Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
POLITECHNIKA KRAKOWSKA Instytut Inżynierii Cieplnej i Procesowej
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych
LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I POMIARÓW MASZYN CIEPLNYCH
Podstawy teoretyczne do ćwiczeń laboratoryjnych
BADANIE WENTYLATORÓW
opracował: dr hab. inż. Antoni Gondek, prof.PK
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
2
1. Wstęp
Wentylatory należą do grupy maszyn roboczych przepływowych (rotodynamicznych), które kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz wykonują pracę związaną z przetłaczaniem przy określonym ciśnieniu par i gazów.
Do ważniejszych typowych zastosowań wentylatorów możemy zaliczyć: instalacje klimatyzacyjne, chłodnicze, suszarnie, odpylania gazów przemysłowych, przewietrzania i ogrzewania pomieszczeń, a także układy zasilania powietrzem procesy spalania oraz urządzenia umożliwiające transport pneumatyczny materiałów (np. wióra, zboża, itp.). Rodzaj transportowanego czynnika, jego temperatura, ewentualnie toksyczność są czynnikami, które decydują o geometrii łopatek wirnika, doborze materiałów i konstrukcji całego urządzenia. 2. Podział wentylatorów
Ogólny podział wentylatorów to wentylatory promieniowe i osiowe. Rozwiązaniem pośrednim są wentylatory półosiowe i półpromieniowe. Podział ten wynika z ich konstrukcji i związany jest z kierunkiem przepływu czynnika przez wirnik wentylatora. Wentylatory promieniowe to wentylatory zasysające czynnik osiowo i tłoczą go promieniowo (promieniowy przepływ czynnika przez wirnik). Wentylatory osiowe zasysają i tłoczą czynnik w kierunku osiowym (osiowy kierunek przepływu czynnika przez wirnik). Wentylatory promieniowe są stosowane tam gdzie wymagane jest większe ciśnienie całkowite sprężonego gazu, natomiast dla większych wydajności stosowane są wentylatory osiowe. Inne kryteria podziału wentylatorów związane są ze:
Sposobem zabudowy wentylatora w instalacji (ssące, ssąco-tłoczące, tłoczące),
Zastosowaniem (np. dachowe, przeciwwybuchowe, do transportu pneumatycznego, itp.),
Rodzajem stosowanego napędu (bezpośredni, sprzęgłowy, przekładnia pasowa, itp.),
Sposobem zasysania czynnika (jednostronne, dwustronne),
Ilością wirników w wentylatorze (jednostopniowe, wielostopniowe),
Wielkością wytworzonego spiętrzenia.
W zależności od wielkości spiętrzenia rozróżniamy wentylatory:
niskociśnieniowe Pc < 720 [Pa]
średniociśnieniowe 720 [Pa] < Pc < 3600 [Pa]
wysokociśnieniowe 3600 [Pa] < Pc < 30000 [Pa] 3. Wielkości charakteryzujące pracę wentylatora
Do podstawowych parametrów charakteryzujących pracę wentylatora i umieszczonych na tabliczce
znamionowej urządzenia należą wydajność wentylatora czyli strumień objętości V lub masy m płynący
przez maszynę, spiętrzenie pc oraz wartość mocy N niezbędnej do napędu. 3.1. Wydajność
Wydajnością wentylatora V nazywamy strumień objętości czynnika przetłaczanego przez wentylator
odniesiony do warunków (temperatura, ciśnienie, wilgotność) w płaszczyźnie króćca wlotowego instalacji wentylacyjnej. Wskutek szczeliny pomiędzy wirnikiem i obudową oraz na przepuście wału występują straty szczelinowe wydajności. Staje się to przyczyną obniżenia wydajności wentylatora na tłoczeniu w stosunku do objętości zasysanej. Wielkość tych strat wydajności jest zależna od stanu uszczelnienia oraz od
spiętrzenia wentylatora. Straty występują tym wyraźniej im większe jest spiętrzenie pc wentylatora.
Pomiaru strumienia objętości V lub masy m czynnika przepływającego przez maszynę można dokonać
za pomocą zwężek, rurek spiętrzających lub anemometrów. Ze względu na dużą dokładność zaleca się wykorzystanie zwężek, tym bardziej, że metoda ta jest znormalizowana. Wykorzystanie rurek spiętrzających względnie anemometrów do pomiarów wydajności sprowadza się do wyznaczenia średniej prędkości przepływu w przekroju pomiarowym na podstawie wielopunktowych pomiarów prędkości w odpowiednio rozmieszczonych punktach sondowania dla danego przekroju.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
3
3.2. Spiętrzenie wentylatora
Ciśnienie wytwarzane przez wentylator (spiętrzenie wentylatora) określa się jako różnicę ciśnień pc pomiędzy całkowitym ciśnieniem na wylocie z wentylatora pc2 a całkowitym ciśnieniem na wlocie pc1 a zatem :
pc = pc2 –pc1 (1)
Ponieważ ciśnienie całkowite p czynnika jest równe sumie ciśnienia statycznego i dynamicznego pc = pst +pd przypisując odpowiednio indeksy wielkościom występującym w tym równaniu odpowiednio dla przekroju wlotowego 1, dla przekroju wylotowego 2, równanie to możemy napisać :
dstdidssc ppppppp 212 (2)
gdzie:
pst = 12 ss pp - przyrost ciśnienia statycznego,
pd = 12 dd pp -przyrost ciśnienia dynamicznego.
Przyrost ciśnienia całkowitego pc wentylatora wyraża zatem przyrost energii przekazanej czynnikowi za pośrednictwem wirnika. Energia ta z jednej strony służy do podniesienia ciśnienia statycznego, a z drugiej do zmiany prędkości czynnika. Rozkład ciśnienia gazu podczas przepływu przez instalację, w której pracuje wentylator jako ssąco-tłoczny przedstawiono na rys.1.
Rys. 1. Rozkład ciśnień w wentylatorze z przewodami ssawnym i tłocznym
Ponieważ rozkład ciśnienia w przekrojach króćca dolotowego i wylotowego nie jest równomierny należy operować jego wartościami średnimi. Ciśnienia tego nie można mierzyć bezpośrednio w przekroju króćców. W wypadku gdy pole przekroju przewodów jest równe polu przekroju króćców, ciśnienie to można mierzyć w dowolnym przekroju przewodów w takiej odległości od wentylatora, w której strumień czynnika jest już niezaburzony. Przy różnicy pomiędzy polami przekrojów króćców i przewodów wentylatora średnie ciśnienie dynamiczne pd1śr, pfd2śr można
wyznaczyć z prędkości średniej wśr (określonej na podstawie pomiaru natężenia przepływu V ) wg zależności
2
2 śrdśś
wp (3)
W przypadku równych prędkości w przekrojach wlotowym i wylotowym wentylatora (zachodzi to przy równości powierzchni
tych przekrojów) przyrost ciśnienia całkowitego pc jest równy przyrostowi ciśnienia statycznego pst
pc = pst
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
4
Zależnie od sposobu zabudowy w instalacji wentylator może pracować jako: - ssący - ssąco-tłoczący - tłoczący.
Rozkład ciśnień dla różnych przykładów pracy wentylatora zilustrowano na rys. /2,3,4/.
Rys. 2. Rozkład ciśnień w wentylatorze z przewodem ssawnym o swobodnym wydmuchu
Rys. 3. Rozkład ciśnień w wentylatorze z przewodem tłocznym swobodnie zasysającym
Rys. 4. Rozkład ciśnień w wentylatorze z bez przewodów (ścienny)
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
5
3.3. Praca sprężania
Teoretyczną pracę sprężania czynnika w wentylatorze określa się w zależności od charakteru procesu zachodzącego podczas przepływu gazu przez wirnik. Ze względu na to, że procesowi sprężania gazu w wentylatorze (szczególnie niskoprężnym) towarzyszy pomijalnie mały przyrost temperatury możemy przyjąć, że proces sprężania przebiega w sposób izotermiczny (1-3 na rys. 5).
Rys. 5. Przebieg procesu sprężania w układzie T-s
Pracę sprężania odniesioną do 1 m
3 gazu przy sprężaniu od ciśnienia p1 do p2 obliczymy ze wzoru:
1
21iz
p
plnpl (4)
Bardziej zbliżony do rzeczywistych warunków sprężania jest proces o charakterze izentropowym 1-2s. Na skutek małego przyrostu temperatury gazu podczas sprężania w stosunku do temperatury otoczenia wymiana ciepła z otoczeniem praktycznie nie występuje. Przemianą porównawczą procesu sprężania,
wyrażonego spiętrzeniem ciśnień statycznych p w wentylatorze jest adiabata, której wartość pracy technicznej wyraża się wzorem
1p
pp
1l
1
1
21t (5)
Podstawiając w wyrażeniu
1
1
2
p
p za p2 gdzie p2 = p1 + p otrzymamy
1
1
1
1
1
p
p1
p
pp (6)
Rozwijając wyrażenie na pracę techniczna w szereg otrzymamy:
2
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
6
2
11
tp
p11
1
6
1
p
p1
2
11pl (7)
I ostatecznie przyjmując = 1,4 zapisać wzorem
lt = p f (8) gdzie:
2
11 p
p
9,4
1
p
p
8,2
11f
p1 – absolutne ciśnienie gazu przed procesem sprężania,
p – przyrost ciśnienia statycznego w procesie sprężania (spiętrzenie statyczne). Na wykresie T-s (rys.5) pracę rzeczywistego sprężania obrazuje pole 2,3,4,6, która wzrasta w stosunku do pracy izentropowej o pole 5,2s,2,6 przy czym pole 1,2s,2 przedstawia pracę wynikłą z powiększenia objętości gazu na skutek ogrzania się czynnika, a pole 5,1,2,6 przedstawia pracę zużytkowaną na pokonanie strat w przepływie przez kanały między łopatkami. 3.3. Moc użyteczna wentylatora
W celu pokonania strat wentylator wytwarza odpowiedni przyrost ciśnienia całkowitego czynnika pc dzięki energii mechanicznej dostarczonej do wentylatora od silnika napędzającego. Ta część energii, która od silnika przekazana jest do gazu, aby zrealizować jego przepływ przez instalację, nosi nazwę mocy użytecznej Nu, w odróżnieniu od mocy straconej w układzie napędowym i przepływowym wentylatora.
Wartość tej mocy łatwo jest mierzyć metodą pośrednią wyznaczając strumień objętości sV (zasysanej
przez wentylator) oraz przyrost ciśnienia całkowitego uzyskany w wentylatorze pc . Wartość mocy użytecznej oblicza się z iloczynu wydajności i spiętrzenia całkowitego oraz współczynnika korekcyjnego f (uwzględniającego ściśliwość gazu)
fpVVlN csstu (9)
Wartość liczbowa współczynnika f jest bliska jedności. Dla wentylatorów nisko i średnioprężnych, dla
których wartość stosunku 1
c
p
p zawarta jest w przedziale 0,01 0,03 pominięcie współczynnika f w
obliczeniach mocy użytecznej powoduje błąd około 0,3 % dla wentylatorów niskoprężnych oraz błąd około 1 % dla wentylatorów średnioprężnych. Dlatego w praktyce przy obliczeniach mocy użytecznej wentylatorów przyjmujemy f = 1. 3.4. Sprawność wentylatora
Sprawnością ogólną (całkowitą) wentylatora nazywamy stosunek mocy użytecznej Nu do mocy na
wale Ne
e
uo
N
N (10)
Jeżeli wentylator napędzany jest silnikiem elektrycznym, moc na wale określamy wg zależności
elele NN (11)
gdzie:
Nel - moc elektryczna
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
7
el - sprawność silnika elektrycznego.
Jeżeli moc Ne pomniejszymy o moc tracona w łożysku wentylatora Nt to stosunek mocy użytecznej do tej
mocy nazywać będziemy sprawnością wewnętrzną wentylatora
te
ui
NN
N
(12)
Stosunek mocy
e
tem
N
NN (13)
nazywamy sprawnością mechaniczną.
4. Charakterystyki wentylatora
4.1. Określenia podstawowe
Charakterystyka wentylatora jest obrazem graficznym zależności zachodzących pomiędzy takimi parametrami pracy
wentylatorów jak: spiętrzenie pc, moc Nu, sprawność , a wydajnością V , przy niezmiennej prędkości obrotowej wirnika n
oraz gęstości tłoczonego czynnika.
)V(f;)V(fN;)V(fpc dla n = const ; = const.
Znajomość charakterystyki jest konieczna celem właściwego doboru wentylatora w pracach projektowych instalacji wentylacyjnej, przestrzegania właściwej eksploatacji jak również ocenie pracy.
4.2. Charakterystyka indywidualna przy stałej częstości obrotów
Na rys. 6. przedstawiono charakterystykę wentylatora promieniowego. Kształt krzywych charakterystycznych zależy od wyróżnika szybkobieżności a zatem głównie od geometrii wirnika a ponadto od kształtu i liczby łopatek.
Rys. 6.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
8
Krzywa mocy charakteryzująca się ciągłym wzrostem przy wzroście wydajności nosi nazwę charakterystyki przeciążalniej. Nieprzeciążalne charakterystyki mocy posiadają punkt szczytowy mocy, poza który moc maleje względnie utrzymuje się na stałym poziomie.
4.3. Charakterystyka bezwymiarowa
Charakterystyki bezwymiarowe przedstawiają własności użytkowe całej serii geometrycznie podobnych
wentylatorów. Przedstawiają one zależności pomiędzy wydajnością V a przyrostem ciśnienia pc w stosunku do
charakteryzujących wielkości konstrukcyjnych wentylatora, którym są średnica zewnętrzna koła wirnikowego d oraz prędkość obwodowa w. Dla celów porównawczych różnych wentylatorów sprowadza się ich charakterystyczne wielkości do wspólnego odniesienia wyrażając je w postaci bezwymiarowych wskaźników. Wyznaczone za pomocą analizy wymiarowej bezwymiarowe wskaźniki odpowiednio wynoszą:
Wskaźnik wydajności wA
V
w4
d
V2
gdzie: A – powierzchnia zewnętrzna koła wirnikowego AwV .
Wskaźnik spiętrzenia 2
c
w2
p
gdzie: 2w
2
- ciśnienie dynamiczne odpowiadające prędkości obwodowej.
Wskaźnik mocy
2
c
w2
A
pV
przedstawia stosunek mocy na wale wentylatora do mocy teoretycznej obliczonej z wydatku i ciśnienia odniesienia.
Wskaźnik szybkobieżności 4
3
2
14
3
c2
1p
V
jest liczbą charakteryzującą geometrie wirnika.
Na rys. 7. Przedstawiono charakterystykę bezwymiarową wentylatora promieniowego.
Rys. 7.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
9
Spełnienie warunków podobieństwa geometrycznego wentylatorów oraz podobieństwa przepływów zagwarantowanego przez kryterium równości liczb Reynoldsa pozwala na wyprowadzenie przybliżonych praktycznych wzorów umożliwiających przeliczenie charakterystyki na inne warunki. Porównując wskaźniki wydajności oraz spiętrzenie podobnych wentylatorów otrzymujemy:
1
2
1
2
n
n
V
V
2
1
2
1c
2c
n
n
p
p
3
1
2
1
2
n
n
Nu
Nu
4.4. Charakterystyka przewodu
Spadek ciśnienia p wywołany oporami przepływu gazu w ilości V przez przewód o średnicy d i długości l
można w ogólnym przypadku przedstawić następująco:
Ot pm
pp p
gdzie:
2
w
d
lp
2
t
- opory tarcia
2
wp
2
m
- opór miejscowy (zwężenie kolana, zasuwy, itp.)
0p – opór hydrostatyczny (różnica ciśnień między przestrzenią, do której gaz jest tłoczony a
przestrzenią, z której gaz jest zasysany).
Dla danego przewodu wszystkie wielkości wchodzące w skład w/w wyrażenia są stałe albo jak , i Δpm
nieznacznie się zmieniają ze zmianą wydatku. Uznając je za wielkości niezależne od wydatku równanie to możemy napisać w postaci
o2 pVrp
Opór hydrostatyczny w urządzenia wentylacyjnych jest zazwyczaj równy zero lub ma wartość niewielką, która można pominąć. Wtedy równanie przyjmie postać
2Vrp
Stały dla danego przewodu współczynnik
2V
pconstr
nosi nazwę oporu właściwego przewodu.
Krzywa )V(fp przedstawiająca zależność strat ciśnienia od strumienia objętości przepływającego
czynnika jest parabolą o wierzchołku leżącym na osi rzędnych i nosi nazwę charakterystyki przewodu.
Celem zapewnienia przepływu określonej ilości gazu V przez daną instalację musi być wytworzone odpowiednie
ciśnienie pc , które będzie zużytkowane na pokonanie wszystkich oporów przepływu w całej instalacji wyszczególnionych w równaniu.
Wielkość tego ciśnienia potrzebna na pokonanie oporów przepływu zależy od ilości przepływającego gazu i rośnie z kwadratem jego prędkości. Graficzny obraz tych zależności przedstawiono na rys. 8.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
10
Rys.8. Charakterystyka przewodu
Wierzchołek paraboli znajduje się w odległości p0 od początku układu współrzędnych. Przy pominięciu oporu hydraulicznego parabola oporów rurociągu przechodzi przez początek układu współrzędnych.
4.5. Punkt pracy wentylatora
Rzeczywisty punkt pracy wentylatora leży na przecięciu charakterystyki przyrostu ciśnienia
wentylatora pc = f( V ) z charakterystyką instalacji. Punkt ten ustalony jest samoistnie w czasie pracy wentylatora, gdy
wentylator wytworzy przyrost ciśnienia równy oporowi instalacji wymuszający w niej przepływ. Na rys.9. punkt pracy zaznaczono literą B.
Rys.9. Punkt pracy wentylatora
Punkty M i E określają dopuszczalny zakres eksploatacji wentylatora. Ograniczenie od góry literą M podyktowane jest granicą, która przebiega w okolicy maksymalnego przyrostu ciśnienia. Na lewo od punktu M praca jest niewskazana ze względu na drgania powietrza, hałas, niską sprawność. Ograniczenie użytkowania wentylatora oznaczone na charakterystyce punktem E wynika wyłącznie z natury ekonomicznej związanej z niska sprawnością. Punkt pracy wentylatora B powinien się znajdować w pobliżu maksymalnej sprawności. Jeżeli opory przepływu w instalacji wzrastają, charakterystyka przewodu
p = f( V ) przebiega bardziej stromo i punkt pracy B przesuwa się w kierunku mniejszych wydajności.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
11
4.6. Regulacja wentylatora
W wentylatorach stosujemy regulację wydajności i ciśnienia przez: 1. dławienie 2. zmianę prędkości obrotowej 3. za pomocą kierownic łopatkowych.
Ad 1. Dławienie przepływu w instalacji za pomocą zasuw, klap, kryz lub innych urządzeń powoduje wzrost oporów sieci i mniejszy przepływ.
Rys. 10.
Punkt pracy przesuwa się po krzywej pc = f( V ) w stronę mniejszych wydajności.
Ad. 2
Charakterystyka wentylatora wraz ze zwiększaniem obrotów z n na n1 podnosi się do góry. Punkt pracy B przesuwa się po charakterystyce sieci do punktu B1, w którym uzyskuje się większą wydajność i przyrost ciśnienia (rys.11.)
Rys. 11.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
12
5. Współpraca wentylatorów 5.1. Równoległa współpraca wentylatorów
Jeżeli kilka wentylatorów tłoczy powietrze do wspólnego przewodu mamy do czynienia z tzw. współpracą równoległą wentylatorów. Łączenie równoległe wentylatorów stosuje się wówczas, gdy zachodzi konieczność zwiększenia wydajności. Wykres charakteryzujący pracę wentylatorów przy równoległym połączeniu otrzymujemy przez sumowanie odciętych
krzywych dławienia pc = f( V ) obu wentylatorów, w ten sposób otrzymujemy charakterystykę sumaryczną. Na rys. 12
przedstawiono charakterystyki dwu wentylatorów pc1 = f( V ) (w1) i pc2 = f( V ) (w2) oraz charakterystykę sumaryczną
pco = f( V ) wentylatorów połączonych równolegle (rys.12.)
Rys. 12.
5.2. Szeregowa współpraca wentylatorów
Szeregowe połączenie wentylatorów stosuje się w przypadku, jeżeli zachodzi konieczność zwiększenia spiętrzenia tj. Jeżeli spiętrzenie wytworzone przez Jeden wentylator Jest niewystarczające z punktu widzenia potrzeb instalacji. Sumaryczną charakterystykę wentylatorów połączonych szeregowo otrzymuje się przez sumowanie rzędnych poszczególnych charakterystyk dla tej samej wydajności (rys.13.)
Rys. 13.
Laboratorium Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych Badanie wentylatorów
13
6. Lista zagadnień do opanowania:
1. Rodzaje wentylatorów i ich cech charakterystyczne
2. Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę wentylatorów.
3. Metody wyznaczania wydajności wentylatorów.
4. Rodzaje charakterystyk wentylatorów.
5. Metody regulacji wydajności wentylatorów.
6. Współpraca równoległa i szeregowa wentylatorów.
7. Wykaz literatury:
1. T.R. Fodemski – Pomiary cieplne cz.I i II
2. M. Mieszkowski - Pomiary cieplne i energetyczne
3. T. Bohdal i in. – Ćwiczenia laboratoryjne z termodynamiki
5. F. Kotlewski - Pomiary w technice cieplnej
11. Z. Gnutek, W. Kordylewski - Maszynoznawstwo energetyczne: wprowadzenie do energetyki cieplnej. (dostępna on-line)