Moduláris szakmai vizsgára felkészítés környezetvédelmi területre Általános környezetvédelmi technikusi feladatok II/14. évfolyam tanulói jegyzet A TISZK rendszer továbbfejlesztése Petrik TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
MODULÁRIS SZAKMAI VIZSGÁRA FELKÉSZÍTÉS KÖRNYEZETVÉDELMI TERÜLETRE ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK GÉPÉSZETI ÉS VILLAMOS ALAPMÉRÉSEK II/14. ÉVFOLYAM TANULÓI JEGYZET
A kiadvány a TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 azonosító számú projekt keretében jelenik meg. Szerző: Szabó László Lektor: Szabó Lászlóné Borító és tipográfia: Új Magyarország Fejlesztési Terv Arculati kézikönyv alapján A mű egésze vagy annak részletei az üzletszerű felhasználás eseteit ide nem értve oktatási és tudományos célra korlátozás nélkül, szabadon felhasználhatók. A tananyagfejlesztés módszertani irányítása: Observans Kft. Budapest, 009. Igazgató: Bertalan Tamás Tördelés: Király és Társai Kkt. Cégvezető: Király Ildikó
TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS...7 A jegyzet célja...7 Követelmények...7 Tanácsok a tanulói jegyzet használatához...7 Jelmagyarázat...7 Munkavédelmi szabályok, laborrend...8 A jegyzőkönyv kivitele...8 A jegyzőkönyv hitelessége...8 Formai és tartalmi kivitel...8 Az önellenőrzésre alkalmas feladatlapok Használata... 11 ÁRAMLÁSTECHNIKAI MŰSZEREK MÉRÉSEI... 1 Nyomásmérés... 1 Ismétlő kérdések és feladatok...1 Nyomásmérés...1 A hidrosztatikai nyomás...1 U-csöves nyomásmérő...13 Ferdecsöves nyomásmérő...16 A mérési hibák...17 A mérőhely kialakítása...18 Ellenőrző kérdések és feladatok...18 Mennyiségmérés... 19 Ismétlő kérdések és feladatok...19 A folytonossági törvény...19 A Bernoulli-törvény...0 A Pitot-cső... Mérőperem...3 A vízóra...5 A mérőhely kialakítása...5 Ellenőrző kérdések és feladatok...6 ÁRAMLÁSTECHNIKAI MÉRÉSEK...7 Re-szám mérés...7 Ismétlő kérdések és feladatok...7 Az áramlás jellege. A Re-szám...7 Rotaméter...9 A mérőhely kialakítása...30 Ellenőrző kérdések és feladatok...30 Csővezetékek, csőszerelvények veszteségei...30 Ismétlő kérdések és feladatok...30 Veszteséges áramlás...31 Csővezetékek áramlási veszteségeinek meghatározása méréssel...33 PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 3
Csőelzáró, áramlásszabályozó szerelvények...34 A zárószerelvények veszteségei...37 Ellenőrző kérdések és feladatok...38 SZIVATTYÚK VIZSGÁLATA... 39 Ismétlő kérdések és feladatok...39 A centrifugálszivattyú működési elve... 39 A centrifugálszivattyú jelleggörbéi...40 A szivattyú szállítási jelleggörbéje...40 A szivattyú teljesítmény jelleggörbéi...41 A szivattyú hatásfoka...4 A szivattyú munkapontja...4 A szivattyú működése különböző fordulatszámokon...43 Sorba kapcsolt szivattyúk működése...43 Párhuzamosan kapcsolt szivattyúk működése...43 A jelleggörbék felvétele méréssel...44 Szállítási jelleggörbe...44 Teljesítmény jelleggörbék...44 A hatásfok jelleggörbe szerkesztése...44 Ellenőrző kérdések és feladatok...44 AUTOMATIKAI ÉS VILLAMOS MÉRÉSEK... 47 Villamos mérések... 47 Ismétlő kérdések és feladatok...47 Az Ohm-törvény igazolása...47 Sorba kapcsolt ellenállások eredője...47 Rövidzár-kapcsolás...48 Párhuzamos ellenállások eredője...48 Feszültségosztó vizsgálata...48 Tárolóhatás vizsgálata...49 Az áramkörök vizsgálata mérési adatgyűjtővel...50 Tárolóhatású áramkör szabályozása mérési adatgyűjtő kapcsolással...51 Veszteségmérés számítógépes adatfeldolgozással... 5 Kapcsolási vázlat...5 FÜGGELÉK...54 A feladatok megoldása...54 4 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
