Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
POLITECHNIKA KRAKOWSKA
Instytut Inżynierii Cieplnej i Procesowej
Zakład Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I POMIARÓW MASZYN CIEPLNYCH
Podstawy teoretyczne do ćwiczeń laboratoryjnych
Badanie sprężarek wyporowych
opracował: dr inż. Ryszard Kantor
2
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
1. Wprowadzenie
W zależności od wytwarzanego ciśnienia maszyny sprężające dzieli się na:
I. wentylatory, o przyroście ciśnienia do 13 kPa,
II. dmuchawy, podwyższające ciśnienie czynnika w granicach od 13 kPa do 300 kPa (3 bar),
III. sprężarki, w których przyrost ciśnienia jest większy od 3 bar,
IV. ssawy (ekshaustory), których ciśnienie na ssaniu jest znacznie niższe od atmosferycznego.
Przedstawiony podział jest
orientacyjny, w szczególności
przy rozgraniczeniu dmuchaw i
sprężarek. Wynika to z faktu
dynamicznego rozwoju zarówno
znanych typów sprężarek, jak i
zupełnie nowych konstrukcji, co
jest głównie powodowane
zmiennym zapotrzebowaniem
rynku. Podstawowym kryterium
odróżniającym sprężarki od
dmuchaw jest chłodzenie
czynnika, stosowane w
sprężarkach dla obniżenia
zapotrzebowania mocy.
W ogólnym pojęciu sprężarka
jest maszyną roboczą służącą
do sprężania oraz
przetłaczania gazów i par z
obszaru o niższym ciśnieniu do
obszaru o ciśnieniu wyższym
przy całkowitym przyroście
ciśnienia przekraczającym 0,3
Rys. 1. Typowe zakresy stosowania maszyn spiętrzających w
MPa.

zależności od ciśnienia sprężania pabs oraz wydajności
Tą samą funkcję w odniesieniu
do cieczy spełniają pompy, stąd zasady działania i budowy obu rodzajów maszyn  sprężarek i pomp  są w
wielu wypadkach podobne. Różnice wynikają ze znacznie większej gęstości cieczy w stosunku do gazów oraz
dużej ściśliwości gazów i par przy praktycznej nieściśliwości cieczy. W związku z tym przemiany
termodynamiczne oraz wymiana ciepła mają w sprężarkach istotne znaczenie, odmiennie niż w pompach.
Podobnie jak pompy, sprężarki dzielimy zależnie od zasady działania na wyporowe i wirowe.
W sprężarkach wyporowych zasysanie, sprężanie i wtłaczanie gazu odbywa się na skutek kolejnego,
okresowego zwiększania i zmniejszania objętości przestrzeni roboczej, w której znajduje się gaz, przez
poruszający się jeden lub kilka członów roboczych (jak tłoki, łopatki, krzywki, itp.). Gaz jest zasysany z
przestrzeni ssawnej do przestrzeni roboczej na skutek wytworzenia podciśnienia przez zwiększenie objętości
przestrzeni roboczej (np. przez cofający się człon roboczy). W kolejnym etapie gaz jest sprężany przez
zmniejszanie objętości przestrzeni roboczej i następnie wytłaczany do przestrzeni ssawnej. Charakterystyczną
cechą sprężarek wyporowych okresowość działania powodującą niekorzystne zjawisko powstawania pulsacji
ciśnienia. Zależnie od rodzaju ruchu członu roboczego sprężarki wyporowe dzielą się na:
�� tłokowe, o postępowo-zwrotnym ruchu tłoka,
�� rotacyjne, o obrotowym ruchu członu roboczego.
W sprężarkach wirowych energia mechaniczna silnika napędowego przekazywana jest strumieniowi gazu w
sposób ciągły poprzez zwiększeniu krętu (pędu) tego strumienia gazu w kanałach międzyłopatkowych
wirnika. Następnie w elementach układu przepływowego o zwiększającym się przekroju (dyfuzory) następuje
stopniowa zamiana energii kinetycznej na energię ciśnienia.
Zależnie od kierunku przepływu strumienia w stosunku do osi maszyny sprężarki wirnikowe dzielimy na:
�� promieniowe,
�� osiowe,
�� diagonalne.
Zarówno sprężarki wyporowe, jak i wirowe mogą być jedno- lub wielostopniowe.
