INŻYNIERIA ŚRODOWISKA II |
|
|
|
TERMODYNAMIKA TECHNICZNA Temat: BADANIE SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ. |
OCENA: |
ZAKRES SPRAWOZDANIA:
TEORIA,
OBLICZENIA,
WYKRESY
WNIOSKI.
1. Sprężarki
Ogólne omówienie pracy sprężarek tłokowych
Wykres pracy indykowanej w tłokowej sprężarce jednostopniowej przedstawiono na
rysunku.
Rys. 1. Wykres pracy indykowanej tłokowej sprężarki jednostopniowej
Na rysunku przyjęto następujące oznaczenia: ∆ps - opory ssania, ∆pt - opory zaworu
tłocznego, ps - ciśnienie ssania, pt - ciśnienie tłoczenia, pa - ciśnienie atmosferyczne
(otoczenia), Vsk - objętość skokowa, Vo - objętość przestrzeni „szkodliwej”
(zwykle Vo = od 3% do 8% Vsk - w zależności od konstrukcji sprężarki, umieszczenia
zaworów i stosunku skoku do średnicy tłoka), Vs - objętość ssania (dotyczy gazu zassanego przy ciśnieniu w punkcie 1), Vi - objętość indykowana - odczytana z wykresu
Przyjmuje się następujące średnie wykładniki politropy: przy rozprężaniu m1 = 1,25 do 1,3
i przy sprężaniu m2 = 1,4 do 1,35. Wartość ich zależy od rodzaju gazu, sposobu chłodzenia
i prędkości obrotowej sprężarki
Zawór ssawny otwiera się samoczynnie, gdy ciśnienie gazu rozprężającego się
z przestrzeni „szkodliwej” Vo spadnie poniżej punktu 1. Ta wstępna różnica ciśnień służy do pokonania oporów: bezwładności zaworu, do przyspieszenia gazu w rurze ssawnej
i pokonania siły sprężyny dociskającej zawór do gniazda. Zawór tłoczny otwiera się gdy
ciśnienie gazu osiągnie w punkcie 3, wyższe ciśnienie od ciśnienia tłoczenia pt.
Rzeczywistą wydajność sprężarki określa wzór:
Qrz = λ Qteor przy czym: Qteor= F s n ic (1)
gdzie: F - powierzchnia tłoka,
s - skok,
n - liczba obrotów,
ic - ilość cylindrów,
F s = Vsk- objętość skokowa.
Rzeczywisty współczynnik zassania λ wylicza się przy pomocy formuły:
λ= λs λd λg λn= λi α (2)
gdzie:
- współczynnik przestrzeni szkodliwej,
- współczynnik dławienia,
- współczynnik grzania ścian,
współczynnik nieszczelności
(Va -objętość gazu zassanego przy parametrach pa i Ta),
- indykowany współczynnik objętościowy,
zależy od stosunku sprężania
oraz intensywności chłodzenia cylindra
i pokryw.
Przy zbyt dużej przestrzeni szkodliwej i niedostatecznym chłodzeniu, rozprężający się gaz
pobiera ciepło od ścian cylindra wskutek czego proces przybliża się do izotermicznego.
Wpływa to na obniżenie wartości indykowanego współczynnika objętościowego λi oraz silne wstępne ogrzewanie gazu podczas zasysania. Zbyt duże opory ssania zwiększają wartość λi Dlatego dba się o to, aby przekroje na ssaniu były dostatecznie duże.
W przewodzie ssawnym średnia prędkość gazu wynosi 10 do 12 m/s, a w filtrze 1 do 1,5 m/s. Spadek ciśnienia na filtrze powinien być mniejszy od 300 Pa. Poza tym należy stosować wszelkie sposoby obniżenia temperatury gazu zasysanego. Spadek temperatury np. z poziomu 25oC do 10oC powoduje wzrost masy zasysanego gazu o 5%.