GYAKORLATOK... 58 1. GYAKORLAT Nyomásmérés...58. GYAKORLAT Mennyiségmérés...6 3. GYAKORLAT Re-szám mérése...6 4. GYAKORLAT Csővezeték áramlási veszteségei...64 5. GYAKORLAT Zárószerelvények áramlási veszteségei...66 6. GYAKORLAT Zárószerelvények áramlási veszteségei...67 7. GYAKORLAT Szelep áramlási veszteségei...69 8. GYAKORLAT Centrifugálszivattyú jelleggörbéinek felvétele...71 9. GYAKORLAT Centrifugálszivattyú jelleggörbéinek felvétele két fordulatszámon...7 10. GYAKORLAT Sorosan és párhuzamosan kapcsolt centrifugálszivattyú jelleggörbéinek felvétele... 74 11. GYAKORLAT Feszültségosztók vizsgálata... 76 1. GYAKORLAT Tároló hatás vizsgálata...77 ÖNELLENŐRZÉSRE ALKALMAS FELADATLAPOK... 78 1. feladatlap. Nyomásmérési gyakorlat (önellenőrző tudásmérő feladatlap)...78. feladatlap. Mennyiségmérési gyakorlat (önellenőrző tudásmérő feladatlap)...80 3. feladatlap. Re-szám mérése (önellenőrző tudásmérő feladatlap)...8 4. feladatlap. Szelepek vizsgálata (önellenőrző tudásmérő feladatlap)...83 5. feladatlap. Szivattyúk vizsgálata (önellenőrző tudásmérő feladatlap)...85 PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 5
BEVEZETÉS A jegyzet célja A tanulói jegyzet célja, hogy segítséget nyújtson a gyakorlati vizsga feladatainak sikeres megoldásához. A tanítási év során a vizsgafeladatokhoz hasonló gyakorlatokat oldunk meg. Aki a gyakorlati feladatokat jól oldja meg, a szakmai vizsgán is eredményesen fogja tudni elvégezni a vizsgafeladatokat. Követelmények Tudjuk szakszer en használni a feladatok megoldásához szükséges nyomás- és mennyiségmér eszközöket, tudjunk az eszközökkel mérési feladatokat végezni. Tudjunk szakszer en mérni áramlástechnikai jellemz ket, tudjuk meghatározni cs vezetékek, szerelvények áramlástani jellemz it. Tudjuk szakszer en mérni, meghatározni szivattyúk jellemz adatait. Tudjunk elkészíteni pneumatikus, hidraulikus és villamos alapkapcsolásokat, végrehajtani villamos méréseket, Ismerjük meg a számítógépes irányítási rendszert. Legyünk képesek a mérései feladatokat körültekint en, a munkavédelmi és biztonságtechnikai el írások, valamint a laborrend (a munkahely rendjének) betartásával végrehajtani. Tudjuk a mérési adatokat feldolgozni, értékelni és mérési jegyz könyvet készíteni Mintafeladatok alapján legyünk képesek önállóan, hasonló ismeretekre épül feladatokat megoldani. TANÁCSOK A TANULÓI JEGYZET HASZNÁLATÁHOZ Jelmagyarázat A tanulói jegyzetben a tananyag fontos elemeit, a példákat és a tanulási tippeket különböz ikonok jelölik. Ikon Jelentés A fejezet célmeghatározása. Figyelmesen olvassa el, így megismeri a fejezet fókuszpontjait. Az ikon fontos, jól megjegyzend, megtanulandó ismereteket jelez. Az ikon mellett olyan gondolatébreszt kérdéseket, felvetéseket, problémákat talál, amelyek megválaszolásával elmélyülhet a témában. Házi feladatok PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 7
Munkavédelmi szabályok, laborrend A méréshez csak akkor kezdhetünk hozzá, ha meggy z dtünk arról, hogy a mér hely üzemre kész állapotban van. Ebben az esetben tanári engedéllyel elkezdhetjük a mérést. Csak akkor kezdhetjük el a mérést, ha az elektromos kapcsolások hibátlanok. Az üvegkészülékeket el vigyázatosan kell kezelni. Repedt, törött elemekkel mérést végezni tilos. A JEGYZ KÖNYV KIVITELE A mérések eredményeit jegyz könyvben rögzítjük. A jegyz könyv hitelessége A jegyz könyv alapvet követelménye, hogy tartalma alapján, ha ugyanolyan körülmények között ugyanazt a mérést végzi el más személy, akkor az eredmények azonosak legyenek. A jegyz könyv hitelességét rontja, ha összefirkált vagy kifest vel törölt részek vannak benne. Ha javítani kell, akkor egyszer en áthúzzuk a hibás részt, és újraírjuk a helyes megoldást. Formai és tartalmi kivitel A jegykönyv A3-as félbehajtható négyzetrácsos vagy franciakockás lap. Ebbe lehet betenni ha szükséges az A4-es méret diagrampapírokat, illetve az egyéb információkat tartalmazó lapokat. A jegyz könyv els oldalán a mérés megnevezése, a dátum és a mérést végz személy(ek) neve szerepel. A mérés id pontja: A mérés megnevezése: Név: Osztály: A jegyz könyv beadásának id pontja: Mér társak: Az els oldalon célszer elhelyezni a mér hely kapcsolási vázlatát, a mérés menetét (a mérési utasítást) és a munkavédelmi el írásokat. A kapcsolási vázlat Minta: 1. ábra. Kapcsolási vázlat mintája A kapcsolási vázlat a mér hely térbeli kialakításától eltérhet. A folyamatot vonalas vázlattal kell ábrázolni, jelképeikkel ábrázolva a szerkezeti elemeket, egységeket. 