thiết kế máy nén lạnh

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Trang * Lời mở đầu *Chương1 Giới thiệu chung *Chương2 Cơ sở lý thuyết tính toán máy nén piston *Chương3 Tính toán thông số máy nén piston cấp 14 Với môi chất NH3 .14 Với môi chất R22 17 * Chương Tính toán phần khí động máy nén piston 23 * Chương Tính toán động lực học máy nén piston .28 Với môi chất NH3 33 Với môi chất R22 36 * Chương Cân động tính toán kiểm tra số chi tiết MNPT 53 6.1 Cân động 53 6.2 Bánh đà 58 6.3 Tính toán trục khuỷu 60 6.4 Tính toán piston 73 6.5 Tính toán tay biên 75 6.6 Tính chọn ổ lăn 85 * Chương Tính nhiệt làm mát dầu máy nén 86 * Chương Điều chỉnh suất lạnh máy nén thiết bị bảo vệ .90 Tài liệu tham khảo 95 Các bảng đồ thị phụ lục 96 Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Con người biết làm lạnh sử dụng lạnh từ cách lâu để bảo quản thức ăn Trong năm gần ngành lạnh phát triển với tốc độ chóng mặt không đời sống ngày mà đưa vào để ứng dụng khoa học kỹ thuật Những ứng dụng quan trọng công nghiệp hoá chất bao gồm hoá lỏng chất khí sản phẩm công nghiệp hoá học Clo, Amoniắc, Cacbonic, loại khí đốt, loại khí sinh học Hoá lỏng tách khí từ thành phần không khí ngành công nghiệp có ý nghĩa to lớn ngành luyện kim, chế tạo máy ngành kinh tế khác kể y học sinh học Ôxy Nitơ sử dụng nhiều lĩnh vực khác hàn, cắt kim loại, sản xuất phân đạm, làm chất tải lạnh Các loại khí trơ hêli agôn sử dụng nghiên cứu vật lý, công nghiệp hóa chất sản xuất bóng đèn Việc sản xuất vải, sợi, tơ, cao su nhân tạo, phim ảnh đòi hỏi hỗ trợ tích cực kỹ thuật lạnh quy trình công nghệ Ví dụ, quy trình sản xuất tơ nhân tạo, người ta phải làm lạnh bể quay tơ xuống nhiệt độ thấp yêu cầu công nghệ chấp lượng tơ đảm bảo Cao su loại chất dẻo hạ nhiệt độ xuống đủ thấp chúng trở nên giòn dễ vỡ thuỷ tinh Nhờ đặc tính người ta chế tạo bột cao su mịn Khi hoà trộn với bột sắt để tạo cao su từ tính hoà trộn với phụ gia đó, đạt độ đồng cao Các phản ứng hoá học công nghiệp hoá học phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Nhờ có kỹ thuật lạnh người ta chủ động điều khiển tốc độ phản ứng hoá học Ứng dụng quan trọng kỹ thuật lạnh điều tiết không khí Ngày người ta tách rời kỹ thuật điều tiết không khí với ngành khí xác, kỹ thuật điện tử vi điện tử, kỹ thuật làm phim ảnh, máy tính điện tử, kỹ thuật quang học Để đảm bảo chất lượng cao sản phẩm, để đảm bảo máy móc, thiết bị làm việc bình thường cần có yêu cầu nghiêm ngặt điều kiện thông số không khí như: thành phần, độ ẩm, nhiệt độ, độ chứa bụi loại hoá chất độc hại Kỹ thuật lạnh đặc Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp biệt bơm nhiệt giúp ta khống chế yêu cầu Điều tiết không khí đóng vai trò quan trọng ngành công nghiệp nhẹ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm công nghiệp nhẹ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm công nghiệp dệt, vải, sợi, thuốc Ví dụ nhà máy thuốc lá, độ ẩm thấp quấn, sợi thuốc bị rời điếu thuốc bị rỗng, ngược lại độ ẩm cao điếu thuốc chặt, không cháy dễ bị mốc Ở nước tiên tiến, chuồng trại nuôi công nghiệp sản xuất thịt sữa điều tiết không khí để đạt tốc độ tăng trọng cao nhất, gia súc gia cầm cần có khoảng nhiệt độ độ ẩm thích hợp để tăng trọng phát triển Ngoài khoảng nhiệt độ độ ẩm đó, trình phát triển tăng trọng giảm xuống, vượt qua giới hạn định chúng bị sút cân bệnh tật Một nội dung nâng cao đời sống người tạo cho người điều kiện hậu thích hợp để sống lao động Điều tiết không khí công nghiệp dân dụng trở thành quen thuộc với người dân nước phát triển Nhiệt độ, độ ẩm cá thông số không khí quanh năm phòng hoàn toàn phù hợp với thể người Cũng điều kiện đó, người có khả lao động sáng tạo cao Thêm ứng dụng quan trọng kỹ thuật lạnh ứng dụng tượng siêu dẫn để tạo nam châm cực mạnh máy gia tốc nhà máy điện nguyên tử, nhiệt hạch, phòng thí nghiệm nguyên tử, điệm tử cho tàu hoả cao tốc Trong nông, lâm nghiệp, sinh học, vi sinh kỹ thuật lạnh thâm độ, gọi kỹ thuật cryô hỗ trợ tích cực cho việc lai tạo giống, bảo quản tinh đông, gây đột biến cho trình xử lý công nghiệp sinh học Trong thể dục, thể thao đại, nhờ có kỹ thuật lạnh người ta chế tạo sân trượt băng, đường đua trượt băng trượt tuyết nhân tạo cho vận động viên luyện tập cho đại hội thể thao nhiệt độ không khí cao Trong ngành hàng không du hành vũ trụ phải làm việc nhiều điều kiện khác Nhiệt độ bên có lúc tăng lên hàng ngàn độ có lúc hạ xuống -1000 Kỹ Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp thuật lạnh giúp nhà khoa học kiểm tra xem máy bay tàu vũ trụ có làm việc điều kiện tương tự Trong khai thác mỏ, hầm lò sâu, nhiệt độ cao độ ẩm lớn trung bình khoan sâu xuống đất 30m, nhiệt độ tăng lên 10C Nhờ có kỹ thuật lạnh người ta điều tiết không khí hầm lò bảo đảm điều kiện làm việc công nhân Đối với lò xây dựng vùng đầm lầy, nhờ có kỹ thuật lạnh làm đông cứng đất ướt, xây dựng hầm lò Tất điều nói lên kỹ thuật lạnh thiếu nước tiên tiến đặc biệt nước ta đất nước nóng ẩm Để đảm bảo cho trình lạnh hoạt động tốt ta máy nén hay nói cách khác máy nén linh hồn cho hệ thống lạnh Chính mà đề tài em thiết kế máy nén lạnh Trong trình làm đồ án em dậy tận tình thầy giáo hướng dẫn thầy Đinh Văn Hiền Em xin chân thành cảm ơn thầy môn tạo điều kiện tốt cho em để hoàn thành tốt đồ án Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp Chương 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY NÉN LẠNH 1.1 ĐẶC ĐIÊM CỦA MÁY NÉN LẠNH Máy nén lạnh phận máy lạnh Nó thực chức sau : hút từ dàn hoá hơi, nén từ áp suất po lên áp suất pk đẩy vào thiết bị ngưng tụ Năng lượng động cấp cho máy nén biến thành dòng môi chất tuần hoàn qua phận máy lạnh Điều kiện cần thiết để trì áp suất