Ana səhifə

Paliwa stałe I gazowe, zasady I środki transportu wykaz zagadnień do przygotowania teoretycznego


Yüklə 143.65 Kb.
tarix26.06.2016
ölçüsü143.65 Kb.
Ć w i c z e n i e 12
PALIWA STAŁE I GAZOWE, ZASADY I ŚRODKI TRANSPORTU
1. Wykaz zagadnień do przygotowania teoretycznego

Budowa, działanie i zastosowanie przepływomierzy zwężkowych, rurek spiętrzających, anemometrów, gazomierzy. Wzorcowanie i sprawdzanie przepływomierzy. Zwężki znormalizowane i nieznormalizowane.


1.1. Przepływomierze zwężkowe
Pomiar strumienia masy lub objętości za pomocą zwężki jest najtańszym i najbardziej rozpowszechnionym sposobem pomiarowym. Do pomiaru strumienia tą metodą są potrzebne:

  • element powodujący spadek ciśnienia - zwężka,

  • element do pomiaru różnicy ciśnień statycznych przed i za zwężką - manometr, najczęściej różnicowy, wywzorcowany w jednostkach strumienia przepływu.

Stosowane są trzy zasadnicze typy zwężek: kryzy, dysze i dysze Venturiego (rys. 12.1).



Rys. 12.1. Zwężki znormalizowane: a) kryza, b) dysza, c) dysza Venturiego
Najbardziej rozpowszechnioną zwężką jest kryza. Kryza jest to cienka tarcza wmontowana w przewód w taki sposób, że oś jej otworu pokrywa się z osią przewodu. Teoretyczne podstawy pomiaru zwężkowego omówimy na jej przykładzie. Linie prądu przy przepływie przez kryzę z przytarczowym pomiarem ciśnienia przedstawiono na rys. 12.2. Strumień cieczy przepływający w przewodzie ulega przed zwężką przewężeniu. W pewnej odległości za zwężką strumień osiąga minimalny przekrój, po czym strumień rozszerza się stopniowo wypełniając całą objętość przewodu. Ciśnienie płynu przed kryzą nieco wzrasta i zmniejsza się do minimum za kryzą w najwęższym przekroju strumienia. Dalej wskutek spadku prędkości ciśnienie znów wzrasta, nie osiągając jednak wartości ciśnienia przed zwężką. Strata części ciśnienia jest wywołana stratą energii na tarcie i tworzenie się wirów. Jej wartość zależy od kształtu przewężenia przewodu i jest największa przy stosowaniu kryzy, mniejsza w przypadku dyszy i dyszy Venturiego. Wynika to stąd, że strumień cieczy przepływający przez dyszę prawie nie odrywa się od jej ścianek i straty na wytworzenie wirów są znacznie mniejsze.



Rys. 12.2. Przepływ przez zwężkę (kryzę) z przytarczowym pomiarem ciśnienia

Zależność między strumieniem przepływu a różnicą ciśnień otrzymamy poprzez analizę przemiany energii potencjalnej (ciśnienia) w energię kinetyczną (prędkości) przy przepływie przez zwężkę. Suma tych energii jest stała, co wyraża zasada zachowania energii (równanie Bernoulliego). Dla zwężki umieszczonej w poziomym rurociągu, prawo zachowania energii Bernoulliego można wyrazić równaniem 12.1:



(12.1)

Zgodnie z prawem zachowania ciągłości strumienia, przy założeniu nieściśliwości płynu, można napisać:



(12.2)

Rozwiązując te dwa układy równań oraz oznaczając:



- przewężenie przekroju rury (moduł zwężki), (12.3)

 - liczba przepływu,

 - liczba ekspansji,

otrzymamy wzór na strumień objętości i masy:



(12.4)

(12.5)

Gdyby przyjąć, że , i są stałe, otrzymalibyśmy prostą kwadratową zależność strumienia od mierzonego spadku ciśnienia p. Niestety, nie ma zwężki, która zachowałaby stałą, niezależną od strumienia i parametrów medium, wartość liczby przepływu i liczby ekspansji.

Liczba przepływu zależy od rodzaju zwężki, modułu zwężki m, średnicy przewodu D, prędkości strumienia płynu c i współczynnika lepkości kinematycznej . Określa się ją doświadczalnie. Przedstawia się ją w funkcji modułu zwężki i liczby Reynoldsa charakteryzującej przepływ (rys. 12.3). Po przekroczeniu pewnej granicznej liczby Re, liczba przepływu staje się od niej niezależna i wtedy błędy pomiaru są najmniejsze.


Rys. 12.3. Zależność liczby przepływu dla kryz od m przy Re> od granicznego

Liczba ekspansji jest doświadczalnie wyznaczoną funkcją modułu zwężki m .Jest ona zależna od rodzaju gazu lub pary oraz od stosunku p/p1 i rodzaju zwężki. Liczba ekspansji jest mniejsza od jedności dla gazów. Dla płynów nieściśliwych (cieczy) jest równa 1.

Dzięki znormalizowaniu samych zwężek oraz warunków pomiaru, stało się możliwe powszechne wykorzystanie ich do dokładnych pomiarów bez uprzedniego ich wzorcowania, eliminując konieczność stosowania kosztownych i specjalnych stanowisk wzorcowych. Przy obliczeniach korzysta się zwykle z zależności przedstawionych w PN-65/M-53950. Wymiary kryz i dysz są znormalizowane i podane w funkcji średnicy rury D i średnicy zwężki d. Miejsca pomiaru ciśnienia przed i za zwężką są również ustalone i określone normą, gdyż tylko dla takich pomiarów wyznaczone zostały doświadczalnie współczynniki (rys. 12.4).



Rys. 12.4. Znormalizowane zwężki pomiarowe: a) kryza ISA z pomiarem przytarczowym, b) kryza ISA z pomiarem „vena contracta”, c) dysza ISA, d) dysza Venturiego

Z wykresów i tablic zawartych w normie PN-65M-53950 można określić wartość współczy-nników i , a także współczynników korygujących dla różnych typów zwężek pomiarowych.

Pomiar spadku ciśnienia p = p1 - p2 wykonuje się zwykle za pomocą manometrów różnicowych zbudowanych na zasadzie U-rurki. Ciśnienie różnicowe może być również przetworzone w przetworniku różnicy ciśnień na standardowy sygnał elektryczny wykorzystany w nowoczesnych komputerowych systemach pomiarowych (rys.12.5).

Zwężki są wygodnymi przyrządami pomiarowymi ze względu na dużą dokładność (1 %), prostą konstrukcję, niezawodność działania i możliwość zastosowania w szerokich zakresach ciśnienia i temperatury. Zakres stosowalności oraz dobór zwężek normalnych zawiera norma PN-65M-53950.

Czasem warunki pomiaru zmuszają do stosowania zwężek nieznormalizowanych albo zainstalowanych na rurociągach o średnicy mniejszej od 50mm, to wtedy muszą być one indywidualnie wzorcowane.

Zalety przepływomierzy zwężkowych zdecydowanie przeważają nad wadami, są to więc obecnie najbardziej rozpowszechnione przepływomierze do pomiaru ilości przepływającej pary wodnej, gazów, wody, olejów, powietrza itd.





Rys.12.5. Komputerowy pomiar strumienia z nadajnikiem zwężkowym
1.4. Rurki spiętrzające
Całkowite ciśnienie pc płynu płynącego przewodem jest równe sumie ciśnienia statycznego ps i dynamicznego pd :

(12.6)

skąd:


(12.7)

Z tej zależności można wyznaczyć prędkość płynu:



(12.8)

Do określenia ciśnienia dynamicznego, a tym samym prędkości służą rurki spiętrzające. Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych rurek spiętrzających, spośród których najszersze zastosowanie znalazły rurki Pitota i Prandtla.





Rys.12.6. Pomiar ciśnień rurką Pitota (a,b),


Rys.12.7. Pomiar ciśnienia dynamicznego rurką Prandtla (a), rurka Prandtla (b) - zależności wymiarowe
Schemat pomiaru rurką Pitota pokazano na rysunku 12.6a. Przyrządem jest sztywna rurka zagięta pod kątem prostym (sonda). Sonda, umieszczona w osi przewodu przeciwnie do kierunku przepływu, jest połączona z manometrem różnicowym giętkim przewodem. Ciśnienie, jakie zostanie zmierzone za pomocą manometru, jest sumą ciśnienia panującego w przewodzie (statycznego) oraz spiętrzenia ciśnienia wywołanego zahamowaniem strugi (dynamicznego). Zmierzone ciśnienie jest więc ciśnieniem całkowitym pc. Aby wyznaczyć prędkość c, należy wykonać jeszcze pomiar ciśnienia statycznego. Ciśnienie statyczne można zmierzyć za pomocą rurki impulsowej, umiejscowionej w otworze ścianki przewodu. Aby ułatwić obliczenie wyników pomiarów, stosuje się układ pokazany na rysunku 12.6b. W tym układzie manometr różnicowy wskazuje bezpośrednio różnicę mierzonych ciśnień, czyli ciśnienie dynamiczne pd. Trudność posługiwania się rurką Pitota polega między innymi na konieczności stosowania dwóch oddzielnych nie związanych ze sobą przyrządów do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego.

Najszersze zastosowanie znalazło drugie rozwiązanie rurek spiętrzających w postaci rurki Prandtla (rys. 12.7ab), która łączy w jednym przyrządzie oba te elementy. Otwory boczne w sondzie umożliwiają mierzenie ciśnienia statycznego ps, otwór zaś z przodu - ciśnienia całkowitego pc. Łącząc odpowiednio rurkę Prandtla z manometrami różnicowymi można mierzyć wielkość ciśnienia dynamicznego pd.

