Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézet Hallgatói laboratóriumi gyakorlat Modellkísérlet szivattyús tározós erőmű hatásfokának meghatározására Mintajegyzőkönyv Készítette: Kovács Arnold Konzulens: Szabó Bálint Felelős oktató: Dr. Aszódi Attila Budapest, 2013. július 1
1. A mérési feladat A mérés során a BME NTI laboratóriumában a rendelkezésre álló alkatrészekből egy szivattyús tározós erőmű modellje került megépítésre, majd a rendszer segítségével kimérhetővé vált a berendezés hatásfoka. 2. A mérőberendezés felépítéséhez felhasznált alkatrészek - 2 db, egyenként 16 liter víz tárolására alkalmas tartály - 1 db WILO Stratos ECO 25/1-1 BMS ivóvízszivattyú - 1 db Belimo TR24 24V-os motorosan szabályozható szelep - 1 db GMR átfolyásmérő - 1 db kézi működtetésű szelep - 1 db vezérlőpanel, melynek segítségével a rendszerelemek üzemeltethetők - tápegységek - 1 db vezérlő számítógép - a rendszerelemek működtetéséhez szükséges kábelek - kb. 10 méter hosszúságú csővezeték, előre feldarabolva - csatlakozók, tömítések A mellékletben megtalálhatók az egyes rendszerelemek sémaképi rajzai valamint fényképek a laboratóriumban rendelkezésre álló alkatrészekről. 2
3. A mérés során megvalósított kapcsolási séma. ábra: A berendezés kapcsolási vázlata 4. A mérés menete és a mérési eredmények kiértékelése A mérőberendezés összeállítása után a rendszert fel kellett tölteni vízzel, majd az egész csőhálózatot légteleníteni kellett a zavartalan működés érdekében. A szivattyúzás kezdete előtt a tartályokban található vízszintek az 1. táblázatban láthatók Név Vízszint (cm) h 0, a 21,4 h 0, f 1,8. táblázat: A kiinduló paraméterek Az alsó edényben tárolt vízmennyiség felső tartályba szivattyúzásához a mérésvezető által megadott teljesítmény-idő diagram került felhasználásra, ez az 2. ábrán látható.. ábra: A mérésvezető által kiadott teljesítmény-idő diagram A diagramról leolvasható adatok segítségével meghatározhatóvá vált a felszivattyúzás során a szivattyú által felvett összes energia mennyisége: 150 E befektetett = P (t )dt= 0 (20 10)+(30 20 )+(50 30 )+(20 20)+(30 10 )=3000 J 3
Az adott teljesítményértékek beállításához meg kell határozni, hogy a szivattyú milyen fordulatszám beállítása mellett használja el ezt a teljesítményt. Ehhez a mérési segédletben megadott szivattyú jelleggörbét kellett használni, amely a 3. ábrán látható.. ábra: A szivattyú teljesítmény-fordulatszám jelleggörbéje Az 1. ábrán megadott teljesítményértékekhez tartozó fordulatszámok a 2. táblázatban lettek összefoglalva. Szivattyú teljesítmény (W) Szivattyú fordulatszám (1/perc) 10 1800 20 2500 30 3000. táblázat: Teljesítményértékek diszkrét esetekben A szivattyúzás befejeztével a tartályok vízszintje a 3. táblázatban feltüntetett módon alakult. Név Vízszint (cm) h 1,a 4,25 h 1, f 19,6. táblázat: A szivattyúzás utáni vízszintek Az edények alja közötti távolság h 0 =41,9 cm volt. Az edények oldalára ragasztott vízszint értékekből a víz tárolására felhasznált edények vízszint-térfogat és térfogat-vízszint függvényei meghatározhatók, ha az ismert térfogatértékekhez tartozó magasságokat feljegyezzük, és az így kapott pontokra görbét illesztünk. A diszkrét pontok értékei a 4. táblázatban, a belőlük kapott függvények a 4. és a 5. ábrán láthatók. V (cm 3 ) h (cm) 2000 4,1 3000 5,75 4000 7,4 5000 8,95 6000 10,6 7000 12,15 8000 13,75 9000 15,25 10000 16,8 11000 18,3 12000 19,75 4
