Je vzduch vhodný modelový plyn pro výkonnostní zkoušky plynového radiálního kompresoru?

Transkript

1 Turbostroje 03 Je vzduch vhodný modelový lyn ro výonnostní zoušy lynového radálního omresoru? Ing. Jří Oldřch, CSc. ČKD KOMPRESORY, a.s., Klečáova 347, 90 0 Praha 9 jr.oldrch@cdomresory.cz oldrch.jr@seznam.cz Abstract: In ractce qute often we meet wth the requrement to carry out of erformance tests of gas centrfugal comressors wth ar as substtute gas. In ths aer a ossblty and condtons of erformance tests of Tye wth ar accordng to ASME PTC are dscussed. On examles of comressors ntended for comressng a mxture of hydrocarbons and carbon doxde t s shown at whch condtons the ar s a sutable model gas that can meet all the requred crtera of ASME PTC 0 and assess whether measurement wth the ar can be consdered corresondng to requrements of PTC 0. Keywords: Centrfugal comressor, PTC 0, Test, Performance Test, Test Gas Abstrat: V rax se oměrně často setáváme s ožadavem rovést výonnostní zoušy lynových radálních omresorů se vzduchem. V tomto řísěvu je odrobněj dsutována možnost a odmíny výonnostních zouše Tyu se vzduchem dle ASME PTC Na říladu omresoru na stlačování směs uhlovodíů je uázáno, za jaých odmíne by byl vzduch vhodným modelovým lynem, zda je možné slnt všechna ožadovaná rtéra a osouzení, zda měření se vzduchem lze ovažovat za odovídající ožadavům PTC 0. Klíčová slova: Radální turboomresor, PTC 0, měření, výonnostní zoušy, modelový lyn Úvod Poud otřebujeme zjstt, zda navržený a vyrobený omresor oravdu slňuje ožadavy, teré jsou na něj ladené, je nutné rovést výonnostní zoušy. Obvyle je ožadováno, aby omresor byl vyzoušen a vyhodnocen dle nějaé obecně uznávané normy. Jednou z taových norem je ASME PTC0 997 (Performance Test Code on Comressors and Exhausters). Tato norma je ředs, terý defnuje odmíny měření, teré je nezbytné slnt a zároveň defnuje zůsob vyhodnocení naměřených velčn. V normě PTC0 jsou uvedeny dva záladní tyy měření. Ty ředoládá, že měření bude rovedeno s racovním lynem, a ř návrhových arametrech nebo arametrech nm velm blízých. Tyto zoušy lze rovádět na stroj, terý je jž nstalován u záaznía, de máme dsozc lyn, na terý byl omresor navržen. Zoušy Tyu se rovádějí s náhradním lynem a za odmíne, teré jsou normou řesně defnovány. Obvyle se taovéto zoušy realzují na uzavřeném oruhu, terý je ro zoušu nstalován na zušebně výrobce. Protože měření na uzavřeném oruhu je časově náročné, náladné a vyžaduje secální vybavení zušebny, objevuje se nědy ze strany záaznía ožadave rovést výonnostní zoušy dle PTC 0 se vzduchem. Cílem tohoto řísěvu je odrobněj se odívat na to, zda taová zouša může slnt ožadavy normy PTC0. Př výočtech termodynamcých vlastností bylo resetováno reálné chování lynů. Pro výočty byla oužta BWR stavová rovnce.

