POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH

Sprężarka tłokowa

Laboratorium Pomiarów Maszyn Cieplnych

(PM-2)

Opracował: mgr inż. Jerzy Początek

Sprawdził: dr inż. Daniel Węcel

Zatwierdził: dr hab. inż. Janusz Kotowicz, prof. nzw. w Pol.Śl.

www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wielkościami charakteryzującymi pracę sprężarki tłokowej, metodami ich pomiaru oraz zależnościami między nimi (charakterystyki sprężarki).

2. Wprowadzenie

1. Cel badań

Celem badań sprężarki tłokowej może być:

• sporządzenie bilansu energetycznego;

• sporządzenie charakterystyk.

1. Wielkości mierzone

W celu uzyskania informacji o danym egzemplarzu sprężarki mierzy się na stanowisku badawczym szereg wielkości charakteryzujących jej pracę:

• wydajność (strumień powietrza);

• temperaturę i ciśnienie powietrza przed i za każdym stopniem sprężarki;

• moc indykowaną;

• moc elektryczną (moc napędową sprężarki);

• ciśnienie międzystopniowe;

• strumień wody chłodzącej w każdym chłodzonym elemencie sprężarki;

• temperaturę i ciśnienie wody chłodzącej.

1. Pomiar wydajności (strumienia powietrza).

Wydajność masowa sprężarki q_m odpowiada średniemu strumieniowi czynnika w przewodzie tłocznym q_mt. W przypadku sprężarek stosuje się zwykle pojęcie objętościowej wydajności sprężarki q_v, które odpowiada średniemu strumieniowi objętości czynnika, równoważnemu pod względem masowym strumieniowi q_m, przy czym parametry czynnika odpowiadają warunkom w króćcu ssawnym t_s, p_s, ρ_s lub innym umownym warunkom (np. t_n, p_n, ρ_n).

Wydajność sprężarki może być określona za pomocą:

• zwężek pomiarowych !!;

• przepływomierzy;

• na podstawie bilansu energetycznego, np. chłodnicy międzystopniowej.

1. Pomiar temperatury i ciśnienia.

W zależności od potrzeb (do wykonania bilansu lub charakterystyk) możemy zmierzyć temperaturę za pomocą termometrów oraz ciśnienia za pomocą manometrów w następujących miejscach sprężarki:

• przed każdym stopniem;

• za każdym stopniem.

1. Spręż sprężarki

Spręż określamy jako stosunek ciśnień na tłoczeniu i na ssaniu:




gdzie: p_t - ciśnienie bezwzględne powietrza na wyjściu ze sprężarki (na tłoczeniu);

p_s - ciśnienie bezwzględne powietrza na wejściu do sprężarki (na ssaniu).

2. Moc indykowana

Moc indykowana (wewnętrzna) określa się na podstawie wykresów indykatorowych zdjętych równocześnie z wszystkich cylindrów sprężarki. Pole wykresu indykatorowego przedstawia w pewnej sakli pracę jednego obiegu.


[W]

gdzie: pV - pole powierzchni zdjętego wykresu indykatorowego;

pV = W_t - praca techniczna jednego cyklu pracy badanego cylindra;

n - prędkość obrotowa wału sprężarki.

3. Moc elektryczna - moc napędowa sprężarki

Moc elektryczną zasilania silnika mierzymy w odpowiedni sposób w zależności od rodzaju silnika napędzającego sprężarkę. Większość sprężarek napędzana jest silnikami elektrycznymi gdzie moc elektryczną mierzymy watomierzami.

Moc napędowa sprężarki jest to moc na wale sprężarki (silnika). Możemy ją wyznaczyć mając charakterystykę silnika elektrycznego (sprawność elektryczną).


[W]

gdzie: η_s - sprawność silnika elektrycznego;

P_el - zmierzona moc elektryczna.

4. Ciśnienie międzystopniowe

W przypadku badania sprężarki wielostopniowej mierzymy ciśnienie gazu sprężonego za każdym stopniem sprężania.

