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 szakszerűen használni a feladatok megoldásához szükséges nyomás- és mennyiségmérő eszközöket, tudjunk az eszközökkel mérési feladatokat végezni. Tudjunk szakszerűen mérni áramlástechnikai jellemzőket, tudjuk meghatározni csővezetékek, szerelvények áramlástani jellemzőit. Tudjuk szakszerűen mérni, meghatározni szivattyúk jellemző adatait. Tudjunk elkészíteni pneumatikus, hidraulikus és villamos alapkapcsolásokat, végrehajtani villamos méréseket, Ismerjük meg a számítógépes irányítási rendszert. Legyünk képesek a mérései feladatokat körültekintően, a munkavédelmi és biztonságtechnikai előírások, valamint a laborrend (a munkahely rendjének) betartásával végrehajtani. Tudjuk a mérési adatokat feldolgozni, értékelni és mérési jegyzőkönyvet készíteni Mintafeladatok alapján legyünk képesek önállóan, hasonló ismeretekre épülő feladatokat megoldani. TANÁCSOK A TANULÓI JEGYZET HASZNÁLATÁHOZ Jelmagyarázat A tanulói jegyzetben a tananyag fontos elemeit, a példákat és a tanulási tippeket különböző ikonok jelölik. Ikon Jelentés A fejezet célmeghatározása. Figyelmesen olvassa el, így megismeri a fejezet fókuszpontjait. Az ikon fontos, jól megjegyzendő, megtanulandó ismereteket jelez. Az ikon mellett olyan gondolatébresztő 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 meggyőződtünk arról, hogy a mérőhely 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 elővigyázatosan kell kezelni. Repedt, törött elemekkel mérést végezni tilos. A JEGYZŐKÖNYV KIVITELE A mérések eredményeit jegyzőkönyvben rögzítjük. A jegyzőkönyv hitelessége A jegyzőkönyv alapvető követelménye, hogy tartalma alapján, ha ugyanolyan körülmények között ugyanazt a mérést végzi el más személy, akkor az eredmények azonosak legyenek. A jegyzőkönyv hitelességét rontja, ha összefirkált vagy kifestővel törölt részek vannak benne. Ha javítani kell, akkor egyszerűen 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 méretű diagrampapírokat, illetve az egyéb információkat tartalmazó lapokat. A jegyzőkönyv első oldalán a mérés megnevezése, a dátum és a mérést végző személy(ek) neve szerepel. A mérés időpontja: A mérés megnevezése: Név: Osztály: A jegyzőkönyv beadásának időpontja: Mérőtársak: Az első oldalon célszerű elhelyezni a mérőhely kapcsolási vázlatát, a mérés menetét (a mérési utasítást) és a munkavédelmi előírásokat. A kapcsolási vázlat Minta: 1. ábra. Kapcsolási vázlat mintája A kapcsolási vázlat a mérőhely 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 működést tekintve bal oldalról indulva jobb felé halad, még akkor is, ha a valóságban az egységek másképp helyezkednek el. Ha a vonalak keresztezik egymást, a függőleges vonalat kell megszakítani. A kapcsolási vázlaton fel kell tüntetni a mérőműszerek jellemzőit (nagyon fontos a mérőhatár feltüntetése), a mérőhely szerkezeti egységeinek a mérés szempontjából fontos adatait (pl. a csővezetékek jellemzőit). A fenti ábrán a mérőműszerek adatait nem tüntettük fel, ezeket a méréshez használt műszerekről kell leolvasni. A fontosabb jelképek az alábbi ábrán találhatók. Jelképes ábrák Csővezeték Szelep, csap Szivattyú (centrifugálszivattyú) Vízszintes és függőleges cső találkozásának ábrázolása Nyomásmérő Szivattyú motoros meghajtással Mérőperem Rotaméter PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 9