sôi p0 dàn hoá có tạo dàn phải hút hết máy nén, nói cách khác, suất hút máy nén phải phù hợp với phụ tải nhiệt dàn lạnh Bởi vậy, suất lạnh máy lạnh suất máy nén, từ có thuật ngữ: “năng suất lạnh máy nén” Máy nén lạnh khác với máy nén công nghiệp nói chung điểm sau : - Phải làm việc theo điều kiện môi trường bên ( nhiệt độ môi trường lạnh nhiệt độ môi trường xung quanh ), áp suất đẩy hút có biến đổi -Môi chất máy nén môi chất lạnh có nhiều đặc thù tính lý học, hoá học ( trọng lượng riêng, độ nhớt, tính lưu động, độ hoạt tính hoá học vv… ) -Trong dòng hút máy nén dọt lỏng làm giảm suất lạnh, ảnh hưởng tới hệ bôi trơn, gây cố va đập thuỷ lực -Đặc tính kỹ thuật máy nén lạnh suất lạnh Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp 1.2 Phân loại máy nén lạnh Máy nén lạnh phân thành nhóm chính: -Máy nén thể tích : Áp suất môi chất tăng nhờ thể tích khối giảm; máy nén piston, trục vít rotor -Máy nén động học: Hoạt động theo nguyên lý biến đổi động đạt dòng qua kênh cánh gắn đĩa quay tốc độ cao thành qua khoang khuếch tán ( khoang giảm tốc), máy nén tua bin ( ly tâm, hướng trục) Theo môi chất, máy nén chia loại nén amôniác, loại nén freon loại nén hỗn hợp Xu máy nén phải dùng hai, ba môi chất Theo vùng nhiệt độ sôi, máy nén chia loại nhiệt độ cao ( từ +10oC đến -15oC), loại nhiệt độ vừa (từ -10oC đến -30oC ), loại nhiệt độ vừa loại nhiệt độ thấp ( -30oC ) Theo tần số quay trục: 12, 16, 25 50 vòng/s ( tức 720, 960, 1500 3000 vòng/phút ) Theo độ bọc kín chia ra: máy nén hở ( có cụm bịt dầu ), máy nén kín ( vỏ động vỏ máy nén hàn liền ) máy bán kín ( máy cụm bịt, vỏ động vỏ máy nén ghép bích bắt bulông với ) Theo kiểu bôi trơn, máy nén chia loại có hệ bôi trơn cưỡng loại bôi trơn bắn vẩy 1.3.Yêu cầu máy nén: có tiêu kĩ thuật cao, mức độ cao tiêu chuẩn hoá lắp lẫn, thẩm mỹ kĩ thuật phải tin cậy lâu bền Các tiêu kỹ thuật bao gồm: mức độ công nghệ giá thành chế tạo máy nén, vận hành sửa chữa đơn giản dễ dàng phát cố kỹ thuật, mức chi phí kim loại không cao ( máy không cồng kềnh), máy phải đăng ký nhãn mác nước chủ quản phải có quyền chế tạo Mức độ tiêu chuẩn hóa đánh giá hệ số ứng dụng( tỷ số cụm chi tiết có máy nén ) Máy nén sê-ry, nghĩa xuất Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp xưởng sở đường kính khoảng chạy piston cần phải có tính lắp lẫn xilanh, piston, biên, clapê vv… Các tiêu thẩm mỹ kỹ thuật bao gồm: bố trí cấu điều khiển thuận tiện cho người phục vụ máy, thông tin tín hiệu mạch lạc để nhanh chóng phát cố dễ dàng làm chủ tình huống, sản phẩm phải đẹp, thiết trí hài hoà màu sắc, có nhãn mác hãng bảng biểu nghiêm túc Độ tin cậy hiểu xác suất hoạt động an toàn suốt thời gian máy khai thác Trong kỹ thuật lạnh sử dụng loại máy nén sau: piston, rotor, trục vít tua bin ( ly tâm ) Việc chọn loại máy phụ thuộc chủ yếu vào: suất lạnh yêu cầu, điều