Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI. Badanie wentylatora - 1 -

Transkrypt

1 Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYAMIKI Badanie wentylatora - 1 -

2 Wiadomości podstawowe Wentylator jest maszyną przepływową, słuŝącą do przetłaczania i spręŝania czynników gazowych. SpręŜenie czynnika jest niezbędne dla pokonania oporów sieci przewodów, przez które czynnik jest przetłaczany. Wentylatory róŝnych typów znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach wentylacji mechanicznej, klimatyzacji, odpylania w urządzeniach transportu pneumatycznego oraz jako urządzenia ciągu i podmuchu sztucznego w energetyce i hutnictwie. Elementem przekazującym energię czynnikowi przetłaczanemu jest wirnik wentylatora. W zaleŝności od budowy wirnika (kierunku przepływu czynnika przez wirnik) moŝna wentylatory podzielić na dwie zasadnicze grupy: - wentylatory odśrodkowe - wentylatory osiowe Ponadto budowane są wentylatory, w których zasadniczy kierunek przepływu odbywa się pod π pewnym kątem < do osi wirnika. Są to wentylatory diagonalne. Z uwagi na wytwarzany spręŝ, moŝna wentylatory podzielić na trzy grupy: - niskopręŝne pc < 1000 /m - średniopręŝne pc < /m - wysokopręŝne pc < /m W grupie wentylatorów odśrodkowych moŝna rozróŝnić trzy rodzaje wentylatorów róŝniących się budową wirnika: - z wirnikiem o łopatkach prostych (promieniowych) - z wirnikiem o łopatkach zgiętych wprzód (w kierunku ruchu silnika) - z wirnikiem o łopatkach zgiętych wstecz (przeciwnie do kierunku ruchu wirnika) RóŜnice konstrukcyjne wentylatorów w decydujący sposób wpływają na ich zastosowanie. Podstawowymi wielkościami, które określają przydatność wentylatora są: wydatek oraz wytwarzany spręŝ. a rysunku 1 przedstawiono wykres określający obszar właściwego zastosowania wentylatorów osiowych i odśrodkowych. - -

3 Rys.1. PrzybliŜone zakresy pracy wentylatorów osiowych i odśrodkowych. W ćwiczeniu badaniom poddany jest wentylator odśrodkowy niskopręŝny, którego przekrój podłuŝny i poprzeczny przedstawiono na rys.. Rys.. Schematyczny przekrój poprzeczny i podłuŝny wentylatora odśrodkowego Z punktu widzenia eksploatacji wentylatorów najistotniejszymi wielkościami są: - wydatek V [m3/s], - spręŝ pc [/m] oraz - sprawność ogólna η 0. Wydatek wentylatora jest najczęściej wyraŝony jako objętość lub masa czynnika zassanego w jednostce czasu, odniesioną do warunków na ssaniu, lub warunków umownych

4 SpręŜ wentylatora jest to ilość energii, jaką przekazuje wirnik wentylatora przetłaczanemu czynnikowi dla pokonania oporów przepływu, oraz nadania energii kinetycznej odpowiadającej wydatkowi. Jednostkową energię przekazaną czynnikowi moŝna określić mierząc przyrost ciśnienia całkowitego uzyskanego w wentylatorze: p c = p c p c1 gdzie: - p c1 ciśnienie całkowite na wlocie wentylatora - p c ciśnienie całkowite na wylocie wentylatora Rozkład ciśnień w przewodzie ssącym i tłoczonym wentylatora w przypadku zasysania i tłoczenia czynnika do otoczenia o ciśnieniu p 0 przedstawia schemat na rys.3. Rys. 3. Rozkład ciśnień w instalacji przewodowej. Sprawności Przepływ gazu rzeczywistego przez wentylator, którego wirnik posiada skończoną ilość łopatek odbywa się ze stratami energii. Straty te wynikają z tarcia cząsteczek gazu o ścianki - 4 -

5 kanałów międzyłopatkowych i obudowy wentylatora, wirów powstałych w strumieniu gazu uderzeń strumienia o krawędzie łopatek na wlocie. Straty te noszą nazwę strat hydraulicznych. W wyniku tych strat krzywa naleŝności p ct =f(v) ma przebieg zmieniony. PoniewaŜ wielkość strat hydraulicznych zaleŝy od kwadratu prędkości przepływu gazu, rzeczywista zaleŝność p c =f(v) będzie zaleŝnością drugiego stopnia. Przebieg tej krzywej przedstawia rys.4. Rys. 4. Charakterystyka rzeczywistej maszyny spręŝającej. - (a) powierzchnia określająca straty wynikłe ze skończonej ilości łopatek wirnika (przepływ z wirami); - (b) straty wewnętrzne wynikające z tarcia; - (c) straty wynikające z uderzenia strumienia o krawędzie łopatek. Wpływ strat hydraulicznych na pracę wentylatora określa współczynnik sprawności hydraulicznej, który definiowany jest jako stosunek rzeczywistej wysokości tłoczenia (spręŝa) do wysokości teoretycznej (spręŝa) uzyskanej przy skończonej ilości łopatek wirnika. η h = H H u T = p p C CT (7) Sprawność hydrauliczną moŝna równieŝ zdefiniować jako stosunek mocy uŝytecznej u do mocy przekazywanej przez wirnik wentylatora w. η h = u w (8) Wpływ strat mechanicznych (tarcie w łoŝyskach) określa współczynnik sprawności mechanicznej - 5 -