8 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A vázlat a m ködést tekintve bal oldalról indulva jobb felé halad, még akkor is, ha a valóságban az egységek másképp helyezkednek el. Ha a vonalak keresztezik egymást, a függ leges vonalat kell megszakítani. A kapcsolási vázlaton fel kell tüntetni a mér m szerek jellemz it (nagyon fontos a mér határ feltüntetése), a mér hely szerkezeti egységeinek a mérés szempontjából fontos adatait (pl. a cs vezetékek jellemz it). A fenti ábrán a mér m szerek adatait nem tüntettük fel, ezeket a méréshez használt m szerekr l kell leolvasni. A fontosabb jelképek az alábbi ábrán találhatók. Jelképes ábrák Cs vezeték Szelep, csap Szivattyú (centrifugálszivattyú) Vízszintes és függ leges cs találkozásának ábrázolása Nyomásmér Szivattyú motoros meghajtással Mér perem Rotaméter PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 9
A mérés menete Pl. Ellen rizzük a mér hely üzemre kész állapotát, a szelepek helyzetét (zárt, nyitott állapot). Elkészítjük a nyomjelz folyadékot, és feltöltjük a festékadagoló tartályt. Próbaméréseket végzünk különböz csapállások mellett, megfigyelve a megfelel nyomjelz adagolást és a várható átváltási pontot. Stb. Munkavédelmi el írások Pl. A méréshez csak akkor kezdhetünk hozzá, ha meggy z dtünk arról, hogy a mér hely üzemre kész állapotban van. Ebben az esetben tanári engedéllyel elkezdhetjük a mérést. Csak akkor kezdhetjük el a mérést, ha az elektromos kapcsolások hibátlanok. Csak akkor kezdhetünk a méréshez, ha meggy z dtünk arról, hogy az üvegkészülékek hibátlanok. Az adatok táblázata A jegyz könyv második vagy harmadik oldalán célszer elhelyezni a mérési adatokat tartalmazó táblázatot. A táblázat fejléce a mért, illetve a számított adatok szabványos vagy szokványos bet jeleit és ezek mértékegységét tartalmazza. A következ sorokba írjuk a mért és a számított adatokat. A táblázatba mindig írjuk be a leolvasott adatokat, a mellette lév cellákba pedig ha a leolvasott érték nem SI-alapegységben szerepel mindig írjuk be az SI-alapegységben meghatározott értéket. A számításokat mindig ezekkel az egységekkel végezzük. A számadatokat a normálalakhoz hasonló nagyságrendben visszük be a cellákba. Ha a számérték túl nagy vagy túl kicsi, nagyságrendet a fejlécben szerepl 10 hatványával adjuk meg. Minta: Sorszám. V liter/óra. V 10-4 m 3 /s h, 10-3 m p, Pa h, J/N 1 Stb. Számítások A táblázat alatt (vagy a következ oldalon) gy jtsük össze a számításokhoz szükséges összefüggéseket, majd alatta az elvégzett számítások egy mintapéldáját (egy sor adatainak kiszámítását bemutató példát). A számításoknál mindig írjuk fel az összefüggést, majd az összefüggésbe behelyettesítést (a mértékegységekkel) és a végeredményt (mértékegységével). Kiértékelés, diagramok Az eredményeket a legtöbb esetben lehet (és kell is) diagramban ábrázolni. A diagramok szemléletesen mutatják a mérési eredményeket. A jegyz könyv befejez része az eredmények kiértékelése. Ebben a részben értékeljük a mérések eredményeit. Els sorban elméleti ismeretekben tanultakat hasonlítjuk össze a mérési eredményekkel. 10 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
