Pomiar prędkości i natęŜenia przepływu za pomocą rurek

Pomiar prędkości i natęŜenia przepływu za
pomocą rurek spiętrzających
Instrukcja do ćwiczenia nr 8
Miernictwo energetyczne - laboratorium
Opracowała: dr inŜ. ElŜbieta Wróblewska
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2008 r.
I. WSTĘP
Pomiary za pomocą rurek spiętrzających mają na celu wyznaczenie miejscowej prędkości
przepływającego płynu. MoŜna je podzielić na dwie grupy:
•
do pomiaru ciśnienia całkowitego pc – rurki o róŜnej konstrukcji,
•
do pomiaru ciśnienia dynamicznego pd.
Rys. 1. Rurki spiętrzające do pomiaru ciśnienia całkowitego: a) rurka usytuowana
poprzecznie do kierunku przepływu, b) rurka usytuowana wzdłuŜnie do kierunku przepływu
(rurka Pitota), c) rurka Kiela odznaczająca się małą wraŜliwością na odchylenie jej osi od
kierunku przepływu [1]
Ciśnienie całkowite pc moŜe być mierzone za pomocą rurki Pitota, zaś statyczne ps na
ściance kanału, jak na rys. 2. NaleŜy zwrócić uwagę, aby składowa wektora prędkości
równoległa do osi otworu w ściance kanału była równa zeru, tj, płyt powinien przepływać
równolegle do ścianki kanału. W ten sposób ciśnienie statyczne ps moŜe być zmierzone
prawidłowo.
Rurki spiętrzające przedstawione na rys. 1a stosowane są do pomiaru ciśnienia
całkowitego pc w kanałach o większych średnicach orz jako tzw. rurki uśredniające do
pomiaru średniej prędkości przepływu w kanale. W rurkach uśredniających liczba otworów
na czołowej tworzącej rury jest większa, zwykle wynosi 4÷8. Otwory te rozmieszczone są
wzdłuŜ osi rury tak, aby mierzyć ciśnienie całkowite w róŜnych punktach przekroju
2
poprzecznego kanału wzdłuŜ jego średnicy w przewodach o przekroju kołowym lub wzdłuŜ
przekątnej w przewodach o prostokątnym przekroju poprzecznym.
Rys. 2. Schemat pomiaru ciśnienia dynamicznego pd za pomocą U-rurki: 1 – rurka Pitota, 2 –
U-rurka, 3 – przewód, 4 – uszczelnienie rurki [1]
Na rys. 1b przedstawiona jest rurka Pitota. Jej modyfikacją jest rurka Prandtla (rys. 3).
Ciśnienie statyczne ps mierzone jest na bocznej powierzchni rurki zewnętrznej, w miejscu,
gdzie wektor prędkości jest równoległy do osi rurki Prandtla. Przy zastosowaniu rurki
Prandtla do pomiaru prędkości przepływu nie ma konieczności wiercenia otworów w ściance
kanału do pomiaru ciśnienia statycznego, jak ma to miejsce w przypadku rurki Pitota.
Rys. 3. Schemat rurki Prandtla [1]
3
Do pomiaru prędkości płynu stosowane są równieŜ rurki spiętrzające usytuowane
poprzecznie do kierunku przepływu płynu (rys. 4). Rurka przedstawiona na rys. 4a umoŜliwia
znalezienie kierunku przepływu płynu. W tym celu rurkę naleŜy usytuować w strumieniu
płynu tak, aby ciśnienia całkowite w otworach a i b były jednakowe. Tego typu rurki są
szeroko stosowane w tunelach aerodynamicznych i badaniach maszyn przepływowych. Na
rys. 4b przedstawiona jest rurka z otworem do pomiaru ciśnienia statycznego usytuowanym w
tylnej części rurki. W rurce na rys. 4c o przekroju kwadratowym pomiar ciśnienia statycznego
odbywa się równieŜ w tylnej jej części. W obszarze za rurką, w pobliŜu jej powierzchni worzą
się zwykle wiry i wektor prędkości płynu nie jest styczny do powierzchni rury i mierzone
ciśnienie moŜe się znacznie róŜnić od ciśnienia statycznego.
Rys. 4. Schematy rurek spiętrzających usytuowanych poprzecznie do kierunku przepływu: a)
rurka umoŜliwiajaca wyznaczenie kierunku przepływu płynu, b) rurka uśredniająca (Accutube
i Annubar), c) rurka uśredniająca firmy Honeywell; a, b – otwory, w – prędkość płynu [1]
Rurki spiętrzające usytuowane poprzecznie do kierunku przepływu płynu stosuje się
często jako rurki uśredniające do pomiaru średniej prędkości płynu w przekroju poprzecznym
kanału. Na czołowej tworzącej rury znajduje się wówczas kilka otworów do pomiaru
ciśnienia całkowitego w róŜnych odległościach od ścianki kanału. Przykłady pomiaru
prędkości średniej za pomocą rurek uśredniających w kanale o przekroju prostokątnym i
kołowym przedstawiono na rys. 5. Rurki mierzą uśrednione ciśnienie, natomiast ciśnienie
statyczne ps mierzone jest w otworach wywierconych w ściance kanału.
4
Rys. 5. Pomiar średniej prędkości płynu za pomocą rurek uśredniających: a) kanał o przekroju
prostokątnym, b) kanał o przekroju kołowym [1]
Rurki uśredniające stosowane są w przewodach o duŜej średnicy lub przy duŜym
przekroju porzecznym.
II. WYKONANIE POMIARÓW I OBLICZEŃ
Wykonanie ćwiczenia na stanowisku pomiarowym (rys. 6) polega na wyznaczeniu
współczynnika poprawkowego k1 i k2 przy pomiarze strumienia masy przepływającego
powietrza, odpowiednio dla rurek uśredniających RU i manometru grzebieniowego MG.
Rurki uśredniające wstawione są do rurociągu o średnicy dk w pozycji krzyŜowej. Manometr
grzebieniowy to zespół rurek Prandtla, z których wartości ciśnień z poszczególnych punktów
pomiarowych, rozmieszczonych równomiernie w całym przekroju rurociągu, „zbierana” jest
w ciśnienie uśrednione. Wyznaczenia współczynników dokonuje się przez porównanie
obliczonego strumienia masy powietrza płynącego przez zwęŜkę (przyjmowaną jako
wzorzec) do strumieni masy powietrza przepływającego przez RU i MG.
Pierwszym krokiem jest wyznaczenie gęstości powietrza płynącego w rurociągu z
wentylatora:
ρ pzw = 1,293
pb ± p
1013 1 +
t
273
W kolejnych krokach wymagane wartości ciśnień w poszczególnych punktach pomiarowych
odpowiednio wg wzorów:
5
p = ρ den g∆h
lub
p = pb + p zw
Strumień masy powietrza płynący przez zwęŜkę pomiarową:
q mzw =
C
1 β
4
2∆p zw
εAzw
ρ pzw
Wyznaczenie wartości współczynników poprawkowych:
dla rurek uśredniających
k1 =
q mzw
q mzw
=
q mRU
Ak 2∆p RU ρ pRU
k2 =
q mzw
q mzw
=
q mMG
Ak 2∆p MG ρ pMG
dla manometru grzebieniowego
Następnie oblicza się wartość masowego strumienia natęŜenia powietrza płynącego w
rurociągu z umieszczonymi w nim rurkami uśredniającymi i manometrem grzebieniowym:
q mRU = k1 w1 ρ pRU
q mMG = k 2 w2 ρ pMG
2∆p RU
ρ pRU
2∆p MG
ρ pMG
Z wyliczonych wartości wyznacza się teŜ średnią prędkość powietrza w kanale:
w1 = k1
w2 = k 2
∆p RU
ρ pRU
∆p MG
ρ pMG
Liczba Rejnoldsa:
Re =
wd k
ν
Zadaniem studentów jest sporządzenie wykresów zaleŜności k1=f(Re), k2=f(Re)
6
LITERATURA
[1] Taler D., „ Pomiar ciśnienia, prędkości i strumienia przepływu płynu”, Uczelniane
Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2006
[2] Negrusz A., Stańda J., „Badania procesów termoenergetycznych”, cz. I, Politechnika
Wrocławska, Wrocław 1980
[3] „Miernictwo energetyczne”, praca zb. pod red. Negrusza A., Sąsiadka M., Politechnika
Wrocławska, Wrocław 1977
[4] „Laboratorium procesów termoenergetycznych”, tom I, pod red. Negrusza A.,
Politechnika Wrocławska, Wrocław 1987
7