Проектирование поршневого холодильного компрессора: методические рекомендации (часть 2)

Особенности теплового расчета одноступенчатой хладоновой ХМ с РТО и встроенным в компрессор электродвигателем

В холодильных машинах малой и средней производительности часто применяют бессальниковые и герметичные компрессоры, т. е. компрессоры, которые расположены в одном корпусе с электродвигателем, охлаждаемым холодным паром холодильного агента (процесс 5–1), идущего затем во всасывающую полость компрессора. Цикл работы такой холодильной машины на i, lgp-диаграмме показан на рис. 4.1.6.

Для определения температуры хладагента в точках 5 и 1 задаются перегревом пара в электродвигателе, ориентировочно принимая его равным 10÷20ºС. Таким образом: t5 = tо + (15÷30) ºС; t1 = t5 + (10÷20) ºС.

Количество теплоты Qэл (в кВт), которое выделяется электродвигателем, определяется как Qэл = Ne * (1 – ηэ).

Количество теплоты Qх.а (в кВт), которое подводится к рабочему веществу при его движении через электродвигатель в процессе 5–1, находится по формуле Qх.а = G * (i1 – i5).

Так как Qэ = Qх.а, то после некоторых преобразований получим: i1 – i5 = la * (1 – ηэ) / ηе.

4.2. Выбор конструкции и оптимизация основных параметров компрессора

Выбор конструктивных параметров компрессора, таких как ход поршня S, диаметр цилиндра D, скорость вращения вала n и число цилиндров z, является весьма сложной проблемой, оптимальное решение которой может быть найдено путем выполнения проектов ряда вариантов компрессора и их сопоставления.

Выбор основных параметров рационально производить в следующем порядке:

1. Задаться величиной ψ = S / D. Для современных компрессоров можно рекомендовать следующие значения ψ: для аммиачных компрессоров ψ = 0,7÷0,9; для компрессоров, работающих на хладонах, ψ = 0,6÷0,8; для герметичных компрессоров ψ = 0,5÷0,7.
2. Выбрать число цилиндров z и их компоновку.
3. Выбрать частоту вращения вала компрессора n.
4. Определить среднюю скорость поршня ст = 2 * S * n (м/с). Для современных компрессоров рекомендуется выбирать среднюю скорость в пределах ст = 2÷5 м/с.
5. Рассчитать параметр удельных сил инерции ki = S * n^1,5.

Для выбора оптимальных значений конструктивных параметров используют формулу Vh = (π * D^2 * S * z * n) / 4.

Таблица 4.2.1. Основные конструктивные параметры компрессора

n, 1/c	z	ψ (0,7/0,6/0,5)	ψ (0,75/0,65/0,55)	ψ (0,8/0,7/0,6)	ψ (0,85/0,75/0,65)	ψ (0,9/0,8/0,7)
16	2	D S cm ki	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	…

4.3. Предварительное конструирование компрессора

После тщательного ознакомления по чертежам и описанию с конструкцией прототипа студент должен критически оценить данную конструкцию. Вычерчивание чертежа общего вида нужно производить одновременно в двух проекциях (продольный и поперечный разрезы).

Проектирование следует начинать с разработки одного из цилиндров (рис. 4.3.1). Толщина стенки гильзы δг = (0,05÷0,10)D. Высота непроходного поршня бескрейцкопфного компрессора Hп = (1,0÷1,2)D.

Количество компрессионных колец в холодильных компрессорах зависит от частоты вращения вала. Радиальная толщина кольца tкол = (0,04÷0,05)D. Диаметр поршневого пальца dп.п = (0,2÷0,3)D.

В современных поршневых холодильных компрессорах отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ = 0,17÷0,22. Диаметр шатунной шейки вала хладонового компрессора dш.ш = (0,45÷0,65)D.

4.4. Расчет газового тракта поршневого компрессора

Площадь и основные размеры проходных сечений в элементах газового тракта определяются из условия ограничения потерь на преодоление газодинамического сопротивления в них исходя из допустимых скоростей потока пара холодильного агента.

Таблица 4.4.1. Рекомендуемые средние скорости пара в проходных сечениях компрессоров, м/с

Проходное сечение	R717	R22	R12
Всасывающий патрубок	20÷25	15÷20	12÷17
Всасывающий клапан (седло)	25÷30	20÷25	17÷22
Всасывающий клапан (щель)	40÷60	30÷40	25÷30
Нагнетательный клапан (седло)	30÷35	25÷30	22÷27
Нагнетательный клапан (щель)	40÷60	30÷40	25÷35
Нагнетательный патрубок	25÷30	20÷25	17÷22

Расчет всасывающего и нагнетательного патрубков, а также различных типов клапанов (кольцевых, полосовых, пятачковых, язычковых) производится исходя из условия сплошности потока и допустимых скоростей пара.

4.5. Динамический расчет поршневого компрессора

Динамический расчет проводится для определения сил и моментов, действующих в компрессоре, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Результаты динамического расчета служат основой для определения махового момента, расчета противовесов, определения неуравновешенных сил и прочностных расчетов.

Силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм: силы от давления газа, силы инерции поступательно движущихся масс, силы инерции вращающихся масс, силы трения, вращающий момент.

Динамический расчет включает построение индикаторной диаграммы, расчет сил инерции, построение диаграммы свободных усилий, диаграммы тангенциальных сил, определение маховых масс и расчет радиальных сил.

