Akademia Górniczo- Hutnicza

Im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Energetyki i Paliw

Maszyny Przepływowe

Laboratorium

Badanie sprężarki tłokowej

Mateusz Malicki

Wydział EiP gr. IV

rok 2010/2011

data wykonania ćwiczenia 20.01.2011

I. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest pomiar wydajności rzeczywistej jednostopniowej sprężarki tłokowej metodą napełniania zbiornika, wyznaczenie rzeczywistego współczynnika objętościowego sprężarki oraz
określenie stanu technicznego maszyny.

II. Schemat stanowiska pomiarowego:

1 – przewód ssawny, 2 – filtr powietrza, 3 – przewód ssawny łączący filtr z zaworem ssawnym, 4 – zawór ssawny, 5 – zawór tłoczny, 6 – przewód tłoczny – łączący zawór tłoczny z odolejaczem powietrza, 7 – odolejacz powietrza,	8 – zawór ciśnieniowy, 9 – termometr pomiarowy – mierzy temperaturę sprężonego powietrza w zbiorniku, 10 –zawór bezpieczeństwa, 11 – manometr – mierzy ciśnienie panujące w zbiorniku ze sprężonym powietrzem, 12 – zawór ciśnieniowy – spustowy – służy do odprowadzenia sprężonego powietrza ze zbiornika, 13 – zbiornik na sprężone powietrze, 14 – przyrząd do pomiaru obrotów,

Filtr powietrza został umieszczony w celu zatrzymania zanieczyszczeń i cząstek stałych dostających się przez przewód ssawny z powietrzem do komory tłoka. Odolejacz powietrza służy do oddzielenia cząstek oleju od tłoczonego powietrza, który mógłby się dostać do komory w wyniku ruchu tłoka. Olej pochodzi ze smarowania połączeń w tłoku i gdyby dostał się do zbiornika, to w wyniku połączenia oleju ze sprężonym powietrzem, mogłaby wytworzyć się mieszanka wybuchowa, czego chcemy uniknąć.

III. Dane techniczne sprężarki i parametry otoczenia:

Parametry techniczne sprężarki tłokowej i zbiornika:

Średnica tłoka sprężarki: Skok tłoka sprężarki: Ilość cylindrów: Objętość zbiornika sprężarki tłokowej: Nominalna prędkość obrotowa sprężarki:	D = 70 [mm] S = 65 [mm] i = 1 [ – ] Vz = 0.135 [m^3] n = 850 – 860 [Obr/min]

Parametry gazu i otoczenia:

Rodzaj gazu: powietrze atmosferyczne.

- parametry otoczenia:

t_ot = 21.4[°C] = T_ot = 294,55 [K];

p_b = 99300 [$\text{Pa}\ = \ \frac{N}{m^{2}}$]

- parametry gazu na ssaniu:

t_s = 21.4 [°C] = T_s = 294,55 [K];

p_s = 99300 [$Pa\ = \ \frac{N}{m^{2}}$]

Dodatkowe parametry gazu:

Stała gazowa R = 287.1 [$\frac{J}{kg \bullet K}$]

Objętość właściwa: v_s = 0.852 [m³/kg]

IV. Metoda pomiaru i wykorzystane zależności matematyczne:

Opis metody badania sprężarki:

Pomiaru rzeczywistej wydajności sprężarki dokonano metodą napełniania zbiornika. Metoda ta oparta jest na określeniu masy czynnika wtłoczonego do zbiornika w określonym czasie. Znając objętość zbiornika V_z i stałą gazową R czynnika, mierząc ciśnienie i temperaturę przed i po napełnieniu zbiornika jesteśmy w stanie wyznaczyć wydajność rzeczywistą sprężarki na podstawie równania stanu gazu o równania ciągłości strugi. Znając parametry techniczne możliwe jest określenie wydajności teoretycznej sprężarki. Po określeniu wydajności rzeczywistej i teoretycznej możliwe jest określenie rzeczywistego współczynnika objętościowego λ – jest to stosunek wydajności rzeczywistej i teoretycznej. Współczynnik λ informuje o stanie technicznym sprężarki.

Zależności matematyczne:

Objaśnienie indeksów we wzorach wykorzystanych do obliczeń:

1 – Moment rozpoczęcia badania;

2 – Moment zakończenia badania;

s – Warunki ssania.

p₁ • V₁ = m₁ • R • T₁

p₂ • V₂ = m₂ • R • T₂

$$\dot{m} \bullet \tau = m_{2} - m_{1}$$

Strumień masy:

$$\dot{m} = \frac{V_{z}}{\tau \bullet R} \bullet \left( \frac{p_{2}}{T_{2}} - \frac{p_{1}}{T_{1}} \right)\ \left\lbrack \frac{\text{kg}}{s} \right\rbrack$$

