LABORATORIUM Z MECHANIKI PŁYNÓW

Transkrypt

1 LABORATORIUM Z MECHANIKI PŁYNÓW

2 SPIS ĆWICZEŃ 1. Baanie pompy ośrokowej. Baanie pompy wirowej 3. Baanie wentylatora ośrokowego 4. Określanie wyatku za pośrenictwem pomiaru rozkłau prękości wyznaczanie współczynnika Coriolisa 5. Charakterystyka kryzy

3 INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Laboratorium z mechaniki płynów ĆWICZENIE NR 1 BADANIE POMPY ODŚRODKOWEJ

4 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z buową i ziałaniem pompy ośrokowej oraz wyznaczenie charakterystyki pompy.. Zakres wymaganych wiaomości wyatek masowy i objętościowy cieczy, równanie Bernoulliego la przepływu iealnego i rzeczywistego, buowa i zasaa ziałania rotametru, buowa i zasaa ziałania pompy ośrokowej, równanie maszyny wirnikowej (równanie Eulera), rozkła prękości na łopatkach wirnika, charakterystyka przepływu rzeczywistego la pompy, użyteczna wysokość ponoszenia - H u, moc pobierana przez pompę - N e, moc użyteczna la pompy - N u, charakterystyka la pompy i rurociągu, punkt współpracy. 3. Przebieg ćwiczenia Stanowisko pomiarowe zbuowane jest z pompy wonej (rysunek 1), rotametru i watomierza. Rys. 1. Stanowisko o baania pompy wonej

5 Dla pompy pracującej w ukłazie jak na rys.1 należy wyznaczyć charakterystyki: zależność użytej wysokości ponoszenia pompy o wyatku: H u f V zależność mocy pobranej przez pompę o wyatku: N e f V zależność sprawności ogólnej pompy o wyatku: o f V Użyteczną wysokość ponoszenia i moc użyteczną pompy oblicza się ze wzorów: H u pt ps m, (1) g gzie p t, p s - opowienio ciśnienia na tłoczeniu i ssaniu pompy, N u V H g () u sprawność ogólną pompy ze wzoru: N u o (3) N e Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w tabeli pomiarowej: Lp. ` p s p t V MN/m kg/cm N/m m 3 /h m 3 /s m W W - W - H u N u N el el N e o 4. Wnioski i yskusja błęów Literatura 1. Mieszkowski M. Pomiary cieplne i energetyczne, WNT, Warszawa 1985

6 INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Laboratorium z mechaniki płynów ĆWICZENIE NR BADANIE POMPY WIROWEJ

7 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z buową i ziałaniem pompy wirowej oraz wyznaczenie charakterystyki tej pompy.. Zakres wymaganych wiaomości wyatek masowy i objętościowy cieczy, równanie Bernoulliego la przepływu iealnego i rzeczywistego, buowa i zasaa ziałania rotametru, buowa i zasaa ziałania pompy ośrokowej, równanie maszyny wirnikowej (równanie Eulera), rozkła prękości na łopatkach wirnika, charakterystyka przepływu rzeczywistego la pompy, charakterystyka la pompy i rurociągu, punkt współpracy. 3. Postawy teoretyczne Pompa jest to maszyna robocza służąca o ponoszenia cieczy z poziomu niższego na wyższy lub przetłaczania cieczy z przestrzeni o ciśnieniu niższym o przestrzeni, o ciśnieniu wyższym. Działanie pompy polega na wytworzeniu różnicy ciśnień pomięzy stroną ssącą a stroną tłoczną elementu roboczego pompy (tłoka, przepony, wirnika). W zależności o buowy elementu roboczego, pompy zielimy na: pompy wyporowe o zasysaniu awkowanym np. pompa tłokowa, pompy wirowe o zasysaniu ciągłym np. pompa ośrokowa. Pompy wyporowe służą o wytwarzania wysokich ciśnień roboczych znajują w niewielkie zastosowanie w przetwórstwie rolno-spożywczym (homogenizatory). Natomiast pompy wirowe ze wzglęu na swe zalety (prosta i niezawona konstrukcja, uniwersalizm w zastosowaniu o różnych cieczy) charakteryzują się rozległym zastosowaniem zarówno w liniach proukcyjnych jak również o realizacji funkcji pomocniczych.

