CC BY
519
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 621.15.5 ББК 31.363
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АГРЕГАТОВ ПЫЛЕСОСА ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ ВСАСЫВАНИЯ В.Г. Иванов1, Г.В. Лепеш2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики, 192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, 55/1
Разработана методика расчета воздуховсасывающего аппарата пылесоса повышенной мощности всасывания, с вакуумом на входе более 15 КПа, , предназначенного для установки в центральных системах пылеудаления. Заданными параметрами для расчёта воздуховсасывающего агрегата (компрессора) являются начальное и конечное давления и начальная температура воздушно-пылевой смеси.
Ключевые слова: пылесос, потребляемая мощность, вакуум, к.п.д., воздуховсасывающий агрегат, компрессор.
Пылесос - это пылеуборочное устройство, в котором воздуховсасывающий агрегат сообщает пылевоздушному потоку энергию, затрачиваемую на преодоление сопротивлений проточной части пылесоса, состоящей из входной насадки, шланга, фильтров.
Бытовые пылесосы используются для уборки помещений, чистки одежды, ковров и мягкой мебели, а также для других работ, связанных с использованием образующегося на входе в компрессор (вентилятор) вакуума и избыточного давления на выходе из компрессора.
Принцип действия пылесоса заключается в следующем. Компрессор воздуховсасывающего агрегата сообщает энергию воздуху, который движется от его входного сечения к выходному. В связи с неразрывностью потока на входе в компрессор абсолютное давление уменьшается, а вакуум растёт, что и обеспечивает движение пылевоздушной смеси от входного сечения насадки, ус-
тановленной на шланге, до входа в компрессор. Энергия, полученная воздухом (пылевоздушной смеси) в компрессоре, расходуется на преодоление сопротивлений в нагнетательном тракте пылесоса.
По условиям эксплуатации пылесосы делятся на ручные (ПР) и напольные (ПН).
Ручные пылесосы имеют небольшие габаритные размеры и массу до 3 кг.
По конструктивному исполнению напольные пылесосы классифицируют как вихревые (ПНВ) и прямоточные (ПНП). В вихревом пылесосе воздух входит в пылесборник, закручивается и меняет направление с горизонтального на вертикальное. В прямоточном пылесосе поток воздуха движется параллельно горизонтальной продольной оси корпуса и воздуховсасывающего агрегата.
Робота пылесоса оценивается по таким показателям как потребляемая
мощность, пылевместимость пылесбор-ника, время очистки, создаваемый вакуум.
Потребляемая мощность пылесосов определяется при полностью открытом всасывающем отверстии и измеряется ваттметром.
Пылевместимость пылесоса оценивается по количеству пыли, которое может вместить пылесборник до его очистки.
Под создаваемым вакуумом понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением (меньше атмосферного) в пылесборни-ке. Величину вакуума определяют с помощью вакуумметра, установленного на стенке корпуса во входном сечении компрессора.
В настоящее время широкое применение получили центральные системы пылеудаления (встроенные пылесосы). В таких системах воздуховсасывающий агрегат расположен за пределами обслуживаемых помещений.
В последнее десятилетие возросла потребность и производство пылесосов повышенной мощности всасывания, которые снабжены воздуховсасывающими агрегатами, работающими с вакуумом на входе более 15 КПа.
Пылесосы с такими параметрами наиболее эффективны в центральных системах пылеудаления, которые имеют длинные, разветвлённые всасывающие воздуховоды.
В типовых пылесосах повышение мощности всасывания за счёт увеличения скорости потока воздуха, обеспечивает удаление с очищаемой поверхности мелкой пыли и крупных частиц загрязнений.
Определение скорости вращения ротора и основных размеров компрессоров принято начинать с оценки величины окружной скорости.
Заданными параметрами для расчёта воздуховсасывающего агрегата (компрессора) являются начальное давление рЛ ; начальная температура Г ; и
конечное давление .
Начальное давление на входе в колесо компрессора Р0 = Р^~Р > (1)
вак
где рЛ = рг~ атмосферное давление. Вакуумметрическое давление
р = Р • £
-г вак г0
(2)
Здесь Р0 — плотность воздуха; у0 - скорость движения воздуха, определяемая по формуле
40
0 Р • 71 ' СІ2 ко “о
(3)
Суммарный коэффициент сопротивления входного тракта пылесоса принимаем в пределах 15-30.
С = С + ^
вх н ф1 ф2
ХІ-
а ’
(4)
где _ коэффициент сопротивления входа в насадку; Сф1 - коэффициент сопротивления первого фильтра; С ф2 -
коэффициент сопротивления второго
/
фильтра; ^ - коэффициент сопротив-
I
ления входного шланга пылесоса.
Давление компрессора, расходуемое на преодоление потерь в нагнетательном тракте пылесоса
(5)
где ^вых ~ суммарный коэффициент сопротивления выходного тракта пылесоса принимаем в пределах 5-10, а скорость в выходном отверстии пылесоса принимают V вых <12 м/с.
