Dugattyús adagoló szivattyú jelleggörbéinek mérése

Átírás

1 Dugattyús adagoló szivattyú jelleggörbéinek mérése Mérésleírás Tartalom 1. A mérés célja Elméleti alapok Volumetrikus gépek Dugattyús adagoló szivattyú működése Légüst szerepe A mérőberendezés leírása A mérés menete Mérőberendezés üzembe helyezése Mérési pontok felvétele Számítógépes program felülete Mérési eredmények feldolgozása Jelölésjegyzék Felhasznált irodalom Mérőberendezés adatai

2 1. A mérés célja A mérés célja egy dugattyús adagoló szivattyú nyomás közepes térfogatáram Q k (Δp), illetve nyomás volumetrikus hatásfok η vol (Δp) jelleggörbéinek felvétele két különböző lökethosszbeállításnál. Vizsgáljuk a rendszerbe beépített légüst hatását a szivattyú indikátordiagramjai alapján. 2. Elméleti alapok 2.1 Volumetrikus gépek A volumetrikus térfogatkiszorítás elvén működő gépeknél az energiaátalakítás úgy történik, hogy egy körülhatárolt térben alkatrész mozog, mely pozícióját/helyzetét változtatva, váltakozva növeli ill. csökkenti az általa határolt tér térfogatát. Ennek következtében a gépen áthaladó közeg a körülhatárolt térbe be-, majd onnan kiáramlik. A volumetrikus gépek fajtái: Munkagépek: dugattyús gépek (egy- és többhengeres, egyszeres vagy kétszeres működésű dugattyús szivattyúk, radiál-, axiál-, forgó-dugattyús típusok), lamellás szivattyú, fogaskerék szivattyú, stb. Erőgépek: munkahengerek és hidromotorok. Térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúkat nagy számban használ a vegyipar, mivel alkalmas nagy viszkozitású, agresszív közegek szállítására nagy szállítómagasság megvalósítása mellett. 2.2 Dugattyús adagoló szivattyú működése A legegyszerűbb dugattyús gép az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú. (1. ábra) 1. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú modellje [1] A folyadékszállítás forgattyús vagy kulisszás hajtómű segítségével történik két ütemben. A szívóütemben a henger térfogata növekszik, és a nyitott szívószelepen keresztül beáramlik a folyadék a térrészbe. Nyomóütemben a határolt térfogat csökken, a dugattyú kitolja a folyadékot a vezetékbe. Az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyúk folyadékszállítása szakaszos és meglehetősen egyenetlen. (2. ábra) 2

3 2. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú folyadékszállítása [2] Amennyiben a szivattyú kétszeres működésű, a folyadékszállítás folyamatos lesz. Ilyenkor adott pillanatban a dugattyú egyik oldalán szívás, a másik oldalán pedig folyadékszállítás történik. A kétszeres működés esetén már folyamatos a folyadékszállítás, de nagyon egyenetlen a szállított térfogatáram. Ennek mértéke több henger alkalmazásával csökkenthető. Ilyenkor a dugattyúk egymáshoz képest elékelve dolgoznak. A 2. ábrán látható, hogy a dugattyúhelyzet, illetve az idő függvényében változik a szállítás. Ugyanígy változik a nyomás is a hengerben. Ha a hengerben uralkodó nyomást ábrázoljuk a dugattyúhelyzet függvényében, megkapjuk a dugattyús gépek egyik jellemző diagramját, az úgynevezett indikátordiagramot (3. ábra). Az indikátordiagram (p(x) - kék görbe) által bezárt terület arányos az egy ütem során végzett munkával. Az indikátordiagram alsó ága a szívóütem, ekkor a hengerben vákuum uralkodik (a nyomás túlnyomásban van megadva), míg a nyomóütem során folyamatosan nő a nyomás (a tér csökkenése csökkenő pozíciójelet jelent). 3. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú indikátordiagramja A szivattyú p köz átlagos nyomásnövekedése a szívó- és nyomóütemekbeli p i nyomáskülönbségek integrálátlagaként határozható meg, melyben számítógép lesz segítségünkre. Az ütem során végzett munka számolható a p köz átlagos nyomásnövekedéssel is. A szívóoldali vákuumot figyelembe véve kis ellennyomások esetén elképzelhető, hogy a 3

4 p köz nyomás nagyobb lesz, mint a túlnyomásban megadott p max maximális nyomás. Az indikátordiagramot vizsgálják belsőégésű motorok esetén is, kimutatható belőle a szelepműködés, vagy a gyújtás hibája. Dugattyús szivattyút ipari környezetben vegyszeradagolási folyamatoknál használnak, fő alkalmazási területei a vegyipar és gyógyszeripar, ahol pontos adagolási igények merülnek fel. A dugattyús szivattyúk jellemzője, hogy egy tartományon belül az ellennyomástól függetlenül a közepes szállítás nem változik, ez pontos vegyszeradagolást tesz lehetővé. A közepes szállítás beállítható a motor fordulatszámának változtatásával vagy a lökethossz módosításával. E szivattyúk alkalmazásánál az energetikai viszonyok másodlagosak, a méréskiértékelés során nem is vizsgáljuk a gépet ilyen szempontból. 2.3 Légüst szerepe A dugattyús szivattyú szakaszos működése lüktető folyadékmozgást létesít a szívó- és a nyomóvezetékben, amely a henger és a csővezeték közé iktatott rugalmas taggal, a légüsttel mérsékelhető. A légüst általában függőleges, hengeres nyomástartó edény mely tehát a folyadékszállítást egyenletesíti, és a dugattyútérben létrejövő nyomásingadozás mértékét is csökkenti. A mérőberendezésen gömbcsappal kapcsolható rá a rendszerre a nyomóoldali légüst, ennek hatását vizsgáljuk. 4. ábra: Egyhengeres, kétszeres működésű dugattyús szivattyú szívó- és nyomóoldali légüsttel. [1] 3. A mérőberendezés leírása A méréseket az 5. ábrán vázolt mérőberendezésen kell elvégezni. 4

5 5. ábra: A mérőberendezés vázlata [3] Az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús adagoló szivattyút (1) villanymotor (2) hajtja meg. A szivattyú által keringetett olaj a gyűjtőtartályból (5) a fojtószelepen (3) és az útszelepen (4) keresztül visszakerül a tartályba. A légtartály (vagy légüst) (7) az alatta elhelyezett gömbcsap zárásával kiiktatható a rendszerből, így a légtartály hatása is vizsgálható a mérés során. A tartály elé beépített irányváltó szelep (4) átkapcsolásával a szállított olaj a köbözőtartályba (6) folyik, ekkor mérhető a szállított közepes térfogatáram köbözéssel. A villanymotoron átfolyó áram erőssége I(t), a dugattyú pozíciója x(t), és a dugattyúhengerben uralkodó pillanatnyi nyomás p(t) mérhető, adatgyűjtő számítógépen (8) dolgozzuk fel. A számítógép kirajzolja az időjeleket, meghatározza a változó időjelek középértékeit, illetve felrajzolható az indikátordiagram. Mivel a jellemzők munkaperiódusról munkaperiódusra kismértékben változnak, a hibák csökkentésére több munkaperiódust veszünk fel és átlagolt periódust számolunk a közepes mennyiségek meghatározásához. Az áramerősséget áramváltón keresztül kapcsolt elektronika méri, mely a pillanatnyi áramerősséggel arányos feszültségjelet ad ki. Az elmozdulást induktív útadó segítségével mérjük. A dugattyú mozgása vékony rúdon keresztül mozgatja a gerjesztett tekercsbe helyezett vasmagot, a vasmag elmozdulása megváltoztatja a tekercs induktivitását, melyet a rákkapcsolt mérőerősítő feszültségváltozássá alakít át. A hengerben uralkodó nyomást nyomástávadó méri. Ennél az eszköznél a mért nyomás egy membránt deformál, amelynek alakváltozását a membrán felületére szerelt nyulásmérő bélyegek segítségével mérjük. Az alakváltozás arányos a nyomásváltozással, a műszer kimenetén a nyomással arányos feszültség jelenik meg. A feszültségjeleket méri a számítógépbe beépített adatgyűjtő bővítőkártya. Beépítettük az adatgyűjtő programba a korábban elvégzett kalibrálás eredményeit, így a valós fizikai mennyiségek változását látjuk. A kalibrálást időről időre ellenőrizni kell, precíziós vizsgálatok esetén javasolt minden mérés előtt kalibrálni. A mérendő gép hengertere TEFLON-ból, a szelepek kerámiából készült önműködő golyós szelepek, míg a dugattyú üvegből készült. A szivattyú lökete 0-30 mm határok között 5

