wiczenie M-12 Pomiar strumienia masy i objtoci cz II

Transkrypt

1 POLITECHNIKA LSKA WYDZIAŁ INYNIERII RODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZDZE ENERGETYCZNYCH INSTRUKCJA do wicze laboratoryjnych z Metrologii wielkoci energetycznych wiczenie M-1 Pomiar strumienia masy i objtoci cz II Opracował: mgr in. Daniel Wcel Sprawdził: dr in. Jan Około-Kułak Zatwierdził: dr hab. in. Janusz Kotowicz 1

2 Cel wiczenia: Celem wiczenia jest poznanie podstawowych technik pomiaru strumienia objtoci cieczy w kanałach otwartych oraz dowiadczalne wyznaczenie charakterystyk i cechowanie przyrzdów mierniczych. 1. Wstp Kontrola przepływów wymaga pomiaru ich natenia. Jest ona te nieodzown czci pomiarów energii cieplnej nastrczajc najwiksze trudnoci. Najbardziej rozpowszechnione s metody pomiarowe w których stosuje si przetworniki: - spitrzajce przepływ, - wirnikowe, - ultradwikowe, - magnetohydrodynamiczne, - wibracyjne. Inne metody okazuj si mniej przydatne w powszechnych zastosowaniach, takich jak pomiary zuycia wody i energii cieplnej w gospodarce bytowokomunalnej. W takich przypadkach zasadnicz rol odgrywaj nastpujce czynniki: - prostota konstrukcji, - mały koszt, - niezawodno przy braku nadzoru, - rejestracja (całkowanie w czasie), - zdalny odczyt wskaza, - posta numeryczna wskaza, - niski próg nieczułoci. To włanie woda jest ciecz, której przepływ jest najczciej mierzony. Równie w najwikszej liczbie stanowisk do sprawdzania i wzorcowania przepływomierzy cieczy jest woda.. Wiadomoci teoretyczne Jeeli na poziomym odcinku 1- strugi nastpuje zmniejszenie pola przekroju od A1 do A, to wystpi równie spadek cinienia p 1 -p = p. Tym zmianom towarzysz straty energetyczne okrelone wysokoci h s. Równanie Bernoulliego dla linii prdu: w1 p1 w p + = + + h s g g Energia stracona odniesiona do energii kinetycznej strugi w przeweniu: w h = ζ s g ζ - współczynnik strat miejscowych Wykorzystujc równanie cigłoci A 1 w 1 =A w i stosunek m=a 1 /A :

3 γ w p = g w 1 = 1 [( 1+ ζ ) m 1] g p ( 1+ ζ ) m 1 γ Objtociowe natenie przepływu q v =A 1 w 1 Tak wic dowolny spadek cinienia, powstajcy na pewnym odcinku strugi, moe by wykorzystany dla obliczenia natenia przepływu. W tym celu wystarczy zrealizowa dowolne małe przewenie strugi płyncej np. rurocigiem. W zalenoci od sposobu realizacji przewenia przepływomierze mona podzieli na : kryzy, dysze i zwki Venturiego dla kanałów zamknitych; przelewy, zwkowe kanały miernicze - dla kanałów otwartych. Przepływomierze do kanałów otwartych słu do pomiarów strumienia cieczy w: - kanałach cieków surowych i oczyszczonych na oczyszczalni cieków, - kanałach awaryjnych lub obejciowych na oczyszczalniach cieków, - kanałach odpływowych cieków z zakładów przemysłowych, - kolektorach odcieków z wysypisk mieci, - ciekach wodnych, rzekach i kanałach.. Przelewy miernicze Przelewy miernicze s to odpowiednio ukształtowane przegrody (elementy dławice) wbudowane w kanały otwarte i słuce do pomiaru iloci strumienia przepływajcej tymi kanałami cieczy. Element dławicy, podobnie jak w kanałach zamknitych, powoduje zmniejszenie przekroju przepływajcego strumienia i zwikszenie prdkoci cieczy w tym przewonym przekroju. Pomiar iloci strumienia cieczy polega na ustaleniu zwizku midzy iloci strumienia, a wysokoci spitrzenia wywołanego przez przegrod.

