KSZTA TOWANIE PARAMETRÓW STRUGI POWIETRZA ZA WENTYLATOREM OSIOWYM W KANALE KWADRATOWYM I W PRZESTRZENI OTWARTEJ ZA KANA EM

Transkrypt

1 Stanis³aw MECHANICS GUMU A, Krzysztof PYTEL KSZTA TOWANIE Vol. 24 No PARAMETRÓW STRUGI POWIETRZA ZA WENTYLATOREM OSIOWYM... KSZTA TOWANIE PARAMETRÓW STRUGI POWIETRZA ZA WENTYLATOREM OSIOWYM W KANALE KWADRATOWYM I W PRZESTRZENI OTWARTEJ ZA KANA EM Stanis³aw GUMU A *, Krzysztof PYTEL ** STRESZCZENIE Praca zawiera wyniki badañ eksperymentalnych nad mo liwoœci¹ kszta³towania parametrów przep³ywu indukowanego wentylatorem osiowym. Kszta³towanie przep³ywu odbywa³o siê za pomoc¹ kana³u o przekroju kwadratowym, prostownicy wi¹zkowo-rurowej, prostownicy siatkowej oraz konfuzora. Wyniki badañ pokazuj¹cych, jak poszczególne elementy kszta³tuj¹ce strugê wp³ywaj¹ na rozwijanie siê profili prêdkoœci, przedstawiono w postaci graficznej. Wyniki badañ mog¹ znaleÿæ zastosowanie przy projektowaniu tuneli aerodynamicznych, w których przep³yw w przestrzeni pomiarowej musi spe³niaæ wysokie wymagania co do równomiernoœci pola prêdkoœci, oraz w wielu procesach technologicznych, gdzie strugi powietrza lub innych gazów musz¹ spe³niaæ szczególne wymagania dotycz¹ce rozk³adu prêdkoœci. S³owa kluczowe: kszta³towanie parametrów przep³ywu, profile prêdkoœci FORMATION OF PARAMETERS OF STREAM UNITS OF AIR BEHIND THE AXIAL FUN PLACED IN AERODYNAMIC TUNNEL The publication contains the results of experimental investigations of formation of flow parameters over possibility induced with axial ventilator. Formation of flow was held with the help of tunnel about square section, bundle- -tubular flattener, reticular flattener as well as confusor. The results of investigations showing how the individual formative of the stream units influence developing of the profile of velocity, were presented in graphic form. The scores of investigations can be used in projecting aerodynamic tunnels, in which the fluid has to fulfill high requirements in measuring space what to uniformity of field of velocity as well as in many technological processes where streams of air or other gases have to fulfill the special requirements to schedule of velocity. Keywords: formation of flow parameters, profile of velocity 1. WPROWADZENIE Wentylatory osiowe, przystosowane do przet³aczania du- ych objêtoœci powietrza o niskim ciœnieniu, s¹ wykorzystywane w gospodarstwie domowym, pomieszczeniach socjalnych, u ytecznoœci publicznej, biurach i pomieszczeniach produkcyjnych. Jednym z problemów wystêpuj¹cych w pracy z wentylatorem osiowym jest zwiêkszenie prêdkoœci przep³ywu powietrza. Problem ten mo e byæ rozwi¹zywany na ró ne sposoby, np. poprzez zwiêkszenie liczby obrotów wentylatora, przez zainstalowanie dodatkowego wentylatora, przez wymianê wentylatora na wiêkszy. W badaniach laboratoryjnych, kiedy wentylator stanowi podstawowy element wymuszaj¹cy przep³yw strugi, dochodzi ponadto koniecznoœæ wyrównania profilu prêdkoœci. Zadanie mo e byæ realizowane poprzez stosowanie urz¹dzeñ takich jak konfuzor czy prostownica wi¹zkowo-rurowa. 2. STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA BADAÑ Podstawowym elementem stanowiska pomiarowego by³ wentylator osiowy o wydajnoœci 3800 m 3 /h. Zosta³ on zabudowany w tunelu o przekroju kwadratowym i wysokoœci œcianki 0,4 m. W celu stabilizacji przep³ywu strugi stosowano prostownice wi¹zkowo-rurowe i konfuzor. Prostownice by³y zbudowane z elementów o gruboœci œcianki 0,0018 m, powodowa³o to zmniejszenie pola przekroju tunelu o oko³o 1%. W trakcie wykonywania badañ stanowisko ulega³o ci¹g³ej rozbudowie i by³o adaptowane do kolejnych pomiarów. Celem przeprowadzonych badañ by³o wyznaczenie pól prêdkoœci w strudze nawiewanej, formowanej przez wentylator i przep³ywaj¹cej przez elementy wyrównuj¹ce profil prêdkoœci strugi. Badano oddzia³ywanie elementów stabilizuj¹cych profil prêdkoœci strugi powietrza oraz wp³yw d³ugoœci kana³u na jakoœæ strugi powietrza wyp³ywaj¹cej z badanego kana³u. Pomiary przeprowadzono w tunelu oraz poza tunelem w wybranych odleg³oœciach od p³aszczyzny wirnika wentylatora. Badanie polega³o na pomiarach prêdkoœci w poszczególnych punktach pomiarowych przekroju. W trakcie badañ okreœlono: profil prêdkoœci strugi generowanej przez wentylator, za którym umieszczono prostownicê o œrednicy elementu 0,05 m, konfuzor, tunel; pomiary przeprowadzono w tunelu w wybranych odleg³oœciach od p³aszczyzny wirnika wentylatora; * Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Maszyn i Urz¹dzeñ Energetycznych ** Akademia Pedagogiczna w Krakowie, Instytut Techniki 246