2
3
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
2. Zastosowanie sprężarek różnych typów
Praktyczny zakres zastosowania poszczególnych rodzajów sprężarek jest ograniczony. W zakresie wysokich
przyrostów ciśnień i niezbyt dużych wydajności najszersze zastosowanie mają sprężarki tłokowe (jedno- lub
wielostopniowe), natomiast sprężarki wirowe nadają się do pracy przy dużych wydajnościach i niezbyt dużych
przyrostach ciśnienia. Ograniczenie wydajności sprężarek tłokowych wynika z ograniczenia prędkości
obrotowej i wymiarów cylindra pierwszego stopnia sprężania. Z kolei uzyskiwane ciśnienie tłoczenia
sprężarek wirowych ograniczone jest przyrostem ciśnienia uzyskiwanym na jednym stopniu (znacznie
mniejszym niż w sprężarkach tłokowych). Przy dużym całkowitym przyroście ciśnienia , sprężarka taka
musiałaby mieć dużą liczbę stopni, przy jednocześnie małych wysokościach łopatek ostatnich stopni, co
znacznie obniżyłoby ich sprawność. Ponadto sprężarki wirowe nie mogą pracować przy małych wydajnościach
ze względu na niską sprawność przy mniejszych prędkościach obrotowych.
Sprężarki należą do najbardziej rozpowszechnionych maszyn i stosowane są w wielu dziedzinach techniki,
zarówno jako stacjonarne stacje sprężarkowe, jak i przenośne (zestawy czy agregaty sprężarkowe). Często też
sprężarki stanowią integralne części bardziej złożonych maszyn i urządzeń, np. chłodziarek, turbin gazowych i
innych.
Sprężanie gazów stosuje się zwykle w celu:
�� zwiększenia gęstości gazu dla ułatwienia transportu i magazynowania,
�� zwiększenia zdolności gazu do wykonania pracy,
�� dostosowania ciśnienia gazu do wymagań procesu technologicznego, w którym gaz bierze udział.
Sprężarki są stosowane między innymi: w różnych procesach technologicznych w chemii, w gazownictwie do
transportu gazów, w hutnictwie żelaza i innych metali, w procesach chłodniczych, w górnictwie, w urządzeniach
wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, w urządzeniach z wymuszoną cyrkulacją, do chłodzenia silników
elektrycznych, prądnic, silników spalinowych, do wywoływania sztucznego ciągu w urządzeniach kotłowych i
chłodniach kominowych, do transportu pneumatycznego, do doładowania silników spalinowych, w turbinach
gazowych, do napędu różnych urządzeń pneumatycznych oraz jako zespół składowy wielu specjalnych
urządzeń.
3. Parametry pracy sprężarki
Główne wielkości charakteryzujące pracę sprężarki to:
�� ciśnienie ps oraz temperatura Ts ssania, mierzone u wlotu sprężarki;

�� strumień masy  lub objętości ; strumień objętości nazywa się wydajnością sprężarki, czasem

oznaczony jest symbolem ; wielkość tą określa się dla przekroju wlotowego (ssawnego) sprężarki z
odniesieniem do warunków normalnych fizycznych, tj. temperatury 0�C i ciśnienia absolutnego 1 atm lub do
warunków normalnych SI, tj. temperatury 0�C i ciśnienia absolutnego 1 bar,
�� ciśnienie pt, oraz temperatura Tt tłoczenia na wylocie sprężarki;
�� przyrost ciśnienia (spiętrzenie) lub stosunek sprężania (spręż) określający
różnicę lub stosunek ciśnień bezwzględnych panujących w przekroju wlotowym i wylotowym sprężarki;
�� moc sprężarki N, tj. zapotrzebowanie mocy na wale sprężarki;
�� prędkość obrotowa ;
�� sprawność , wyrażająca się stosunkiem zapotrzebowanej mocy maszyny w warunkach porównawczych
do mocy rzeczywistej.
3
4
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
3. Sprężarka tłokowa.
3. 1. Zasada działania.
Sprężarka tłokowa jest sprężarką wyporową, w której ssanie, sprężanie i wytłaczanie gazu odbywa się
wskutek powiększania i zmniejszania objętości komory sprężania, wywołanej przez tłok cylindryczny
poruszający się w dopasowanym cylindrze, ruchem posuwisto zwrotnym.
Sprężarka tłokowa, pokazana schematycznie na
rysunku Rys. 2, jest maszyną dwusuwową, co znaczy, że
cykl jej działania odpowiada suwowi tłoka od
zewnętrznego położenia zwrotnego (ZSZ) do
wewnętrznego położenie zwrotnego (WPZ) i z powrotem. Tłok
napędzany jest układem korbowym, scharakteryzowanym
stosunkiem l� =� l / r , którego korba w czasie jednego
cyklu wykonuje jeden pełny obrót 0�3600 (Rys.2).
W czasie jednego cyklu w sprężarce występuje:
1) rozprężanie gazu pozostałego w przestrzeni
szkodliwej (linia 3-4),
2) zasysanie świeżego gazu (4-1),
3) sprężanie (1-2)
4) wytłaczanie gazu (2-3).