6 folyamatosan állítható mind álló, mindpedig a működő gép esetében, a löketbeállítás 0,5%-os beosztású skálán ellenőrizhető. A gép hajtómechanizmusának kettős excentere teszi lehetővé a löketállítást amelyet a 6. ábrán vázlatosan mutatunk be. E kettős excenteres hajtás mozgásegyenletei megfelelnek a kulisszás hajtómű egyenleteinek. A hajtó motor lassító áttételű csigahajtás segítségével forgatja az 1 jelű hüvelyt. A hüvelyben kimunkált reteszpályában lévő retesz segítségével a forgó 1 hüvely magával forgatja az 2 jelű idomdarabot. Az 2 jelű hengeres idomdarab közepéhez csatlakozó ferde négyszögletes keresztmetszetű részhez kapcsolódó 3 illetve 4 jelű gépelemek segítségével az 2 jelű idomdarab axiálisan az 1 jelű hüvelyben eltolható úgy, hogy a hüvely az reteszpálya-retesz kapcsolat segítségével az idomdarabot (annak bármelyik eltolt helyzetében) forgatni képes. Az 2 jelű idomdarab közepéhez csatlakozó ferde négyszögletes keresztmetszetű részhez a 5 jelű belső excenter csatlakozik az azon kimunkált ugyancsak négyszögletes ferde nyíláson keresztül. A belső excentert körülveszi a 6 jelű excenter, ami egyben a forgattyús mechanizmus hajtókarja is. A vázlaton bemutatott helyzetben a gép lökete: s=2r. A gép energetikai viszonyait nem vizsgáljuk, a hatásfok értéke igen csekély. A háromfázisú aszinkron motorok elérhető maximális hatásfoka a motor teljesítményével nő, a hajtómotor nagyságrendjében azonban kb. 60% körül mozog. Jelentős veszteséget okoz a csigahajtás (hatásfok maximum 40-50%) és a löketállító mechanizmus is. Smax r S=2r Smin ábra: Fokozatmentes löketállító mechanizmus 4. A mérés menete 4.1 Mérőberendezés üzembe helyezése A mérés megkezdéséhez ellenőrizzük a gép terheletlen állapotát (fojtószelep 10 állás), bekapcsoljuk a hozzá kapcsolt számítógépet és elindítjuk és mérőprogramot, majd feszültség alá helyezzük a gépcsoportot. A légüstöt kiiktatjuk a rendszerből. 6

7 4.2 Mérési pontok felvétele Az első feladat, hogy két különböző, a mérésvezető által megadott lökethossznál kimérjük a szivattyú η vol (Δp) és Q k (Δp) jelleggöbéit, ahol Δp a szivattyú által létrehozott átlagos nyomáskülönbség. Beállítjuk a lökethosszt, amely egy méréssorozat során nem változik. A fojtást a fojtószelepen (7. ábra) állítjuk be. A fojtószelep teljesen nyitott állapotában kezdünk, és fokozatosan zárjuk. A fojtószelep skálázása nyitott állapotban 10, teljesen elzárt esetben 0 értéket mutat. Egy jelleggörbének legalább 8-10 pontja legyen. Minden mérési pontban meg kell határozni a szállított közepes térfogatáramot köbözéssel és a közepes nyomáskülönbséget. A köbözés menete: 1. A köbözőtartály alján elzárjuk a csapot. (8. ábra) 2. Az útszelepet átkapcsoljuk, hogy a folyadék a köbözőtartályba folyjon. (9. ábra) 3. Elvégezzük a köbözést (a hiba csökkentéséhez célszerű 300 cm 3 -t mérni) 4. A köbözőtartály alján lévő csapot megnyitjuk. 7. ábra:fojtószelep A mérés során ellenőrző diagramon ábrázolni kell a közepes szállított térfogatáramot a szivattyú által létesített nyomáskülönbség függvényében (q k (Δp))! 8. ábra: Köbözőtartály A közepes szállított térfogatáram: Q száll = Q k = V k t k 9. ábra: Az útszelep a mérési pont beállításakor (bal oldali) és köbözéskor (jobb oldali) Minden mérési pontban szükséges a volumetikus hatásfok értéke, mely a következő módon számítható ki: η vol = Q k Q elm = 7 V k t k n A d X A közepes nyomáskülönbséget a mért adatok alapján a program számolja. A fent leírt összefüggések a programba szintén be vannak építve. A mérőprogram megfelelő helyére be kell írni a köbözés adatait: köbözési idő [s] és köbözött mennyiség [cm 3 ], és a program kiszámítja a szállított közepes térfogatáramot, a volumetrikus hatásfokot, továbbá megadja az átlagos nyomáskülönbséget. A jelleggörbét egy másik lökethossznál is ugyanígy felvesszük.

