Akademia Górniczo-Hutnicza

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych

MASZYNY PRZEPŁYWOWE

Temat ćwiczenia:

Badanie sprężarki tłokowej

Pomocnicze materiały dydaktyczne

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Opracował:

Dr inż. Tadeusz Pająk
Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Kraków, 2010

1. Wprowadzenie teoretyczne

Sprężarka – maszyna przepływowa służąca do sprężania gazów (podwyższania

ciśnienia).

Podział sprężarek według zasady działania:

a). Wyporowe - sprężanie przebiega skutkiem zmiany objętości gazu wywołanej

ruchomym organem roboczym (tłokiem, krzywką, itp.).

Dzielą się na:

- tłokowe – o ruchu posuwisto-zwrotnym organu roboczego;

- rotacyjne – o ruchu obrotowym organu roboczego.

b). Wirowe (rotodynamiczne, prędkościowe) – wykorzystują zasadę zmiany krętu

czynnika przepływającego przez kanały obracającego się wirnika.

c). Hydrauliczne – wykorzystuje zmienność rozpuszczalności gazu w cieczy w

zależności od ciśnienia.

d). Strumieniowe (eżektory, inżektory, smoczki, strumienice) wykorzystują zjawisko

ssącego działania strugi czynnika.

2. Zasada działania sprężarek tłokowych

Sprężarka idealna – jednostopniowa bez przestrzeni szkodliwej.

W czasie pracy nie występują żadne straty.

1 – zamknięcie zaworu ssawnego

(początek sprężania)

2 – otwarcie zaworu tłocznego

3 – zamknięcie zaworu tłocznego

4 – otwarcie zaworu ssawnego

4-1 – ssanie

1-2 – sprężanie

2-3-4 – wytłaczanie

2

- praca techniczna =

Σ

prac bezwzględnych = pracy

napełniania+pracy sprężania+pracy wytłaczania

Vdp

L

L

L

L

t

∫

=

+

+

=

−

−

−

2

1

3

2

2

1

1

4

Dla pracy doprowadzonej do układu przyjęto znak ”+” (odwrotnie niż w

termodynamice).

Przebieg zmian ciśnienia w cylindrze w funkcji zmiany objętości (skoku tłoka)

nazywamy wykresem indykatorowym.

Sprężarka idealna z przestrzenią szkodliwą

Ze względów konstrukcyjnych po zamknięciu zaworu tłocznego (punkt 3) w cylindrze

pozostaje pewna ilość gazu – objętość zajmowana przez ten gaz – objętość

szkodliwa V

3

.

4-1 – ssanie (otwarcie – zamknięcie

zaworu ssawnego)

1-2 – sprężanie

2-3 – wytłaczanie

3-4 – rozprężanie (gazu zawartego w

przestrzeni szkodliwej V

3

)

3

V

s

– objętość skokowa (V

s

= F · S)

Ze względu na to, że zawory działają samoczynnie (pod wpływem różnicy ciśnień)

zasysanie czynnika rozpocznie się dopiero w punkcie 4 i sprężarka zassie czynnik o

objętości V' zamiast o objętości skokowej V

s

.

Im

p

p

2

większe, tym większe V

4

i mniejsze V'.

Im bardziej stroma krzywa 3-4, tym mniejsze V

4

i większe V'.

Sprężarka jednostopniowa rzeczywista

Ciśnienie w cylindrze w czasie ssania p

1

zależy od ciśnienia czynnika zasysanego p

s

,

od oporów filtra przewodu ssawnego i zaworów sprężarki (Δp

s

).

s

s

p

p

p

∆

−

=

1

s

s

p

p

)%

10

5

(

÷

=

∆

Ciśnienie w cylindrze w czasie wytłaczania p

t

zależy od ciśnienia w przewodzie

tłocznym p

t

i oporów w przewodzie tłocznym.

t

t

p

p

p

∆

+

=

2

t

t

p

p

)%

5

3

(

÷

=

∆

Linie falujące koło punktów otwarcia zaworów ilustrują efekt bezwładności zaworów.

