ĆWICZENIA LABRORATORYJNE MASZYNOZNAWSTWOl3_wentylator.pdfMASZYNOZNAWSTWO Wentylatory. Budowa, zasada działania, obliczenia i zasady doboru. Budowa, zasada działania, obliczenia

Budowa, zasada działania, obliczenia i zasady doboru wentylatorów.

Opracował: Mariusz Witczak

3

ĆWICZENIA LABRORATORYJNE

MASZYNOZNAWSTWO

Wentylatory. Budowa, zasada działania, obliczenia i zasady doboru.



4

1. Podział, budowa i zasada działania wentylatorów Wentylatory należą do grupy maszyn roboczych wirowych, które kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz wykonują prace polegające na przemieszczaniu oraz sprężaniu par i gazów. W urządzeniach tych spiętrzenie całkowite nie przekracza 13 kPa. Wentylator jest maszyną przepływową, służącą do przetłaczania i sprężania czynników gazowych. Sprężenie czynnika jest niezbędne dla pokonania oporów sieci przewodów, przez które czynnik jest przetłaczany. Wentylatory różnych typów znajdują powszechne zastosowanie w urządzeniach wentylacji mechanicznej, klimatyzacji, odpylania w urządzeniach transportu pneumatycznego oraz jako urządzenia ciągu i podmuchu sztucznego w energetyce i hutnictwie. Elementem przekazującym energię czynnikowi przetłaczanemu jest wirnik wentylatora. Pod względem konstrukcyjnym, w zależności od kierunku przepływu czynnika przez wirnik (rys.2) wentylatory dzieli się na:

promieniowe, osiowe, skośne (diagonalne), poprzeczne.

Biorąc pod uwagę uzyskiwane spiętrzenie całkowite rozróżnia się wentylatory: niskoprężne - uzyskiwane spiętrzenie całkowite do 1 kPa, średnioprężne - uzyskiwane spiętrzenie całkowite 1 do 3 kPa, wysokoprężne - uzyskiwane spiętrzenie całkowite 3 do 13 kPa.

Różnice konstrukcyjne wentylatorów w decydujący sposób wpływają na ich zastosowanie. Podstawowymi wielkościami, które określają przydatność wentylatora są: wydajność (wydatek) oraz wytwarzane spiętrzenie (spręż). Na rysunku 1 przedstawiono wykres określający obszar właściwego zastosowania wentylatorów osiowych i odśrodkowych.

Rys.1. Przybliżone zakresy pracy wentylatorów osiowych i odśrodkowych.



5

Rys.2. Schemat układu przepływowego wentylatorów: a) promieniowych, b) osiowych, c)

skośnych (diagonalnych), d) poprzecznych. W przemyśle najczęściej są stosowane wentylatory promieniowe (odśrodkowe) i osiowe; ich budowa została schematycznie przedstawiona na rys. 3 i 4.



6

Rys.3. Wentylator promieniowy: 1 - wał napędowy, 2 - wirnik, 3 - tarcza nośna, 4 - tarcza pokrywająca, 5 - wlot, 6 - spiralna obudowa;



7

Rys.4. Wentylator osiowy: 1 - wirnik, 2 - silnik elektryczny, 3 - kierownica, 4 - kołpak W wentylatorach przetłaczanie oraz przyrost ciśnienia czynnika następują dzięki pracy zewnętrznej doprowadzonej do wirnika. Po nadaniu mu ruchu obrotowego porcje gazu znajdujące się w obrębie kanałów międzyłopatkowych przemieszczają się pod wpływem sił wywołanych przez obracający się wieniec w kierunku promieniowym (wentylatory promieniowe) lub osiowym (wentylatory osiowe). W przestrzeni międzyłopatkowej wytwarza się podciśnienie, dzięki czemu przez wlot napływają nowe porcje gazu. Podczas przepływu przez obracający się wieniec łopatkowy zwiększa się energia kinetyczna i ciśnienie statyczne czynnika. 2. Wielkości charakteryzujące pracę wentylatora Strumień masy (wydajność masowa) m (kg/s) - masa czynnika przepływająca w jednostce

czasu przez płaszczyznę wlotu wentylatora ssącego lub ssąco-tłoczącego lub przez płaszczyznę wylotu wentylatora tłoczącego.

Strumień objętości (wydajność objętościowa) V (m3/s) - objętość czynnika przepływającego w jednostce czasu przez wentylator, określona stosunkiem strumienia masy do średniej gęstości czynnika w płaszczyźnie wlotu wentylatora ssącego lub ssąco-tłoczącego lub w płaszczyźnie wylotu wentylatora tłoczącego.

Wydajnością wentylatora V nazywamy objętościowe natężenie przepływu czynnika przetłoczonego przez wentylator odniesione do warunków (temperatura, ciśnienie, wilgotność) panujących w płaszczyźnie wlotu króćca wlotowego wentylatora. Na skutek występowania nieszczelności w układzie wydajność wentylatora na wylocie V2 może być mniejsza od objętości zassanej V1. Wielkość strat wydajności zależy od stanu uszczelnień oraz od spiętrzenia wentylatora. W przypadku nieszczelnej instalacji straty wydajności rosną wraz ze wzrostem spiętrzenia. Dla celów badawczych zakłada się całkowitą szczelność układu, jak również przyjmuje się, że w wentylatorze nieznaczne zmiany ciśnienia i temperatury nie mają większego wpływu na wartość objętościowego natężenia przepływu, przyjmuje się więc V1=V2=V.



8

Spiętrzenie statyczne (przyrost ciśnienia statycznego) ps (Pa) - różnica średniego ciśnienia statycznego w płaszczyźnie wylotu wentylatora i w płaszczyźnie jego wlotu.

Spiętrzenie dynamiczne (przyrost ciśnienia dynamicznego) pd (Pa) - różnica średniego ciśnienia dynamicznego w płaszczyźnie wylotu wentylatora i średniego ciśnienia dynamicznego w płaszczyźnie wlotu wentylatora. Spiętrzenie całkowite (przyrost ciśnienia całkowitego) pc (Pa) - suma spiętrzenia

statycznego i dynamicznego. Całkowite ciśnienie wytwarzane przez wentylator (spiętrzenie wentylatora) równe jest różnicy ciśnień pc pomiędzy całkowitym ciśnieniem na wylocie z wentylatora pc2 a całkowitym ciśnieniem na wlocie pc1. Ponieważ ciśnienie całkowite pc czynnika jest równe sumie ciśnienia statycznego i dynamicznego przyjmując odpowiednie indeksy dla przekroju wlotowego i wylotowego możemy napisać równanie:

pc=(ps2-ps1)+(pd2-pd1)= pst+ pd [2.1] Przyrost ciśnienia całkowitego wyraża zatem przyrost energii przekazanej czynnikowi za pomocą wirnika. Energia ta z jednej strony służy do podniesienia ciśnienia statycznego a z drugiej do zmiany prędkości czynnika. Spręż r - stosunek ciśnienia statycznego bezwzględnego p2 w płaszczyźnie wylotu

wentylatora do ciśnienia statycznego bezwzględnego p1 w płaszczyźnie wlotu wentylatora

r pp

21

[2.2]

Moc użyteczna Nu (W) - przyrost użytecznej postaci energii gazu przepływającego przez

wentylator w jednostce czasu - określonej iloczynem całkowitej pracy sprężania (wg przemiany izentropowej) i strumienia objętości gazu.

Nu=V(ls+pd) [2.3]

gdzie: V - strumień objętości gazu, m3/s, ls - praca izentropowa sprężania, J/m3, pd- spiętrzenie dynamiczne gazu między płaszczyzną wlotu i wylotu wentylatora,

J/m3. Moc urządzeń pomocniczych wentylatora Np (W) - moc zużywana na napęd urządzeń

pomocniczych, związanych z wałem wentylatora, i pokonanie strat tarcia w łożyskach. Moc wentylatora N (W) - moc przekazana na wał wentylatora łącznie z mocą Np. Prędkość obrotowa wentylatora n (obr/s) - liczba obrotów wirnika w ciągu jednostki

czasu. Sprawność wentylatora - stosunek mocy użytecznej Nu do mocy wentylatora N

NNu [2.4]

Sprawność wentylatora można przedstawić w następujący sposób : i m [2.5]

gdzie:



9

i - sprawność wewnętrzna wentylatora wyrażona przez iloraz mocy użytecznej Nu i różnicy mocy wentylatora N i mocy Np :

iu

p

NN N

[2.6]

m - sprawność mechaniczna obejmująca straty mechaniczne (tarcie w łożyskach, przekładni)

mpN N

N

[2.7]

3. Wskaźniki bezwymiarowe W celu porównania różnych wentylatorów bardzo często sprowadza się ich wielkości charakterystyczne do wspólnego odniesienia, wyrażając je w postaci bezwymiarowych wskaźników. Podstawowe wskaźniki stosowane najczęściej w celach porównawczych przy badaniach, doborze czy projektowaniu są następujące: a) wskaźnik strumienia objętości - stosunek strumienia objętości do iloczynu powierzchni koła o średnicy odniesienia i prędkości odniesienia wyrażony wzorem

V

D uod od42

[3.1]

gdzie: Dod - średnica odniesienia [m] , w wentylatorach promieniowych przyjmuje się Dod=D2, D2 - średnica zewnętrzna wirnika; w wentylatorach osiowych Dod - średnica obudowy nad łopatkami wirnika [m]; uod - prędkość odniesienia - obwodowa wirnika, [m/s]. b) wskaźnik spiętrzenia - iloraz spiętrzenia całkowitego i ciśnienia dynamicznego czynnika przepływającego z prędkością odniesienia

p

u

c

od12

2 [3.2]

- gęstość czynnika, [kg/m3] uod - prędkość odniesienia równa prędkości obwodowej, [m/s]. c) wskaźnik mocy - iloraz iloczynu wskaźnika strumienia objętości gazu i wskaźnika spiętrzenia do sprawności wentylatora

[3.3]

4. Rozkład ciśnień w rurociągu ssawnym i tłocznym wentylatora Zmienność ciśnienia gazu podczas przepływu przez rurociąg ssawno-tłoczny wentylatora jest przedstawiona na rys.5. W miarę przemieszczania się gazu w części ssawnej rurociągu obserwuje się wzrost oporów przepływu i zmniejszanie się ciśnienia statycznego ps. Miarą tych oporów jest wartość podciśnienia pp.



10

Rys.5. Rozkład ciśnień w rurociągu ssawnym i tłocznym wentylatora

Podczas przepływu przez wirnik czynnik doznaje przyrostu ciśnienia statycznego oraz uzyskuje odpowiednią prędkość. Przekazana na wirniku energia musi być wystarczająca na: pokonanie oporów przepływu przez część ssawną i tłoczną rurociągu, uzyskanie wymaganego ze względu na warunki pracy wentylatora użytecznego

ciśnienia statycznego, zapewnienie czynnikowi odpowiedniej prędkości.

5. Szeregowa i równoległa współpraca wentylatorów Łączenie kilku wentylatorów w układ szeregowy lub równoległy stosuje się wówczas gdy poszczególne wentylatory nie zapewniają żądanego spiętrzenia całkowitego lub odpowiedniego strumienia objętości czynnika. W celu zwiększenia spiętrzenia tłoczonego czynnika stosuje się współpracę szeregową wentylatorów (rys.6b). Przy tym połączeniu strumień objętości czynnika w poszczególnych wentylatorach powinien być jednakowy. Spiętrzenie całkowite jest wówczas równe sumie spiętrzeń poszczególnych wentylatorów

pc=pc1+pc2 przy V1=V2=V [5.1] Zwiększenie strumienia objętości uzyskuje się stosując współpracę równoległą wentylatorów (rys.6a). Spiętrzenie całkowite poszczególnych wentylatorów powinno być sobie równe. Strumień objętości układu jest sumą strumieni objętości poszczególnych wentylatorów



11

V=V1+V2 przy pc=pc1=pc [5.2]

Rys.6. Szeregowa (b) i równoległa (a) współpraca wentylatorów.

6. Charakterystyka wentylatora Charakterystyką maszyny nazywamy zależność podstawową między wielkościami podstawowymi charakterystycznymi dla jej pracy (również w warunkach odbiegających od normalnego ruchu). Graficznym obrazem charakterystyki są krzywe będące wykresem funkcji wiążącej dane wielkości w odpowiednim układzie współrzędnych. Dla wentylatora charakterystykę aerodynamiczną tworzą zależności spiętrzenia całkowitego wentylatora pc, mocy wentylatora N, sprawności wentylatora , w zależności od jego strumienia objętości (wydajności) V przy stałej prędkości obrotowej n, czyli :