Objętość właściwa zasysanego gazu:

$$V_{s} = \frac{R \bullet T}{p_{3}} = \ \frac{R \bullet T_{\text{ot}}}{p_{\text{ot}}}\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{\text{kg}} \right\rbrack,\ V_{s} = \frac{1}{\rho_{s}}$$

Wydajność rzeczywista sprężarki:

$${\dot{V}}_{\text{rz}} = \dot{m} \bullet V_{s}\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$$

Wydajność teoretyczna:

$${\dot{V}}_{\text{teor}} = \frac{{\pi \bullet D}^{2}}{4} \bullet s \bullet i \bullet \frac{n}{60}\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$$

Rzeczywisty współczynnik objętościowy:

$$\lambda = \frac{{\dot{V}}_{\text{rz}}}{{\dot{V}}_{\text{teor}}}$$

Wartości współczynnika objętościowego:

λ =	0.65	÷	0.92
	Małe sprężarki, wysokie ciśnienie		Duże sprężarki, niskie ciśnienie

Określenie stanu technicznego sprężarki na podstawie wartości współczynnika objętościowego λ:

λ < 0.77 Dobry stan techniczny sprężarki;

λ = 0.75÷0.77 Zadawalający stan techniczny sprężarki;

λ = 0.70÷0.75 Zły stan techniczny sprężarki – sprężarka nadaje się do remontu;

λ = 0.65÷0.70 Bardzo zły stan techniczny sprężarki – sprężarka nadaje się do kapitalnego remontu lub wymiany;

V. Podstawowe parametry zmierzone i wartości uzyskane drogą obliczeń.

Wartości zmierzone, uzyskane drogą doświadczalną.

1.Dane dla pomiaru pierwszego:

Ciśnienie w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	p1N	=	0,5	[kG/cm^2]	=	49050	[N/m^2]
Ciśnienie w momencie zakończenia napełniania zbiornika	p2N	=	2,5	[kG/cm^2]	=	245250	[N/m^2]
Temperatura w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	t1	=	21,6	[°C]	T1=	294,75	[K]
Temperatura w momencie zakończenia napełniania zbiornika	t2	=	23,6	[°C]	T2=	296,75	[K]
Czas napełniania zbiornika sprężarki	τ	=	83,14	[s]
Prędkość obrotowa wału sprężarki	n	=	859	[Obr/min]

2.Dane dla pomiaru drugiego (gorący):

Ciśnienie w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	p1N	=	0,5	[kG/cm^2]	=	49050	[N/m^2]
Ciśnienie w momencie zakończenia napełniania zbiornika	p2N	=	2,5	[kG/cm^2]	=	245250	[N/m^2]
Temperatura w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	t1	=	20,25	[°C]	T1=	293,4	[K]
Temperatura w momencie zakończenia napełniania zbiornika	t2	=	22,75	[°C]	T2=	295,9	[K]
Czas napełniania zbiornika sprężarki	τ	=	85,006	[s]
Prędkość obrotowa wału sprężarki	n	=	855	[Obr/min]

3.Dane dla pomiaru trzeciego:

Ciśnienie w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	p1N	=	2	[kG/cm^2]	=	196200	[N/m^2]
Ciśnienie w momencie zakończenia napełniania zbiornika	p2N	=	4	[kG/cm^2]	=	392400	[N/m^2]
Temperatura w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	t1	=	24,5	[°C]	T1=	297,65	[K]
Temperatura w momencie zakończenia napełniania zbiornika	t2	=	25	[°C]	T2=	298,15	[K]
Czas napełniania zbiornika sprężarki	τ	=	90.41	[s]
Prędkość obrotowa wału sprężarki	n	=	856,6	[Obr/min]

4.Dane dla pomiaru czwartego:

Ciśnienie w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	p1N	=	3,75	[kG/cm^2]	=	367875	[N/m^2]
Ciśnienie w momencie zakończenia napełniania zbiornika	p2N	=	5,75	[kG/cm^2]	=	564075	[N/m^2]
Temperatura w momencie rozpoczęcia napełniania zbiornika	t1	=	24,5	[°C]	T1=	297,65	[K]
Temperatura w momencie zakończenia napełniania zbiornika	t2	=	26	[°C]	T2=	299,15	[K]
Czas napełniania zbiornika sprężarki	τ	=	110,4	[s]
Prędkość obrotowa wału sprężarki	n	=	854	[Obr/min]