4.6. Определение мощности электродвигателя компрессора

Мощность электродвигателя компрессора определяется по второму расчетному режиму (табл. 4.6.1). Второй расчетный режим – это режим, при котором мощность на валу компрессора максимальна.

Таблица 4.6.1. Расчетные условия для одноступенчатых поршневых компрессоров

Режим	Параметры	Qo  36 кВт (R22; R717)	Qo  36 кВт (R12)	Qo < 36 кВт (R22)	Qo < 36 кВт (R12)
Второй	Макс. ср. инд. давление рi ср, МПа	0,81	0,69	0,83	0,69

При расчетах по второму расчетному режиму не учитывают силы трения, и максимальная мощность Nmax (в кВт) определяется по формуле: Nmax = Vh * рi ср.

4.7. Определение холодопроизводительности компрессора при стандартном режиме работы

Параметры стандартного режима: tк = 30С, tо = 15С, tрв = 25С, tвс = 10С (для аммиака) или 20С (для фреонов).

Последовательность расчета: построение цикла, определение параметров узловых точек, расчет коэффициента подачи λст и удельной объемной холодопроизводительности qv ст, расчет холодопроизводительности Qо ст.

4.8. Заключение

В заключении приводится техническая характеристика (табл. 4.8.1) и краткое описание конструкции проектируемого компрессора. Особо следует отметить отличие конструкции разработанного компрессора от выпускаемого промышленностью, его преимущества с точки зрения конструкции узлов и деталей, технологичности, массогабаритных характеристик.

Таблица 4.8.1. Техническая характеристика компрессора

Параметр	Значение
Тип компрессора
Количество цилиндров
Диаметр цилиндра, мм
Ход поршня, мм
Холодопроизводительность, кВт
Мощность, кВт
Частота вращения вала, с–1

5. Оформление курсового проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. В курсовом проекте должны строго соблюдаться ГОСТы ЕСКД. Пояснительная записка выполняется на одной стороне листа формата А4. При наборе на ПК использовать шрифт Times New Roman, кегль 14, одинарный интервал.

Графическая часть проекта – 1÷2 листа формата А1 (общий вид компрессора). Чертеж общего вида определяет конструкцию компрессора, взаимодействие его составных частей и поясняет принцип работы машины.

6. Организация выполнения и защита курсового проекта

Студентами очной формы обучения курсовой проект выполняется в течение пятого семестра третьего курса. Процесс проектирования разбит на три модуля. Выполнение курсового проекта оценивается максимум в 100 баллов.

Таблица 6.1. Распределение баллов рейтинговой оценки

Модули	Содержание	Баллы
Модуль 1	Тепловой расчет, выбор конструкции, подбор двигателя	10
Модуль 2	Расчет газового тракта, разработка общего вида	25
Модуль 3	Динамический расчет	15
Выходной рейтинг	Защита курсового проекта	25

Защита курсового проекта проводится на кафедре руководителю курсового проекта. В процессе защиты студент кратко излагает содержание курсового проекта, отвечает на вопросы преподавателя.

6.1. Контрольные вопросы к защите курсового проекта

1. Последовательность теплового расчета холодильного компрессора.
2. Цель теплового расчета поршневого холодильного компрессора.
3. Зависимость коэффициента подачи от отношения давлений.
4. Определение индикаторного и эффективного КПД.
5. От какого параметра зависит выбор конструктивных параметров?
6. По какому режиму подбирается электродвигатель?
7. От чего зависит площадь проходных сечений трактов?
8. Принцип конструктивного расчета клапанов.
9. Конструкция всасывающего и нагнетательного клапанов.
10. Назначение и принцип работы сальника.
11. Система смазки механизма.
12. Преимущество бессальникового компрессора.
13. Особенности конструкции герметичного компрессора.
14. С какой целью производится динамический расчет?
15. Какие силы действуют на кривошипно-шатунный механизм?
16. Какие силы создают суммарную свободную силу?
17. Изменение какой силы приводит к неравномерности вращения?
18. Какие силы инерции возникают в механизме?
19. От каких параметров зависят силы инерции?
20. Последовательность построения суммарной диаграммы тангенциальных сил.
21. Назначение и определение маховых масс.
22. Как уравновешиваются силы инерции в спроектированном компрессоре?
23. Определение холодопроизводительности при стандартном режиме.

6. Рекомендуемая литература

1. Холодильные машины: Учебник / Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. – СПб.: Политехника, 2006.
2. Балыкова Л.И., Сарайкина И.П. Кондиционирование воздуха. Компрессорные машины. – Н. Новгород: Вектор-ТиС, 2007.
3. Холодильные компрессоры: Справочник / Под ред. А.В. Быкова. – М.: Колос, 1992.
4. Холодильные машины: Учебник / Под общ. ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение, 1985.
5. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Под общ. ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение, 1987.
6. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. – М.: Агропромиздат, 1987.
7. Зеликовский И.Х., Каплан Л.Г. Малые холодильные машины и установки: Справочник. – М.: Агропромиздат, 1989.
8. Технология компрессоростроения / Н.А. Ястребова и др. – М.: Машиностроение, 1987.
9. Абдульманов Х.А., Балыкова Л.И., Сарайкина И.П. Холодильные машины и установки, их эксплуатация. – М.: Колос, 2006.
10. Константинов Л.И., Мельниченко Л.Г. Расчеты холодильных машин и установок. – М.: Агропромиздат, 1991.
11. Журнал «Холодильная техника».
12. Гаврилов С.В. Учебные работы. Разработка и оформление. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005.