8 Buowę pompy wirowej przestawiono na rys. 1. Skłaa się ona z obuowy 1, wirnika i zespołu napęowego 3. Zespół napęowy stanowi silnik elektryczny wraz ze sprzęgłem elastycznym. W uszczelnionych o komory roboczej łożyskach osazony jest wał na którym zainstalowany jest wirnik zaopatrzony w wie tarcze wewnątrz których znajują się profilowane łopatki. Ilość i kształt łopatek wynika z praw hyromechaniki. Mięzy obuową a wirnikiem umieszczone są uszczelnienia. Korpus pompy wirowej ośrokowej ma otwór wlotowy usytuowany osiowo oraz tzw. yfuzor, tj. kanał zbiorczy rozszerzający się, zakończony otworem wylotowym. Wirnik (1), zwykle o poziomej osi obrotu, umieszczony jest w spiralnym korpusie (). Dopływ cieczy (3) jest osiowy, zaś opływ (4) promieniowy. Przepływ cieczy przez wirnik jest promieniowy. Rys.1. Buowa pompy wirowej ośrokowej Zasaa ziałania pompy wirowej polega na przekazywaniu energii kinetycznej przez łopatki obracającego się wirnika cząstkom cieczy - przyspieszając ich ruch. Różnica prękości poruszających się cząstek cieczy mięzy wylotem i wlotem wirnika generuje różnicę ciśnień, która zapewnia ciągłość pracy pompy. Pompa nie jest urzązeniem technicznym samozielnym. W celu realizacji zaania musi być zaopatrzona w zbiornik olny, rurociąg ssący, rurociąg tłoczny oraz zbiornik górny. Taką instalację nazywamy ukłaem pompowym.

9 Dobór pompy o określonych potrzeb zależy o jej następujących parametrów: wysokości ssania Hs, wysokości tłoczenia Ht, wyajności pompy Q. Teoretyczną wysokość cieczy z otwartego zbiornika można obliczyć na postawie wzoru: pt ps H h (1) g gzie: H - wysokość [m], pt - ciśnienie w przewozie tłoczącym [Pa], ps - ciśnienie w przewozie ssącym [Pa], - gęstość [kg/m 3 ] Wyajność pompy określa się bezpośrenio przy pomocy przepływomierzy lub pośrenio przy pomocy zwężek. Moc użyteczną pompy oblicza się z zależności: Np g H V () gzie: V - wyatek przepływu [m 3 /s] Sprawność ogólną pompy oblicza się ze wzoru: Np 100% (3) Ns gzie: η - sprawność ogólna pompy [%], Np - moc użyteczna pompy [W], Ns - moc silnika napęowego pompy [W].

10 Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w tabeli pomiarowej: L.p. H Np Ns N/m N/m m 3 /h m 3 /s m W W % p s p t V - wykreślić charakterystyki: H f V, N f V, f V - przeprowazić yskusję wyników, wnioski. Literatura: 1. Mieszkowski M. Pomiary cieplne i energetyczne, WNT, Warszawa 1985

11 INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Laboratorium z mechaniki płynów ĆWICZENIE NR 3 BADANIE WENTYLATORA ODŚRODKOWEGO