Давление, сообщаемое воздуху компрессором
2
V
0
2
2
V
2
+ С
Л’
■ р вых
(6)
Конечное давление компрессора
+ с
(7)
Ро
Степень сжатия компрессора
(8)
Изоэнтропическую работу сжатия определяем по заданным парамет-
рам
( и • А Н м
кг У
Н =С Т
а р ’
к~1 1 2 2
— V _ V
Є к - 1 I + —£_______2-
(9)
где 1’Н И 1’К - скорости во входном и выходном сечениях компрессора назначаем в пределах 20 - 50 м/с.
Полная (теоретическая) работа Н
(10)
Ят =
= а
Л
Здесь адиабатический к.п.д. принимаем для стационарного компрессора
в пределах Ла = 0,75 -0,88 , а для транспортного компрессора - Л а = 0,6 -0,8 .
Окружную скорость находим, используя уравнение Эйлера:
Н =и, -V , ~и. 'V , =
т I и I 1 МІ
= £/2
2
т У
(11)
(12)
где т - </2/</ср - 1,4-2,0.
Коэффициенты закрутки потока записываем в виде
г’
- гл
ц =
1 [/
V V
ц = _^_2_ = ! — __Г2_ . ’ 2 £/
и
1
2
2
В большинстве случаев, при отсутствии входного направляющего аппарата, принимаем Ц = 0.
Коэффициент Ц зависит от угла установки лопасти на выходе р и от-
ношения
г 2
I
0,25 -0,38 и рассчиты-
вается по формуле Стодола:
V 71 Г 8ЇП в ]
и
2
2
Угол
2
. (14)
установки
т
лопасти
на
внешнем диаметре принимают - 15 -
90° Угол установки лопасти на входе можно выбрать в пределах Р1 = 20 -
32°.
Определённую, по формуле (11), величину окружной скорости и 2 сравниваем с допустимыми значениями, которые зависят от условий эксплуатации компрессора. Так, в стационарных компрессорах основное внимание уделяется получению наибольшего к.п.д. Ввиду этого в них обычно применяются закрытые колеса с допустимой скоростью и2в (до 280-320 м/с).
При и2 > и2 применяется многоступенчатая схема компрессора. Для транспортных компрессоров определяющим являются малые габариты и небольшой вес. Для этого допустимые скорости имеют более высокие значения (до 400-600 м/с), тип колеса выбирается полуоткрытый с радиальными лопастями. Диффузор чаще всего применяют лопаточный.
Если полученная по формуле (2) и2~и2е, то необходимо продолжить
расчет одноступенчатого компрессора (рис.1).
Плотность воздуха перед колесом
2
2
V
а
2
V
2
a
2
Ро
R Т
Диаметр входа в колесо
dQ ~
4 G
•Р-v, (1-v:)
1 lm ' 1 '
(l5)
(16)
где у 1 - с/в /с/вт - втулочное отношение, выбирают в пределах 0,4-0,6 (рис.2).
Средний диаметр входных кромок лопастей колеса
d, = lcp
- (dо + й?.т)
(17)
выбирают в пределах (1,0 - 1,25) ■ d0.
Рис. 1. Одноступенчатый воздуховсасывающий агрегат: 1— электродвигатель;
2— подшипник качения; 3— рабочее колесо; 4— верхний (задний) корпус; 5— нижний (передний) корпус; 6— гайка; 7— фильтр.
Наружный диаметр рабочего ко-
леса
d „ - m ‘ d, .
2 lcp
Частота вращения колеса
60 •£/„
(18)
(19)
Параметры воздуха за рабочим колесом
Я V,2 т =т +—— •—г—•
О L т.Л 1
‘ С 2 ■ С
v; = v; + v; ; v, = 'С/,.
2 2и 2m ’2и 2 2
(20)
Принимаем г2т = г1т , а изоэн-
тропический к.п.д. - = 0,88 .
Температура в конце изоэнтро-пического сжатия
т2а=^аЛТ2-тх) + тх. (21)
Давление воздуха за рабочим ко-
лесом
(22)
Плотность при давлении р
Р 2
R -Тп
(23)
Высоту лопастей на выходе рабочего колеса (рис.2) определяем по уравнению неразрывности
О
Ь2 ~
71 ■ И • р * LI ■ v
2 2 Г' 2 1 2 Г
(24)
где ЦГ2=0,95.
Относительная высота Ьп = —
‘ d2
должна находиться в диапазоне 0,05 -0,085.
Число лопастей рабочего колеса
m + 1 (В, + (В,
zp =(6,5-11)--------‘ sin —(25)
m ~ 1 2
Угол установки лопасти на внешнем диаметре принимают Р2 = 15 -90 °. Угол установки лопасти на входе можно выбрать Pt = 20 -32 °.
