Проектирование мембранного компрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

мембранный компрессор вал термодинамический

Условные обозначения

ИВЛ-искусственная вентиляция легких;

3.к.п.-трех кулачковый патрон;

V - объёмная производительность компрессора, м3/с;

Т - температура, К;

Pн - начальное давление, МПа;

Pк - конечное давление, МПа;

k - показатель адиабаты;

двс-потери давления на всасывании;

Пц - отношение давлений в рабочей камере при теоретическом цикле в ступени компрессора;

в - относительные потери давления при проходе газа в тракте;

л - коэффициент производительности;

F - площадь, м2;

D - диаметр мембраны, м;

S-ход мембраны, м

h-толщина мембраны, м;

Е-модуль Юнга, МПа;

н-коэффициент Пуассона;

ам-относительное мертвое пространство;

Sм-величина мертвого пространства, мм

N - мощность, кВт;

R - газовая постоянная, Дж/(кг•К);

о - коэффициент местных потерь;

з - коэффициент полезного действия;

щ - угловая частота вращения, рад/с;

с-скорость потока, м/с;



1. Техническое задание

Спроектировать медицинский компрессор для системы искусственной вентиляции легких V=35-50 л/мин.

Объёмная производительность: V = 0,05 м³/мин.

Температура всасывания: T = 293 К.

Давление всасывания (начальное): Pн = 0,1 МПа

Давление нагнетания (конечное абсолютное): Pк = 0,35 МПа.

Сжимаемый газ: Воздух (допускается смесь воздуха и кислорода и закиси азота)

1.1 Выбор типа компрессора

Исходя из технического задания и специфики работы компрессора, было принято решение выбрать мембранный компрессор, поскольку он обеспечивает отсутствие в сжимаемом газе частиц масла и не требует установки дополнительных устройств. Данный вопрос подробно рассмотрен в разделе 5.3 стр. 108.

Применение мембранных компрессоров:

1. В металлургической промышленности;

2. В горнодобывающей промышленности;

3. В вакуумных установках;

4. В пневматическом транспорте;

5. В химической промышленности;

6. В судостроении, в том числе подводном.

Классификация мембранных компрессоров.

Мембранные компрессора классифицируется следующим образом:

1. По количеству рабочих органов (одно -, двух - и трех мембранные)

2. По характеру привода (с механическим приводом мембран, с гидроприводом).

Основные достоинства мембранных компрессоров.

Высокая экономическая эффективность и техническая целесообразность применения мембранных компрессоров определяется следующим:

1. Мембранный компрессор можно эксплуатировать в некотором диапазоне производительностей и давлений без существенных отклонений от оптимальных значений КПД;

2. Отсутствие функциональной связи между числом оборотов компрессора и его степенью сжатия, что позволяет иметь нужную степень сжатия при любых оборотах компрессора;

3. Позволяют получить высокое давление на выходе (до 100 Мпа)

4. Высокая удельная производительность, приходящаяся на единицу веса, площади и объёма компрессора;

5. Высокая степень надёжности компрессора и высокий моторесурс благодаря простоте конструкции;

8. Отсутствие помпажа, характерного для машин динамического сжатия;

9. Возможность сжатия влажного газа, содержащего капельную жидкость (например, воду, масло и др.);

10. Возможность сжатия сильно загрязнённых газов без снижения моторесурса;

11. Возможность сжатия любых газов, в том числе с малым удельным весом (гелий, водород, воздух.);

12. Низкий уровень шума.

Недостатки мембранных компрессоров.

1. Предъявляются повышенные требования к материалам из которых изготавливаются мембраны;

2. Низкая объемная производительность, обусловленная прочностью мембран.

3. Для мембранных компрессоров с гидроприводом необходимо дополнительно устанавливать гидронасос.

1.2 Применение мембранного компрессора в установках искусственной вентиляции легких

Аппарат искусственной вентиляции лёгких (аппарат ИВЛ) - это медицинское оборудование, которое предназначено для принудительной подачи газовой смеси (кислород и сжатый осушенный воздух) в лёгкие с целью насыщения крови кислородом и удаления из лёгких углекислого газа.

Деление аппаратов ИВЛ по назначению:

1. Аппараты ИВЛ общего назначения;

2. Аппараты ИВЛ специального назначения.