12 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z buową i ziałaniem wentylatora ośrokowego oraz wyznaczenie charakterystyki baanego wentylatora.. Zakres wymaganych wiaomości wyatek masowy i objętościowy, równanie Bernoulliego la przepływu iealnego i rzeczywistego, ciśnienie statyczne, ynamiczne i całkowite, buowa i zasaa ziałania wentylatora ośrokowego, równanie maszyn wirnikowych (równanie Eulera), spręż i moc wentylatora, charakterystyka wentylatora i rurociągu. 3. Opis stanowiska pomiarowego Schemat stanowiska o baania charakterystyki wentylatora ośrokowego la wóch wariantów ławienia: na tłoczeniu a i na ssaniu b przestawiono na rys.1. Rys.1. Stanowisko o baania wentylatora ośrokowego Natężenie przepływu powietrza - V określane jest ynamicznego - p w części tłocznej rurociągu. Spręż wentylatora - pośrenio przez pomiar ciśnienia p mierzony jest manometrem cieczowym z rurką pochyłą, który określa różnicę ciśnień statycznych za i prze wentylatorem (rurociąg tłoczny i ssący ma tę samą śrenicę - wykorzystywana bęzie jeynie tłoczna część. ). Do celów ćwiczeni

13 4. Wykonanie ćwiczenia 4.1. Określić spręże i wyatki powietrza wywołane pracą wentylatora przy różnych stopniach zławienia spręż oblicza się jako różnicę ciśnień całkowitych na tłoczeniu i ssaniu. Dla jenakowych śrenicach kanałów, ssącego i tłoczącego, spręż można obliczyć jako różnicę ciśnień statycznych na tłoczeniu i ssaniu: p p ct p cs p p t s h1 g (1) c gzie: h 1 różnica wysokości cieczy manometrycznej, c gęstość cieczy manometrycznej. Wyatek powietrza oblicza się pośrenio przez pomiar ciśnienia ynamicznego na tłoczeniu w osi kanału (rys. ), które wynosi: p p ct p t h g () c gzie h jest wysokością cieczy manometrycznej. Zmierzona różnica wysokości cieczy manometrycznej w ramionach manometru i obliczone ciśnienie ynamiczne pozwala obliczyć prękość maksymalną w m w osi kanału ( rys.): rozkła prękości w rurociągu w w m Rys.. Rozkła prękości powietrza w rurociągu

14 w m p (3) p gzie jest gęstością powietrza, p w prękość śrenią w w zależności o stopnia turbulencji ( m Re, - lepkość kinematyczna powietrza ) określamy na postawie załączonego wykresu na rys.3: w wm Re = 30 k r y t przepływ turbulentny przepływ laminarny lg Re Rys.3. Zależność stosunku prękości śreniej o maksymalnej o liczby Reynolsa [1] wyatek powietrza obliczamy ze wzoru: V w F (4) gzie F jest polem przekroju poprzecznego kanału. 4.. Dla każego stopnia zławienia obliczyć moc użyteczną wentylatora: N u V p (5) 4.3. Wyniki pomiarów i obliczeń należy umieścić w poniższej tabeli pomiarowej: T p

15 Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń Lp. h 1 mm N p m h mm N p m w m m s Re - w m s V m 3 s Nu W 4.4.Wykreślić charakterystyki baanego wentylatora: p, f V f V N u 5. Przeprowazić yskusję wyników i przestawić wnioski Literatura: 1. Mieszkowski M. Pomiary cieplne i energetyczne, WNT, Warszawa 1985

16 INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Laboratorium z mechaniki płynów ĆWICZENIE NR 4 OKREŚLANIE WYDATKU ZA POŚREDNICTWEM POMIARU ROZKŁADU PRĘDKOŚCI WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA CORIOLISA

17 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie profili prękości płynu w zamkniętym przewozie o przekroju kołowym i wykorzystanie uzyskanych anych o określenia natężeń przepływów.. Zakres wymaganych wiaomości równanie Bernoulliego, natężenie przepływu płynu, ciśnienie ynamiczne, statyczne i całkowite, rurki spiętrzające i inne przyrząy o pomiaru prękości płynu, profil prękości płynu w rurociągu la przepływu laminarnego i turbulentnego, współczynnik Coriolisa. 3. Opis stanowiska pomiarowego Schemat stanowiska pomiarowego przestawia rys.1. p c powietrze U r 0 p h c Rys. 1. Ukła pomiarowy Stanowisko pomiarowe służy o pomiaru lokalnego ciśnienia ynamicznego strumienia powietrza, którego wartość obliczamy weług wzoru: P g h (1) c