Sprężarka spręża gaz od ciśnienia p1=ps panującego
w króćcu dolotowym (ssawnym) do ciśnienia p2=pt
panującego w króćcu wylotowym (tłocznym). Stosunek
bezwzględnego ciśnienia pt do bezwzględnego ciśnienia
ps, nazywa się stosunkiem sprężania.
(1)
Rys. 2. Schemat działania sprężarki tłokowej.
Cylinder sprężarki jest na ogół chłodzony wodą lub
powietrzem. W zależności od intensywności chłodzenia sprężanie (1-2) może przebiegać według izotermy (przypadek
tylko teoretyczny), politropy o średnim wykładniku sprężania m lub adiabaty /izentropy/ gdy m = k�. Podczas sprężania
politropowego występuje wzrost temperatury gazu od T1 = Ts do T2 = Tt wg zależności:
n-�1
n
T2 =� T1 P� (2)
Ze względu na konieczność ograniczenia końcowej temperatury sprężania (koksowanie, samozapłon smaru) oraz
na zmniejszanie pracy sprężania w przypadku wyższych stosunków sprężania (P >4�5) stosuje się sprężanie
wielostopniowe ze schładzaniem gazu do temperatury początkowej w chłodnicach międzystopniowych (rys. 6). Tak
250
więc np. dla osiągnięcia ciśnienia rzędu 250 bar (  =� ) stosuje się sprężanie 5-cio stopniowe, przy czym
1
rozmiary cylindrów poszczególnych stopni są tak dobrane aby ich stosunki sprężania były równe.
Zasysanie i wytłaczanie gazu w sprężarce tłokowej odbywa się przez samoczynnie działające zawory dolotowe
i wylotowe. Najczęściej stosowane są zawory płytkowe jednopierścieniowe, lub wielopierścieniowe (Rys 3, Rys. 4a).
ps pt
p>pt
pp>ps
pzawór wylotowy
zawór dolotowy
Rys. 3. Schemat działania zaworu płytkowego jednopierścieniowego.
4
5
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
Rys. 4a . Zawór płytkowy wielopierścieniowy [Hoerbiger] Rys. 4b. Zawór pierścieniowy [Hoerbiger]
Typowy zawór płytkowy składa się z gniazda 1 (Rys. 3), płytki zaworowej w kształcie pierścienia 2 i ogranicznika
skoku 3. Na płytkę działa nacisk sprężyny 4. Głównym celem stosowania sprężyn zaworowych jest zapewnienie
prawidłowego zamykania się zaworów (bez opóz
nień). Zawór zaczyna otwierać się w chwili, gdy w cylindrze i
komorze zaworowej wystąpi dostateczna różnica ciśnień potrzebna na pokonanie bezwładności płytek i nacisku
wstępnego sprężyn. Różnica ciśnień D�p konieczna jest również na pokonanie oporów przepływu gazu w okresie
zasysania i wytłaczanie. Podczas zasysania, ciśnienie p w cylindrze musi być niższe od ciśnienia ps panującego w
komorze zaworu dolotowego (p < ps, D�ps = ps  p), natomiast podczas wytłaczania ciśnienie w cylindrze musi być
wyższe od ciśnienia pt w komorze zaworu wylotowego (p> pt, D�pt = p  pt). Opór przepływu gazu przez zawory
wymaga zwiększenia pracy sprężania gazu (rys. 8 - pola zakreskowane). Pola zakreskowane obrazują zmianę oporów
D�p podczas otwierania się zaworów oraz zasysania i wytłaczania gazu.
3. 2. Wielkości charakteryzujące pracę sprężarki tłokowej.
Sprężarkę charakteryzują następujące parametry konstrukcyjne i ruchowe:
�� średnica D i skok s tłoka, względnie objętość skokowa cylindra Vsk
p�
Vsk =� D2s =� At s (3)
4
�� minutowa n względnie sekundowa ns częstość obrotów,
&� &�
�� bezwzględne ciśnienie końcowe tłoczenia pt, względnie stosunek sprężania
&�
�� rzeczywista masowa m względnie objętościowa Vs wydajność sprężarki, przy czym,
&�
m
&�
&�
Vs =� (4)

r�s


gdzie: r�s jest gęstością gazu w warunkach ssania (ps, Ts, j�s) ( Rys. 5). 