Аппараты ИВЛ общего назначения:

1. Длительная или повторно-кратковременная ИВЛ для взрослых и детей старше 6 лет:

2. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты.

3. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты, амбулатории.

4. Длительная или повторно-кратковременная ИВЛ для новорожденных и детей первого года жизни:

5. Отделения интенсивной терапии и реанимации, послеоперационные отделения и палаты, отделения анестезиологии.

Применение мембранных компрессоров в установках ИВЛ обусловлено тем, что предъявляются высокие требования к чистоте воздуха, а так как в мембранных компрессорах нет смазочных веществ в рабочей камере, т.е. не происходит контакта между сжимаемым газом и маслом, процесс очистки сжимаемого газа от масла не нужен.



Рисунок 1 Принципиальная схема установки ИВЛ.

1-компрессор; 2-фильтр; 3-мембранный осушитель; 4-теплообменник; 5-дросель; 6 - электромагнитный клапан; 7-обратный клапан; 8 - предохранительный клапан; 9-манометр электроконтактный; 10-ресивер; 11-реле давления

1.3 Цель работы

Разработать мембранный компрессор для применения в установке искусственной вентиляции легких. В данном дипломном проекте рассматривается работа системы ИВЛ в штатном режиме. Состав всасываемого компрессором воздуха 78% азота, 21% кислорода 0,05% углекислого газа. Указанный состав воздуха имеет следующие параметры: показатель адиабаты 1,4, газовая постоянная 287,2 Дж/(кг К), удельная теплоемкость 1005 Дж/(кг К).

Компрессор должен быть компактным, малошумным, надежным (средняя наработка на отказ не менее 4000 часов по ГОСТ 18856-88). Нагнетаемый газ не должен содержать посторонних примесей, таких как капли масла, не допускается присутствие в нагнетательном воздухе микрочастиц диаметром больше 0,3 микрон. Питание должно осуществляться от сети 220 В с частотой электрического тока 50 Гц. Максимальная масса установки не должна превышать 35 кг. Согласно выше перечисленным требованиям выбираем мембранный компрессор.



2. Конструкторский расчет компрессора

2.1 Термодинамический расчёт мембранного компрессора

Распределение повышения давления по ступеням.

Общее номинальное относительное повышение давления компрессора подсчитаем по формуле (2.1.1.1) [2]:

(2.1.1.1)

Подставим в эту формулу имеющиеся у нас значения:

Принимаем число ступеней z=1.

Относительные потери давления найдем из формулы (2.1.1.2) [2]:

(2.1.1.2)

где А - коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, принимаем А=2,66 [2]. Подставим значения в (2.1.1.2):

Относительные потери на нагнетании первой ступени определим по формуле (2.1.1.3) [2]:

(2.1.1.3)

где А - коэффициент, учитывающий совершенство компрессора, принимаем А=2,66 [2]. Подставим значения в (2.1.1.3):

Средние расчетные давления в рабочей камере при действительном цикле:

в процессе всасывания рассчитаем по формуле (2.1.1.4), (2.1.1.5) [2]:

(2.1.1.4),

в процессе нагнетания:

(2.1.1.5)

где индекс «'» здесь и далее обозначает параметры в рабочей камере. Подставим значения в формулы (2.1.1.4), (2.1.1.5):

Определение коэффициентов подачи.

Уменьшение производительности действительного компрессора по сравнению с производительностью идеального компрессора принято оценивать коэффициентом подачи (2.1.2.1) [2]:

(2.1.2.1)

где - производительность действительного компрессора; - производительность идеального компрессора, равная описанному мембраной объему.

Коэффициент подачи показывает, какую часть производительности идеального компрессора составляет производительность действительного компрессора, т.е. коэффициент подачи является безразмерной характеристикой производительности действительного компрессора.