18 gzie c jest gęstością cieczy manometrycznej, a h jej wysokością. Lokalną prękość strumienia płynu określa wzór: U P p c p g h () 4. Postawy teoretyczne Rozpatrujemy przepływ powietrza o wyatku objętościowym o przekroju kołowym o śrenicy. V w przewozie r U r r 0 0 r Rys.1. Przepływ osiowosymetryczny w kanale cylinrycznym Dla przepływu osiowosymetrycznego wyatek objętościowy obliczamy ze wzoru: - wyatek elementarny V rr U, (3) - wyatek całkowity przez przekrój poprzeczny przewou V U rr (4) 0 gzie U jest prękością lokalną płynu w baanym przekroju rurociągu w oległości r o jego osi. Obliczenie wyatku okonamy metoą graficzną sporzązając wykres funkcji pocałkowej U r (rys. a), a następnie planimetrując pole ograniczone tym wykresem.

19 U r U 3 r F 1 F Oznaczają przez a) b) Rys.. Graficzne przestawienie wyatku (a) i energii (b) F 1 pole wykresu, a przez Opierając się na rozkłazie prękości 1 1 C 1 stałą wynikającą z oboru skali na obu osiach, V F C (5) U U r, który określamy wcześniej, możemy również obliczyć alszą wielkość integralną (całkową), która charakteryzuje przepływ w baanym przekroju, a mianowicie energię kinetyczną rzeczywistą: E gzie jest gęstością płynu. rz 0 3 r U r (6) Całkę w powyższym wzorze rozwiązujemy graficznie w poobny sposób jak przy obliczaniu wyatku (rys. b): E rz F C (7) W równaniu Bernoulliego la cieczy rzeczywistej występuje współczynnik Coriolisa α wyrażający stosunek rzeczywistej energii kinetycznej strumienia płynu o energii kinetycznej pozornej. Energię kinetyczną pozorną onosimy o prękości śreniej U : E p V U, (8) 4 V gzie U.

20 Współczynnik Coriolisa α po prostych przekształceniach można obliczyć weług wzoru: E 4 rz 0 (9) 3 E p 64 0 U 3 r r U r r Określenie zarówno wyatku objętościowego V się zatem o pomiaru rozkłau prękości U r. jak i współczynnika Coriolisa sprowaza 5. Przebieg ćwiczenia naszkicować stanowisko pomiarowe, wyniki pomiarów umieścić w tabeli pomiarowej (tab.1) obliczyć pole powierzchni wykresów, obliczyć i za pomocą wzorów (7) i (8) oraz współczynnik Coriolisa ze wzoru (9). E rz E p Tabela 1. Tabela pomiarowa Lp. r h P U U r 3 U r [m] [mm] [N/m ] [m/s] [m/s m] [m 3 /s 3 m] la wyatku V wykreślić na papierze milimetrowym następujące zależności: U f1r, r f r, U 3 U r f3 r 6. Przeprowazić yskusję wyników i przestawić wnioski

21 Literatura: 1. Prosnak W.: Ćwiczenia laboratoryjne z mechaniki płynów. Wyawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa J.Bukowsk: Mechanika Płynów. PIW, Warszawa Kotlewski F., Mieszkowski M.: Pomiary w technice cieplnej. Wyawnictwo WNT, Kołoziejczyk L., Mańkowski S., Rubik M.: Pomiary w inżynierii sanitarnej. Arkay, Warszawa 1980.