kiện làm việc loại môi chất Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY NÉN PISTON 2.1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG Trong máy nén piston trình nén xảy nhờ thể tích môi chất giảm đợt theo chu kỳ Các phần tử chủ yếu máy nén piston 1, xi lanh 2, clapê đẩy hút ( xem hình 1) Tập hợp trình xảy xi lanh piston thực chuyển động tịnh tiến qua lại ( hút, nén đẩy) tạo thành chu trình làm việc máy nén Chu trình hình thành trục khuỷu quay vòng Để đánh giá hoạt động máy nén thực, trước hết ta đem máy nén lý tưởng có thể tích điều kiện làm việc Các trình máy nén thể đồ thị thị Đồ thị cho biết biến đổi áp suất xi lanh theo khoảng chạy piston Điểm xa piston với trục khuỷu gọi điểm chết (ĐCT), gần điểm chết dưới(ĐCD), khoảng cách điểm gọi khoảng chạy S piston Thể tích Vh piston quét nằm điểm Đồ thị thị máy nén lý tưởng biểu hình p2 p1 Hình 1- Quá trình xảy máy nén lý thuyết Nguyễn Việt Hùng Đồ án tốt nghiệp 2.2 Quá trình lý thuyết máy nén piston: Khi piston chuyển dịch từ ĐCT xuống ĐCD từ hút vào xi lanh qua clapê hút, trình hút xảy áp suất p1 không đổi (đường đẳng áp a-1) Khi piston ngược lại ( clapê đẩy hút đóng) thể tích khối xi lanh giảm dần nên áp suất tăng từ p1 đến p2 (đường 1-2), sức ép áp suất clapê đẩy buộc phải mở ra, bị đẩy khoang đẩy áp suất p2 không đổi piston tiếp tục tiến Cho đến piston đạt ĐCT toàn bị đẩy ( trình 2-b) Sang nửa chu kỳ kia, piston trở về, trình lặp lại Như vậy, trình hút a-1 đẩy 2-b xảy thông số môi chất bất biến, có lượng môi chất xi lanh thay đổi Ở không tồn thể tích chết, nghĩa piston đạt ĐCT nắp xi lanh đỉnh piston khe hở, toàn môi chất xi lanh bị đẩy Không có ma sát piston chuyển động, môi chất rò rỉ, tổn thất áp suất qua clapê clapê xử lý đóng mở (không có độ trễ) Vì suất hút máy nén piston lý tưởng thể tích quét Vh máy nén, nghĩa Nguyễn Việt Hùng Vt = Vh = π D S z.n Đồ án tốt nghiệp 2.3 QUÁ TRÌNH THỰC CỦA MÁY NÉN PISTON Quá trình thực khác với trình lý thuyết có tổn thất thể tích tổn thất lượng, chúng đánh giá hệ số thể tích λ hệ số lượng ηi 2.3.1 Các hệ số thể tích Những tổn thất thể tích máy nén đánh giá hệ số nạp λ, tỷ số lưu lượng thể tích thực tế Vt với lưu lượng thể tích lý thuyết Vlt λ= Vt Vlt 1.Thể tích vô dụng (thể tích chết)(λc): Khi piston đạt điểm chết đỉnh piston nắp xi lanh (hoặc đĩa clapê) có khe hở cỡ 0,8÷1,4 mm, chiếm (2÷5%) khoảng chạy piston, gọi khe hở nhiệt, đề phòng cố chi tiết dãn nở nhiệt gây Khe hở có lợi cho vận hành có hại suất lượng Thể tích khe hở nhiệt tạo nên cộng với hốc vô dụng khác (như hốc clapê, không gian thứ từ xéc măng thứ trở lên đỉnh piston, đường rãnh) làm thành thể tích Vc vô dụng, gọi thể tích chết, chiếm (3÷5)% thể tích Vh piston quét Vì tích mà cuối trình đẩy (ở điểm chết trên) không bị tống hết ngoài, để piston ngược lại khối ngăn cản không cho đợt