Полное давление потока пылевоздушной смеси на выходе компрессора
Р = Р ~ Р = Р + Р • (26)
Г пол г к г н г вак г вых \ /
Полезная мощность пылесоса N„ = p^-Q. (27)
Мощность всасывания пылесоса =Pm-Q. (28)
Адиабатический к.п.д. определяем по формуле
Я
Г| = ---------!5-
ад
H
(29)
Т
к
2
П
Рис. 2. К расчёту проточной части воздуховсасывающего агрегата
Величина адиабатического к.п.д. изменяется в пределах 0,6-0,8.
Механический к.п.д. принимаем
Лмех =0,98 “0,99, а объёмный -
Л г ^ 0,99.
об 7
л = л -л -л^. (30)
ад мех об \ /
Потребляемая мощность компрессора
N
Н О
ад
(31)
N
N =
ДЕ і I
э/дв
Мощность приводного двигателя
(32)
Л
К.п.д. электродвигателя принимаем Л . = 0,96 - 0,98.
эдв 7 7
Как отмечалось выше, если в результате расчета по формуле (2) получено и2>и2 то далее следует вести
расчет воздуховсасывающего агрегата с многоступенчатым компрессором.
Применение двухступенчатого воздуховсасывающего агрегата (рис. 3) позволяет получить большую степень сжатия, чем одноступенчатого. Это
обеспечивает большую свободу выбора числа оборотов и окружной скорости и, как следствие, меньшие радиальные размеры.
Рис. 3. Двухступенчатый воздуховсасывающий агрегат: 1— электродвигатель; 2— подшипник качения; 3— рабочее колесо второй ступени; 4— нижний (задний) корпус; 5— передний (нижний) корпус; 6— рабочее колесо первой ступени; 7— гайка; 8— фильтр.
Степень сжатия двухступенчатого компрессора
(33)
где рк ~ давление на выходе из колеса второй ступени; ри ~ давление на входе в колесо первой ступени.
Степени сжатия ступеней компрессора принимают одинаковыми
\ 2 = ^. (34)
Первая ступень компрессора двухступенчатого сжатия рассчитывается по методике расчёта одноступенчатого компрессора по формулам (1 - 4) и (6
- 25).
Давление на входе в колесо второй ступени следует принимать равным давлению на выходе из первой ступени
Р*= Р 02 . (35)
Далее расчёт колеса второй ступени необходимо выполнять по формулам (6 - 25).
Адиабатный напор двухступенчатого компрессора * Я
я = я ,
ад ад!
адІІ *
Теоретический напор
Адиабатный к.п.д.
я
Г| = -------55-
H
(36)
(37)
(38)
Механический к.п.д. следует назначить равным Лмех = 0,98 -0,99, а
объёмный к.п.д. - Ло6 = 0,99.
Полный к.п.д. компрессора Л = Л Л Лг. (39)
ад мех оо \ /
В безлопаточном диффузоре кинетическая энергия воздуха, вышедшего из колеса частично преобразуется в дав-
ление от p за колесом до p
на вы-
ходе из диффузора. Соответственно скорость снижается от С2 до С А. Для получения максимального к.п.д. диффузора рекомендуется отношение <^4/<^2 = 1,8 - 2,0 . В одноступенчатых компрессорах для уменьшения радиального размера принимают отношение этих диаметров (1,5-1,7). Ширину диффузора можно принять Ь4= Ь2 .
Поворотное колено и обратный направляющий аппарат проектируется таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери в нём и оптимальный
подвод к следующей ступени. Поворотное колено профилируется обычно по дугам окружности с выполнением условия vuR = const . Потери в обратном направляющем канале определяются по
2
формуле Вейсбаха = С, р — ? где
ок ок 2
Сок =0,15-0,25.
Участок 4 - 5 (поворот) выполняется в виде конфузора. Потери на этом
участке
Аг
= £ Р-^-,
ПО в _ ’
где
Спов -0,15-0,25. Потери между сечениями 6-0 определяют по формуле
2
АРв-о = ^б-оРТ"’ где ^6-0 =0,2-1,0.
2
Потребляемая мощность ком-
прессора N
H ■ G
— ад
Мощность приводного двигателя
N
N.
Л,
’э'дв
ЛИТЕРАТУРА
1. Лепаев Д. А. Электрические приборы бытового назначения. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 272 с.
2. Петросов С. П., Смоляниченко В. А., Левкин В. В. и др. Ремонт и обслуживание бытовых машин и приборов: Учеб. пособие.
- М.: Изд. центр «Академия», 2003. -320 с.
3. ГОСТ 10280-89. Пылесосы электрические бытовые. Общие технические условия.
2
2
1 Иванов Виктор Георгиевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Сервис торгового оборудования и бьгтовогі техники» СПбГУСЭ. Тел.: (812)700-62-16
2 Лепеш Григорий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. Тел.: (812)362-33-27; E-mail:gregoryl@yandex. т.