2 MECHANICS Vol. 24 No profil prêdkoœci strugi generowanej przez wentylator, za którym umieszczono prostownicê z elementów o przekroju kwadratowym, wysokoœæ elementu 0,05 m, konfuzor, tunel; pomiary przeprowadzono w tunelu w wybranych odleg³oœciach od p³aszczyzny wirnika wentylatora; profil prêdkoœci strugi generowanej przez wentylator, za którym umieszczono prostownicê o œrednicy elementu 0,05 m oraz dodatkow¹ prostownicê siatkow¹ w uk³adzie z konfuzorem; pomiary przeprowadzono w tunelu w wybranych odleg³oœciach od p³aszczyzny wirnika wentylatora; profil prêdkoœci strugi generowanej przez wentylator, za którym umieszczono konfuzor o modyfikowanej d³ugoœci; pomiary przeprowadzono w przestrzeni otwartej poza tunelem w wybranych odleg³oœciach od p³aszczyzny wirnika wentylatora. Podstawowym przyrz¹dem wykorzystywanym do pomiaru prêdkoœci by³a rurka Prandtla. Sygna³em wyjœciowym by³o ciœnienie dynamiczne, na podstawie którego obliczano prêdkoœci ka dego punktu pomiarowego. Skonstruowano uk³ad przesuwny umo liwiaj¹cy pomiar prêdkoœci w wybranych punktach. Na podstawie prêdkoœci miejscowych wyznaczono profile prêdkoœci. Wyniki badañ przedstawiono na wykresach przedstawiaj¹cych rozk³ad profili prêdkoœci w przekroju prostopad³ym do kierunku przep³ywu strugi, w zale noœci od odleg³oœci od Ÿród³a, którym by³ wentylator osiowy. Po³o enie przekroju pomiarowego odmierzane od p³aszczyzny wirnika wentylatora odnoszono do œrednicy hydraulicznej tunelu x/d. Promieñ bezwymiarowy (r/(d/2)) sprowadzono do przedzia³u [0, 1]. Prêdkoœæ przep³ywu wyra ono w m/s. 3. WYNIKI POMIARÓW Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach 1 4. Na podstawie uzyskanych wyników, wykorzystuj¹c komputerowy program graficzny, przedstawiono rozk³ady pól prêdkoœci. Stanowisko pomiarowe do badania wp³ywu konfuzora profil prêdkoœci strugi pokazano na rysunku 1a. Rysunki 1b i c przedstawiaj¹ rozk³ady prêdkoœci dla przypadku, gdy bezpoœrednio za wentylatorem zamontowano konfuzor i po³¹czono go z tunelem o przekroju kwadratowym 0,25 m o d³ugoœci 12D (4,8 m). Przestrzeñ pomiarow¹ zlokalizowano w odleg³oœci 11D (4,4 m) od wirnika. Efektem eksperymentu by³o jedynie zwiêkszenie prêdkoœci przep³ywu. Nie uzyskano jednorodnego pola prêdkoœci strugi. Nastêpne stanowisko zestawiono z wentylatora, prostownicy wi¹zkowo-rurowej, konfuzora i tunelu. Stanowisko przedstawia rysunek 2a. Bezpoœrednio za wentylatorem umieszczona jest prostownica po³¹czona z konfuzorem i tunelem. Prostownica oraz konfuzor w zaprojektowanym stanowisku stanowi¹ elementy stabilizuj¹ce strugê. W trakcie badañ modyfikowano d³ugoœæ prostownicy (rys. 2b). Pomiary przeprowadzono wewn¹trz tunelu w ró nej odleg³oœci od p³aszczyzny wirnika. Wyniki przedstawiono na rysunkach 2c f. Badania przeprowadzono