VI. Tok obliczeniowy z wykorzystaniem wartości zmierzonych:

Dla punktu drugiego:

a. Obliczenie wartości ciśnienia przy rozpoczęciu napełniania zbiornika:

p₁ =  p_ot + p_1N = 99300 + 49050 = 148350 [Pa] =  0, 14835[MPa]

b. Obliczenie wartości ciśnienia przy rozpoczęciu napełniania zbiornika:

p₂ =  p_ot + p_2N = 99300 + 245250 = 344550 [Pa] =  0, 344550 [MPa]

c. Obliczenie wydatku masowego:

$$\dot{m} = \frac{V_{z}}{\tau \bullet R} \bullet \left( \frac{p_{2}}{T_{2}} - \frac{p_{1}}{T_{1}} \right) = \frac{0.135}{85.006 \bullet 287.1} \bullet \left( \frac{344550}{295,9} - \frac{148350}{293,4} \right) = 3,64\ \bullet 10^{- 3}\ \left\lbrack \frac{\text{kg}}{s} \right\rbrack$$

d. Obliczenie objętości właściwej zasysanego gazu:

$$V_{s} = \frac{R \bullet T}{p_{3}} = \ \frac{R \bullet T_{\text{ot}}}{p_{\text{ot}}} = \ \frac{287.1 \bullet 294,55}{99300} = 0.852\left\lbrack \frac{m^{3}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

$$V_{s} = \frac{1}{\rho_{s}} \rightarrow \rho_{s} = \frac{1}{V_{s}} = \frac{1}{0.852} = 1.1737\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack$$

e. Obliczenie wydajności rzeczywistej:

$${\dot{V}}_{\text{rz}} = \dot{m} \bullet V_{s} = 0.852 \bullet 3,64 \bullet 10^{- 3} = 3,101 \bullet 10^{- 3}\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$$

f. Obliczenie wydajności teoretycznej sprężarki:

$${\dot{V}}_{\text{teor}} = \frac{{\pi \bullet D}^{2}}{4} \bullet s \bullet i \bullet \frac{n}{60} = \frac{{\pi \bullet 0.07}^{2}}{4} \bullet 0.065 \bullet 1 \bullet \frac{855}{60} = 3.563 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$$

g. Obliczenie rzeczywistego współczynnika objętościowego:

$$\lambda = \frac{{\dot{V}}_{\text{rz}}}{{\dot{V}}_{\text{teor}}} = \frac{3,101 \bullet 10^{- 3}}{3.563 \bullet 10^{- 3}\ } = 0.87$$

Tabelaryczne zestawienie wyników:

Parametr obliczony	Jednostka	Numer pomiaru
		I
Ciśnienie w zbiorniku p1		148350
Ciśnienie w zbiorniku p2		344550
Temperatura w zbiorniku T1		294,75
Temperatura w zbiorniku T2		296,75
Czas napełniania zbiornika τ		83,10
Strumień masy		3,722·10^-3
Objętość właściwa vs		0,852
Wydajność rzeczywista rz		3,17·10^-3
Wydajność teoretyczna		3,581·10^-3
Rzecz. wsp. obj.		0,885
Rzecz. średni wsp. obj.		0,811

Wnioski końcowe:

Rzeczywiste współczynniki objętościowe λ dla poszczególnych pomiarów wynoszą odpowiednio:

1. λ = 0,885

2. λ = 0,87

3. λ = 0,814

4. λ = 0,66

Średnia wartość rzeczywistego współczynnika objętościowego wynosi:

λśr = 0,807

Obliczony średni współczynnik λ mieści się w przedziale λ = 0,75 ÷ 0,85 , co kwalifikuje stan badanej sprężarki jako bardzo dobry. Sprężarka nadaje się do dalszej eksploatacji.

Zauważyć należy, iż największe wartości współczynnika λ zostały otrzymane dla pierwszego pomiaru jak i dla pomiaru na sprężarce rozgrzanej(pomiar 2). Spowodowane jest to faktem, iż w pierwszym pomiarze ciśnienie początkowe jak i ciśnienie końcowe było stosunkowo małe i wynosiło odpowiednio p_1N = 0,5 [kG/cm²] do p_2N = 2,5 [kG/cm²], wtedy badana sprężarka rozpoczynała pracę, nie była rozgrzana, więc zasysane powietrze nie miało możliwości wcześniejszego rozszerzenia się pod wpływem wysokiej temperatury. W pomiarze 2 kiedy pracowaliśmy na rozgrzanej sprężarce temperatura prawdopodobnie nie była na tyle wysoka żeby zmienić pomiar i wpłynąć znacząco na wyniki.

Wraz z zwiększaniem się ciśnienie straty również rosną co może być związane z nie szczelnością zarówno cylindra jak i zaworów. W naszym pomiarze wpływ temperatury na pozostałe odczyty był znikomy co mogło być spowodowane stosunkowo krótką praca sprężarki co nie pozwoliło na jej odpowiednie nagrzanie.

Metoda napełniania zbiornika którą zastosowaliśmy pozwala nam dzięki znajomości wartości ciśnienia i temperatury (na początku i końcu pomiaru) na określenie stanu technicznego sprężarki poprzez wyliczenie rzeczywistego współczynnika objętości sprężarki znając dodatkowo temperatur i ciśnienie otoczenia i ilość obrotów wału