2 . Záladní ožadavy PTC0 Podívejme se nejdříve na zoušy Tyu, teré robíhají s rovozním lynem. Povolené tolerance rovozních arametrů jsou uvedeny v Tab.. Norma zároveň ožaduje, aby byly slněny odmíny ro zoušy Tyu, uvedené v Tab.. Velčna Jednota Tla na sání bar 5% Telota na sání T K 8% Otáčy N /mn % Moleulová hmotnost MW g/mol % Odchyla teloty chlazení K 5% Průto chladva m 3 /h 3% Výonnost Q m 3 /h 4% Tab.. Povolené tolerance rovozních arametrů Zoušy Tyu robíhají obvyle na zušebně výrobního závodu s vhodně zvoleným náhradním lynem. Aby byly slněny ožadavy normy PTC0, musí být slněny ožadavy uvedené v Tab. a současně odchyly Machova srovnávacího čísla M m a Reynoldsova čísla Rem musí ležet v mezích vymezených na Obr. a na Obr. (ASME PTC 0-997) Lmty testované Velčna Symbol velčny v % Mn Max Poměr měrných objemů v /v d Průtoové číslo ϕ Srovnávací Machovo číslo M m Vz. Obr. Reynoldsovo číslo Rem Vz. Obr. Tab.. Povolené tolerance rovozních arametrů ro zoušu Tyu Obr. Příustné odchyly Machova srovnávacího čísla Obr. Příustné odchyly Reynoldsova čísla

3 Turbostroje 03. Volba náhradního lynu Obvyle se jao testovací lyn vybírá lyn s vyšší moleulovou hmotností než lyn secfovaný (návrhový). Jedním z nezanedbatelných důvodů je to, že měření s náhradním lynem a robíhá za nžších otáče. Př modelovém měření musí být dodrženy odmíny odobnost roudění a shodnost srovnávacího Machova čísla a Reynoldsova čísla. Podobnost roudění je dodržena, je-l dodržena odobnost rychlostních trojúhelníů. Z toho vychází ožadave na rovnost oměrů měrných objemů ř rác se secfovaným lynem a ř modelovém měření v v d s v v Krtcou velčnou ro řesnost a relevanc testu (měření) je Machovo srovnávací číslo. (ASME PTC 0). Z ožadavu na zachování rychlostních trojúhelníů vylývá ožadave na rovnost soentrocých exonentů s t d t (). Přílad Komresor na stlačování zemního lynu Jao rvní řílad byl zvolen omresor navržený na stlačování zemního lynu z tlau 4 bara, ř telotě 40 C na výtlačný tla 44 bara. Na říladu tohoto omresoru je uázáno, do jaé míry lze slnt relatvně častý ožadave rovést modelové měření dle PTC 0 s oužtím vzduchu jao náhradního lynu a uázat říadné odchyly od ožadavů PTC 0. Kontrola byla rovedena ro celou charaterstu.. Volba arametrů na sání Ze sutečnost, že jao náhradní lyn byl zvolen vzduch, vylývá, že maxmální tla na sání omresoru může být z bezečnostních důvodů ouze tla atmosfércý nebo nžší. Na to taé amatuje norma PTC 0, terá na uvádí, že na uzavřeném oruhu se nesmí zoušet se vzduchem an s jným lyny, teré zůsobují oxdac. Na záladě tohoto ožadavu byl ro sání zvolen stav uvedený v Tab. 3.. Volba otáče Stlačovaný lyn vzduch Tla na sání bara Telota na sání t C 0 Vlhost lynu na sání φ % 60 Tab. 3. Parametry omresoru na sání s modelovým lynem V rvním rou byly navrženy modelové otáčy dle vztahu (3), tyto otáčy jsou nžší než rovozní otáčy. Plnění ožadavů normy PTC 0 s náhradním lynem vzduch bylo ontrolováno ro dvoje otáčy - rovozní (návrhové) otáčy omresoru, teré má omresor ř rác s racovním lynem v návrhovém režmu a nžší modelové otáčy n=490 /mn., teré slňují většnu rtérí ředesaných normou PTC 0 ro zoušu Tyu. V obou říadech byl za tla na sání zvolen atmosfércý tla. Dále byly rověřeny stejné otáčy n=490 /mn ale ro vyšší tla na sání (vz Tab. 3.).

4 Režm n (/mn) (bara) Vzduch návrhové otáčy 560 Vzduch modelové otáčy 490 Vzduch modelové otáčy Tab. 4. Otáčy, ro teré byla rovedena ontrola.3 Vyhodnocení jednotlvých ožadavů PTC0 Výsledy ro varanty uvedené v Tab. 4. byly souhrnně grafcy zracovány vz Obr. 3 až Obr. 6. Machovo číslo Odchyla srovnávacího Machova čísla ř testu s náhradním lynem ro všechny tř varanty od Machova čísla ř návrhovém režmu s racovním lynem leží v oblast ovolené normou PTC0, vz Obr. 3. Poměr měrných objemů Na Obr. 4 je vdět, že ro návrhové otáčy n=560 /mn leží téměř celá charatersty mmo oblast ovolenou PTC0. Všechny body charatersty s náhradním lynem ř otáčách n=490 ot/mn leží v ovoleném rozsahu 95 až 05% oměru měrných objemů (v /v d ) t a (v /v d ) s. Mez odchylam ro modelové otáčy n=490 /mn ro oba uvažované tlay na sání bara a 8 bara jsou ouze neatrné rozdíly. Průtoové číslo Obr. 5 uazuje, že ro návrhové otáčy n=560 /mn leží odchyly oměru růtoových čísel (ϕ t /ϕ s ) v ovolených mezích 96 až 04%. Týá se to, s výjmou dvou, všech sledovaných bodů celé charatersty. Př modelových otáčách n=490 /mn leží odchyly ro všechny body charatersty s náhradním lynem v ovolené oblast. Reynoldsovo číslo Poslední ontrolovanou velčnou je Reynoldsovo číslo. Jeho hodnota je ro všechny sledované říady (Tab. 4.) větší než a slňuje ta rvní ožadave normy PTC 0 na Reynoldsovo číslo ř měření s náhradním lynem. Druhým ožadave je, aby oměr (Rem t /Rem s ) ležel v mezích určených grafem na Obr.. Pro návrhové otáčy n=560 /mn a ro modelové otáčy ř atmosfércém tlau na sání není tento ožadave slněn. Terve ro modelové otáčy ř vyšším tlau na sání 8 bara leží oměr Reynoldsových čísel v oblast říustných odchyle Obr Zhodnocení výsledů říladu Na záladě výsledů testování vhodnost oužtí vzduchu jao náhradního (modelového) lynu ro zoušy omresoru na stlačování zemního lynu dle PTC 0 vylývá, že vzduch ř atmosfércém tlau na sání není vhodný ro zoušy Tyu dle PTC 0. Vzduch by slňoval všechna rtéra ouze ř vyšším tlau na sání. Taové měření vša není z bezečnostních hledse říustné. Jao modelový lyn by byl nejvhodnější dusí, terý by byl schoen odobně jao vzduch slnt všechna rtéra PTC 0, a terý by umožnl rovedení zouše na uzavřeném oruhu ř vyšším tlau na sání.

5 Turbostroje 03 Obr. 3 Odchyly Machova srovnávacího čísla Obr. 4 Odchyly oměrů odílů měrných objemů na sání a na výtlau Obr. 5 Odchyly oměru růtoových čísel Obr. 6 Odchyly Reynoldsova čísla 3. Přílad Komresor na stlačování CO Dalším říladem je měření na jednostuňovém omresoru na stlačování oxdu uhlčtého, terý má moleulovou hmotnost MW=44,0 g/mol. CO je stlačován z tlau,55 bara ř telotě 43 C na tla 3,5 bara. Jao modelový lyn byl zvolen vzduch. Parametry na sání omresoru ř návrhu měření dle PTC 0 v tomto říadě odovídají atmosfércým odmínám, teré jsou uvedeny v Tab. 3. V tomto říladu nebyla orovnávána celá charatersta ale ouze jeden bod, terý odovídá návrhovému bodu omresoru. Kontrola a orovnání návrhu měření s ožadavy normy PTC 0 byly rozděleny na dvě část. V rvní část byly navrženy modelové otáčy, zontrolována shoda s odmínam PTC 0, ve druhé část byla zontrolována shoda s odmínam PTC 0 ro zvolené otáčy ř měření se vzduchem a byly defnovány výjmy a odchyly od modelového měření.

