容积式空气压缩机热力学性能测试与计算.doc

容积式压缩机热力学性能实验指导书一、实验课程的教学目的和任务本实验课程为流体机械类课程中容积式压缩机基本实验课程之一。本实验课程的任务是使学生掌握上述各专业方向专业课程(工程热力学、工程流体力学、传热学、过程机械等)所涉及的专业实验的测量原理、技术和测试方法，培养学生实验操作能力、理论联系实际以及分析问题和解决问题的能力，以适应市场经济条件下对工科人才培养的要求。二、实验课程的基本要求1、通过实验教学，使学生直接了解和掌握本专业领域现代测试技术和检测仪表的性能、原理和使用方法。掌握本专业实验方法、技能与数据处理方法，培养学生实践动手能力、专业实验技能和综合知识的运用能力，使学生具有专业领域内初步的科学实验工作能力。 2、借助通用仪表测量实验状态下压缩机进出口压力、温度、流量、功率、转速等多个实验参数，并进行数据处理，得出反映压缩机性能的结论。3、将实测数据代入压缩机热力学公式进行计算，进一步加深理解和掌握书本上有关压缩机热力学过程的理论知识，从而对容积式压缩机的工作机理有更深刻的了解。三、实验设备图1-1 OG10A单螺杆空压机实验台 单螺杆空压机（型号为OG10A，额定排气量：1 m3/min，排气压力：0.85 MPa，电机功率：7.5KW），通用变频器：IHF75K，全数字智能交流电量采集模块RemoDAQ-8203，RS232/RS485无源转换器MWE485-A，台式计算机及IFIX3.0软件，指针压力计，玻璃转子流量计等。单螺杆空压机螺杆直径：d1=150mm，螺杆头数Z1=6；螺齿容积： （31）螺杆压缩机结构容积流量： （32）式中：n压缩机转速，r/min四、实验基础理论1、理想气体状态方程 （41） （42） 气体的绝对压力； 气体的绝对温度； 气体的比体积； 气体的体积； 气体的质量； 气体常数，； 气体分子量，空气分子量： 气体质量；理想气体.： （43）绝热指数（等熵指数）： （44） 气体的定压比热容；，空气 气体的定容比热容；，空气常温下，压力小于10MPa的空气、氧气、氢气等一般都可看作是理想气体。2、热力学第一定律容积式空气压缩机的热力过程可近似看作是闭口系统的多变过程，其热力学第一定律表达式为： （45）气体压缩过程： （46）气体增压所需的压缩功： （46a）其中： 气体经历一个微元过程与外界所交换的热量； 气体经历一个微元过程的热力学内能变化； 气体经历一个微元过程的焓变；，焓降为： 气体经历一个微元过程的容积膨胀功； 气体经历一个微元过程的压缩功；3、理想气体的过程方程 （46b） 多变指数。把理想气体的状态方程代入（16b）式可得： （46c）4、典型热力学的过程功(1) 气体膨胀过程功 （按多变过程） （47） （48）（2）气体压缩过程功 （按多变过程） （49）或： （410）压缩过程中产生的热量： （411）五、容积式空压机的性能参数计算1、容积式空压机的理论效率（1）空压机的质量流速 （51）Qo 空压机单位时间内的理论进气量； 空压机出口的实测排气量；（2）理论功率 （52）2、容积式空压机的效率 （53） 空压机的理论功率，W 空压机电机的实测功率，W3、容积式空压机的多变指数将实测所得的空压机进、出口的压力、及进、出口的温度及代入公式（46c），即可得到容积式空压机的多变指数m为： （54）4、容积式空压机的比功率（1）空压机折算进气量Qo 空压机折算进气量Qo指在单位时间内，压缩机排出气体的容积换算到进口状态下的压力与温度下时气体的容积。