EKSPERIMENTALNA IN NUMERI ČNA ANALIZA …Temperatur, Kavitation, Thermografiekamera, Thermografie, Radialpumpen. UDK: 621.671:532.528(043.2) ZUSAMMENFASSUNG In der Diplom-Arbeit,

EKSPERIMENTALNA IN NUMERIČNA ANALIZA

PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA

OBRATOVALNEGA REŽIMA V RADIALNI

VODNI ČRPALKI Diplomsko delo

Maribor, januar 2010

Študent: Marko Grušovnik

Študijski program: Univerzitetni, Gospodarsko inženirstvo

Smer: Strojništvo

Mentor: redni. prof. dr. Andrej Predin

Mentor: redni. prof. dr. Duško Uršič

- II -

Vložen original

sklepa o potrjeni

- III -

I Z J A V A

Podpisani Marko GRUŠOVNIK izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom rednega.

prof. dr. Andreja PREDINA in somentorstvom rednega. prof. dr. Duška URŠIČA, ter

izr. prof. dr. Aleša Hribernika .

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor,14.1.2009 Podpis:

- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema rednemu prof. dr. Andreju

Predinu, rednemu prof. dr. Dušku Uršiču in so

mentorju izr. prof. dr. Alešu Hriberniku, dr. Ignaciju

Bilušu za njegovo pomoč in potrpežljivost, ter Mariu

Vetrihu, inž. el. za pripravo merilne proge.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

- V -

EKSPERIMENTALNA IN NUMERIČNA ANALIZA

PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA OBRATOVALNEGA

REŽIMA V RADIALNI VODNI ČRPALKI

Ključne besede:

temperatura, kavitacija, termografska kamera, termografija, radialne črpalke.

UDK: 621.671:532.528(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu smo predstavili problematiko pregrevanja vodne radialne črpalke

CN65/125 na merilni progi v laboratoriju za turbinske stroje. Pregrevanje vodne radialne

črpalke CN65/125 se pojavlja kot posledica kavitacije pri različnih režimih. Prikazali smo

dva načina odkrivanja povišane temperature vodne radialne črpalke. Meritev temperature

smo izvajali s termografsko kamero ter jo primerjali s kontaktnim termometrom. V opisu

metode termografije smo predstavili prednosti, ki jih ponuja merjenje z termografsko kamero.

Rezultati eksperimentalne raziskave so primerjani z numerično analizo prehodnega

kavitacijskega režima z lastno eksperimentalno raziskavo. Prikazali smo tudi vpliv

kavitacijske erozije na življenjsko dobo vodne radialne črpalke, ter nastale stroške ,ki jih

povzroči kavitacijska erozija.

- VI -

EXPERIMENTALE UND NUMERISCHE ANALYSE DES

ÜBERGANGS KAVITACON REGIMS EINER RADIALEN

WASSERPUMPE

Schlüsselworte:

Temperatur, Kavitation, Thermografiekamera, Thermografie, Radialpumpen.

UDK: 621.671:532.528(043.2)

ZUSAMMENFASSUNG

In der Diplom-Arbeit, präsentierten wir das Problem, der Überhitzung der Wasserpumpe

CN65/125, an der messungs- rute, im Labor für die Turbinen Maschinen. Als folge der

Kavitation, tritt in verschiedenen Anordnungen eine Überhitzung, der Wasserpumpe

CN65/125. Wir zeigen zwei Möglichkeiten zum Nachweis erhöhter Temperatur der

Radialpumpe. Die Temperatur-Messungen wurden mit termografischer Kamera durchgeführt

und mit der Messung des Kontakt-Thermometer verglichen. In der Beschreibung des

Thermografie-Verfahren präsentieren wir die Vorteile von der Messung mit der Thermo

Kamera. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden mit der numerischen

Analyse, des kavitations- Übergangs regims verglichen und mit unseren eigenen

experimentellen Studie. Wir zeigen auch die Auswirkungen der Kavitationerosion auf die

Lebensdauer von radialen Wasser Pumpen, sowie die Kosten die durch Kavitationerosion

entstanden sind.

- VII -

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

2 OPREDELITEV PODRČJA, OPIS PROBLEMA IN ZGODOVINA ........................ 3

2.1 OPREDELITEV PODROČJA .............................................................................................. 3

2.2 POGOJI ZA NASTOP KAVITACIJE ..................................................................................... 4

2.3 KAVITACIJSKI VRTINEC V SESALNEM VODU RADIALNE VODNE ČRPALKE ...................... 6

2.4 OPIS PROBLEMA PREHODNEGA KAVITACIJSKEGA REŽIMA ............................................. 8

2.4.1 Stabilnilni kavitacijski obratovalni režim ........................................................... 8

2.4.2 Nestabilni kavitacijski obratovalni režim ........................................................... 8

2.4.3 Prehodni obratovalni kavitacijski režim ............................................................. 9

2.5 ZGODOVINSKI PREGLED RAZISKOVANJA KAVITACIJE .................................................. 10

3 EKSPERIMENTALNA RAZISKAVA ....................................................................... 11

3.1 MERJENJE TEMPERATURE S TERMOGRAFSKO KAMERO ................................................ 11

3.2 GLAVNE ZNAČILNOSTI TERMOGRAFIJE ........................................................................ 11

3.3 TERMOGRAFSKE NAPRAVE .......................................................................................... 12

3.4 VPLIVI NA DELOVANJE IN TOČNOST MERITEV ............................................................. 12

3.5 SESTAVA TERMOKAMERE............................................................................................ 14

3.6 DELOVANJE TERMOKAMERE ....................................................................................... 16

3.7 OPIS NAPRAVE FLIR SYSTEMS THERMACAM E65 ...................................................... 18

3.8 MERJENJE PRETOKA TEKOČINE Z ELEKTROMAGNETNIM MERILNIKOM PRETOKA ......... 21

3.8.1 Opis naprave WATERMASTER (elektromagnetni merilnik pretoka) ............ 21

3.9 MERILNA PROGA ZA ZASLEDOVANJE KAVITACIJSKIH POJAVOV ................................... 23

3.10 MERILNA PROGA ......................................................................................................... 23

3.11 TEHNIČNI PODATKI ..................................................................................................... 25

3.12 REZULTATI IZVEDBE EKSPERIMENTOV ........................................................................ 27

3.12.1 Uporaba termografije pri merjenju temperature ............................................... 27

3.13 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN ATMOSFERSKEM TLAKU ........................................... 28

3.14 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,3ρ = − ................................................. 30

3.15 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,5ρ = − ................................................. 31

3.16 MERITEV PRI PRETOKU 0L/S IN PODTLAKU 0,7atmsρ ρ ρ= − ......................................... 33

- VIII -

3.17 PRIMERJAVA REZULTATOV TEMPERATURE MED KONTAKTNIM TERMOMETROM IN

TERMOKAMERO. .................................................................................................................... 34

4 MERITVE V PREHODNEM KAVITACIJSKEM REŽIMU ................................... 36

4.1 NUMERIČNA ANALIZA ................................................................................................. 36

4.2 ZAKONI OHRANITVE .................................................................................................... 39

4.2.1 Zakon ohranitve mase ....................................................................................... 39

4.2.2 Zakon ohranitve gibalne količine ..................................................................... 39

4.2.3 Konstitutivni model – zakon tečenja ................................................................ 40

4.2.4 Zakon ohranitve snovi ...................................................................................... 40

5 VPLIV KAVITACIJE NA ŽIVLJENJSKO DOBO IN STROŠKE VODNE

RADIALNE ČRPALKE ........................................................................................................ 41

5.1 KAVITACIJSKA EROZIJA .............................................................................................. 41

5.2 VRSTE KAVITACIJSKE EROZIJE .................................................................................... 42

5.3 DOLOČANJE STOPNJE KAVITACIJSKE EROZIJE .............................................................. 43

5.4 ŽIVLJENJSKA DOBA ROTORJA ...................................................................................... 47

5.5 STROŠKOVNA ANALIZA ............................................................................................... 48

6 ZAKLJUČEK ................................................................................................................. 51

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .......................................................................... 52

8 PRILOGE ........................................................................................................................ 53

- IX -

KAZALO SLIK

Slika 2.1:Obratovalne karakteristike črpalke pri različnih vrtilnih hitrostih

rotorja 1 2n n≥ Grist[5].......................................................................................................... 3

Slika 2.2 Potek tlaka in nastop kavitacije v kapljevinskem toku, Brennen [4] .......................... 5

Slika 2.3 : Pojav kavitacije ......................................................................................................... 5

Slika 2.4: Kavitacijski obratovalni režimi, Grist [8] .................................................................. 6

Slika 2.5: Hitrostne razmere ob pretokih, ki so različni od preračunskega oziroma optimalnega

pretoka,[9]........................................................................................................................... 7

Slika 2.6: Skica stabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist[5] ................................ 8

Slika 2.7 : Skica nestabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist [5] .......................... 9

Slika 2.8 : Skica prehodnega kavitacijskega obratovalnega režima Grist[5] ............................. 9

Slika 3.1: Setava termo kamer[13] ........................................................................................... 14

Slika 3.2 : Termogrfski posnetek .............................................................................................. 16

Slika 3.3 . Princip delovanja termografske kamere .................................................................. 17

Slika:3.4 : Termografska kamera proizvajalca FLIR Systems, TermaCam E65...................... 19

Slika 3.5 : Inovativna osmerokotna izvrtina Watermaster ....................................................... 22

Slika 3.6: Watermaster družina ................................................................................................ 22

Slika 3.7 : merilna proga .......................................................................................................... 24

Slika 3.8 : Dušilna krivulja črpalke pri n=2900 1min− ............................................................ 25

Slika 3.9 : Merilna proga v laboratoriju ................................................................................... 25

Slika 3.10 : Vakuumska črpalka Becker VT 4.4 tip D62A2 .................................................... 26

Slika 3.11 : Prikaz delovnega mesta z nameščeno termografsko kamero ................................ 27

Slika 3.12 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke ................................................... 28

Slika 3.13 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke .................................................... 30

- X -



Slika 3.16 : Kontaktni termometer ........................................................................................... 34

Slika 3.17 : Kontaktni termometer Metex M-4660-a ............................................................... 35

Slika 4.1 Diagram hitrosti toka skozi črpalko .......................................................................... 36

Slika 4.2 Diagram tlakov .......................................................................................................... 37

Slika 4.3 Kontrolna točka ......................................................................................................... 37

Slika 4.4 Graf naraščanja temperature ...................................................................................... 38

Slika 5.1 : Kavitacijske poškodbe na sfereoidni fazi :a), lamelni Fe strukturi b) .................... 41

Slika 5.2 : Stopnja erozije kot funkcija trdote HB - odpornosti materiala (KW) ..................... 44

Slika 5.3 : Kavitacijska erozija pri različnih materialih, [12] ................................................... 45

Slika 5.4 : Kavitacija v rotorskih kanalih ................................................................................. 46

Slika 5.5 : Življenjska doba črpalke pri različnih pretočnih režimih, [12] ............................... 47

- XI -

KAZALO TABEL

Tabela 3. 1 Emisivnost materialov [13].................................................................................... 13

Tabela 3. 2 : Tehnični podatki Thermacam E65 ...................................................................... 20

Tabela 3. 3 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in atmosferskem tlaku ...................................... 29

Tabela 3. 4 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0.3atm pρ ρ= − ................................. 30

Tabela 3. 5 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,5atmp p p= − ................................. 32

Tabela 3. 6 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,7atmp p p= − ................................. 33

Tabela 3. 7 : Stroškovna analiza ............................................................................................... 50

KAZALO GRAFOV

Graf 3. 1 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa.......................................................... 29




Graf 3. 5 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa merjeno z kontaktnim termometrom

.......................................................................................................................................... 35

- XII -

UPORABLJENI SIMBOLI

A - površina

a - konstanta

C - poljubna spremenljivka

CC - kapitalizirani stroški

C p - tlačni koeficient

pc min - najmanjši tlačni koeficient

D - snovska difuznost

d - premer oziroma karakteristična dimenzija pretočnega prereza

refd - Odvzem materiala referenčnega materiala

sloptd - povprečna debelina lopatice

RE - stopnja kavitacijske erozije

minf - gostota volumenske sile

F - Funkcija

sF��

- površinska sila

vF��

- volumenska sila

vF - volumenska sila

g - gravitacijski pospešek

H - črpalna višina

HKI - hidrodinamična kavitacijska inzenziteta

HB - trdota materiala črpalke

refHB - trdota referenčnega materiala

I - izviri in ponori

KW - kavitacijski odpor

K - Koeficient trdote

m� - masni pretok

- XIII -

n - število vrtljajev rotorja

, jn n�

- normala na površino

NPSH - neto pozitivna sesalna višina

p - tlak

p A - referenčni tok nemotenega toka

atmp - atmosferski tlak

1p - absolutni tlak na vstopu v črpalko

2p - tlak v zastojni točki

0,3p - pod tlak

0,5p - pod tlak

0,7p - pod tlak

pp - parcialni tlak pare

p vap - uparjalni tlak,

elP - električna moč

S - površina kontrolnega koeficient lepenja

0S - površina mirujočega kontrolnega volumna

tS - površinska napetost

t - Življenjska doba črpalke

T - temperatura

V� - volumenski pretok

U - referenčna hitrost nemotenega toka,

u�

, ju - hitrost

iu - časovno povprečni vektor hitrosti

0V - mirujoč kontrolni volumen

v - povprečna hitrost toka

x,y,z - koordinatne osi

- XIV -

GRŠKE OZNAKE

ijδ - Korenjakova delta funkcija

ε - disipacijska hitrost turbulentne kinetične energije

ijε - tenzor deformacijskih hitrosti

kkε - divergenca vektorja hitrosti

η - dinamična viskoznost

Lη - dinamična viskoznost kapljevite faze

ρ - gostota

σ - kavitacijsko število

ijτ - tenzor viskoznih napetosti

sτ - strižne napetosti

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

Skozi zgodovino je bila prav človekova radovednost tista gonilna sila, ki je pomembno

vplivala na tehnološki razvoj, saj je človek že od nekdaj skušal najti odgovore na

nepojasnjena vprašanja.

Energijo vode je človek izkoriščal že v davnih letih pred našim štetjem. Kolesa na vodni

pogon so uporabljali že Rimljani okoli leta 70 pr. n. št. Sodobne vodne turbine so zelo

izpopolnjene in danes dosegajo velik izkoristek. Obraten princip delovanja turbine

predstavljajo črpalke, ki jih najdemo skorajda v vsakem prostorju pri transportu vseh vrst

kapljevin, plinov ali pri transportu medija za prenos toplote.

Življenjska doba črpalk je pogosto zelo skrajšana zaradi pojava kavitacije. Pojem kavitacija

opisuje pojav in aktivnost mehurčkov v tekočini. V realnosti je proces zelo zapleten in

odvisen od več dejavnikov in se pojavlja ne samo v radialnih črpalkah, ampak tudi v turbinah,

pri ladijskih vijakih, torpedih, cevovodih. Kavitacija povzroča slabši izkoristek, hrup,

vibracije in poškodbe materiala, kar ni zaželeno pri zagotavljanju življenjske dobe sistema.

Kavitacija opisuje prehod kapljevite faze v parno in nazaj. Razlog za pojav kavitacije je

krajevno zmanjšanje tlaka, kjer ostane temperatura medija približno nespremenjena. Soroden

pojav, kjer je vzrok uparjanja povišana temperatura medija ob približno nespremenjenem

tlaku, imenujemo vretje. Oba procesa sta predstavljena v p T− in p ν− diagramih. Pri obeh

pojavih pride do izločanja pare in plinov, ki so raztopljeni v kapljevini v obliki mehurčkov.

Za raziskave je verjetno najzanimivejša zadnja stopnja kavitacijskega mehurčka – faza

kolapsa oziroma implozije, ki nastopi zaradi lokalnega povišanja tlaka. Mehurček se sesede

sam vase, prazen prostor pa zapolni okoliška kapljevina. Pri tem pride do tlačnega vala, ki

lahko neposredno ali posredno poškoduje bližnjo trdno površino.


- 2 -

Glede na nastanek ločimo štiri vrste kavitacije:

– hidrodinamična kavitacija – povzroči jo geometrija obtekajočega telesa (profil, lopatica

rotorja, propeler;

– akustična kavitacija – povzročijo jo zvočni valovi, ki se širijo po tekočini;

– optična kavitacija – povzročijo jo fotoni oziroma laserska svetloba;

– kavitacija delcev – povzročijo jo drugi elementi, delci (protoni).

Hidrodinamična in akustična kavitacija splošneje nastaneta zaradi napetosti v tekočini,

medtem ko optična kavitacija in kavitacija delcev nastaneta zaradi lokalno dovedene energije.

Najenostavnejši definirani pogoj za nastanek kavitacije je:

min pp p=

Kjer je minp minimum statičnega tlaka (v časovnem ali prostorskem okviru) in pp uparjalni

tlak tekočine.

Po današnjem poznavanju je klasična predstava, da se izparevanje tekočine začne, ko na

določenem mestu v toku okoliški tlak pade na nivo parnega tlaka tekočine. To pa je bolj

izjema kot pravilo. V praksi je določitev pogojev za nastanek kavitaciije zahtevana, saj na

,minpc vplivajo učinki, ki jih je težko določiti (trenje, mejna plast, turbulenca …). Na drugi

strani iσ ni odvisna le od temperature tekočine, ampak tudi od drugih parametrov (količine

raztopljenih plinov).


- 3 -

2 OPREDELITEV PODRČJA, OPIS PROBLEMA IN

ZGODOVINA

V tem poglavju bomo predstavili problem segrevanja radialne vodne črpalke v prehodnem

kavitacijskem obratovalnem režimu , ter kako so gledali na kavitacijo v zgodovini in kako

nanjo gledajo zdaj.

2.1 Opredelitev področja

Obratovalne karakteristike radialne črpalke, ki obratuje v normalnem obratovalnem režimu

(brez kavitacije) predstavljajo osnovo, iz katere ugotavljamo spremembo, oziroma padec,

karakteristik v režimih, ko imamo opravka s kavitiranjem toka v črpalki.

Kavitacija je proces uparjanja v tekočinskem toku, ki nastopi pri padcu tlaka pod uparjalni

tlak črpane kapljevine. Kavitacijo v črpalki lahko razdelimo v več faz, in sicer od faze

nukleacije, rasti in implozije majhnih mehurčkov, preko faze čepastega toka, do primera, ko

pride zaradi prevelikega volumskega deleža plinaste faze do prekinitve črpanja oziroma

dobave medija. [9]

Črpalke večinoma obratujejo s konstantno vrtilno hitrostjo. Na sliki 2.1 so prikazane klasične

obratovalne karakteristike za dve vrtilni hitrosti rotorja, in sicer 1 2n n≥

Slika 2.1:Obratovalne karakteristike črpalke pri različnih vrtilnih hitrostih rotorja 1 2n n≥ Grist[5]


- 4 -

Obratovanje črpalke v kavitacijskem obratovalnem režimu je lahko povezano s padcem

obratovalne karakteristike (črpalne višine), s fluktuacijskimi gibanji in s kavitacijsko erozijo.

Vse našteto je seveda nezaželeno, zato se moramo izogniti obratovanju v kavitacijskem

režimu in poznati zapletene pojave in učinke, ki spremljajo ta proces. Kavitacijske

obratovalne karakteristike pri manjšanju volumskega pretoka skozi črpalko lahko v področju

pri optimalnih pretokih opazimo tri različne obratovalne režime, ki jih imenujemo stabilni,

nestabilni in prehodni kavitacijski obratovalni režim.

Najpomembnejši je stabilni obratovalni režim. Če pa je črpalka ali sistem, v katerega je

črpalka priključena, nepravilno dimenzioniran, nastopi možnost pojava ostalih dveh režimov.

2.2 Pogoji za nastop kavitacije

Na nastanek kavitacije vpliva veliko število parametrov, ki jih lahko razdelimo v tri skupine:

- hidravlični parametri: hitrost, fluktuacija hitrosti, turbolenca, tlak, fluktuacija tlaka,

oblika, orientacija, hrapavost;

- lastnosti tekočine: viskoznost, parni tlak, površinska napetost, i koeficent difuzivnost,

topnost plinov, toplotna prevodnost v plinu, toplotna prevodnost v tekočini, toplotna

kapaciteta v plinu, toplotna kapaciteta v tekočini;

- kvaliteta tekočine: količina raztopljenih plinov, porazdelitev velikosti mehurčkov,

koncentracija mehurčkov, natezna obremenitev delcev, kavitacijska občutljivost.

Obravnavajmo stacionarni enofazni tok newtonske tekočine s konstantno gostoto, hitrostjo

in tlakom v smeri tokovnic. Označimo referenčno hitrost nemotenega toka z U in referenčni

tlak nemotenega toka s Ap . V poljubni točki x definiramo tlačni koeficient, [9]:

21

2

Ap

p pC

rU

−=

(2.1)

Kapljevinski tok ima neko vrednost tlačnega koeficienta, ki je lahko pod pogojem Ap p< tudi

negativna; žal pa ne daje informacij o kavitacijskih razmerah. Iz tega razloga vpeljemo

kavitacijsko število:


- 5 -

21

2

VAPp p

Uσ

ρ

−=

(2.2)

kjer vapp predstavlja uparjalni tlak kapljevine.

Slika 2.2 Potek tlaka in nastop kavitacije v kapljevinskem toku, Brennen [4]

Slika (2.2) prikazuje z x• označeno mesto v toku , kjer je tlačni koeficient minimalen

,minp pC C< − . Za rast parnega mehurčka oziroma razvoj kavitacije mora biti za dovolj dolg

časovni interval izpolnjen naslednji pogoj: ,minpCσ < −

Slika 2.3 : Pojav kavitacije


- 6 -

2.3 Kavitacijski vrtinec v sesalnem vodu radialne vodne črpalke

Pri radialnih črpalkah je najbolj ogrožen del vstopni rob rotorskih lopatic oziroma vstopno

ustje rotorja. To velja posebej v primeru, ko črpalka ne obratuje v optimalni oziroma

preračunski točki rotorja. Pri tem obratovalnem režimu prihaja do nepravilnega vstopa toka v

rotorske kanale, spremeni se vstopni kot, zaradi česar prihaja tudi do spremembe tlakov, toka

predvsem na zgornji (sesalni) in spodnji(tlačni) strani rotorske lopatice na vstopnem robu.

Posledice delovanja kavitacije v toku tekočine se kažejo na znižanju obratovalnih parametrov,

predvsem v zmanjšanju pretoka ter razmeroma hitrem in velikem znižanju črpalne višine.

Kavitacijski mehurčki v toku, oziroma vodna para v toku, zmanjšajo aktivni pretočni prerez

in povzročijo padec tlaka, saj enofazni tok preide v dvofaznega. Tlak se zniža na vrednost

uparjalnega tlaka ali še bolj. Na sliki (2.4 a) so obratovalni režimi prikazani v odvisnosti od

pretoka skozi črpalko. [2]

Slika 2.4: Kavitacijski obratovalni režimi, Grist [8]


- 7 -

Občutljivost črpalke na kavitacijo ocenjujemo na podlagi več ocen. Največkrat se uporablja

splošno veljavna ocena z NSPH številom:

21 1 ,

2atm upr

cs

p p p cNSPH Z h

g gρ

+ −= − − − ∆

⋅ ⋅ (2.4)

Slika 2.5: Hitrostne razmere ob pretokih, ki so različni od preračunskega oziroma optimalnega

pretoka,[9]

NSPH vrednost kot kriterij kavitacije. Sprememba vrednosti NSPH ob vstopu v črpalko ima

za posledico razliko v tlaku in rast ter kolaps mehurčkov v vodi. Metoda NSPH vrednosti, ki

je na splošno sprejeta v industriji, predstavlja spremenljivo bazo, na podlagi katere lahko

kvantitativno določimo vrednost NSPH, da zmanjšamo uničujočo stopnjo kavitacije.

Preprečuje erozijo materiala in hidravlične izgube.


- 8 -

2.4 Opis problema prehodnega kavitacijskega režima

2.4.1 Stabilnilni kavitacijski obratovalni režim

V stabilnem obratovalnem režimu (slika 2.6) mehurčki nastajajo in implodirajo v rotorskem

kanalu, zaradi česar je rotor izpostavljen udarnemu delovanju in kavitacijski eroziji. Tok skozi

rotorski kanal je pretežno enosmeren, kar pomeni, da se v opazovanem kontrolnem volumnu

delež prostornine mehurčkov ne spreminja s časom. [9]

Makroskopsko gledano je tekočinski tok v takem obratovalnem režimu stabilen, saj je časovni potek tlaka na ustju črpalke konstanten (slika 2.4 b).

Slika 2.6: Skica stabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist[5]

2.4.2 Nestabilni kavitacijski obratovalni režim

Nestabilni kavitacijski režim oziroma hidrodinamično vzbujana nihanja – fluktuacije toka,

nastopijo kot posledica premajhnih pretokov, lahko tudi skupaj z nezadostno neto pozitivno

sesalno višino. V tem režimu se pojavi močno recirkulacijsko gibanje znotraj rotorja, ki

inducira spiralno gibanje mehurčkov v vstopnem cevovodu, kot je prikazano na sliki (2.7).

Tlak na ustju turbočrpalke lahko zelo pulzira (slika 2.4 b), kar še bolj razširi kavitacijsko

prerotacijski vrtinec v vstopni cevovod. Amplituda tlačnih pulzacij je močno odvisna od rasti

oz. implozije mehurčkov v rotorju (odvisnost od NPSH) in od prerotacije toka (odvisnost od

vstopne geometrije rotorja in sesalnega cevovoda). [9]


- 9 -

2.4.3 Prehodni obratovalni kavitacijski režim

Skušali bomo rešiti problem, ki nastane pri prehodnem kavitacijskem režimu naraščanja

temperature v vodni radialni črpalki.

Prehodni obratovalni režim (slika 2.8) nastopi, ko je pretok skozi črpalko minimalen oziroma

enak nič in govorimo o termodinamičnih fluktuacijah toka. Režim je spremenljiv, saj se

temperatura zaradi mešanja tokovnih plasti v vstopni in izstopni cevi kontinuirano dviga. Če

zadržujemo volumetrično ekspanzijo, je mehanizem uparjanja povezan s tlačnim porastom.

Rezultat segrevanja in volumetrične rasti parne faze je povezan z izmenično rastjo in

implozijo mehurčkov in s tem z rastočimi tlačnimi impulzi. Tlak na vstopu v črpalko lahko v

skrajnem primeru preseže trdnost črpalke in vstopnega cevovoda.

Slika 2.8 : Skica prehodnega kavitacijskega obratovalnega režima Grist[5]

Slika 2.7 : Skica nestabilnega kavitacijskega obratovalnega režima, Grist [5]


- 10 -

2.5 Zgodovinski pregled raziskovanja kavitacije

Prvi, ki je poročal o opazovanju kavitacije, je bil verjetno Newton, ki je v svoji knjigi Optiks

leta 1704 omenjal nastanek mehurčkov v področju nizkega tlaka med lečo in ravnim steklom.

Newton se ni zavedal, da so se mehurčki izločili iz vode zaradi znižanega tlaka. [11]

V devetnajstem stoletju so inženirje močno begali ladijski vijaki, ki so se v določenem

trenutku zavrteli v prazno, čeprav je to v svojem delu na teoriji turbinskih strojev leta 1754

predvidel Euler. Reynolds je leta 1873 z modelom ladjice pokazal, da se za vijakom pojavijo

mehurčki tudi takrat, ko je v celoti potopljen. Opazil pa je, da se mehurčki ne pojavijo, če je

vijak dovolj globoko pod vodo. [11]

Barnaby, Parsons in Thornycroft so leta 1893 pojav razložili in v članku prvič omenili pojem

kavitacija. (Predlog za ime je dal Froude: lat. cavitas – votlina, prazen prostor.)

Leta 1895 je dal Parsons izdelati prvi kavitacijski tunel, v katerem je preizkušal modele

ladijskih vijakov. [11]

Thoma je okoli leta 1925 predlagal brezdimenzijski parameter, ki opisuje kavitacijsko stanje –

tako imenovano kavitacijsko število σ (Th).

Prvi zagon so raziskave kavitacije dobile po letu 1940. Tehnologija je končno dopuščala

snemanje pojava pri velikih hitrostih. Knap je uspel s kamero, ki je zmogla 20000 slik v

sekundi, posneti posamezne dogodke v razvoju kavitacije.

Eksperimentalni rezultati so spodbudili nadgradnjo teorije dinamike mehurčkov, ki jo je leta

1917 postavil Rayleigh. Plesset je teorijo dopolnil leta 1949 – najosnovnejša enačba, ki je

doživela še mnogo izboljšav, se zdaj imenuje Rayleigh-Plessetova enačba dinamike

mehurčkov. [11]

V zadnjem desetletju so ob razvoju računalnikov prišle do izraza nekonvencionalne

eksperimentalne študije, na primer računalniško podprta vizualizacija, meritve hitrosti polj in

deležev parne faze v kavitirajočem toku. Vse večji pomen pridobivajo tudi kompleksne

numerične raziskave kavitirajočih tokov. [11]


- 11 -

3 EKSPERIMENTALNA RAZISKAVA

Kljub nenehnemu napredku na področju teoretične in računalniške mehanike fluidov je

eksperimentalni pristop še vedno nepogrešljiv pripomoček za preučevanje tokovnih pojavov v

hidravličnih sistemih. Za ta namen je v laboratoriju za turbinske stroje postavljena merilna

proga, na kateri smo opravili potrebne meritve. Z rezultati eksperimentov bomo določili

spremembe temperature pri nastanku kavitacijskega vrtinca in pri pretokih brez kavitacije.

Potreba po poenostavitvi in prihranku časa pri postopku meritve temperature nas je pripeljala

do uvedbe merjenja temperature s termografsko kamero in uporabe vrhunskega pretokometra.

Uporabljali bomo termovizijsko kamero modela ThermoCAM E65. Za meritve pretoka bomo

uporabljali elektromagnetni pretokomer Watermaster.

3.1 Merjenje temperature s termografsko kamero

Vsa telesa sprejemajo ali oddajajo elektromagnetno (EM) sevanje kot funkcijo njihove

temperature. Termovizijske naprave, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne

kamere, so človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v infrardeči del

spektra, tako da z njimi lahko sprejemamo in zaznavamo energijo infrardečega dela EM

sevanja. To omogoča brezkontaktno merjenje temperatur različnih teles in porazdelitev

temperature na merjencu. Opisana lastnost omogoča lociranje najbolj vročih točk

opazovanega sistema, ki so povečini posledica slabega delovanja ali poškodovanega

materiala. Uporaba infrardeče termografije postaja v celotnem spektru industrije, pa tudi v

vsakdanjem življenju, nepogrešljivo orodje za preprečevanje okvar na strojih, za odkrivanje

napak na električnih daljnovodih in nenazadnje za zmanjševanje porabe energije za potrebe

ogrevanja.

3.2 Glavne značilnosti termografije

Termografija je, kratko povedano, tehnika vizualizacije porazdelitve temperature na

merjencu. To lahko opravimo z uporabo različnih pripomočkov in naprav. Najceneje, zato pa

tudi dolgotrajno, je ročno merjenje temperature v izbranih točkah s cenenim kontaktnim ali


- 12 -

nekontaktnim točkovnim termometrom in posledično grafični prikaz na ta način pridobljenih

rezultatov. V termografiji danes uporabljajo termovizijo praktično povsod, kjer se med nekim

procesom tvori ali prenaša toplota, saj se s tem spreminja tudi temperatura in njena

porazdelitev. S termografsko kamero hitro, enostavno in zanesljivo najdemo šibka mesta v

sistemu za prenos energije. Američani so izkustveno ugotovili, da v 345 kV prenosnem

sistemu s termokamero najdejo šibka mesta, ki predstavljajo veliko potencialno nevarnost, v

nekaj tednih, medtem ko bi jih z drugimi metodami lahko iskali neprimerno dalj časa. [13]

3.3 Termografske naprave

Termografske naprave, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne kamere, so

človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v infrardeči del spektra. Po

delovanju se prav nič ne razlikujejo od običajnih TV videokamer, le da toplotno sliko

spremenijo v vidno. Medtem ko je vidna slika predvsem rezultat razlik v reflektivnosti teles in

je za njen nastanek nujno potrebna osvetlitev, bodisi z naravno ali pa z umetno svetlobo, je

toplotna slika predvsem posledica lastnega sevanja in razlik v emisivnosti. Prav v tem pa tiči

razlog za izredno razširjeno uporabo termovizije na vseh področjih človekovega delovanja.

Uporabnost termovizijskih naprav je omejena na območje »atmosferskih oken«, to je na tisti

del spektra infrardečega (IR) sevanja, ki ga ozračje prepušča v zadovoljivi meri.

Najpomembnejši za termovizijo sta okni v območju valovnih dolžin med 3 in 5 ter med 8 in

14 mikrometri. [13]

3.4 Vplivi na delovanje in točnost meritev

IR sevanje se pri prehodu skozi ozračje oslabi zaradi absorpcije in sipanja na molekulah,

aerosolih, dimu, prahu, dežju in snegu. Poznavanje mehanizmov, predvsem pa stopnje

slabljenja sevanja, je zelo pomembno s stališča uporabe termovizijskih naprav v vojaške

namene. Pri uporabi termokamer za nekontaktno merjenje temperature na večjih razdaljah se

mora upoštevati slabljenje ozračja, sicer so izmerjene vrednosti premajhne. Za laboratorijske

razdalje do nekaj deset metrov se slabljenja ozračja ne upošteva. V našem primeru je bila

kamera od merjenca oddaljena 0,5 m, zato smo vpliv ozračja zanemarili. Različni materiali


- 13 -

imajo tudi različen faktor sevanja oziroma emisije. Črno telo, ki je idealni sevalec, seva

največji možni energijski tok, kar pomeni, da je njegova emisivnost enaka 1. Pri merjenju

temperature teles s stopnjo emisivnosti manjšo od 1 moramo zelo paziti, da se v njih ne zrcali

kakšno telo z višjo temperaturo, kot jo ima merjenec. V tem primeru bi namreč preko

zrcaljenja merili višjo temperaturo. Natančno določanje emisivnosti je zamudno delo in

zahteva drago opremo.

Zato je najbolje, da pri delu s termovizijo uporabljamo podatke o emisivnosti iz dostopne

strokovne literature – v našem primeru priročnik proizvajalca FLIR. [14]

Omenjene podatke emisivnosti za nekaj karakterističnih materialov prikazujemo v tabeli 3.1.

Tabela 3. 1 Emisivnost materialov [13]


- 14 -

3.5 Sestava termokamere

Glavni sestavni moduli termokamere so:

• optika,

• detektor (s skenerjem in hladilnikom pri starejših termokamerah),

• elektronika,

• prikazovalnik slike.

Slika 3.1: Setava termo kamer[13]

prikazovalnik

detektor

optika

elektronika


- 15 -

Optika

Ta ima pri termokamerah nalogo, da ustvari čim boljšo sliko scene. Konstruirana in izdelana

je po enakih principih kot optika za vidno svetlobo, od nje se razlikuje le z nekaj posebnostmi,

ki pa zelo grenijo življenje izdelovalcem. Materiali, iz katerih je izdelana, so prav posebni,

tako po lastnostih, kot tudi po ceni. Med številno izbiro je najbolj znan germanij. Uporablja se

praktično v vseh napravah, ki sprejemajo infrardeče (IR) sevanje v pasu od 8 do 14

mikrometrov [13].

Detektor

Detektor je srce termovizijske naprave, saj IR sevanje scene, ki ga vanj usmerjata optika in

skener, pretvarja v električne signale. Njemu je podrejena celotna zasnova naprave. Določa,

kakšna bo optika, kako bo konstruiran skener, kaj bo počela elektronika, kakšna bo

občutljivost in ne nazadnje kolikšna bo cena. Detektor je namreč najdražji element. Cena

narašča premo sorazmerno s kvaliteto in številom senzorskih elementov. Današnji fotonski IR

detektorji za spekter od 8 do 14 mikrometrov se morajo ohladiti na temperaturo vsaj 80 K.

Tehnike hlajenja so različne, najpreprostejša je uporaba tekočega dušika, ki pa se praktično ne

izvaja več. V modernih termokamerah s fotonskimi detektorji se ti hladijo z miniaturnimi

Stirlingovimi hladilniki. [15]

Elektronika

Elektronika opravlja veliko nalog. Poganja in nadzira motorje skenerja, če jih kamera seveda

ima, ojačuje mikrovoltne signale detektorjev in jih obdeluje ter predeluje s prijemi, ki so enaki

tistim v televizijski tehniki.

Prikazovalnik

Prikazovalniki termovizijske slike so pri napravah starejše generacije iz svetlečih diod – LED,

ki sevajo rdečo ali zeleno svetlobo, operater pa opazuje sliko skozi optiko okularja. Dinamika

in kvaliteta slike prikazovalnikov LED pa nista tako dobri, kot ju daje katodna elektronika in

to je eden od razlogov za njeno uporabo v 30 prikazovalnikih naprav novejše generacije. Pri

tem svoj delež seveda prispeva tudi vse tesnejše povezovanje termografske kamere in

računalnika.


- 16 -

3.6 Delovanje termokamere

Termografska kamera je brezkontaktna naprava, ki zaznava energijo infrardečega sevanja

(toploto) in jo spremeni oziroma konvertira v elektronski signal, ki je potem predelan do take

mere, da tvori termično sliko, ki jo je mogoče videti na nekem prikazovalniku oziroma

monitorju. Toplota, ki jo kamera posname, pa je zelo natančno določena oziroma izmerjena,

kar nam dopušča ne le opazovanje termičnega odziva, temveč tudi razpoznavnost in možnost

natančne ocene resnosti problemov, povezanih s temperaturo. Termokamera se lahko

uporablja kot samostojen, direktni merilni instrument. V tem primeru s programom, ki je

vgrajen v termokamero, na licu mesta izmerimo parametre, ki nas zanimajo. Rezultati se

prikažejo na vgrajenem monitorju (prikazovalniku) in so superponirani termični sliki.

Sp1

11.5

57.0 °C

20

30

40

50

FLIR Systems

Slika 3.2 : Termogrfski posnetek


- 17 -

Sp1

11.5

57.0 °C

20

30

40

50

FLIR Systems

Slika 3.3 . Princip delovanja termografske kamere

Slika (3.3) prikazuje princip delovanja termografske kamere. Kot je z nje razvidno, v okolici

predmeta seva EM (elektromagnetno) valovanje. Preko optike na kameri se zbira infrardeče

sevanje, ta pa ga usmerja na infrardeči detektor. Infrardeči detektor jakost infrardečega

sevanja spremeni v električni signal. Elektronika v kameri poskrbi za procesiranje signala do

take mere, da je uporaben za vizualizacijo na prikazovalnikih oziroma monitorjih.


- 18 -

3.7 Opis naprave FLIR Systems ThermaCam E65

V našem primeru smo za merjenje temperature uporabljali termokamero proizvajalca FLIR

Systems, ThermaCam E65. Termokamera ThermaCam E65 je namenjena nekontaktnemu

merjenju temperaturnih polj v realnem času.

Njene značilnosti in prednosti so:

• majhne dimenzije in masa,

• majhna poraba električne energije,

• enostavna uporaba,

• velika stopnja fleksibilnosti,

• nezahtevno vzdrževanje,

• dolga življenjska doba,

• video izhod kompatibilen z EIA, VGA in PAL standardi,

• najmodernejša tehnologija,

• matrični mikrobolometrski IR detektor, ki ga ni treba hladiti,

• velika temperaturna občutljivost (< 0,15 K),

• elektronska analiza (skeniranje) termične slike,

• vgrajena videokamera.


- 19 -

Naprava, ki smo jo uporabljali za merjenje temperature vodne radialne črpalke pri prehodnem

kavitacijskem obratovalnem režimu je na sliki (3.4).

Slika:3.4 : Termografska kamera proizvajalca FLIR Systems, TermaCam E65

V nadaljevanju je predstavljena tabela 3.2, ki prikazuje osnovne tehnične značilnosti

termokamere in njihove vrednosti.


- 20 -

Tabela 3. 2 : Tehnični podatki Thermacam E65

TEHNIČNA ZNAČILNOST VREDNOST

Spektralno območje delovanja 7,5 – 13 mikrometrov

Tip IR detektorja Matrični, 320 × 240 elementov, nehlajen

Vidno polje 24 × 18 °(H × V) (s standardno optiko)

Trenutno vidno polje 1,3 mrad

Točnost merjenja 2 %, ali 2 K, odvisno od obsega

Optika Germanijeva, izmenljiva, po izbiri

Video izhod EIA, CCIR, VGA

Monitor LCD, barvni, 1 inčni premer

Območje merjenja(kalibrirano) −20 °C do 500 °C, opcija do 1500 °C

Temperaturno območje delovanja −15 °C do 50 °C

Temp. območje skladiščenja −40 °C do 70 °C

Masa 2,3 kg z baterijo

Velikost 220 × 133 × 140 mm

Čas delovanja 1,5 ure z eno baterijo

Dinamika termične slike 14 bit


- 21 -

3.8 Merjenje pretoka tekočine z elektromagnetnim merilnikom pretoka

»Meri vse, kar je merljivo, to, kar ni merljivo, napravi, da bo merljivo.« (Galileo Galilei,

1564–1642). [8]

Pretok je količina vode, katera preteče v enoti časa skozi prečni profil nekega naravnega ali

umetnega vodotoka. Pretok, merjen po vodi navzdol, se imenuje odtok. Pretok ali odtok se

izraža v 3m /s ali v l/s. V cevovodih pod tlakom uporabljamo za merjenje pretoka razne vrste

merilnih naprav. Poraba vode v nekem časovnem intervalu se meri preko raznih vrst

merilnikov pretokov, kateri registrirajo celotni pretok. [8]

3.8.1 Opis naprave WATERMASTER (elektromagnetni merilnik pretoka)

Podjetje ABB izdeluje popolne elektromagnetne merilnike pretoka za vodne sisteme. Podjetje

nima tekmeca v svojem obsegu, saj izdeluje vrhunske izdelke. ABB ponuja najbolj celovito

paleto izdelkov za merjenje pretoka. Flovmaster družina izdelkov ponuja veliko število

preizkušenih metod merjenja različnih modelov in področja uporabe. V svojo paleto izdelkov

vključuje tudi izdelke Watermaster elektromagnetni merilniki pretoka.

WaterMaster prinaša hitro, preprosto in enostavno uporabo izdelka, zapolni vrzeli

konkurenčnih proizvodov, ker je enostavno najboljša rešitev merjenja pretoka, ki je danes na

voljo. Uporabljajo inovativen osmerokoten senzor, kateri natančno meri pretok v profilu cevi.

Uporabljali smo izdelek iz družine Watermaster DN50 Q63 ( 3 /m h ).


- 22 -

Slika 3.5 : Inovativna osmerokotna izvrtina Watermaster

Učinkovitost so izboljšali s prenosom digitalnih signalov DSP (Digital Signal Processing).

DSP omogoča, da je meritev v realnem času maksimalno zanesljiva. DSP omogoča oddajniku

ločiti pravi signal iz hrupa, zato zagotavlja visoko kakovost, zlasti v težkih okoljih, ki

vsebujejo vibracije, hrup in hidravlično nihanje temperature. Izdelek se tudi sam kalibrira, po

edinstvenem konceptu podjetja ABB.

Slika 3.6: Watermaster družina


- 23 -

3.9 Merilna proga za zasledovanje kavitacijskih pojavov

Z namenom preučevanja kavitacije smo v Laboratoriju za turbinske stroje postavili merilno

progo za snemanje kavitacijskih karakteristik črpalk. Namen merilne proge je uskladiti

rezultate teoretičnih izsledkov z rezultati eksperimenta, ki zajemajo tudi sekundarne pojave,

nepravilnosti in motnje, ki se pojavljajo med dejanskim tokom skozi črpalko in jih je v

teoretičnih analizah težko zajeti.

3.10 Merilna proga

Merilna proga je izdelana v skladu s priporočili za izvajanje kavitacijskih testov s

spreminjanjem NPSH po ISO 2548. Sistem je zaprtega tipa, v katerem radialna črpalka (slika

3.7 poz. 1) črpa vodo iz rezervoarja (poz. 2) po sesalnem cevovodu (poz. 3) in jo vrača v

rezervoar po tlačnem cevovodu (poz. 4). V sistemu je z vakuumsko črpalko (poz. 5) možno

spreminjanje tlaka nad spodnjo vodno gladino in s tem posredno tudi spreminjanje sesalne

višine. Ker je merilna proga namenjena snemanju kavitacijskih karakteristik črpalk,

namenjenih za obratovanje v različnih pogojih, je v rezervoarju še uporovni električni grelec

(poz. 6). Za boljši vpogled in razumevanje dogajanja v kavitacijskih obratovalnih režimih je

na vstop v turbočrpalko nameščena prozorna cev (poz. 7). Pretok lahko dušimo v sesalnem in

tlačnem cevovodu, in sicer z ventili (poz. 8), volumski pretok pa merimo z zaslonko (poz. 9),

izdelano po standardu DIN 1952.

Vibracije, ki so posledica necentričnosti in neuravnoteženosti pogonskega sistema, dušimo z

amortizerjem (poz. 10) in jih s tem ne prenašamo na črpani medij. Za odplinjevanje toka skrbi

poseben vod (poz. 11), ki se konča z razpršilcem v rezervoarju. Elektromotor (poz. 12) je

povezan s turbočrpalko preko gredi za merjenje navora (poz.13) in elastične sklopke (poz.

14). [2]


- 24 -

Slika 3.7 : merilna proga

S kombinacijo različnih podtlakov nad spodnjo vodno gladino in dušenjem pretoka lahko tako

določamo točko začetka kavitacije in razvoj kavitacijskega vrtinca pri različnih obratovalnih

pogojih.

S prozorno cevjo (poz. 7) je omogočena tudi vizualizacija, z merilnimi točkami na njej pa

frekvenčna analiza kavitacijskega vrtinca.


- 25 -

3.11 Tehnični podatki

Črpalka

Rotor centrifugalne turbočrpalke Litostroj, tip CN 65/125, je izdelan iz PCuSn14. Izveden je s

šestimi, nazaj ukrivljenimi lopaticami, obratovalne karakteristike pa so prikazane na sliki 3.9.

Slika 3.8 : Dušilna krivulja črpalke pri n=2900 1min−

Pogonski agregat

Turbočrpalko poganjamo z elektromotorjem Elektrokovina, tip TE 132 SB2B3 (slika 3.9), na

katerega je priključen frekvenčni regulator Hitachi L100, s katerim spreminjamo število

vrtljajev.

Slika 3.9 : Merilna proga v laboratoriju


- 26 -

Vakuumska črpalka

Trifazna vakuumska črpalka, Becker VT 4.4, tip D62A2P, lahko pri minimalnem pretoku

dosega podtlak 0,85 bar, s čemer lahko spreminjamo tlak nad spodnjo gladino in s tem

posredno neto pozitivno sesalno višino.

Slika 3.10 : Vakuumska črpalka Becker VT 4.4 tip D62A2


- 27 -

3.12 Rezultati izvedbe eksperimentov

3.12.1 Uporaba termografije pri merjenju temperature

V ta namen smo termografsko kamero namestili približno 2 m od ohišja vodne radialne

črpalke in tako merili temperaturo. Slika (3.11) prikazuje delovno mesto, ki je opremljeno z

merilno napravo in merjencem.

Slika 3.11 : Prikaz delovnega mesta z nameščeno termografsko kamero

Temperaturo smo merili pri različnih pretočnih režimih. Nad rezultati meritve smo bili zelo

presenečeni, saj smo domnevali, da bo temperatura naraščala pri vseh pretokih in podtlakih,

ampak temperatura se je dvigovala le pri pretoku 0L/s in ( atmρ ρ= ) ter podtlakih

( 0.3atm pρ ρ= − , 0,5atmp p p= − , 0,7atmp p p= − ), kjer nastane kavitacija, zaradi katere se začne

ohišje radialne vodne črpalke hitro segrevati. Pri meritvah, ki smo jih opravili, se je ohišje

segrelo do skoraj 53 °C. Ko nastane minimalen pretok, se kavitacija zmanjša, pri večjih

pretokih izgine in vodna radialna črpalka se ohladi na temperaturo, ki niha med 17 °C in 20

°C. Nihanje nastane, ker se termografska kamera sama kalibrira.

Ugotovili smo, da se le pri izoblikovani kavitaciji vodna radialna črpalka močno segreva, kar

pa se pri pretokih ne dogaja in ohišje črpalke se spet ohladi. Tudi pri zelo majhni kavitaciji se

temperatura ne spreminja in niha med 17 °C in 20 °C.

Meritve smo opravili tudi pri pretokih 3,0L/s, 5L/s, 8L/s in pri enakih podtlakih kot pri

pretoku 0,0L/s. Rezultati so pokazali, da pri teh pretokih temperatura ohišja vodne radialne

črpalke ne narašča .


- 28 -

3.13 Meritev pri pretoku 0L/s in atmosferskem tlaku

S termokamero smo posneli termografske slike, ki so pokazale, kje je točka, ko bi se naj

ohišje vodne radialne črpalke najbolj segrelo. Na termo sliki (3.12) je razvidno polje največje

temperature.

Tlak je enak tlaku atmosfere:

atmρ ρ=

Sp1

16.1

59.9 °C

20

30

40

50

FLIR Systems

Slika 3.12 : Termovizijski posnetek ohišja radialne črpalke

Črpalka se je segrela na 48,1 ⁰C,termo kamera je bila odstranjena 2m, in emisivnost je znašala

0,93.

V tabeli (3.3) je prikazano naraščanje temperature. V času 15 minut smo z termografsko

kamero posneli 10 slik, na katerih se vidi , kako je temperatura narasla iz 19.1⁰C na 48,1⁰C


- 29 -

.

Tabela 3. 3 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in atmosferskem tlaku

slike TERMOCAM t T

slika 1 1,21min 19.1⁰C


slika 3 3,56min 25,7⁰C






slika 9 11,00min 43.5⁰C

slika 10 14,56min 48,1⁰C

Naraščanje temperature v odvisnosti od časa

48,1

48,1

43,5

40,3

35,8

34,1

30,3

27,2

25,7

20,7

19,1

19,20

20

40

60

2,01

1,21

2,34

3,56

5,02

6

7,22

7,59

9,02 11

14,5

6 16

min

Stopinje

Graf 3. 1 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa

Temperatura se uskladi pri 48,1 ⁰C in ne narašča več z časom


- 30 -

3.14 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,3ρ = −

Podtlak : 0.3atm pρ ρ= −

Sp1

21.7

50.0 °C

30

40

FLIR Systems


Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0.3atm pρ ρ= − je 52,5 termo kamera

je oddaljena 2 m, emisivnost je znašala 0.93.

Tabela 3. 4 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0.3atm pρ ρ= −

V tabeli (3.4) ja vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku, posnetih je

bilo 11 slik v času 15 minut in pri popolno izoblikovani kavitacija.

slike TERMOCAM t T








slika 9 11,16,min 43.2⁰C

slika 10 13,35min 48,8⁰C

slika 11 15,09min 52,5⁰C


- 31 -


52,5

52,5

48,8

43,2

36,2

34,1

30,3

27,3

25,3

20,7

19,20

20

40

60

2,01

2,56

4,34

5

6,44

8,0

2

9,11

11,1

6

13,3

5

15,

09 16

min

Stopinje


Temperatura se uskladi pri 52,5 ⁰C in ne narašča več z časom.

3.15 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,5ρ = −

Podtlak - 0,5 :

0,5atmp p p= −

Sp1

11.5

57.0 °C

20

30

40

50

FLIR Systems


Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0,5atmp p p= − je 51,00⁰C, termo

kamera je oddaljena 2 m, emisivnost je znašala 0.93.


- 32 -

Tabela 3. 5 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,5atmp p p= −

slike TERMOCAM t T





slika 5 5,22min 29,50⁰C

slika 6 6,41min 33.10⁰C

slika 7 7,31min 34.30⁰C

slika 8 9,50min 39,00⁰C

slika 9 10,20min 39,8⁰C

slika 10 12,22min 43,9⁰C

slika 11 14,26min 47,4⁰C

slika 12 15,50min 51,00⁰C

V tabeli (3.5) je vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku in

0,5atmp p p= − , posnetih je bilo 12 slik v času 15,50 minut in pri popolno izoblikovani

kavitaciji.


51

51

47,4

43,9

39,8

39

34,3

33,1

29,5

27,4

21,2

18,5

17,20

102030405060

1,06

1,46

2,41

4,55

5,22

6,41

7,31 9,

5

10,2

12,2

2

14,2

6

15,5 16

min

Stopinje


Temperatura se uskladi pri 51,0 ⁰⁰⁰⁰C in ne narašča več z časom.


- 33 -

3.16 Meritev pri pretoku 0L/s in podtlaku 0,7atmsρ ρ ρ= −

Podtlak :

0,7atmp p p= −

Sp1Sp2

16.5

61.0 °C

20

40

60

FLIR Systems


Najvišja temperatura vodne radialne črpalke pri podtlaku 0,7atmp p p= − je 51,3⁰C termo

kamera je oddaljena 2 m emisivnost je znašala 0.93.

Tabela 3. 6 : Temperatura pri pretoku 0,0L/s in podtlaku 0,7atmp p p= −

slike TERMOCAM t T









slika 9 10,28min 40.8⁰C

slika 10 12,09min 43.8⁰C

slika 11 14,23min 48,6⁰C

slika 12 16,05min 51,3⁰C


- 34 -

V tabeli( 3.6) je vidno, da temperatura narašča enako kot pri atmosferskem tlaku in podtlakih

( 0.7ρ = − bar; 0,5ρ = − bar; 0,3ρ = − bar). Posnetih je bilo 12 slik v času 15 minut in pri

popolno izoblikovani kavitaciji.


51,3

51,3

48,6

43,8

40,8

39,3

34,5

33,3

29,7

26,1

20,1

18,6

17,20

20

40

60

1,02

1,5

9

2,4

6

4,33 5,2

6,4

1

7,2

3

9,45

10,2

8

12,0

9

14,

234

16,0

5 17

min

Stopinje


Temperatura se uskladi pri 51,3 ⁰⁰⁰⁰C in ne narašča več z časom.

3.17 Primerjava rezultatov temperature med kontaktnim termometrom in

termokamero.

Kontaktni termometer Metex M-4660A 4 1/2 (digits Multi display Digital Multimeter),

prikazan na sliki (3.16), je merilna naprava za kontaktno merjenje temperature, na katero

lahko priklopimo temperaturno sondo. Merilnik ima obsežni multi zaslon, na katerem

neprekinjeno prikazuje minimalno in maksimalno izmerjeno temperaturo. Izredno varno in

zaščiteno ohišje ščiti omenjeni merilnik pred zunanjimi vplivi vlage in prahu.

Slika 3.16 : Kontaktni termometer


- 35 -

Meritev smo opravili enako kot pri termokameri, tako da smo merili, kako temperatura

narašča v časovnem obdobju 15 min in pri atmosferskem tlaku.

Rezultati so se ujemali (graf 3.5), saj je tudi tukaj temperatura naraščala enako kot pri meritvi

s termokamero, pri enakih pogojih (graf 3.1).

naraščanje temperature v odvisnosti od časa

47,9

47,946,545

43,6

42

40,2

38,5

36,6

34,7

32,9

29,322,5

27,2

24,3

0102030405060

1,2

2,2

3,3

4,4

5,4

6,4

7,4

8,4

9,4

10,4

11,4

12,4

13,4

14,4 15

min

stopinje

Graf 3. 5 : Naraščanje temperature v odvisnosti od časa merjeno z kontaktnim termometrom

Pri temperaturi 47,9 se je temperatura ustalila.

Slika 3.17 : Kontaktni termometer Metex M-4660-a


- 36 -

4 MERITVE V PREHODNEM KAVITACIJSKEM REŽIMU

4.1 Numerična analiza

Z rezultati analize bomo prikazali naraščanje temperature v vodni radialni črpalki. Numerično

simulacijo bomo naredili s paketom – Ansys CFX (sodobni paket za računanje dinamike

tekočin), kateri bo izračunal segrevanje vode pri pretoku skozi črpalko, obratujočo v

kavitacijskem režimu.

Slika 4.1 Diagram hitrosti toka skozi črpalko

S slike (4.1) je razvidno močno recirkulacijsko polje, povezano z obratovanjem črpalke s

podoptimalnimi pretoki.


- 37 -

Slika 4.2 Diagram tlakov

Slika (4.2) prikazuje vrednosti tlakov v črpalki in delu sesalne cevi. Prikazana porazdelitev

tlakov je logična za kavitacijski režim, v katerem obratuje črpalka. ∆p je ob robovih črpalke

nižji zaradi kavitacije.

Kontrolna točka

Slika 4.3 Kontrolna točka

Med pretokom časovno odvisnega izračuna (numeričnih simulacij) smo spremljali

temperaturo v kontrolni točki, razvidni na sliki (4.3).


- 38 -

Slika 4.4 Graf naraščanja temperature

Na sliki (4.4) je viden potek porasta temperature od zagona iteracijskega postopka pri 290K.

Na sliki vidimo, da se temperatura ustali pri 320K, kar ustreza izmerjeni vrednosti s

termografsko kamero, ki znaša 324K.


- 39 -

4.2 Zakoni ohranitve

4.2.1 Zakon ohranitve mase

Zakon ohranitve mase je izpeljan na osnovi ugotovitve, da je masa masnega sistema

konstantna veličina. Hitrost spremembe mase v mirujočem volumnu V 0 je enaka pretoku

skozi njegovo površino S 0 :

0 0

0j j

V S

dV u n dSt

ρ ρ∂

+ =∂ ∫ ∫ (4.1)

Enačbo (4.1) imenujemo integralska oblika zakona ohranitve mase. Če izhajamo iz

integralske enačbe (2.1) in z Gaussovim stavkom prevedemo površinski integral v

volumenski, lahko zapišemo diferencialno obliko zakona ohranitve mase [2]:

0j

j

u

t x

ρρ ∂∂+ =

∂ ∂ (4.2)

4.2.2 Zakon ohranitve gibalne količine

Rezultanta sila okolice na volumen je enaka časovnemu prirastku gibalne količine v volumnu

in dotoku gibalne količine skozi njegovo površino:

0 0

ii j j

V S

uF dV u u n dS

t

ρρ

∂= +

∂∫ ∫��

(4.3)

Rezultanta zunanjih sil, delujočih na kontrolni volumen F��

, je vsota volumenskih sil vF��

in

površinskih sil sF��

:

0 0

v s mi i j j

V S

F F F f dV u u n dSρ ρ= + = +∫ ∫��

(4.4)

Integralska oblika zakona ohranitve gibalne količine se torej glasi:


- 40 -

0 0 0 0

ii j j mi ij j

V S V S

udV u u n dS f dV n dS

t

ρρ ρ σ

∂+ = +

∂∫ ∫ ∫ ∫ (4.5)

Diferencialno obliko zakona ohranitve gibalne količine zapišemo z uporabo Gaussovega

stavka [2]:

(4.6)

4.2.3 Konstitutivni model – zakon tečenja

S konstitutivnim modelom označujemo funkcijsko odvisnost med napetostnim tenzorjem ijσ

oziroma viskoznim napetostnim tenzorjem ijτ :

ij ij ijpσ δ τ= − + (4.7)

In tenzorjem deformacijskih hitrosti ijε⋅

:

1

2ji

j i

uu

x xε

⋅

∂∂= + ∂ ∂

(4.8)

Odvisnost podaja Newtonov zakon viskoznega tečenja:

2 kkij ij ijσ ρδ η ε δ⋅

= − + (4.9)

kjer je kkε⋅

divu=�

. [2]

4.2.4 Zakon ohranitve snovi

Zakon ohranitve snovi podaja osnovno prenosno enačbo poljubne snovi (spremenljivke)

/C m V= , ki jo v diferencialni obliki zapišemo kot:

( )Cu C D C I

t

∂+ ⋅∇ = ∆ +

∂

� ��

(4.10)

kjer je D snovska difuzivnost, ki predpisuje prenos spremenljivke zaradi molekularnega

gibanja snovi, člen I pa predstavlja izvire in ponore spremenljivke C. [2]

iji ij mi

j j

uu uu f

t x xρ ρ ρ

∂∂ ∂+ = +

∂ ∂ ∂


- 41 -

5 VPLIV KAVITACIJE NA ŽIVLJENJSKO DOBO IN

STROŠKE VODNE RADIALNE ČRPALKE

Predpostavimo, da imamo črpalni sistem, ki bo obratoval določen čas. Posledično bomo imeli

tudi določene obratovalne in vzdrževalne stroške. Ob pojavu povečane kavitacije , pri kateri

nastane kavitacijska erozija, ki s pomočjo vode obrablja material, bodo nastali nepredvideni

stroški menjave črpalke.

5.1 Kavitacijska erozija

Kavitacijska erozija je obraba površine materiala s pomočjo vode in tudi trdnih delcev, zato

je dobro da pri izbiri materiala to upoštevamo. Tudi kemijsko in električno nevtralni materiali

kot so : beton, quarz, steklo, ter plemenite kovine so podvržene kavitacijski eroziji. Erozija

je tako močna, da uniči tudi najtrše materiale. Velikih tlačnih sunki, ki prekomerno

obremenjujejo površino, se začne načenjat materialna struktura in na mestih ko so

obremenitve največje , razpade material na drobne delce, kateri za sabo puščajo drobno

špranjo (Slika 5.1) . Ob slabi korozijski odpornosti napadeno področje materiala načenja še

korozivni medij.[12]

Slika 5.1 : Kavitacijske poškodbe na sfereoidni fazi :a), lamelni Fe strukturi b)


- 42 -

5.2 Vrste kavitacijske erozije

Erozija na površini rotorske lopatice

Kavitacijska erozija se najpogosteje pojavlja na sesalni strani rotorske lopatice. Materiali, kot

sta jeklo in bron, so zelo podvrženi kavitaciji, saj postaja površina materiala zelo hrapava in

razjedena. Hrapavost površine, kot posledica erozije, nima večjega vpliva na obratovanje

črpalk. Ko erozija napreduje po robu lopatic, pa je ogrožena strukturna celovitosti črpalke. Na

lopatico delujejo velike centrifugalne sile in tlačne razlike, ki lahko odlomijo del rotorja, kar

pa pri večjih kosih privede do zagozdenja in poveča upor v črpalki. [12]

Erozija rotorskega diska

Erozija rotorskega diska je posledica ozkega toka kavitacije, ki implodira ob steni in povzroči

brazdo na notranji strani diska, lahko pa tudi na zunanji. Pojavlja se samo pri črpalkah z

ozkimi rotorskimi lopaticami. [12]

Erozija rotorskega vznožja in pestiča

Nastaja pri visokohitrostnih rotorjih, kjer poškodbe nastanejo zaradi ozke plasti zelo močnega

vrtinca, ki prihaja v stik s površino pestiča. To erozijo je zelo težko opazovati, saj se nahaja v

notranjosti črpalke. Enako se pojavi erozija ob vznožju rotorja, kjer ob nižjih pretokih

vrtinčasti tok povzroča usločenost konice lopatic. [12]

Erozija na tlačni strani rotorske lopatice

Pri pretokih, ki so nad in pod optimalnimi NSPH vrednostmi, nastane na tlačni strani lopatice

recirkulacijski tok, ki kavitira. Razjedo, ki nastane, je težko opaziti, ker se širi s tlačne na

sesalno stran. [12]


- 43 -

Erozija na zunanji strani rotorja

Pri zelo nizkih NSPH vrednostih se kavitacija razvije vzdolž celotnega rotorja, ki zaradi

izjemno močne intenzitete povzroči jamice na lopaticah. Poškodbe se pojavijo tudi na

lopaticah difuzorja, posledica tega pa je, da črpalna višina zelo močno pade. [12]

Erozija konice rotorske lopatice

Če sta v neposredni bližini difuzor in lopatica, nastajajo lokalno nizki tlačni impulzi, ki

dosežejo uparjalni tlak tekočine. Pojavi se kavitacija na konicah lopatic. Če povečamo

razdaljo med difuzorjem in rotorjem, oslabimo kavitacijo, katera lahko pri določenih razdaljah

povsem izgine. Konična kavitacija se pojavlja pri visokohitrostnih in širših rotorjih. [12]

5.3 Določanje stopnje kavitacijske erozije

Razen z direktnim opazovanjem in meritvijo je težko določiti stopnjo erozije materiala. V

literaturi obstajajo določene metode, ampak je njihova uporaba v praksi vprašljiva. Güllich [7]

navaja nekaj uporabnih metod:

- na podlagi plasti mehurčkov,

- na podlagi toka,

- na podlagi meritev toka na modelih,

- s pomočjo barvne erozije na področju implozije mehurčkov.

Stopnjo erozije lahko določimo tako, da si pomagamo s sliko (5.2), ki podaja soodvisnost med

trdoto in časovnim odvzemom materiala v področju kavitacije, in z razlago po Güllichu [7],

da nastopi razpad materiala ob daljšem kavitacijskem obratovanju, kadar hidrodinamična

kavitacijska intenziteta – HKI preseže kavitacijski odpor materiala – KW. S sliko 5.3

povzamemo, da obstaja določena soodvisnost med trdoto in odvzemom materiala ob

predpostavki podobne korozijske odpornosti. [12]


- 44 -

Slika 5.2 : Stopnja erozije kot funkcija trdote HB - odpornosti materiala (KW)

Vrednosti HKI, ki je odvisna od toka in lastnosti tekočine, in KW, ki je lastnost materiala, sta

med seboj neodvisni. Podajata pa stopnjo erozije RE v obliki funkcije, ki raste z

zmanjševanjem HKI in pada z naraščanjem KW:

,X Y

RE HKI KW≈ ⋅ (5.1)

Po Güllichu [7] lahko uporabimo za izračun življenjske dobe diagram na sliki (5.3), kjer je

podan kavitacijski odvzem materiala (v mm pri 40.000 urah obratovanja) pri danih pogojih:

- voda je zasičena z zrakom pri temperaturi 20⁰C,

- dolžina plasti kavitacijskih mehurčkov je 20mm


- 45 -

Slika 5.3 : Kavitacijska erozija pri različnih materialih, [12]

Primerjamo materiala in izberemo najprimernejšega s slike (5.3). Predpostavimo, da imata

materiala skoraj enako stopnjo korozijske obstojnosti, le da se razlikujeta v trdoti. Materiale

izberemo le iz sorodnih litin, primer: bakrovo litino PCuSn14 primerjamo z bakrovo litino

CUAl10Ni, saj imata oba materiala veliko korozijsko odpornost. S faktorjem K podamo

razmerje trdot materiala:

refHB

KHB

= (5.2)

Kavitacijo pričakujemo ob ustju na sesalni strani rotorske lopatice, črpalka obratuje pri

podoptimalnem pretoku. Izmerimo povprečno debelino lopatice d slopt do 30 mm od ustja

lopatice vzdolž sesalne strani lopatice. Erozija se razvija pri različnih obratovalnih režimih,

določimo jo na podlagi linearne odvisnosti med odvzemom materiala in NPSH številom, pri

čemer za referenčni točki izberemo ekstrema dane funkcije (min in max odvzem materiala).

Poškodbe na rotorju nastopajo po določenem vzorcu, tako bo prišlo do preboja materiala na

več lopaticah hkrati. Življenjsko dobo črpalke določimo po času, ki je potreben za prebitje

materiala s sesalne na tlačno stran rotorja [12].


- 46 -

Slika 5.4 : Kavitacija v rotorskih kanalih

40000slopt

ref

dt

d K= ⋅

⋅ (5.3)

Enačba za izračun življenjske dobe črpalke.


- 47 -

5.4 Življenjska doba rotorja

Vhodni podatki:

- material črpalke CN 65/125: PCuSn14,

- referenčni material: PCuAl10Fe5Ni5.01,

- d slopt = 1,785 mm,

- t D = 16 ur (dvoizmensko obratovanje),

- območje pretoka – Q: 0,001- 0,009 m 3 /s

Odvzem materiala v odvisnosti od pretoka je podan v materialu, ki doseže največje vrednosti

v območju višjih pretokov in nižjega tlaka v cevovodu, kar je povsem razumljivo, saj se

stopnja kavitacijske erozije povečuje s padajočim NSPH številom (diagram 5.1), ki doseže

najnižjo vrednost pri p sist = -0,7 bar. Stopnjo erozije (mm/40000 ur obratovanja) v odvisnosti

NSPH števila (m) podaja enačba v diagramu 5.2:

0, 424 4,0342d NSPH= − ⋅ + (5.4)

Življenjska doba črpalke znaša med 3,98 in nekaj 1000 let , kar je posledica zelo majhne

stopnje erozije materiala pri atmosferskem tlaku. Slika (5.5) prikazuje vrednosti pri izbranem

pretoku Q = 0,009 m 3 /s, ki smo jih uporabili pri stroškovni analizi. [12]

Slika 5.5 : Življenjska doba črpalke pri različnih pretočnih režimih, [12]


- 48 -

5.5 Stroškovna analiza

Stroškovno analizo bomo opravili z metodo kapitaliziranih stroškov. Stroškovna primerjava

dveh ali več investicij se običajno izvaja z uporabo sedanje in prihodnje vrednosti. Z metodo

sedanje vrednosti določimo skupno življenjsko dobo vseh posameznih investicij in

diskontiramo skupno življenjsko dobo na začetku investicije. Metoda, s katero določamo

sedanjo vrednost investicij, ki se ponavlja v neskončnost, je znana kot metoda kapitaliziranih

stroškov (Capitalized Cost – CC). Primerjalno razmerje dveh ali več investicij, določenih z

metodo sedanje vrednosti ali CC, je enako. Po poteku življenjske dobe črpalke jo je treba

zamenjati, zato se investicije črpalk ponavljajo v neskončnost.

Kapitalizirane stroške investicije lahko interpretiramo kot vsoto denarja, ki bi morala biti

naložena v neki sklad na datum začetka investicije z dano diskontno stopnjo, s katerim bi

zagotovili plačilo vseh stroškov, potrebnih za neskončno obratovanje. [12]

CC določimo po enačbi:

( ) ( / , , )B L A Fu n i C

CC Bi i

− ⋅= + + (5.4)

( / , , )(1 ) 1n

iA Fu n i

i=

+ −

S transformacijo enačbe 5.4 dobimo :

( ) ( / , , )

( / , , )1 (1 ) n

B L A Pu n i CCC L

i i

iA Pu n i

i −

− ⋅= + +

=− +

(5.5)


- 49 -

Kjer so:

B – stroški črpalke in montaže,

C – letni obratovalni stroški,

t – življenjska doba črpalke,

n – obratovanje črpalke,

i – diskontna stopnja.

Enačbi 5.4 in 5.5 sta ekvivalentni. V nekaterih primerih, kadar je življenjska doba investicije

neskončna, se kapitalizirani stroški določijo po enačbi.

C

CC Bi

= + (5.6)

Z analizo vrednotenja oziroma s primerjavo investicij črpalk po metodi CC so investicijski

obratovalni in vzdrževalni stroški konstantni za neskončno obratovalno obdobje, čeprav se s

časom spreminjajo zaradi inflacije, ampak inflacijo redko vključujemo v stroškovno

primerjavo, kar ima enak vpliv na vse investicije. Je pa inflacijo za neskončno investicijsko

obdobje težko predvidevati. Diskontna stopnja se določi pogodbeno, inflacijska stopnja se

upošteva pri določanju letnih anuitetnih stroškov. [12]

Predpostavimo, da uporabimo za kalkulacijo stroškov vodne radialne črpalke vhodne podatke:

- črpalna višina: H = 18,5 m,

- potreben pretok 0,009 m 3 /s,

- t D = 16 ur (dvoizmensko obratovanje),

- čas obratovanja 365 dni,

- stroški nabave in montaže črpalke CN65/125 ≈ 1700€

- cena električne energije: 1kWh = 0,1273241€

- stopnja diskontnega sklada: 5 %.


- 50 -

Kot delovno sredstvo bi se uporabljala voda v zaprtem sistemu pri določenem tehnološkem

postopku, voda se po zaključeni zanki vrača nazaj v črpalko. Model ima določene omejitve:

- Izbrana minimalna črpalna višina pri referenčnem pretoku (0,009 m 3 /s) za območje

tlaka (0,0 bar, -0,2 bar in -0,7 bar). Skozi postopek pada višina na izhodiščno

raven/višino črpalnega sistema.

- Območje tlakov je dosegljivo v celotnem modelu, popolno tesnjenje modela.

- Uporabljamo CN 65/125 črpalko.

Izračunali smo, da stroški pri atmosferskem tlaku in življenjski dobi 31,05 let znašajo 45000€.

Stroški pri tlaku 0, 2sistp bar= − in življenjski dobi 12,86 let znašajo 43500€ – ti imajo

najboljše razmerje med stroški obratovanja in stroški nabave in montaže črpalke.

Pri tlaku 0,7sistp bar= − nastanejo največji stroški – 47700€ , saj je življenjska doba črpalke

zelo kratka – 3,98 let.

Tabela 3. 7 : Stroškovna analiza

p sist Q 3 /m s M Nm P kW Življenjska doba v letih

Poraba

kW/leto

Capitalized cost (€)

0,0 0,009 41,76 6,34 31,5 37034 45000

-0,2 0,009 39,08 5,93 12,86 34658 43500

-0,5 0,009 36,52 5,55 5,55 32384 44000

-0,7 0,009 35,24 5,35 3,98 31251 44700


- 51 -

6 ZAKLJUČEK

Kavitacijski pojavi, ki so posledica neenakomernih razmer v tokovnih in temperaturnih poljih

v hidravličnih sistemih, kljub tehnološkemu razvoju zaradi kompleksnosti in številnih

vplivnih parametrov še danes fizikalno in fizično niso popolnoma opisani in rešeni. Pojav

kavitacije je tesno povezan z lokalnimi časovno spremenljivimi tokovnimi lastnostmi, kot so

lokalne hitrosti in lokalni statični tlak.

Naloga, ki smo jo opravili, je bila relativno zahtevna, saj je zahtevala teoretično poznavanje

konstruiranja tehnoloških procesov in naprav ter znanje fizike in znanje merjenja temperature

s termografsko kamero.

V nalogi je bila opravljena analiza povišane temperature vodne radialne črpalke v prehodnem

kavitacijskem režimu, na kateri smo izvajali funkcijski preizkus. Z merjenjem temperature

ohišja vodne radialne črpalke smo pokazali, da je vzrok kavitacija, zaradi katere se radialna

črpalka segreje v določenih režimih. Opisali smo metodo merjenja temperature, ki smo jo tudi

primerjali z merjenjem temperature z električnim termometrom. Tudi ta je pokazal isto

temperaturno skalo segrevanja kot termografska kamera.

Rezultati stroškovne kalkulacije pa kažejo prevladovanje obratovalnih stroškov, kateri rastejo

z izkoristkom posameznega pretočnega režima. Pričakovali smo, da imamo pri povečani

kavitaciji nižje izkoristke. Domnevamo, da je razlika med izkoristkom prišla zaradi manjšega

razplinjanja tekočine pri večjih tlakih, kjer kavitacija še ni popolnoma izoblikovana.

Kot zaključek lahko na osnovi podatkov, zbranih v delu, navedemo naslednje sklepe:

- vzrok za segrevanje vodne radialne črpalke je kavitacija v prehodnem kavitacijskem režimu,

- s primerjalnimi metodami dveh načinov meritev smo pokazali, da je uporaba merilne

metode s termografsko kamero hitrejša in ne bistveno dražja metoda,

- izračunali smo, da imamo pri 0, 2sistp = − najboljše razmerje med stroški obratovanja in

stroški nabave in montaže črpalke.


- 52 -

7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Bastič M. Planiranje projektov, Ekonomska poslovna fakulteta, Maribor, 1996.

[2] Biluš Ignacijo. Homogeni dvofazni prenosni modeli kavitacije v turbinskih strojih.

Maribor, 2005.

[3] Bizjak F. Tehnološki in projektni management Ljubljana, Gospodarski vestnik, 1996.

[4] Brennen C. Hydrodynamiycs of Pumps, Concepts ETI Inc.,Oxford Science Publicatins,

California Institute of tehnology, Pasadena, California, USA 1994.

[5] Grist E. Cavitation and centrifugal pumps (guide for pums users), Philadelphia: Taylor

& Francis, 1998.

[6] Güllich J.F. Kreselpumpen: Ein handbuch fur Entwiclung, Anlagenplanung und betrib,

springer-Verlag Berlin Haidelberg, 1999.

[7] Petrešin E. Slovensko društvo za zaščito voda, Ljubljana, 1998.

[8] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože

Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[9] Predin A. Črpalke in ventilatorji, Maribor: Fakulteta za strojništvo , 2000.

[10] Predin A., Biluš I. Merjenje kavitacijskih veličin radialne črpalke, Kuhljevi dnevi 2000,

Maribor, Slovensko društvo za mehaniko, 2000, 63–70.

[11] Širok B., Dular M., Stoffel B. l. Kavitacija, i2, duržbafur za založništvo, izobraževanje

in raziskovanje d.o.o., Ljubljana, 2006.

[12] Šrimf R. Ocena znižanja življenjske dobe vsled kavitacije v radialni črpalki. Maribor,

2001.

[13] Tršan N. Termovizija. Priročnik z navodili za uporabo. Sweden: FlirSystems AB. 2000

[14] Flir Manual 2007 . Sweden: Flir Systems AB.

[15] Infrared cameras. Dostop na WWW: http://www.flirthermography.com/cameras/ [20.

11. 2009]

[16] Water mastere, elctromagnetic Flowmeters [svetovni splet] ABB Gruop. Dostopno na

WWW : http://www.abb.com /[22. 11. 2009]


- 53 -

8 PRILOGE

Vsebina priloge:

- Rezultati meritev z termokamero

- Tabele za izračun življenjske dobe vodne radialne črpalke


- 54 -

SLIKE TERMO KAMERE


- 55 -

Sp1

16.1

59.9 °C

20

30

40

50

FLIR Systems

Sp1

21.7

50.0 °C

30

40

FLIR Systems

Object Parameter Value

Emissivity 0.93

Object Distance 2.0 m

Reflected Temperature 20.0 °C

Atmospheric

Temperature

20.0 °C

Atmospheric

Transmission

0.99

Label Value

Sp1 52.5 °C


Emissivity 0.93



Atmospheric

Temperature

20.0 °C

Atmospheric

Transmission

0.99

Label Value

Sp1 48.6 °C


- 56 -

Sp1

11.5

57.0 °C

20

30

40

50

FLIR Systems

Sp1Sp2

16.5

61.0 °C

20

40

60

FLIR Systems


Emissivity 0.93



Atmospheric

Temperature

20.0 °C

Atmospheric

Transmission

0.99

Label Value

Sp1 48.8 °C


Emissivity 0.93



Atmospheric

Temperature

20.0 °C

Atmospheric

Transmission

0.99

Label Value

Sp2 52.2 °C


- 57 -

TABELE [12]


- 58 -


- 59 -


- 60 -

Documents

EKSPERIMENTALNA IN NUMERI ČNA ANALIZA …Temperatur, Kavitation, Thermografiekamera, Thermografie, Radialpumpen. UDK: 621.671:532.528(043.2) ZUSAMMENFASSUNG In der Diplom-Arbeit,