M10 BORDA-CARNOT ÁTMENET ÉS DIFFÚZOR VIZSGÁLATA

Átírás

1 M10 BORDA-CARNOT ÁTMENET ÉS DIFFÚZOR VIZSGÁLATA 1. A mérés célja, gyakorlati jelentősége A Bora-Carnot átmenetn és iffúzorban alakuló áramké izsgálata áramlás megjelenítési mószer segítségéel. A csatornafal mentén alakuló nyomásmegoszlás meghatározása méréssel. A alakuló áramké és a fal menti nyomásmegoszlás közötti kacsolat meghatározása. A Bora-Carnot átmenet és a iffúzor szakasz iffúzor hatásfokának számítása. A gyakorlatban folyaék és gáz halmazállaotú közegek szállítását sokszor csőezetékkel agy csatornáal olják meg. Ilyen esetn gyakran előforul, hogy az áramlás iránya mentén a csatorna keresztmetszetet meg kell nöelni. Feltételeze, hogy az összenyomhatatlan közeg a csatornában renelkezésére álló teret tökéletesen tölti, az anyagmegmaraás törénye értelmén a szaba áramlási keresztmetszet nöekeése az áramlási sesség csökkenését ereményezi. Dinamikailag a iffúzoron áthalaó egyes folyaékrészecskék lassulását az iézi elő, hogy a halaási irányuk mentén előttük minig nagyobb a nyomás, mint mögöttük. Így a nyomásból származó erő a megléő sesség irányáal éen ellentett értelemn hata fékezi a folyaékrészecskét. Súrlóásmentes közegn a folyaékrészecskék lefékezőése különösebb nehézség nélkül megtörténik. Ezzel szemn súrlóásos közegn fokozott mértéken fenyeget a csatorna fala mentén húzóó, folyaéksúrlóás hatására alakuló határréteg astagoása, illete leálása. A határréteg leálás okára legegyszerűbn a iffúzorban köetkező áramlási jelenség energetikai elemzése ezet rá. Eszerint a iffúzorban a folyaékrészecske sebb nyomású helyről nagyobb nyomású helyre történő 1

2 mozgatásához szükséges munkát a folyaékrészecske mozgási energiájának csökkenése feezi. Ha a folyaékáramlás súrlóásmentes, akkor ez a folyamat a teljes csatorna keresztmetszetn zaartalanul jön létre. Súrlóásos esetn azonban szemn a csatorna közeén zaartalanul lassuló folyaékrészecskékkel, a fal mentén, a határrétegn található részecskék mozgási energiája iejekorán elfogy és a folyaékrészecskék lefékezőnek, sőt a nyomáskülönbség hatására isszaáramolhatnak. A jelenség alakulását a határréteg megastagoása, angó folyaék zónák és jellegzetes leálási buborékok megjelenése jelzi. /l. részletesen [1]/ A határréteg megastagoása illete a leálási buborékok létrejötte az áramlásban alakuló issziatí jellegű, eszteséges folyamatok felerősöéséel jár. A csőezetékn alakuló eszteségek miatt megnöekszik a renszer ellenállása, amely égső soron a folyaék mozgatásához szükséges fektetenő teljesítmény nöekeését onja maga után. A határréteg leálás nem csak áramlási eszteséget okoz, hanem instabil iselkeése szerkezeti rezgések és zaj forrása is lehet. Ezen túlmenően a leált áramlás keezőtlenül hathat issza annak a gének a műköésére illete az abban alakuló jelenségre, amellyel az aott csőszakasz kacsolatban áll. (Pélául, ha egy kazán égőfejének leegőellátó renszerén instabil leálás miatt ingaozó áramlás alakul, akkor a alakuló láng és a hőfelszabaulás is lüktető lesz.) Minezek miatt áramlástechnikai renezéseknél, így cső- és csatornarenszereknél is általános terezési szemont a határréteg leálás elkerülése. Első megközelítésn a roblémáal kacsolatban mérnö szemontból két felaat merül fel. Egyfelől fontos megismerni, hogy melyek a tisztán áramlástani szemontból ieálisan alakított keresztmetszet nöekeés jellemzői. Másfelől gyakorlati olalról tuomásul kell enni, hogy az áramlástani szemontból otimális alakítás nem alósítható meg minen esetn. Ezért azt is fontos megismerni, hogy a legyárthatóság és üzemeltetés milyen komromisszumra kényszerítheti a keresztmetszet átmenet készítőjét. Jelen mérési felaat ennek a felaatkörnek a gyakorlati megismerésére a lehetőséget laboratóriumi körülmények között. 1. ábra: A mérőrenezés 3D-s ázlata. A mérőrenezés leírása A síkáramlás jellegű csatornaáramlások izsgálatára alkalmas mérőrenezés két fő részből, az egyenletes fúási sességrofil létrehozására alkalmas töre szélcsatornából és a áltoztatható alakítású mérőtérből áll. A teljes mérési alakítást a rajta átáramló leegő áramlási iránya mentén, az. ábrának megfelelően a köetkező részek alkotják:

3 . ábra: A mérőrenezés D-s ázlata 1. Térfogatáram mérésre alkalmas szíó mérőerem.. A leegő ezetésére szolgáló szíócső. 3. Nyomásmérési hely, amely nem más, mint a szíócső elején, közetlenül a mérőerem után található s keresztmetszetű megcsaolás. Nyomásméréshez a megcsaolás csatlakozó csöét ékony gumicsőel kötjük össze a nyomásmérő megfelelő ezetéséel. Az itt mért nyomásból a térfogatáram meghatározására nyílik lehetőség. 4. Kétcsatornás igitális nyomásmérő 5. A leegő mozgatását az elektromos motor hajtású raiális entilátor égzi. 6. A szélláa felaata az egyenletes sesség-megoszlású léő légsugár létrehozása. A szélláában a leegő először szűrőszöeten hala át, maj egy konfúzoron keresztül lé lőle. A szűrőszöet és a konfúzor is a raiális entilátor nyomócsonkjából érkező egyenetlen sességrofil simítását szolgálja. 7. A mérőtér a izsgálat tárgyát kéező különböző csatornaalakítások létrehozására alkalmas. A szélláából léő közel egyenletes sesség-megoszlású leegőáramot közetlenül ezetjük a áltoztatható geometriai alakítású mérőtér. A mérőteret alulról egy arafa borítású alala határolja (eb szúrhatók le az áramlás megjelenítésre szolgáló zászlócskák (8)). Felülről egy átlátszó, lexiből készült feőla, olalt eig különböző hosszúságú, e azonos magasságú, áltoztatható helyzetű olalfal elemek annak. A szélláa fúó nyílásához csatlakoztata, az alaés feőla közé egymás mellé folytonosan elhelyezett olalfal elemekkel tetszőleges alakú csatornát hozhatunk létre. A alakuló áramké rajzolata az átlátszó felaon keresztül a légáramlás hatására szélirányba álló zászlócskák segítségéel álik megfigyelhetőé. (Megjegyzés: A mérőtér ala- és felaja egymással árhuzamos sík felületek, az olalfal minen egyes keresztmetszetn ezekre merőlegesen helyezkeik el. Így első megközelítésn, a határréteg szorító hatásának elhanyagolásáal úgy tenthetjük, hogy az alala illete fela síkjára merőleges irányban a folyaékrészecskék nem térülnek el, illete általában monható, hogy ebn az irányban sokkal sebb mértékn áltoznak az áramlási jellemzők, mint a mérőtér síkjában fekő másik két irány mentén. A mérőteret ezen sajátossága teszi alkalmassá arra, hogy segítségéel a iszonylag egyszerűbb, kétimenziós síkáramlásokat izsgálhassunk. 3