6 3. Výočet modelových otáče Abychom zjstl, ja do jaé míry se budou zušební otáčy lšt od modelových, byl roveden odhad modelových otáče a ontrola lnění ožadavů normy ASME PTC0. Modelové otáčy byly vyočteny omocí vztahu (3). V tabulce jsou uvedeny návrhové otáčy omresoru, jsou to maxmální otáčy, ř terých může být omresor rovozován a modelové otáčy. Režm n (/mn) (bara) Vzduch návrhové otáčy 8796 Vzduch modelové otáčy 093 Tab. 5. Otáčy, ro teré byla rovedena ontrola Modelové otáčy n=093 /mn jsou dle očeávání vyšší než otáčy rovozní n=8796 /mn. Přestože není možné omresor ř těchto vyšších otáčách z evnostních důvodů omresor změřt byla ro tyto otáčy rovedena ontrola lnění ožadavů PTC Kontrola odchyle ř modelových otáčách Machovo číslo Př modelových otáčách n=093 /mn leží odchyla srovnávacího Machova číslo v oblast říustných odchyle Obr. 7. Př rovozních otáčách n=8796 /mn leží tato odchyla mmo ovolenou oblast. Je to zůsobeno ředevším velým rozdílem modelových a rovozních otáče. Poměr měrných objemů Poměru měrných objemů (v /v d ) t a (v /v d ) s leží v ovoleném rozsahu 95 až 05% ja ro modelové otáčy ta ro rovozní otáčy. Průtoové číslo Taé oměr růtoových čísel (ϕ t /ϕ s ) leží v ovoleném rozsahu 96 až 04% ro modelové otáčy ro rovozní otáčy. Reynoldsovo číslo Odchyly srovnávacího Machova čísla ř modelových otáčách znázorněné na Obr. 8 a rovozních otáčách znázorněné na Obr. 0 leží v ovolené oblast. 3.3 Zhodnocení výsledů říladu Poud by měření robíhalo se vzduchem ř atmosfércých odmínách na sání omresoru a ř modelových otáčách n=093 /mn byly by slněny všechny ožadavy PTC 0. Měření by v tomto říadě vyovídalo o chování omresoru ř rovozu s CO ř rovozních (návrhových) arametrech na sání. Vzhledem tomu, že omresor byl navržen na nžší rovozní otáčy, na teré taé bylo dmenzováno oběžné olo, nelze omresor ř modelových otáčách z evnostních důvodů rovozovat an měřt. Př rovozních otáčách není slněna významná odmína odchyle rozdílu Machových čísel. Měření ř rovozních otáčách neslňuje ožadavy normy PTC 0.

7 Turbostroje 03 Obr. 7 Odchyla srovnávacího Machova čísla ro modelové otáčy 093 /mn Obr. 8 Poměr Reynoldsových čísel ro modelové otáčy 093 /mn Obr. 9 Odchyla srovnávacího Machova čísla ro modelové otáčy 8796 /mn Obr. 0 Poměr Reynoldsových čísel ro modelové otáčy 8796 /mn 4. Použté vztahy Pro výočty byla oužta řada vztahů a rovnc. Zde jsou uvedeny nejdůležtější z nch. Termodynamcé vlastnost reálných lynů byly očítány s oužtím osmonstantové stavové BWR rovnce RT B C c brt a a 0 0RT A0 ex T ve etré A 0, B 0, C 0, a, b, c, α, γ jsou onstanty charaterzující stlačovaný lyn. T, ()