dla czterech d³ugoœci prostownic: 0,05 m, 0,10 m, 0,15 m oraz 0,20 m. Przy ka dej d³ugoœci prostownicy wraz ze wzrostem odleg³oœci od wirnika pole prêdkoœci stawa³o siê bardziej jednorodne, natomiast profil prêdkoœci wyrównywa³ siê. Schemat stanowiska do pomiaru wp³ywu wielkoœci oka prostownicy wykonanej z w³ókna nylonowego przedstawiono na rysunku 3a. Na rysunkach 3b e zaprezentowano wyniki badañ. W odleg³oœci 0,25D (0,10 m) od wirnika wentylatora umieszczona jest prostownica wi¹zkowo-rurowa 0,05 m 0,1 m. Za ni¹ znajduj¹ siê w odleg³oœci 0,1 m: dodatkowa prostownica z w³ókien nylonowych, w odleg³oœci 0,2 m konfuzor i dalej tunel. Pomiary wykonano w odleg³oœci 2D od osi wirnika, dla trzech typów prostownic z w³ókien nylonowych: seria 1 o œrednim promieniu oczka 0,0007 m, seria 2 o œrednim promieniu oczka 0,0001 m, seria 3 o œrednim promieniu oczka 0,0001 m + dodatkowo 0,002 m w odleg³oœci 0,2 m. Elementy wyrównuj¹ce profil prêdkoœci strugi powietrza zosta³y umieszczone w tunelu. Pomiary wykonano w odleg³oœci 2D za wirnikiem wentylatora osiowego w punktach wed³ug przyjêtej siatki pomiarowej. Promieñ bezwymiarowy r/(d/2) sprowadzono do przedzia³u [0, 1]. Prêdkoœæ przep³ywu strugi powietrza przedstawiono w m/s. Zaobserwowano, e w œrodkowym obszarze przep³ywu zajmuj¹cym oko³o 65% przekroju poprzecznego pole prêdkoœci by³o jednorodne. W tym obszarze równie zaobserwowano najwiêksze wartoœci prêdkoœci. Najlepsze wyrównanie profilu prêdkoœci uzyskano dla prostownicy z w³ókien nylonowych o œrednim promieniu oczka 0,0007 m. Wyrównanie profilu prêdkoœci wi¹za³o siê w tym doœwiadczeniu ze zmniejszeniem prêdkoœci przep³ywu. Celem kolejnych badañ by³o okreœlenie wp³ywu d³ugoœci konfuzora na profil prêdkoœci strugi powietrza. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 4a. W odleg³oœci 0,25D od wirnika wentylatora umieszczono jest prostownica wi¹zkowo-rurowa 0,05 m 0,1 m. Za ni¹ w odleg³oœci 0,5D znajduje siê dodatkowa prostownica z w³ókien nylonowych: o œrednim promieniu oczka 0,007 m, dalej konfuzor. Pomiary przeprowadzono dla czterech d³ugoœci konfuzora: 4 / 8 D, czyli 0,200 m, 5 / 8 D, czyli 0,250 m, 6 / 8 D, czyli 0,300 m, 8 / 8 D, czyli 0,400 m. Pomiary wykonano w odleg³oœci D 5D od p³aszczyzny wirnika wentylatora. Wybrane wyniki zaprezentowano na rysunkach 4b e. Zaobserwowano, e zwiêkszanie d³ugoœci konfuzora spowodowa³o widoczne polepszenia jakoœci strugi powietrza, profil prêdkoœci by³ bardziej wyrównany. Równoczeœnie wzrost d³ugoœci konfuzora powodowa³ zmniejszenie prêdkoœci przep³ywu. Na podstawie badañ stwierdzono istotny wp³yw d³ugoœci konfuzora na profil prêdkoœci. W przeprowadzonych eksperymentach najbardziej stabilny profil prêdkoœci w zakresie 2 3,5D zaobserwowano za konfuzorem o d³ugoœci 6 / 8 D. 247

