laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
WYZNACZANIE WYDAJNOŚCI WENTYLATORA
NA STANOWISKU DO BADANIA
KRZYŻOWOPRĄDOWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
2
1. Wprowadzenie
Wentylatory stanowią grupę maszyn przepływowych służących do przetłaczania gazów
pomiędzy przestrzeniami, w których panuje jednakowe ciśnienia równe lub występuje
niewielka różnica ciśnienia.
Maszyny te o różnej konstrukcji znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu
i ochrony środowiska. Różnorodność konstrukcji wentylatorów sprawia, że pole zastosowań
tych maszyn jest bardzo szerokie. Najważniejszy obszar stosowania to oczywiście wszelkie
systemy mechanicznej wentylacji. Przykładowe zastosowania wentylatorów w szeroko
pojętej technice cieplnej to: chłodnictwo, klimatyzacja, energetyka (np. nadmuch powietrza
do spalania, wyciąg spalin, chłodnie wentylatorowe itp.).
Ze względu na kierunek przepływu tłoczonego gazu przez wirnik, rozróżnia się wentylatory
promieniowe i osiowe. Biorąc zaś za kryterium podziału wytwarzany przyrost ciśnienia
(spręż), wentylatory klasyfikuje się następująco:
- niskoprężne ( ÷1kPa) – konstrukcje osiowe i promieniowe,
- średnioprężne (1kPa÷3kPa ) – konstrukcje osiowe i promieniowe,
- wysokoprężne (3kPa÷10kPa) – konstrukcje promieniowe.
W wentylatorach promieniowych spotyka się bardzo zróżnicowane profile wirnika i kształt
łopatek. Najczęściej stosowanymi są wirniki płaskie, stożkowe i bębnowe.
Wirniki płaskie i stożkowe to dwie tarcze połączone łopatkami rozmieszczonymi
symetrycznie do osi wirnika. Gaz opuszczający wirnik wpływa do spirali zbiorczej o
przekroju zwykle prostokątnym, która stanowi wyposażenie komory wentylatora
promieniowego i jest zakończona dyfuzorem dla wersji średnio- i wysokoprężnej.
Pracę wentylatora charakteryzują związki objętościowego natężenia przepływu tłoczonego
powietrza z wytwarzanym ciśnieniem, z zapotrzebowaniem mocy i ze sprawnością działania.
Szczególne znaczenie ma charakterystyka wentylatora wiążąca wytwarzane ciśnienie z
objętościowym natężeniem przepływu, ponieważ jest łączona z charakterystyką sieci
(instalacji).
Najważniejszym parametrem charakteryzującym wentylator jest jego wydajność określana
jako objętość gazu przetłaczanego przez maszynę w jednostce czasu. Jest to więc strumień
objętości czynnika. W nomenklaturze wentylacyjno-klimatyzacyjnej wydajność jest
zazwyczaj oznaczana przez Q i podawana w m3/h lub m3/s.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wydajności wentylatora promieniowego zamontowanego
na stanowisku do badania krzyżowoprądowych wymienników ciepła.
3. Stanowisko pomiarowe i metodyka pomiarów
Stanowisko pomiarowe, na którym realizowane jest ćwiczenie zostało skonstruowane do
badań rozkładu temperatury i prędkości strugi powietrza w przekroju dolotowym
(wylotowym) krzyżowoprądowego wymiennika ciepła. Przepływ powietrza wymuszany jest
przez wentylator napędzany silnikiem elektrycznym. Oprzyrządowanie stanowiska umożliwia
również realizację pomiarów pozwalających na wyznaczenie wydajności wspomnianego
wentylatora.
Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. Zasadniczymi elementami
stanowiska są:
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
-
3
zespół wentylatora,
kanał powietrzny,
zrobotyzowany układ pozycjonowania czujnika,
układ pomiarowy,
wymiennik ciepła.
4
3
5
6
7
8
2
1
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego (1 – płyta nośna, 2 – wymiennik ciepła, 3 – czujnik
termoanemometryczny, 4 – sonda pomiarowa, 5 – dyfuzor, 6 – kanał, 7 – komputer sterujący, 8 –
wentylator)
Zespół wentylatora składa się ze średniociśnieniowego, promieniowego wentylatora o
napędzie bezpośrednim typu MPB 500T (rysunek 2) oraz przepustnicy kanałowej IRIS 315
do regulacji wydajności wentylatora (rysunek 3).
Podstawowe dane techniczne wentylatora:
- moc silnika: 4.0 kW,
- prędkość obrotowa: 2900 min-1,
- maksymalna wydajność: 6800 m3/h,
- masa: 52 kg.
Rys. 2. Podstawowe wymiary wentylatora MPB 500T
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
4
Wentylatory MPB stosowane są najczęściej w systemach odciągania zanieczyszczonego
powietrza i transportu pneumatycznego.
Typowe zastosowania:
- odciągi miejscowe, osuszacze, układy suszenia
- transport wiórów, trocin, granulatów
- odciągi spalin samochodowych
Rys. 3. Schemat przepustnicy kanałowej IRIS
Kanał powietrzny składa się z odcinka stanowiącego rozbieg hydrauliczny o długości 1700
mm i przekroju 240x195 mm, sekcji filtrów o długości 300 mm oraz dyfuzora.
Zasadniczym przyrządem pomiarowym na stanowisku jest jednowłóknowy czujnik
termoanemometryczny typu V1T. Czujnik taki umożliwia jednoczesny pomiar prędkości i
temperatury czynnika w przepływach o ustalonym kierunku i zwrocie. Pomiędzy osadzonymi
w korpusie czujnika wspornikami rozpięte jest, prostopadle do osi czujnika, włókno
wolframowe lub platynowe o średnicy kilku mikrometrów. W dolnej części znajduje się
dodatkowe włókno do pomiaru temperatury.
Dane pomiarowe zbierane są przez czterokanałową anemometryczną kartę pomiarową i
przekazywane do komputera sterującego. Pozycjonowanie czujnika w polu pomiarowym
realizowane jest przez sterowanego mikroprocesorem robota. Za ruch robota w płaszczyźnie
pomiarowej odpowiedzialne są dwa silniki krokowe.
Układ pomiarowy umożliwia pomiar temperatury i prędkości powietrza w przekroju
dolotowym wymiennika ciepła. Możliwe jest także wykonanie takich pomiarów za
wymiennikiem ciepła. Realizacja pomiarów jest nadzorowana przez oprogramowanie karty
pomiarowej. Podczas pracy program pomiarowy korzysta z trzech plików:
- czujnik.dan – w pliku zawarte są charakterystyki czujników termoanemometrycznych,
każdy czujnik jest indywidualnie wzorcowany i posiada własną charakterystykę;
- pomiar.dan – plik z definicją zadania pomiarowego, zawiera informacje o
zainstalowanym czujniku oraz definicję siatki pomiarowej;
- wynik.txt – plik, do którego zapisywane są wyniki pomiarów.
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
5
Wymiennikiem ciepła na stanowisku jest chłodnica samochodowa (Skoda Favorit) o
wymiarach 420x285 mm.
UWAGA: Ze względu na uszczelnienie połączenia wylotu dyfuzora z wymiennikiem ciepła
oraz ze względu na bezpieczeństwo ruchu czujnika termoanemometrycznego pole pomiarowe
(przekrój dolotowy) pomniejszone jest o marginesy bezpieczeństwa i jego wymiary wynoszą
400x210 mm.
4. Przebieg pomiarów
W trakcie ćwiczenia przewidywane jest zrealizowanie czterech serii pomiarowych – po dwie
dla dwóch różnych stopni otwarcia przepustnicy. Dla zadanego stopnia otwarcia przepustnicy
realizuje się pomiar jednopunktowy przy założeniu, że zmierzone tak wartości prędkości i
temperatury są wartościami średnimi w przekroju pomiarowym. Następnie, dla tego samego
stopnia otwarcia przepustnicy, dokonuje się pomiaru wielopunktowego według założonej
siatki pomiarowej.
Realizacja pomiarów wymaga wykonania następujących czynności:
- utworzenie na dysku twardym katalogu zawierającego pliki związane z pomiarami,
- uruchomienie programu pomiarowego,
- montaż czujnika termoanemometrycznego w obsadce sondy pomiarowej,
- zamknięcie i uszczelnienie okna montażowego czujnika w kanale powietrznym,
- definicja zadania pomiarowego w pliku pomiar.dan: należy wprowadzić do pliku
następujące dane:
numer zainstalowanego czujnika,
stałą czasową pomiaru,
liczbę pomiarów w jednym węźle siatki,
definicję siatki pomiarowej: podczas ćwiczenia wykorzystuje się siatkę
równomierną, którą definiuje się przez podanie zakresu ruchu czujnika w
kierunkach poziomym i pionowym (współrzędne pierwszego i ostatniego węzła
pomiarowego) oraz liczby węzłów pomiarowych w obu kierunkach;
UWAGA: po wprowadzeniu danych należy plik zapisać.
- uruchomienie pomiarów: podczas pomiarów zalecane jest obserwowanie ekranu
monitora oraz ruchu robota pomiarowego w celu wychwycenia ewentualnych
nieprawidłowości,
- uruchomienie podglądu pliku wynikowego i wstępna weryfikacja wyników
pomiarowych.
Po zakończeniu pomiarów należy zdemontować czujnik pomiarowy.
UWAGA: zalecane jest, aby sekcja pomiarowa posiadała dyskietkę formatu 1.44 MB, na
którą będzie można skopiować pliki z wynikami doświadczenia.
5. Opracowanie wyników
Wydajność wentylatora, jak zaznaczono wcześniej, jest rozumiana jako strumień objętości i
strumień masy tłoczonego przez wentylator powietrza. Uzyskane z pomiarów wyniki
umożliwiają wyznaczenie wydajności w oparciu o równanie ciągłości strugi. Zakłada się przy
tym, że zmierzone wartości prędkości powietrza są wartościami średnimi dla danego pola
pomiarowego.
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
6
Strumień objętości czynnika obliczany jest z następującej zależności:
V& = A ⋅ w ,
(1)
gdzie A to pole powierzchni całego przekroju pomiarowego, natomiast w to prędkość
przepływu czynnika.
Strumień masy czynnika można określić z relacji:
m& = V& ⋅ ρ .
(2)
Gęstość czynnika ρ w zależności (2) można określić na podstawie tablic termodynamicznych
dla zmierzonej temperatury czynnika.
Równania (1) i (2) można wykorzystać bezpośrednio do wyników doświadczenia uzyskanych
z pomiaru dokonanego w jednym punkcie przekroju pomiarowego. Dla pomiarów
wykonanych dla siatki równomiernej n przystających prostokątów korzysta się z zależności:
V& = ∑ Ai ⋅ wi
(3)
m& = ∑ Ai ⋅ wi ⋅ ρi .
(4)
i
oraz
i
Korzystając z zależności (3) można wyznaczyć prędkość średnią w przekroju pomiarowym:
∑ A ⋅w
=
∑A
i
wśredniie
i
i
.
(5)
i
i
Uzyskaną w ten sposób wartość można porównać z wartością uzyskaną w pomiarze
jednopunktowym i wyciągnąć wniosek o słuszności wyboru lokalizacji węzła pomiarowego.
Zrealizowane pomiary i obliczenia dla siatki wielopunktowej pozwalają na sporządzenie
obrazów pól analizowanych wielkości (temperatura, prędkość i strumień) w przekroju
pomiarowym w postaci wykresów powierzchniowych.
Analiza wyników pomiarów i obliczeń powinna dać odpowiedź na następujące pytania:
- czy nierównomierność przepływu powietrza przez przekrój pomiarowy wpływa na
wyznaczoną wydajność wentylatora, a jeżeli tak, to jak duże są różnice pomiędzy
pomiarem jednopunktowym i wielopunktowym?
- jaka jest postać nierównomierności (gdzie występują ekstrema) i czym może być
spowodowana?
- czy zmiana stopnia otwarcia przepustnicy wpływa na nierównomierność przepływu?
- gdzie należałoby lokalizować węzeł pomiarowy dla pomiaru jednopunktowego?
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006
Wyznaczanie wydajności wentylatora...
7
6. Sprawozdanie
W sprawozdaniu powinny znaleźć się następujące elementy:
- krótkie wprowadzenie teoretyczne zawierające definicję wyznaczanej wielkości oraz
opis metody pomiarowej wraz ze stosowanymi wzorami obliczeniowymi,
- schematy zastosowanych siatek pomiarowych,
- wydruki plików z wynikami pomiarów,
- zestawienie wyników obliczeń,
- graficzną prezentację wyników pomiarów i obliczeń (obraz pola temperatury,
prędkości i strumienia masy powietrza w przekroju pomiarowym),
- uwagi końcowe, spostrzeżenia i wnioski, w szczególności odpowiedzi na
zamieszczone wcześniej pytania.
LITERATURA
[1]
[2]
Kuczewski S.: Wentylatory. WNT Warszawa 1978.
Piątek R.: Stanowisko do badania rozkładu prędkości i temperatury powietrza
(dokumentacja). Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 2001.
Opracował: dr inż. Tomasz Bury, październik 2006