background image

 

Akademia Górniczo-Hutnicza 

Wydział In

ż

ynierii Mechanicznej i Robotyki 

Katedra Maszyn i Urz

ą

dze

ń

 Energetycznych 

 

 

 

MASZYNY PRZEPŁYWOWE 

 

Temat 

ć

wiczenia:  

Badanie spr

ęż

arki tłokowej 

 

 

Pomocnicze materiały dydaktyczne 

Instrukcja do 

ć

wiczenia laboratoryjnego 

 

 

Opracował: 

Dr in

ż

. Tadeusz Paj

ą

Katedra Maszyn i Urz

ą

dze

ń

 Przepływowych 

Wydział In

ż

ynierii Mechanicznej i Robotyki 

 

Kraków, 2011 

 

background image

 

2

1.  Wprowadzenie teoretyczne 

 

Spr

ęż

arka –

 

maszyna przepływowa słu

żą

ca do spr

ęż

ania gazów (podwy

ż

szania 

ci

ś

nienia).  

 

Podział spr

ęż

arek według zasady działania: 

a). Wyporowe - spr

ęż

anie przebiega skutkiem zmiany obj

ę

to

ś

ci gazu wywołanej 

ruchomym organem roboczym (tłokiem, krzywk

ą

, itp.).  

  Dziel

ą

 si

ę

 na: 

- tłokowe – o ruchu posuwisto-zwrotnym organu roboczego;  

 

- rotacyjne – o ruchu obrotowym organu roboczego. 

b). Wirowe (rotodynamiczne, pr

ę

dko

ś

ciowe) – wykorzystuj

ą

 zasad

ę

 zmiany kr

ę

tu 

czynnika przepływaj

ą

cego przez kanały obracaj

ą

cego si

ę

 wirnika. 

c). Hydrauliczne – wykorzystuje zmienno

ść

 rozpuszczalno

ś

ci gazu w cieczy w 

zale

ż

no

ś

ci od ci

ś

nienia.  

d). Strumieniowe (e

ż

ektory, in

ż

ektory, smoczki, strumienice) wykorzystuj

ą

 zjawisko 

ss

ą

cego działania strugi czynnika. 

 

 

2. Zasada działania spr

ęż

arek tłokowych 

 

Spr

ęż

arka idealna – jednostopniowa bez przestrzeni szkodliwej. 

W czasie pracy nie wyst

ę

puj

ą

 

ż

adne straty. 

 

1 – zamkni

ę

cie zaworu ssawnego 

(pocz

ą

tek spr

ęż

ania) 

2 – otwarcie zaworu tłocznego 

3 – zamkni

ę

cie zaworu tłocznego 

4 – otwarcie zaworu ssawnego 

4-1 – ssanie 

1-2 – spr

ęż

anie 

2-3-4 – wytłaczanie 

 

 

 

- praca techniczna = 

Σ

 

prac bezwzgl

ę

dnych = pracy 

napełniania+pracy spr

ęż

ania+pracy wytłaczania 

background image

 

3

 

 

 

 

Vdp

L

L

L

L

t

=

+

+

=

2

1

3

2

2

1

1

4

 

Dla pracy doprowadzonej do układu przyj

ę

to znak ”+” (odwrotnie ni

ż

 w 

termodynamice). 

 

Przebieg  zmian  ci

ś

nienia  w  cylindrze  w  funkcji  zmiany  obj

ę

to

ś

ci  (skoku  tłoka) 

nazywamy wykresem indykatorowym. 