4 Strumie objtoci: dla przelewu prostoktnego bez przewenia bocznego q v x= z = C b x= 0 g xdx = C b g z C - liczba przepływu, uwzgldniajca midzy innymi wpływ prdkoci w czci dopływowej kanału, zalena jest od wysokoci przegrody a = 100 [mm] oraz od wysokoci strumienia przelewowego z, b - szeroko kanału otwartego [m] z - wysoko strumienia przelewowego [m] g przypieszenie ziemskie [m/s ] Dla wody liczba przepływu moe by obliczona przy pomocy jednego z niej podanych empirycznych wzorów: 1 0,08z C = 0, (Rehbock - 191) 1000z a z 0, ,0011 C = 0, , (Rehbock - 194) a a z 1 z C = 0, ,5 (szwajcarskie normy ISSA - 194) 1000z + 1,6 z + a 0,0045 z C = 0, ,55 (Bazin) z z + a / dla przelewu trójktnego (czsto stosowany ze wzgldu na wiksze dokładnoci) q v = 8 15 C g z 5 Przykładowe wartoci liczby przepływu dla przegrody trójktnej: z [m] 0,05 0,075 0,1 0,15 0, 0,5 C 0,597 0,594 0,590 0,586 0,584 0,58 Wartoci liczby przepływu C w powyszym wzorze dla wody wg danych publikowanych w literaturze technicznej wynosz: C = 0,595 C = 0,596 C = 0,6z -0,0 (Barr) (Thomson) (Otto) Ze wzgldu na trudnoci w okreleniu współczynnika przepływu dla danego przelewu, który nie jest wielkoci stał i zalen m.in. od głbokoci przepływu, 4

5 w praktyce wyznacza si tzw. krzyw tarowania lub cechowania, opisan zalenoci q v = A z gdzie A i B s parametrami uzyskanymi z aproksymowania serii pomiarów z uzyskanych przy danym strumieniu objtoci q v. Taka zaleno uwzgldnia automatycznie zmienno współczynnika C. Warunki do spełnienia w trakcie wykonywania pomiaru (wymagania): a) dostatecznie długie proste odcinki koryta na dopływie i wypływie (stały przekrój, o koryta jest lini prost, dno płaskie i poziome, ciany boczne płaskie i pionowe), b) listwa przelewowa wykonana zgodnie z norm, c) przegroda winna by zabudowana w kanale pionowo i prostopadle do osi, a jej krawd przelewowa musi by pozioma (dla przelewów prostoktnych), d) dostateczne napowietrzenie przestrzeni pod przelewajcym si strumieniem, e) dostateczna odległo przyrzdu mierzcego od przegrody, l z max. f) na dopływie naley zapewni charakter laminarny przepływ cieczy. Przegroda z trójktnym wykrojem jest szczególnie przydatna do pomiaru małych nate przepływu w przedziale od 0,0008 do 0,05 m /s, przy czym przy małych prdkociach dopływajcej wody błd pomiaru nie przekracza 1%. 4. Zwkowe kanały miernicze (przewenie Venturiego, Parshalla) Kanał taki powstaje przez odpowiednie zmniejszenie pola przekroju poprzecznego otwartego kanału. Przewenie w kształcie dyszy Venturiego jest ustawione w korycie o prostoktnym przekroju poprzecznym. Na ogół kształt dyszy maj ciany boczne; niekiedy równie dno moe mie ten kształt. B b1 b Strumie objtoci mona obliczy wg wzoru: b h q v = C g( h1 h ) 1 ( m) b 1 szeroko kanału [m], b szeroko przewenia [m], 5

6 h 1 wysoko poziomu wody nad dnem w przekroju niezakłóconym przepływu [m], h wysoko zwierciadła wody nad dnem w rodku przewenia [m], C - liczba przepływu, C = 0,97 1,0 (C = const, gdy b l 5b ), l długo przewenia, m moduł kanału Venturiego. b h m = b1 h1 Powyszy wzór jest słuszny dla przepływu tzw. spokojnego, gdy h /h 1 > 0,7. Gdy przepływ jest rwcy, wówczas miarodajna jest tylko wysoko h 1, a wzór na strumie objtoci przyjmuje posta: q v = 0,85 C b g h1 Wielk zalet pomiaru w warunkach rwcych jest konieczno wykonania jednego tylko pomiaru wysokoci. Przyrzd pływakowy ustawiony w studzience połczonej z korytem przed przeweniem wskazuje wówczas bezporednio (na odpowiedniej skali) natenie przepływu. Obecnie pomiar poziomu dokonywany jest przy pomocy magnetycznej lub ultradwikowej sondy poziomu zamocowanej w cile okrelonym punkcie przed zwk lub elementem spitrzajcym. Natomiast przeliczenie spitrzenia na warto przepływu dokonywane jest na bazie charakterystyk elementu spitrzajcego lub znormalizowanych równa przepływu. 5. Zwka Palmer & Bowlus a Zwka pomiarowa Palmer & Bowlus a jest jedn z prefabrykowanych zwek pomiarowych przeznaczonych do pomiaru przepływu w przewodach grawitacyjnych. Jest zalecana dla kanałów grawitacyjnych o przekroju kołowym, jak równie dla rurocigów pracujcych bezcinieniowo. Ze wzgldu na konstrukcj, zwka posiada właciwoci samoczyszczce i moe by stosowana dla mediów nioscych zanieczyszczenia stałe. Zwka zapewnia cisł relacj pomidzy poziomem jej napełnienia oraz nateniem przepływu cieczy w kanale, bd rurocigu. Na rysunkach pokazano istotne wymiary zwki P&B i sposób instalacji czujnika ultradwikowego. W celu uzyskania poprawnego pomiaru strumienia substancji, zwka musi by zainstalowana w poziomie, bez spadku. 6

7 Zalety - optymalna dokładno pomiaru natenia przepływu, - znormalizowane wymiary zwki, - łatwo zabudowy w kanale o przekroju kołowym lub na rurocigu, - łatwo montau zwki. 6. Przepływomierz elektromagnetyczny (indukcyjny) W tym przepływomierzu wykorzystywane jest zjawisko indukowania si siły elektromotorycznej w przewodniku poruszajcym si w polu magnetycznym. Słu one do pomiaru strumienia objtoci cieczy przewodzcych prd elektryczny. Linie sił pola magnetycznego (stałe lub przemienne) s skierowane prostopadle do kierunku przepływu cieczy. Przepływomierze elektromagnetyczne ze stałym polem magnetycznym nie znalazły zastosowania ze wzgldu na polaryzacj elektrod. Stosowane jest pole przemienne o małej czstotliwoci. 1 odcinek rurocigu izolowany wewntrznie cewki, w których wytwarzane jest pole magnetyczne elektroda W przetworniku pomiarowym mierzone jest napicie zgodne z wyraeniem: U = D odległo midzy elektrodami równe rednicy wewntrznej rurocigu U(x) napicie zalene od napi generowanych w całym przekroju rurocigu 1 D D 0 U ( x) dx 7

