quạt và máy nén piston

Không khí đước nén từ áp suất 1 at lên 9 at bằng máy nén pít tông 1cấp và 3 cấp có làm lạnh trung gian, thể tích chết 8%.. • c: quá trình đẳng entropi : không thể xảy ra vì luôn có sự s

Bài tập Quạt, Máy nén

• 1.Dùng quạt để vận chuyển khí có khối lượng riêng 1,2 kg/m3 từ một bình lớn Tính áp suất của quạt ? Cho biết áp kế đo áp suất trong bình chỉ là 60 mm cột nước và áp kể chỉ nơi khí chuyển đến là 74 mm cột nước, tổn thất áp suất trong ống hút là 19 mm cột nước, ống đẩy

là 35 mm cột nước vận tốc dòng khí là 11m/s

• 2 Một quạt ly tâm bố trí trong hệ thống đường ống để vận chuyển không khí từ buồng A đến buồng B Chân không kế trên đường ống hút chỉ 15,8 mm cột nước, áp kế trên đương ốngđẩy chỉ 20 mm cột nước Lưu lượng khí cần vận chuyển 3700 m3/giờ Ống hút và ống đẩy

có cùng đường kính Động cơ kéo quạt có vòng quay 960 vòng/phút và công suất là 0,77 kw

• Xác định áp suất và hiệu suất của quạt

• Năng suất (Lưu lượng) quạt thay đổi thế nào nếu vòng quay đạt được 1150 vòng/phút và công suất mới là bao nhiêu

• 3 Số liệu từ thí nghiệm quạt ly tâm với vòng quay 1440 vòng/phút trong bảng sau Tính năng suất quạt ở vòng quay 1440 vòng/phút Cho biết ở năng suất 1350 m3/giờ các thông số : cột áp động năng la 8,7 mm cột nước, cột áp tổn thất là 29,4 mm cột nước, chênh lệch cột

áp từ bình hút đến bình đẩy là 13 mm cột nước

Q(m3/giờ) 100 350 700 1000 1600 2000

H (mm H2O) 45,8 43,2 44 43,5 39,5 32,2

• 4 Cần nung nóng không khí với lưu lượng 20000 kg/giờ từ 20oC lên 60oC bằng cách dùng quạt vận chuyển khí qua bộ trao đổi nhiệt

• Hãy xác định năng suất, cột áp và công suất quạt khi lắ trước và lắp sau bộ trao đổi nhiệt Cho biết cột áp tổn thất trong hệ thống là 120 mm cột nước Khối lượng riêng của không khí

ở điều kiện tiêu chuẩn là 1,2 kg/m3 Hiệu suất của quạt trong cả hai trường hợp là 50%

• 5 Tính áp suất quạt ly tâm trong điều kiện tiêu chuẩn (khối lượng riêng không khí 1,2

kg/m3.) khi biết hệ số áp suất 0,95 , đường kính mép ra bánh công tác 0,4 m và vòng quay của quạt 1450 vòng/phút (=150 rad/giây)

• 6 Quạt ly tâm có đường đặc tính cho trong bảng với vòng quay 1450 vòng/phút vận chuyển không khí Hãy các định các thông số làm việc của quạt, áp suất tĩnh áp suất động và các hiệu suất quạt, hiệu suất tĩnh Tính số vòng quả đặc trưng của quạt Cho biết đường kính mép ra bánh công tác 0,4 m , diện tích cửa ra (0,32x0,32 ) m2 , khối lượng riêng không khí 1,2 kg/m3

Q(m 3 /giờ) 0 2000 4000 5000 6000 7000 8000 P(Pa) 540 440 460 480 430 460 410 N(kw) 0,40 0,58 0,92 1,10 1,42 1,66 1,98

• 3 Tính áp suất lớn nhất (năng suất bằng không) máy nén pít tông một cấp nén khí metan có thêt tích chết 8,5%

• 4 Không khí đước nén từ áp suất 1 at lên 9 at bằng máy nén pít tông 1cấp và 3 cấp có làm lạnh trung gian, thể tích chết 8%

• 5 Tính tỷ số tăng áp suất lớn nhất để nén không khí vào lò cao Biết rằng nhiệt độ khí nén nhỏ hơn nhiệt độ ngọn lửa 50oC, nhiệt độ không khí ở cửa vào 30oC, nhiệt độ ngọn lửa 250oC