W czasie zasysania gazu w sprężarce rzeczywistej występuje nagrzewanie się

zassanego gazu w cylindrze od ścianek cylindra. Powoduje to wzrost objętości gazu i

w wyniku do cylindra zostanie zassane mniej gazu. Zjawisko to nosi nazwę cieplnego

oddziaływania ścianek cylindra i powoduje zmniejszenie wydajności sprężarki.

Ogrzewanie gazu w cylindrze występuje też w początkowej fazie sprężania aż

4

temperatura gazu wskutek sprężania, nie wzrośnie do temperatury wyższej od

temperatury ścianek cylindra, kiedy to kolei następuje chłodzenie gazu przez ścianki.

W czasie rozprężania kolejność jest odwrotna – najpierw gaz jest chłodzony, a potem

ogrzewany ściankami cylindra. Wynikiem tego ogrzewania jest większe V

4

i

późniejsze otwarcie zaworu ssawnego (zmniejszenie objętości gazu zassanego).

Cieplne oddziaływanie zależy w dużej mierze od prędkości tłoka (obrotów wału),

stosunku sprężania p

2

/p

1

i od chłodzenia cylindra.

Rzeczywisty współczynnik objętościowy

(współczynnik napełnienia sprężarki)

Uwzględnia on zmniejszenie wydajności sprężarki spowodowane:

a). oddziaływaniem przestrzeni szkodliwej,

b). oporami na ssaniu,

c). cieplnym oddziaływaniem ścianek,

d). nieszczelnościami w cylindrze.

Wyżej wymienione straty wydajności sprężarki charakteryzują poszczególne

współczynniki:

ad 1. – objętościowy współczynnik przestrzeni szkodliwej:

s

s

s

s

V

V

V

V

V

V

4

3

−

+

=

′

=

λ

S

V

V

3

=

ε

ε – względna objętość szkodliwa

ε = 0,03÷0.08 - małe ciśnienia i duże sprężarki

ε = 0,05÷0.15 - duże ciśnienia i małe sprężarki

λ

s

– wyznacza się z wykresu indykatorowego

5

ad 2. współczynnik dławienia λ

d

:

V

V

p

p

p

p

p

s

s

d

′

′′

=

∆

+

=

=

1

1

1

λ

ad 3. współczynnik grzania ścian cylindra λ

g

:

ssawnego

zaworu

zamkniecia

chwili

w

cylindrze

w

gazu

temp

zasysanego

gazu

a

temperatur

T

T

g

s

g

.

=

=

λ

ad 4. współczynnik nieszczelności λ

n

:

Uwzględnia szczelność tłoka (pierścieni tłokowych), zaworów:

Ts

Ps

I

V

I

Ts

Ps

I

Vt

I

n

*

*

..

..

*

*

..

..

=

λ

s

s

s

s

n

T

P

parametrów

do

zreduk

żarki

sprę

do

zassanego

gazu

strumień

T

P

parametrów

do

a

zredukowan

żarki

sprę

ć

wydajnoś

a

rzeczywist

.

=

λ

Indykowany współczynnik objętościowy λ

i

– wyznaczany zwykle z wykresu

indykatorowego

d

s

sk

sk

i

V

V

V

V

V

V

λ

λ

λ

*

*

=

′

′

′′

=

′′

=

λ

i

- tym większy im mniejsza przestrzeń szkodliwa , ciśnienie tłoczenia , opory na

ssaniu oraz im większa intensywność chłodzenia cylindra

Rzeczywisty współczynnik objętościowy λ

gn

i

n

g

d

s

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

*

*

*

*

=

=

n

g

gn

λ

λ

λ

*

=

92

.

0

65

.