 

 

Spr

ęż

arka idealna z przestrzeni

ą

 szkodliw

ą

 

 

Ze wzgl

ę

dów konstrukcyjnych po zamkni

ę

ciu zaworu tłocznego (punkt 3) w cylindrze 

pozostaje  pewna  ilo

ść

  gazu  –  obj

ę

to

ść

  zajmowana  przez  ten  gaz  –  obj

ę

to

ść

 

szkodliwa V

3

 

 

4-1 – ssanie (otwarcie – zamkni

ę

cie 

zaworu ssawnego) 

1-2 – spr

ęż

anie 

2-3 – wytłaczanie  

3-4 – rozpr

ęż

anie (gazu zawartego w 

przestrzeni szkodliwej V

3

 

V

s

 – obj

ę

to

ść

 skokowa (V

= F · S) 

 

background image

 

4

Ze  wzgl

ę

du  na  to, 

ż

e  zawory  działaj

ą

  samoczynnie  (pod  wpływem  ró

ż

nicy  ci

ś

nie

ń

zasysanie czynnika rozpocznie si

ę

 dopiero w punkcie 4 i spr

ęż

arka zassie czynnik o 

obj

ę

to

ś

ci V' zamiast o obj

ę

to

ś

ci skokowej V

s

 . 

Im 

p

p

2

 wi

ę

ksze, tym wi

ę

ksze V

4

 i mniejsze V'. 

Im bardziej stroma krzywa 3-4, tym mniejsze V

4

 i wi

ę

ksze V'. 

 

Spr

ęż

arka jednostopniowa rzeczywista 

 

 

 

Ci

ś

nienie w cylindrze w czasie ssania p

1

 zale

ż

y od ci

ś

nienia czynnika zasysanego p

s

od oporów filtra przewodu ssawnego i zaworów spr

ęż

arki (

p

s

). 

s

s

p

p

p

=

1

   

s

s

p

p

)%

10

5

(

÷

=

 

Ci

ś

nienie  w  cylindrze  w  czasie  wytłaczania  p

t

  zale

ż

y  od  ci

ś

nienia  w  przewodzie 

tłocznym p

t

 i oporów w przewodzie tłocznym. 

t

t

p

p

p

+

=

2

 

 

t

t

p

p

)%

5

3

(

÷

=

 

Linie faluj

ą

ce koło punktów otwarcia zaworów ilustruj

ą

 efekt bezwładno

ś

ci zaworów. 

W  czasie  zasysania  gazu  w  spr

ęż

arce  rzeczywistej  wyst

ę

puje  nagrzewanie  si

ę

 

zassanego gazu w cylindrze od 

ś

cianek cylindra. Powoduje to wzrost obj

ę

to

ś

ci gazu i 

w wyniku do cylindra zostanie zassane mniej gazu. Zjawisko to nosi nazw

ę

 cieplnego 

oddziaływania 

ś

cianek  cylindra  i  powoduje  zmniejszenie  wydajno

ś

ci  spr

ęż

arki. 

Ogrzewanie  gazu  w  cylindrze  wyst

ę

puje  te

ż

  w  pocz

ą

tkowej  fazie  spr

ęż

ania  a

ż

 

temperatura  gazu  wskutek  spr

ęż

ania,  nie  wzro

ś

nie  do  temperatury  wy

ż

szej  od 

temperatury 

ś

cianek cylindra, kiedy to kolei nast

ę

puje chłodzenie gazu przez 

ś

cianki.  

 

background image

 

5

W czasie rozpr

ęż

ania kolejno

ść

 jest odwrotna – najpierw gaz jest chłodzony, a potem 

ogrzewany 

ś

ciankami  cylindra.  Wynikiem  tego  ogrzewania  jest  wi

ę

ksze  V

ź

niejsze  otwarcie  zaworu  ssawnego  (zmniejszenie  obj

ę

to

ś

ci  gazu  zassanego). 

Cieplne  oddziaływanie  zale

ż

y  w  du

ż

ej  mierze  od  pr

ę

dko

ś

ci  tłoka  (obrotów  wału), 

stosunku spr

ęż

ania p

2

/p

1

 i od chłodzenia cylindra. 

