Légsebesség profil és légmennyiség mérése légcsatornában Hővisszanyerő áramlástechnikai ellenállásának mérése

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ÉPÜLETGÉPÉSZETI ÉS GÉPÉSZETI ELJÁRÁSTECHNIKA TANSZÉK Légsebesség profil és légmennyiség mérése légcsatornában Hővisszanyerő áramlástechnikai ellenállásának mérése Összeállította: Both Balázs Konzulens: Goda Róbert Budapest, 2012

2 1. Bevezetés A mérnöki gyakorlatban felmerülő műszaki problémák megoldása a legtöbb esetben háromféle módszerrel lehetséges: 1. analitikus módszerek, 2. méréses módszerek, 3. numerikus szimuláció alkalmazása (CFD = Computational Fluid Dynamics). Méréseket legtöbbször akkor végzünk, ha az adott feladat megoldása elméleti úton túlságosan bonyolult; kevés a rendelkezésre álló szakirodalom, esetleg a numerikus szimulációval kapott eredményeinket szeretnénk a mérési adatokkal validálni (pl. CFD alkalmazása egyes gyártási folyamatoknál). A különböző légtechnikai rendszerek beüzemelésénél igen fontos szerep jut a méréseknek, melyek segítségével egyrészt ellenőrizhetők az előírt tervezési értékek (térfogatáram, nyomásértékek, páratartalom, hőmérséklet, stb.), másrészt elvégezhető az adott légtechnikai rendszer beszabályozása. 2. Mérési feladat ismertetése A Légtechnikai Laboratóriumban található frisslevegős, keresztáramú, lemezes hővisszanyerővel ellátott légkezelő berendezéssel kiegyenlített szellőzést szeretnénk megvalósítani a térben. Ehhez az szükséges, hogy a befúvó- és az elszívó ágban is közel azonos legyen a térfogatáram értéke (ld pont). Első feladat a kiegyenlített szellőzés beállításához szükséges dinamikus nyomás mérése, amiből számítható a klímaközpont légszállítása egy adott fordulatszámon mindkét ágra. Az elszívó ág térfogatáramát állandónak tekintve, a frisslevegős ághoz tartozó frekvenciaváltót addig állítjuk, amíg a két ágban mért térfogatáram közötti eltérés kisebb, mint 5 [%]. A laborgyakorlat során ez körülbelül 2-3 mérési sorozattal megvalósítható. További cél a hővisszanyerő elem áramlástechnikai ellenállásának (nyomásesésének) meghatározása egy adott térfogatáram mellett statikus nyomásmérés segítségével. A mért- és számított eredményeket szabványos mérési jegyzőkönyvben kell rögzíteni (ld pont)

3 3. Elméleti háttér Légtechnikai rendszerek beüzemelése A fogyasztó által igényelt értékek beállításához minden újonnan telepített légtechnikai rendszernél szükséges a beüzemelés elvégzése. Egy üzembe helyezés alkalmával a beüzemelő csoport először leellenőrzi az adott légkezelő berendezés és szükség esetén a légcsatornák külső-belső állapotát. Legtöbb esetben tehát a következőket célszerű vizsgálni: légszűrők megfelelő illeszkedése a keretbe; az ellenőrző ajtók légmentes záródása; frekvenciaváltók megfelelő működése; tömítések állapota; a ventilátor modul rugalmas alátámasztásának ellenőrzése; hajtómotor megfelelő bekötése; szíjhajtás esetén a szíjak megfelelő állapota és illeszkedése az ékszíjtárcsába. Az ellenőrzési fázist követően beindítják a klímaközpontot, majd a szabvány előírásai alapján legtöbb esetben a légkezelő légszállítását és az egyes légkezelő elemek nyomásesését (ellenállását) mérik. Az így kapott adatokat összehasonlítják a tervező által megadott névleges értékekkel, illetve a fogyasztói igényekkel, és ha az eltérés egy megengedett intervallumba esik, akkor a rendszer üzemvitelre megfelelő. Szintén a beüzemelés része a rendszer beszabályozása, ami biztosítja az előírt légmennyiségeket és nyomásviszonyokat valamennyi helyiségben A helyiség nyomásviszonyai Egy adott helyiségben kialakuló nyomásviszonyokat tekintve a mesterséges szellőztetésnek három típusa létezik: 1. pozitív túlnyomásos szellőzés: a helyiségbe több levegőt juttatunk be, mint amennyit onnan elszívunk, ezért (pozitív) túlnyomás alakul ki a légköri nyomáshoz képest. A gyakorlatban ennek a tisztatereknél (műtők, mikrochip gyártók) van nagy jelentősége, hiszen a helyiségben kialakuló, légkörihez viszonyított nagyobb nyomás biztosítja, hogy szennyező anyagok ne juthassanak be a külső térből

4 2. kiegyenlített szellőzés: a befújt- és az elszívott levegő mennyisége közel azonos. Tiszta kiegyenlített szellőzést azonban két ok miatt sem tudunk megvalósítani. Az egyik a légsebesség mérési hibája, ami a pontos légszállítás beállítását eleve bizonytalanná teszi. Másik probléma a nyílászárók jelenléte, melyeken keresztül mindig van adott mértékű légcsere a helyiség és környezete között. 3. negatív túlnyomásos szellőzés: ebben az esetben a helyiségből több levegőt szívunk el, mint amennyit oda bejuttatunk, de gyakori eset csupán elszívás alkalmazása, például vizesblokkok (WC, mosdó, stb.), vagy konyhák esetében. Ennek eredményeként a helyiségben kialakul egy negatív túlnyomás (depresszió) a légköri nyomáshoz képest. A gyakorlatban negatív túlnyomásos szellőzéssel akkor találkozunk, ha az egyes szennyező anyagoknak és szagoknak a külső térbe való kiáramlását szeretnénk megakadályozni Légkezelő komponensek áramlástechnikai ellenállása Egy zárt csatornában áramló közeg áramlási ellenállása két részre bontható. Az egyik a csőfal- és a közeg közötti súrlódásból származik, a másik pedig az alaki ellenállásokból. A hidraulikai ellenállás definíció szerint: A hidraulikai ellenállásból származtatható alaki ellenállástényező pedig: Mint ismeretes, az össznyomás a statikus- és dinamikus nyomás összege, így ezek mérésével számítható az áramlásba helyezett test alaki ellenállás-tényezője. A hidraulikai ellenállástényező (ζ) definíciójából jól látható, hogy ha nő a statikus nyomásveszteség, akkor az ellenállás is növekszik. A légkezelő berendezés egyes elemeinek áramlástechnikai ellenállását azért nagyon fontos meghatározni, mert konstans légmennyiség szállítása esetén nagyobb ellenállás több villamos teljesítményfelvételt jelent, ami hosszú távon magasabb üzemeltetési költséget okoz

5 3. 4. Sebesség mérése légcsatornában A légtechnikai mérésekre vonatkozó szabványok az egyes fizikai mennyiségek mérésére többféle műszert kínálnak fel. Az MSZ EN ISO :2003 szerint a nyomás- és sebesség mérésére bármilyen, erre alkalmas mérőműszer használható azzal a feltétellel, hogy az áramlás képében nem okozhat számottevő zavarást. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy minél kisebb az adott mérési keresztmetszet, annál kisebb műszert kell alkalmazni. További követelmény, hogy a mérőműszereket meghatározott időközönként kalibrálni kell. Az MSZ EN 24006:2002 előírja, hogy a levegő áramlási sebességének normális irányú komponense merőleges legyen a műszer mérési síkjára. Ennek megfelelően nagyon fontos, hogy a sebességméréshez alkalmazott műszer szára mindig merőleges legyen a légcsatorna oldalfalára. A légtechnikai méréseknél leggyakrabban alkalmazott mérőműszerek a szárnykerekes- és hődrótos anemométerek, illetve a Prandtl-cső. Szárnykerekes anemométer: a szárnykerekes szondák mérési elve a forgó mozgás elektromos jellé történő átalakításán alapszik. Az áramló közeg a szárnykereket mozgásba hozza (1. ábra). A szárnykerék fordulatait egy induktív közelítő kapcsoló,,számlálja és az általa szállított impulzussort a mérőműszer átalakítja és áramlásértékként jelezi ki. A műszer egy digitális kijelzésű adatgyűjtőre csatlakoztatható, ahol a megfelelő keresztmetszet megadásával a levegő térfogatárama közvetlenül is meghatározható. Hődrótos anemométer: működési elvük egy fűtött hődróton alapszik, amiből a fellépő hidegebb áramlás miatt hő elvonására kerül sor (2. ábra). Szabályozással a hőmérséklet állandó értéken tartható, a szabályozó áram pedig arányos a légsebességgel. A hődrótos anemométerek hátránya a szárnykerekes megoldásokkal szemben az, hogy nagyobb az irányérzékenységük, vagyis a kisebb elmozdulásokra a mért érték pontosságát tekintve érzékenyebben reagálnak. 1. ábra 2. ábra - 5 -

6 Prandtl-cső: a cső áramlással szembeni nyílása érzékeli a teljes (összes) nyomást és tovább vezeti a nyomásmérő szonda csatlakozására (a). A tisztán statikus nyomás érzékelése az áramlási irányra merőleges oldalnyíláson történik és a (b) csatlakozásra kerül továbbításra (3. ábra). Az ebből származó nyomáskülönbség az áramlásfüggő dinamikus nyomás: (p d = p ö - p s ). Csatlakoztatható például Betz-mikromanométerhez, vagy digitális kijelzésű műszerhez is. 3. ábra Betz-mikromanométer: két, koncentrikusan elhelyezett folyadékoszlopot tartalmaz, amelyek egyike (a középső) a nyomáskülönbség hatására felemelkedik. A víz felszínén lebeg egy üvegbuborék, amelyhez egy vízoszlop-milliméter (9,81 [Pa]) osztásokat és számokat tartalmazó üvegpálcát erősítenek. Az üvegpálcán lévő jeleket egy villanyégő és optika egy opálüvegre vetíti így leolvasható a mért nyomásérték. Miután már ismertek a mérendő mennyiségek, a mérőműszerek kiválasztásának főbb követelményei és a leggyakrabban alkalmazott típusok, következő lépés a mérési keresztmetszet (sík) és ezen belül a mérési pontok kiválasztása (4. ábra). Az MSZ EN 12599:2000 szabvány előírása alapján a légsebesség méréséhez mindig olyan mérési síkot kell kiválasztani, amely megfelelő távolságra van a szabványban megadott elemektől (1. Táblázat). Ennek oka, hogy minden áramlásba helyezett test görbíti az áramvonalakat, ezáltal torzul a sebességprofil, megjelennek a szekunder áramlások, ami jelentős mérési pontatlanságot okoz. Ahhoz tehát, hogy a mérési eredményeink pontosak legyenek homogén sebességprofilban szükséges mérni. Gyakori eset, hogy a légcsatorna egyes elemeibe egyenirányítókat építenek be az áramlási kép homogenizálása érdekében, ezáltal csökkenthető a mérési sík előtt- és után szükséges távolság. Légcsatornáknál különösen ügyelni kell a könyökidomokra, mivel az 5. ábrán látható módon jelentős inhomogenitást okoznak a sebességprofilban

7 Mérőhely előtti szerkezet Mérőszakasz hosszúsága legalább nincs egyenirányító egyenirányító esetén Centrifugál ventilátor 5*D e 3*D e Axiál ventilátor nem mérhető 5*D e Terelőlemezes könyök 5*D e 3*D e Könyök terelőlemez nélkül, ív 10*D e 5*D e Zsalu nyitva 5*D e 2*D e Zsalu szabályozva 8*D e 4*D e Kalorifer 1*D e 1*D e Konfúzor 5*D e 2*D e Diffúzor 10*D e 5*D e Mérőhely utáni szerkezet Mérőszakasz hosszúsága legalább Terelőlemezes könyök Könyök terelőlemez nélkül, ív Zsalu nyitva Zsalu szabályozva Kalorifer Konfúzor Diffúzor 1. Táblázat 1*D e 1*D e 1*D e 2*D e 0,5*D e 0,5*D e 1*D e 4. ábra Mérési sík és a mérési pontok - 7 -

