Wojskowa Akademia Techniczna Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu

Transkrypt

1 Wojskowa Akademia Techniczna Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ, URZĄDZEŃ KLIMATYZACYJNYCH I CHŁODNICZYCH Instrukcja do ćwiczenia T-05 Temat: Pomiar parametrów przepływu gazu różnymi metodami. Opracował: dr inż. Mirosław Karczewski, mgr inż. Filip Polak WAT Warszawa 017

2 1. Wprowadzenie Jedną z metod nadających się do pomiaru masowego natężenia przepływu, a zarazem niezakłócającą przepływu czynnika jest metoda pomiaru za pomocą zwężki Venturiego. Dysza Venturiego jest to przyrząd służący do pomiaru prędkości przepływu płynu (tj. gazu lub cieczy) na podstawie zjawiska spadku ciśnienia w cieczy wraz ze wzrostem jej prędkości. Zwężka Venturiego składa się z manometru różnicowego i rurki o zwężonym przepływie (właściwej dyszy). Jedna z końcówek manometru włączona jest przed zwężeniem, a druga w samej dyszy. Korzystając z równania Bernoulliego i warunku ciągłości przepływu, można wykazać, że różnica ciśnień wskazywanych przez barometr jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu płynu przed dyszą. Rys. 1. Schemat zwężki Venturiego z podłączonym manometrem W realizowanym ćwiczeniu do pomiaru masowego natężenia przepływu zastosowano zwężkę Venturiego. Jej zalety to: małe straty ciśnienia, krótki odcinek pomiarowy, nieskomplikowana konstrukcja, duży zakres pomiarowy, średni błąd pomiaru mniejszy od 1% (przy manometrze cieczowym), niski koszt. Przy obliczeniach masowego natężenia przepływy należy korzystać z Polskiej Normy PN-EN ISO : Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych - kryzy, dysze i zwężki Venturiego wbudowane w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym. Dyfuzor Gardziel Konfuzor Rys.. Przekrój zwężki Venturiego i budowa: d średnica gardzieli, D średnica rurociągu

3 Czujnikiem ciśnienia jest mikromanometr Mera HD współpracujący z rurką Prandtla oraz U-rurka. Masowe natężenie przepływu, wyznaczane z różnicy ciśnień panującego na wejściu do zwężki i w gardzieli, jest wyznaczane z zależności: p m C d (1) gdzie wielkością zmienną jest różnica ciśnień p. Dane niezbędne do obliczeń: Wielkości stałe: C = 0,995 [--], d = 0.04 [m], D = 0.08 [m], = d/d [--], Wielkości zmienne: 1. - liczba ekspansji[--] Uwzględnia ściśliwość płynu. Dla płynów ściśliwych (gazów) ε < 1. Liczbę ekspansji oblicza się wg wzoru (), gdzie p ciśnienie po stronie dopływowej do zwężki, lub odczytać z tabeli I w zależności od wartości i stosunków ciśnień bezwzględnych na wejściu do zwężki i w jej gardzieli dla K= gęstość mierzonego ośrodka [kg/m 3 ]- Wyznaczając gęstość należy uwzględnić temperaturę i wilgotność powietrza w chwili pomiarów. Podczas obliczeń należy skorzystać z Tablic fizycznych. 3. Przewężenie - bezwymiarowy parametr zwężki, stosunek przewężenia do średnicy rurociągu. 4. Różnica ciśnień [Pa] zmierzona w trakcie wykonywania ćwiczenia. 4 p 1 (0,41 0,35 ) () p Pomiary za pomocą rurek spiętrzających mają na celu wyznaczenie miejscowej prędkości przepływającego czynnika. Rurka Prandtla ma w części cylindrycznej wykonane od kilku do kilkunastu otworków do pomiaru ciśnienia. Mierzone w tych punktach ciśnienie odpowiada ciśnieniu statycznemu przepływającego czynnika. Otworki wykonane są na obwodzie rurki zewnętrznej, w której znajduje się druga rurka. Wewnętrzna rurka, skierowana równolegle do przepływającej strugi, czołem pomiarowym do napływającego gazu, jest zaokrąglona a jej otwór jest miejscem pomiaru ciśnienia całkowitego. Obydwie rurki pomiarowe są wyprowadzone na zewnątrz i przyłączone do mikromanometru różnicowego, który w tym przypadku pokazuje wprost ciśnienie dynamiczne Pd w mm HO. Rys. 3. Rurka Pitota (a) oraz Prandtla (b)

