1、清 雲 科 技 大 學機械工程實驗機械工程實驗機械工程實驗 (二二二 )實驗報告實驗報告實驗報告空壓機之性能實驗空壓機之性能實驗空壓機之性能實驗學 制：日 四 技系 別：機 械班 級：三年甲班學 號：B8921234姓 名：王 大 年任課老師: 林 朝 慨繳交日期：93 年 11 月 20 日9-1一、 實驗目的瞭解空氣壓縮機之壓力、風量、馬力、效率等之意義,性能曲線圖之繪製及測試要領等,並實際測試空氣壓縮機之壓力、風量、馬力、及效率性能,繪製性能曲線圖,以求得最高效率下壓力、風量及馬力之額定值。二、 實驗設備1. 空氣壓縮機2. 馬達3. 儀表板4. 儲氣槽5. 空氣流量測定器圖一 空氣壓縮
2、機性能試驗台三、實驗原理(一) 、空氣壓縮機概論高壓空氣機械包含空氣壓縮機、真空泵及壓縮空氣機械等。空氣壓縮機，均為對氣體施以予機械能以轉換為氣體之能量，提高氣體之壓力，增加氣體之速度。二者之主要區別在於送風機乃用在風壓低於 1kg/cm 者，而壓縮29-2機則指提升之壓力大於 1kg/cm 以上者。在送風機之使用上，因空氣之壓縮2不大，故其溫度之變化小，通常不需考慮到冷卻之問題。但在壓縮機之使用，因壓力之提升大(可大至 3500kg/cm )，故溫度上升亦大，對長期使用2之情況，均需考慮其冷卻作用。(二) 、設備及量測儀器1、連接管連接壓縮機輸出口至儲氣槽所使用的連接管必須儘可能避免造成彎曲
3、、阻氣(choking)及其他造成可能壓力降的缺點。管子長度也須適當地選擇以免造成共振,其條件為:(當 Z1 時)AVNC10L或 (當 Z=1 至 2 時)42或 (當 Z=2 至 3 時)75式中，L ：不致造成共振時,連接管的長度(m)。C：管道中的聲速(m/sec)。N：每分鐘的輸出次數。V：壓縮機出口處書輸出閥至連接管間的體積(m 3)。A：管子的截面積(m 2)。Z：振動階數 1,2,3。2、儲氣槽儲氣槽的空氣容積 須大於 r darRV0式中,V r: 儲氣槽最小容積 (m )3Va: 壓縮機之衝程容積(m )Rd: 壓縮機之壓力比= 吸 氣 口 的 絕 對 壓 力輸 出 口 的
4、 絕 對 壓 力3、測量空氣流量的導管(Dust)導管的內部表面須圓滑、平直及正圓截面。當與壓縮輸出端時合時,導管的長度必須大於其內徑的 12 倍以上。若在距導管進口一直徑處加一緩衝板時,則總長可減至 7 位直徑以上。若使用孔口板或文式管測流量時,壓力量測點最好置放於距壓縮機吸氣口端 5 倍直徑以上的位置。4、空氣流量的測量儀器一般空氣流量的測定,常用的為孔口板(Orifice)、噴嘴(Nozzle)及文式管(Venturi)等三種。其性能比較如下表所示:型 式 壓 力 頭 損 失 價 格孔 口 板 高 低9-3噴 嘴 中 中文 氏 管 低 高5、U 型液柱表表內常填充的液體為水,通常用玻璃製
5、成,管內直徑為 612mm,在左右兩端連接管亦須以同樣直徑的管由上套緊。(三) 、空氣特性基本公式：Pv=RT若為絕熱變化過程,則以下式表示:Pv =Constantk式中,P：絕對壓力 (kg/m ) (=大氣壓力+錶壓力 )2v：空氣於 P 及 T 狀態時之比容(m 3/kg)R：空氣之氣體常數(=29.3)T：空氣絕對溫度( K) =273+空氣溫度()K：空氣之比熱比(=1.4)壓縮機之標準吸氣口狀態為空氣溫度 20,絕對壓力 760mmHg,相對濕度75%,此時 1m3 的空氣重為 1.2kg。(四) 、往復式空氣壓縮機之特性1、循環往復式空氣壓縮機之循環,如圖 2 所示,以 P-V
6、 圖表示之。圖中 1-2 為空氣壓縮衝程,此時吸氣閥與排氣閥皆關閉。2-C 為空氣排出衝程,此時吸氣閥關閉、排氣閥開啟。C-D 為空氣膨脹衝程 ,此時吸氣閥與排氣閥皆關閉。 D-1 為空氣吸入衝程,此時吸氣閥開啟、排氣閥關閉。圖二 空氣壓縮機示意圖2、衝程容積 V0衝程容積為活塞在整個衝程中之位移造成的容積,設 D 為活塞直徑(m),L為位移距離(m),則衝程容積 V0 為(m ) (1)LD4239-43、理論排氣量 thQ60/N*Vnt式中,n：汽缸數：衝程容積(m )03N：活塞每分鐘往返次數(RPM)4、容積效率 V圖二中, 為汽缸之餘隙容積(clearance volume),空氣
7、吸入衝程容積與活塞C之衝程容積 之比值即為容積效率,故0(2)c1dd1V餘隙容積 與衝程容積 之比即為餘隙比(clearance ratio) C0V= (3)0c由(2)式與 (3)式0d0dcd1VVcecen/12P1/1由上式可之 愈大,容積效率 愈小,但因壓縮機之吸氣與排氣閥門等裝置,餘隙容積不可能省略。5、壓縮空氣之功率對穩流過程而言,輸入功可由下式表示:PEKVdWin略去動能及位能變化(KE 上游收縮錐(Converging cone)之角度為 25 度30 度，下游發散錐(Diverging cone)之角度不得大於 7 度。文氏管流量計之永久壓力損失約佔流量計兩端之總壓降