6 η m = w ei (9) gdzie: e1 moc efektywna na wale wentylatora. Całkowitą sprawność wentylatora określa stosunek mocy uŝytecznej do mocy efektywnej. η w = u = u ei w = ηh η m (10) w ei Sprawność wentylatora w zaleŝy głównie od wielkości wentylatora określonej wydatkiem: - Wentylatory małe V 1500 m3/h η w = 0,3 0,5 - Wentylatory średnie V = m3/h η w = 0,3 0,7 - Wentylatory duŝe V > 0000 m3/h η w = 0,65 0,83 Dla oceny pracy całego urządzenia (wentylator-silnik) wprowadza się pojęcie sprawności ogólnej urządzenia jako stosunku mocy uŝytecznej u do mocy pobieranej przez silnik napędzający e. η 0 = u e (11) Rzeczywista charakterystyka wentylatora Charakterystyką wentylatora nazywana jest krzywa obrazująca zaleŝność między wytwarzanym spręŝem a wydatkiem wentylatora p c = f(v& ) Krzywa ta moŝe być wyznaczona dla dowolnej prędkości obrotowej wirnika n. Krzywe charakterystyczne wyznacza się doświadczalnie przez pomiar spręŝa całkowitego p c dla róŝnych wartości wydatku V tj. dla róŝnych przesłonięć przewodu pomiarowego, przy tej samej prędkości obrotowej wirnika. W kaŝdym stanie ruchu spręŝ wentylatora równy jest sumie spadku ciśnienia wywołanego oporami przepływu gazu przez przewody połączone z wentylatorem i energii kinetycznej wyraŝonej ciśnieniem dynamicznym gazu przepływającego przez przewody - 6 -

7 p c = p R + c ρ (1) Całkowity spadek ciśnienia gazu w przewodach (sieci przewodów) moŝna wyrazić zaleŝnością: p R = R V&. (13) w której R jest wielkością charakteryzującą przewód (sieć przewodów). Wielkość ta nosi nazwę oporu właściwego przewodu (sieci przewodów) i jest zaleŝna od właściwości przewodu (wymiary, kształt przewodu i chropowatości jego powierzchni). Dla przewodów o określonych i niezmienionych właściwościach oraz stałej gęstości płynu w przewodzie R jest wielkością stałą. Zmiana wartości R jest równoznaczna z zmianą właściwości przewodów połączonych z wentylatorem. Zmianę taką moŝna uzyskać przez dławienie przepływu gazu stosując odpowiednie przesłony dławiące. Dla liczbowego ujęcia oporów przepływu sieci przewodów, z którą współpracuje wentylator przy pomiarach na stoisku badawczym wprowadza się pojęcie otworu równowaŝonego. Otworem równowaŝnym określonej sieci przewodów nazywa się otwór o przekroju F r [m ], przez który pod wpływem tej samej róŝnicy ciśnień p c [/m ] przepływa ta sama ilość czynnika w jednostce czasu, co przez daną sieć. Zmiana otworu równowaŝnego (przesłony) odpowiada zmianie sieci przewodu. Krzywe określające zaleŝność p R = f(v) w układzie p-v są parabolami i noszą nazwę charakterystyk przewodów (sieci przewodów). Punkt przecięcia się krzywej oporów z charakterystyką wentylatora określa stan współpracy danego wentylatora z siecią. Wyznaczanie przebiegu krzywej charakterystycznej wentylatora przy stałych obrotach wirnika sprawdza się do określenia spręŝa i wydatku dla róŝnych wartości otworów równowaŝnych. Przebieg krzywej przedstawiono na rys

8 Rys. 5. Charakterystyka zbiorcza wentylatora. Dla pełnego obrazu pracy wentylatora podstawowe krzywe charakterystyczne uzupełnia się krzywymi sprawności wentylatora, mocy uŝytecznej i mocy efektywnej. - η w = f 1 (V) - u = f (V) - e = f 3 (V) Przebieg krzywych obrazuje rys

9 Rys. 6. Pełna charakterystyka wentylatora. Zmiana prędkości obrotowej wirnika wywołuje zmianę wielkości charakterystycznych wentylatora. Zakładając, Ŝe przy zmianie obrotów n sprawność wentylatora pozostaje stała (stałe straty) zaleŝność powyŝszych wielkości od prędkości obrotowej moŝna przedstawić równaniami: V n = (14) V 1 n 1 p p c c1 e e1 = n n 1 n = n 1 3 (15) (16) Zmienność wielkości charakterystycznych w zaleŝności od prędkości obrotowej wirnika n przy stałym otworze równowaŝnym przedstawia rys