3 Stanis³aw GUMU A, Krzysztof PYTEL KSZTA TOWANIE PARAMETRÓW STRUGI POWIETRZA ZA WENTYLATOREM OSIOWYM... a) b) c) Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 wentylator, 2 konfuzor, 3 tunel (a); przestrzenny rozk³ad prêdkoœci (b) w strudze w tunelu o przekroju kwadratowym 0,25 0,25 m w odleg³oœci 4,4 m od wirnika; dwuwymiarowy rozk³ad prêdkoœci (c) w strudze w tunelu o przekroju kwadratowym 0,25 0,25 m w odleg³oœci 4,4 m od wirnika 248

4 MECHANICS Vol. 24 No a) b) c) d) e) f ) Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1 wentylator, 2 segment tunelu o wysokoœci œciany 0,4 m, 3 konfuzor, 4 tunel, 5 prostownica wi¹zkowo-rurowa (a); rysunek schematyczny wykorzystywanych prostownic wi¹zkowo-rurowych (b); profile prêdkoœci w przekrojach tunelu dla prostownicy 0,05 m 0,050 m (c); profile prêdkoœci w przekrojach tunelu dla prostownicy 0,05 m 0,1 m (d); profile prêdkoœci w przekrojach tunelu dla prostownicy 0,05 m 0,15 m (e); profile prêdkoœci w przekrojach tunelu dla prostownicy 0,5 m 0,200 m (f ) 249

5 Stanis³aw GUMU A, Krzysztof PYTEL KSZTA TOWANIE PARAMETRÓW STRUGI POWIETRZA ZA WENTYLATOREM OSIOWYM... a) b) seria 2 seria 3 seria 1 Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego: 1 wentylator, 2 prostownica wi¹zkowo-rurowa z rurek 0,05 m 0,10 m, 3 prostownica z w³ókien nylonowych, 4 konfuzor, 5 tunel (a); rozk³ad pól prêdkoœci w odleg³oœci 2D za wirnikiem wentylator osiowego (b) seria 1 prostownica o œrednim promieniu oczka 0,0007 m + konfuzor + tunel, seria 2 seria 3 prostownica o œrednim promieniu oczka 0,0001 m + konfuzor + tunel, prostownica o œrednim promieniu oczka 0,0001 m + dodatkowa prostownica o œrednim promieniu oczka 0,002 m w odleg³oœci 0,2 m + konfuzor + tunel a) b) c) d) e) Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1 wentylator, 2 segment tunelu w którym umieszczono prostownice, 3 konfuzor, 4 prostownica z w³ókien nylonowych, 5 prostownica wi¹zkowo-rurowa z rurek 0,05 m 0,10 m (a); rozk³ad pól prêdkoœci w wybranych przekrojach poprzecznych tunelu za wirnikiem wentylatora osiowego za konfuzorem o d³ugoœci 4 / 8 D; rozk³ad pól prêdkoœci w wybranych przekrojach poprzecznych tunelu za wirnikiem wentylatora osiowego za konfuzorem o d³ugoœci 5 / 8 D (c); rozk³ad pól prêdkoœci w wybranych przekrojach poprzecznych tunelu za wirnikiem wentylatora osiowego za konfuzorem o d³ugoœci 6 / 8 D (d); rozk³ad pól prêdkoœci w wybranych przekrojach poprzecznych tunelu za wirnikiem wentylatora osiowego za konfuzorem o d³ugoœci 8 / 8 D (e) 250

6 MECHANICS Vol. 24 No ZAKOÑCZENIE W trakcie badañ tunel doposa ono w urz¹dzenia poprawiaj¹ce profil prêdkoœci strugi generowanej wentylatorem osiowym. Mierzono rozk³ady prêdkoœci w wybranych przekrojach poprzecznych tunelu w odleg³oœci bêd¹cej krotnoœci¹ œrednicy hydraulicznej tunelu. W przypadku wykorzystania wentylatorów do generowania strugi o okreœlonych parametrach, wa ne jest odpowiednie dobranie elementów stabilizuj¹cych przep³yw i wyrównuj¹cych profil prêdkoœci. W trakcie badañ skoncentrowano siê na opisaniu roli prostownicy wi¹zkowo-rurowej. Zaobserwowano, e zarówno dobór wielkoœci oczka prostownicy, jak i jej d³ugoœæ wywieraj¹ wp³yw na uzyskane rozk³ady prêdkoœci. Okreœlono wp³yw d³ugoœci konfuzora na profil prêdkoœci strugi. Niezale nie od parametrów przep³ywowych, prawid³owo pracuj¹cy wentylator powinien charakteryzowaæ siê ³atwym monta em, ekonomiczn¹ eksploatacj¹, cich¹ prac¹, a ponadto mo liwoœci¹ regulacji prêdkoœci obrotowej. Literatura [1] Hurnik M., Popio³ek Z.: Wp³yw uzbrojenia otworu na pole prêdkoœci w strudze nawiewnej. VII Ogólnopolskie Sympozjum Zastosowanie mechaniki p³ynów w in ynierii i ochronie œrodowiska 2001, Gliwice-Wis³a 2001 [2] Je owiecka-kabsch K., Szewczyk H., Wêdrychowicz W.: Pole prêdkoœci w pulsuj¹cym przep³ywie przez rurê z kryz¹. VII Ogólnopolskie Sympozjum Zastosowanie mechaniki p³ynów w in ynierii i ochronie œrodowiska 2001, Gliwice-Wis³a 2001 [3] Bechtold Z., Je owiecka-kabsch K. i inni: Wizualizacyjne metody badania struktury strug w elementach ruroci¹gów energetycznych. Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki P³ynów Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw