ĆWICZENIE I

ĆWICZENIE I
„POMIAR STRUMIENIA OBJĘTOŚCI POWIETRZA.
OPORY PRZEPŁYWU PRZEWODÓW WENTYLACYJNYCH”
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą pomiaru strumienia objętości powietrza przy
pomocy kryzy znormalizowanej i rurki Prandtla oraz określania oporów przepływu w przewodach wentylacyjnych.
WYKONYWANE POMIARY
Po uruchomieniu silnika napędzającego wentylator ( n = const ) podłączony do przewodu
wentylacyjnego należy wykonać następujące pomiary:
• pomiar temperatury powietrza - to
• pomiar ciśnienia barometrycznego - pb
• pomiar wilgotności względnej powietrza - φ
• pomiary średnic: przewodu wentylacyjnego – D średnicy kryzy – d
• pomiar długości przewodów wentylacyjnych - L
• pomiary ciśnień:
- nadciśnienie statyczne w rurociągu przed kryzą – p1 punkt pomiarowy p14
- ciśnienie różnicowe z kryzy – ∆p punkt pomiarowy p15
- nadciśnienie statyczne w rurociągu za kryzą – p2 punkt pomiarowy p16
- nadciśnienia statyczne w rurociągu - pkty pomiarowe: 2,3,4,5,6,7,13,14,18,20,21
- pomiary ciśnień dynamicznych przy pomocy rurki Prandtla.
OBLICZENIA DO SPRAWOZDANIA
•
•
•
•
•
obliczenie strumienia objętości przepływającego powietrza - V
obliczenie prędkości przepływu powietrza w rurociągu - w
obliczenie strat ciśnienia na skutek tarcia w rurociągu - ∆pt
obliczenie strat ciśnienia na skutek oporów lokalnych - ∆plok
(dla punktów wyznaczonych przez prowadzącego )
obliczenie strumienia objętości powietrza na podstawie pomiarów rurką Prandtla
Sprawozdanie ma zawierać:
• schemat stanowiska pomiarowego z zaznaczonymi punktami pomiarowymi,
• wyniki pomiarów w tabeli – podpisane przez prowadzącego,
• obliczenia,
• wykres rozkładu miejscowych prędkości na podstawie pomiarów rurką Prandtla.
Algorytm obliczeń strumienia objętości powietrza
1. OBLICZENIE STRUMIENIA OBJĘTOŚCI POWIETRZA ( KRYZA )
•
w obliczeniach nie uwzględniamy rozszerzalności cieplnej rurociągu i kryzy,
( temperatura powietrza jest niższa niż 40oC )
•
przewężenie kryzy pomiarowej β =
•
β = 0.2 – 0.75
gęstość powietrza wilgotnego w warunkach roboczych
ρ1 = ρ n
d
, sprawdzić warunek dla kryzy pomiarowej
D
(p I −ϕ pp )Tn + ϕ ρ", kg/m 3
p n T1 K 1
p I = p b + p14
T1 = 273 + t o
K1 – względny współczynnik ściśliwości przy ciśnieniu pI i temperaturze T1.
• współczynnik lepkości dynamicznej powietrza η1 w temperaturze to,
• tymczasowa wartość współczynnika przepływu C dla Re = 106
C = f ( rodzaj kryzy, Re, β ) - odczytać z tablicy
•
sprawdzenie zależności:
p I − ∆p
≥ 0,75
pI
• wykładnik izentropy dla powietrza κ – odczyt z tablicy,
• obliczenie liczby ekspansji: ε1 = f (rodzaj kryzy, β, κ, p2 /pI )
p2 = pb + p16 pI = pb + p14
• strumień masy powietrza m
C
π
m& =
ε 1 d 2 2 ∆p ρ1 , kg / s
4
1− β 4
• liczba Reynoldsa ReD
Re D =
&
4m
π η1 D
• dokładna wartość współczynnika przepływu – C
C = f ( rodzaj kryzy, ReD, β ) - odczytać z tablicy
• zrewidowana wartość strumienia masy – m
C
π
m& =
ε 1 d 2 2 ∆p ρ1 , kg / s
4
1− β 4
•
strumień objętości powietrza w warunkach roboczych – V
&
&=m
V
, m 3 /s
ρ1
• prędkość przepływu powietrza w rurociągu - w
w=
V
, m/s
F
2. OBLICZENIE STRAT CIŚNIENIA NA SKUTEK TARCIA
• określenie charakteru przepływu - liczba Re
Re =
• obliczenie liczby tarcia - λ
wDρ 1
η1
λ=
dla ruchu laminarnego (Re < 3000)
dla ruchu turbulentnego:
64
Re
λ = 0,316 Re − 0,25
3000 < Re < 50000
λ = 0,0032 + 0.221 Re − 0.237
Re ≤ 3 ⋅ 10 6
λ = 0,0052 + 0.5 Re − 0.32
3 ⋅ 10 3 < Re < 3 ⋅ 10 6
• obliczenie strat ciśnienia na skutek tarcia
w 2 ρ1 L
,
∆p t = λ
2
D
N / m2
L – długość całkowita rurociągu pomiarowego
3. STRATY CIŚNIENIA NA SKUTEK OPORÓW LOKALNYCH
Dla wybranych punktów należy obliczyć współczynnik oporów miejscowych [ζ] korzystając z zależności:
w 2 ρ1
∆p lok = ζ
, N / m2
2
Wartości ∆plok zostały zmierzone dla wybranych punktów.