 

Rzeczywisty współczynnik obj

ę

to

ś

ciowy (współczynnik napełnienia spr

ęż

arki) 

 

Uwzgl

ę

dnia on zmniejszenie wydajno

ś

ci spr

ęż

arki spowodowane: 

a). oddziaływaniem przestrzeni szkodliwej, 

b). oporami na ssaniu, 

c). cieplnym oddziaływaniem 

ś

cianek, 

d). nieszczelno

ś

ciami w cylindrze. 

Wy

ż

ej wymienione straty wydajno

ś

ci spr

ęż

arki charakteryzuj

ą

 poszczególne 

współczynniki: 

ad 1. – obj

ę

to

ś

ciowy współczynnik przestrzeni szkodliwej: 

 

 

s

s

s

s

V

V

V

V

V

V

4

3

+

=

=

λ

 

S

V

V

3

=

ε

 

ε

 – wzgl

ę

dna obj

ę

to

ść

 szkodliwa 

ε

 = 0,03÷0.08 - małe ci

ś

nienia i du

ż

e spr

ęż

arki 

ε

 = 0,05÷0.15 - du

ż

e ci

ś

nienia i małe spr

ęż

arki 

λ

s

 – wyznacza si

ę

 z wykresu indykatorowego 

 

ad 2. współczynnik dławienia 

λ

 

V

V

p

p

p

p

p

s

s

d

′′

=

+

=

=

1

1

1

λ

 

 

background image

 

6

ad 3.     współczynnik grzania 

ś

cian cylindra 

λ

 

 

ssawnego

zaworu

zamkniecia

chwili

w

cylindrze

w

gazu

temp

zasysanego

gazu

a

temperatur

T

T

g

s

g

.

=

=

λ

 

 

ad 4.    współczynnik nieszczelno

ś

ci     

λ

 

 
           Uwzgl

ę

dnia szczelno

ść

 tłoka (pier

ś

cieni tłokowych), zaworów: 

 

Ts

Ps

I

V

I

Ts

Ps

I

Vt

I

n

*

*

..

..

*

*

..

..

=

λ

 

s

s

s

s

n

T

P

parametrów

do

zreduk

żarki

sprę

do

zassanego

gazu

strumień

T

P

parametrów

do

a

zredukowan

żarki

sprę

ć

wydajno ś

a

rzeczywist

.

=

λ

 

Indykowany  współczynnik  obj

ę

to

ś

ciowy 

λ

 

–  wyznaczany  zwykle  z  wykresu 

indykatorowego 

d

s

sk

sk

i

V

V

V

V

V

V

λ

λ

λ

*

*

=

′′

=

′′

=

 

λ

 

i  

- tym wi

ę

kszy im mniejsza przestrze

ń

 szkodliwa , ci

ś

nienie tłoczenia , opory na 

ssaniu oraz im wi

ę

ksza intensywno

ść

 chłodzenia cylindra  

Rzeczywisty współczynnik obj

ę

to

ś

ciowy 

λ

  

 

gn

i

n

g

d

s

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

*

*

*

*

=

=

 

n

g

gn

λ

λ

λ

*

=

 

 

92

.

0

65

.

0

÷

=

λ

 

małe spr

ęż

arki  

du

ż

e spr

ęż

arki 

wysokie ci

ś

nienie 

niskie ci

ś

nienie 

 
 
 
 

Rzeczywista wydajno

ść

 spr

ęż

arki 

V&

 

rz 

-  (wydajno

ść

 mierzona w przewodzie 

tłocznym): 
 

background image

 

7

 

t

V

V

&

&

*

λ

=

 

  

[ ]

s

m

3

 

 

&

 - strumie

ń

 obj

ę

to

ś

ci odniesiony do parametrów ssania (ps, Ts) 

&

t   - teoretyczna wydajno

ść

 spr

ęż

arki odniesiona do parametrów ssania (p

s

, T

s

 

60

*

*

n

sk

t

i

V

V

=

&

 

60

*

*

*

n

sk

i

V

V

λ

=

&

 

sk

   -  obj

ę

to

ść

 skokowa  

[ ]

