Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 1

Átírás

1 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3. BEVEZETÉS.. Osztályozás, a tématerület korlátozása Munkaközeg: Gáz (Cseppfolyós közeg) (Többfázisú közeg) Teljesítmény bevitel / kivitel: Munkagépek. Teljesítmény-bevitel árán kisebb nyomású térből szívótér nagyobb nyomású térbe nyomótér szállítanak közeget. (Erőgépek) Működési elv: Euler-elv (áramlástechnikai elv): FORGÓGÉEK. Lapátokkal ellátott forgórész házban. A szívó- és nyomótér között szabad átjárhatóság. (Térfogat-kiszorítási, volumetrikus elv: a szívó- és nyomótér között munkatér. Elmozduló és álló falakkal határolt, nem átjárható. Dugattyús gépek.).. Áramlástechnikai forgó munkagépek osztályozása... Átáramlás iránya a forgástengelyhez képest: radiális axiális (félaxiális) (keresztáramú)... Nyomásnövekedés, nyomásviszony: p /p nyomásviszony A/ p /p <. (.) ventilátorok ρ állandó, T 0 tervezési, konstrukciós, alkalmazási szempontok IGAZOLÁS: izentropikus közelítés: p /p = (ρ /ρ ) χ (.)

2 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 Ebből p /p =. helyettesítéssel levegőre ρ /ρ =.07 adódik, amely még a fenti szempontok szerint általában elhanyagolható. A sűrűség viszonylagos állandósága kritériumot teremt a gépet jellemző sebességekre, pl. a gép lapátozásának kerületi sebességére, illetve a csatlakozó rendszerben kialakuló sebességekre is. Tekintsünk egy képzeletbeli áramvonalat pl. a szívócsonk S pontja és a gép járókerekének orrkúpja között, amelyen T torlópontot feltételezünk. Az iménti 7 % eltérésnél még szigorúbb kritériummal élve: ρ ρ 0. 05ρ (.) T S S Energiaegyenlet az S és T pontok között: + Fent felhasználtuk, hogy vs RMaS T S T χ + = S = c p c p Ma v v T T (.3) S S S = = (.4) as κ RTS Izentropikus állapotváltozás: ρ T TT = ρs TS κ ρt ρs = 0. 05ρS feltételezéssel és a levegő-jellemzők behelyettesítésével az (.3) és (.5) egyenletek kombinációja a következő kritériumot adja []: Ma S < 0.3 (.6) Ez a feltétel közel szobahőmérsékletű közeget feltételezve nem engedi meg 00 m/s-nál nagyobb áramlási sebességek kialakulását a gépben és a csatlakozó rendszerben. A gépet szemléletesen jellemzi a lapátcsúcs kerületi sebessége. A fentiek összefoglalása: VENTILÁTOROKRA ÁLTALÁBAN Közel atmoszférikus nyomást feltételezve a szívóoldalon p < 0. bar [] (.5) A lapátcsúcs kerületi sebessége < 00 m/s, amely összhangban áll a géppel kapcsolatos szilárdsági és zajkibocsátási kívánalmakkal is. B/. < p /p < 3 fúvók ρ állandó, T > 0, de még elegendő a természetes hűlés. C/ 3 < p /p kompresszorok ρ állandó, T >> 0, mesterséges hűtés szükséges. (Anyagszerkezettani és technológiai szempontok)

3 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 3.. Ábra. Ipari gázturbina [4].. Ábra. Repülőgép-hajtómű [4]

4 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD Ventilátorok munkafolyamata Q Ideális (veszteségmentes) esetre: m Q m v p = + gh + U + ρ = i ö i ö (.7) Ventilátorokra Q = 0, U= 0, és gh csak akkor játszik szerepet, ha a külső és a szállított közeg sűrűsége eltér (pl. forró füstgáz vagy hideg levegő szállítása). Így ventilátorokra általában v p v = m + = V ρ + p = V p ρ Ahol az Euler-turbinaegyenlet [3] szerint p öid ( v u v ) u öid (.8) = ρ (.9) Az ideális körülményektől való eltérések: A/ A résveszteségek miatt a járókeréken áthaladó VJ térfogatáram nagyobb, mint a hasznosuló V (egy része a járókeréken belül kering), viszont a többlet mozgatásához is teljesítményt kell bevezetni. Ezt a hatást az η V volumetrikus hatásfokkal vesszük figyelembe. = VJ p öid, VJ > V, η V = V / VJ (.0) B/ Az össznyomás-növekedés kisebb az ideálisnál a közegsúrlódási veszteségek miatt. Ezt a hatást az η h hidraulikai hatásfokkal vesszük figyelembe: η = p / p (.) h ö A fentiekkel öid p V ö h = VJ pöid = = (.) ηv ηh ηvηh C/ A bevezetett összes teljesítmény a mechanikai veszteségeket, pl. a szíjhajtás, csapágyazás veszteségeit is fedezi. Ezt a hatást az η m mechanikai hatásfokkal vesszük figyelembe: η m = / összes (.3) Így h h összes = = (.4) ηvηhη m ηö

5 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 5 Ventilátorokra általában igaz, hogy η m, η V (nincs nagy nyomáskülönbség; ez szivattyúkra már nem igaz), és így η ö η h..4. Radiális ventilátorok alapvető konstrukciója Szívókúp.3. Ábra. Radiális ventilátor elvi vázlata [].4. Ábra. Radiális ventilátor [5].5. Ábra. Radiális csőventilátor [5].6. Ábra. Radiális csőventilátor metszete [5].7. Ábra. Radiális ventilátor [5].8. Ábra. Tetőtéri egység [5]

6 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 6 v v = ρ + p ρ + p (.5) p ö Ahol v = V /A, v = V /A (.6) Statikus nyomásnövekedés: v v pst = p ρ p + = pö ρ (.7) Jellegzetes geometriai adat: a járókerék-lapátozás D belső és D külső átmérője..5. Axiális ventilátorok alapvető konstrukciója Terelőlapátozás Légrés Csatorna Orrkúp Járókerék-lapátozás Agy (koszorú).9. Ábra. Axiális ventilátor elvi vázlata [].0. Ábra. Axiális csőventilátor [6] Jellegzetes geometriai adat: a járókerék-lapátozás D belső (agy-) és D külső átmérője... Ábra. Axiális csőventilátor [5].. Ábra. Fali axiálventilátor [5]

7 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 7 RADIÁLIS ÉS AXIÁLIS FORGÓGÉEK KÖZTI ALAVETŐ KÜLÖNBSÉGEK: Az (.9) Euler-turbinaegyenletből feltűnik, hogy a konstrukcióból adódóan az axiálgépnél r r, u u. Ezért az axiálgépek általában kisebb össznyomásnövekedést hoznak létre, mint a radiálgépek. Rögzített légtechnikai teljesítmény esetén ez azt is jelenti, hogy az axiálgépek általában nagyobb térfogatáramot létesítenek, mint a radiálgépek. Az axiálgépben a közel irányeltérítése mérsékelt a radiálgépéhez képest, miáltal az axiálgépek áramlási veszteségei általában mérsékeltek és hidraulikai hatásfokuk jobb, mint a radiálgépeké. Axiálgépben az átáramlás iránya idomul a csatlakozó légvezeték-rendszerhez. Ezért nemcsak a gépen belül, de a csatlakozó légtechnikai rendszerben is mérsékeltek az iránytörésből adódó veszteségek. (l. ezzel szemben radiális csőventilátor: meg kell oldani a közeg veszteségekkel járó visszatérítését a csőtengely irányába.).6. Ventilátor-elrendezések: technológia- és geometriafüggő!.6.. Csőből szabadba (elszívó, pl. élelmiszeripari pára- és szagelszívás) v p 0 v p 0 p.3. ábra. Csőből-szabadba elrendezések [5] v v v v p ö = ρ p + 0 ρ + ( p0 p ) = p + ρ ρ (.8) (= p axiálventilátorokra, mert a csatornakeresztmetszet állandósága miatt v = v ) v v pst = pö ρ = p ρ (.9)