(它与机器铭牌的上的额定排气量有所区别，额定排气量指在特定状态下（进口压力为、温度为）的排气量。) （55）其中： 空压机出口的实测排气量； 空压机出口实测压力； 空压机出口实测温度； 空压机进口实测压力； 空压机进口实测温度；（2）空压机的比功率 比功率是相同排气压力的压缩机，每立方米排气量所需的功率，以衡量同一类型压缩机的经济性，单位为W /（m3/min） （56）其中： 空压机的轴功率； （57）其中： 空压机的机械效率；通常：对于小型空压机：；六、实验步骤该实测实验是在一台单螺杆式空压机（型号为OG10A）上进行的。在此台空压机上可完成体积流量、气体温度、气体压力、电机有功功率等物理量的测量，空压机主机由交流变频电机所驱动，从而可以进行压缩机在不同工作状态下的实验，本套装置确定了新的测算目标，充分发挥了全数字交流电量测量模块所具有的精确性和实时性，体现了现代控制理论在多变量过程控制系统中的应用。该系统集成了信息采集、分析计算直到执行结构，形成完整的闭环。1开机与实验数据测定 检查整台实验设备，长时间未开动时，需要盘车。打开排气阀。 接通主电源，启动工作台各仪表。按主机启动开关，机器启动运行一段时间。 设定工作转速500r/min，依靠调节排气阀使排气压力保持稳定在某设定值（例如0.5MPa），待工作稳定后（约5分钟），进行体积流量、气体温度、气体压力、电机输入功率等物理量的测量并记录数据。然后在该排气压力保持不变下改变电机转速，每次递增100 r/min，直到900 r/min，记录压缩机在该工作状态下的实验数据，每个排气压力下测定5组数据。然后改变排气压力设定值，每次递增0.1MPa，直到0.7MPa，共测定3套不同排气压力下的数据。 开启电脑并运行IFIX3.0组态软件，进入程序菜单，依据测试数据进行计算。2实验数据计算与整理将所测定的试验数据填入表中（或电脑屏幕中相应的窗口），点击开始计算按钮，电脑将自动代入相应的理论公式进行计算并显示结果，然后将计算结果填在试验指导书的表格里。填写的顺序为：当排气压力固定时按照电机转速由低到高，逐次填写。然后改变排气压力，重复上述计算过程。3实验结果分析与讨论对比各组计算结果，分析压缩机在不同工作状态下，其机械效率及比功率等性能指标改变的原因，并总结分析影响压缩机工作效率的主要因素及如何提高压缩机的工作效率。七、实测数据读取及计算过程已知参数：空气体常数 ；空气在20oC，吸气压力p1=1105 Pa；空压机机械效率：；设定某一转速值n，测量不同排气压力下的各参数。1、 容积式空压机热力学性能参数测试表表7-1 容积式空压机热力参数实测表参数名称实测值与计算公式工况1工况2工况3工况4工况5压缩机转速 n n； (r/min)压缩机吸气压力：（Pa）：绝压空压机出口排气压力p2（Pa）P2；绝压空压机吸气温度 T1（实测）；（t+273；K）空压机出口排气温度T2（实测）T2；（t+273；K）流量计入口排气压力pd（Pa）pd；绝压流量计入口排气温度 Td（实测）Td ；(t+273；K )流量计测定排气量Qd（实测）Qd ；(m3/min)多变指数m压缩机压缩生热量q（kJ/kg.K）理论耗功（J / Kg）空压机效率空压机理论轴功率；() 空气的气体常数R=287；等压比热比cv=0.7170.718 kJ/kg.K ；等熵指数k=1.4；机械效率：；压缩机螺杆直径d1=150mm，螺杆头数Z1=6；2、计算公式与特性曲线在不同的工况下，分别测定空压机的出口排气量Qd；吸、排气压力p1、pd；吸、排气温度T1、Td；电机实测有功功率NL 。（1） 计算多变指数 m，代入公式（54）。（2） 计算理论耗功wi，代入公式（410）。（3） 计算质量流速qm，代入公式（51）。（4） 计算理论功率Ni，代入公式（52）。（5） 计算额定折算进气量Qo，代入公式（55）。（6） 计算轴功率NZ，代入公式（57）。（7） 计算空压机效率t，代入公式（53）。（8） 计算比功率Nr，代入公式（56）。（9） 计算压缩机结构流量qe，代入公式（55a）。空压机性能变化曲线图（转速n固定时）