5. Mení hydraulického rázu · 2016. 3. 20. · 5. Mení hydraulického rázu 5.2. Popis mícího zaízení Zkušební micí obvod je tvoen tmito prvky: nádrž na vodu (N), erpadlo

5. M��ení hydraulického rázu

5. M��ení hydraulického rázu 5.1. Úvod

P�i neustáleném proud�ní kapaliny v potrubí odpovídají všem zm�nám pr�toku i zm�ny

tlaku. Zm�ny tlaku vyvolané hydraulickým rázem mohou dosahovat zna�ných hodnot a

mohou poškodit jak potrubí, tak za�ízení instalované na n�m. Tyto poruchy mohou vy�adit

celý hydraulický systém a zp�sobit tak zna�né materiálové a ekonomické ztráty.

Hydraulický ráz je simulován nejsnadn�ji na proud�ní vody v dlouhém potrubí,

p�ipojeném k nádrži, kdy se náhle uzav�e ventil. To zp�sobí náhlé zvýšení tlaku o �p, které

se pohybuje jako tlaková vlna od místa uzav�ení A sm�rem k nádrži B (obr. 5.1) rychlostí

zvuku as a prob�hne po délce potrubí l a zp�t k ventilu za dobu rovnou dob� b�hu vlny T.

Tlaková vlna se nebude dále ší�it do nádrže, kde je volná hladina. U nádrže je nyní rozhraní

stla�ené a nestla�ené kapaliny, a proto kapalina za�ne expandovat do nádrže B. Kapalina se

odpruží a za�ne se pohybovat nazp�t sm�rem k bodu A, za odraženou vlnou je tlak jako

p�ed rázem. P�i expanzi posledních �ástic v míst� uzav�ení armatury je snížení tlaku o

hodnotu �p v celé délce potrubí l. Mimo pokles na p�vodní tlak p�ed rázem dojde ješt�

v míst� uzav�ení ventilu k poklesu o hodnotu �p. Tento podtlak se op�t ší�í od armatury

k nádrži. Zde se op�t vlna odrazí a vyrovnává tlak na p�vodní hodnotu. P�i návratu odražené

vlny do bodu A dojde op�t k po�áte�ní hodnot� tlaku p�ed rázem v celé délce potrubí l. Tento

proces se periodicky opakuje s periodou rovnou dvojnásobku doby b�hu vlny T, viz obr. 5.1,

obr. 5.2.

U skute�ných kapalin se vlivem vnit�ního t�ení tlakové vlny utlumí až nakonec zaniknou.

Doba b�hu rázové vlny pohybující se od armatury k nádrži a zp�t se vypo�ítá ze vztahu:

[s]2

sal

T =

l [m] délka potrubí

as [m.s-1] skute�ná rychlost zvuku v kapalin�


0=t

tlak ustáleného proudu

20

Tal

ts

=��

zvýšený tlak

2T

al

ts

==

zvýšený tlak

Ta

lt

al

ss=�� 2

zvýšený tlak

Ta

lt

s== 2


Ta

lt

al

ss 2332 =��

snížený tlak

Ta

lt

s 233 ==

snížený tlak

Ta

lt

al

ss2

43 =��

snížený tlak

Ta

lt

s2

4 ==


tlak ustáleného proudu snížený tlak zvýšený tlak

obr. 5.1 Pr�b�h hydraulického rázu

obr. 5.2 Tlak v bod� A p�i totálním rázu

a

a

aa

a


5.2. Popis m��ícího za�ízení

Zkušební m��icí obvod je tvo�en t�mito prvky: nádrž na vodu (N), �erpadlo (HG),

clona (C), U – trubice (UTC) pro m��ení rozdílu tlakové ztráty na clon�, hadice (H), ventil (V),

p�evodník (P), po�íta� (PC), sníma�e tlaku (p1 – p4).

Princip funkce obvodu je následující: �erpadlo nasává vodu z instalované nádrže a

vhání ji do systému. Na clon� za �erpadlem se m��í ztrátová výška pomocí U-trubice. Na

konci hadice je umíst�ný ventil, jehož poloha charakterizující uzavírání nebo otvírání, je

snímána do po�íta�e. Celková délka trat� od �erpadla k ventilu je l = 48,4m. V systému jsou

umíst�ny sníma�e tlaku, jejichž výstupní analogový signál je p�evád�n p�es analogov�-

digitální p�evodník (karta AD 612 firmy Humusoft) do po�íta�e. Ke zpracování signálu se

používá software Matlab-Simulink. V pr�b�hu m��ení i po jeho skon�ení lze zobrazit pr�b�hy

tlak� a polohu ventilu.

obr. 5.3 Hydraulické schéma trati pro m��ení hydraulického rázu

pozn. tlak p1 není vyhodnocován


obr. 5.4 Realizovaný obvod

5.3. Specifikace uvedených prvk� a sníma��

Nádrž (N)

Objem nádrže: 42 dm3

Výrobce: Valter Špalek-plexi

�erpadlo (HG)

Typ: cirkula�ní �erpadlo

WILO RS 25/4 230 V PN 10

Maximální tlakový spád: 10 kPa

Jmenovité otá�ky: 1200/1650/2000 ot.min-1

Výrobce: WILO

Sníma�e (p1 – p4)

Typ: TMG 518 Z3G, použit 3x

Rozsah: (0; 1.105) Pa

Typ: TMVG 567 Z3G

Rozsah: (-1.105; 5.105) Pa

Výstup: (0÷20) mA

Napájení: (12÷36) V

Závit: M12x1,5

N

UTC HG

C

H P

V

PC


Výrobce: CRESSTO Rožnov pod

Radhošt�m

Uzavírací ventil (V)

Typ: kulový kohout DN25

Tlaková t�ída: ANSI 800

- na ventilu jsou uchyceny 2 mechanické spína�e

s kladi�kou

- výrobce: MARTECH Hradec Králové

Clona (C)

Vnit�ní pr�m�r clony: 20 mm

Vnit�ní pr�m�r potrubí: 25,4 mm

Výrobce: VŠB

Zdroj nap�tí (slouží pro napájení sníma��)

Typ: BK125 (školní stabilizovaný

zdroj)

Napájení: 220V/50Hz

Hadice (H)

Typ: MP 20 EPDM

Pracovní tlak 2 MPa

Pr�m�r 25/35 mm

Hmotnost 0,6 kg.m-1

Výrobce: KONEKT Hradec Králové

U – trubice (UTC)

Výrobce: VŠB

CD-ROM 5-Hydraulický_ráz_popis.wmv


5.4. Cejchovní k�ivka clony

P�i m��ení rychlosti proud�ní kapaliny pomocí clony (obr. 5.5) je nutné znát tzv. cejchovní

k�ivku clony, pomocí které lze ze ztrátové výšky na clon� ur�it pr�tok kapaliny v potrubí.

Rychlost proud�ní je úm�rná tlakovému spádu na clon�.

y = 0,2424x0,433

R2 = 0,9987

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

∆ h c [mm]

Qv [

m3 h

-1]

obr. 5.5 Cejchovní k�ivka clony z obvodu na m��ení hydraulického rázu

5.5. Postup m��ení a vyhodnocení hydraulického rázu

Postup m��ení

P�i m��ení hydraulického rázu postupujeme následovn�:

1. Seznámíme se s tratí, na které bude probíhat m��ení.

2. P�ipojíme PC a �erpadlo do elektrické sít� a otev�eme uzavírací ventil. Zapneme

zdroj sloužící k napájení sníma�� tlaku.

3. Zapneme PC, spustíme program Matlab 6.5.1 a nastavíme adresá�

C:\MATLAB6p5p1\work\raz.

4. V programu Matlab spustíme Simulink a otev�eme soubor raz.

5. V programu Excel otev�eme soubor data.xls pro zápis m��ených tlak� na sníma�ích.

6. Spustíme �erpadlo.

7. Na U-trubici ode�teme rozdíl hladin �hc a zapíšeme do tab. 5.1.

8. V souboru ráz spustíme m��ení ikonou �. M��ení trvá 10s. Provedlo se m��ení

ustáleného stavu proud�ní p�i otev�eném ventilu.


9. V programu Matlab do okna command window napíšeme p�íkaz „razgraf”

(dohromady), vykreslí se graf pr�b�hu hydraulického rázu pro t�i sníma�e (p2, p3, p4)

a graf doby uzavírání ventilu. V Excelu jsou zárove� ve sloupcích vypsané hodnoty v

po�adí: doba m��ení, tlaky p2, p3, p4 a signály polohy ventilu. Pomocí zoomu ( )

ode�teme dobu uzavírání z grafu tu.

10. Grafy lze uložit: File – Export – zvolíme adresá�, kde chceme grafy uložit, zvolíme

p�íponu obrázku, tzn. *.bmp nebo *.jpg.

11. Dále zjistíme ustálený stav p�i uzav�eném ventilu

12. Poté provedeme m��ení pro uzavírání ventilu, tj. otev�eme uzavírací ventil, spustíme

m��ení a asi po 2 sekundách uzav�eme ru�n� ventil a vy�káme, dokud neprob�hne

m��ení

13. Výsledkem jsou 2 m��ení pro ustálený stav, tj. otev�ený ventil a uzav�ený ventil a

minimáln� 2 m��ení pro postupné uzav�ení ventilu, tj pro rychlé uzavírání ventilu a

pro pomalé uzavírání ventilu (cca 2 s).

Nam��ené hodnoty stav ventilu Vypo�ítané hodnoty tab. 5.1

M��ení �hc

[m]

tu

[s]

tp

[s] -

�pc

[Pa]

Q

[m3h-1]

v

[ms-1]

as

[ms-1]

�p

[Pa]

ustálený stav

1 - - otev�en - -

2 - - uzav�en - -

neustálený stav

3 - uzavírání

rychlé

4 - uzavírání

rychlé

5 - uzavírání

pomalé

pozn.: pro výpo�ty použijeme m�rnou hmotnost vody: � = 1000 kg.m-3.

Vyhodnocení m��ení

Pro výpo�et hydraulického rázu je nutné znát rychlost proud�ní v hadici. Tu lze vypo�ítat

z pr�toku potrubím Qv, který je úm�rný ztrátové výšce �hc (rozdílu tlak� �pc) na clon�.


Vyhodnocení nam��ených hodnot a dopln�ní tab. 5.1 lze tedy shrnout do následujícího

postupu:

1. Do rovnice cejchovní k�ivky 433,02424,0 xy = (viz obr. 5.5) dosadíme za prom�nnou

x rozdíl ztrátových výšek na clon� �hc [mm] a výpo�tem této rovnice získáme

hodnotu pr�toku Qv [m3h-1].

2. Rychlost proud�ní kapaliny v hadici vypo�ítáme z rovnice kontinuity:

24dQ

SQ

vSvQ vvv π==�=

3. Z grafu pr�b�hu tlaku p�i hydraulickém rázu ode�teme hodnotu periody jako

vzdálenost dvou sousedních maximálních nebo minimálních výchylek tlaku (pokud

jsme si uložili také soubor nam��ených dat do Excelu, lze ur�it periodu tp z tabulky, tj.

najdeme nejnižší tlak v první vln� a ur�íme dobu pro tento tlak t1. Pro druhou vlnu a

nejmenší tlak je ode�tená doba t2. Rozdíl ode�tených �as� udává hodnotu periody tp):

12 ttt p −=

Doba b�hu vlny je dána polovinou periody, tj. 2ptT =

4. Rychlost ší�ení tlakové vlny vypo�ítáme z délky potrubí l a z doby b�hu vlny:

T

las

.2exp =−

5. Vypo�ítáme zvýšení tlaku �p p�i hydraulickém rázu pomocí Žukovského vztahu:

vap s ∆ρ∆ .. exp−=

kde 0vvv −=∆ je rychlostní diference, v je rychlost proud�ní kapaliny p�i

otev�eném ventilu, 0v je rychlost proud�ní p�i uzav�eném ventilu (zpravidla nula)

a modul pružnosti ze vztahu

ρ2 exp−= saK

6. Pro teoretické ur�ení stoupnutí tlaku p�i hydraulickém rázu najdeme v literatu�e

rychlost ší�ení tlakové vlny v um�lohmotné trubici s kapalinou v rozmezí:

( ) 1m.s80020 −− ÷=litsa

a modul pružnosti ur�íme ze vztahu


ρ2 litsaK −=

Doba b�hu jedné vlny je:

litsal

T−

= .2

Do Žukovského vztahu pro hydraulický ráz dosadíme:

vap lits ∆ρ∆ .. −=

7. Výpo�et prove�te pro krajní hodnoty rychlosti ší�ení tlakové vlny, tj. 20ms-1 a 800ms-1.

8. Srovnejte nam��ené a vypo�tené hodnoty.

experiment literatura

doba uzavírání ventilu tu [s] - -

skute�ná rychlost zvuku as [ms-1]

doba b�hu vlny T [s]

modul pružnosti K [Pa]

tlak pro hydraulický ráz �p [Pa]

CD-ROM 5-Hydraulický_ráz.wmv

5.6. P�íklad m��ení hydraulického rázu

Po provedení m��ení hydraulického rázu dostaneme graf pr�b�h� tlak�, který je na obr.

5.6 a graf uzavírání ventilu tu = 4,2102 - 3,7047 = 0,5055s; obr. 5.7:


obr. 5.6 Hydraulický ráz

obr. 5.7 Doba uzavírání ventilu tu = 0,5055

Documents

5. Mení hydraulického rázu · 2016. 3. 20. · 5. Mení hydraulického rázu 5.2. Popis mícího zaízení Zkušební micí obvod je tvoen tmito prvky: nádrž na vodu (N), erpadlo