22 INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Laboratorium z mechaniki płynów ĆWICZENIE NR 5 CHARAKTERYSTYKA KRYZY

23 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenie jest poznanie zasay ziałania i buowy mierniczej zwężek oraz wyznaczenie współczynnika przepływu zwężki pomiarowej.. Zakres wymaganych wiaomości równanie Bernoulliego, zwężki pomiarowe i ich rozaje, przepływ płynu przez kryzę, wielkości charakterystyczne zwężek pomiarowych. 3. Postawy teoretyczne Zmianę ciśnienia poczas przepływu płynu przez kryzę przestawia poniższy rysunek. p 1 p A B C płyn D U A U B r U C A B C p 1 p A p p B p C p A -p C Rys.1. Schemat kryzy i rozkła ciśnienia przy przepływie przez kryzę

24 O przekroju A-A prze kryzą zauważa się już wpływ kryzy na przepływ. Struga przepływającego płynu zwęża się, prękość jej wzrasta. Minimum przewężenia ma struga w przekroju B-B za kryzą wskutek bezwłaności płynu. Następnie struga rozszerza się i w ostatecznej oległości o kryzy w przekroju C-C wypełnia cały przekrój rurociągu, a prękość strugi jest równa prękości płynu prze kryzą. W wyniku nieowracalności procesu (yssypacji energii) strata ciśnienia strugi związana z przepływem przez kryzę jest trwała i wynosi pa p C. Równanie Bernoulliego i prawo ciągłości strugi la rozważanego ocinka przewou z kryzą wygląa następująco: P A U U A U B U B a PB B, (1) A S U S, A B B gzie: A, B - współczynniki Coriolisa w przekroju A-A i B-B, - współczynnik strat na ocinku A-B oniesiony o prękości UB, S A, S B - pola przekrojów strugi. Stosunek pola przekrojów: S B (najmniejsze pola powierzchni przekroju strugi) i otworu kryzy) nazywamy współczynnikiem kontrakcji (zwężenia): S o (pole K 0,60 0,78 la kryz, S S B K () o K 1,0 la ysz. Stosunek pola otworu kryzy o pola przewou, zgonie z normą PN M-53950, nazywamy moułem zwężki: m S S o A D. (3)

25 Postawiając równania () i (3) o równania ciągłości (1) otrzymamy U K m. (4) A U B Przekształcając równanie Bernoulliego (1) oraz uwzglęniając nie pokrywanie się punktów obioru ciśnienia z punktami otrzymamy wzór na prękość p 1, p P, A P B U B B K K A m p 1 p (5) PA PB gzie oznacza bezwymiarowy parametr. p 1 p W wzorze (5) współczynnik występujący prze pierwiastkiem z różnicy ciśnień nazywamy współczynnikiem przepływu kryzy K. (6) K m B A Strumień objętości cieczy określa więc wzór V So p1 p (7) Przekształcając powyższy wzór otrzymamy wzór na liczbę przepływu S 0 V p 1 p, (8) który może służyć o eksperymentalnego jej wyznaczenia. Reasumując powyższe rozważania wizimy, że na współczynnik przepływu kryzy mają wpływ: - nierównomierność rozkłau prękości w przewozie i kryzie A, B,

26 - stopień zwężenia strugi - strata ciśnienia, m, K - usytuowanie obioru ciśnienia pierwsze trzy wymienione wielkości zależą o liczby Reynolsa.,, 4. Wykonanie ćwiczenia naszkicować stanowisko pomiarowe, naszkicować kryzę w przewozie i spoziewany rozkła ciśnienia, przeprowazić pomiary wielkości fizycznych i wyniki umieścić w poniższej tabeli pomiarowej: V h 1 h p1 p U Re Lp. l / h m 3 s mm mm N m m s - - wykonać wykres zależności f Re oraz porównać tę zależność z krzywą f Re, m la zwężek opowieniego typu (PN-M-53950). 5. Wnioski i yskusja błęów Literatura 1. Szewczyk H. (re), Bechtol Z., Jesionek K., Jęryszek J., Jeżowiecka-Kabsch K., Wójs K., Zabyr J., Mechanika płynów. Ćwiczenia. WERSZKO D., Pomiary postawowych znamion termoynamicznych, Wrocław, PN-M-53950