8 5. ábra Egy légkezelő berendezésben az egyes elemek közötti kis távolság miatt szekunder áramlások, határréteg-leválások tapasztalhatók, aminek következménye a fent említett inhomogén sebességprofil. Ennek megfelelően légsebességet, vagy dinamikus nyomást kizárólag légcsatornában szabad mérni, majd ebből számítható a térfogatáram az áramlási keresztmetszet ismeretében. Természetesen a kontinuitás miatt a légcsatornában áramló levegő térfogatárama azonos a klímaközpont légszállításával (a szivárgásokat elhanyagolva). Az MSZ EN 12599:2000 szabvány segítségével az előbb kiválasztott mérési síkban kijelölhetők a sebességmérési pontok. Fontos, hogy egy-egy irányban a mérési pontok száma legalább kettő legyen. A pontok távolsága egymástól és a légcsatorna falaitól a következő összefüggéssel számítható: ahol A i, B i a mérési pontoknak a csatorna falától mért távolsága [mm], A, B a légcsatorna oldalméretei [mm], i a mérési pont rendszáma A, vagy B irányban, n a mérési pontok száma egy irányban

9 Jelen feladatban a vizsgált légcsatorna oldalméretei A = 500 [mm], B = 500 [mm], n = 5, valamint i = 1 5, így a sebességmérési pontok pozíciója: a b c d e ábra Sebességmérési pontok Statikus nyomás mérése légkezelőben A légkezelő belsejében uralkodó statikus nyomás kivezetésére az áramlás irányára merőlegesen behelyezett cső nem alkalmas, mivel az áramképet helyileg megzavarhatja. Ezt elkerülendő, a furatba az áramlás irányával párhuzamosan Ser-tárcsát helyeznek, amire a műszert csatlakoztatva mérhető a statikus nyomás. Az MSZ EN ISO :2003 és az MSZ EN ISO 5801:2009 előírja, hogy egy mérési keresztmetszetben 4 nyomáskivezető furat legyen. Ezen furatoktól egy közös műanyag csövön keresztül a statikus nyomás kivezethető a mérőműszerhez (7. ábra). A további számításokhoz felhasznált nyomásérték 4 egyenkénti leolvasás átlaga. A szabvány azt is meghatározza, hogy a mérőműszer Ser-tárcsára való kapcsolását követően körülbelül 60 másodpercet kell várni, amíg a nyomás beáll egy közel állandó értékre

10 7. ábra Statikus nyomás kivezetése a légkezelőn

11 4. A mérés kapcsolási vázlata, mérési elrendezés 8. ábra A vizsgált légkezelő berendezés 9. ábra Kapcsolási vázlat Jelmagyarázat: ZS1, ZS2: légmennyiség szabályozó zsaluk a befúvó- és az elszívó ágakban SZ1, SZ2: táskás szűrők HV: keresztáramú, lemezes hővisszanyerő FK: fűtő kalorifer HK: hűtő kalorifer CS: cseppleválasztó V1, V2: befúvó-, elszívó ventilátor BZS: bypass zsalu

12 10. ábra Befúvó légcsatorna a sebességmérő furatokkal 11. ábra Elszívó légcsatorna a sebességmérő furatokkal

13 12. ábra Hővisszanyerő modul, oldalán a nyomásmérő furatokkal

14 5. Mérés menete Az eddig tanultak alapján a mérések tehát a következő metodika szerint történnek. 1) Létszámtól függően 3-3 fős csoportokat kell alkotni. A csoportban egy hallgató végzi a méréseket, egy másik ellenőrzi a mérőműszer megfelelő pozícionálását a légcsatornában, míg a harmadik rögzíti a mérési eredményeket. 2) A gyakorlatvezető elindítja a légkezelő berendezést. Az elszívó ághoz tartozó frekvenciaváltón beállítunk egy tetszőleges értéket, amit a mérés során már nem változtatunk, majd a frisslevegős ágon is beállítunk egy adott frekvenciát. 3) Az egyik csoport a frisslevegős ágban méri a dinamikus nyomást Prandtl-csővel és a hozzá tartozó digitális kijelzésű mérőműszerrel. A másik csoport ugyanekkor az elszívó ágban mér dinamikus nyomást szintén Prandtl-csővel. A műszer haladási iránya a mérőfuratokban balról jobbra, illetve kívülről befelé legyen. Miután mindkét csoport lefolytatta az említett méréseket, külön külön lemérik a statikus nyomásokat a hővisszanyerő elem két oldalán digitális nyomásmérővel. 4) A 6. fejezetben ismertetett összefüggések segítségével mindenki elvégzi a szükséges számításokat. Az első kiértékeléskor ki kell számolni a két ág térfogatárama közötti százalékos eltérést. Ennek ismeretében meg kell becsülni, hogy a befúvó ág frekvenciaváltóján milyen értéket kell beállítani ahhoz, hogy a két ág térfogatárama közötti eltérés lehetőleg 5 [%]-nál kisebb legyen. A térfogatáram frekvencia kapcsolatot lineárisnak tételezzük föl. 5) Az előző pontban becsült új frekvencia értéket beállítjuk a frisslevegős ágon, majd megismételjük a korábbi méréseket azzal a különbséggel, hogy a csoportok helyet cserélnek. Aki az előbb a frisslevegős ágon mért most az elszívón fog és fordítva. 6) A mérések végeztével megismételjük a kiértékelést, kiszámítjuk a két ág térfogatárama közötti eltérést. Amennyiben ez a különbség kisebb, vagy egyenlő, mint 5 [%], akkor a feladat befejezettnek tekinthető. Ellenkező esetben fel kell venni még egy mérési sorozatot. 7) A sebességmérés eredményét diagramban is ábrázolni kell a Melléklet szerint. A diagramokat mindegyik mérési sorozathoz el kell készíteni. Az óra végén mindkét csoport készít 1-1 mérési jegyzőkönyvet, amit csoportonként kell beadni

15 6. Kiértékelés Az átlagos dinamikus nyomás egy adott mérési keresztmetszetben: ahol N mérési pontok száma a teljes mérési keresztmetszetben (jelen esetben 25 darab), az i. pontban mért dinamikus nyomás értéke [Pa]. A mért dinamikus nyomásokból számítható átlagos légsebesség: Jó közelítéssel a 20 [ C]-os levegő sűrűsége 1,2 [kg/m 3 ]. Az átlagsebességből számított átlagos térfogatáram: ahol A a vizsgát légcsatorna keresztmetszete [m 2 ], v á az áramló levegő átlagsebessége az adott keresztmetszetben [m/s]. A sebességprofil szabálytalansága: ahol v max - legnagyobb mért sebesség [m/s], v min legkisebb sebesség [m/s]. A mért dinamikus nyomások szórása:

16 A mérési pontok számának és a sebességprofil szabálytalanságának ismeretében a sebességmérés hibája a 2. Táblázatból kereshető ki. A mérési pontok száma A sebességprofil szabálytalansága U [%] A sebességmérés hibája [%] ,5 7, ,5 14, A hővisszanyerő veszteségtényezője: 2. Táblázat ahol Δp stat,átlag a hővisszanyerő elem két oldalán mért statikus nyomások számtani átlaga [Pa] Mért- és számított értékek, diagramok A kiértékeléshez szükséges táblázatokat és minta diagramot a Melléklet tartalmazza