8 A mérés második feladata a légüst hatásának vizsgálata az indikátordiagram alapján. Egy, a mérésvezető által meghatározott mérési pontban kétszer végezzük el a fent leírt mérést: először az eddigiekhez hasonlóan légüst nélkül, majd úgy is, hogy (a löket és a fojtás változtatása nélkül!) a légüstöt is hozzákapcsoljuk a rendszerhez a légüstön található csap megnyitásával (10. ábra). Ezekben a mérési pontokban a fent említett adatokon kívül még az indikátordiagramot a szivattyú p(x) diagramját is ábrázoltatjuk. Mindkét esetben (légüsttel és légüst nélkül) mentjük az indikátordiagramot! 10. ábra: Légüst és a kiszakaszolást lehetővé tevő gömbcsap 4.3 Számítógépes program felülete A számítógépes program felületéről irányítható a mérési pontok felvétele. Az Új mérés gombbal történik új mérési pont felvétele, a közvetlenül számolható mennyiségeket a program azonnal meghatározza. A köbözés adatainak beadása után a köbözéssel kapcsolatos mezők is újraszámítódnak. A felületen választható, hogy a teljes felvett időjel (alapbeállítás 10 másodperc hosszú), egy periódusa, vagy több periódusként mért jel átlagát jelezzük ki. Szintén választhatunk időjelek és indikátordiagram között. A programból elmenthetők a mérési pont adatai (egy fájl soraiba kiírathatók az adatok) és az indikátordiagram adatsora is. A 11. ábrán látható a felület. 5. Mérési eredmények feldolgozása A jegyzőkönyv feleljen meg a szokásos követelményeknek: egy szakmabeli ember minden további utánajárás nélkül megértse az elvégzett labormunkát, és adott esetben reprodukálni tudja. Tartalmazza közös diagramban a két mérés során felvett η vol (Δp) és Q k (Δp) jelleggöbéket, illetve a két indikátordiagramot. Elemezze az indikátordiagramok alapján a légüst szerepét, viselkedését az adott rendszerben! Feleljen meg a tanszéki honlapon található formai követelményeknek! ( 8

9 Időjel, egy/ átlagolt periódus adatbevitel Váltás időjel/ indikátordiagram Új mérés indítása Köbözés adatbevitel Időjelek vagy indikátordiagram Számolt mennyiségek Indikátordiagram mentése Mérési pont mentése 11. ábra: Adatgyűjtő program felülete 6. Jelölésjegyzék η [-] hatásfok Q [m 3 /s] térfogatáram Δp [Pa] nyomáskülönbség s [m] lökethossz A d [m 2 ] dugattyú keresztmetszet x [m] dugattyú elmozdulás i [A] hajtómotor áramfelvétele t [s] idő V [m 3 ] köbözött térfogat n [1/s] fordulatszám X [m] lökethossz Indexek vol k elm volumetrikus köbözési, közepes elméleti 7. Felhasznált irodalom [1] Váradi Sándor: Vegyipari és áramlástechnikai gépek oktatási segédanyag ( [2] Kullmann László: Áramlástechnikai gépek oktatási segédanyag ( [3] Pandula Zoltán: Adagolószivattyú mérése 8. Mérőberendezés adatai típus: HAUKE PIML egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús adagolószivattyú maximális közepes folyadékszállítás: Q max = 56 lit/h az olaj sűrűsége = 850 kg/m 3, t = 18 C érték mellett. motor teljesítménye: P mot = 0,37 kw maximális nyomás: p max = 60 bar dugattyú átmérő: d = 20 mm lökethossz: s = 0-30 mm névleges löketszám: 100 löket/min csigahajtás lassító áttétele: i = 30 9