8 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD Szabadból csőbe (befúvó, pl. kazán-aláfúvó; túlnyomást biztosító: tisztatér-tech.) v p 0 p 0 p.4. ábra. Szabadból-csőbe elrendezések [5] A belépő oldali veszteségek elhanyagolásával: v v p ö = ρ + ( p0 + p ) p0 = p + ρ (.0) p st = p (.).6.3. Csőből csőbe (csőventilátor: előtte és utána is kiszolgáló elemek: pl. előtte kalorifer, utána motoros zsalu).5. ábra. Csőből-csőbe elrendezések [5] v v = ρ + p ρ + p (.) p ö v p st = p ρ + p (.3)

9 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD Szabadból szabadba (pl. alagútszellőzés) p 0 p 0 v.6. ábra. Szabadból-szabadba elrendezések [5] v v p ö = ρ p + 0 p0 = ρ (.4) v pst = pö ρ = 0 (.5) Módosulata: ha a oldalon nem egyezik meg a statikus nyomás, pl. belső térben depressziót okozva szabadba fúj, vagy belső térben túlnyomást okozva szabadból szív. Ekkor a fenti egyenletek módosulnak annak megfelelően, hogy a szívott- vagy a nyomott oldali kifejezésekbe kerül-e p 0 tól eltérő statikus nyomásérték..7. Jelleggörbe: példa.7. Ábra. HELIOS HQ 7/4 axiálventilátor jelleggörbéje [6]

10 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD Ábra. Segédlet az.7. ábrához [6].8. Dimenziótlan számcsoportok, összehasonlítás Felhasználói igények: p ö, ( p st ), V, összes (motorválasztás) A gép sajátosságai: D (járókerék küldő átmérője), n A közeg sajátosságai: ρ, ν Különféle gépek összehasonlíthatósága érdekében: ( u t = D π n ) Össznyomásszám: Statikus nyomásszám: Mennyiségi szám: p ö Ψ ö = (.6) ρ u t p st Ψ st = (.7) ρ u t = A u v Φ (.8) jell Ahol A jell =D π/4 (de pl. axiálgépek kutatás-fejlesztése: gyűrűkeresztmetszet) t

11 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 Teljesítménytényező: Reynolds-szám: pö η összes ö λ = = = ρ ρ ut Ajellut ut Ajellut V ΨöΦ η ö (.9) u t l Re = (egy lehetséges definíció) (.30) ν.9. Ábra. Dimenziótlan jellemző görbék [].0. Ábra. Axiálventilátor hidraulikai hatásfokának Reynolds-szám függése [7] l. axiálgépeknél célszerű az (.30) Reynolds-számot a ún. kritikus Reynolds-szám ( ) fölötti értéken tartani... Ábra. Különféle ventilátortípusok összehasonlítása []

12 Dr. Vad János: Ipari légtechnika BMEGEÁTMOD3 JELÖLÉSJEGYZÉK a [m/s] hangsebesség c p [J/(kgK)] izobár fajhő (= 005 J/(kgK) levegőre) D [m] átmérő g [N/kg] gravitációs erőtér térerőssége h [m] szint, magasság i ö [J/kg] összentalpia l [m] lapáthúrhossz Ma [-] Mach-szám n [/s] fordulatszám m [kg/s] tömegáram [W] bevezetett tengelyteljesítmény h [W] hasznos áramlástechnikai teljesítmény összes [W] bevezetett összes teljesítmény p [a] statikus nyomás p ö [a] össznyomás p ö [a] össznyomás-növekedés p st [a] statikus nyomásnövekedés Q [W] hűtéssel elvont hőteljesítmény V [m 3 /s] térfogatáram R [J/(kgK)] specifikus gázállandó (= 87 J/(kgK) levegőre) r [m] sugár T [K] hőmérséklet U [J/kg] fajlagos belső energia u [m/s] kerületi sebesség u t [m/s] járókerék kerületi sebessége = v [m/s] abszolút sebesség a nyomó- és szívóoldal jellemzőinek különbsége ν [m /s] kinematikai viszkozitás ρ [kg/m 3 ] sűrűség χ [-] izentropikus kitevő (=.40 levegőre) η V [-] volumetrikus hatásfok η h [-] hidraulikai hatásfok η m [-] mechanikai hatásfok η ö [-] összhatásfok ALULJELÖLÉSEK: 0 légkörre jellemző szívóoldal; járókerékre belépő közeg nyomóoldal; járókerékből kilépő közeg id ideális (veszteségmentes)