4 Stosując równanie Bernoulliego, na wejściu do rurki mamy: v pc po g h pd pst (3) V Podstawiając za p d, można wyznaczyć zależność na prędkość przepływu: p V d (4) Liczba Reynoldsa parametr bezwymiarowy wyrażający iloraz sił bezwładności i sił lepkości. Odniesiony do średnicy rurociągu w obszarze przed zwężką wyraża się wzorem: V D 4 q Re D (5) v D Gdzie: v kinematyczny współczynnik lepkości płynu, [m /s], q natężenie przepływu [m 3 /s]. Parametr ten jest bardzo ważny podczas pomiarów przepływów, gdyż wykorzystywany jest m.in. do określania czy mamy do czynienia z przepływem laminarnym czy turbulentnym. Anemometr [gr. anemos = wiatr + metrein = mierzyć] jest przyrządem mierzącym prędkość i kierunek ruchu gazów lub cieczy. Jego najczęstsza konstrukcja to wirnik z łopatami obracającymi się pod wpływem przepływu czynnika. Obroty wirnika rejestruje licznik, którego wskazania porównane z sekundnikiem określają prędkość przepływu czynnika. Najszerszym zastosowaniem anemometrów są pomiary związane z kontrolą i regulacją parametrów instalacji klimatyzacji i wentylacji. Wyróżniamy kilka rodzajów anemometrów: Anemometr rotacyjny Anemometr statyczny - welometr Anemoskop - wiatrowskaz Wiatromierz Wiatromierz Wilde'a Anemometr Robinsona Anemometr skrzydełkowy Rys. 4. Anemometry skrzydełkowe Pomiary średniej prędkości powietrza w przekroju nawiewnika/wywiewnika wykonywane są dwoma sposobami: poprzez wielopunktowe pomiary anemometrem w środkach równych pól (dotyczy to pomiarów przekroju o wymiarach co najmniej dwukrotnie większych od średnicy wirnika anemometru),

5 5 5 poprzez wolne przesuwanie przyrządu w przekroju pomiarowym, którym jest płaszczyzna nad powierzchnią zewnętrzną nawiewnika/wywiewnika, przy czym należy tak przesuwać przyrząd, aby uniknąć wielokrotnego pomiaru w tym samym punkcie przekroju pomiarowego (dotyczy to wszystkich nawiewników i wywiewników, z wyjątkiem tych o wymiarach przekroju pomiarowego mniejszych od średnicy wirnika anemometru). Jest to tzw. metoda wodzenia. Na niepewność pomiaru strumienia objętości powietrza płynącego w przewodzie metodą określania średniej prędkości w jego przekroju poprzecznym ma wpływ: liczba i rozmieszczenie punktów pomiarowych w polu poprzecznego przekroju przewodu, położenie przekroju pomiarowego w stosunku do elementów przewodów wentylacyjnych, wywołujących deformację pola prędkości przepływu powietrza (trójników, łuków, kolan, przepustnic itp., a także elementów końcowych przewodów, takich jak nawiewniki i wywiewniki). Zakłócenie pola prędkości przepływu w przewodzie występuje głównie w kierunku przepływu powietrza, zawsze za zaburzającym elementem, toteż przekrój pomiarowy w przewodzie wentylacyjnym powinien być inaczej usytuowany w stosunku do nawiewnika, a inaczej do wywiewnika. Zaburzenia przepływu powstające za przekrojem pomiarowym mają mniejszy wpływ na profil prędkości, ale należy je także uwzględnić podczas wyboru usytuowania przekroju pomiarowego. Można przyjąć, że ich wpływ jest pomijalny, jeżeli długość prostego odcinka przewodu między przekrojem pomiarowym a nawiewnikiem jest równa co najmniej 1 średnicy hydraulicznej przewodu.. Sposób realizacji ćwiczenia W trakcie realizacji ćwiczenia laboratoryjnego należy dokonać pomiarów następujących wielkości i umieścić je w protokole pomiarowym: temperatura, wilgotność i ciśnienie atmosferyczne w sali laboratoryjnej przed i po zakończeniu pomiarów, W celu wyznaczenia rozkładu prędkości w kanale należy zmierzyć: ciśnienie statyczne na wejściu do zwężki pomiar należy powtórzyć pięciokrotnie, ciśnienie statyczne w gardzieli zwężki pomiar należy powtórzyć pięciokrotnie, ciśnienie dynamiczne przy pomocy mikromanometru oraz rurki Prandtla dla dziesięciu położeń sondy (rys. 5). prędkość przepływu z wykorzystaniem anemometru skrzydełkowego F i = m m Rys. 5. Rozkład punktów pomiarowych Dokonać kilku powtórzeń pomiarów dla różnych prędkości obrotowych wentylatora. 5