4 8. Az áramlás megjelenítésre szolgáló zászlócskák. 9. Nyomásmérési helyek, amelyek segítségéel a csatornafal mentén alakuló nyomásmegoszlás lesz meghatározható. Az előzőekn leírt ala-mérőrenezés mellett más egészítő renezésekre, így élául barométerre, hőmérőre és mérőszalagra is szükség lesz a mérés elégzése során. 3. A mérési felaat részletes leírása, alaető izsgálati és a értékelési szemontok Az 1. ontban megfogalmazott robléma terjet izsgálata igen sok iőt igényelne. Jelen mérés alkalmáal a témához kötőő ezető mérési felaathoz három áltozatot aunk: A. Szimmetrikus iffúzor izsgálata áltozó keresztmetszet-iszony és áltozó nyílásszögek mellett. B. Aszimmetrikus iffúzor izsgálata áltozó keresztmetszet-iszony és áltozó nyílásszögek mellett. C. Szimmetrikus és aszimmetrikus Bora-Carnot átmenet izsgálata állanó keresztmetszetiszony mellett. A konkrét mérési elrenezési áltozatot a gyakorlatezető oktató osztja. Az így aóó felaatokkal kacsolatban az alábbi izsgálatokat célszerű elégezni A csatornában alakuló áramké izsgálata áramlás megjelenítési mószer segítségéel Első léésként a mérőtér alalaján a megfelelő olalfal-elemek összeillesztéséel kell alakítani a izsgálat tárgyát kéező bőülő csatornaszakaszt. Ezután az áramké rajzolatának megfigyelését úgy égezhetjük el, hogy az alala arafa borításába, a szaba áramlási térn olyan gombostűket szúrunk, amelyek égére mm hosszú, lágy, bolyhos anyagból készült, ékony fonalat kötöttünk. A felaat jellegét figyelem ée 0-5 mm-es gombostűk közötti táolság sűrűnek, mm-es táolság ritkának tenthető. Természetesen ahol az áramké s táolságon lül nagyot áltozik ott sűrűbn, míg a egyenlített területen ritkábban éremes elhelyezni az áramlás irányát jelző zászlócskákat. A gombostűn a cérnaszálat olyan magasan kell elhelyezni, hogy az megközelítőleg a csatorna közésíkjában helyezkejen el. Az áramlás meginulása után a fonalarabkák az áramlás irányába állnak. Ha zászlócskákat megfelelően helyeztük el, a fonalak elhelyezkeéséből rajzolóik a csatornaáramlás áramkée. A izsgálat okumentálásához szabakézi rajzot kell készíteni a megjelenő áramkéről, lehetőség esetén fénykéet is lehet készíteni róla. A rajz elkészítésénél különös figyelmet kell szentelni az áramkén mutatkozó iránytöréseknek, leálásoknak. A alakuló leálási buborékok köronalát külön célszerű feltüntetni az ábrában. 3.. A csatornafal mentén alakuló nyomásmegoszlás ill. a csatorna léő és léő sességrofiljának meghatározása méréssel A sességtér mellett a folyaékáramlások másik igen fontos jellemzője az áramló közegn uralkoó nyomás értéke. Az áramkén köetkező áltozásokat általában hűen kíséri a nyomás móosulása. Ezt az elet több áramlási sesség illete térfogatáram mérő renezés is használja, neezetesen, hogy a közeg áramlási sességének mérését a közegn uralkoó nyomás mérésére ezeti issza (Pélául Prantl-cső, Venturi-mérőszakasz.). A mostani mérés alkalmáal a csatornafal mentén alakuló nyomásmegoszlást kell meghatározni, és a alakuló áramké illete a fal menti nyomásmegoszlás közötti kacsolatra kell megállaításokat tenni. A csatornafal menti nyomásokat az olalfalakon alakított 4

5 nyomásmérési megcsaolásoknál igitális nyomásmérőel határozhatjuk meg. A nyomásmérő egyik csatlakozóját gumicső segítségéel össze kell kötni annak a ontnak a nyomásmegcsaolásáal ahol a nyomás értéket meg szeretnénk határozni. A nyomásmérő másik kötését szabaon hagya a nyomásmérőn minig a környező légköri nyomáshoz kéest mérhető túlnyomás illete eresszió értékét kajuk meg az aott mérési ontban. Ilyen móon, a nyomásokat egyenként lemére megkahatjuk a minkét határoló fal menti nyomásmegoszlást. A keresztmetszet bőülés előtti ezető szakasz olalfalán és a léő keresztmetszethez tartozó nyomások a későbbi értékelésnél fontos alaaatok lesznek. Ezért ezek meghatározásra különös figyelmet kell szentelni. A mérések ereményét iagramban célszerű feltüntetni. Az áramké és nyomásmegoszlás birtokában célszerű őket összeetni és a köztük mutatkozó kacsolatot megkeresni és feljegyezni. A csatorna léő keresztmetszetén Prantl-csöes sességmérést égzünk, és az abból kaott sességrofilt ill. annak egyenletességét ellenőrzéskéen a mérőeremes térfogatáram mérésből kaott átlagsesség értékéel összeetjük. Az átlagsességet a Prantl-csőel mért mennyiség mérésre onatkozó előírások szerint határozhatjuk meg a keresztmetszetek ontjaiban mére (lás. ontonkénti sességmérés). A mérőontokat a léő keresztmetszetn 7-15 mm, a léő keresztmetszetn mm ként célszerű felenni. A mérési ereményeket táblázatos formában és iagramban, a mérőeremes térfogatáram mérésből kaott átlagsességgel összeete kell rezentálni A Bora-Carnot átmenet és a iffúzor szakasz iffúzor hatásfokának meghatározása A 3.1 és 3. ontokban mutatott izsgálati mószerek a bőülő csatornában létrejöő áramlási jelenségek részletes elemzését szolgálják. A nai mérnö gyakorlatban azonban legtöbbször szükségtelen az ilyen részletes leírás. Helyette sokkal hasznosabb a bőülő szakaszban alakuló áramlási folyamatok jóságát fejező "egy mérőszámos" jellemző, a iffúzor hatásfok ezetése. Bár a iffúzor hatásfok, mint a iffúzorban alakuló eszteséges áramlási folyamatok "egy mérőszámos" jellemzője elfei a alakuló eszteségek ontos okát, a különböző csatornarenszerek méretezésénél, ahol a számításainkhoz az esetek többségén egyimenziós moellt használunk a részletek ismeretére nincs is szükség, és így bően elegenő a nyomáseszteség ontos meghatározását lehetőé teő iffúzor hatásfok ismerete. A iffúzor hatásfok a bőülő csatorna keresztmetszetn alóságos illete ieális körülmények között alakuló nyomásnöekeés hányaosa: ahol: alóságos ieális [-] a bőülő csatornaszakasz iffúzor hatásfoka. [Pa] a iffúzor léő keresztmetszetén uralkoó nyomás. [Pa] a iffúzor léő keresztmetszetén uralkoó nyomás. (1) 5

6 A A ( - ) alóságos 3. ábra: A mérés ele le alóságos A iffúzor hatásfok meghatározását az alábbi léésekn foglalhatjuk össze: - Az összeállított mérőrenezésen a iffúzor léő keresztmetszetén uralkoó nyomás mérésére szolgáló nyomásmegcsaolást összekötjük a manométer sebb nyomások mérésére szolgáló ezetéséel, ill. a iffúzor léő keresztmetszetéhez tartozó nyomásmegcsaolást a manométer nagyobb nyomás mérésére szolgáló ezetéséel. Ezt köetően a két ont között alakuló alóságos nyomásnöekeés megmérhető. - A légköri nyomás és a teremhőmérséklet megmérése után az ieális gázra onatkozó gáztörény segítségéel a csatornában áramló leegő sűrűsége számíthatóá álik. le l RT t ahol: le kg m 3 az áramló közeg sűrűsége. l [Pa] légköri nyomás. R= 87 J /(kgk) a leegő secifikus gázállanója. T t [K] A mérőrenezést is tartalmazó teremn mérhető abszolút hőmérséklet. (Éremes megjegyezni, hogy a mérés során a kísérleti csatornában alakuló áramlási körülményeket figyelem ée a leegő jó közelítéssel összenyomhatatlannak tenthető.) - A ill. a csatorna - ill. léő keresztmetszetén az áramlás átlagsessége, a csatornában áramló térfogatáram, és a csatorna - ill. léő keresztmetszet nagysága, A ill. A ismeretén az alábbi móon számítható: () (3) (4) illete, A (5) A 6

7 A térfogatáramot a raiális entilátor szíócsöéhez csatlakozó szíó mérőeremmel mérjük meg. Feltételezzük, hogy a renszer leegő csak szíó mérőeremen keresztül jut, és a mérőtér léő keresztmetszetén lé. A mérőalakítás egyéb részei légtömörek, így a sűrűség állanósága miatt a mérőrenszer bármely keresztmetszetén az átáramló térfogatáramok azonosak. Beszíó mérőeremmel a térfogatáramot az alábbi móon határozzuk meg. A szíó cső elejére koncentrikusan elhelyezett körla alakú szűkítő elem után közetlenül elhelyezett nyomásmegcsaolásnál megmérjük a légköri nyomáshoz kéesti eresszió, m értékét. A m függényén a térfogatáramot az alábbi összefüggés (6) segítségéel határozhatjuk meg: 4 le m (6) ahol: 3 m s a mérőeremen átáramló térfogatáram. [-] átfolyási szám, amelynek értéke a keresztmetszet szűkítés iszonyától és a Reynols-számtól függ. értékét kísérletek alaján összeállított táblázatokból lehet meghatározni. Beszíó mérőeremnél, jelen mérés során az átömlési tényező értékét jó közelítéssel 0.6-nak ehetjük. [-] exanziós szám, amelynek értékét a jelen mérés során előforuló iszonylag s nyomásáltozások miatt 1-nek ehetjük. [m] a mérőerem átmérője. m [Pa] a mérőeremen alakuló nyomásesés nagysága. le kg m 3 az áramló közeg sűrűsége. A mérőeremes térfogatárammérésről toábbi részleteket a []-es iroalomban a olalakon lehet találni. A le, és mennyiségek ismeretén a ()-es fejezés neezőjét, az ieális nyomásnöekeést is meg tujuk határozni. Végül a mért alóságos nyomásnöekeés és számolt ieális nyomásnöekeés hányaosaként a iffúzor hatásfok, () számíthatóá álik Az elégzett izsgálatokról a mérési jegyzőkönyet a []-es alaján kell elkészíteni A mérési jegyzőkönynek az alábbi ábrákat kötelezően tartalmaznia kell: - A Prantl-csöes mérésből számítható x (y) sességrofil és a mérőeremes mérésből számítható átlagsesség ábrázolása a léő és léő keresztmetszetn az egyes mérési elrenezésekre, ahol x a főáramlási irány; - i 0 st, i (x) statikus nyomás eloszlása az olalfalak mentén az egyes mérési elrenezésekre; - fal mentén alakult áramké fonalakkal megjelenített kée. - Bora-Carnot eszteség számítása a mérési aatok alaján - Diffúzorhatásfok függése a izsgált araméterek függényén 7