A mérés menete Pl. Ellenőrizzük a mérőhely üzemre kész állapotát, a szelepek helyzetét (zárt, nyitott állapot). Elkészítjük a nyomjelző folyadékot, és feltöltjük a festékadagoló tartályt. Próbaméréseket végzünk különböző csapállások mellett, megfigyelve a megfelelő nyomjelző adagolást és a várható átváltási pontot. Stb. Munkavédelmi előírások Pl. A méréshez csak akkor kezdhetünk hozzá, ha meggyőződtünk arról, hogy a mérőhely 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 meggyőződtünk arról, hogy az üvegkészülékek hibátlanok. Az adatok táblázata A jegyzőkönyv második vagy harmadik oldalán célszerű elhelyezni a mérési adatokat tartalmazó táblázatot. A táblázat fejléce a mért, illetve a számított adatok szabványos vagy szokványos betűjeleit és ezek mértékegységét tartalmazza. A következő sorokba írjuk a mért és a számított adatokat. A táblázatba mindig írjuk be a leolvasott adatokat, a mellette lévő 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 szereplő 10 hatványával adjuk meg. Minta: Sorszám. V liter/óra. V 10-4 m 3 /s Δh, 10-3 m Δp, Pa h, J/N 1 Stb. Számítások A táblázat alatt (vagy a következő oldalon) gyűjtsük 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 jegyzőkönyv befejező része az eredmények kiértékelése. Ebben a részben értékeljük a mérések eredményeit. Elsősorban elméleti ismeretekben tanultakat hasonlítjuk össze a mérési eredményekkel. 10 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
AZ ÖNELLENŐRZÉSRE ALKALMAS FELADATLAPOK HASZNÁLATA A mérésekhez akkor kezdhetünk hozzá, ha tisztában vagyunk az elvégzendő feladattal, ismerjük a mérőhely felépítését, el tudjuk készíteni a számításokat. Az egyes mérések elméletét Ismétlő kérdések és feladatok előzik meg. Ezeket házi feladatként külön lapokon kell elkészíteni, és a gyakorlatvezető tanár által megadott időpontban beadni. A mérést megelőzően ezért célszerű ellenőrizni, megfelelően felkészültünk-e a mérés elvégzésére. Az ellenőrzéshez segítséget adnak a mellékletben szereplő önellenőrzésre alkalmas feladatlapok, amelyeket házi feladatként külön lapokon meg kell oldani és a mérés előtt be kell adni. A mérések elkezdése előtt a házi feladatok példáihoz hasonló tudásszintmérő feladatlapokat kell megoldani, amelyek eredménye beszámít a mérési feladatok értékelésébe. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 11
ÁRAMLÁSTECHNIKAI MŰSZEREK MÉRÉSEI Az áramlástechnikai mérőműszerek néhány típusához (pl. Pitot-cső, mérőperemes mennyiségmérő) nyomásmérőket alkalmazunk a mérendő mennyiségek meghatározásához. A műszerek alkalmazásának begyakorlásához két gyakorlati feladatot oldunk meg: nyomásmérés: az U-csöves és ferdecsöves nyomásmérővel mért nyomás meghatározása, illetve mennyiségmérés: az áramló mennyiség meghatározása. Ennek a témakörnek az a célja, hogy megtanuljuk az áramlástechnikai eszközök méréseinél alkalmazott nyomásmérők kezelését, használatát; meghatározzuk a nyomásmérő műszerekkel mért nyomás értékét; összehasonlítsuk az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmérő pontosságát; megtanuljuk a mennyiségmérés eszközeinek kezelését, használatát; különböző mennyiségmérő műszerekkel meghatározzuk a csövekben áramló folyadékok mennyiségét; összehasonlítsuk a különböző mennyiségmérő műszerek alkalmazását. NYOMÁSMÉRÉS Ismétlő kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait! Házi feladatként válaszoljon a következő 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 nyomásmérő műszerek közül a hidrosztatikai nyomás alkalmazásán alapuló nyomásmérő műszereket: az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmérőket 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 sűrűsége: ρ Az alapterület: A. ábra A feladatot a jegyzetfüzetében próbálja önállóan megoldani! A hidrosztatikai nyomás nagysága: Δp = h ρ g, Pa U-csöves nyomásmérő Nyomáskülönbség mérésére gyakran alkalmazunk U-csöves nyomásmérőket (3. ábra). A nyomásmérőben mérőfolyadék van, amely legtöbbször víz vagy higany (esetleg más folyadék). 3. ábra. U-csöves nyomásmérő PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 13