8、之1/10，較孔口板流量計少，適宜永久性之裝置。文氏管流量計可應用於測量可壓縮性流體與不可壓縮性流體。當可壓縮性流體通過文氏管時，會產生壓降，同時發生體積膨脹的變化。若發生變化的時間極短，則可視為絕熱變化，即 Pv =C。由柏努力方程式kCVgZdp2因 ,且 ,則上式為1dPCdP2k1221(13)/1kV由連續方程式21Am則 21Vv(14)21k12P將(14) 式代回 (13)式,可得 為(15)k/122kVv 21k/21AP(15)式係在無摩擦之情況下求得之理論流速,實際上管路有摩擦損失,則實際流速會低於理論流速,(15) 式修正為(16) k/1212 PkPCv 21k/
9、21P以上符號定義如下:：測定點 1 與 2 之流速(m/sec)1,：測定點 1 與 2 之壓力(kg/m ) 2 2:測定點 1 與 2 處之單位質量體積(m /kg)V, 3:測定點 1 與 2 之流體密度(kg/m )19-9:測定點 1 與 2 處之截面積(m )21A, 2k:比熱比Cv:文氏管流量計之流出係數(Venturi discharge Coefficient),用來校正流量計之摩擦損失,一般情況下,Cv=0.984。流經文氏管之流量 Q 為2VQ(17)k/121PkPCv 21k/21AP若已知測定點 1 及 2 之壓及其相關性質,由(17)式即可求得空氣流量,但欲知
10、所有性質並非易事,故通常均將(17)式表為兩點間壓力差 之函數形式21(18)2112A/VPCvAQ其中， 12k/12k/12 APPA1k 稱為文氏管流量計之膨脹修正係數(Expansion correction factor),隨管徑比 D2/D1 變化,如圖六所示。圖六 文氏管流量計之膨脹係數2、孔口板流量計圖七所示為孔口板流量計將通路面積加以限制，則流體流動速度必然增加，柏努利原理，流速增加時,壓力減小，只要測得其壓降,即可得知流量，此為孔口板流量計之原理。假設管的直徑為 D，同心孔口板直徑為 d0，距離孔口板下游 D 處，流體開始收縮，設此處為 3。距離孔口板下游 D/2 處為收
11、縮9-10斷面最小的地方，假設此處為 4。如略去摩擦損失，依柏努利原理gVZPgVZPtt22443圖七 孔口板流量計因 Z3=Z4,故 (19)g2VPtt又 Q=A3V3t=A4V4t,且 A4=CcA0,(Cc 為縮流係數),代入(19)式tcttCA2302t431gP或 43230ct4PgAC1V但在截面 3 與 4 間,流體有各種損失,故 4 處之實際流速 V4a 較上式所得之理論值 V4t 稍小,其關係為9-11V4a=CvV4t式中,C v 為速度係數，Q 為實際流量Q=A4V4a=CcA0CvV4t=CdA0 4323cPg1上式中,C d：流量係數(=C cCv)，令 A
12、0/A3=,則上式為(20)420Pg1ACQ本實驗設備,d 0=20mm,d3=40mm,故 25./30設 Cc=0.80,Cv=0.90,則Cd=Cc*Cv=0.72將 與 Cd 數據代入(20)式,(21) 43 4322P10*5.9 .1P89*5.081.7.Q (空氣 以 20為準,=1.221kg/m )3四、實驗方法1、使用前先檢查下列各項 (1)、儀錶板上 U 型水柱式差壓計之水柱液面是否正常( 標準在刻度中間段)。(2)、相對濕度計之水壺是否有足夠水量( 標準為 80%)。(3)、電源供應是否正常安全。(4)、儲氣槽內殘留空氣是否全部放掉( 避免太大之啟動電源) 。(5
13、)、皮帶鬆緊度是否恰當。(6)、電功率錶是否關閉。(7)、所有錶計是否歸零。(8)、洩水閥是否關閉。(9)、 、詰節閥(流量控制閥)是否關閉。2、送上電源,面板上綠色指示燈亮,表示電力系統正常(正常電壓為 220V+10%)。3、由電氣控制箱 ON 按鈕啟動壓縮機運轉,紅色指示燈亮,電流錶亦同時動作,指示運轉電流( 正常電流 8.6A+10%),此電流隨風量壓力而改變。4、壓縮機運轉後,應即檢查馬達運轉方向是否正確(正確轉向為皮帶輪上箭頭所指示的方向),若反向時 ,可調整電源線上任兩條相立即可。約 30 秒後,檢查儲氣槽壓力是否穩定上升,並打開電功率錶開關。5、當壓縮機正常運轉後,儲氣槽內空氣