6 Uwagi do sposobu realizacji ćwiczenia: 1). W celu zwiększenia dokładności odczytu, do pomiarów ciśnienia statycznego na wejściu do zwężki używa się skośnej U-rurki oraz cieczy o gęstości mniejszej niż woda. Stosowane jest tu prawo Bernouliego. Ciśnienie statyczne obliczane jest z zależności, która przyjmuje postać: Gdzie: p st p g h (6) o pst ciśnienie statyczne; Ρ gęstość cieczy manometrycznej, po ciśnienie otoczenia, atmosferyczne, g przyspieszenie ziemskie, h wysokość podniesienia płynu w ramieniu (l) rurki pomiarowej (h=l sinα). ). Dokładny pomiar ciśnienia dynamicznego można uzyskać wówczas, gdy przepływ jest laminarny i podlega prawu ciągłości strugi. Ponieważ rozkład prędkości w przepływie rzeczywistym jest zmienny, należy więc znać wartość prędkości średniej. 3). Skierowanie dyszy zwężki nierównolegle do strugi skutkuje błędem pomiarowym i zaniżeniem odczytywanych wyników pomiarów. 3. Instrukcja do wykonania sprawozdania Realizacja ćwiczenia Podać cel realizacji ćwiczenia, omówić sposób jego realizacji. Przedstawić schemat stanowiska pomiarowego, zaznaczyć jego najważniejsze elementy. Zamieścić wszystkie niezbędne wzory, obliczenia i wykaz stosowanych przyrządów, Obliczyć masowe i objętościowe natężenie przepływu powietrza przez zwężkę w jednostkach układu SI. Obliczyć prędkość przepływu strugi przez rurę pomiarową w poszczególnych punktach pomiarowych. Wyznaczyć liczbę Reynoldsa dla prędkości przepływu czynnika. Przeprowadzić analizę błędów pomiarowych. Zamieścić wnioski i spostrzeżenia dotyczące poszczególnych punktów ćwiczenia. Przeanalizować otrzymane wyniki Do sprawozdania załączyć niezbędne wykresy Format A4, papier milimetrowy. Do sprawozdania należy dołączyć protokół pomiarów ksero lub oryginał! Sprawozdanie powinno być spięte w sposób uniemożliwiającej jego rozdzielenie najlepiej zszyte zszywaczem w górnym rogu. 4. Literatura: 1. JASIAK ANDRZEJ, Pomiary inżynierskie, Poznań: Wydaw. Politechniki Poznańskiej, POMIARY, Pomiary w technice cieplnej. red. Feliks Kotlewski, Marian Mieszkowski Warszawa: Wydaw. Nauk.-Tech., Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury. Warszawa, WNT Romer E.: Miernictwo przemysłowe. Warszawa, PWN Zatorski A., Rozkrut A.: Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń. 6. PN-EN ISO 5167:005 Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym. 7. PN-M-4377:001 Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych. Wytyczne doboru dysz i kryz nie objętych ISO 5167.

7 5. Protokoły pomiarowe: Warunki otoczenia: Temperatura otoczenia Ciśnienie Wilgotność Początek Koniec Średnia Pomiar natężenia przepływu: Nr pomiaru N P1 P P1 P P1 P P1 P P1 P Pomiar prędkości przepływu: Numer punktu pomiarowego Ciśnienie dynamiczne 1 Prędkość anemometr skrzydełkowy Obroty silnika 3 4 5

8 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA WYDZIAŁ MECHANICZNY INSTYTUT POJAZDÓW MECHANICZNYCH I TRANSPORTU LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ, URZĄDZEŃ KLIMATYZACYJNYCH I CHŁODNICZYCH SPRAWOZDANIE Z ćwiczenia laboratoryjnego Temat:... Wykonał:... Grupa:... Data wykonania ćwiczenia:... Data oddania sprawozdania:... Data oddania (poprawa):... Prowadzący: Cel ćwiczenia. Schemat blokowy stanowiska

9 3. Wykaz przyrządów stosowanych podczas pomiarów Nazwa Typ Zakres Działka elementarna 4. Wzory stosowane do obliczeń i przykładowe obliczenia:

10 5. Wnioski