по выполнению лабораторной работы. Ознакомится с целью работы. Повторить ранее изученный теоретический материл. Ознакомится с заданием и изучить принцип работы лабораторной установки. Ответить на контрольные вопросы (устно) и получить допуск к работе у преподавателя. Выполнить исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции в соответствии с заданием. По результатам проведенных измерений и вычислений построить график зависимости коэффициента теплоотдачи аэксп от разности температур (tCT - to). 7. Оформить отчет. Защитить работу. 1.Теоретическая часть Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Теплопроводность - перенос внутренней энергии из одной точки вещества в другую за счет энергообмена между структурными частицами вещества (столкновения молекул при их тепловом движении в газах и жидкостях, обмен энергией колебательного движения ионов в кристаллических решетках твердых тел и т. п.) Тепловая конвекция - это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен он складывается из процессов лучеиспускания и луче- поглощения. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все эти механизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла. Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур. В настоящей работе на примере нагретых горизонтальных труб необходимо определить тепловую мощность, выделяемую трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы QZ и рассчитать тепловые потоки, отдаваемые в окружающую среду тепловым излучением ли конвекцией Q^ В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением: где Qz - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, Вт; В эксперименте тепловой поток Q ^ отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется как Теоретически он равен Qк = a-F^x-to) Здесь коэффициент теплоотдачи, (Вт/м2К), определяемый в эксперименте, F= n-d-l - площадь поверхности трубы, (м, d - ее наружный диаметр, l - длинам- температура наружной стенки трубы и окружающей среды, Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью. Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана как : Qz = к = QZ - Qл (4.2) (0С). (4.4) 48 тела; где s - степень черноты наружной поверхности трубы, С0 =5,67( Вт/м2 ) - коэффициент теплового излучения абсолютно черного Тст, Т -температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К). Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя, температуры наружной поверхности tCT и окружающей среды - t0 и зная степень черноты поверхности s, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы. Qk а эксп = F(tCT-to) где Q k = Q 2 ^ Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано на основе теории подобия конвективного теплообмена по критериальному уравнению = C-(Gr-Pr)-n , где Си n постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции, полученные обобщением результатов большого количества экспериментов проведенных различными исследователями (табл. безразмерный критерий Нуссельта, характеризующий отношение теплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через слой среды толщиной d2. Nu =(a-d)/X критерий Прандтля, характеризующий соотношение вязкости и теплопроводности среды (табл. критерий Грасгофа, равный отношению выталкивающей силы, действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости. Для воздуха ст-Со) (4.9) Gr= f^CT-to Y т где g=9.81 (м2/^-ускорение свободного падения наружный диаметр трубы, (мм и кинематическая вязкость, (м2/с). Таблица 4.1- Значения величин Си в критериальном уравнении. Режим свободной конвекции- Pr) С n Пленочный 1-10-5 0,5 Переходный 1,18 Ламинарный 0,54 Турбулентный 0,135 0,33 V 49 Таблица 4.2 -Теплофизические свойства сухого воздуха при Р МПа, 0С р кг/м3 ь, Вт/м-К D, мс с, Дж/г-К Рг 0 1,293 0,0244 13,2-10-6 1,005 0,707 20 1,205 0,0259 15,1-10-6 1,005 0,703 40 1,128 0,0267 17,0-10-6 1,005 0,699 60 1,029 0,0290 18,0-10-6 1,005 0,696 80 1,000 0,0305 21,1-10-6 1,009 0,692 100 0,946 0,0321 23,1-10-6 1,009 Рабочая часть установки представляет собой платформу, на которой закреплены 4 трубы одинаковой длины с различными размерами и отражающими характеристиками наружных поверхностей, определяющих теплообмен излучением - окисленной, полированной и закрашенной в белый цвет. Внутри каждой трубы установлен трубчатый нагреватель диаметром 12 мм с сопротивлением 48 Ом. Пространство между нагревателем и внутренней поверхностью трубы заполнено воздухом, являющимся диатермической средой. Для уменьшения контактных утечек тепла трубы закреплены в кольцах стоек на тонких стержнях. Для контроля температуры поверхности обеих труб используются современные цифровые датчики со встроенными.системами усиления и калибровки выходного сигнала. Рисунок 4.1 - Схема экспериментальной установки 1-ЛАТР с измерительным трансформатором 2- индикатор напряжения 3- трубчатые электронагреватели, 4 - воздушный конвектор, 5 - термопары поверхности труб, 6 - алюминиевая труба с полированной поверхностью диаметром 16 мм, 7 - труба с окрашенной поверхностью диаметром 25 мм, 8 - труба с полированной поверхностью диаметром 25 мм, 9 - труба квадратного сечения 25x25 мм. Рисунок 4.2- Электрическая принципиальная схема установки - вилка для подключения стенда к сети 220 В / 50 Гц, заземление обязательно - вилка USB для подключения к компьютеру (протокол USB 1.1) XS1 - розетка для подключения дополнительных приборов к сети 220 В / 50 Гц, располагается сзади стенда в белом коробе. Максимальная мощность 1,5 кВт. Используется для подключения компьютера (ноутбука) при работе со стендом - автоматический однофазный выключатель, мощность А (А, А или А) в зависимости от модели стенда. Установлен на лицевой панели стенда. S2 - выключатель подачи питания к автоматическому трансформатору со встроенным индикатором (светодиод. На стенде расположен в лицевой панели с обозначением ВК1. S3-S6 - набор электронных ключей, встроенных в приборы ТРМ 202 для коммутации нагрузок - индикаторная лампа, загорается при подачек стенду питания В с помощью автоматического выключателя S1. T1 - автоматический автотрансформатор подает регулируемое напряжение В) к нагревателям. Мощность 500 Вт, максимальный ток А, R2, R3, R4 - нагреватели, сопротивление каждого 48 Ом. ТРМ 202 - измерители-регуляторы сигналов с термопар. Передача данных осуществляется по протоколу RS 485 с последующим преобразованием преобразователь АС) и передачи данных в компьютер по протоколу Управление электронными ключами происходит с помощью внутреннего цифрового канала - термопары, установленные на поверхности труб Практическая часть |