• 6.Tính kích thước chính máy nén không khí với năng suất 1000 m3/giờ, nén khí từ áp suất 1 at lên 50 at Cho biết vận tốc trung bình pít tông 3 m/giây, tỷ số hành trình trên đường kính pít tông là 1, hiệu suất điền đầy (hịu suất thể tích) 0,78 Các thông số khác tự chọn

• 7 Tinh kích thước chính máy nén có năng suất 100 m3/giờ nén không khí từ 1 at lên 15 at, Các thông số khác tự chọn

• tại cửa vào 100 kPa, nhiệt độ 20oC tỷ số tăng áp suất 5, hằng số không khí 287 J/(kg.oK)

Đề cương về quạt, máy nén

• II Cấu tạo nguyên lý làm việc quạt ly tâm ( vẽ hình, nêu tên chi tiết chính và những kết cấu khác bơm)

• III Đặc điểm thủy lực

• 1.Các loại đường đặc tính

• 2.Đồng dạng cơ học cho quạt

• 3.Điều chỉnh chế độ làm việc

• 4.Một số chú ý lựa chọn quạt, lắp đặt, vận hành

• -Chọn quạt theo các thông số yêu cầu p,Q

• -Lắp quạt (quạt hút, đẩy, nhiệt độ chất khí thay đổi, )

• II Nhiệt động học máy nén (rất quan trọng)

• 1.Phương trình trạng thái

• 2.Các quá trình nén khí

• -Viết công thức

• -Biểu diễn trên đồ thi p-V, T-s

• (chỉ số đa biến n, khi nào dùng mn thể tích, cánh dẫn)

• -Công nén khí của các quá trình nén khí

• -Công suất máy nén (công suất thủy lực, công suất nén khí máy nén)

• -Hiệu suất năng lượng

• -Làm lạnh trung gian và máy nén nhiều cấp

• +Tại sao phải làm lạnh nhân tạo

• +Các phương pháp làm lạnh nhân tạo

• +Cách chia các cấp máy nén, áp suất giữa các cấp và đồ thị p-V, T-s biểu diễn quá trình nén các cấp

• III Máy nén cánh dẫn-mn ly tâm

• 1.Cấu tạo nguyên lý làm việc (vẽ hình và cần làm sáng tỏ những kết cấu khác bơm ly tâm)

• +Phương trình làm việc : tính p , T T , p các vị trí khác nhau trong mn

• 2 Ứng dụng đồng dạng cơ học cho máy nén

• 3 Chú ý về máy nén hướng trục

• +Đặc điểm khí động học máy nén (công nén, hiệu suất, hệ số cột áp tĩnh)

• 4.Điều chỉnh chế độ làm việc

• IV Máy nén thể tích- pít tông

• 1.Cấu tạo, nguyên lý làm việc (những kết cấu khác bơm : cách bố trí các cấp, kích thước các cấp, )

§1 Khái niệm chung - Phân loại MN

• Dùng để nén khí và vận chuyển khí nén

• MN với p hút <p a và p đẩy =p a : Bơm chân không

• Thông số đặc trưng:

- Lưu lượng thể tích Q (tính trong đkiện hút)

- Áp suất đầu p 1 ; áp suất cuối p 2

- Tỉ số nén  = p 2 /p 1

- Vận tốc vòng

Chương 8 MÁY NÉN

Sơ đồ máy nén thể tích

Sơ đồ MN cánh dẫn

§2 Nhiệt động học máy nén

• Trong khí lí tưởng  khoảng cách giữa các

phân tử khí rất lớn so với kích thước phân tử 

bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử khí

• Thể tích chiếm chỗ của khí lí tưởng phụ thuộc

thay đổi trong khi kthước phân tử là không đổi

• Nhiệt động học khí lí tưởng: nhiệt dung C p ,

C v không đổi

I Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Quá trình đoạn nhiệt: p.v k = const

Quá trình đẳng nhiệt p.v = const

Quá trình đa biến : p.v n = const

p =  .R.T  p.v = R.T (1)

v=1/  : thể tích riêng

• Sai số tăng khi nhiệt độ giảm và áp suất tăng

- Không khí khô T= 293  373 K; p= 0  5Mpa,  sai số 1%

- p=10 Mpa  sai số 2%: cho phép trong thiết kế

- p>10 Mpa (100 at)  phương trình khí thực:

II Phương trình cơ bản nhiệt động học

Sự nén và dãn nở trong máy nén có thể xảy

ra theo một trong các quá trình sau: đa biến ,

đoạn nhiệt , đẳng nhiệt

• Quá trình đa biến: p.v n = const; n = 1,15  1,8

MN piston: n<k;

MN cánh dẫn: n>k

• Quá trình đẳng entropi: không có sự thay đổi entropi do không có nội năng phát ra do ma sát

• Quá trình đoạn nhiệt: p.v k = const

 không có sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và môi

trường chung quanh  không thể có 1 quá trình đoạn nhiệt hoàn toàn vì sự trao đổi nhiệt giữa

chkhí và môi trường chung quanh là không thể

tránh được

• Quá trình đẳng nhiệt: p.v = const

III Biểu đồ S-T và p-v

1 Đồ thị S-T: quá trình nén biểu thị trên đường 1-2

• (a): quá trình đa biến với n < k; đặc trưng cho các máy nén piston (làm

mát cao)

• (b): quá trình đa biến với n > k; đặc trưng cho máy

nén cánh dẫn

• (c): quá trình đẳng

entropi : không thể xảy

ra vì luôn có sự sinh nhiệt đáng kể bởi ma sát trong của dòng khí;

• (d): quá trình đẳng

nhiệt: không thể xảy ra

vì không có hệ thống làm mát MN nào đảm bảo sự nén đẳng nhịêt chất khí

• Hai quá trình này chỉ dùng để đánh giá hiệu suất của máy nén

12

• Quá trình nén: thay đổi entropi; tăng nhiệt độ chất khí  enthalpi của chất khí tăng

• 1-2: sự nén trong không gian làm việc của MN

• 2-3: đường làm mát đẳng

áp dòng khí nén ra khỏi MN Khí nén được làm mát trong buồng làm mát và trên đường ống

• Năng lượng tiêu hao cho MN để nén và thải chất khí

(không kể tổn thất ma sát) được đặc trưng bởi lượng nhiệt

do chất khí tỏa ra trong quá trình nén và làm mát đẳng áp

2

2 2

Q

• n > k: MN làm mát bằng không khí hoặc làm mát bằng nước với độ làm mát thấp 

chất khí và sự hình thành xoáy

14

• Công cung cấp cho MN dùng để nén khí, đẩy chất khí đi qua MN và khắc phục lực ma sát trong dòng khí

• Công thực hiên trong 1 chu trình máy nén: 1-2-3-4-5;

• Tổng công tiêu thụ bởi MN : 2-3-4-6

• Quá trình nén đẳng entropi: tổng công tiêu thụ 1-2’-3-4-5

( giảm đi 1-2’-2-6-5 ) vùng 2’-2-6-5-1 là năng lượng

tiêu thụ thêm của MN trong quá trình đoạn nhiệt thực tế với n > k  Vùng 1-2’-2 là năng lượng tiêu thụ thêm để nén và vận chuyển thể tích khí dãn nở do nhiệt sinh ra

từ ma sát và hình thành xoáy

Quá trình nén đẳng nhiệt  Công suất tiêu thụ là bé nhất, biểu thị bởi vùng 1-2-4-5

2 Đồ thị p-v

• 1-2: quá trình nén đa biến n < k

• 2-3: quá trình làm mát đẳng áp

p 2 = const,

IV Phtrình năng lượng của 1 chu trình MN

Vùng giới hạn bởi đường đẳng áp

p 1 , p 2 ; đường nén

đa biến và trục hoành biểu thị

năng lượng đơn

vị L tiêu thụ trong 1 chu trình

MN để hút vào, nén và xả 1 kg chất khí

1 Công tiêu thụ của 1 chu trình MN

(1kg chất khí)

2

L    p dv   p v    p v

1 n n

1

2 1

2

T

T p

n n

R = C p - C v (12) ; k = C p /C v (13)

L ise  C T p 2 ise  T 1  i 2 ise  i 1 (14)



(14) biểu thị công nén đẳng entropi theo enthalpi

đầu và cuối của khí nén

p v

p 1 k

k L

k

1 k

1

2 1

1 ise

(10)