13000 21,2 14000 22,68 15000 24,05 16000 25,5. táblázat: A térfogat-vízszint függvény meghatározásához felhasznált értékek. ábra: A térfogat-vízszint függvény. ábra: A vízszint-térfogat függvény A 4. és 5. ábrákon megfigyelhetők az edényre jellemző másodfokú függvények egyenletei is, melyet az illesztett másodfokú polinomból kapunk. Az egyenletek kiírva: V (h )=2,750549 h 2 +573,665 h 385,386 h (V )= 9,66255 10 9 V 2 +1,70178 10 3 V +0,729005 A függvények ismeretében az E h számítható: E h =V ρ g h=[v (h 1, f ) V (h 0, f )] ρ g ( h 0 + h 1, f +h 0, f 2 A betárolt energia meghatározása után a víz felső tartályból alsó tartályba eresztése következett. h +h 0,a 1,a 2 ) = 11258 (cm3 ) 1 ( g cm ) 9,81 ( m 3 s ) 2 A motoros szelep nyitása előtt el kellett indítani az átfolyásmérő mérőprogramját, amely 5 másodpercenkénti mintavételezéssel az 6. ábrán látható impulzusszámokat adta az idő függvényében.. ábra: A impulzusszám időbeli lefutása Az impulzusszámok térfogattá való konvertálásához meg kell határozni az átfolyásmérő impulzus-állandóját. A lefolyás teljes időtartama alatt regisztrált beütésszám: I összes =2562(db) 5
A lefolyt vízmennyiség ismeretében az impulzusállandó számítható: c imp = V I ö sszes = V (h 0, f ) V (h v, f ) I ö sszes = V (h v, a ) V (h 0, a ) I ö sszes = 4,395[ cm 3 impulzus ] Ennek ismeretében a parciális energiaértékek számíthatóvá válnak az E k =V k ρ g h k egyenlettel, ahol k h k =h( V (h 0, f ) i=1 k V i) ( h V (h 0,a )+ V i =1 i) + h 0 Az egyes parciális energiaértékek a mellékelt Excel fájlban találhatók. A leeresztés után a tartályokban található vízszintek megegyeznek a felszivattyúzás előtti értékekkel, ahogy az 5. táblázatban is látható. Név Vízszint (cm) h 2, a =h 0, a 21,4 h 2, f =h 0, f 1,8. táblázat: A víz leeresztése utáni vízszintértékek A leeresztés során kinyert összes energia a parciális energiák összegével egyenlő: n E hasznos = E k =43,42( J ) k =1 Az energiatárolás hatásfokát az alábbi egyenlettel számíthatjuk: η= E hasznos E befektetett = 43,42 3000 =1,44() A betárolt energiára vonatkoztatott hatásfok: 6
η 0 = E hasznos E h = 43,42 43,93 =98,8( ) Ebből a szivattyú hatásfoka: η sz = η η 0 = 1,44 98,8 =1,46( ) Az energiatárolás hatásfoka láthatóan nagyon alacsony. Ennek magyarázata többrétű: a legfőbb ok a kis szivattyú, mely a hálózatból felvett energia igen kis részét hasznosítja, nagyon nagy termikus és szivattyúzási veszteségek lépnek fel. A berendezéseket összekötő csővezeték vékony, viszonylag nagy hidraulikai ellenállást jelent, mely tovább növekedhet, ha a nem megfelelő összeszerelés következtében csavarodik vagy megtörik valahol. 7
Melléklet Rendszerelem Sémarajz Fénykép a laborban megtalálható berendezésről Tartály Szivattyú Mágnesszelep 8
Motoros szelep Kézi szelep Átfolyásmérő Hőforrás 9
Vezérlőpanel - Tápegységek - Számítógép - Csővezeték 10
Csatlakozók - 11