Teoretyczną (największą) wydajność sprężarki oblicza się ze wzorów
&�
Vt =�Vskns =� Ats ns
&� &�
lub (5)
Rys. 5
&�
mt =� Vt r�d =� Vsknsr�d
&� &�
Ze względów konstrukcyjnych oraz ze względu na bezpieczeństwo, tłok sprężarki w ZPZ nie może dochodzić do
dna cylindra. W położeniu tym występuje tzw. objętość szkodliwa cylindra Vo, którą odnosi się zwykle do objętości
skokowej Vsk i wyraża jako względną objętość szkodliwą e�o. Zależnie od konstrukcji sprężarki wartości e�o
wynosi
Vo
e�o =� =� 0,03 �� 0,13 (6)
Vsk
Najmniejsza objętość cylindra (V0) występuje więc w ZPZ największa (Vo + Vsk) w WPZ tłoka. Szkodliwość
wspomnianej objętości polega m.in. na tym, że po wytłoczeniu gazu, w ZPZ pozostaje w niej masa gazu m0 , która
podczas ruchu wstecznego tłoka musi się najpierw rozprężyć (linia 3-4) poniżej ciśnienia ps zanim nastąpi
samoczynne otwarcie się zaworu ssawnego. Wskutek tego objętość gazu zasysanego jest mniejsza od objętości
skokowej.
5
6
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
2. Obieg teoretyczny sprężarki tłokowej
Rzeczywiste obiegi
termodynamiczne
występujące w maszynach i
silnikach cieplnych porównuje
się z obiegami teoretycznymi to
znaczy z wykresami maszyn
lub silników idealnych, w celu
określenia strat obiegu
rzeczywistego czyli
sprawności wewnętrznej,
nazywanej w maszynach
tłokowych sprawnością
indykowaną h�i.
Wykresem porównawczym
dla sprężarki tłokowej jest
wykres sprężarki idealnej
(rys.6), przetłaczającej przy tym
samym stosunku sprężania P,
jaki występuje w sprężarce
rzeczywistej tą samą objętość
Rys. 6. Schemat i wykres pracy idealnej sprężarki tłokowej we
&�
gazu Vs . Sprężarka idealna
współrzędnych p-V (teoretyczny wykres indykatorowy), oraz
we współrzędnych T-s
pracuje bez strat ciśnienia w
zaworach i strat nieszczelności. Podczas jednego cyklu zasysa ona i wytłacza objętość gazu równą objętości skokowej tej
sprężarki Vskt. Zakłada się, że dla sprężarek chłodzonych linia sprężania (1-2) wykresu porównawczego jest
izotermą, natomiast dla sprężarek niechłodzonych (ziębiarkowych) adiabatą (izentropą).
&�
Vs
Vs =� =� Vskt
(7)
ns
&�
Pracę sprężania na jeden cykl L lub jednostkową pracę sprężania l = L/Vs, na 1m3 przetłaczanego gazu
oblicza się ze wzorów
praca izotermiczna Liz =� LT =� psVs lnP� ; liz =� lT =� pd lnP� (8)
k� -�1 k� -�1
ć� �� ć� ��
k� k�
praca adiabatyczna Lad =� LS =� psVs ��P� k� -�1�� ; lad =� lS =� ps ��P� k� -�1�� (9)
�� �� �� ��
k� -�1 k� -�1
Ł� ł� Ł� ł�
natomiast moc teoretyczną Nt potrzebną do napędu sprężarki idealnej obliczamy ze wzoru
&�
Nt =� l ��Vs (10)
Zależnie od przyjętego wykresu porównawczego rozróżniamy moc teoretyczną izotermiczną NT, politropową
Npol i adiabatyczną NS.
Minimalną mocą potrzebną do uzyskania żądanego efektu
użytecznego t.j. podniesienia ciśnienia gazu od ps do pt bez
przyrostu temperatury jest, jak widać z rys. 6, moc izotermiczna
NT, dlatego też moc tę nazywamy mocą użyteczną sprężarki
Nu.
Nu =� NT (11)
Dla sprężarki dwustopniowej teoretycznej wykres porównawczy
przedstawiono na rys. 7.
Sprężanie izotermiczne nie wymaga podziału na stopnie
niezależnie od P i dlatego moc izotermiczną NT oblicza się tak
samo jak dla sprężarki jednostopniowej. W przypadku sprężania
Rys. 7. Wykres porównawczy pracy
idealnej sprężarki tłokowej dwustopniowej.