17 6. 2. Szabványos mérési jegyzőkönyvek formai-tartalmi követelményei A szabványos jegyzőkönyvekre vonatkozó főbb tartalmi követelmények (MSZ EN ISO/IEC 17025:2005): a) Cím, b) Labor neve és címe, vizsgálatok és/vagy kalibrálások helyszíne, ha ez nem azonos a labor címével, c) A vizsgálati (vagy kalibrálási) jegyzőkönyv egyedi azonosítója és minden egyes oldalon valamilyen azonosító (pl. oldalszám), d) A megrendelő/beruházó neve és címe, e) Az alkalmazott mérési módszerek azonosítása, f) A vizsgált elemek, műszerek leírása, állapota és egyértelmű azonosítása, g) Vizsgálati eredmények a mértékegységek helyes megadásával, h) Azoknak a személyeknek a neve, feladatköre, adott esetben aláírása, vagy egyértelmű azonosítása, akik a vizsgálati jegyzőkönyvet jóváhagyták, i) Környezeti viszonyok, feltételek, j) Mérési bizonytalanságok, hibaszámítás, k) Vélemények, észrevételek, l) Dátum, időpont, m) Mérés kapcsolási rajza. A gyakorlat végén elkészítendő jegyzőkönyvben teljesülnie kell az aláhúzással kiemelt követelményeknek! A kiértékeléshez mindenki hozzon magával üres A4-es papírokat, 2-3 db mm-papírt, vonalzót, számológépet, színes filcet/ceruzát és a Mellékletet kinyomtatva!

18 Ellenőrző kérdések 1) A mérnöki gyakorlatban legtöbbször mikor- és hol alkalmazunk méréses vizsgálatokat? (egy-egy példa) 2) Röviden ismertesse az elvégzendő mérési feladatokat és a mérés menetét! (kapcsolási rajz) 3) Mit nevezünk egy légtechnikai rendszer beüzemelésének? Röviden ismertesse a főbb lépéseit és alapfeladatait! 4) A helyiségekben kialakuló nyomásviszonyokat tekintve sorolja fel- és példákkal együtt jellemezze a szellőztetési alaptípusokat! 5) Ismertesse az áramló közegekben fellépő áramlási ellenállások típusait! Miért van jelentősége az áramlási ellenállások ismeretének? 6) Röviden jellemezze a sebesség mérésére vonatkozó főbb követelményeket (beleértve a mérőműszer megválasztását is)! 7) Ábra segítségével röviden jellemezze a sebesség- és nyomásmérésekhez leggyakrabban alkalmazott szabványos mérőműszereket! 8) Ábrával ismertesse a sebességmérésekhez alkalmazott mérési sík- és a mérési pontok kiválasztásának főbb ismérveit! Mi az oka, hogy a légsebességet csak a légcsatornában szabad mérni? 9) Milyen összefüggéssel számítható a sebességmérési pontok pozíciója egy A*B keresztmetszetű légcsatornában? 10) Milyen főbb követelmények vonatkoznak a statikus nyomás mérésére légkezelőben? 11) A mért értékekből hogyan számíthatók a következő mennyiségek? a. átlagos térfogatáram, b. átlagos légsebesség a dinamikus nyomásból, c. átlagos légsebesség N darab mérési pontból, d. hővisszanyerő veszteségtényező (ζ, csak a végösszefüggés), e. hidraulikailag egyenértékű átmérő

19 Melléklet Mért- és számított értékek mérés befúvó ág, f = [Hz] a b c d e Δp á [Pa] v á [m/s] Ṽ á [m 3 /h] v max [m/s] v min [m/s] U [%] σ Sebességmérés hibája [%] Δp stat [Pa] Δp stat, átlag [Pa] ζ = mérés befúvó ág, f = [Hz] a b c d e Δp á [Pa] v á [m/s] Ṽ á [m 3 /h] v max [m/s] v min [m/s] U [%] σ Sebességmérés hibája [%] Δp stat [Pa] Δp stat, átlag [Pa] ζ =

20 mérés elszívó ág, f = [Hz] a b c d e Δp á [Pa] v á [m/s] Ṽ á [m 3 /h] v max [m/s] v min [m/s] U [%] σ Sebességmérés hibája [%] Δp stat [Pa] Δp stat, átlag [Pa] ζ = mérés elszívó ág, f = [Hz] a b c d e Δp á [Pa] v á [m/s] Ṽ á [m 3 /h] v max [m/s] v min [m/s] U [%] σ Sebességmérés hibája [%] Δp stat [Pa] Δp stat, átlag [Pa] ζ =

21 Minta az elkészítendő diagramokhoz