0

÷

=

λ

małe sprężarki

duże sprężarki

wysokie ciśnienie

niskie ciśnienie

6

Rzeczywista wydajność sprężarki

V

rz

- (wydajność mierzona w przewodzie

tłocznym):

t

V

V





*

λ

=

[ ]

s

m

3

V

-

strumień objętości odniesiony do parametrów ssania (ps, Ts)

V

t - teoretyczna wydajność sprężarki odniesiona do parametrów ssania

(p

s

, T

s

)

60

*

*

n

sk

t

i

V

V

=



60

*

*

*

n

sk

i

V

V

λ

=



V

sk

- objętość skokowa

[ ]

3

m

i - liczba cylindrów

n - liczba obrotów

[

]

min

/

obroty

Moc i sprawność sprężarki tłokowej:

Moc użyteczna sprężarki ( teoretyczna ) N

t

– jest to strumień energii jaki zostałby

przekazany czynnikowi roboczemu w sprężarce idealnej (pracującej bez żadnych

strat i bez przestrzeni szkodliwej) aby osiągnąć przyrost ciśnienia równy przyrostowi

ciśnienia w sprężarce rzeczywistej.

W zależności od konstrukcji sprężarki rzeczywistej i od warunków w jakich przebiega

sprężanie (czy czynnik w czasie sprężenia jest chłodzony czy nie) wyidealizowany

proces sprężenia w sprężarce idealnej traktujemy jako izotermiczny lub adiabatyczny

(odpowiednio z chłodzeniem i bez chłodzenia).

Moc użyteczna sprężarki z chłodzeniem - N

tT

(moc izotermiczna)

Porównawcza przemiana sprężania – izoterma (T = idem)

7

Dla gazu doskonałego i pół doskonałego:

idem

pV

=

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

lub gdy

idem

m

=

idem

pV

=

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

1

2

1

1

2

1

1

1

2

1

1

ln

ln

2

1

p

p

RT

m

p

p

V

p

p

dp

V

p

dp

V

N

p

p

tT









=

=

=

=

∫

∫

Moc użyteczna sprężarki bez chłodzenia - N

ts

(moc adiabatyczna):

Porównawcza przemiana sprężania – adiabata odwracalna – izentropa (s = idem)

Dla gazu doskonałego

idem

pV

=

χ

:

χ

χ

χ

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

( )

( )

( )

( )













−

=

=













−

=

=

=

−

−

−

−

∫

∫

1

1

1

1

2

1

1

2

2

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

p

p

p

p

p

p

ts

RT

m

V

p

p

dp

p

V

dp

V

N









Dla obliczenia mocy użytecznej jako parametry w punkcie 1 i 2 wstawia się

parametry jakie wystąpiłyby przy sprężaniu w sprężarce idealnej tj. ciśnieniu w

przewodzie ssawnym (p

s

) i tłocznym (p

t

) oraz wydajność objętościową rzeczywistą,

odniesioną do parametrów ssania (p

s ,

p

t

).

8

Moc wewnętrzna (indykowana) sprężarki – N

i

:

– strumień energii rzeczywiście przekazywany czynnikowi roboczemu wewnątrz

cylindra. Od mocy użytecznej moc wewnętrzna różni się stratami występującymi w

procesie sprężania i przy przepływie do i z cylindra (straty w zaworach, przewodach i

inne).

Moc wewnętrzną oblicza się na podstawie wykresu indykatorowego wykonanego dla

rzeczywistej sprężarki.