В инженерных расчетах коэффициент подачи для мембранного компрессора обычно представляют в виде формулы (2.1.2.2) [2]:

(2.1.2.2)

где - объемный коэффициент, учитывающий уменьшение производительности действительного компрессора из-за расширения газа, остающегося после нагнетания в мертвом пространстве. Его значение определяют по формуле (2.1.2.3):

(2.1.2.3)

где - значение относительного мертвого объема. Задаемся значением относительного объема =0,01 [2]. Температурный показатель политропы по конечным параметрам, для компрессоров принимают:



Выбираем:

Принимаем:

- коэффициент подогрева, учитывает уменьшение производительности из-за подогрева всасываемого газа во время процесса всасывания, т.е. за счет того, что в цилиндре в конце всасывания температура будет выше, чем в начале процесса. Его значение для мембранного компрессора определяем по формуле (2.1.2.4):

(2.1.2.4)

Где - температура газа на входе в камеру сжатия; - температура газа после смешения его с газом, оставшемся в мёртвом пространстве. Теплообменом между стенками рабочей области и газом пренебрегаем. Найдем температуру по формуле (2.1.2.5)

(2.1.2.5)

Где - температура газа до процесса сжатия, - температура газа после процесса сжатия, - плотность газа на входе, - плотность газа на выходе, - относительное мертвое пространство. Найдём, по формулам (2.1.2.6), (2.1.2.7), (2.1.2.8):



Подставим полученные значения в формулу (2.1.2.5):

Подставим полученные значения в формулу (2.1.2.4):

;

- коэффициент плотности, учитывает уменьшение производительности из-за неплотностей рабочей полости. Его значения для мембранных компрессоров равен 1 [1].

Принимаем:

Подставим все полученные значения коэффициентов в формулу (2.1.2.2)

Определение основных размеров и параметров

Описанные объемы ступеней сжатия рассчитывают, исходя из необходимости обеспечить в каждой ступени определенную объемную производительность при условиях всасывания в эту ступень, т.е. из необходимости обеспечить заданные межступенчатые давления. При решении этой задачи для действительного компрессора следует учитывать все потери производительности и недоохлаждение. Тогда объем описываемый мембраной первой ступени определяем по формуле (стр. 43 [1]) (2.1.3.1):

(2.1.3.1)

где - производительность компрессора ().

Приближенную площадь мембраны находим по формуле (2.1.3.2):

(2.1.3.2)

(2.1.3.3)

Полученный результат подставляем в формулу (2.1.3.2):

Посчитаем предварительный диаметр мембраны по формуле (2.1.3.4):

(2.1.3.4):



Подставим значения в формулу (2.1.3.4):

Уточним размеры мембраны, используя формулу

Выразим объемную производительность, через объем, описанный мембраной используя формулу (2.1.3.5) [1] стр. 54

V_м=(?(1-a?_m)?2?р?R^2?w_0)/3; (2.1.3.5):

где aм-относительное мертвое пространство, принимаем aм=0,01; w0-прогиб мембраны в центральной точке, принимаем w0=1,75 мм из прототипа; R-радиус мембраны;

V_h=V_м•n•z•4; (2.1.3.6)

где n-частота вращения приводного вала, принимаем n=900 об/мин; z-количество секций компрессора, конструктивно принимаем z=2; Vh-объемная производительность.

Выразим радиус мембраны из формулы (2.1.3.5):

R=v((3•V_h)/((1-a_м)•z•n•р?щ_0?4);) (2.1.3.6)

R=v((3•0,0461)/(0,99•2•900•3,14•0,00175•4))=0.0325 м

Принимаем диаметр мембраны равным 0,065 м

Рис. 2 Схема разделения объема, описываемого мембраной.

Произведем расчет давления в конце цикла сжатия газа

Найдем давление в конце сжатия по формуле (2.1.3.7):

P_2=P_1•(?V_1/V_2)?^К; (2.1.3.7):

где P1-давление всасывания; P2-давление нагнетания; V1, V2 - объемы в начале и в конце сжатия.

Найдем объем в конце сжатия используя систему трехмерного моделирования Компас 3D:

V2=0, 7573*10-6 м³

V1 найдем из расчета геометрических параметров мембраны V1=2, 0231*10-6 м³

Давление всасывания берем из термодинамического расчета компрессора:

P1= 95512 Па

Подставим значения в формулу (2.1.3.7):

P_2=95512•(?(2,0231•?10?^(-6))/(0,7573•?10?^(-6)))?^1,4=378007 Па

Давление, полученное к концу цикла сжатия больше чем давление, полученное в термодинамическом расчете. Однако следует заметить, что данная методика не учитывает деформации мембраны под действием сил давления.

Определение индикаторной мощности компрессора и выбор электродвигателя.