4. OBLICZENIE STRUMIENIA OBJĘTOŚCI [RURKA PRANDTLA]
• wyznaczenie prędkości przepływu powietrza - w
do pomiarów jest używana znormalizowana rurka Prandtla – prędkość przepływu po
wietrza można obliczyć z zależności na obliczanie ciśnienia dynamicznego
w= 2
pdyn
ρ1
,
m/s
prędkość średnią w przekroju pomiarowym obliczamy jako średnią arytmetyczną z
prędkości określonych w poszczególnych punktach pomiarowych.
1
(w1 + w 2 + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅w n ) , m/s
n
• obliczenie strumienia objętości powietrza - V
V = wSr F, m3/s
w śr =
PRZEPŁYWY PŁYNÓW – PODSTAWOWE POJĘCIA
PŁYN ŚCIŚLIWY - ciecz, para i gaz, których objętość właściwa zmienia się wraz ze zmianą
ciśnienia.
STRUMIEŃ PŁYNU – iloraz ilości płynu przepływającego przez przekrój przewodu i czasu
przemieszczenia się tej ilości płynu przez ten przekrój.
STRUMIEŃ OBJĘTOŚCI – strumień płynu wyrażony w jednostkach objętości mierzony w
otworze wylotowym maszyny (m3/s, m3/h) – V.
PRZEPŁYW USTALONY – prędkość i kierunek przepływu płynu w tym samym przekroju
strugi jest stała w czasie.
RODZAJE PRZEPŁYWÓW:
• przepływ laminarny (uwarstwiony, warstwowy),
• przepływ turbulentny (burzliwy).
Charakter przepływu określa kryterium podobieństwa hydrodynamicznego, liczba Reynoldsa
Re =
w Dh w Dh ρ
=
ν
η
gdzie:
w – średnia prędkość przepływu , m/s
Dh – hydrauliczna średnica przewodu, m
ν – współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s
ρ – gęstość płynu, kg/m3
η – współczynnik lepkości dynamicznej, kg/(m s)
MASOWE RÓWNANIE CIAGŁOŚCI STRUGI
F1 w 1 F2 w 2 F w
= const , kg / s
=
=
v1
v2
v
RÓWNANIE BERNOULLIEGO
w 12 ρ
w 22 ρ
p1 +
= p2 +
= p c = const
2
2
POMIAR STRUMIENIA PŁYNU ZA POMOCĄ ZWĘŻEK POMIAROWYCH
• kryza – kryza znormalizowana, kryza symetryczna,,
• dysza – dysza ISA 1932, dysza o dużym promieniu,
• zwężka Venturiego – klasyczna zwężka Venturiego, dysza Venturiego.
Równanie do obliczania strumienia masy płynu (dla wszystkich zwężek):
m& =
C
1− β 4
ε1
π 2
d 2 ∆p ρ1 , kg / s
4
PRZYRZĄDY DO POMIARU CIŚNIENIA
• manometr cieczowy dwuramienny (U-rurka)
Przyrząd elementarny stanowi szklana, wygięta w kształcie
litery U rurka o pionowych ramionach wypełnionych
częściowo cieczą manometryczną o znanej gęstości.
Manometr ten mierzy różnicę ciśnień działających na
swobodne powierzchnie cieczy w rurkach.
p1 − p 2 = h ρ g
• manometr z rurką pochyłą (manometr Krella, manometr Recknagla)
W celu zwiększenia dokładności
pomiaru niewielkich ciśnień stosuje
się przyrządy, w których dokonuje
się pomiaru długości słupka cieczy
w pochyłym ramieniu.
h = l sinα
• mikromanometr kompensacyjny (mikromanometr Askania)
Przyrząd do pomiaru małych
wysokości słupa cieczy z dużą
dokładnością. Przed rozpoczęciem pomiarów należy zwrócić
uwagę na dokładne ustawienie
przyrządu według poziomicy (15)
12 – króciec niższego ciśnienia,
11 – króciec wyższego ciśnienia,
2 – naczynie z cieczą,
9 – podziałka milimetrowa,
13 – podziałka 0.01 milimetra,
5 – obrotowa głowica,
6 – śruba regulacyjna,
• manometr pierścieniowy (waga pierścieniowa)
p 1 = p2
p 1 > p2
W manometrze pierścieniowym mierzoną różnicę ciśnień równoważy ciśnienie hydrostatyczne cieczy manometrycznej – mierzy się jednak nie różnicę poziomów, lecz kąt wychylenia
przyrządu z położenia równowagi początkowej. Wychyleniu słupa cieczy towarzyszy zakłócenie równowagi statycznej przyrządu, zaś nowe położenie równowagi jest funkcją różnicy
ciśnień. W przypadku różnicy ciśnień (p1 > p2) ciecz przemieszcza się i powstaje różnica
poziomów (h) spełniająca warunek ∆p = p1- p2 = h ρ g. Powoduje to powstanie momentu
obrotowego zależnego od ∆p, promienia pierścienia R i jego przekroju wewnętrznego A. Na
skutek działania tego momentu cały pierścień obraca się o kąt φ, przy czym ustala się nowy
stan równowagi gdy moment pochodzący od ciężaru części ruchomych G zrównoważy moment od ciśnienia.
∆p =
AR
sin ϕ
Gr
Wagi pierścieniowe odznaczają się dużą czułością i dokładnością umożliwiającą zmierzenie
różnic ciśnienia rzędu 10 Pa.
Opracował: dr inż. Marian Siudek