vào xi lanh (như máy nén lý tưởng) áp suất chưa hạ đến ngang áp suất hút, nghĩa phải dãn nở.Sự dãn nở làm giảm thể tích đợt vào Tổn thất áp suất phía hút đẩy(λt1): Do có trở kháng mà áp suất bắt đầu hút bị thấp áp suất trước ống hút (pv ≤ ph) cuối trình đẩy cao áp suất ống đẩy (pd ≤ pc) Nói cách khác dòng bị tiết lưu qua clapê đẩy hút Hiệu ph - pv = Δph : gọi độ trễ hút Đối với môi chất nhóm áp suất vừa Δph = 0,05MPa Hiệu pc - pd = Δpd : gọi độ trễ đẩy Đối với môi chất nhóm áp suất vừa Nguyễn Việt Hùng 10 Đồ án tốt nghiệp Nhận xét: hệ số dự trữ bền mỏi đầu tay biên đủ bền giúp cho máy nén hoạt động tốt điều kiện khắc nghiệt,đảm bảo suất yêu cầu đặt hoạt động an toàn toàn nhà máy 6.5.3 Đầu tay biên nối với trục khuỷu Đầu trục khuỷu tay biên chịu tác động lực sau ( H 18c ) Pk = Pb ,k + I p ,q = 3790 + 2120 = 5910 N (19) Pb,k =3790N - lực lớn máy nén làm việc không tải (được kiểm nghiệm thực nghiệm) Ip,q = 2120N lực quán tính phần biên quay nằm trước đầu nếp cắt ( không tính khối lượng nửa nắp biên) Ta cho nắp nối với thân biên Bởi trường hợp tiết diện IV-IV nguy hiểm nhất, ứng suất lực Pk tiết diện xác định theo phương trình (19) Nα Mα thay N0 M0 lấy từ đồ thị ( phụ lục ) giống Nα Mα S = b.h = 0,015.0,04 = 60.10 −4 m Nguyễn Việt Hùng 81 Đồ án tốt nghiệp W= N0 b.h 0,015.0,04 = 0,403 = = 4,0.10 −6 m Pk 6 ; N = 0,403.5910 = 2382 N ; M0 = 0,049 c Pk M = 0,049.5910.0,065 = 18,8 N σ= 2382 18,8 + = 8,67.10 Pa −4 −4 6.10 4.10 Ứng suất cho phép nắp làm thép 40 [σ ] = 200MPa Nhận xét: Đầu tay biên nối với trục khuỷu làm việc tốt kể điều kiện xấu Nguyễn Việt Hùng 82 Đồ án tốt nghiệp 6.6 TÍNH CHỌN Ổ LĂN Theo kết tính toán ta có n = 180 vòng/phút Chọn thời hạn sử dụng 20000 Phản lực ổ tính A = 26075N: phản lực lớn ứng với góc quay khuỷu α = 1800 ( bảng tính phản lực 10 trang 70) Đường kính ngõng trục d = 90mm Từ đường kính ngõng trục d = 90mm ta tiến hành chọn ổ đũa côn có ký hiệu 7618, Cd = 369kN: khả tải động ổ C0 = 363kN: khả tải tĩnh ổ Xem phụ lục chọn ổ đũa côn Tính kiểm nghiệm khả tải ổ Tải trọng quy ước ổ lăn Q = X V A.kd kt = 1.1.26075.1.1 = 26075 N V: hệ số kể đến vòng quay, vòng quay V = 1, vòng quay V = 1,2 kt : hệ số kể đến ảnh hưởng nhiệt độ kt = nhiệt độ t0 ≤ 1000C, nhiệt độ lớn ta phải tính kt =( 108+0,4.t )/150 kd: hệ số kể đến đặc tính tải trọng Do ổ va đập nhẹ nên kd = X = 1: ổ đỡ chịu lực hướng tâm Nguyễn Việt Hùng 83 Đồ án tốt nghiệp Khả tải động ổ C d = Q.m L = 26075.3 2160 = 337061N = 337,1kN ổ bi m = 3, L = 60.n Lh 20000 = 60.1800 = 2160 10 10 Cd =337,1kN ≤ Cd = 369kN nên khả tải động đảm bảo Đối với ổ lăn không quay làm việc với số vòng quay n < 1vòng/phút, ta tiến hành chọn ổ tĩnh nhằm đề phòng biến dạng dư Theo điều kiện Qt ≤ Co Khả tải tĩnh ổ lăn Qt = X A = 0,6.26075 = 15645 N = 15,645kN X0 : hệ số tải trọng hướng tâm lấy 0,6 Qt = 15,645kN