Чтобы правильно подобрать двигатель необходимо рассчитать индикаторную мощность по формуле (cтр. 27 [1]) (2.1.4.1)

(2.1.4.1)

где Nинд-индикаторная мощность компрессора, P1-давление всасывания, P2-конечное давление, n-показатель политропы.

Подставим значения в формулу (2.1.4.1):

Мощность электродвигателя находим по формуле (2.1.4.2):

(2.1.4.2)

Подставим значения в формулу (2.1.4.2):

При расчёте двигателя мощность принимается на 20-50% больше расчётной. Рассчитаем реальную мощность необходимую на привод компрессора по формуле (2.1.4.3)



Подбор электродвигателя.

По справочнику электродвигателей выбираем двигатель АИР71А6

Технические характеристики двигателя запишем в таблицу 3:

Таблица 3 Основные характеристики электродвигателя АИР71А6

Мощность кВт	Частота вращения, об/мин	Скольжение%	КПД %					Масса,кг
0,39	900	4,5	65	0,63	2,2	2,1	4,5	9,2

Определение температуры нагнетания

Принимая, что сжатие воздуха происходит адиабатически (k=1,4), находим температуру нагнетания по формуле (стр. 26 [1]) (2.1.6.1):

(2.1.6.1):

Подставим значения в формулу (2.1.6.1):

Полученная температура является слишком высокой для подачи ее человеку, поэтому установка ИВЛ предусматривает наличие теплообменника, через который проходит газ после сжатия в компрессоре.

Выбор клапанов по пропускной способности.

В данном проекте используем клапана прямоточного типа. Материал, из которого выполнены клапана мембраны резина листовая гост 7338-90. Клапана данного типа были выбраны из-за их простоты и надежности. Клапана данного типа используются в прототипе.



Рис. 3 Принцип работы клапана

Допустимую относительную потерю мощности в клапанах выбираем по рекомендациям из таблицы 6.1 (стр. 151 [2]).

Рис. 4 Суммарная потеря мощности в клапанах в зависимости от F

Таблица 4 Зависимость относительных потерь давления от критерия скорости

Параметр клапана	Давление всасывания, МПа
	0,1-0,5	0,5-1,5	1,5-5	5-15	15-50
()max,% Fвс max	11,2 0,22	9,2 0,2	7,4 0,18	5,8 0,16	4,4 0,14

Выбираем при давлении Рвс=0,1 МПа; по выбранному допустимому значению находим соответствующие значения критерия скорости F=0,22.

Скорость звука при условиях в клапане определяем по формуле (2.1.7.1):



(2.1.7.1)

где R - газовая постоянная воздуха; R=287,3 Дж/(кг*К) - берется из справочных данных.

Подставим значения в формулу (2.1.7.1) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Рассчитываем допустимую условную скорость газа в клапанах, при которой будет обеспечено допустимое значение потерь мощности по формуле (стр. 151 [1]) (2.1.7.2)

(2.1.7.2)

Подставим значения в формулу (2.1.7.2) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Выберем число клапанов в обеих секциях: исходя из конструктивных особенностей прототипа.

Определяем необходимое значение эквивалентной площади клапана, которая обеспечит работу компрессора с допустимыми потерями мощности в клапанах. Значение необходимой эквивалентной площади Ф считаем по формуле (6.45 стр. 152 [2]) (2.1.7.3):



(2.1.7.3):

где - площадь мембраны; - средняя скорость мембраны; - число всасывающих или нагнетательных клапанов в рабочей полости.

Подставим значения в формулу (2.1.7.3) для нагнетательных и всасывающих клапанов:

Расчет потерь давления в клапанах.

Расчет клапанов производится по методике, изложенной [2] стр. 150

Выбираем прямоточные клапаны, исходя из прототипа. Материал клапанов резина ГОСТ 7338-90

По известному значению критерия скорости Fi находим максимальное значение потерь давления в клапане в теоретическом хmaxi случае. Для этого воспользуемся графиком (стр. 153 [1]) зависимости хmaxi от Fi:

Рис. 5Зависимость хmaxi от Fi:



Задаемся отношением: (принимаем И = 0,2). (cтр. 153 [2])

По известным значениям И и хmaxi найдем минимальное значение перепада давлений в клапане, необходимого для преодоления силы упругости клапана. Для этого воспользуемся формулой (2.1.8.1):

(2.1.8.1):

Подставим значения в формулу (2.1.8.1):

Рассчитаем минимальный перепад давлений необходимый для полного открытия клапана по формуле (2.1.8.2):

(2.1.8.2):

где pi - давления всасывания и нагнетания (см. табл. 2).