AZ ÖNELLEN RZÉSRE ALKALMAS FELADATLAPOK HASZNÁLATA A mérésekhez akkor kezdhetünk hozzá, ha tisztában vagyunk az elvégzend feladattal, ismerjük a mér hely felépítését, el tudjuk készíteni a számításokat. Az egyes mérések elméletét Ismétl kérdések és feladatok el zik meg. Ezeket házi feladatként külön lapokon kell elkészíteni, és a gyakorlatvezet tanár által megadott id pontban beadni. A mérést megel z en ezért célszer ellen rizni, megfelel en felkészültünk-e a mérés elvégzésére. Az ellen rzéshez segítséget adnak a mellékletben szerepl önellen rzésre alkalmas feladatlapok, amelyeket házi feladatként külön lapokon meg kell oldani és a mérés el tt be kell adni. A mérések elkezdése el tt a házi feladatok példáihoz hasonló tudásszintmér feladatlapokat kell megoldani, amelyek eredménye beszámít a mérési feladatok értékelésébe. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 11
ÁRAMLÁSTECHNIKAI M SZEREK MÉRÉSEI Az áramlástechnikai mér m szerek néhány típusához (pl. Pitot-cs, mér peremes mennyiségmér ) nyomásmér ket alkalmazunk a mérend mennyiségek meghatározásához. A m szerek alkalmazásának begyakorlásához két gyakorlati feladatot oldunk meg: nyomásmérés: az U-csöves és ferdecsöves nyomásmér vel mért nyomás meghatározása, illetve mennyiségmérés: az áramló mennyiség meghatározása. Ennek a témakörnek az a célja, hogy megtanuljuk az áramlástechnikai eszközök méréseinél alkalmazott nyomásmér k kezelését, használatát; meghatározzuk a nyomásmér m szerekkel mért nyomás értékét; összehasonlítsuk az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmér pontosságát; megtanuljuk a mennyiségmérés eszközeinek kezelését, használatát; különböz mennyiségmér m szerekkel meghatározzuk a csövekben áramló folyadékok mennyiségét; összehasonlítsuk a különböz mennyiségmér m szerek alkalmazását. NYOMÁSMÉRÉS Ismétl kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait! Házi feladatként válaszoljon a következ kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Mit nevezünk nyomásnak? Hogyan számítható a nyomás?. Mi a nyomás SI-egysége? Milyen nyomásegységeket használunk a gyakorlatban? Nyomásmérés A nyomásmér m szerek közül a hidrosztatikai nyomás alkalmazásán alapuló nyomásmér m szereket: az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmér ket használjuk a feladatok megoldásánál. A hidrosztatikai nyomás Hidrosztatikai nyomásnak nevezzük a folyadék-(vagy gáz-)oszlop nyomását. 1 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
1.1. FELADAT Az alábbi ábrán egy hengerben folyadék látható. A hidrosztatikai nyomás meghatározása alapján állapítsa meg, hogyan lehet kiszámolni a henger aljára ható hidrosztatikai nyomás értékét! Adatok: A folyadék s r sége: Az alapterület: A. ábra A feladatot a jegyzetfüzetében próbálja önállóan megoldani! A hidrosztatikai nyomás nagysága: p h g, Pa U-csöves nyomásmér Nyomáskülönbség mérésére gyakran alkalmazunk U-csöves nyomásmér ket (3. ábra). A nyomásmér ben mér folyadék van, amely legtöbbször víz vagy higany (esetleg más folyadék). 3. ábra. U-csöves nyomásmér PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 13
A nyomásmérés azon alapszik, hogy p 1 = p esetén az U-cs mindkét ágában azonos szinten áll a folyadék. Abban az esetben viszont, ha a p 1 nyomás nagyobb, mint a p nyomás, a folyadékszint kitér alaphelyzetéb l úgy, hogy a nyomások különbségével az U-cs ben lév mér folyadék hidrosztatikai nyomása tart egyensúlyt (4. ábra). 4. ábra. A mér folyadék kitérése 1.. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le az U-csöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést! A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! Az U-csöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség nagysága: p p p h g, Pa 1 A fenti összefüggés abban az esetben ad helyes eredményt, ha a mér folyadék felett lév közeg hidrosztatikai nyomása elhanyagolható. A közeg hidrosztatikai nyomása elhanyagolható, ha a mért közeg és a mér folyadék s r ségének különbsége nagy. Ilyen eset pl. ha a mért közeg leveg és a mér folyadék víz vagy higany. Nem hanyagolható el a két közeg s r ségkülönbsége abban az esetben, ha víz nyomáskülönbségét mérjük higany mér folyadékkal. Ebben az esetben a higany fölött lév víz hidrosztatikai nyomásával is kell számolnunk (5. ábra). 14 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
