SCHEMAT STANOWISKA

Rysunek . Schemat stanowiska pomiarowego

1 - cylinder niskoprężny, 2 - cylinder wysokoprężny, 3 - chłodnica międzystopniowa powietrza,

4 - filtr powietrza, 5 - korbowy układ napędowy, 6 - kurki indykatorowe, 7 - doprowadzanie powietrza do sprężarki, 8 - odprowadzanie sprężonego powietrza, 9 - zbiornik sprężonego powietrza

OBLICZENIA

I. Dane pomiarowe

Napęd

n = 70 obr/min

U = 250V

I = 68A

Chłodnica

p_cm = 3∙98066,5 = 294200Pa

t_c1 = 27°C

Ssanie
p_1m = 102900Pa

t₁ = 22°C

II. Moc doprowadzona

N_el = 0,001∙U∙I =0,001∙250∙68 = 17 kW

η_s = 0,825

N_d = N_el ∙ η_s = 17 ∙ 0,825 = 14,025 kW

III. Moc indykowana

Średnie ciśnienie indykowane dla danej strony cylindra

NPKK

A_npkk = 1970mm²

I_npkk = 101mm

u=12mm/at

$$p_{\text{npkk}} = \ \frac{A_{\text{npkk}} \bullet 98066,5}{I_{\text{npkk}} \bullet u} = \ \frac{1970 \bullet 98066,5}{101 \bullet 12\ } = 159399\ \text{Pa}$$

Moc indykowana dla danej strony cylindra

NPKK

V_snpkk = 0,01188m³

$$N_{\text{inpkk}} = 10^{- 3} \bullet \frac{n}{60} \bullet p_{\text{npkk}} \bullet V_{\text{snpkk}} = 10^{- 3} \bullet \ \frac{70}{60} \bullet 159399 \bullet 0,01188 = 2,209\ \text{kW}$$

Całkowita moc indykowana sprężarki

N_inpkk = 2,209kW

N_inpok = 2,716kW

N_iwpkk = 0,868kW

N_iwpok = 0,926kW

N_ic = N_inpkk + N_inpok + N_iwpkk + N_iwpok = 2,209 + 2,716 + 0,868 + 0,926 = 6,720 kW

IV. Powietrza

Absolutne ciśnienie powietrza

w rurociągu ssawnym p₁ = p_1m = 102900Pa

w rurociągu tłocznym p₂ = p₀ + p_2m =102900 + 520000 = 622900Pa

przed dyszą p = p₀ + p_m = 102900 + 23536 = 126436 Pa

Stała gazowa zassanego powietrza wilgotnego

-ciśnienie nasycenia pary wodnej dla t₀ =23°C p_nH20 = 2807,81Pa

$$R_{p} = \frac{287}{1 - 0,378 \bullet \frac{\varphi}{100} \bullet \frac{p_{\text{nH}2O}}{p_{0}}} = \frac{287}{1 - 0,378 \bullet \frac{69,7}{100} \bullet \frac{2807,81}{102900}} = 289,078\ \frac{J}{\text{kgK}}$$

Gęstość zassanego powietrza

$$\rho_{1} = \frac{p_{1}}{R_{p}(t_{1} + 273)} = \frac{102900}{289,078 \bullet (22 + 273)} = 1,207\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

Gęstość powietrza przed dyszą

$$\rho = \frac{p}{R_{p}(t + 273)} = \frac{126436}{289,078 \bullet (21 + 273)} = 1,488\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

Strumień masy sprężonego powietrza

p₀/p = 0,814
α = 0,65

k_α = 1

d_d = 0,009m

A_d = 0,25∙π∙d_d²

$$M_{2} = \alpha \bullet k_{\alpha} \bullet A_{d} \bullet \sqrt{p \bullet \rho} = 0,65 \bullet 1 \bullet 0,25 \bullet \pi \bullet {0,009}^{2} \bullet \sqrt{126436 \bullet 1,488} = 0,018\frac{\text{kg}}{s}$$

Strumień objętości powietrza odniesiony do warunków ssania

V₁ = M₂/ρ₁ = 0,015 m³/s

Teoretyczny strumień objętości

V_scnp = 0,02385 m³

V_t = (n/60) ∙ V_scnp = (70/60) ∙ 0,02385 = 0,028 m³/s

Teoretyczny strumień masy

M_t = V_t ∙ ρ₁ = 0,028 ∙ 1,207 = 0,034 kg/s

Właściwy wydatek powietrza

(3600∙V₁)/N_el =(3600∙0,015)/17= 3,14 m³/kWh

V. Woda chłodząca

Przyrost temperatury wody

t_w = t_w2 -t_w1 = 16-14 = 2°C

Strumień masy wody chłodzącej

ρ_w = 999,13 kg/m³

M_w = (V_w/1000)∙ρ_w = (0,59/1000)∙999,13 = 0,589 kg/s

Właściwe zapotrzebowanie wody chłodzącej

M_w/V₁ = 0,589/0,015 = 39,662 kg/m³pow

VI. Ocena pracy agregatu i sprężarki

Praca izotermicznego sprężania

$$l_{\text{iz}} = 2,303 \bullet p_{1} \bullet log\left( \frac{p_{2}}{p_{1}} \right) = 2,303 \bullet 102900 \bullet \log\left( \frac{622900}{102900} \right) = 185318\ \frac{J}{m^{3}}$$