N

i

= V p

i

= i V

s

n/60 p

i

gdzie:

V – wydajność rzeczywista sprężarki

Współczynniki obejmują, straty występujące w cylindrze w czasie procesu sprężania

oraz straty występujące przy przepływie gazu z i do cylindra

Współczynnik sprawności mechanicznej

m

η

wale

na

moc

trzna

wewnę

moc

N

N

w

i

m

=

=

η

Sprawność ogólna sprężarki

m

i

η

η

η

*

=

II. BADANIE SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ

Badanie i określenie wielkości charakterystycznych sprężarki tłokowej zakresem

swoim obejmuje pomiary następujących wielkości :

-

pomiary wydajności oraz określenie rzeczywistego współczynnika

objętościowego

-

pomiar parametrów stanu na ssaniu i tłoczeniu dla poszczególnych stopni

sprężarki

-

pomiar mocy indykowanej, mocy na wale, ilości obrotów,

-

określenie sprawności mechanicznej sprężarki,

-

pomiar ciepła pobranego przez czynnik chłodzący

-

analizę wykresów indykatorowych

9

Pomiar wydajności rzeczywistej sprężarki tłokowej

Wydajność masowa sprężarki tłokowej –

m

jest to masa czynnika, która została

przetłoczona przez sprężarki w jednostce czasu. Odpowiada to średniemu

masowemu natężeniu przepływu.

Objętościowa wydajność sprężarki

V

odpowiada średniemu objętościowemu

natężeniu przepływu równoważnemu pod względem masowym natężeniu przepływu

m przy czym parametry czynnika ( p

s

, T

s

, ς

s

) odnosi się do warunków jakie panują

na ssaniu.













=

s

m

m

V

3

ς





Metody pomiaru rzeczywistej wydajności sprężarki

a) na podstawie wykresu indykatorowego

b) metodą napełniania zbiornika

c) za pomącą zwężek pomiarowych

d) na podstawie bilansu wymiennika ciepła

Wydajność sprężarki idealnej i rzeczywistej

Wydajność sprężarki idealnej / wydajność teoretyczna V

t

/

Wynika z prędkości obrotowej wału , objętości skokowej oraz liczby cylindrów :













=

=

s

m

i

n

s

D

i

n

V

V

sk

t

3

2

*

60

*

*

4

*

60

*

π



s

t

t

V

m

ς

*





=

10

Wydajność

sprężarki rzeczywistej V jest mniejsza od wydajności teoretycznej .

Wynika to ze zmniejszenia ze względów konstrukcyjnych objętości przestrzeni

roboczych sprężarki .

Stosunek wydajności rzeczywistej do teoretycznej określa się jako rzeczywisty

współczynnik objętościowy

t

V

V





=

λ

1. Pomiar wydajności sprężarki na podstawie wykresu indykatorowego

Metoda ta sprowadza się do określenia indykowanego współczynnika

objętościowego λ

i

na podstawie wykresu indykatorowego sprężarki , zdjętego

podczas pomiarów przy ustalonych warunkach pracy

[ ]

s

m

n

sk

gn

i

i

V

V

3

60

*

*

*

*

λ

λ

=



sk

V

V

i

′′′

=

λ

λ

gn

–

można ustalić na podstawie tablic

gn

i

λ

λ

λ

*

=

2. Pomiar metodą napełniania zbiornika

Metoda ta polega na określeniu masy czynnika wtłoczonego do zbiornika w

określonym czasie. Znając objętość zbiornika V

z

i stałą gazową czynnika oraz

mierząc ciśnienie i temperaturę przed i po napełnieniu zbiornika, na podstawie

równania stanu określa się wydajność rzeczywistą sprężarki.

11

M

MR

R

p

RT

v

zwykle

p

RT

v

s

m

m

v

m

V

s

kg

T

p

T

p

R

V

m

m

m

m

RT

m

V

p

RT

m

V

p

ot

ot

s

S

S

s

s

s

z

z

z

=

=

=













⋅

=

=

















−

=

−

=

=

=

:

,

1

3

1

1

2

2

1

2

2

2

2

1

1

1

ρ

τ

τ











dla powietrza M = 28,96









kmol

kg

,









⋅

=

K

kmol

J

MR

8314

3. Pomiar wydajności sprężarki za pomocą zwężek pomiarowych

Posiada ograniczone zastosowanie dla pomiarów dokładnych ze względu na

pulsacyjny charakter przepływu gazu. Daje dobre wyniki pomiaru jedynie dla

pomiarów czynnika o niskich pulsacjach przepływu. Istnieje w zależności od

rozmieszczenia zwężki kilka sposobów pomiarów wydajności przy pomocy tej

metody. Omawia je szerzej Norma (str. 61 załącznik do normy).

