AZ ÁRAMLÁSTAN VÁLOGATOTT FEJEZETEI - ÁRAMLÁSMÉRÉS Dr. Vad János docens 1: Elıadás. Bevezetés. Idıbeli átlagnyomás és idıben változó nyomás mérése. Sebességmérık. Hımérsékletmérés. Lézer Doppler anemometria. Lézersíkos áramlás vizualizáció. Particle Image velocimetry. Hıdrótos sebességmérés. Térfogatáram mérése. Különleges ipari áramlásmérık. 2: Ipari esettanulmányok. Gázmotoros erımő légellátó rendszerének hibafeltárása. Aerob szennyvízkezelı telep zajcsökkentése. Szárítótorony rezgésének vizsgálata. Gyógyszeripari fermentációs folyamat optimalizálása. Földgázkút vezetékébe épített áramlásmérı mérési zajának hatása a gázkitermelésre. 3: Laborbemutató. Nyomás, sebesség, hımérséklet mérésének eszközei. Térfogatáram mérése. Lézerek. Lézer Doppler Anemometria. Hıdrótos sebességmérés. 4: Ipari esettanulmányok. Kazán-aláfúvó ventilátor rezgésdiagnosztikája. Élelmiszeripari hőtırendszer kapacitásnövelése. Gázturbinás erımő áramlástechnikai felülvizsgálata. Cementipari füstgázvezetékbe beépített hangtompító mérése. 5: Ipari esettanulmányok. Erımővi égésilevegı-ellátó ventilátor üzemállapotának megállapítása. Távhıellátó rendszer méréstechnikai felülvizsgálata. Vegyipari tartálypark szivattyú-rendszerének rekonstrukciója. Acélipari lemezhőtı rendszer hatékonyságnövelése.
1. 1.1. BEVEZETÉS Az áramlástani mérések célja 1.1.1. Globális (integrál) jellemzık Áramlástechnikai gépek és a csatlakozó rendszer üzemének általános megítélése, hibafeltárás (eseti vizsgálatok) Tömegáram: n qm = ρ v da ρ v Aduct i =1 i Ai
Mérési adatok biztosítása folyamatirányításhoz és automatizáláshoz q Térfogatáram: V = A duct v da
1.1.2. Lokális jellemzık, az áramlási szerkezet jellemzése Hibafeltárás, üzemállapot ellenırzése
Mérési adatok biztosítása ipari folyamatirányításhoz
Mérés-alapú kutatás-fejlesztés (K+F)
Numerikus áramlástani (Computational Fluid Dynamics, CFD) eszközök mérési validációja LDA: 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 R P A 0.1u c O C U CF H PV 5 10 15 20 25 30 35 40 θ [deg] S ST T W V P 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 R CFD: P A O 0.1 u C CF c H U PV 5 10 15 20 25 30 35 40 θ [deg] S ST T W P
1.2. Tárgyalt mennyiségek Ipari alkalmazásokhoz és K+F-hez kötıdıen: Globális jellemzık: Térfogatáram Tömegáram Lokális jellemzık: Skalárjellemzık: Nyomás (idıben átlagolt és ingadozó) Hımérséklet Másik fázis koncentrációja Vektorjellemzık: Sebesség (idıben átlagolt és ingadozó)
1.3. Igényes áramlásmérés : mitıl igényes? Igény Kis mérési bizonytalanság Széles mérési tartomány Példák mőszerezettségre Lézer Doppler Anemometria (LDA): sebességmérés 0.1 % relatív bizonytalansággal LDA gyors adatgyőjtı kártyával ellátva, elıjeles sebesség mérésére: 0 m/s-tıl szuperszónikus áramlásig Nagy térbeli felbontás Nagy idıbeli felbontás idıfüggı folyamatok vizsgálatára (pl. turbulencia) LDA: mérıtérfogat mérete: 0.1 mm nagyságrendő ( Prandtl-csı) Hıdrótos áramlásmérés (Constant temperature anemometry: CTA) ( Prandtl-csı)
Nagy irányérzékenység vektorjellemzık mérésekor Kis irányérzékenység skalárjellemzık mérésekor Többkomponenső mérések Mérsékelt kalibrációs igény / nincs kalibráció (stabil belsı paraméterek) LDA: interferencia-csíkozat: definiálja a mért sebességkomponens irányát ( Prandtl-csı) Prandtl-csı a dinamikus nyomás méréséhez: irányérzéketlen ±15 tartományban (ez hátrány, ha a sebességadatból térfogatáramot számítunk) 1D, 2D, 3D LDA és CTA, PIV, stereo PIV LDA: NINCS kalibráció, black box : NEM SZABAD állítani ( CTA) Könnyen használható, plug and play Szárnylapátos anemométer ( LDA)
Megbízható üzem széles alkalmazási körben: nehéz körülmények között (poros, forró, nedves, agresszív ipari környezet) Más módszerekkel nem elérhetı zónák mérése, távoli mérés A mérendı áramlás mérsékelt megzavarása: érintésmentes, nembeavatkozó, nem-invazív technika A mérendı berendezés minimális módosítási igénye S-szonda ( LDA) Lézer vibrométer ( piezoelektromos gyorsulásmérı) Ultrahangos áramlámérı ( Szilárdtest-szondák) Lézer vibrométer, ultrahangos áramlásmérı ( átfolyó mérıperem)
Elektronikus kimenıjel az adatok igényes bemutatásához és folyamatirányításhoz Számítógéppel támogatott, automatizált mérés (kalibráció, mozgatás, adatgyőjtés, adatfeldolgozás, adattárolás, adatmegjelenítés ) Mérsékelt költségek Elektronikus nyomásszenzor ( U- csöves manométer) Particle Image Velocimetry (PIV) ( Prandtl-csı) Prandtl-csı ( LDA)
1.4. Igényes áramlásmérés: általános tudnivalók A/ Mérési módszerek: a követelmények szerint Sebességmérés: Technika Prandtl-csı 1-komponenső CTA vagy LDA Mérés Átlagsebesség nagysága, pontszerő 1 átlag (és ingadozó) sebességkomponens, pontszerő 2- komponensőlda 2 sebességkomponens, pontszerő Költség nagysr. 0.5 keur 25 keur 100 keur
Technika Mérés 3-komponenső LDA 2-komponenső PIV Stereo PIV 3 sebességkomponenskomponenskomponens, 2 sebesség- 3 sebesség- pontszerő síkban síkban Költség nagysr. 200 keur 200 keur 400 keur
B/ Igényes csak HA: a teljes kísérleti eljárás és kiértékelés is igényes Hangsebesség feletti szélcsatorna: Belsıégéső tesztmotor
C/ Paradoxon: Tudnunk kell az eredményt, mielıtt nekikezdünk. Elmélet nélkül hallgatnak a tények.