10 Rys. 7. Przebieg pomiarów Wyznaczanie charakterystyk badanego wentylatora wymaga pomiaru następujących wielkości: - spadku ciśnienia statycznego na zwęŝce p dla określenia strumienia objętości przepływu (wydatku) przez przewód pomiarowy - podciśnienia statycznego p stm na wlocie do wentylatora - nadciśnienia statycznego p stm na wylocie z wentylatora - liczby obrotów wirnika wentylatora n - mocy dostarczonej do silnika napędzającego el (przez pomiar napięcia U i prądu J). PowyŜsze wielkości mierzy się w róŝnych stanach ruchu określonych prędkością wirnika n (w zakresie n= [obr/min] oraz wielkością otworów równowaŝnych. Ilość serii pomiarów ustalamy wybierając prędkości obrotowe wirnika n (n 1 n n 3... n i ). Seria pomiarów dla stałej prędkości obrotowej n 1 obejmuje pomiary podanych wielkości o dla kolejnych przesłon od całkowicie zamkniętego przewodu (d p =0) do całkowicie odsłoniętego przewodu. Przebieg obliczeń Wielkości charakterystyczne wentylatora dla określonego stanu ruchu (d pi =idem n i =idem) wyznacza się w oparciu o wynik uzyskane z pomiarów: Określenie wydatku wentylatora V [m 3 /s] Wydatek V określamy przy uŝyciu zwęŝki pomiarowej

11 V= f ε α p ρ (17) gdzie: - α współczynnik przepływu α= 0,698 - ε współczynnik przepływu ε= 1 - f powierzchnia przekroju pomiarowego π d f = z 4 - d z średnica otworu zwęŝki d z =141mm - ρ gęstość powietrza w przekroju pomiarowym - p spadek ciśnienia pomiarowego na zwęŝce. Z termicznego równania stanu dla powietrza: gdzie: pot ρ= R T x ot - R x zastępcza stała gazowa dla powietrza wilgotnego (gaz doskonały) R g + Χ R p R X = 1 + Χ - R g indywidualna stała gazowa dla powietrza suchego R g = 87 J/kgK - R p indywidualna stała gazowa pary wodnej R p =46 J/kgK - X stopień zawilŝenia powietrza Χ ϕ ot p s (t ot ) = 0,6 ϕ ot p s ( t p ϕ p ot ot ot s ) ( t ot - wilgotność względna otoczenia ) (18) - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze pomiaru

12 Prędkość powietrza na wlocie do wentylatora c 1. c 1 = V& F 1 (19) F 1 - pole przekroju przepływu w miejscu pomiaru ciśnienia statycznego p stm1 π D F 1 = 4, D = 350mm Ciśnienie dynamiczne na wlocie do wentylatora p d1 p d1 = c 1 ρ gdzie ρ - gęstość powietrza (0) Prędkość powietrza na wylocie z wentylatora c c = V& F gdzie F = a b ; a=10mmm b=350mm (1) Ciśnienie dynamiczne na wylocie z wentylatora p d c p d = ρ () SpręŜ wentylatora p c p c1 = p B p smt1 + p d1 p c = p B p smt + p d p c = p stm + p stm1 + p d p d1 p c = p stm + p d p d1 (3) gdzie: - p B ciśnienie barometryczne - p stm = p stm + p stm1 spręŝ statyczny wentylatora Moc uŝyteczna u = V& (4) u p c - 1 -

13 Mocą uŝyteczną wentylatora nazywana jest moc potrzebna do izotermicznego spręŝenia zassanego czynnika w ilości V od ciśnienia p c1 do p c. Moc elektryczna el (doprowadzona do silnika) el = U I (5) gdzie: - U napięcie - I prąd Sprawność elektryczna η el Odczytuje się z wykresu η el = f ( el ). Moc efektywna wentylatora e Mocą efektywną nazywamy moc doprowadzoną do wału wirnika wentylatora. e = el η el η p (6) gdzie - η p sprawność przekładni pasowej pomiędzy silnikiem a wałem wirnika wentylatora η p =0.9 Sprawność wentylatora η w η w = u e Sprawność ogólna urządzenia η o η o = u = ηw η p η el (8) el Powierzchnia otworu równowaŝnego Fr

14 Fr= V& p ρ µ c (9) Gdzie: - µ współczynnik przepływu; dla otworu wykonanego w cienkiej blaszce wynosi µ = 0,6-0,7 Rys. 8. Schemat stanowiska pomiarowego. 1) badany wentylator ) silnik prądu stałego 3) pulpit sterowniczy 4) zwęŝka pomiarowa 5) przesłony 6) miejsce odbioru nadciśnienia statycznego p stm 7) miejsce odbioru podciśnienia statycznego p stm1 8) miejsce określenia parametrów powietrza 9) mikromanometr 10) mikromanometr