5. Strumień wody chłodzącej w każdym elemencie sprężarki

Do sporządzenia bilansu energetycznego sprężarki musimy określić ilość ciepła odbieraną przez czynnik chłodzący. Czynnikiem chłodzącym w sprężarkach może być woda lub powietrze. W przypadku chłodzenia sprężarek powietrzem bilansu energetycznego praktycznie nie wykonuje się ze względu na trudności z pomiarem parametrów czynnika chłodzącego (strumienia powietrza, jego temperatury i ciśnienia).

Gdy czynnikiem chłodzącym jest woda dość łatwo zainstalować przepływomierz do pomiaru strumienia w każdym istniejącym w sprężarce obiegu chłodzącym. Strumień możemy mierzyć różnymi typami przepływomierzy w zależności od średnicy przewodów i wielkości strumienia.

6. Temperatura i ciśnienie wody chłodzącej

Temperaturę mierzymy termometrami a ciśnienie manometrami na dopływie i odpływie każdego obiegu chłodzącego sprężarki.

3. Badania i pomiary

1. Badana sprężarka

Na stanowisku zabudowana jest dwustopniowa sprężarka tłokowa S2W-216 (nr 631), wykonana przez Hutę Stalowa Wola w 1956 r. Jest to sprężarka trzycylindrowa, z czego dwa cylindry przypadają na pierwszy stopień sprężania, a jeden cylinder na drugi stopień sprężania. Sprężarka jest chłodzona wodą; posiada chłodnicę międzystopniową, a każdy cylinder ma oddzielny obieg wody chłodzącej. Powietrze do sprężarki jest pobierane z zewnątrz budynku, a tłoczone jest do zbiornika znajdującego się również na zewnątrz budynku HMC.

Rys.1. Schemat stanowiska badawczego

2. Pomiar wielkości do sporządzenia charakterystyk sprężarki

1. Wydajność (strumień powietrza) q_vs

Do określenia strumienia powietrza używamy kryzy ISA zainstalowanej w układzie pomiarowym jak na Rys.1. o parametrach D = 60 mm, d = 38 mm. W celu stłumienia pulsacji przepływającego czynnika w instalacji zastosowano zbiornik o dużej pojemności (ok. 4 m³).

Wydajność sprężarki jest równa strumieniowi objętości mierzonemu za pomocą zwężki, wtedy gdy ciśnienie w zbiorniku będzie stałe p_t1m = const (p_t = p_t1) !!!

Strumień powietrza określamy mierząc, za pomocą U-rurki (manometru dwuramiennego) spadek ciśnienia Δh [mm H₂O] na zwężce (kryza z kołnierzowym odbiorem ciśnienia) oraz ciśnienie przed zwężką p_t1m [kG/cm²]. Korzystając z wytycznych zawartych w normie PN-93/M-53950/01 obliczamy objętościowy strumień powietrza przepływającego przez sprężarkę (wydajność) w odniesieniu do parametrów powietrza na ssaniu sprężarki (t_s, p_s, ρ_s).

Strumień powietrza w rurociągu tłocznym:


[m³/s]

gdzie, współczynnik przepływu C i liczba ekspansji ε na podstawie normy wynoszą:

C = 0,605

ε = 0,998

Spadek ciśnienia na kryzie:




Gęstość gazu obliczamy ze wzoru:


[kg/m³]

Przeliczenie wydajności na parametry odniesienia (warunki na ssaniu):


[m³/s]

2. Temperatura i ciśnienie (t_s, t_t, p_s, p_t)

Ciśnienie manometryczne na ssaniu (h_s) mierzymy za pomocą manometru dwuramiennego cieczowego (U-rurki) wypełnionej wodą. Ciśnienie bezwzględne na ssaniu obliczamy ze wzoru:


[Pa]

gdzie: p_o [Pa] - ciśnienie otoczenia;

h_s [m H₂O] - różnica poziomów w U-rurce;


[N/m³] - ciężar właściwy wody.

Ciśnienie manometryczne na tłoczeniu (p_t1m) mierzymy za pomocą manometru sprężystego z rurką Burdona. Ciśnienie bezwzględne na tłoczeniu obliczamy ze wzoru:


[Pa]

Pomiar temperatury na ssaniu i tłoczeniu sprężarki dokonujemy za pomocą termometrów rtęciowych zainstalowanych na rurociągu tłocznym (t_t) i ssawnym (t_s).