14、壓力即緩緩升高,當壓力上升至設定壓力6.5kg/cm 時,制壓系統 VU 型自動釋荷閥即作動 ,使彈簧自動跳開,利用槽內逸出2氣體的壓力,自動打開進氣閥,抑止進氣壓縮作用,使空氣不再進入壓縮機之氣缸內,此時馬達不停,壓縮機呈無負荷空轉狀態,壓力停止升高。當槽內壓力經使用降低至某一限度時,制壓系統即自動消失制壓作用,使壓縮機恢復吸氣壓縮,照常9-12運轉。6、稍稍開啟流量控制閥,使儲氣槽內空氣逸出，利用控制閥開度的大小，將儲氣槽壓力固定在 1kg/cm 的位置。(注意:開啟流量控制閥須緩慢，以免 U 型管內2的水被沖走)。7、待壓力穩定後(至少維持 15 秒以上不改變), 記錄數據,如電壓、電流
15、、電功率、壓縮機出口溫度、儲氣槽出口溫度、流量計差壓、錶壓力、大氣壓力、乾濕球溫度及相對濕度等。8、將流量控制閥關小,使壓力上升,並將壓力固定在 2、3、4、5kg/cm 等處,按照2第 7 項重複操作並記錄。9、實驗完畢後,將壓縮機停止,打開流量控制閥,將儲氣槽內的空氣全部 8 放出,並將洩水閥打開,把積存在槽內的水洩出,以防儲氣槽銹蝕。五、實驗數據輸 出 測 試 管 路項目 電功率 Lw壓力Pg溫度 P1 P2 DP = P2-P1 溫度次數 Kw Kg/cm2 mm-Aq mm-Aq mm-Aq 1 2.0 5.5 30.0 -17.0 25.5 42.5 24.5 2 1.9 5.0
16、38.0 -18.0 29.0 47.0 24.5 3 1.9 4.5 42.0 -22.0 28.0 50.0 24.5 4 1.8 4.0 46.5 -23.0 32.0 55.0 26.0 5 1.7 3.5 48.0 -23.0 36.0 59.0 26.0 6 1.6 3.0 50.0 -26.0 37.0 63.0 26.0 7 1.5 2.5 50.5 -29.0 39.0 68.0 26.0 8 1.4 2.0 50.5 -30.0 40.0 70.0 2.5 六、計算示例輸 出壓力(P o)=Pa = 1.004E+03 kg/m2淨壓力(P n)=DP-P = 4.250E
17、+01 kg/m2流量 (Q)=0.001055*SQRT(Pn) = 6.878E-03 m3/s多變功率 (Lp) =(n/n-1)*Pa*10.2*Q/102*(Po/Pa)(n-1)/n-1 = 1.594E+00 Kw軸功率 (L)=Lw*0.9 = 1.800E+00 Kw多變效率 () =Lp/L*100% = 8.854E+01 %七、實驗結果項目 壓力 Po 淨壓力 Pn 流量 Q 多變功率 Lp 軸功率 L 多變效率 次數 kg/m2 kg/cm2 m3/s kw kw %1 6.518E+04 4.250E+01 6.878E-03 1.594E+00 1.800E+00
18、 8.854E+012 6.018E+04 4.700E+01 7.233E-03 1.588E+00 1.710E+00 9.287E+013 5.518E+04 5.000E+01 7.460E-03 1.542E+00 1.710E+00 9.015E+014 5.018E+04 5.500E+01 7.824E-03 1.508E+00 1.620E+00 9.310E+015 4.518E+04 5.900E+01 8.104E-03 1.441E+00 1.530E+00 9.416E+016 4.018E+04 6.300E+01 8.374E-03 1.352E+00 1.44
19、0E+00 9.390E+017 3.518E+04 6.800E+01 8.700E-03 1.248E+00 1.350E+00 9.248E+019-138 3.018E+04 7.000E+01 8.827E-03 1.090E+00 1.260E+00 8.649E+01壓 縮 機 之 性 能 曲 線0.000E+005.000E-031.000E-021.500E-026.518E+045.518E+044.518E+043.518E+042.518E+04Po kg/m*2Q m*3/ s壓 縮 機 之 性 能 曲 線0.000E+005.000E-011.000E+001.500E+002.000E+006.518E+045.018E+043.518E+04Po kg/m*2L Kw壓 縮 機 之 性 能 曲 線0.000E+002.000E+014.000E+016.000E+018.000E+011.000E+026.518E+045.518E+044.518E+043.518E+042.518E+04Po kg/m*2 %八、問題與討論1.具有冷卻器之壓縮過程,近似何種過程?9-142.儲氣槽內壓力之穩定,應如何控制較適當?3.若流量控制閥開的太快,會將 U 型液柱沖出管外,試以柏努利定律說明之。九、結論與心得