4. Określenie wydajności sprężarki na podstawie bilansu chłodnicy

Realizuje się poprzez umieszczenie na przewodzie tłocznym wymiennika ciepła

chłodzonego wodą.

Określa się masę wody przepływającej przez wymiennik w czasie

τ

i przyrost jej

temperatury

∆

t

W

oraz spadek entalpii na wejściu i wyjściu z wymiennika. Pozwala to

na ułożenie bilansu energetycznego.

12

W

p

W

t

c

m

i

i

m

∆

∗

∗

=

−

∗

2

1



skąd oblicza się ilość czynnika przepływającego w czasie

τ

i

t

c

m

m

W

p

W

∆

∆

∗

∗

=



Metoda ta ma zastosowanie przy określeniu wydajności sprężarek chłodniczych.

III. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW BADANIA SPRĘŻARKI

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest pomiar rzeczywistej wydajności jednostopniowej sprężarki

tłokowej metodą napełniania zbiornika oraz wyznaczenie rzeczywistego

współczynnika objętościowego.

2. Schemat stanowiska pomiarowego

13

Uwaga:
należy opisać poszczególne elementy sprężarki:

3. Wyniki pomiarów

Dotyczą parametrów konstrukcyjnych sprężarki oraz wielkości niezbędnych dla

przeprowadzenia obliczeń.

Dane dotyczące sprężarki i zbiornika:

D= 70 [mm]

s= 65 [mm]

i= 1 [- -]

n= 850 – 860 (należy dokładnie zmierzyć)









min

obr

V

Z

= 0,135 [m

3

]

oraz

- parametry otoczenia

t

ot

=..................

[

o

C]

=..........................

[K]

p

b

=................

[

2

m

N

]

- parametry ssania

t

S

=..................

[

o

C]

=.........................

[K]

p

S

=.................

[

2

m

N

]

- parametry w zbiorniku na początku i na końcu pomiaru

p

1n

=....................................









2

cm

kG

=..................................









2

m

N

p

2n

=....................................









2

cm

kG

=..................................









2

m

N

t

1

=.................................... [

o

C]

=.................................. [

o

K]

t

2

=.................................... [

o

C]

=.................................. [

o

K]

14

- czas napełniania zbiornika

[ ]

s

....

..........

..........

..........

=

τ

4. Obliczenia wyników pomiarów

Przeprowadzić, wyliczając kolejno następujące wielkości:

p

1

[N/m

2

], p

2

[N/m

2

], T

1

[K], T

2

[K], R













∗

K

kg

J

o

, m [kg/s],

v

s

[m

3

/kg],

V

[m

3

/s],

t

V

[m

3

/s],

λ

[--]

]

[

1

1

Pa

p

p

p

N

b

+

=

]

[

2

2

Pa

p

p

p

N

b

+

=

]

[

15

,

273

1

1

K

t

T

+

=

]

[

15

,

273

2

2

K

t

T

+

=

]

/

[

)

(

1

1

2

2

s

kg

t

p

t

p

R

V

m

Z

o

−

⋅

⋅

=

τ

]

/

[

3

3

kg

m

p

T

R

p

T

R

V

OT

OT

S

⋅

=

⋅

=

]

/

[

1

3

m

kg

V

S

S

S

ρ

ρ

⇒

=

]

/

[

3

s

m

m

V

V

o

S

RZ

⋅

=

]

/

[

60

4

3

2

s

m

n

i

s

D

V

TEOR

⋅

⋅

⋅

⋅

Π

=

TEOR

RZ

V

V

=

λ

5. Tabela pomiarowa

Parametr obliczony

Jednostka

Numer pomiaru

I

II

III

Ciśnienie w zbiorniku p

1

]

