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