8 Modelové otáčy byly nalezeny omocí vztahu s d t d s t RT RT n n. (3) Průtoové číslo 0 je vyočteno omocí vztahu 0 4 u DQ. (4) Machovo srovnávací číslo se vyočte jao m a u M, (5) de rychlost zvuu na vstuu do stuně omresoru je a zrt a. (6) Reynoldsovo číslo b u Rem. (7) 5. Závěr Na říladech omresoru na stlačování zemního lynu tedy lynu lehčího než vzduch a oxdu uhlčtého, terý je těžší než vzduch, bylo uázáno, do jaé míry lze se vzduchem oužtým jao náhradní lyn slnt ožadavy normy PTC0 na výonnostní zoušy Tyu. V obou říadech vyšly modelové otáčy odlšné od rovozních otáče. V říadě omresoru na zemní lyn by bylo možné měření rovést se vzduchem ř modelových

9 Turbostroje 03 otáčách, rotože jsou nžší než otáčy rovozní. Nejsou ale slněny všechny ožadavy vylývající z PTC 0. Vzduch lze oužít jao modelový lyn ouze v něterých říadech. Pratcy ve všech říadech, dy je návrhový lyn těžší, než vzduch jsou modelové otáčy vyšší než otáčy rovozní. V tomto říadě není vzduch vhodným modelovým lynem. Př nžších než modelových otáčách je velm ravděodobné, že odchyla Machových čísel bude větší než ovoluje norma PTC0. Pro oba říady, tj. lyn lehčí lyn těžší než vzduch je možné řustt menší odchylu Reynoldsova čísla, norma PTC 0 totž dovoluje ro tento říad orec. 6. Použté velčny a m/s rychlost zvuu b m výstuní šířa. oběžného ola c J/(g.K) měrné telo ř onstantním tlau c v J/(g.K) měrné telo ř onstantním objemu D m vnější růměr oběžného ola zoentrocý exonent MW g/mol molární hmotnost M m srovnávací Machovo číslo n /mn otáčy s Q bara, MPaA m 3 /h, m 3 /s absolutní tla na sání omresoru objemový růto R J/(g.K) lynová onstanta Rem Reynoldsovo číslo T K absolutní telota t s C telota na sání omresoru u m/s obvodová rychlost oběžného ola v m 3 /g měrný objem z omresbltní fator tlaové číslo % účnnost Pa.s dynamcá vsozta m /s nematcá vsozta g/m 3 hustota 0 růtoové číslo vztažené na sání omresoru ndexy sání omresoru výstu z oběžného ola d výtla omresoru s zoentrocý s secfovaný (návrhový, rovozní ) lyn t náhradní lyn

10 7. Lteratura. ASME PTC 0 997, The Amercan Socety of Mechancal Engneers, 998. МISÁREK, D.: Turboomresory, SNTL, Oldřch, J.: Použtí vztahů ro výočet reálného chování lynů ve výočetním rogramu, Sborní Termofyzální vlastnost reálných lynů a jejch směsí, ČSVTS, Praha Oldřch, J.: Vývoj metody výočtu termodynamcých vlastností reálných lynů užívané ř navrhování, onstruc a zoušení turboomresorů v ČKD Komresory, Termofyzální vlastnost reálných lynů a jejch směsí, ČSVTS, Praha Oldřch, J.: Využtí termodynamy reálných lynů v techncé rax (Alcaton of thermodynamcs of real gases n techncal ractce), Plyn, 994, No.4,.8/9 6. Oldřch, J.: Some methods of soluton of thermodynamc roblems connected wth comressors and cryogencs, Přísěve ve Sborníu onference Kryogena 96, Praha Oldřch, J.: Model reálného lynu ro návrh omresoru (Real Gas Model for desgn of Comressor), Přísěve ve sborníu onference Současné trendy ř návrhu a výočtu turbostrojů Praha Oldřch, J.: Advanced Polytroc Calculaton Method of Centrfugal Comressor, Proceedngs of ASME 00 Internatonal Mechancal Engneerng Congress & Exoston, IMECE Oldřch, J.: Equatons of state for desgn of centrfugal comressor, Přísěve ve sborníu onference ICR0 Praha 0