5. ábra. A s r ségkülönbség nem hanyagolható el 1.3. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le az U-csöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést, ha a higany fölött lév víz s r sége nem hanyagolható el! A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! Az U-csöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség nagysága, ha a mér folyadék feletti közeg hidrosztatikai nyomását nem hanyagolhatjuk el (pl. higany mér folyadék és víz esetén): p p p h ( ) g Pa 1 Hg víz, PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 15
Ferdecsöves nyomásmér Ferdecsöves nyomásmér esetén az U-cs egyik szárát ferdén döntjük (6. ábra). 6. ábra. Ferdecsöves nyomásmér A ferdecsöves nyomásmér esetén a nyomáskülönbség mérése ugyanazon az elven történik (hidrosztatikai nyomás), mint az U-csöves nyomásmér nél, de a h ( h) szintkülönbség helyett a ferde csövön mérhet l ( l) hosszúságot mérjük. Így m szer ugyanolyan nyomásérték esetén pontosabban mér. 1.4. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le a ferdecsöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést, ha a higany fölött lév anyag s r sége elhanyagolható! Segítség a feladat megoldásához: h sin. l A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! A ferdecsöves nyomásmér alapösszefüggése: p ( l sin ) g Megjegyzés: érvényes abban az esetben, ha a mérend anyag hidrosztatikai nyomását a m szerben elhanyagoljuk. A ferdecsöves nyomásmér összefüggése, ha a mérend anyag hidrosztatikus nyomása nem hanyagolható el: p ( l sin ) ( ) g. Hg víz 16 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A mérési hibák A mérési hibának két típusa van: az abszolút hiba és a relatív hiba. Az abszolút hiba a pontos érték és a mért érték különbsége. Ennél a mérésnél pontos értéknek vesszük a ferdecsöves nyomásmér vel mért értéket, mért értéknek pedig az U-csöves nyomásmér vel mért értéket. Az abszolút hiba számítása: H absz = p f - p U, ahol H absz az abszolút hiba, p f a ferdecsöves nyomásmér vel mért érték, p U az U-csöves nyomásmér vel mért érték. A relatív hiba az abszolút hiba és a mért érték hányadosa. A relatív hiba számítása: H absz H rel. p f A relatív hibát gyakran szoktuk %-os értékével megadni: H absz H rel % 100. p f 1.5. FELADAT Egy U-csöves nyomásmér két ágában a mér folyadék szintkülönbsége 60 mm. A mér folyadék víz (s r sége 1000 kg/m 3 ). Mekkora a nyomásmér vel mért nyomáskülönbség? 1.6. FELADAT Ferdecsöves nyomásmér vel mért nyomáskülönbség esetén a leolvasott érték 50 mm. A nyomásmér hajlásszöge: 30. A mér folyadék higany (s r sége 13600 kg/m 3 ). Számítsa ki a mért nyomáskülönbséget! (Írja föl a számításához szükséges összefüggést is!) A feladatokat jegyzetfüzetében próbálja meg önállóan megoldani! PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 17
A mér hely kialakítása a 7. ábrán látható. A mér hely kialakítása 7. ábra. A nyomásmérés mér helye A mér hely egy összekapcsolt U-csöves és ferdecsöves nyomásmér t tartalmaz. Mindkét nyomásmér azonos nyomást mér. Ellen rz kérdések és feladatok 1. Mit nevezünk hidrosztatikai nyomásnak? Hogyan számítható ki a hidrosztatikai nyomás értéke?. Ismertesse vázlatrajzok segítségével az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmér szerkezeti kialakítását és m ködését! Milyen kapcsolat van a nyomás és a folyadékszint-változás között? 3. Gy jtse össze a mérés megoldásához szükséges összefüggéseket: a) az U-csöves nyomásmér mért nyomásának megállapításához szükséges összefüggés, b) a ferdecsöves nyomásmér mért nyomásának megállapításához szükséges összefüggés. 4. Mit nevezünk abszolút és relatív hibának? Hogyan számítható ki az abszolút és a relatív hiba? Tudása ellen rzéséhez oldja meg a mellékletben található 1. feladatlapot! 18 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