 2 ise 1 

1 k

2 2

iso p dv p v p v p dv L

Năng lượng tiêu thụ trong chu trình MN dùng để:

Phtrình (8)  (15) chỉ xác định năng lượng tiêu thụ trong chu trình MN, chưa thể hiện được phân bố

năng lượng tiêu thụ để biến đổi các thông số của

quá trình nén

2 Phtrình cân bằng năng lượng của 1

chu trình MN

q 2

c i

L 2

c i

2 2 2

2 1

Năng lượng đơn vị của quá trình đẳng entropi biểu thị qua thông số dòng hãm:

L = C p (T 2 * - T 1 * ) (19)

T

k k

Công suất cung cấp cho MN 1 cấp

• MN có i cấp:

(21) L : [J/kg]; Q: [m 3 /s]

H ck

Q

L i

Q N

Lưu ý: một phần đặc biệt của chu kì làm việc trong MN

piston là sự dãn nở đa biến của chất khí từ áp suất nén đến

áp suất ban đầu giúp cho việc đưa chất khí vào buồng làm

việc của MN  một phần công suất tiêu thụ để nén và đẩy khí nén đã được thu hồi trên trục MN

tl ck

Q

L

Q N

§3 Hiệu suất máy nén

• Không thể đánh giá theo qui ước thông thường (tỉ số giữa

năng lượng cung cấp cho chkhí và năng lượng tiêu thụ trong

• Sự không hoàn thiện của quá trình nén được đánh giá qua hiệu suất nhiệt động học đẳng nhiệt iso và hiệu suất đẳng entropi ise

iso được sử dụng đối với MN thể tích làm mát bằng

nước với độ làm mát cao

ise được sử dụng đối với MN li tâm và MN hướng trục

p v

p 1 k

k L

k

1 k

1

2 1

1 ise

p T

R 1 k

k L

k

1 k

1

2 1

kk

T C

p

p ln R

2 p

1 2

iso

Với máy nén thể tích:

• Nhiệt lượng tỏa ra của khí nén rất cao  nhiệt độ dầu bôi

trơn tăng tạo hỗn hợp dễ cháy nổ  giới hạn tỉ số nén

 (phụ thuộc nhđộ bốc cháy của dầu bôi trơn)

• Khi p2  [p2gh] : toàn bộ khí nén sẽ được nén vào hộp

van (khgian vô ích) , sau đó giãn nở chứa đầy trong thể

tích XL (p1): MN chỉ làm nhiệm vụ nén khí vào khgian

vô ích  hiệu suất = 0: hạn chế tỉ số nén 

• [  ]=5 - 7: bậc nén cho phép của 1 cấp MN piston

Với máy nén cánh dẫn: Độ bền giới hạn của vật liệu cánh

dẫn  không thể chịu đựng vận tốc cao  áp suất nén bị giới

hạn

Sơ đồ làm mát trung gian và nén nhiều cấp

• pint: áp suất nén ở cấp trung gian

• 2’-1’’: đường làm mát trung gian

• Vùng 1”-2”-2-2’: phần năng lượng tiết kiệm được khi

b) Làm mát ngoài: bộ phận làm mát trung gian lắp đặt giữa các cấp  tiết kiệm công suất

c) MN tổ hợp (làm mát trong và làm mát trung gian): hiệu quả nhất, kết cấu phức tạp  giá thành tổ máy tăng

d) Đưa vào dòng khí các tia nước (ở phía

trước cấp đầu tiên của máy nén): khí nén

mất 1 phần nhiệt lượng để làm bốc hơi nước làm mát  nhiệt độ cuối quá trình nén giảm đáng kể Nhược điểm: làm tăng độ ẩm của

khí nén

§5 Số cấp MN - Áp suất trung gian

• Quá trình nén có lợi nhất là quá trình đẳng nhiệt:

phải làm mát MN

• Quá trình nén có thể đưa về gần đẳng nhiệt bằng

cách tăng số cấp  giảm ε trong 1 cấp

• MN piston: ε phụ thuộc T o bắt cháy của dầu bôi trơn

• MN cánh dẫn: yếu tố quyết định là vận tốc vòng cho phép ở cửa ra của cánh (tính theo sức bền)

và tổn thất năng lượng ít nhất trong đường đi của dchảy qua máy

• Với   = p final /p 1 ; z: số cấp MN  năng lượng tiêu thụ = min khi

 1 =  2 = =  Z

• Bỏ qua tổn thất trong dòng khí gây ra bởi

bộ làm mát trung gian và cho hiệu suất nhiệt động của các cấp MN bằng nhau:

• L  : năng lượng để nén 1 kg khí từ p 1 đến

p final

• MN cánh dẫn: 1 cấp máy nén được tạo thành bởi 1 dãy cánh roto và 1 dãy cánh stato; số cấp có thể rất lớn (đến 40)

• Các cấp được chia thành 1 số nhóm; bộ làm mát trung gian được đặt giữa các nhóm

loại khí và svq cho trước

MÁY NÉN PISTON

§1 Đồ thị chỉ thị của máy nén piston

• 1-2: Quá trình nén đa biến: p.v n = const (n<k)

• 2-3: đẩy khí nén

• Piston đến vị trí cận trái:

một phần khí nén V cl giữ lại trong xilanh

• Piston đi sang phải: van

đẩy đóng, tụt áp về p 1  khí nén trong V cl dãn nở theo quá trình đa biến

( 3-4) : chỉ số đa biến n p <k:

p.v np = const

• 4-1 : quá trình hút khí vào

XL

Đồ thị chỉ thị thực

[P2]

Ảnh hưởng của:

• Tổn thất trên đường ống hút

• Tổn thất trên đường ống đẩy

• Dãn nở trong

khgian vô ích

§2 Công suất (MN 1 cấp) – Hiệu suất

mn iso

iso mn

iso

iso mn

iso

iso M L Q L

N N

.

p

p v

p M N





ln

.

1

2 1

1 



η mn =0,8  0,93 ; η iso =0,65  0,85

§3.Ảnh hưởng của không gian vô ích V cl –

Dãn nở trong khgian vô ích: quá trình đa biến n p

p

n dis

V a

S vol

dis dis

cl dis

s

V a V

a V

V V

V V

1 exp

dis dis

vol

V

V a V

Thể tích khí được hút vào XL:

dis

n dis

• Nhiệt từ van và thành xilanh làm nóng khí: λ thr (thermal)

• Rò rỉ qua van và khe hở giữa piston và XL: λ lk (leakage)

 Hiệu suất lưu lượng của MN:  Q = λ=λ vol λ thr λ lk

n V

a n

V Q

V a

V

dis lk

thr n

dis lk

thr n

1 1

1

1 1

1

1

Ảnh hưởng của không gian vô ích V cl – Lưu lượng MN (cont)

Thể tích khí được hút vào XL:

dis

n dis

Khi khí nén trong kh.gian vô ích dãn nở đầy XL 

V S = 0  hiệu suất thể tích do ảnh hưởng của không gian vô ích =0

1 Ảnh hưởng của không gian vô ích

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bốc

cháy của dầu bôi trơn

2

n n

T

T p



Khảo sát máy nén khí piston 1 cấp có thể tích không gian

vô ích bằng 0,08 thể tich làm việc của xi lanh; nhiệt độ

tự bốc cháy của dầu bôi trơn là 240oC; nén đoạn nhiệt k=1,4; nhiệt độ khí hút vào là T1=30o; khối lượng riêng của khí hút vào là 1=1,15 kg/m3, nén khí từ áp suất

p1=1at lên áp suất p2

1 Tính hằng số chất khí R

2 Tính tỉ số nén cho phép của máy nén này theo ảnh

hưởng của:

- Không gian vô ích, cho biết quá trình dãn nở của khí nén

trong không gian vô ích có chỉ số đa biến np=1,2

- Nhiệt độ bốc cháy của dầu bôi trơn

3 Tính công nén đơn vị khi nén lên áp suất p2=5at

4 Nếu muốn nén khí từ áp suất 1 at lên 100at:

- Nêu biện pháp giải quyết

- Từ kết quả tính toán ở câu 2, xác định và chọn tỉ số nén cho phép của 1 cấp máy nén này Xác định số cấp của máy nén, tỉ số nén trong 1 cấp, công nén 1kg khí nén

p Q

p N

mn iso

1

Z: số cấp

§5 Công suất MN piston nhiều cấp

2 MN kiểu piston vi sai – tác dụng đơn

3 MN 3 cấp piston vi sai