Throttle Rotary encoder ϕ = c x uk Fan with torque meter Rotor x - y Traversing mechanism y x 0.5 0 Lapátnyom 0.3 Csatornafal LDA system Downstream windows Upstream windows Spray nozzle Inlet cone 5 10 15 Járókerékagy 20 25 Tangenciális koordináta [deg] 30 0.2 35 0.5 0.7 0.750.8 Lapátmozgás R 0.95 0.85 0.9 air inlet
D/ Az információ adta lehetıségek teljeskörő kihasználása ϕ r = c r u k 0.2 0.1 0-0.1 Lapátnyom 0.09 Csatornafal ψ=2r 1.5 1 0.5 0 cu u k Lapátnyom 1.5 Csatornafal 5-0.09 R 0 0.95 1 0.9 1.1 0.85 5 10 10 15 Járókerékagy 20 25 30 0.7 0.750.8 15 Járókerékagy 20 25 Tangenciális koordináta [deg] 35 30 Lapátmozgás Tangenciális koordináta [deg] 35 0.7 0.750.8 Lapátmozgás R 0.95 0.85 0.9 ϕ = c x uk 1.00 0.1u k ω 0.5 0.95 0.90 0 5 Lapátnyom 0.3 10 15 Járókerékagy 20 25 Tangenciális koordináta [deg] 30 0.2 35 0.5 Csatornafal 0.7 0.750.8 Lapátmozgás R 0.95 0.9 0.85 0.85 0.80 0.75 0.70 0.676 R 5 10 15 20 25 30 35 40 Tangenciális koordináta [deg]
2. IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSE 2.1. Statikus nyomás A zavartalan közeg nyomása párhuzamos áramvonalak 2.1.1. Gyakorlati alkalmazások: példák Áramlási veszteségek megítélése K+F A dinamikus nyomás sebesség meghatározásához
2.2. Össznyomás A megállított közeg nyomása (torlóponti nyomás) 2.2.1. Gyakorlati alkalmazások: példák Áramlási veszteségek megítélése
Forgógépek teljesítményének és hatásfokának megítélése Euler-turbinaegyenlet: p t id η = t ( v u v u ) = ( v u v ) = ρ ρ p p t t id 2 2 1 1 2u 2 1uu1 Dinamikus nyomás meghatározásához
2.3. Dinamikus nyomás 2.3.1. Gyakorlati alkalmazások: példák v = 2 ρ 2 ( p ) = ( p p) dynamic ρ t ρ = p RT 2.3.2. Mérési elv
Pitot-statikus szonda (Prandtl-csı)
S-szonda v = k 2 p ρ
2.4. Sebesség-nagyság és irány mérése nyomásmérésre visszavezetve Hengerszonda v = k 2 ρ ( p p ) 3 2
Ötlyukú szondák (ötlyukú Pitot-csövek)
2.5. Nyomáskülönbség-távadók (nyomásszenzorok, manométerek) Folyadékos mikromanométerek Betz manométer
Membrános manométerek Villamos kapacitás-elv
3. IDİBEN VÁLTOZÓ NYOMÁS MÉRÉSE 3.1. Gyakorlati példák Idıben jelentısen változó technológiai v. egyéb ipari áramlási folyamatok szabályzásában Nehézgépjármővek elektro-pneumatikus fékrendszerei direct solenoid valve commands LOAD EXHAUST p supply p out p ch Piping Piping Air supply unit EBS modulator Diaphragm brake chamber Brake mechanism (compression spring)
Az esettanulmány AMESim szimulációs modellje
Akusztika, hangnyomásszint-mérések, hangnyomás spektrális eloszlása
3.2. Mőszerek 3.2.1. Kondenzátor-elv (kondenzátor-mikrofon ) Q = C U L = 20 lg p p 0 0 120 db: 6 nagyságrend!
3.2.2. Piezo-induktív elv Hidrofonok Belsıégéső motorok indikálása Acceleration canceling (gyorsulás hatásának kiiktatása) Gyorsulásmérık!
3.2.3. Piezo-rezisztív elv Nyúlásmérı bélyeg
Kulite szenzor
EBS modulátorok
4. SEBESSÉGMÉRİK 4.1. Propelleres mérık
4.1.1. Propelleres anemométerek
Szárnykerekes anemométer
Gyors átlépés Gyors átlépés
4.2. Termál anemométerek Hıgömbös anemométer
5. HİMÉRSÉKLETMÉRÉS 5.1. Példák ipari alkalmazásokra Áramlási folyamatok jellemzése: ipari technológia, K+F Sőrőségmérés számításának alapja: folyadékok jellemzése, sebesség számítása dinamikus nyomásból 5.2. Tipikus mérési elvek és kivitelek