Sprężanie jedno i wielostopniowe
Sprężanie gazu odbywa się wg przemiany politropowej, więc przyrost temperatury jest
funkcją przyrostu ciśnienia zgodnie z zależnością:
(3)
Przyjmując pa = 1 bar, Ta = 293 K i w skrajnym przypadku m = ĸ = 1,4 otrzymamy:
pt -nadciśn. w at |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Tt w K |
401 |
440 |
463 |
487 |
520 |
532 |
549 |
566 |
Ze względu na smarowanie, szczególnie płytek zaworowych, temperatura końcowa nie może przekraczać 473 K 493 K (200 220oC). A więc cylinder i głowica powinny być chłodzone i to intensywnie. Z tych względów w jednym stopniu ,ciśnienie sprężania nie może
przekraczać 6 - 7 bar. Jeżeli ε = pt / pa › 7, to wskutek zbytniego nagrzewania się gazu podczas sprężania smarowanie jest mocno utrudnione lub nawet zanika. Wzrasta też zużycie
mocy potrzebnej do napędu, maleje indykowany współczynnik zassania λi. Te niekorzystne zjawiska można zmniejszyć stosując sprężanie dwu lub wielostopniowe w zależności od
wartości stopnia sprężania całkowitego.
Rozpatrzymy sprężanie dwustopniowe. Gaz sprężony w pierwszym stopniu do określonego ciśnienia pośredniego pc przechodzi przez chłodnicę międzystopniową, w której ochładza się do temperatury - teoretycznie początkowej Ta. Następnie zostaje ten gaz sprężony w drugim stopniu (rys.) przy czym Ta ≈ Tc
Rys. 2. Wykres pracy indykowanej tłokowej sprężarki dwustopniowej
Pierwszy stopień 1 - 2 - 3 - 4 - 1 , drugi stopień 4 - 5 - 6 - 7 - 4
Objętość gazu z pierwszego stopnia (V3-V4) wskutek schłodzenia zmniejsza się do wielkości (V5 - V4). Punkt 5 leży teoretycznie na izotermie przeprowadzonej przez punkt 2.
Gdyby sprężać ten gaz od razu w jednym stopniu do pt, to musiałaby ta sprężarka mieć bardzo małą przestrzeń szkodliwą Vo, co konstrukcyjnie trudno jest zrealizować. Pole zakreskowane 3-t-6-5-3 odpowiada oszczędności mocy napędowej uzyskanej wskutek zastosowania dwustopniowego sprężania. Ta oszczędność przy pa = 1 bar wyniesie:
Pt w bar |
5 |
6 |
7 |
8 |
% oszczędności |
11,5 |
13,6 |
15 |
16 |
W sprężarce dwustopniowej gdy temperatura gazu przepływającego przez chłodnicę międzystopniową osiąga początkową T5 = T2 i gdy jest ona dobrze zaprojektowana ,
to T6 = T3.
Wtedy :
(4)
Zatem:
Dla n-stopni
(5)
Przy tak dobranym stosunku sprężania, równym w poszczególnych stopniach - praca sprężania osiąga teoretycznie minimalną wartość. Mając wykonany wykres indykatorowy, łatwo można określić pracę sprężania, ponieważ powierzchnia jego jest proporcjonalna
(w skali) do wielkości pracy technicznej obiegu. Pracę techniczną można też wyliczyć przy pomocy wzoru:
[J/kg] (6)
W przypadku m = κ, co ma miejsce w szybkobieżnych sprężarkach otrzymamy pracę adiabatyczną obiegu zgodnie z wzorem:
(7)
Przy czym pt, pa w Pa, va w m3/kg, zaś it, ia w J/kg. Posługując się wykresem i - s dla danego gazu łatwo jest określić różnicę entalpii czynnika w stanie końcowym i początkowym.
Prócz tego można odczytać temperaturę i objętość właściwą dla poszukiwanych punktów przemiany cieplnej.
2. Wykresy ciepła w zastosowaniu do procesu sprężania.
Rys. 3. Wykresy T-s i i-s dla sprężarek tłokowych
Wykres T - s służy do ustalenia ilości ciepła, które bierze udział w procesie oraz do określenia parametrów stanu gazu. Jednak do określenia (adiabatycznej) pracy sprężania lepiej jest posługiwać się układem i - s , ponieważ lt = i2 - i1. W układzie T - s :
Linia 1- 2 sprężanie adiabatyczne qad = 0 ( adekwatne polu pod linią 1 - 2)
Linia 1 - 3 sprężanie politropowe qpol = polu zakreskowanemu na czerwono,
Linia 1 - 4 sprężanie izotermiczne qizot = adekwatnie polu zakreskowanemu na niebiesko.
Przemiana politropowa wymaga ustalenia punktu 3 przy pomocy wzoru:
bo p3 = p2 (8)
Ilość ciepła, jaką należy odprowadzić podczas przemiany politropowej można określić przybliżonym wzorem: qpol ≈ 0,5( s1 - s3 ) (T1 + T3) . Przy izotermicznym sprężaniu gazu ilość ciepła odprowadzonego podczas przemiany wynosi: qizot = (s1 - s4) T1 , bo T1 = T4 .
Sprężanie dwustopniowe w układzie T - s (lewy) oraz rzeczywisty proces sprężania
w sprężarce wirnikowej (prawy) przedstawiono na poniższych rysunkach.
Rys. 4. Wykres T-s dla spężarki dwustopniowej (po lewej ) i rzeczywisty proces sprężania
w układzie i-s
Pole 1-2-5 - praca wzrostu objętości wskutek tarcia
2. OBLICZENIA
Wszelkie obliczenia zostały wykonane przy pomocy arkusza kalkulacyjnego excell, z wykorzystanie wzorów ze skryptu oraz karty z zajęć. Wyniki zestawiono w tabelach:
Nadciśnienie pm |
Ciśnienie w zbiorniku |
Temperatura w zbiorniku |
Czas pomiaru |
|
||
Kg/cm2 |
Pa |
Pa |
T [K] |
s |
|
|
0 |
0 |
99725,13 |
290,15 |
0 |
|
|
0,5 |
49033,2 |
148758,33 |
294,15 |
20,05 |
|
|
1 |
98066,5 |
197791,63 |
295,15 |
44,85 |
|
|
1,5 |
147099,7 |
246824,83 |
296,15 |
71,11 |
|
|
2 |
196133 |
295858,13 |
296,15 |
100,45 |
|
|
2,5 |
245166,2 |
344891,33 |
296,15 |
133,13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pot |
R |
Tot |
Vz |
|
||
mmHg |
Pa |
J/Kg*K |
K |
m3 |
|
|
748 |
99725,13 |
287,05 |
293 |
0,04 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
m |
|
|
|||
lp |
kg |
lp |
Kg |
kg/m3 |
|
|
0 |
0,047428505 |
1 |
0,023319813 |
1,185712613 |
|
|
1 |
0,070748317 |
2 |
0,02331986 |
1,768707929 |
|
|
2 |
0,094068177 |
3 |
0,023319813 |
2,351704434 |
|
|
3 |
0,11738799 |
4 |
0,02331986 |
2,93469975 |
|
|
4 |
0,14070785 |
5 |
0,023319813 |
3,517696255 |
|
|
5 |
0,164027663 |
|
|
4,100691571 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
V |
t |
||||
lp |
Kg/m3 |
lp |
Kg/m3 |
lp |
s |
|
0 |
0 |
- |
- |
- |
- |
|
1 |
0,001995012 |
1 |
0,000980915 |
1 |
20,05 |
|
2 |
0,000891862 |
2 |
0,000531641 |
2 |
24,8 |
|
3 |
0,000562509 |
3 |
0,000377614 |
3 |
26,26 |
|
4 |
0,000398208 |
4 |
0,000270833 |
4 |
29,34 |
|
5 |
0,000300458 |
5 |
0,000202855 |
5 |
32,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
A |
Pwk |
Nwk |
em |
v |
|
m2 |
mm2 |
pa |
W |
% |
% |
|
0,00301754 |
725 |
87560,38647 |
79,23338454 |
19,56379865 |
78,26087 |
4. Wnioski:
Sprężarki tłokowe znajdują szerokie zastosowanie z naszym codziennym życiu, wykorzystujemy je np. do: napełniania opon powietrzem, w zbiornikach hydroforowych, które dostarczają wodę ze studni itp. Nasze doświadczenie wykazało iż sprawność sprężarek tłokowych może sięgać blisko 80%, czyli dużo. Doświadczenie nie było trudne do wykonania, tak jak sprawozdanie, jest zatem dobrą metodą na uzyskanie parametrów technicznych danej sprężarki tłokowej.
POLITECHNIKA OPOLSKA
TERMODYNAMIKA TECHNICZNA
Temat: BADANIE SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ
8