pc=f(V)n, N=f(V)n, =f(V)n [6.1] Charakterystyka aerodynamiczna dzieli się na dwa zakresy pracy: stateczny i niestateczny (pkt. A na rys.7). Użyteczny zakres pracy jest stateczny, gdy wraz ze zmniejszeniem się strumienia objętości gazu wzrasta jego spiętrzenie. Zakres pracy od strumienia objętości V=0 do odpowiadającej maksymalnemu spiętrzeniu pc max nazywa się niestatecznym. Praca wentylatora w tym zakresie nie jest wskazana, ze względu na niską sprawność, skłonność do powstawania pulsacji przepływającego czynnika, oraz możliwości wystąpienia silnych drgań elementów wentylatora zagrażających ich wytrzymałości. Przesunięcie się punktu pracy wentylatora w ten niekorzystny i niebezpieczny zakres objawia się zmianą dźwięku pracy wentylatora, pojawia się tzw. „buczenie”. W przypadku współpracy zespołowej wentylatorów, np. szeregowej, charakterystykę aerodynamiczną układu uzyskuje się przez sumowanie rzędnych charakterystyk aerodynamicznych poszczególnych wentylatorów dla danego strumienia objętości gazu (rys.8). Przy współpracy równoległej wentylatorów charakterystykę aerodynamiczną układu uzyskuje się sumując odcięte (strumień objętości gazu) każdego z wentylatorów dla danego spiętrzenia całkowitego pc (rys.9).



12

Charakterystykę mocy elektrycznej pobieranej przez układ wentylatorów pracujących szeregowo uzyskuje się przez sumowanie mocy napędowych poszczególnych wentylatorów dla danego strumienia objętości (rys.10), czyli N=N1+N2 przy V1=V2=V [6.2] Charakterystykę mocy elektrycznej dla układu wentylatorów pracujących równolegle uzyskuje się przez sumowanie rzędnych mocy napędowych poszczególnych wentylatorów dla danego spiętrzenia całkowitego pc N=N1+N2 przy pc1= pc2= pc [6.3]

Rys.7. Charakterystyka aerodynamiczna szeregowej

Rys.8. Charakterystyka aerodynamiczna układu wentylatorów przy współpracy szeregowej



13

Rys.9. Charakterystyka aerodynamiczna Rys.10. Charakterystyka mocy elektrycznej układu wentylatorów przy współpracy układu wentylatorów przy współpracy

równoległej szeregowej

6.1. Charakterystyka sieci W celu zapewnienia przepływu przez daną sieć (układ rurociągów) określonego strumienia objętości gazu V musi być wytworzone odpowiednie spiętrzenie całkowite pc, które będzie zużytkowane na: - pokonanie różnicy ciśnień między przestrzenią do której gaz jest tłoczony, a przestrzenią, z której gaz jest zasysany, tzn. oporu hydrostatycznego po, - pokonanie oporów przepływu p

pc= po+ p [6.4] Graficzny obraz tych zależności jest przedstawiony na rys.11.

Rys.11. Charakterystyka oporów sieci:

1 - linia oporu hydrostatycznego, 2 - charakterystyka oporów sieci (rurociągu) Przepływ czynnika w sieci najczęściej ma charakter burzliwy, wówczas charakterystyka oporów sieci jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, a więc do strumienia objętości gazu V

p cV2 [6.5]



14

W warunkach współpracy wentylatora z siecią bardzo często opór hydrostatyczny jest niewielki lub bliski zeru (np. zasysanie czynnika z otoczenia i tłoczenie do otoczenia) i zostaje pomijany. Krzywa charakterystyki oporów sieci przechodzi wówczas przez początek układu (rys.12).

Rys.12. Charakterystyka oporów sieci bez oporu hydrostatycznego 6.2. Współpraca wentylatora z siecią Jeżeli na charakterystykę wentylatora zostanie naniesiona charakterystyka sieci, przecięcie tych krzywych wyznaczy punkt pracy 1 (rys.13). Określa on ilość przepływającego przez sieć czynnika przy odpowiednim spiętrzeniu całkowitym wytworzonym przez wentylator, co powinno nastąpić przy optymalnej sprawności maszyny. Zmiana parametrów pracy wentylatora następuje przy zmianie oporów sieci, co można uzyskać np. dławiąc przepływający gaz. Punkt pracy przesunie się w położenie 2. Nastąpi zmniejszenie strumienia objętości z V1 na V2, przy wzroście spiętrzenia całkowitego z pc1 na pc2, ulegnie zmianie również sprawność wentylatora. Zmiana strumienia objętości poprzez dławienie może następować w kierunku jego zmniejszenia. Charakterystyka pracy wentylatora pozostaje stała, a jedynie następuje zmiana oporu sieci (wprowadzony zostaje dodatkowy opór). Jest to więc niekorzystny system zmiany parametrów pracy.