MENNYISÉGMÉRÉS Ismétl kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait. Házi feladatként válaszoljon a következ kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Milyen kapcsolat van egy cs vezetékben áramló folyadékmennyiség esetén a folyadék sebessége és a cs vezeték átmér je között? Írja le az összefüggést!. Hogyan számolható ki az U-csöves nyomásmér vel mért nyomás nagysága? Írja le az összefüggést! 3. Hogyan számolható ki a ferdecsöves nyomásmér vel mért nyomás nagysága? Írja le az összefüggést! 4. Hogyan vesszük figyelembe a nyomáskülönbség-mér m szereknél azt, ha a mér folyadék és a mér folyadék felett lev folyadék s r ségkülönbsége nem hanyagolható el? Írja fel erre az esetre az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmér nyomáskülönbségének meghatározására szolgáló összefüggést! A környezetvédelem gyakorlati problémáinak megoldása során gyakran van szükségünk áramló folyadékmennyiségek értékének meghatározására. Ilyen m szerek pl. a mér perem, a Pitot-cs, a vízóra. A mér m szerek m ködésének elemzéséhez két törvényt, a folytonossági törvényt és a Bernoulli-törvényt ismerjük meg. A folytonossági törvény Cs vezetékben halmazállapotukat tekintve folyadékok, gázok, g zök, illetve szilárd szemcsés anyagok szállíthatók (ez utóbbihoz a pneumatikus szállítórendszereket használunk). A cs vezetékrendszerrel szemben támasztott legfontosabb követelmény, hogy zárt legyen, a benne áramló technológiai közeg a környezettel ne érintkezzen. A cs vezetékben szállított közeg V térfogatárama egyenesen arányos a közeg áramlási sebességével (v): d b V A v v 4 ahol A a cs áramlásra mer leges keresztmetszete, m ; d b a cs bels átmér je, m; v a közeg áramlási sebessége, m/s. Az összefüggésb l a cs szükséges bels átmér je meghatározható. 1.7. FELADAT Egy cs vezetékben percenként 10 liter víz áramlik m/s sebességgel. Határozza meg a cs bels átmér jét! A feladatokat jegyzetfüzetében próbálja meg önállóan megoldani! PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 19
A folyadék a cs vezetékben áramlik. Mozgására jellemz adat a sebessége, amely a cs vezeték méretét l függ en hol kisebb, hol nagyobb. Ha a cs vezeték átmér je csökken, akkor a folyadék nagyobb sebességgel mozog, míg ha a cs átmér növekszik, akkor a folyadék mozgása lelassul. A folyadék áramlási sebessége és a cs vezeték keresztmetszetének szorzata állandó. Ezt a törvényt folytonossági (latin eredet szóval kontinuitási) törvénynek nevezzük (8. ábra). 8. ábra. Folytonossági törvény A folyadék áramlási sebessége és a cs vezeték keresztmetszetének szorzata állandó. Folytonossági törvény matematikai alakja: V v1 A1 v A... vn An, m 3 /s ahol V az áramló folyadék térfogatárama, m 3 /s; v x a folyadék áramlási sebessége a vizsgált pontokban, m/s; A x a cs vezeték, illetve az áramlás keresztmetszete a vizsgált pontokban, m. A cs vezeték keresztmetszete és az áramlási keresztmetszet között különbség lehet. El fordul, hogy a cs vezeték átmér je olyan nagy, hogy a folyadék nem tölti ki teljesen a keresztmetszetet. Ilyen pl. a szennyvízcsatorna is. Ebben az esetben a folyadék a cs alsó felében, harmadában csordogál a lejtés irányában, és az áramlás folytonossága csak az így kialakult vályúszer áramlási keresztmetszetre értelmezhet. Az áramlási irányra mer leges síkban keletkez felületet szabad áramlási keresztmetszetnek nevezzük. A Bernoulli-törvény Egy cs vezetékben V mennyiség folyadék áramlik az 1. pontból a. pont felé (9. ábra). A két pont között (h 1 h ) szintkülönbség és (p 1 p ) nyomáskülönbség van, valamint a cs vezeték átmér jének változása miatt az áramlási sebesség is változhat. Az áramló anyag energiafajtái: Fajlagos helyzeti energia Fajlagos nyomási energia Fajlagos