8 3.4.. A hibaszámítást az alábbi mennyiség(ek)re kell a lent ázolt móon elégezni: A iffúzorhatásfok fejezése: abszolút hiba: relatí hiba: le A alóságos A (7) n iff. iff. iff. X i (8)? i 1 X i iff. ahol az X i mért mennyiségek: hozzájuk kacsolóó mérési hibák: X 1 = 0 0 =100 Pa X =T 0 0 = 1K X 3 = = Pa (9) A mérés során nem szaba megfelekezni - A mérőrenezés kacsolása előtt, illete általában a mérőrenezés üzeme során minig meg kell győzőni a balesetmentes munka feltételek teljesüléséről. Ha ezek a feltételek nem teljesülnek, a mérést azonnal abba kell hagyni, és a hiányosságot meg kell szüntetni. Ilyen esetn a mérőcsoort minig kérje a mérésezető segítségét. A kacsolás és a mérés közn égrehajtott áltoztatásokról a renezés környezetén olgozókat figyelmeztetni kell. - Minen mérési alkalommal a légköri nyomás és teremn léő leegő hőmérsékletének feljegyzéséről! - A felhasznált mérőműszerekről leolasott értékek mértékegységének és a rájuk onatkozó egyéb tényezők (Pélául a feecsöes mikromanométer mérőszál ferítési tényezője.) feljegyezéséről. - A felhasznált mérőműszerek tíusának, gyártási számának és a nne léő mérőfolyaék sűrűségének feljegyezéséről! - A mérőműszerekről leolasott mennyiségek, és a toábbi számításoknál felhasznált mennyiségek mértékegységének egyeztetéséről. - Az "U-csöes" nyomásmérő elén műköő mikromanométerek csak megfelelően ízszinteze használhatók. - A nyomásmérő kötésénél figyelmesen kell eljárni a csatlakozók "+" illete "-" ágának és a méréshatár álasztásánál. Általában minegyik manométer tíusnál, e emelten a ferecsöes manométernél, figyelni kell arra, hogy a nyomásmérő csatlakozó csonkjaira a gumi csöet óatosan, "ráközelíte", a mérő folyaékszál iselkeését figyelemmel kísére kell felhelyezni. Ha kötőcsöek tömör rögzítése előtt a mérő folyaékszál térése megközelíti a maximális térést, úgy, ha lehet, méréshatárt kell áltoztatni a műszeren. Ha ez nem segít, akkor nagyobb nyomások mérésére alkalmas műszert kell álasztani a méréshez. Ellenkező esetn a mérőfolyaék egy része a kötőcső áramlik meghamisíta, esetleg teljesen lehetetlenné tée a mérést. - A mérőtérn a izsgált csatorna összeállításánál igyázni kell a légtömör szerelésre, mert az esetlegesen alakuló réseken táozó illete áramló leegő jelentősen megáltoztathatja az áramlás jellegét. - Az egyes alakítások megáltoztathatják a renszer hiraulikai ellenállását és így eltolhatják a entilátor munkaontját. Ha a térfogatáram megáltozik, az a sesség és így az aott Reynols-szám megáltozását onja maga után. Ezért a későbbi, más mérésekkel történő összehasonlíthatóság érekén a mérési jegyzőkönyn minenkéen szereeljenek a leegő jellemzői, és léő keresztmetszet geometriai aatai, az áthalaó térfogatáram és az ott érényes átlagsesség. - Egy aott keresztmetszetn uralkoó statikus nyomás meghatározásánál figyelni kell, hogy a mérési onthoz tartozó csatorna keresztmetszetn az áramonalak egymással árhuzamos egyenesek legyenek, illete ezt az állaotot a lehető legjobban megközelítsék. Iroalom [1] Lajos Tamás: Az áramlástan alajai, Műegyetemi Kiaó 004 [] htt:// 8