8 ( x) = k( x, y) B( x, y) v( x y) U, B(x,y) indukcja magnetyczna wewntrz rurocigu w miejscu o współrzdnych x, y v(x,y) prdko cieczy w miejscu o współrzdnych x, y k(x,y) współczynnik wpływu napicia generowanego (w wyniku oddziaływania pola magnetycznego z poruszajcymi si nonikami prdu elektrycznego) w danym miejscu na napicie odkładane na drodze całkowania zgodnie ze wzorem na U. 7. Opis stanowiska badawczego W wiczeniu przeprowadzane jest cechowanie zwkowego kanału mierniczego Venturiego i prostego przelewu mierniczego. Badane przyrzdy znajduj si w kanale dowiadczalnym o przekroju prostoktnym i stałym spadku dna. Woda do kanału dostarczana jest rurocigiem na którym zamontowany jest zawór i zwka typu kryza wykorzystywana do zmierzenia strumienia objtoci odniesienia. Do pomiaru poziomu cieczy w kanałach wykorzystuje si poziomowskazy w postaci szklanych rurek. Przebieg wiczenia 1) Za pomoc zaworu ustali dany przepływ w kanale. Odczeka około 5 min. a do ustalenia si przepływu w całej instalacji. ) Zmierzy strumie objtoci odniesienia q v na zwce, poprzez pomiar spadku odn cinienia h. ) Odczyta poziomy cieczy h 1 i h na zwce Venturiego oraz poziom h (= a + z) na przelewie prostym. 4) Zmieni wielko przepływu regulujc stopniem zamknicia zaworu. Po ustaleniu si przepływu (odczeka ok. min) powtórzy czynnoci z punktów ) i ). Pomiary wykona dla 6 rónych wielkoci przepływu. Opracowanie wyników pomiarów 1) Dla wszystkich punktów pomiarowych obliczy strumie objtoci odniesienia zmierzony na kryzie C π p qv odn = d [m /s] 4 1 β 4 ρ Przeliczenie cinienia p = h ρ o [ 1 β tot ] 9, 81 [N/m ] Gsto rtci w temperaturze 0 o C o = 1,595 [kg/dm ] Współczynnik rozszerzalnoci objtociowej rtci = 0,00018 [ C -1 ] Przyj: C = 0.6, d = 0.06 m, = 0.6, odczyta z tablic dla temperatury otoczenia t ot. ) Obliczy współczynniki przepływu prostego przelewu mierniczego dla kadego punktu pomiarowego z zalenoci qv C1 = odn b g z 8

9 ) Dokona sprawdzenia warunku przepływu spokojnego h /h 1 > 0,7. Korzystajc z odpowiedniej zalenoci na strumie objtoci, dotyczcy przepływu spokojnego lub rwcego, dla kadego strumienia wyznaczy współczynnik przepływu zwkowego kanału mierniczego C. 4) Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i otrzymanych wyników oblicze wykreli charakterystyki badanych przepływomierzy: tzw. krzywe tarowania lub cechowania. q v = f(z), odn vodn q = f(h 1 ) 8. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawiera: 1. Stron tytułow.. Szkice przekrojów pomiarowych z okreleniem połoenia punktów pomiarowych i zaznaczeniem charakterystycznych wymiarów przyrzdów.. Tabel wyników pomiarowych i oblicze oraz wzory uywane do oblicze. 4. Charakterystyk przelewu i kanału zwkowego. 5. Uwagi i wnioski. WYKAZ LITERATURY 1. Praca zbiorowa pod redakcj Cz. Graczyka: Laboratorium miernictwa cieplnego, Skrypty uczelniane Nr 801, Politechnika lska, Gliwice Polska norma PN-9/M-5950/01, Pomiar strumienia masy i strumienia objtoci płynów za pomoc zwek pomiarowych.. Józef migielski: Niekonwencjonalne metody i urzdzenia do pomiaru energii cieplnej i natenia przepływu, Ossolineum, Wrocław Norma ISO 148/ PN-ISO 986:004 Pomiary przepływu w korytach otwartych. Koryta pomiarowe Parshalla i SANIIRI

10 Tabela pomiarowa Lp Pomiary Obliczenia h h 1 h h q vodn C 1 C [mm] [mm] [mm] [mm Hg] [m /s]