6
7
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
adiabatycznego cykl sprężania musi być rozdzielony na dwa cylindry z międzystopniowym schłodzeniem gazu
do temperatury początkowej. Teoretyczną moc sprężania adiabatycznego oblicza się w tym wypadku jako sumę
mocy adiabatycznych poszczególnych stopni
&� &�
NS =� NSI +� NSII =� lSIVs +� lSIIVs (12)
Indeks m odnosi się do stanu gazu (pm, Tm) na wylocie z chłodnicy międzystopniowej, czyli
k� -�1
�� ł�
��
m pm Ts k� pt k�
&�
�� ��
Vm =� ; r�m =� r�s ; lSII =� pm ę�ć� (13)
ę��� ł� -�1ś�
r�m ps Tm k� -�1 pm �� ś�
ę�Ł� ś�
�� ��
Sprężanie wielostopniowe daje wiele korzyści:
�� umożliwia utrzymanie końcowej temperatury w dopuszczalnych granicach;
�� dzięki zbliżeniu do sprężania izotermicznego zmniejsza zużycie mocy potrzebnej do sprężania w
stosunku do procesu jednostopniowego; zakreskowane pole na Rys. 7 przedstawia wielkość
zaoszczędzonej pracy;
�� zwiększa wydajność sprężarki, powiększając współczynnik wydajności przez zmniejszenie wpływu
przestrzeni szkodliwej;
�� powoduje zmniejszenie siły działającej na tłok.
W technice są stosowane sprężarki tłokowe nawet 7-stopniowe, umożliwiające uzyskanie wielkich ciśnień do
200 MPa.
3. Sprężarka rzeczywista
3.1. Wykres indykatorowy
Rys. 9. Wykres indykatorowy 1-stopniowej
sprężarki w układzie p-j�
Rys. 8. Wykres indykatorowy 1-stopniowej
sprężarki w układzie p-V
Na rys. 8 przedstawiono wykres indykatorowy 1-stopniowej sprężarki w układzie p-V, natomiast na rys. 9 ten
sam wykres w układzie p-j�.
Pola zakreskowane przedstawiają zmianę oporów w zaworach "p w okresie zasysania i wytłaczania gazu.
Sprężanie i rozprężanie gazu w sprężarce rzeczywistej przebiega według politrop o średnich wykładnikach
1 < m < k. Wartość tych wykładników można określić z wykresu p  V jako stosunek pola odpowiadającego
pracy technicznej, do pola pracy absolutnej (rys.8).
Lt
Lt =� mL ; m =� (14)
L
W tym celu jednak na wykresie zarejestrowanym przez indykator (wykres zmiany ciśnienia w cylindrze wraz z linią
atmosferyczną) należy dorysować układ współrzędnych (linię p = 0 i linię V = 0). Linię p = 0 rysuje się poniżej linii
atmosferycznej w odległości h0 przy czym
7
8
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
h0 =� pb f [�mm]�
gdzie: pb [bar] - ciśnienie atmosferyczne, f [mm/bar]
podziałka ciśnień wykresu.
Oś rzędnych V = 0 rysuje się na zewnątrz linii
odpowiadającej ZPZ w odległości
s0 =� se�0 [�mm]� (16)
gdzie: s [mm] jest długością wykresu indykatorowego.
Rys. 10. Wyznaczanie wykładnika politropy m.
3.2. Straty objętościowe i określanie sprawności sprężarki
3.2.1. Stosunek dostarczania
Na skutek strat objętościowych występujących przy zasysaniu gazu (napełnianiu cylindra) oraz strat nieszczelności,
objętość skokowa Vsk sprężarki rzeczywistej, która ma wytłoczyć Vs gazu musi być większa od objętości skokowej
sprężarki idealnej Vskt =Vs
Vs
Vsk >� Vskt =� Vs ; Vsk =� ; l� <�1 (17)
l�
l� - stosunek wydajności (dostarczania) sprężarki określa stosunek rzeczywistego wydatku sprężarki m do
&�
wydatku teoretycznego mt obliczonego z zależności (5).
&�
m &� &�
&�
Vs Vs
l� =� =� =� (18)
&�
mt Vt Vskns
&� &�
Stosunek dostarczania sprężarki jest wskaz
nikiem wykorzystania objętości skokowej sprężarki, natomiast iloczyn
(�1-� l�)�Vs sumą wszystkich strat objętościowych występujących podczas napełniania cylindra (zasysania) i
wytłaczania. Wartość stosunku dostarczania wyznacza się doświadczalnie przez pomiar rzeczywistej
&�
wydajności m lub Vs .
&�
3.2.2. Składowe stosunku dostarczania (rys. 8)
W celu zorientowania się jakie wielkości wpływają na wartość stosunku dostarczania możemy stosunek ten
wyrazić jako iloczyn czterech względnie trzech wielkości
l� =� l�1l�2l�3l�4 =�h�V l�3l�4 (19)
s -� sa
l�1 =� - stopień oddziaływania przestrzeni szkodliwej - uwzględnia fakt, że na skutek istnienia w
s
rzeczywistej sprężarce objętości szkodliwej, otwarcie zaworu dolotowego a więc i początek zasysania wystąpi dopiero
w momencie, gdy pozostała po wytłoczeniu w ZPZ tłoka masa gazu m0 o ciśnieniu pt, rozpręży się do ciśnienia ps,
co nastąpi po wykonaniu przez tłok drogi sa. Wartość l�1 można wyznaczyć z wykresu indykatorowego lub obliczyć
z zależności
1
ć� ��
s -� sa
me
l�1 =� =�1-� e�0��P� -�1�� (20)
�� ��
s
Ł� ł�
Wartość l�1 zmniejsza się więc ze wzrostem przestrzeni szkodliwej e�0 i stosunku sprężania P oraz ze
zmniejszaniem się wartości wykładnika me politropy ekspansji. Na skutek oddziaływania przestrzeni szkodliwej
&�
objętość zasysanego gazu V będzie mniejsza od objętości skokowej Vsk.
s -� sa
&�
V =� l�1Vsk =� Vsk (21)
s
Jednym ze sposobów regulacji wydajności sprężarki jest regulacja przez zmianę przestrzeni szkodliwej.
8
9
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
ss s -� sa -� sb
l�2 =� =� - stopień oddziaływania podciśnienia ssania
s -� sa s -� sa
- uwzględnia stratę objętości zasysanego gazu w przypadku, gdy przy końcu ssania w WFZ tłoka występuje
ó�
w cylindrze podciśnienie p1 < ps. W tym wypadku ciśnienie ssania ps wystąpi w cylindrze dopiero podczas
kompresji, po przebyciu przez tłok drogi sb, a objętość V" zassanego do cylindra gazu o ciśnieniu ps ulegnie
dalszemu zmniejszeniu
s -� sa -� sb
ó�ó� ó�
V =� V ��l�2 =� Vsl�1l�2 =� Vsk (22)
s
Często występują przypadki l�2 = 1 (sb= 0) gdy na skutek zmniejszającej się przy końcu okresu ssania
ó�
prędkości tłoka opory D�p przepływu przez zawór maleją do zera i p1 = ps.
W przypadku występowania pulsacji ciśnienia w rurociągu dolotowym może wystąpić niekiedy zjawisko tzw.
doładowania dynamicznego. W tym przypadku w WPZ tłoka ciśnienie w cylindrze może wzrosnąć ponad ciśnienie
ó�
dolotu ( p1 > ps) w związku z czym l�2 > 1. Wartość l�2 można określić z wykresów indykatorowych jako
ss
stosunek odcinków
(�s -� sa )�
Jednym ze sposobów regulacji wydajności sprężarki może być regulacja przez dławienie w przewodzie
ó�
dolotowym (zmiana p1 ).
h�v - sprawność wolumetryczna sprężarki
- w praktyce najczęściej straty spowodowane przestrzenią szkodliwą oraz podciśnieniem przy końcu ssania
wyraża się jedną wielkością h�v nazywaną sprawnością wolumetryczną. Sprawność wolumetryczną wyznacza się z
ss
wykresu indykatorowego jako stosunek odcinków .
s
ss
h�v =� l�1l�2 =� (23)
s
Ts
l�3 =� - stosunek cieplnego oddziaływania ścianek (stopień nagrzania)
T1
Na skutek ogrzewania się zasysanego gazu od ciepłych ścian cylindra temperatura zassanego gazu T1 będzie
większa od temperatury ssania (przed zaworem dolotowym) Ts , a w związku z tym gęstość tego gazu
r�1(T1, ps ) będzie mniejsza od gęstości w króćcu dolotowym r�s (Ts, ps ) i masa gazu zassanego m1 =� V"r�1
będzie mniejsza od masy o temperaturze ssania ms =� V"r�s
Ts
m1 =� V"r�1 =� Vsh�Vl�3 =� Vsh�V (24)
T1
Wartości l�3 nie da się zmierzyć bezpośrednio ze względu na trudność określenia temperatury gazu T1 w punkcie
1 i przyjmuje się je, gdy zajdzie tego potrzeba, z wykresów indukatorowyh lub wzorów empirycznych.
&�
mt
l�4 =� - stopień nieszczelności sprężarki
&�
ms
- uwzględnia straty gazu podczas sprężania i wytłaczania spowodowane głównie nieszczelnością pierścieni tłokowych,
dławików, itp. l�4 można wyznaczyć doświadczalnie ze stosunku natężenia przepływu gazu w przewodzie wylotowym
&� &�
mt u mt w przewodzie dolotowym.
9
10
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
3.3. Rodzaje mocy wyznaczanych przy badaniu sprężarki
NT -moc teoretyczne sprężarki
Moc teoretyczną oblicza się z wykresu porównawczego sprężarki idealnej (Rys. 6), wg równania (10). W
zależności od przyjętego wykresu porównawczego rozróżniamy:
NT - teoretyczna moc izotermiczna
Nel
Npol - teoretyczna moc politropowa
NS - teoretyczna moc adiabatyczna
Ni - moc indykowana
obliczana z rzeczywistego wykresu
indykatorowego /instrukcja do ćw. nr 3/ jest
większa od mocy teoretycznej o straty
wewnętrzne sprężarki, spowodowane głównie
oporami w zaworach.
Ne - moc efektywna (moc na wale sprężarki)
jest większa od mocy indykowanej o straty
mechaniczne sprężarki (tarcie tłoka, tarcie w
łożyskach itp.). Wyznacza się ją najczęściej jako
iloczyn mocy doprowadzanej do silnika
napędzającego i jego sprawności Ne=Nel hel
Nel - moc elektryczna silnika napędzającego
Mierzona na zaciskach musi być większa od
mocy efektywnej o straty silnika.
Rys. 11. Pojęcia sprawności energetycznych i poszczególnych strat
3.4. Sprawności energetyczne sprężarki.
Wartości poszczególnych strat energii wyraża się za pomocą następujących sprawności:
h�m - sprawność indykowana /wewnętrzna/ sprężarki, jest miarą strat wewnętrznych sprężarki
rzeczywistej w porównaniu ze sprężarką idealną. W zależności od przyjętego wykresu porównawczego
rozróżniamy:
NT
h�iT =� - sprawność indykowana izotermiczna
Ni
N
pol
h�ipol =� - sprawność indykowana politropowa (25)
Ni
NS
h�iS =� - sprawność indykowana adiabatyczna
Ni
h�m - sprawność mechaniczna, jest wskaz
nikiem strat mechanicznych sprężarki
Ni
h�m =� (26)
Ne
gdzie Ni jest mocą indykowaną, a Ne jest mocą efektywną na wale napędowym sprężarki.
h�el - sprawność silnika elektrycznego
Ne
h�el =� (27)
Nel
10
11
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
h�o - sprawność ogólna sprężarki, uwzględnia wszystkie straty energetyczne napędu sprężarki w
odniesieniu do minimalnej mocy koniecznej do zrealizowania użytecznego efektu sprężania Vs, gazu od ciśnienia ps
do pt (11).
Nu NT
h�o =� =� =�h�iTh�m (28)
Ne Ne
h�oa - sprawność ogólna agregatu (sprężarka + silnik) jest miarą sumy strat sprężarki i silnika napędzającego.
W przypadku silnika elektrycznego
Nu NT
h�oa =� =� =�h�oh�el =�h�iTh�el (29)
Nel Nel
4. Badania tłokowych sprężarek powietrznych
4.1. Uwagi ogólne
&�
Celem badania sprężarek tłokowych jest wyznaczenie następujących wielkości: wydatku objętościowego Vs
względnie masowego  , stopnia dostarczania l�, sprawności wewnętrznych h�iT względnie h�iS i ogólnych h�o
sprężarki oraz h�oa agregatu oraz, w przypadku sprężarek chłodzonych wodą, jednostkowego zużycia wody
chłodzącej mw [kg/m3].
Badania przeprowadza się dla nominalnych warunków działania sprężarki tj. nominalnej częstości obrotów ,
nominalnego ciśnienia sprężania ptn względnie nominalnego stosunku sprężania .
n
Przed przystąpieniem do badania należy sprawdzić czy sprężarka nie posiada usterek, które dałyby się usunąć
przed pomiarami właściwymi. Do usterek takich można zaliczyć: nieszczelność tłoka, nieszczelność względnie
uszkodzenie zaworów, niewłaściwe działanie układu regulacji, chłodzenia, smarowania itp. Szereg usterek
można wykryć na podstawie indykacji wstępnej sprężarki.
Pomiar właściwy rozpoczyna się po ustaleniu równowagi cieplnej sprężarki tj. ustalenie się ciśnienia
tłoczenia pt, temperatury ssania ts i wylotu tt oraz temperatury wody chłodzącej. Czas trwania pomiaru 10-20
minut. W okresie pomiarów dokonuje się około 10 odczytów wartości poszczególnych wielkości w równych
odstępach czasu.
4.2. Wielkości mierzone
Dla obliczenia wielkości określonych celem badań konieczny jest pomiar następujących parametrów:
-� ciśnienie otoczenia pot, ciśnienie względne psg (ps = pb + psg) przed króćcem dolotowym oraz w
przypadku sprężarek wielostopniowych, ciśnienie w chłodnicach międzystopniowych (pm),
-� temperatura otoczenia to, temperatura powietrza ts przed króćcami dolotowymi i tt za króćcami
wylotowymi poszczególnych stopni,
-� temperatura wody chłodzącej tw na dopływie i odpływie z głowic cylindrów i chłodnic,
-� wilgotność względna j�o powietrza zasysanego,

-� wydatek sprężarki w warunkach wylotu ,
-� natężenie przepływu wody chłodzącej  ,
-� wykres indykatorowy dla analizy poprawnego działania sprężarki i obliczenia mocy indykowanej Ni,
-� częstość obrotów ,
-� moc elektryczna na zaciskach silnika Nel.
Do obliczeń przyjmuje się wartości średnie z dokonanych pomiarów oraz dane konstrukcyjne sprężarki a
mianowicie: średnicę D i skok tłoka s, względnie objętość skokową Vsk poszczególnych cylindrów objętość
szkodliwą Vo względnie e�o.
11
12
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
Badanie sprężarek wyporowych
4.3. Stosowane przyrządy i metody pomiarowe
4.3.1 Indykacja sprężarki  bezpośrednia rejestracja ciśnienia szybkozmiennego za pomocą przetwornika
piezoelektrycznego oraz kąta obrotu wału korbowego na stanowisku do indykacji sprężarki (patrz instrukcja do
Ćw. nr 3).
4.3.2. Pomiar ciśnień  podciśnienie powietrza w przewodzie dolotowym oraz nadciśnienie w przewodzie
tłocznym mierzy się za pomocą manometrów elektronicznych z przetwornikiem pojemnościowym, ciśnienie
otoczenia pot za pomocą barometru rtęciowego.
4.3.3. Pomiar temperatur - stosuje się termopary typu K podłączone do rejestratora wielokanałowego.
4.3.4. Wilgotność względną j�o powietrza zasysanego mierzy się higrometrem pojemnościowym (patrz
instrukcja do Ćw. nr 4b). Znajomość wartości j�o jest konieczna dla dokładnego obliczenia gęstości powietrza w
warunkach ssania (r�s). W chłodnicach międzystopniowych i na wylocie można przyjmować wartości j� = 1.
Przy mniej odpowiedzialnych pomiarach przyjmuje się zwykle j�o = 0 co powoduje nieznaczne błędy mieszczące
się na ogół w granicach niedokładności pomiarów.

4.3.5. Pomiar wydajności sprężarki - zmierzoną za pomocą rotametru wydajność objętościową w

warunkach wylotu (pr, Tr, j�r) przeliczyć na wydajność objętościową w warunkach ssania (ps, Ts, j�s).

Wydajność objętościowa w warunkach ssania wyrażona w [m3/h] lub [m3/min] jest jedną z głównych wielkości
charakteryzujących sprężarkę.
5. Podsumowanie.
W niniejszym skrypcie podano jedynie podstawowe informacje na temat rodzajów sprężarek i wielkości
opisujących ich pracę. Wskazane jest uzupełnienie wiedzy wykorzystując podaną niżej literaturę oraz inne
dostępne z
ródła.
6. Lista zagadnień do opanowania.
1. Podział, charakterystyka działania oraz zakres stosowania maszyn sprężających.
2. Sprężarki wyporowe i wirowe  definicja i ogólna charakterystyka.
3. Parametry pracy sprężarki, wielkości mierzone podczas badania sprężarek.
4. Zasada działania sprężarek wyporowych ze szczególnym uwzględnieniem sprężarek tłokowych.
5. Wielkości charakteryzujące pracę sprężarki tłokowej.
6. Obieg teoretyczny sprężarki tłokowej, praca i moc sprężania.
7. Sprężanie wielostopniowe, zasada sprężania oraz korzyści.
8. Indykacja maszyn, określenie mocy indykowanej, pomiar ciśnień szybkozmiennych.
9. Rodzaje mocy wyznaczanych przy badaniu sprężarki.
10. Straty objętościowe i określanie sprawności sprężarki.
Literatura uzupełniająca:
1. T.R. Fodemski  Pomiary cieplne cz. I i II (polecane)
2. M. Mieszkowski - Pomiary cieplne i energetyczne
3. T. Bohdal i in.  Ćwiczenia laboratoryjne z termodynamiki
4. A. Miller  Maszyny i urządzenia cieplne, WSiP
5. Z. Gnutek, W. Kordylewski - Maszynoznawstwo energetyczne: wprowadzenie do energetyki cieplnej.
(dostępna on-line)
6. Miniskrypty ZTiPMC - do wypożyczenia w Czytelni Biblioteki Głównej PK lub w czytelniach Domów
Akademickich
12