mozgási energia 9. ábra. Az áramló folyadék jellemz i 0 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A folyadék helyzeti energiája: E h m g h, J E h a folyadék helyzeti energiája, J; m a folyadék tömege, kg; h egy tetsz leges szintt l mért magasság, m; g a nehézségi gyorsulás, m/s. Az áramlástani m szaki gyakorlatban a fajlagos energiákkal dolgozunk. Az egységnyi súlyú részecskére vonatkoztatott energia: a fajlagos energia. A fajlagos helyzeti energia, az ún. szintmagasság, az egységnyi súlyú anyag helyzeti energiája. A fajlagos helyzeti energia: Eh m g h m g h eh h, J/N. G G m g A folyadék nyomási energiája: F s p A s p V W p E p p V, J, J A fajlagos nyomási energia az ún. nyomómagasság: E p p V p V p ep, J/N G G g V g E p a nyomási energia, J; e p a fajlagos nyomási energia, J/N; p a nyomás, Pa; a s r ség, kg/m 3. A mozgási energia: v E m m, J A fajlagos mozgási energia az ún. sebességmagasság: Em m v v em, J/N G m g g v az áramlási sebesség, m/s. A fajlagos energia mértékegysége formálisan m mértékegység, mögötte a J/N mértékegység jelenik meg. A Bernoulli-törvény az energiamegmaradás törvényét fejezi ki az áramló folyadékokban. Bernoulli-törvény: a folyadék fajlagos helyzeti, nyomási és mozgási energiáinak összege állandó (a cs vezeték bármely keresztmetszetére vonatkoztatva). A Bernoulli-törvény matematikai alakja: p v h állandó, g g PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 1
vagy a cs vezeték két keresztmetszetére vonatkoztatva: p1 v1 p v h1 h. g g g g A Bernoulli-törvény e formája az ún. ideális folyadékokra igaz. Valóságos folyadékok esetén figyelembe kell venni: a súrlódási veszteségeket (a folyadék falhoz történ súrlódásából adódó veszteségeket, illetve a bels súrlódásból adódó veszteségeket); az iránytörések legy zésére fordítandó energiát (ez szintén veszteségként jelentkezik). A Pitot-cs Egy cs vezetéken áramló folyadék- vagy gázmennyiség vizsgálatakor vagy a térfogatot vagy az áramlási sebességet határozzuk meg. Térfogatméréskor a mér m szerek meghatározott térfogatokat engednek át periodikusan, és az átbocsátott térfogatok számát számlálóm összegezi. A sebességi áramlás mérésekor a mér m szerrel a közeg áramlási sebességét határozzuk meg. A már tanult folytonossági törvény értelmében az átáramló anyagmennyiséget a sebesség és az áramlási keresztmetszet szorzataként kapjuk. A mennyiségmér m szereket ennek megfelel en két csoportba osztjuk: térfogatmér m szerek áramlásisebesség-mér m szerek. A Pitot-csöves mérés során az áramlási sebességet határozzuk meg. A sebességi áramlásmérésre használható m szerek közös jellemz je, hogy a mérés elve visszavezethet a Bernoulli-törvényre. Az áramlás útjában elhelyezett mér elem megváltoztatja az áramlási sebességet, és ezzel az érzékel környezetében a folyadék nyomása is változik. Ennek a nyomásváltozásnak ismeretében kiszámítható a cs ben áramló folyadék sebessége és mennyisége. A Pitot-csöves mérés elve a 10. ábrán látható. 10. ábra. A Pitot-csöves mérés elve A Pitot-cs egyik vége mer leges az áramlás irányára (1. pont). Ebben a keresztmetszetben a folyadék mozgási energiája nyomási energiává, torlónyomássá alakul. A cs vezetékb l kinyúló mér csatlakozókhoz kapcsolt U-cs másik vége olyan szondához csatlakozik, amely párhuzamos az áramlással (. pont). Így csak a folyadék nyomási energiája hat rá (ez az ún. statikus nyomás). Az U- cs két vége közötti nyomáskülönbség alapján a Bernoulli-törvényb l meghatározható a folyadék áramlási sebessége. ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