3

m

      

i  - liczba cylindrów 

n  - liczba obrotów 

[

]

min

/

obroty

      

 

Moc i sprawno

ść

 spr

ęż

arki tłokowej

 

Moc  u

ż

yteczna  spr

ęż

arki  (  teoretyczna  )  N

t

  –  jest  to  strumie

ń

  energii  jaki  zostałby 

przekazany  czynnikowi  roboczemu  w  spr

ęż

arce  idealnej  (pracuj

ą

cej  bez 

ż

adnych 

strat i bez przestrzeni szkodliwej) aby osi

ą

gn

ąć

 przyrost ci

ś

nienia równy przyrostowi 

ci

ś

nienia w spr

ęż

arce rzeczywistej. 

W zale

ż

no

ś

ci od konstrukcji spr

ęż

arki rzeczywistej i od warunków w jakich przebiega 

spr

ęż

anie  (czy  czynnik    w  czasie  spr

ęż

enia  jest  chłodzony  czy  nie)  wyidealizowany 

proces spr

ęż

enia w spr

ęż

arce idealnej traktujemy jako izotermiczny lub adiabatyczny 

(odpowiednio z chłodzeniem i bez chłodzenia). 

 

Moc u

ż

yteczna spr

ęż

arki z chłodzeniem - N

tT

  (moc izotermiczna) 

Porównawcza przemiana spr

ęż

ania – izoterma  (T = idem) 

Dla gazu doskonałego i pół doskonałego: 

 

idem

pV

=

 

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

 

lub gdy   

idem

m

=

 

 

background image

 

8

idem

pV

=

 

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

 

     

1

2

1

1

2

1

1

1

2

1

1

ln

ln

2

1

p

p

RT

m

p

p

V

p

p

dp

V

p

dp

V

N

p

p

tT

&

&

&

&

=

=

=

=

 

 

Moc u

ż

yteczna spr

ęż

arki bez chłodzenia - N

ts 

  (moc adiabatyczna): 

  

Porównawcza przemiana spr

ęż

ania – adiabata odwracalna – izentropa (s = idem) 

 

Dla gazu doskonałego 

idem

pV

=

χ

:

 

χ

χ

χ

V

p

V

p

V

p

=

=

2

2

1

1

 

( )

( )

( )

( )

=

=

=

=

=

1

1

1

1

2

1

1

2

2

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

p

p

p

p

p

p

ts

RT

m

V

p

p

dp

p

V

dp

V

N

&

&

&

&

 

Dla  obliczenia  mocy  u

ż

ytecznej  jako  parametry  w  punkcie  1  i  2  wstawia  si

ę

 

parametry  jakie  wyst

ą

piłyby  przy  spr

ęż

aniu  w  spr

ęż

arce  idealnej  tj.  ci

ś

nieniu  w 

przewodzie ssawnym (p

s

 ) i tłocznym (p

t

 ) oraz wydajno

ść

 obj

ę

to

ś

ciow

ą

 rzeczywist

ą

odniesion

ą

 do parametrów ssania (p

s , 

p

t  

). 

 

Moc wewn

ę

trzna (indykowana) spr

ęż

arki – N

i

 

–  strumie

ń

  energii  rzeczywi

ś

cie  przekazywany  czynnikowi  roboczemu  wewn

ą

trz 

cylindra.  Od  mocy  u

ż

ytecznej  moc  wewn

ę

trzna  ró

ż

ni  si

ę

  stratami  wyst

ę

puj

ą

cymi  w 

procesie spr

ęż

ania i przy przepływie do i z cylindra (straty w zaworach, przewodach i 

inne). 

Moc wewn

ę

trzn

ą

 oblicza si

ę

 na podstawie wykresu indykatorowego wykonanego dla 

rzeczywistej spr

ęż

arki. 