[Pa

Ciśnienie w zbiorniku

]

[Pa

Temperatura w zbiorniku T

1

]

[K

Temperatura w zbiorniku T

2

]

[K

Strumień masy

m

]

/

[

s

kg

Objętość właściwa v

s

]

/

[

3

kg

m

Wydajność rzeczywista

V

]

/

[

3

s

m

Wydajność teoretyczna

t

V

]

/

[

3

s

m

Rzeczywisty wsp. objętościowy

λ

[ ]

−

Rzeczywisty średni wsp. objęt.

λ

[ ]

−

15

6. Komentarz wyników badań oraz uzyskanych wyników pomiarów

(komentarz powinien być własny, poniżej podano przykład takiego komentarza)

Badania sprężarki tłokowej jednostopniowej dokonano na drodze doświadczalnej
dokonując pomiaru prędkości obrotowych wału sprężarki jak i wału silnika
napędzanego. Wartości obrotowe uśredniono. Pozostałe pomiary to pomiary
temperatury sprężonego gazu w zbiorniku przy danym ciśnieniu. Zachodząca
przemiana termodynamiczna to przemiana izochoryczna przy założeniu że ze
zbiornika nie ulatniał się gaz przez nieszczelności. Analitycznie wyznaczono
pozostałe parametry - ciśnienia, temperatur, wydajności rzeczywistej oraz
teoretycznej, wydatku masowego. Wyznaczenie ich pozwoliło na określenie wartości
rzeczywistego współczynnika objętościowego, informującego o stanie przebadanej
sprężarki. Wyznaczone poszczególne współczynniki to

• λ

= 0.77,

• λ

= 0.74,

• λ

= 0.8

i po uśrednieniu współczynnik przyjął wartość

λ

= 0.77 co zakwalifikowało stan

techniczny sprężarki jako dobry ponieważ nie odbiegał od znormalizowanego stanu
dobrego. Stan ten informuje użytkownika że sprężarka nadaje się do dalszej
eksploatacji. Na wszelkie niedokładności pomiaru mogły mieć wpływ takie wielkości
jak na przykład nie prawidłowy naciąg pasa klinowego, co zmiejszyć mogło dość
znacznie sprawność przekładni a również i poślizg znaczny pasa w rowkach kół
rowkowych przekładni z pasem klinowym.

7. Zakres opracowania sprawozdania

Sprawozdanie zakresem swoim powinno obejmować:

-

cel ćwiczenia

-

schemat stanowiska pomiarowego wraz z opisem

-

wyniki pomiarów (wg instrukcji)

-

wyniki obliczeń (wg instrukcji), (podać wzór, podstawienie liczbowe,

wartość oraz jednostkę)

-

komentarz wyników badań wraz z ocena stau technicznego badanej

sprężarki.

8. Wykaz zagadnień do zaliczenia ćwiczenia

Uwaga:

Zaliczenie ćwiczenia laboratoryjnego może się odbywać tylko wraz z poprawnie

wykonanym sprawozdaniem.

Wykaz zagadnień:

1. Podział sprężarek oraz ogólna budowa i działanie sprężarek tłokowych

16

2. Wykres indykatorowy sprężarki idealnej i rzeczywistej
3. Moc i sprawność sprężarki
4. Wydajność sprężarki
5. Rzeczywisty współczynnik objętościowy
6. Metody pomiaru rzeczywistej wydajności sprężarki, ze szczególnym

uwzględnieniem metody napełniania zbiornika

7. Schemat stanowiska pomiarowego dla badań wydajności sprężarki metodą

napełniania zbiornika

8. Rzeczywisty współczynnik objętościowy a faktyczny stan techniczny sprężarki

Literatura:

- instrukcja do ćwiczenia „Pomiar sprężarki tłokowej” – instrukcja dostępna w

bibliotece wydziałowej WIMIR

17