1.8. FELADAT Írja fel a Bernoulli-törvényt a Pitot-cs 1. és. pontjára, és vezesse le a sebesség meghatározására szolgáló összefüggést! Az áramlási sebesség meghatározására szolgáló összefüggés: p v din m s A Pitot-cs vel mért mennyiség, ha kialakítása olyan, hogy az átlagsebességet méri (ún. multi Pitot-cs ):. D pdin V A v, 4. D pdin m 3 V 4 s ahol: V a cs vezetékben áramló folyadék mennyisége, m 3 /s; A a cs vezeték keresztmetszete, m ; D a cs vezeték átmér je, m; v a folyadék áramlási sebessége, m/s; p din a nyomáskülönbség, Pa; a folyadék s r sége, kg/m 3. Mér perem A mér perem szintén a sebességmérés elvén m ködik. Ennél a megoldásnál a cs vezetékbe egy sz kít elemet építenek be (11 1. ábra). 11. ábra. Mér perem PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 3
1. ábra. Mér perem beépítése A cs vezetékben elhelyezett fojtóelem lesz kíti az áramlási keresztmetszetet, így a fojtóelem el tt megn a nyomás (torlónyomás lép fel), a fojtóelem keresztmetszetében, illetve közvetlenül utána csökken a nyomás (13. ábra). 13. ábra. A mér perem nyomásviszonyai Ennél a m szernél is a nyomáskülönbségb l számítható a folyadék áramlási sebessége: p m v, s A képlet a Bernoulli-törvény rendezett és közvetlenül az áramló mennyiséget kifejez alakja. A gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy a sz kít elem áramlási veszteségei befolyásolják a mérési eredményt. A sz kít elem alakjának, méretének stb. befolyását egy átfolyási együtthatóval veszi figyelembe a szabvány. Ugyanakkor összenyomható gáz- és g znem közegek nyomásának csökkenését egy expanziós tényez segítségével veszik figyelembe. Az expanziós tényez értéke összenyomhatatlan anyagok (pl. víz) esetén: = 1. 4 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A nyomáskülönbség mérésére gyakran használunk U-csöves nyomásmér t. A mér peremmel mért mennyiség:. V A 0 pmp d p mp 4 m 3 s ahol V a cs vezeték adott keresztmetszetén átáramló anyagmennyiség, m 3 /s az ún. átfolyási tényez ; A0 d a mér perem keresztmetszete, m ; d a mér perem 4 átmér je, m; a közeg s r sége, kg/m 3 ; p 1 a mér perem el tt mért nyomás, Pa; p a mér perem keresztmetszetében mért nyomás, Pa; p mp = p 1 - p, Pa. A vízóra A mérésnél a mennyiségméréshez vízórát is használunk. A vízóra a térfogatmér m szerek csoportjába sorolható, szerkezeti kialakítása szerint a szárnykerekes mennyiségmér khöz tartozik. A 14. ábrán látható szerkezet m ködése rendkívül egyszer. A szárnykerék és a készülékház közötti cellákba beáramló folyadék forgatja a szárnykereket. A cellák térfogata állandó, így a körülfordulások száma az áthaladó folyadék mennyiségét l függ. A tengely egy fogaskerékrendszerhez kapcsolódik. A fogaskerekek tengelyéhez kapcsolódó számlálószerkezet a m szeren keresztüláramló folyadék térfogatát mutatja. A mér hely kialakítása a 15. ábrán látható 14. ábra. A vízóra m ködési elve A mér hely kialakítása 15. ábra. A mennyiségmérés mér helye PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 5
A berendezés részei: Mér peremes áramlásmér A cs vezeték átmér je: D = 8,4 mm, a mér perem furatátmér je: d = 14, mm Pitot-cs vagy multi Pitot-cs Ferdecsöves nyomásmér (mér folyadék: víz), mérési határa: p = 3000 Pa U-csöves nyomásmér (mér folyadék: Hg), mérési határa: p = 5000 Pa Vízóra, mérési határa: 3m 3 Mér perem az ASME alapján méretezett, az átfolyási szám Reynolds-szám függése az alábbi táblázatban adott ( = 0,5 sz kítési viszonyszám esetén): A folyadék térfogatárama:. d p V mp m 3 4 s Adatok: D = 8,4 mm, d = 14, mm, = 0,63 (átlagos) Átfolyási szám Reynolds-szám Re 0,695 867 0,.630 4509 0,6313 0047 0,6316 1908 0,630 17949 0,634 16801 0,639 15567 0,6335 144 0,6343 1739 0,6354 11051 0,6371 9047 0,6403 649 0,6441 4573 Ellen rz kérdések és feladatok 1. Sorolja fel a mennyiségmér eszközöket!. Ismertesse vázlatrajzok segítségével a különböz mennyiségmér m szerek szerkezeti felépítését és m ködését! 3. Fogalmazza meg a Bernoulli-törvényt (ideális folyadékok esetére)! Írja le a törvény matematikai alakjait! 4. Tudása ellen rzéséhez oldja meg a mellékletben található. feladatlapot! 6 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM