Wyznaczanie wydatku medium chłodzącego metodami

Wyznaczanie wydatku medium chłodzącego metodami kalorymetrycznymi.
1) Wprowadzenie
Podgrzanie ciała materialnego o objętości M i cieple właściwym Cp od temperatury z do temperatury g
wymaga dostarczenia ciepła:
Qt  MCp ( g   z ) ,
gdzie:
(1)
t – czas [s] ogrzewania ciała materialnego mocą Q [kW];
Cp – ciepło właściwe płynu chłodzącego [kW·s·m-3·OC-1], (Tabela 3).
Stąd wyrażenie na wydatek płynu chłodzącego:
V 
M
Q

.
t
C p ( g   z )
(2)
Zgodnie z (2) pomiar wydatku polega na pomiarze mocy cieplnej dostarczonej do strumienia płynu
chłodzącego i wyznaczeniu przyrostu temperatury. Zasadę tą wykorzystuje urządzenie zwane walcem Thomasa
(Rys.1.).
Rys.1. Układ pomiarowy walca Thomasa. Rz, Rg – siatki oporowe, SG – siatka grzejna, R1, R – rezystory
mostka, G – wskaźnik równowagi mostka, W – watomierz.
Badany płyn chłodzący przepływa przez kanał o przekroju kołowym wykonany z materiału o małej
przewodności cieplnej. Przepływ płynu chłodzącego wymuszony jest przez wentylator badanego, odpowiednio
zamontowanego silnika. W środku kanału znajduje się siatka grzejna dostarczająca moc cieplną, która jest
odbierana przez płyn chłodzący. Do pomiaru przyrostu temperatury płynu chłodzącego wykorzystuje się siatki
oporowe wykonane z drutu miedzianego umieszczone w pewnej odległości po obu stronach siatki grzejnej. Moc
wydzielona na siatce grzejnej nie powinna przekraczać 300 W ze względu na straty ciepła przez ścianki walca.
Różnicę temperatur obu siatek oporowych połączonych w układ mostkowy wyznacza się na podstawie przyrostu
rezystancji siatki nagrzewanej. Oznaczmy przez Rg0 rezystancję nagrzewanej siatki oporowej w stanie zimnym.
Po nagrzaniu jej rezystancja zależy od przyrostu temperatury:
Rg  Rg 0 (1   ( g   z ))  Rg 0  Rg 0
gdzie:
(3)
 - cieplny współczynnik oporności miedzi dla temperatury z [OC-1], (Tabela 2);
Rg0 – przyrost rezystancji siatki oporowej.
Stosunek rezystancji siatki nagrzanej do jej rezystancji w stanie zimnym jest równy stosunkowi rezystancji
jednego z rezystorów mostka R1g (wyznaczonej dla stanu nagrzania siatki oporowej) do jego początkowej
wartości R1 jeśli spełniony jest warunek równowagi mostka:
Rg 0
Rg 0  Rg 0
gdzie:

Rg 0
Rg 0 (1   ( g   z ))

R1
R1
,

R1g R1  R1
(4)
R1 – zmiana rezystancji rezystora mostka.
Po przekształceniach otrzymujemy:
( g   z ) 
1  R1 

,
  R1 
(5)
a po podstawieniu (5) do (2) uzyskujemy wyrażenie na wydatek powietrza:
V 
QR1
.
R1C p
(6)
2) Zakres ćwiczenia
Wyznaczenie wydatku powietrza chłodzącego w silniku indukcyjnym z wentylatorem promieniowym,
połączonym trwale z walcem pomiarowym Thomasa, którego schemat został przedstawiony na Rys.1. w funkcji
prędkości obrotowej. Do regulacji prędkości obrotowej badanego silnika służy przemiennik częstotliwości
(falownik).
Algorytm pomiaru
- Dla ułatwienia pomiarów należy przyjąć stałą wartość rezystora R mostka wynoszącą 400 .
- Rezystancję R1 należy dobrać tak, by w stanie zimnym zrównoważyć mostek. Aby nie wprowadzać
dodatkowych strat mocy w rezystancjach obu siatek grzejnych należy tak dobrać napięcie U zasilania
mostka, aby prąd w obu gałęziach mostka nie przekroczył 15 mA.
- Zanim zostanie włączony układ grzejny należy odczytać wartość rezystancji R1 mostka.
- Pomiary należy przeprowadzić dla trzech różnych prędkości obrotowych badanego silnika w celu zbadania
zależności wydatku powietrza od prędkości obrotowej wentylatora promieniowego (odśrodkowego). Z
uwagi na to, że silnik pracuje w stanie jałowym, należy przyjąć, że prędkość obrotowa wirnika/wentylatora
jest równa nobr = f/p·60 [obr/min], gdzie f – częstotliwość falownika, p – liczba par biegunów badanego
silnika (należy przyjąć p = 2).
- Przy każdorazowej zmianie parametrów (załączenie mocy grzejnej lub zmiana prędkości obrotowej silnika
– za pomocą współpracującego z nim przemiennika częstotliwości) należy odczekać ok. 5 minut tak, aby
nastąpiło ustalenie się warunków cieplnych.
- W trakcie pomiarów notujemy przyrost rezystancji R1 w Tabeli 1.
Tabela 1
prędkość obrotowa
[obr/min]
1050/35 Hz
1200/40 Hz
1350/45 Hz
1500/50 Hz
1650/55 Hz
1800/60 Hz
moc cieplna
[kW]
R1
[]
R1
[]
wydatek powietrza
[m3/s]
3) Opracowanie wyników pomiaru
Na wspólnym wykresie należy narysować zależność wydatku medium chłodzącego w funkcji prędkości
obrotowej wentylatora. Charakterystyka powinna powstać na podstawie aproksymacji punktów pomiarowych.
Przykładowa zależność wydatku powietrza chłodzącego od prędkości obrotowej badanego silnika
przedstawiona została na Rys.2.
Rys.2. Zależność wydatku powietrza chłodzącego od prędkości obrotowej silnika
(wentylator promieniowy).
Instrukcję opracował Adam Biernat
Tabela 2. Zależność cieplnego współczynnika oporności miedzi od temperatury
 [OC]
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
=f()
0.00409
0.00407
0.00406
0.00404
0.00402
0.00401
0.00399
0.00397
0.00396
0.00394
0.00393
0.00392
0.00389
0.00388
0.00386
0.00385
0.00383
0.00382
0.00381
0.00379
0.00378
0.00376
0.00375
0.00373
0.00372
0.00370
0.00369
Tabela 3. Zależność ciepła właściwego Cp od ciśnienia i temperatury
Temperatura
[OC]
10
12
14
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
30
35
973.3
979.9
986.6
Ciśnienie [hPa]
993.3
999.9
1006.6
1013.3
1.19
1.18
1.17
1.16
1.15
1.15
1.15
1.15
1.15
1.14
1.14
1.14
1.13
1.12
1.12
1.12
1.11
1.09
1.20
1.19
1.18
1.17
1.16
1.16
1.16
1.16
1.16
1.15
1.15
1.15
1.14
1.13
1.13
1.13
1.12
1.10
1.21
1.20
1.19
1.18
1.17
1.17
1.17
1.17
1.16
1.16
1.15
1.15
1.14
1.14
1.14
1.14
1.13
1.11
1.22
1.21
1.20
1.19
1.18
1.18
1.18
1.18
1.17
1.17
1.16
1.16
1.15
1.15
1.15
1.15
1.14
1.13
1.22
1.22
1.21
1.20
1.19
1.19
1.18
1.18
1.18
1.17
1.17
1.16
1.16
1.16
1.16
1.16
1.15
1.12
1.23
1.22
1.22
1.21
1.20
1,20
1.19
1.19
1.19
1.18
1.18
1.17
1.17
1.17
1.17
1.16
1.15
1.13
1.24
1.23
1.23
1.22
1.21
1.21
1.20
1.20
1.19
1.19
1.18
1.18
1.18
1.18
1.18
1.17
1.15
1.14