3. Całkowity przyrost ciśnienia


[Pa]

4. Spręż (Π)

Spręż określamy wg punktu 2.2.3

5. Moc elektryczna (P_el) i moc napędowa (P_n)

Silnik napędzający sprężarkę jest elektrycznym silnikiem trójfazowym (pierścieniowym) SOUa116 (nr 229213) o parametrach znamionowych:

P = 37 kW

n = 970 obr/min

stojan U = 220/380 V, I = 130/75 A

wirnik U = 280 V, I = 87 A

cosφ = 0.87

f = 50 Hz

Temp.ot. = 35 , PNE 23 kl A

Pomiar mocy elektrycznej P_el dokonujemy za pomocą watomierza. Moc napędowa (na wale) obliczamy ze wzoru:


[W]

Sprawność silnika przyjąć η_s = 70%.

6. Ciśnienie międzystopniowe

Manometryczne ciśnienie międzystopniowe (p_mm) mierzymy w punkcie jak na Rys.1. za pomocą manometru sprężystego z rurką Burdona. Bezwzględne ciśnienie międzystopniowe obliczamy:


[Pa]

3. Pomiar wielkości do sporządzenia bilansu energetycznego

W celu sporządzenia bilansu energetycznego oprócz wielkości mierzonych wymienionych w punktach 3.2.1. ÷ 3.2.5, dodatkowo mierzymy wielkości związane z energią traconą w sprężarce na jej chłodzenie.

1. Strumień wody chłodzącej

W badanej sprężarce mamy wspólne doprowadzenie wody do czterech obiegów chłodzących oraz swobodny z nich wypływ:

• 1 obieg - chłodzenie 1 cylindra

• 2 obieg - chłodzenie 2 cylindra

• 3 obieg - chłodzenie 3 cylindra

• 4 obieg - chłodzenie w chłodnicy międzystopniowej

Na wylocie z każdego obiegu zainstalowany jest wodomierz (licznik pokazujący ilość przepływającej wody). Za pomocą wszystkich wodomierzy dokonujemy odczytu w tym samym momencie ilości przepływającej wody chłodzącej w określonym i mierzonym czasie (30 sek.).

1. Temperatura i ciśnienie wody chłodzącej

Pomiar temperatury i ciśnienia dokonujemy w punktach pokazanych na Rys.1. na dopływie i odpływie poszczególnych obiegów.

2. Temperatura powietrza za pierwszym stopniem t_m

3. Temperatura powietrza za chłodnicą międzystopniową (przed drugim stopniem) t₃

4. Temperatura za sprężarką (przed zbiornikiem) t_t

4. Przebieg pomiarów

1. Czynności do wykonania

1. Uruchamiamy sprężarkę:

• doprowadzamy wodę do układu chłodzącego i ustalmy jej przepływ,

• dźwignię przełącznika szczotek silnika ustawiamy w pozycji „ROZRUCH”,

• dźwignię rozrusznika ustawiamy w pozycji 0,

• na szafie sterującej przyciskamy zielony przycisk uruchamiając silnik,

• dźwignię rozrusznika przekręcamy stopniowo od minimum do maksimum,

• dźwignię przełącznika ustawimy energicznym ruchem w pozycji „PRACA”.

1. Otwieramy zawór Z2, mierzymy Δp_max na zwężce (po ustaleniu się ciśnienia p_t1m = const ≈ 2 kG/cm²),

2. Zamykamy zawór Z2,

3. Czekamy na wzrost ciśnienia p_t1m do wartości ok. 6 kG/cm²,

4. Lekko otwieramy zawór, mierzymy Δp_min na zwężce (po ustaleniu się ciśnienia p_t1m = const ≈ 5,5 kG/cm²),

5. Obliczamy strumień q_{vs max}, q_{vs min} oraz różnicę q_{vs max} - q_{vs min}. Obliczoną różnicę wartości strumieni dzielimy na minimum 4 (opcjonalnie 6) części. Dla każdego w ten sposób wyznaczonego przepływu obliczamy spadek ciśnienia na zwężce.

6. Wyznaczone spadki ciśnienia regulujemy za pomocą zaworu Z2 czekając aż ciśnienie p_t1m ustali się. Po ustaleniu się ciśnienia mierzymy pozostałe wielkości, a ich wartości wpisujemy do tabeli wyników pomiarów, Tab.1.

7. Obliczamy wielkości charakteryzujące pracę sprężarki i wpisujemy je do tabeli wyników obliczeń, Tab.2.

8. W celu zmierzenia strumienia wody chłodzącej, do każdego wodomierza (4 szt.) zainstalowanego na wylocie ze wszystkich obiegów chłodzących, podchodzi jeden ćwiczący. Piąta osoba mierzy czas. Na dany sygnał wszystkie osoby odczytują stan licznika oraz po upływie określonego czasu (np. 30 sek.) następne wskazanie licznika. Na podstawie różnicy wskazań liczników określamy przepływ wody chłodzącej w poszczególnych obwodach chłodzących sprężarki.

9. Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń jednego punktu (dla jednej wartości strumienia powietrza) sporządzamy bilans energetyczny sprężarki:

Bilans energetyczny stopnia pierwszego (niskoprężny - 2 cylindry)




gdzie: P_iI - moc wewnętrzna (indykowanana) I stopnia,

q_mg, q_mwI - strumienie masy powietrza suchego i wody chłodzącej,

i_m, i_s - entalpie właściwe powietrza wilgotnego,

t_w', t_w” - temperatura wody chłodzącej na dopływie i odpływie,

Q_otI - strata ciepła do otoczenia.




gdzie: p_g1, p_gt1 - ciśnienie składnikowe powietrza suchego,

R_g = 287,04 J/(kg deg) - indywidualna stała gazowa powietrza suchego,

q_vs, q_vt - strumienie objętości na ssaniu i tłoczeniu.







1. Charakterystyki sprężarki

Wyniki pomiarów można przedstawić w formie wykresów ilustrujących zależności:

1	Δpc = f(qvs)		n = const
2	Pel = f(qvs)
3	pm = f(qvs)
4	Pi= f(qvs)
5	ηi = f(qvs)

Nie zawsze możemy wyznaczyć moc indykowaną sprężarki. Wynika to albo z jej konstrukcji (bark odpowiedniego przyłącza na indykator) lub braku odpowiedniego indykatora. W takich wypadkach nie można wyznaczyć dosyć ważnej wielkości określającej jakość pracy sprężarki, którą jest sprawność wewnętrzna (indykowana). Jeżeli nie zależy nam na tych dwóch wielkościach (P_i, η_i), a interesują nas tylko wielkości eksploatacyjne sprężarki (q_vs, Δp_c, P_el, p_m) ograniczamy się do sporządzenia tylko pierwszych trzech charakterystyk: Δp_c = f(q_vs), P_el = f(q_vs), p_m = f(q_vs).

Natomiast jeżeli będą nas interesować wielkości P_i, oraz η_i możemy wprowadzić dodatkową teoretyczną wielkość. Tą wielkością będzie moc użyteczna sprężarki wyznaczona dla zmierzonych w trakcie badania parametrów ale dla teoretycznego (niemożliwego praktycznie) przypadku sprężania izotermicznego.

Dla sprężania izotermicznego moc użyteczną wyznaczamy ze wzoru:


[W]

Sprawność sprężania izotermicznego




Dodatkowo więc otrzymujemy dwie zależności, które umieszczamy na wykresie: P_uiz = f(q_vs), η_iz = f(q_vs).

5. Karta pomiarowa

Tab.1. Wielkości mierzone.

p_ot = ................. Pa; φ = ................. %

Stopień otwarcia zaworu Z2
Lp.	Wielkość mierzona	Jednostka	I	II	III	IV	V	VI
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.	hs pt1m pmm tt Pel ts Δh	[mm H2O] [kG/cm^2] [kG/cm^2] [^oC] [kW] [^oC] [mm H2O]

Tab.2. Wielkości obliczane.

Lp.	Wielkość obliczana	Jednostka	I	II	III	IV	V	VI
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.	pt1 ps Δpc Π Δp qvs Puiz ηiz pm	[MPa] [MPa] [MPa] - [Pa] [m^3/s] [kW] [%] [MPa]

Do sprawozdania załączyć wykresy zależności: Δp_c = f(q_vs); P_uiz = f(q_vs); η_iz = f(q_vs).

4

---