Подставим значения:

Расчет клапанов на открытие.

Расчет клапанов на открытие был произведён в программном пакете Ansys 14 Workbench. Исходные данные расчета:

Материал клапана резиновый лист. Геометрические параметры клапана взяты из прототипа. Решение данной задачи можно свести к решению балки защемленной с одного края и распределенной приложенной нагрузкой.

P=16793 Па; н=0,45 (из справочных данных); E=8,5МПа (из справочных данных). Принимаем что материал клапана изотропный.

Результаты расчета приведены на рис. 6,7.

Рис. 6 Деформации язычка клапана, под действием давления в нагнетательной камере.

Рис. 7 Напряжения, возникающие в язычке нагнетательного клапана под действием давления

Из расчета можно сделать следующие выводы:

При воздействии давления клапан прогибается, величина максимального прогиба составляет 1,5 мм. Характер распределения напряжений, возникающих в клапане соответствует реальной картине. Данную методику расчета можно применять в других работах. Применение клапанов такой конструкции может быть выполнено в данной работе.

Таблица 5. Основные параметры спроектированного компрессора.

№ п/п	Параметр	Всасывание	Нагнетание
1	Число секций	2
2	Диаметр мембраны Di, м	0,065
4	Объем описываемый мембраной Vhi, м3/с	0,000022
5	Температура Ti, К	293	419
6	Давление pi, МПа	0,1	0.376
7	Число клапанов zi	1	1
8	Коэффициент подачи лi	0,923
9	Индикаторная мощность компрессора Nu, Вт	130
10	Радиус эксцентрикового вала r, м	0,00175
11	Частота вращения коленчатого вала n0, об/мин	900
12	Мощность эл. двигателя Nэд, Вт	390

2.2 Динамический расчет мембранного компрессора

Уравновешивание компрессора

Механизм движения компрессора - коленчатый вал, кулисный механизм толкатель, мембрана. Из них толкатель - совершает только возвратно-поступательные движения, коленчатый вал и кулиса - вращательное. Таким образом, масса возвратно-поступательно движущихся частей, определятся по формуле (2.2.1.1)

(2.2.1.1)

(2.2.1.2)

(2.2.1.3)



Массы деталей находим из анализа программы твердотельного моделирования Siemens NX 8.5:

- Масса мембраны

- Масса толкателя

- Масса кулисы

мембранный компрессор вал термодинамический



Заключение

В результате анализа основных достоинств и недостатков компрессоров различных типов был выбран мембранный компрессор. В качестве прототипа был взят мембранный компрессор МК-1. Были проведены основные расчеты, такие как:

Термодинамический расчет, расчет геометрических параметров мембраны, конструкторский расчет основных и вспомогательных узлов компрессора, прочностной расчет.

Для увеличения производительности данного компрессора можно увеличить число секций без существенного изменения компрессора. Основными достоинствами данной конструкции являются высокая ремонтопригодность и низкая стоимость изготовления.



Список литературы

1. Алтухов С.М., Румянцев В.А. Мембранные компрессоры - Москва, 1967.

2. П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры (1 том). - М.: «Колос», 2000.

3. П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры (2 том). - М.: «Колос», 2000.

4. М.И. Френкель. Поршневые компрессоры. - СПб: «Машиностроение», 1969.

5. Компрессорные станции: Учебное пособие /А.Н. Вейраух, Р.А. Измайлов, Б.С. Фотин; Ленингр. политехн. ин-т. Л., 1990. - 84 с.

6. С.Е. Захаренко, Б.С. Фотин, С.А. Анисимов Поршневые компрессоры Москва 1961.

6. ГОСТ 18856-88 (Аппараты искусственного наркоза).

7. Руководство Р2.2.2006-05. Руководство, по гигиенической оценке, факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификации условий труда.

8. Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных ВУЗов /Под ред. Е.Я. Юдина, С.В. Белова. М.: Машиностроение, 1983 г., 432 с, ил

9. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность и охрана труда: методич. указания / сост.: Т.Т. Каверзнева, Я.А. Лисочкин - Спб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - 51 с.

Размещено на Allbest.ru