Zapotrzebowanie mocy do sprężania izotermicznego

N_iz = 0,001∙V₁∙l_iz = 0,001∙0,015∙185318 = 2,754kW

SPRAWNOŚCI

Całkowity współczynnik przetłaczania

λ₀ = M₂/M_t = 0,018/0,034 = 0,534

Sprawność indykowana izotermiczna sprężarki

η_iiz = N_iz / N_ic = 2,754/6,720 = 0,41

Sprawność mechaniczna sprężarki

η_m = N_ic / N_d = 6,720/14,025 = 0,479

Sprawność ogólna sprężarki

η₀ = N_iz / N_d = 2,754/14,025 = 0,196

Sprawność ogólna agregatu sprężarkowego

η_0a = N_iz / N_el = 2,754/17 = 0,162

BILANS ENERGII

Moc doprowadzona do agregatu

Q_d = N_el = 17kW

Straty w silniku napędowym

Q_s = Q_d ∙ (1-η_s) = 17∙(1-0,825) = 2,975kW

Straty mechaniczne

Q_m = Q_d ∙η_s∙ (1-η_m) = 17∙0,825(1-0,479) = 7,305kW

Ciepło odprowadzone z wodą chłodzącą

c_w = 4,187 kJ/kgK

Q_w = M_w ∙ c_w ∙ t_w = 0,589 ∙4,187∙ 2 = 4,936kW

Przyrost entalpii powietrza

c_p = 1 kJ/kgK odczytane z tablic dla temperatur t₁ i t₂

Q_p = M₂ (t₂ - t₁) ∙c_p = 0,018∙ (24-22)∙1= 0,036kW

Straty na promieniowanie, przewodzenie i błędy pomiaru

Q_r = Q_d - (Q_s + Q_m + Q_w + Q_p ) = 17 - (2,975 + 7,305 + 4,936 + 0,036) = 1,748kW

Moc wykorzystana w agregacie

Q_u = Q_d∙η_0a = 17∙0,162 = 2,754kW

Moc stracona w agregacie

Q_str = Q_d ∙ (1-η_0a) = 17∙(1-0,162)=14,246kW

VII. Wnioski

Badaną sprężarką była dwustopniowa sprężarka firmy Starke-Hoffman. Wg danych technicznych z instrukcji wykonywała 170 obr/min. Na chwilę obecną wg naszych pomiarów wykonuje ona ok. 70 obr/min.

Na podstawie parametrów technicznych badanej sprężarki tłokowej oraz dokonanych pomiarów obliczono ciśnienie indykatorowe w każdej z części sprężarki, obliczono poszczególne moce oraz sprawność. Sporządzono za pomocą tzw. indykatorów mocy cztery wykresy indykatorowe, które obrazują przebieg pracy badanej sprężarki. Jeden wykres odpowiada cyklowi pracy jednej z części sprężarki. Na wykresach zaznaczono orientacyjne objętości szkodliwą
i skokową, a także ciśnienia oraz punkty charakterystyczne. W punkcie 4 - otwiera się zawór ssący,
a poruszający się tłok zasysa czynnik roboczy do wnętrza cylindra, aż do chwili, kiedy znajdzie się
w położeniu 1 - tzw. martwym punkcie. Od punktu 1 do punktu 2 następuje sprężanie czynnika. Od punktu 2 do 3 następuje wytłaczanie powietrza z cylindra (punkt 3 - tzw. martwe położenie). Okres pracy od punktu 3 do 4 nazywa się rozprężaniem powrotnym. Po osiągnięciu punktu 4 cykl rozpoczyna się ponownie. Wykresy dla części wysokoprężnej znacznie różnią się kształtem od tych dla części niskoprężnej.

Wg obliczeń najwyższe ciśnienie indykatorowe panuje w części wysokoprężnej ku-korbowej, natomiast najniższe w części niskoprężnej ku-korbowej. Najwyższa moc indykowana jest odpowiednio w części niskoprężnej od-korbowej i wynosi N_iNPOK = 2,716kW, natomiast najniższa tam gdzie panuje najwyższe ciśnienie czyli N_iWPKK = 0,868 kW. Jako, że ciśnienie indykatorowe
(a zatem i moc indykatorowa) zależy od pola wykresu indykatorowego oraz długości linii ciśnienia, wyniki mogą być niedokładne (planimetr którego użyliśmy wymagał dużej precyzji, dlatego też wystarczyło niedokładnie obrysować linie wykresu, aby wynik był nieprawidłowy). Całkowita moc indykatorowa sprężarki wynosi wg obliczeń N_ic = 6,720kW.

Obliczona sprawność indykowana izotermiczna sprężarki wyniosła 41%, jednak zważając na ilość lat pracy (wiek maszyny to około 100 lat), jest ona dosyć wysoka. Sprawność ogólna sprężarki wynosi 19,6%.

Na podstawie przeprowadzonego bilansu energii sporządzono wykres Sankeya, który jest przemiarowany ze względu na zbyt małą wartość przyrostu entalpii powietrza.