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 Maszyn i Urządzeń Przepływowych

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Kraków, 2004

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
	- praca techniczna = Σ prac bezwzględnych = pracy napełniania+pracy sprężania+pracy wytłaczania

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 V₃.

4-1 - ssanie (otwarcie - zamknięcie zaworu ssawnego) 1-2 - sprężanie 2-3 - wytłaczanie 3-4 - rozprężanie (gazu zawartego w przestrzeni szkodliwej V3)

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
większe, tym większe V₄ i mniejsze V'.

Im bardziej stroma krzywa 3-4, tym mniejsze V₄ i większe V'.

Sprężarka jednostopniowa rzeczywista

Ciśnienie w cylindrze w czasie ssania p₁ zależy od ciśnienia czynnika zasysanego p_s, od oporów filtra przewodu ssawnego i zaworów sprężarki (Δp_s).

Ciśnienie w cylindrze w czasie wytłaczania p_t zależy od ciśnienia w przewodzie tłocznym p_t i oporów w przewodzie tłocznym.

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 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 V₄ i późniejsze otwarcie zaworu ssawnego (zmniejszenie objętości gazu zassanego). Cieplne oddziaływanie zależy w dużej mierze od prędkości tłoka (obrotów wału), stosunku sprężania p₂/p₁ 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:

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

ad 2. współczynnik dławienia λ_d :

ad 3. współczynnik grzania ścian cylindra λ _g :

ad 4. współczynnik nieszczelności λ _n :

Uwzględnia szczelność tłoka (pierścieni tłokowych), zaworów:

Indykowany współczynnik objętościowy λ _i - wyznaczany zwykle z wykresu indykatorowego

λ _i - tym większy im mniejsza przestrzeń szkodliwa , ciśnienie tłoczenia , opory na ssaniu oraz im większa intensywność chłodzenia cylindra

Rzeczywisty współczynnik objętościowy λ

małe sprężarki duże sprężarki

wysokie ciśnienie niskie ciśnienie

Rzeczywista wydajność sprężarki
_rz - (wydajność mierzona w przewodzie tłocznym):

_- strumień objętości odniesiony do parametrów ssania (ps, Ts)

_{t - teoretyczna wydajność sprężarki odniesiona do parametrów ssania} (p_s, T_s)

V _sk - objętość skokowa

i - liczba cylindrów

n - liczba obrotów

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)

Dla gazu doskonałego i pół doskonałego:

lub gdy

Moc użyteczna sprężarki bez chłodzenia - N_ts (moc adiabatyczna):

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

Dla gazu doskonałego
:

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 ).

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

Tutaj są braki, brak wykresu indykatorowego obrazującego pojęcie ciśnienia p_i - należy to porównać z oryginałem, czyli maszynopisem. Ma to zostać uzupełnione na dyskietce. Proponuję pobrać z dyskietki, która jest w teczce „Sprężarka tłokowa”.

Współczynniki obejmują, straty występujące w cylindrze w czasie procesu sprężania oraz straty występujące przy przepływie gazu z i do cylindra

Współczynnik sprawności mechanicznej

Sprawność ogólna sprężarki

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

Pomiar wydajności rzeczywistej sprężarki tłokowej

Wydajność masowa sprężarki tłokowej -
jest to masa czynnika która została przetłoczona przez sprężarki w jednostce czasu. Odpowiada to średniemu masowemu natężeniu przepływu.

Objętościowa wydajność sprężarki
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.

Metody pomiaru rzeczywistej sprawności sprężarki

1. na podstawie wykresu indykatorowego

2. metodą napełniania zbiornika

3. za pomącą zwężek pomiarowych

4. na podstawie bilansu wymiennika ciepła

1. Wydajność sprężarki idealnej i rzeczywistej

Wydajność sprężarki idealnej / wydajność teoretyczna V_t /

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

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

2. Pomiar wydajności sprężarki na podstawie wykresu indykatorowego

Metoda ta sprawdza się do określenia indykowanego współczynnika objętościowego λ_i na podstawie wykresu indykatorowego sprężarki , zdjętego podczas pomiarów przy ustalonych warunkach pracy

λ_gn - można ustalić na podstawie tablic

3. 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.

dla powietrza M = 28,96
,

4. 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).

5. Określenie wydajności sprężarki na podstawie bilansu chłodnicy.

Realizuje się poprzez umieszczenie na przewodzie tlocznym wymiennika ciepła chłodzonego wodą.

Określa się masę wody przepływającej przez wymiennik w czasie  i przyrost jej temperatury t_W oraz spadek entalpi na wejściu i wyjściu z wymiennika. Pozwala to na ułożenie bilansu energetycznego.

skąd oblicza się ilość czynnika przepływającego w czasie

Metoda ta ma zastosowanie przy określeniu wydajności sprężarek chłodniczych.

III. OPRACOWANIE WYNOKÓW POMIARÓW

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest pomiar rzeczywistej wydajności jednostopniowej sprężarki tłokowej metodą napełniania zbiornika oraz wyznaczenie rzeczywistego współczynnika objętościowego.

2. Schemat stanowiska pomiarowego

3. Wyniki pomiarów

Dotyczą parametrów konstrukcyjnych sprężarki oraz wielkości niezbędnych dla przeprowadzenia obliczeń.

Dane dotyczące sprężarki i zbiornika:

D= ..............................[mm]

S= ..............................[mm]

i= ................................[- -]

n= ..............................

V_Z= .............................[m³]

oraz

- parametry otoczenia t_ot =.................. [^oC] =.......................... [^oC]

h_b =................. [T_r] =.......................... [
]

- parametry ssania t_S =.................. [^oC] =......................... [K]

h_S =................. [T_r] =......................... [
]

- parametry w zbiorniku na początku i na końcu pomiaru

p_m1 =....................................
=..................................

p_m2 =....................................
=..................................

t₁ =.................................... [^oC] =.................................. [^oK]

t₂ =.................................... [^oC] =.................................. [^oK]

- czas napełniania zbiornika

4. Obliczenia

Przeprowadzić, wyliczając kolejno następujące wielkości:

p₁ [N/m²], p₂ [N/m²], T₁ [K], T₂ [K], R
,
[kg/s],

v_s [m³/kg],
[m³/s],
[m³/s],
[--]

5. Tabela pomiarowa

Parametr obliczony	Jednostka	Numer pomiaru
				I	II	III
Ciśnienie w zbiorniku p1
Ciśnienie w zbiorniku
Temperatura w zbiorniku T1
Temperatura w zbiorniku T2
Strumień masy
Objętość właściwa vs
Wydajność rzeczywista
Wydajność teoretyczna
Rzeczywisty wsp. bjętościowy
Rzeczywisty średni wsp. objęt.

6. Komentaż badań oraz uzyskanych wyników pomiarów.

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 wpółczynniki 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 zmiejszcyć 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

• omówienie metod pomiaru wydajności sprężarki tłokowej wraz z rysunkami ilustrującymi te metody

• schemat stanowiska pomiarowego

• wykaz przyrządów pomiarowych

• wyniki pomiarów (wg instrukcji)

• wyniki obliczeń (wg instrukcji), (podać wzór, podstawienie liczbowe, wartość oraz jednostkę).

2




---