VÍZGYŰRŰS VÁKUUMSZIVATTYÚ MÉRÉSE

Átírás

1 VÍZGYŰRŰS VÁKUUMSZIVATTYÚ MÉRÉSE A vákuumszivattyúk lyan gépek, amelyek egy zárt térből gázt távlítanak el, és ezzel részleges vákuumt hznak létre. 1. A mérés célja Meghatárzandók egy EV 40/80 típusú vákuumszivattyú jelleggörbéi. A jelleggörbék független paramétereiként vákuumgépek esetén a p létesített vákuumnymást, p / p sűrítési visznyt vagy a p p p relatív vákuumt szkás használni. Így tehát pl. a p, a p p p P izt f Q f p p és az ö f függvénykapcslatk adják a jelleggörbéket.. Elméleti alapk 3 p p p A mérés az nline jegyzet 15.-es fejezetéhez kapcslódik 1. Vízgyűrűs vákuumszivattyú A hengeres házban excentrikusan elhelyezett lapáts frgórész a házat nem teljesen kitöltő vizet gyűrű alakban történő frgásra kényszeríti úgy, hgy a lapátk a kialakult flyadékgyűrűbe végig belelógnak (lásd 1. ábrát). Ily módn peridikusan váltzó növekvő, illetve csökkenő kamratérfgatk keletkeznek. Ha növekvő kamratérfgathz tartzó ldalra a szívó, a csökkenő térfgatkhz tartzó ldalra pedig a nymócsnkt kötjük, akkr a szivattyú gázszállításra válik alkalmassá. A járókerék és az álló ház súrlódó felületeit a szivattyúban lévő vízgyűrű keni. Az összesűrített gáz hőmérséklete a sűrítés alatt - mivel a gáz a vízgyűrűvel érintkezik - nem váltzik meg lényegesen, ezért a kmpresszió iztermikusnak tekinthető. A keletkező kismértékű hőmérsékletemelkedés a vízgyűrű állandó cseréjével tvább csökkenthető. Állaptváltzás állandó hőmérsékleten Amennyiben egy állaptváltzás igen lassan flyik le, úgy a közegnek alkalma van arra, hgy az állaptváltzás srán mindvégig termikus egyensúlyban maradjn környezetével, tehát a környezetéből megfelelő mennyiségű hőt vegyen fel, vagy adjn le. Igy az állaptváltzásban résztvevő közeg hőmérséklete mindvégig azns maradhat a környezet hőmérsékletével

2 Ilyen állaptváltzás esetén az ideális gázk állaptegyenlete értelmében p 1v1 v RT állandó. 1. ábra A vízgyűrűs vákuumszivattyú működési vázlata,3 Az iztermikus állaptváltzás p-v diagramban egy egyenlőszárú hiperblával ábrázlható, melynek helyzetét az állaptváltzás hőmérséklete határzza meg. Ideális gáz esetében, ha a hőmérséklet állandó, a fajlags haszns munka a kezdeti (1-es index, szívócsnk) és végállapt (-es index, nymócsnk) ismeretében a következők szerint számítható: J W 1, RT ln, p 1 kg illetve az ideális gázk állaptegyenletét alkalmazva: J W 1, p 1v1 ln. p 1 kg A Q1 térfgatáramú gázra a teljesítmény J P Q1 ln [W] 1 s. p A gép működése videón: 3 A gép működése egy másik videón:

3 3. A mérőberendezés leírása A mérőberendezést az 1. és. kép, a mérőállmás vázlatát a. ábra szemlélteti. A 3 fázisú aszinkrn mtr (M) gumidugós tengelykapcslón (Tk) keresztül hajtja a vízgyűrűs vákuumszivattyút (V.sz.). A mtrba bevezetett villams teljesítményt mérőbőröndbe (Mb) épített 3 fázisú wattmérővel mérjük. A berendezés névleges aszinkrn frdulatszáma nnévl = 900/min. 1. kép A berendezés részegységei. ábra A mérőberendezés vázlata 3

4 . kép A mérőeszközök, fjtásk elhelyezése d 15 D 53 A beszívtt légáram mérésére szűkítésű ISO1709/3-nak megfelelő beépítésű mérőperem (Mp) szlgál. A mérőperemet megelőző csőszakasz az l1 30D, a követő szakasz az l 5D, szabványban előírt követelményeknek megfelel. A mérőperem mérőnymását p(h) egy U- csöves, vízzel töltött differenciálmanméter méri. A relatív mérőnymás kis értéke miatt az expanziós szám értéke jó közelítéssel 1-nek vehető ( 1). A szívótrkban levő vákuumt egyik végén nyittt U-csöves higanys manméter jelzi. Tekintettel arra, hgy itt a közvetítő közeg levegő ( 4 lev ) a mért nymáskülönbség függetlennek tekinthető a manméter magassági elhelyezésétől, így a ( p p ) nymáskülönbség közvetlenül a higanyszint különbségekből adódik ( hn ). Az üzemállaptk beállítására egy csap (Sz1) szlgál. A fjtás mértékének növelésével a szívótrkban levő nymás csökken. A megkerülő vezetékbe épített glyóscsap (Sz) használatával a kis Hg

5 nymásk tartmányában a fjtás mértékét finman lehet szabályzni. A szivattyú a szabad levegőről szív és a szeparátrba, vagy vízleválasztóba (Sz) szállít. A szeparátr túlflyója (Tf) a felesleges vizet hivattt elvezetni. A szivattyúba vezetendő víz a hűtésre, a kis nymás miatti kipárlgás pótlására és a tömítés funkciójának betöltésére szlgál. Itt kell megjegyezni, hgy a hálózatból hzzávezetett víz nymásváltzására a gép igen érzékeny. Több, állandó ph érték mellett végzett mérés eredményeként különböző értéket kapunk. A ph víznymás paraméter és az ö max hatásfkgörbe maximumk függvény-kapcslatában szélsőérték van, amelyet a 3. ábra szemléltet. ö max 3. ábra Vákuumszivattyú maximális hatásfk tápvíznymás görbéje A maximális hatásfkk legnagybbika esetünkben ph = 0,4bar hálózati víznymásnál van. Ezért célszerű mérésünket e paraméter állandósága mellett elvégezni. Érdekességként megemlíthető, hgy ph növelésével tendenciájában a végvákuum és a bevezetett teljesítmény nő, míg a beszívtt térfgatáram csökken, ez a már elvégzett mérési srzatk tapasztataiból leszűrhető. A ph paraméter állandó értéken tartását a beépített glyóscsap (Gcs) állításával érjük el, knkrét értékét dbzts manméter (Dm) jelzi. Ha a méréseket rendre különböző frdulatszámkn megismételnénk és a hatásfkgörbék azns értékű pntjait összekötnénk, jutnánk a gép ún. kagylódiagramjáhz, amely a belső tulajdnságk tendenciáit még szerteágazóbban mutatná. Mivel egyrészt az alkalmaztt aszinkrn mtrs hajtás a frdulatszám váltztatásra nem ad lehetőséget, másrészt a kagylódiagram felvétele a hallgatói mérésre rendelkezésre álló időben nem végezhető el, így csak a névleges fdulatszámhz tartzó hatásfkgörbe mérhető ki. 5

6 4. A jelleggörbékben szereplő mennyiségek számítása 4.1. Vákuumnymás (p) Az U-csöves higanys manméter közvetlenül a ( p p ) értéket méri [Hg mm]-ben. A barmetrikus nymás ( p ) mérésével (egyszer mért mennyiség) a p, p / p és p h g p n Hg hn p b g b Hg független váltzók könnyen képezhetők. A légköri nymás az alábbi összefüggés segítségével írható fel: p g b, Hg ahl ρhg = [kg/m 3 ], g = 9,81 [m/s ], b [Hg m] a barméterállás. A labrban a barmetrikus nymást digitális barméterről lehet lelvasni, melyből a fenti összefüggés segítségével a b higanymagasság könnyedén kiszámítható. 4.. Térfgatáram (Q) A térfgatáram a d Q 4 lev p összefüggésből határzható meg, ahl: d = 15 [mm] a mérőperem nyílásátmérője, = 1 [-] az expanziós szám, ρlev [kg/m 3 ] a levegő sűrűsége, ρlev = (t), t [ C] a környezeti hőfk (egyszer mért mennyiség), p [Pa] a mérőperem mérőnymása, p = vízgh, víz = [kg/m 3 ] a manméter mérőflyadék sűrűsége, h [mm] a differenciálmanméter kitérése, [-] az átflyási szám. A átflyási szám meghatárzása iterációval történik az Örvényszivattyú A mérés leírása alapján, de az áramló közeg levegő, ennek a jellemzői (pl. kinematikai viszkzitás a Reynlds-számhz) a Ventilátr mérés leírásában találhatóak. A tanszéki hnlapn elérhető, a tantárgyhz kapcslódó feladatgyüjtemény 13. fejezetében lévő kidlgztt példa megtekintése segítséget nyújt a számításhz. 6

