Légsebesség profil és légmennyiség mérése légcsatornában Hővisszanyerő áramlástechnikai ellenállásának mérése

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

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. 3. 2. 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. 6. 2. pont). - 2 -

3. Elméleti háttér 3. 1. 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. 3. 2. 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. - 3 -

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. 3. 3. 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. - 4 -

3. 4. Sebesség mérése légcsatornában A légtechnikai mérésekre vonatkozó szabványok az egyes fizikai mennyiségek mérésére többféle műszert kínálnak fel. Az MSZ EN ISO 5167-1:2003 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 -

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. - 6 -

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 -

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. - 8 -

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 5 4 3 2 1 6. ábra Sebességmérési pontok 3. 5. 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 5167-1:2003 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. - 9 -

7. ábra Statikus nyomás kivezetése a légkezelőn - 10 -

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 - 11 -

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

12. ábra Hővisszanyerő modul, oldalán a nyomásmérő furatokkal - 13 -

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. - 14 -

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: - 15 -

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 [%] 2 10 20 30 40 50 A sebességmérés hibája [%] 4 6 12 20 28 36 42 5 5 10 17 24 31 36 6 5 9 15 21 27 32 8 4 8 13 18 23 27 10 3 6 12 16 20 24 20 2 5 8 11 14 16 25 2 4,5 7,5 10 12,5 14,5 30 2 4 7 9 11 13 50 1 3 5 6 8 9 100 1 2 3 5 6 7 200 1 1 2 3 4 5 A hővisszanyerő veszteségtényezője: 2. Táblázat ahol Δp stat,átlag a hővisszanyerő elem két oldalán mért statikus nyomások számtani átlaga [Pa]. 6. 1. Mért- és számított értékek, diagramok A kiértékeléshez szükséges táblázatokat és minta diagramot a Melléklet tartalmazza. - 16 -

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! - 17 -

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. - 18 -

Melléklet Mért- és számított értékek 1 2 3 4 5 1. 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 = 1 2 3 4 5 2. 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 =

1 2 3 4 5 1. 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 = 1 2 3 4 5 2. 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 =

Minta az elkészítendő diagramokhoz