N

i

 = V p

i

  =  i V

s

 n/60 p

gdzie: 

background image

 

9

V – wydajno

ść

 rzeczywista spr

ęż

arki 

 

Współczynniki obejmuj

ą

, straty wyst

ę

puj

ą

ce w cylindrze w czasie procesu spr

ęż

ania 

oraz straty wyst

ę

puj

ą

ce przy przepływie gazu z i do cylindra 

 

Współczynnik sprawno

ś

ci mechanicznej  

m

η

 

wale

na

moc

trzna

wewnę

moc

N

N

w

i

m

=

=

η

 

Sprawno

ść

 ogólna spr

ęż

arki 

m

i

η

η

η

*

=

 

 

II. BADANIE SPR

ĘŻ

ARKI TŁOKOWEJ 

 

Badanie i okre

ś

lenie wielko

ś

ci charakterystycznych spr

ęż

arki tłokowej zakresem 

swoim obejmuje pomiary nast

ę

puj

ą

cych wielko

ś

ci : 

-

  pomiary wydajno

ś

ci oraz okre

ś

lenie rzeczywistego współczynnika 

obj

ę

to

ś

ciowego 

-

  pomiar parametrów stanu na ssaniu i tłoczeniu dla poszczególnych stopni 

spr

ęż

arki 

-

  pomiar mocy indykowanej, mocy na wale, ilo

ś

ci obrotów, 

-

  okre

ś

lenie sprawno

ś

ci mechanicznej spr

ęż

arki, 

-

  pomiar ciepła pobranego przez czynnik chłodz

ą

cy 

-

  analiz

ę

 wykresów indykatorowych 

 

Pomiar wydajno

ś

ci rzeczywistej spr

ęż

arki tłokowej 

 

Wydajno

ść

 masowa spr

ęż

arki tłokowej – 

m

&

 jest to masa czynnika, która została 

przetłoczona przez spr

ęż

arki w jednostce czasu. Odpowiada to 

ś

redniemu 

masowemu nat

ęż

eniu przepływu. 

Obj

ę

to

ś

ciowa wydajno

ść

 spr

ęż

arki 

&

 

 odpowiada 

ś

redniemu obj

ę

to

ś

ciowemu 

nat

ęż

eniu przepływu równowa

ż

nemu pod wzgl

ę

dem masowym nat

ęż

eniu przepływu 

m przy czym parametry czynnika ( p

s

 , T

s

 , 

ς

s

 ) odnosi si

ę

 do warunków jakie panuj

ą

 

na ssaniu. 

background image

 

10

 

=

s

m

m

V

3

ς

&

&

  

 

Metody pomiaru rzeczywistej wydajno

ś

ci spr

ęż

arki 

(te metody s

ą

 bardzo wa

ż

ne, trzeba je absolutnie zna

ć

a)  na podstawie wykresu indykatorowego 

b)  metod

ą

 napełniania zbiornika 

c)  za pom

ą

c

ą

 zw

ęż

ek pomiarowych 

d)  na podstawie bilansu wymiennika ciepła 

 

Wydajno

ść

 spr

ęż

arki idealnej i rzeczywistej 

Wydajno

ść

 spr

ęż

arki idealnej / wydajno

ść

 teoretyczna V

Wynika z pr

ę

dko

ś

ci obrotowej wału , obj

ę

to

ś

ci skokowej oraz liczby cylindrów : 

 

=

=

s

m

i

n

s

D

i

n

V

V

sk

t

3

2

*

60

*

*

4

*

60

*

π

&

  

s

t

t

V

m

ς

*

&

&

=

 

 

Wydajno

ść

 

spr

ęż

arki rzeczywistej V jest mniejsza od wydajno

ś

ci teoretycznej . 

Wynika to ze zmniejszenia ze wzgl

ę

dów konstrukcyjnych obj

ę

to

ś

ci przestrzeni 

roboczych spr

ęż

arki . 