7 4.3. Bevezetett teljesítmény (Pvill), tengelyteljesítmény (Pteng) A bevezetett teljesítmény az alábbi összefüggésből számítható: P vill w vill C P, ahl Pvill [ ] a wattmérőről lelvastt sztás fkkban (lásd 3. kép), Cw = 8 [W/sztás] a műszerállandó. 3. kép A mérőbőrönd fntsabb elemei A villams mtr által leadtt (a vákuumszivattyúba bevezetett) teljesítmény (Pteng) a 4. ábrán látható diagram segítségével határzható meg. A diagramból kikeresett terhelés (x) ismeretében a tengelyteljesítmény P x, teng P névl ahl Pnévl = 5500 [W] (a villamsmtr adattáblájáról). A Pvill x diagramt mérlegdinamó segítségével, méréssel határztuk meg. 7

8 4.4. Iztermikus teljesítmény (Piz), hatásfk (ö) Ha a sűrítési flyamat srán iztermikus állaptváltzást tételezünk fel (amit jó közelítéssel megtehetünk), akkr az iztermikus teljesítményt az. fejezetben megismert módn számíthatjuk 4, azaz: p Pizt p Q ln, p ahl p és Q összetartzó értékpárk, p és p abszlút nymásk. A vákuumszivattyú összhatásfkát az Pizt ö P hányads adja. teng 4. ábra A VZ 41/ típusú, számú villams mtr bevezetett teljesítmény terhelés diagramja 4 A képlet ezen frmájának levezetése megtalálható a mellékletben. 8

9 5. A mérőberendezés névleges adatai Vákuumszivattyú: típus: EV 40/80 II. vízgyűrűs, Q = 50 [m 3 /h], n = 900 [1/min], t = 0 [C] (vnatkztatási hőmérséklet), relatív vákuum: [%]. Hajtómtr: típus: VZ 41/, hármfázisú aszinkrn mtr, nnévl = 880 [1/min], Pnévl = 5500 [W]. Mérőperem: d = 15 mm, D = 53 mm. Mérőbőrönd: leltári szám: Digitális barméter: típus: GPB A mérés 6.1. Előkészület a méréshez 1. A wattmérő (Mb) méréshatár kapcslóját állítsuk maximumra, hgy az indítási áramlökés ne tegye tönkre a műszert.. Nyissuk az (Sz1) csapt, így nem frdulhat elő a higany esetleges hirtelen "beszívása". 3. Ellenőrizzük a manméterek üzemképes állaptát. 4. Üzembe helyezés után a méréshatár-kapcslót állítsuk a megfelelő (Cw = 8 [W/sztás]) értékre. 5. Leállás előtt újra nyissuk ki az (Sz1) csapt, mst a higany esetleges "kilövésének" elkerülése miatt. 6.. A mérési pntk felvétele Kb. 15 mérési pnt jó és megbízható görbemenetet ad. A higanys manméter 0 és p közötti tartmányát közel aránysan 15 részre sszuk be. A gép üzeme egyes szakaszkban "nyugtalan". Ez a tény a vízgyűrű instabilitására vezethető vissza. Ilyenkr tvább időzve egy állaptnál a becsült középérték fgadható el mérési eredménynek. 7. Felkészülés a mérésre A mérési gyakrlatra az alábbiak szerint kell előkészülni: Ismerni kell ezt a mérési tájékztatót! A mérési tájékztató ismeretét a mérés kezdetekr beugró ZH frmájában ellenőrizzük. Mivel a mérésvezetőnek a mérés utáni hétben jegyzőkönyvet kell készítenie, ezért szükség van minden szükséges adat rögzítésére: az 9

10 tthn előkészítendő táblázat-űrlap fejlécét elő kell készíteni a mérési eredmények feljegyzéséhez és kiértékeléséhez. A táblázatnak legalább 15 sra legyen! A mérés srán ellenőrző diagramt is készíteni kell, hgy már a mérés srán követhetőek legyenek a görbemenetek, valamint az esetleges mérési hibák "visszaméréssel" történő krrigálására legyen lehetőség. Az ellenőrző diagramk felépítését az 5. ábra szemlélteti. Mindkét diagram független váltzója a relatív vákuummal aránys mennyiség, míg a függő váltzó az első esetben a bevezetett teljesítménynek, a másdik esetben pedig a térfgatáramnak feleltethető meg. Ábrázlásáhz egy A4-es milliméter papír két felét (vagy egy exceltáblát laptpn) a tengelyek és sztásk felvételével tthn elő kell készíteni! 5. ábra Az ellenőrző diagram tengelyeinek skálázása 8. Ellenőrző kérdések 1. Melyek a vákuumszivattyúk leggyakrabban alkalmaztt jelleggörbéi? Ismertessen hármat!. Röviden ismertesse a vízgyűrűs vákuumszivattyúk működési elvét! Rajzljn ábrát! 3. Hgyan mérjük a vákuumszivattyú által szállíttt térfgatáramt? Melyek a kiértékelés lépései? Ismertesse a lgikai srrendet is! 10

11 4. Hgyan számítjuk ki a vákuumszivattyú haszns teljesítményét? Mit kell ehhez mérni? 5. Sematikusan vázlja fel a mérőberendezést! 6. Írja fel ideális gáz esetén a vízgyűrűs vákuumszivattyú iztermikus haszns munkájának összefüggését! 7. Egy vákuumszivattyú jelleggörbe mérése srán 0,006 m 3 /s levegő szállíásakr a szívócsnkba kötött higanytöltésű, U csöves manméteren 390 mm kitérés adódtt. A légköri nymás 1004 mbar. Mekkra az iztermikus teljesítmény? 8. Egy vákuumszivattyú iztermikus teljesítménye 454 W. Ekkr a szivattyú-mtr gépcsprt felvett villams teljesítménye 4150 W. A hajtómtr névleges teljesítménye 5,5 kw, bevezetett teljesítménye és terhelési fka között az alábbi kapcslat áll fenn: 4 1,75310 P W 0,1153 x vill. Mekkra a vákuumszivattyú összhatásfka? 9. Írja fel a vákuumszivattyú összhatásfkának összefüggését! Ismertesse a nevezőben szereplő teljesítmény meghatárzásának menetét! 10. Rajzlja fel jelleghelyesen a vákuumszivattyú összhatásfkát a tápvíznymás függvényében! Miért fnts ez a diagram? 9. Méréshez kapcslódó tthni feladatk 1. A mérés tárgyát képező vízgyűrűs vákuumszivattyú ηö((p-p)/p) jelleggörbéjének pntjait a) harmadfkú, b) másdfkú plinmmal közelítve határzza meg az ptimális üzemi pnt jellemzőit (ppt, Qpt, ηö,pt)!. Számítsa ki az iztermikus haszns teljesítmény, a térfgatáram és az összhatásfk értékét, ha a relatív vákuum értéke a) 45, 55%; b) 70, 80%! 3. Egy tartályban 0,35 bar állandó abszlút nymású 7 ºC hőmérsékletű levegő van. Mennyi idő alatt szállít el a vákuumszivattyú ebből a tartályból a) 0,45 m 3 7 C hőmérsékletű, b) 0,8 m 3 7 C hőmérsékletű, 1 bar abszlút nymású levegőt? 11

12 Melléklet Az iztemrikus teljesítmény alakjának levezetése Az iztermikus teljesítmény: P p Q1, 1 1 ln p p ahl az 1 és indexek rendre a szívó- és nymócsnk adatait jelölik. Az iztermikus állaptváltzás egyenletét felhasználva a szívócsnkbeli sűrűség: Ebből p vagy sűrűséggel 1v1 v p 1 1. p. Felírva a kntinuitási egyenletet, kifejezhető a nymócsnk térfgatárama a szívócsnki függvényében: m m Q1 Q. 1 Ezzel P Q1 ln Q ln Q ln. A mérőberendezésben = p0 és Q a légköri állaptú levegő térfgatáram, azaz p Piz pq ln, tehát a képlet jó! p 1 1