Aby pomiar był dokładny, głowicę rurki należy ustawić równolegle do kierunku przepływu. Odchylenie jej od kierunku przepływu w niezabudowanej strudze o kąt 14o nie wpływa znacząco na pomiar ciśnienia dynamicznego, powodując błąd wskazania rzędu 1,5%. Różnice ciśnień, jakie mierzy się przy użyciu rurek spiętrzających, są niewielkie i zwykle do tego celu używamy mikromanometrów różnicowych. Ze względu na niewielką średnicę otworu pomiarowego istnieje niebezpieczeństwo zatkania się rurki przy przepływie płynów zanieczyszczonych. Rurki spiętrzające są łatwe w obsłudze, montażu i demontażu, są przydatne do pomiaru prędkości w przewodach o dużych średnicach, a zwłaszcza w przewodach o przekroju różnym od kołowego. Podobnie jak zwężki, mogą być używane przy znormalizowanej konstrukcji do pomiaru strumienia płynu bez uprzedniego wzorcowania.

W przemyśle spożywczym rurki spiętrzające znalazły zastosowanie w pomiarach ilości przepływającego powietrza (suszarnie, klimatyzacja, kotły) oraz w pomiarach ilości spalin w kotle (tzw. ciągu).


2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem pomiaru strumienia przepływu za pomocą znormalizowanej kryzy ISA z przytarczowym pomiarem ciśnienia oraz sposobem pomiaru prędkości przepływu za pomocą rurek spiętrzających Pitota i Prandtla.

Część doświadczalna składa się z dwóch ćwiczeń obejmujących: znormalizowaną zwężkę typu kryza z przytarczowym pomiarem oraz rurki spietrzające Pitota i Prandtla.


3. Wykonanie ćwiczenia

3.1. Pomiar strumienia za pomocą zwężki znormalizowanej

Schemat stanowiska do pomiaru strumienia za pomocą zwężki przedstawiono na rys.12.8





Rys. 12.8. Schemat stanowiska do pomiaru strumienia za pomocą zwężki
Przebieg doświadczenia

1. Zmierzyć średnicę wewnętrzną przewodu i zwężki, a następnie wyznaczyć moduł

(12.9)

2. Z wykresu przedstawionego na rys.12.3 odczytać liczbę przepływu a.

3. Zmierzyć temperaturę powietrza, wilgotność i ciśnienie.

4. Zamknąć zasuwę na ssaniu i uruchomić wentylator.

5. Pomiary rozpocząć od maksymalnego strumienia objętości przepływającego powietrza przy całkowicie otwartej zasuwie na ssaniu. Przechodząc przez kolejne punkty pośrednie, np: 3/4, 2/3, 1/2, 1/4 wydajności maksymalnej, należy dojść do pomiaru przy całkowicie zamkniętej zasuwie. Po każdej zmianie położenia zasuwy należy odczekać 15-20s w celu ustalenia się warunków przepływu, a następnie odczytać wskazania manometrów różnicowych. Po przeprowadzeniu pomiarów dla 6 różnych strumieni objętości powietrza wyłączyć wentylator a wyniki zestawić w tabeli 12.2.

6. Obliczyć objętościowy i masowy strumień przepływu

(12.10)

(12.11)

gdzie:


Dp = p1 - p2- różnica ciśnień przed i za zwężką [Pa],

- pole przekroju otworu zwężki [m2],

a - liczba przepływu odczytana z wykresu,

e - liczba ekspansji.

Liczba ekspansji e jest doświadczalnie wyznaczoną funkcją modułu zwężki m. Jest ona zależna od rodzaju gazu lub pary oraz od stosunku Dp/p1 i rodzaju zwężki.

Dla płynów nieściśliwych (cieczy) liczba ekspansji jest równa 1, a dla gazów jest mniejsza od jedności (0,75 £ e £ 1).

Dla warunków przepływu powietrza przez badaną kryzę można przyjąć do naszych obliczeń liczbę ekspansji równą 1.



7. Dla zmierzonej temperatury, wilgotności i ciśnienia obliczyć gęstość powietrza:

(12.12)

(12.13)
gdzie:

x - wilgotność bezwzględna [kg/kg],

j - wilgotność względna %,

ps - ciśnienie nasycenia (prężnośc nasyconej pary wodnej w temp.) - tabela 12.1

Rw - stała gazowa pary wodnej Rw = 461,6 J/(kg.K),

p - ciśnienie wilgotnego powietrza (absolutne); pb+ p1; [Pa],

pb - ciśnienie atmosferyczne.[Pa],

p1 - ciśnienie manometryczne [Pa].
Tabela 12.1. Prężność nasyconej pary wodnej

t

oC

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

T

K

288,15

289,15

209,15

291,15

292,15

293,15

294,15

295,15

296,15

297,15

ps

kPa

1,7041

1,8170

1,9364

2,0626

2,1960

2,3368

2,4855

2,6424

2,8079

2,9824


8. Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 12.3.

9. Sporządzić na załączonym rys.12.3 wykres zależności Dp= f(Q).

Tabela 12.2. Zestawienie wyników pomiarów (I część doświadczenia)



Lp.

Wielkości mierzone

Symbol

Jednostka

Pomiar













1

2

3

4

5

6

1.

Średnica kryzy

d

mm




2.

Średnica wewnątrz rurociągu

D

mm




3.

Moduł kryzy

m







4.

Liczba przepływu

a







5.

Liczba ekspansji

e







6.

Temperatura powietrza

T

K




7.

Wilgotność względna powietrza

j

%




8.

Wilgotność bezwzględna powietrza

x

kg/kg




9.

Ciśnienie atmosferyczne

pb

Pa




10.

Ciśnienie przed zwężką

p1

mmH2O




























Pa



















11.

Ciśnienie za zwężką

p2

mmH2O




























Pa


















Tabela 12.3. Zestawienie wyników pomiarów (II część doświadczenia)



Lp.

Ciśnienie różnicowe

Ciśnienie statyczne

Gęstość

Strumień przepływu

Prędkość

przepływu






N/m2

N/m2

kg/m3

kg/s

m3/s

m/s

1.



















2.



















3.



















4.



















5.



















6.




















WNIOSKI
1.

2.

3.2. Pomiar rurkami spiętrzającymi


Na rys.12.9 przedstawiono schemat stanowiska do pomiaru prędkości przepływu powietrza za pomocą rurek spiętrzających Pitota i Prandtla.



Rys.12.9. Schemat stanowiska do pomiaru rurkami spiętrzającymi

1; 2; 3; 4 - manometry cieczowe, 5 - rurka Pitota, 6 - rurka Prandtla, 7 - zawór wylotowy.
Przebieg doświadczenia

1. Zapoznać się ze stanowiskiem do pomiaru ciśnienia powietrza w ruchu.

2. Rozstrzygnąć jakie ciśnienia są mierzone za pośrednictwem poszczególnych manometrów i wpisać je do tabeli.

3. Ustawić zawór wylotowy 7 w pozycji zamkniętej i uruchomić wentylator.

4. Notować wskazania manometrów dla wszystkich położeń zaworu wylotowego

5. Wyniki zestawić w tabeli 12.4.

6. Zmierzyć przy pomocy suwmiarki średnicę wewnętrzną rurociągu oraz zanotować temperaturę, ciśnienie i wilgotność powietrza.

7. Obliczyć prędkość przepływającego powietrza.

Całkowite ciśnienie pc powietrza płynącego przewodem jest równe sumie ciśnienia statycznego ps i dynamicznego pd :

skąd:

Z tej zależności można wyznaczyć prędkość powietrza:



8. Obliczyć objętościowy i masowy strumień przepływu






Tabela 12.4. Zestawienie wyników pomiarów (III część doświadczenia)

Lp.

Wielkość mierzona lub obliczona

Symbol

Jednostka

Położenie zaworu













1

2

3

4

5

1.

Ciśnienie .....................manometr 1

p1

mmH2O
















2.

Ciśnienie .....................manometr 2

p2

mmH2O
















3.

Ciśnienie......................manometr 3

p3

mmH2O
















4.

Ciśnienie......................manometr 4

p4

mmH2O
















5.

Ciśnienie......................manometr 5

p5

mmH2O
















6.

Ciśnienie całkowite rurka Prandtla

pc

Pa
















7.

Ciśnienie statyczne rurka Prandtla

ps

Pa
















8.

Ciśnienie dynamiczne rurka Prandtla

pd1

Pa
















9.

Ciśnienie dynamiczne rurka Pitota

pd2

Pa
















10.

Prędkość

c1

m/s
















11.

Prędkość

c2

m/s
















12.

Objętościowy strumień przepływu

Qv

m3/s
















12.

Masowy strumień przepływu

Qm

kg/s















WNIOSKI
1.

2.

5. PRZKŁAD PROWADZONYCH OBLICZEŃ

Podać wzór stosowany w obliczeniach, wstawić do niego wartości zmierzone wyrażone w jednostkach układu SI oraz podać wynik końcowy prowadzonego obliczenia. Obliczenia prowadzić czytelnie - bez skreśleń.



Rys. 12.10. Wykres do sporządzenia charakterystyki kryzy



Rys. 12.11. Zależność liczby przepływu dla kryz od m przy Re> od granicznego


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©atelim.com 2016
rəhbərliyinə müraciət