Rys.13. Wyznaczanie punktu współpracy wentylatora z siecią

Najkorzystniejszym rozwiązaniem zmiany parametrów pracy jest zmiana pracy samego wentylatora - przez zastosowanie odpowiedniego systemu regulacji. Istnieje wówczas możliwość dostosowania charakterystyki aerodynamicznej pracy wentylatora do zmiennego w



15

czasie strumienia gazu i oporów przepływu w sieci w taki sposób, aby uzyskać możliwie najlepsze sprawności. Zakres pracy wentylatora nie jest wówczas opisywany przez jedną krzywą stanowiącą charakterystykę aerodynamiczną, lecz rozszerza się na pewne pole reprezentowane przez rodzinę krzywych. 7. Podstawowe sposoby regulacji wentylatorów a) Regulacja za pomocą zmiany prędkości obrotowej wirnika. Jest ona związana z napędem o zmiennej prędkości, np. przekładnią zmieniającą w sposób ciągły prędkość obrotową, z turbiną parową czy silnikiem elektrycznym prądu stałego. Regulacja ta umożliwia pracę wentylatora bez potrzeby zmiany jego konstrukcji i budowy dodatkowego systemu rozrządu. Strumień objętości gazu jest wówczas proporcjonalny do zmiany prędkości obrotowej. Przebieg rodziny charakterystyk aerodynamicznych przedstawiono na rys.14.

Rys.14. Charakterystyki p f Vc ( ) dla różnych prędkości obrotowych wirnika wentylatora Zwiększenie prędkości obrotowej wentylatora powoduje wzrost strumienia objętości gazu z V1 na V2 lub V3, przy odpowiednim przyroście spiętrzenia całkowitego zużytkowanego na pokonanie zwiększających się oporów przepływu w sieci. b) Regulacja za pomocą nastawnych kierownic wstępnych. Polega ona na zmianie ustawienia kąta łopatek kierownicy wstępnej znajdującej się przed wirnikiem. Powoduje to zmianę kąta napływu czynnika na wirnik, przez co ulega zmianie kinematyka przepływu. Wpływa to na wielkość energii przekazywanej przepływającemu czynnikowi, a więc na możliwość zmiany spiętrzenia całkowitego. c) Regulacja za pomocą nastawianych w ruchu łopatek wirnika. Zmiana kąta ustawienia łopatek wirnika wpływa na kinematykę przepływu czynnika. Następuje wówczas zmiana warunków pracy, przede wszystkim zmiana spiętrzenia



16

całkowitego. Daje ona obszerne pole sprawnej pracy wentylatora, a stosowana jest praktycznie w wentylatorach osiowych. d) Regulacja przez dławienie Ten rodzaj regulacji polega na dławieniu przepływającego gazu za pomocą zasuw i przepustnic umieszczonych w przewodach wlotowych i wylotowych wentylatora. Zmiana przekroju wylotowego za pomocą przysłony powoduje zmianę oporów przewodu. Stworzenie dodatkowego oporu powoduje wzrost straty ciśnienia p i punkt pracy przesuwa się po krzywej p f Vc ( ) w stronę mniejszych wydajności. Wydajność wentylatora zmniejszy się z V1 na V2 przy wzroście ciśnienia całkowitego z pc1 do pc2 . 8. Ogólne zasady przeprowadzania pomiarów i badań wentylatorów 8.1. Uwagi wstępne. Celem badań wentylatora jest wyznaczenie rzeczywistej wydajności V, spiętrzenia całkowitego pc, mocy na wale N i sprawności . Wyszczególnione parametry określone na podstawie pomiarów i obliczeń i przedstawione w odpowiednich układach współrzędnych w postaci zależności funkcyjnych pc = f (V), N = f (V), = f (V) są charakterystyką wymiarową wentylatora. Do sporządzonych charakterystyk należy podać prędkości obrotowe, przy których pomiary były przeprowadzone oraz gęstość powietrza. Znajomość charakterystyki jest niezbędna zarówno dla prawidłowej oceny pracy wentylatorów jak również przy eksploatacji i doborze wentylatora do instalacji. Ponadto znajomość charakterystyki umożliwia porównanie i sprawdzenie założeń i obliczeń konstrukcyjnych z wynikami pomiarów i obliczeń. Najodpowiedniejszym sposobem wyznaczania parametrów pracy wentylatora ze względu na stosunkowo dużą dokładność jest pomiar wentylatora na specjalnym stanowisku. 8.2. Przygotowanie pomiaru. Stanowisko badawcze powinno być zaprojektowane i przygotowane pod kątem uzyskania jak największej dokładności pomiarowej. Dokładne przeprowadzenie pomiaru gwarantowane jest nie tylko przez stosowanie przyrządów pomiarowych jak najwyższej klasy ale również przez stworzenie odpowiednich warunków przepływu wpływających na dokładność pomiaru. Część pomiarowa rurociągu, na której instaluje się czujniki pomiarowe, poprzedzona musi być zawsze częścią, w której zachodzi uporządkowanie przepływu. Wyrównanie przepływu uzyskuje się przez zastosowanie odpowiednio długiego odcinka prostoliniowego rurociągu, którego długość powinna być nie mniejsza niż 12 D. Średnica rurociągu powinna być odpowiednio dobrana do średnicy króćca badanego wentylatora. Instalowanie wewnątrz rurociągu prostownic strumienia, siatek względnie przegród perforowanych zapewnia uzyskanie wyrównanego profilu prędkości. Rozmieszczenie punktów (miejsc) instalowania czujników pomiarowych powinno być starannie przeanalizowane. Wszystkie punkty pomiarowe powinny być usytuowane w części rurociągu pomiarowego, w której przepływ jest wyrównany (o równoległych liniach prądu). Otwory impulsowe pomiaru ciśnień nie powinny być umieszczane w bezpośredniej bliskości elementów powodujących zaburzenia przepływu. Podczas pomiaru celem uzyskania kolejnego punktu



17

charakterystyki stosuje się dławienie przepływu. Sposób dławienia oraz miejsce instalowania przysłon dławiących powinno być takie, aby nie zakłócało w czasie pomiarów wyrównanego charakteru przepływu. Dlatego też należy stosować przysłony dławiące osiowo symetryczne. 8.3. Ogólne zasady przeprowadzania badań. a) Przed przystąpieniem do badań należy dokonać oględzin wentylatora celem sprawdzenia jego stanu oraz zgodności wymiarów z wymiarami na rysunku. b) Sporządzić schemat pomiarowy zaznaczając na nim usytuowanie punktów i przyrządów pomiarowych oraz sposób pomiaru. c) Przyrządy pomiarowe stosowane przy badaniach powinny być wywzorcowane i sprawdzone. d) Zwrócić uwagę na szczelność połączeń ciśnieniowych. e) Odczyty przyrządów pomiarowych dokonuje się po ustaleniu równowagi termicznej. f) Odczyty wskazań przyrządów przeprowadza się jednocześnie. g) Podczas badań w tych samych warunkach ruchu należy przeprowadzić co najmniej dwa pomiary. h) Po zakończeniu badań należy przeprowadzić przegląd zewnętrzny wentylatora. 8.4. Metody pomiaru wielkości charakterystycznych. 8.4.1. Pomiar wydajności. Pomiar wydajności wentylatora można przeprowadzić jednym z następujących sposobów: a) za pomocą zwężek mierniczych zgodnie z normą PN-65/M-53950 b) za pomocą rurek spiętrzających. Sonda Prandtla służy do pomiaru ciśnienia całkowitego i statycznego, przy czym przez odpowiednie połączenie końcówek sondy z mikromanometrem można określić ciśnienie dynamiczne. Sondę do pomiarów należy dobrać w ten sposób, aby średnica sondy była mniejsza niż 1/30 części średnicy przekroju pomiarowego i nie większa od połowy najmniejszej odległości punktu pomiarowego od ściany kanału. Ponieważ rozkład prędkości w kanale jest zmienny, należy znać wartość średniej prędkości. Najprostszy sposób jej określenia w przewodzie kołowym opiera się na następującej zależności

ww

fœrmax

(Re) [8.1]

wśr - średnia prędkość, m/s; wmax - maksymalna prędkość strumienia w osi przewodu, m/s;

Re max w D

- liczba Reynoldsa; [8.2]

D - wewnętrzna średnica rurociągu, m; - współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s. W tej metodzie sondę Prandtla umieszcza się w osi przewodu, mierząc ciśnienie dynamiczne, któremu odpowiada maksymalna prędkość gazu. Wartość tej prędkości oblicza się ze wzoru:



18

w pd

2 [8.3]

gdzie: -współczynnik, dla znormalizowanej dwukanałowej sondy Prandtla można przyjąć 1; pd - ciśnienie dynamiczne, Pa; - gęstość gazu w miejscu pomiaru, kg/m3. Następnie wyznacza się liczbę Reynoldsa odpowiadającą wmax i z wykresu (rys.15) odczytuje zależność wśr/wmax , z której można wyliczyć wartość średniej prędkości wśr.

Rys.16. Wykres zależności wśr/wmax =f (Re). Przekrój przewodu, w którym umieszcza się sondę Prandtla, powinien znajdować się w odległości 40-50 D od jego początku. Strumień objętości lub masy gazu oblicza się z zależności: V A wm A w

œr

œr

[8.4]

gdzie: A - pole przekroju rurociągu, m2; wśr - średnia prędkość gazu w rurociągu, m/s; - gęstość gazu w rurociągu, kg/m3. W celu ustalenia gęstości gazu należy zmierzyć parametry termodynamiczne gazu - ciśnienie statyczne i temperaturę w przekroju pomiarowym. Prędkość przepływu gazu oblicza się po wykonaniu pomiaru ciśnienia dynamicznego rurką Prandtla wg wzoru:

wpd

2

[8.5]



19

c) za pomocą anemometów. Jest to również pośrednia metoda wyznaczania wydatku przez pomiar prędkości przepływu. Do pomiaru prędkości w zakresie 0,5 do 10 (m/s) stosuje się anemometry skrzydełkowe, natomiast do pomiaru w zakresie prędkości od 1 do 30 (m/s) stosowane są anemometry muszlowe. Przy pomiarach bardzo małych stosuje się anemometry specjalne np. anemometry elektryczne. 8.4.2. Pomiar ciśnień. Spiętrzenie wentylatora obliczamy na podstawie równania:

pc=(ps2-ps1)+(pd2-pd1)= pst+ pd [8.6] Do pomiaru ciśnień (nadciśnienia i podciśnienia całkowitego i statycznego) oraz ciśnienia dynamicznego stosuje się rurkę spiętrzającą Prandtla w połączeniu z różnego rodzaju miernikami. Ciśnienie statyczne można mierzyć za pomocą sond pomiaru ciśnienia statycznego

umieszczonych w strumieniu gazu, w których otwory piezometryczne usytuowane są stycznie (równolegle) do kierunku przepływu. Pomiar taki może być jednak obarczony znacznym błędem. Najkorzystniejszą metodą pomiaru ciśnienia statycznego jest pomiar z wykorzystaniem otworów piezometrycznych wywierconych w ściance rurociągu, przez który przepływa czynnik. Wykonuje się zazwyczaj 4 takie otwory na obwodzie rurociągu i łączy jednym przewodem zbiorczym, do którego podłącza się manometr.

Ciśnienia całkowite można mierzyć przy pomocy sondy Prandtla połączonej z manometrem cieczowym. Można je również określić mierząc osobno ciśnienie statyczne i dynamiczne.

Ciśnienie dynamiczne mierzy się najczęściej przy użyciu sondy Prandtla odpowiednio łącząc jej końcówki z mikromanometrem. W tej metodzie sondę Prandtla umieszcza się w osi przewodu, mierząc ciśnienie dynamiczne, któremu odpowiada maksymalna prędkość gazu.

Ze względu na to, że spiętrzenie wentylatora nie przekracza 0,1 bara, jako mierniki przeważnie stosuje się manometry cieczowe dwuramienne (U-rurki). Przy pomiarach mniejszych ciśnień (np. ciśnienie dynamiczne) stosuje się mikromanometry pochylone jednoramienne lub specjalne (np. mikromanometr kompensacyjny). 8.4.3. Pomiar mocy. Moc na wale wentylatora napędzanego przez silnik elektryczny za pośrednictwem przekładni obliczamy ze wzoru:

N Ne el p el [8.7] gdzie: el - sprawność silnika p - sprawność przekładni (0,90 do 0,96 dla przekładni pasowej, 0,95 dla przekładni pasowo-klinowej) Przy napędzie wentylatora silnikiem prądu stałego



20

N U Iel 10 3 [8.8]

gdzie: U (V) - napięcie elektryczne na zaciskach silnika wskazane przez woltomierz I (A) - natężenie prądu elektrycznego wskazane przez amperomierz. Przy napędzie wentylatora za pomocą silnika trójfazowego prądu zmiennego

N U Iel p p 10 33 cos [8.9]

gdzie: Up (V) - napięcie międzyprzewodowe Ip (A) - prąd przewodowy cos - współczynnik mocy Wartość Nel może być wyznaczona metodą jednego watomierza jeżeli sieć 3 lub 4 przewodowa obciążona jest symetrycznie, wówczas Nel=3Nwi 10-3 (kW), gdzie Nwi (W) - moc elektryczna wskazywana przez watomierz. W wypadku, gdy obciążenie sieci jest niesymetryczne dla sieci 3-przewodowej Nel może być wyznaczona metodą dwóch watomierzy (metoda Arona): Nel= (Nw1+Nw2) 10-3 (kW) Dla sieci 4-przewodowej Nel wyznaczamy metodą 3-watomierzy. Wówczas Nel= (Nw1+Nw2+Nw3) 10-3 (kW). 8.4.4. Pomiar prędkości obrotowej. Do pomiaru prędkości obrotowej n (obr/min) stosuje się: - obrotomierze mechaniczne wykorzystując zjawisko siły odśrodkowej, - liczniki obrotów zaopatrzone w sekundomierze, - obrotomierze elektroniczne, zliczające impulsy, - obrotomierz elektryczny z wykorzystaniem efektu stroboskopowego. 8.4.5. Pomiar temperatury. Do pomiaru temperatury gazu stosuje się termometry cieczowe oporowe lub termoelementy. Pomiar temperatury przeprowadza się w pobliżu miejsca pomiaru ciśnienia oraz przy wlocie do wentylatora. 9. Stanowisko pomiarowe Stanowisko pomiarowe umożliwiające pomiar wielkości charakteryzujących pracę wentylatora powinno ściśle odtwarzać rzeczywiste warunki pracy maszyny. Wentylatory mogą pracować jako: a) wentylatory przemieszczające powietrze z jednej przestrzeni do drugiej, b) wentylatory tłoczące, c) wentylatory ssące, d) wentylatory ssąco-tłoczące. Mając na uwadze warunki pracy, do wentylatora przyłącza się kanał pomiarowy umożliwiający pomiar parametrów pracy maszyny również w warunkach odbiegających od znamionowych. Wentylatory z wolnym wlotem na ssaniu instaluje się na początku sieci, do której tłoczą czynnik. Kanał pomiarowy montuje się do króćca na tłoczeniu. Kanał pomiarowy wykonuje się o przekroju kołowym, o średnicy odpowiednio dobranej do króćca maszyny. W przypadku niewielkiej różnicy średnic, między wentylator a kanał pomiarowy należy wstawić odpowiednio dyfuzor lub konfuzor. Średni kąt pochylenia przeciwległych ścian w przypadku dyfuzora powinien być mniejszy niż 70, konfuzora zaś 150,



21

przy czym charakter przepływu w kanale pomiarowym powinien być taki sam, jak w rzeczywistej sieci. Wewnątrz kanału powierzchnia powinna być gładka, pozbawiona wgnieceń. Długość kanału jest uzależniona od sposobu pomiaru strumienia przepływu czynnika. W kanale od strony przyłączonego wentylatora powinna być zamontowana kratka prostująca zapobiegająca przenoszeniu się zawirowania strugi od wirnika maszyny. W celu zmiany charakterystyki kanału wprowadza się dodatkowy opór zmniejszając powierzchnię przepływową kanału. Mogą to być siatki lub przesłony perforowane, zasuwy lub pierścieniowe przesłony z otworem koncentrycznym do osi przewodu.

Documents

ĆWICZENIA LABRORATORYJNE MASZYNOZNAWSTWOl3_wentylator.pdfMASZYNOZNAWSTWO Wentylatory. Budowa, zasada działania, obliczenia i zasady doboru. Budowa, zasada działania, obliczenia