Stosunek wydajno

ś

ci rzeczywistej do teoretycznej okre

ś

la si

ę

 jako rzeczywisty 

współczynnik obj

ę

to

ś

ciowy 

 

t

V

V

&

&

=

λ

 

 

1. Pomiar wydajno

ś

ci spr

ęż

arki na podstawie wykresu indykatorowego  

background image

 

11

Metoda ta  sprawdza si

ę

 do okre

ś

lenia indykowanego współczynnika obj

ę

to

ś

ciowego 

λ

 na podstawie wykresu indykatorowego spr

ęż

arki , zdj

ę

tego podczas pomiarów 

przy ustalonych warunkach pracy 

[ ]

s

m

n

sk

gn

i

i

V

V

3

60

*

*

*

*

λ

λ

=

&

 

  

sk

V

V

i

′′′

=

λ

 

 

 

λ

gn 

 

mo

ż

na ustali

ć

 na podstawie tablic

 

gn

i

λ

λ

λ

*

=

        

 

 

2. Pomiar metod

ą

 napełniania zbiornika 

 

Metoda ta polega na okre

ś

leniu masy czynnika wtłoczonego do zbiornika w 

okre

ś

lonym czasie. Znaj

ą

c obj

ę

to

ść

 zbiornika V

z

 i stał

ą

 gazow

ą

 czynnika oraz 

mierz

ą

c ci

ś

nienie i temperatur

ę

 przed i po napełnieniu zbiornika, na podstawie 

równania stanu okre

ś

la si

ę

 wydajno

ść

 rzeczywist

ą

 spr

ęż

arki. 

M

MR

R

p

RT

V

zwykle

p

RT

v

s

m

m

v

m

V

s

kg

T

p

T

p

R

V

m

m

m

m

RT

m

V

p

RT

m

V

p

ot

ot

S

S

S

S

s

s

z

z

z

=

=

=

=

=









=

=

=

=

:

,

1

3

1

1

2

2

1

2

2

2

2

1

1

1

ρ

τ

τ

&

&

&

&

&

 

 

 

background image

 

12

dla powietrza M = 28,96 





kmol

kg





=

K

kmol

J

MR

8314

 

 

 

 

 

3. Pomiar wydajno

ś

ci spr

ęż

arki za pomoc

ą

 zw

ęż

ek pomiarowych 

 

 

Posiada ograniczone zastosowanie dla pomiarów dokładnych ze wzgl

ę

du na 

pulsacyjny charakter przepływu gazu. Daje dobre wyniki pomiaru jedynie dla 

pomiarów czynnika o niskich pulsacjach przepływu. Istnieje w zale

ż

no

ś

ci od 

rozmieszczenia zw

ęż

ki kilka sposobów pomiarów wydajno

ś

ci przy pomocy tej 

metody. Omawia je szerzej Norma (str. 61 zał

ą

cznik do normy). 

 

 

 

 

 

4. Okre

ś

lenie wydajno

ś

ci spr

ęż

arki na podstawie bilansu chłodnicy 

Realizuje si

ę

 poprzez umieszczenie na przewodzie tłocznym wymiennika ciepła 

chłodzonego wod

ą

Okre

ś

la si

ę

 mas

ę

 wody przepływaj

ą

cej przez wymiennik w czasie 

τ 

i przyrost jej 

temperatury 

t

W

 oraz spadek entalpii na wej

ś

ciu i wyj

ś

ciu z wymiennika. Pozwala to 

na uło

ż

enie bilansu energetycznego. 

 

W

p

W

t

c

m

i

i

m

=

2

1

&

 

 

sk

ą

d oblicza si

ę

 ilo

ść

 czynnika przepływaj

ą

cego w czasie 

τ

 

 

i

t

c

m

m

W

p

W

=

&

 

 

background image

 

13

Metoda ta ma zastosowanie przy okre

ś

leniu wydajno

ś

ci spr

ęż

arek chłodniczych. 

 

 

 
 
 
III. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW BADANIA SPR

ĘŻ

ARKI 

Wg oddzielnej instrukcji