A nyomásmérés azon alapszik, hogy p 1 = p esetén az U-cső mindkét ágában azonos szinten áll a folyadék. Abban az esetben viszont, ha a p 1 nyomás nagyobb, mint a p nyomás, a folyadékszint kitér alaphelyzetéből úgy, hogy a nyomások különbségével az U-csőben lévő mérőfolyadék hidrosztatikai nyomása tart egyensúlyt (4. ábra). 4. ábra. A mérőfolyadék kitérése 1.. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le az U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést! A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! Az U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség nagysága: p p = Δp = Δh ρ g, Pa 1 A fenti összefüggés abban az esetben ad helyes eredményt, ha a mérőfolyadék felett lévő közeg hidrosztatikai nyomása elhanyagolható. A közeg hidrosztatikai nyomása elhanyagolható, ha a mért közeg és a mérőfolyadék sűrűségének különbsége nagy. Ilyen eset pl. ha a mért közeg levegő és a mérőfolyadék víz vagy higany. Nem hanyagolható el a két közeg sűrűségkülönbsége abban az esetben, ha víz nyomáskülönbségét mérjük higany mérőfolyadékkal. Ebben az esetben a higany fölött lévő víz hidrosztatikai nyomásával is kell számolnunk (5. ábra). 14 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
5. ábra. A sűrűségkülönbség nem hanyagolható el 1.3. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le az U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést, ha a higany fölött lévő víz sűrűsége nem hanyagolható el! A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! Az U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség nagysága, ha a mérőfolyadék feletti közeg hidrosztatikai nyomását nem hanyagolhatjuk el (pl. higany mérőfolyadék és víz esetén): p p = Δp = Δh ( ρ ρ ) g Pa 1 Hg víz, PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 15
Ferdecsöves nyomásmérő Ferdecsöves nyomásmérő esetén az U-cső egyik szárát ferdén döntjük (6. ábra). 6. ábra. Ferdecsöves nyomásmérő A ferdecsöves nyomásmérő esetén a nyomáskülönbség mérése ugyanazon az elven történik (hidrosztatikai nyomás), mint az U-csöves nyomásmérőnél, de a h (Δh) szintkülönbség helyett a ferde csövön mérhető l (Δl) hosszúságot mérjük. Így műszer ugyanolyan nyomásérték esetén pontosabban mér. 1.4. FELADAT A fenti gondolatmenet alapján vezesse le a ferdecsöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség meghatározására alkalmas összefüggést, ha a higany fölött lévő anyag sűrűsége elhanyagolható! Segítség a feladat megoldásához: Δh sin α =. Δl A feladatot a jegyzetfüzetében oldja meg! A ferdecsöves nyomásmérő alapösszefüggése: Δp = ( Δl sinα) ρ g Megjegyzés: érvényes abban az esetben, ha a mérendő anyag hidrosztatikai nyomását a műszerben elhanyagoljuk. A ferdecsöves nyomásmérő összefüggése, ha a mérendő anyag hidrosztatikus nyomása nem hanyagolható el: Δ p = ( Δl sinα ) ( ρ ρ ) 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 nyomásmérővel mért értéket, mért értéknek pedig az U-csöves nyomásmérővel mért értéket. Az abszolút hiba számítása: H absz = Δp f -Δp U, ahol H absz az abszolút hiba, Δp f a ferdecsöves nyomásmérővel mért érték, Δp U az U-csöves nyomásmérővel mért érték. A relatív hiba az abszolút hiba és a mért érték hányadosa. A relatív hiba számítása: H absz H rel =. Δp f A relatív hibát gyakran szoktuk %-os értékével megadni: H absz H rel % = 100. Δp f 1.5. FELADAT Egy U-csöves nyomásmérő két ágában a mérőfolyadék szintkülönbsége 60 mm. A mérőfolyadék víz (sűrűsége 1000 kg/m 3 ). Mekkora a nyomásmérővel mért nyomáskülönbség? 1.6. FELADAT Ferdecsöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség esetén a leolvasott érték 50 mm. A nyomásmérő hajlásszöge: 30. A mérőfolyadék higany (sűrűsége 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 mérőhely kialakítása a 7. ábrán látható. A mérőhely kialakítása 7. ábra. A nyomásmérés mérőhelye A mérőhely egy összekapcsolt U-csöves és ferdecsöves nyomásmérőt tartalmaz. Mindkét nyomásmérő azonos nyomást mér. Ellenőrző kérdések és feladatok 1. Mit nevezünk hidrosztatikai nyomásnak? Hogyan számítható ki a hidrosztatikai nyomás értéke?. Ismertesse vázlatrajzok segítségével az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmérő szerkezeti kialakítását és működését! Milyen kapcsolat van a nyomás és a folyadékszint-változás között? 3. Gyűjtse össze a mérés megoldásához szükséges összefüggéseket: a) az U-csöves nyomásmérő mért nyomásának megállapításához szükséges összefüggés, b) a ferdecsöves nyomásmérő mért nyomásának megállapításához szükséges összefüggés. 4. Mit nevezünk abszolút és relatív hibának? Hogyan számítható ki az abszolút és a relatív hiba? Tudása ellenőrzéséhez oldja meg a mellékletben található 1. feladatlapot! 18 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
MENNYISÉGMÉRÉS Ismétlő kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait. Házi feladatként válaszoljon a következő kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Milyen kapcsolat van egy csővezetékben áramló folyadékmennyiség esetén a folyadék sebessége és a csővezeték átmérője között? Írja le az összefüggést!. Hogyan számolható ki az U-csöves nyomásmérővel mért nyomás nagysága? Írja le az összefüggést! 3. Hogyan számolható ki a ferdecsöves nyomásmérővel mért nyomás nagysága? Írja le az összefüggést! 4. Hogyan vesszük figyelembe a nyomáskülönbség-mérő műszereknél azt, ha a mérőfolyadék és a mérőfolyadék felett levő folyadék sűrűségkülönbsége nem hanyagolható el? Írja fel erre az esetre az U-csöves és a ferdecsöves nyomásmérő nyomáskülönbségének meghatározására szolgáló összefüggést! A környezetvédelem gyakorlati problémáinak megoldása során gyakran van szükségünk áramló folyadékmennyiségek értékének meghatározására. Ilyen műszerek pl. a mérőperem, a Pitot-cső, a vízóra. A mérőműszerek működésének elemzéséhez két törvényt, a folytonossági törvényt és a Bernoulli-törvényt ismerjük meg. A folytonossági törvény Csővezetékben halmazállapotukat tekintve folyadékok, gázok, gőzök, illetve szilárd szemcsés anyagok szállíthatók (ez utóbbihoz a pneumatikus szállítórendszereket használunk). A csővezetékrendszerrel szemben támasztott legfontosabb követelmény, hogy zárt legyen, a benne áramló technológiai közeg a környezettel ne érintkezzen. A csővezetékben szállított közeg V térfogatárama egyenesen arányos a közeg áramlási sebességével (v): d b π V = A v= v 4 ahol A a cső áramlásra merőleges keresztmetszete, m ; d b a cső belső átmérője, m; v a közeg áramlási sebessége, m/s. Az összefüggésből a cső szükséges belső átmérője meghatározható. 1.7. FELADAT Egy csővezetékben percenként 10 liter víz áramlik m/s sebességgel. Határozza meg a cső belső átmérőjét! A feladatokat jegyzetfüzetében próbálja meg önállóan megoldani! PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 19
A folyadék a csővezetékben áramlik. Mozgására jellemző adat a sebessége, amely a csővezeték méretétől függően hol kisebb, hol nagyobb. Ha a csővezeték átmérője csökken, akkor a folyadék nagyobb sebességgel mozog, míg ha a csőátmérő növekszik, akkor a folyadék mozgása lelassul. A folyadék áramlási sebessége és a csővezeték keresztmetszetének szorzata állandó. Ezt a törvényt folytonossági (latin eredetű szóval kontinuitási) törvénynek nevezzük (8. ábra). 8. ábra. Folytonossági törvény A folyadék áramlási sebessége és a csővezeték 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 csővezeték, illetve az áramlás keresztmetszete a vizsgált pontokban, m. A csővezeték keresztmetszete és az áramlási keresztmetszet között különbség lehet. Előfordul, hogy a csővezeték átmérője olyan nagy, hogy a folyadék nem tölti ki teljesen a keresztmetszetet. Ilyen pl. a szennyvízcsatorna is. Ebben az esetben a folyadék a cső alsó felében, harmadában csordogál a lejtés irányában, és az áramlás folytonossága csak az így kialakult vályúszerű áramlási keresztmetszetre értelmezhető. Az áramlási irányra merőleges síkban keletkező felületet szabad áramlási keresztmetszetnek nevezzük. A Bernoulli-törvény Egy csővezetékben V mennyiségű 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 csővezeték átmérőjének 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 jellemzői 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 tetszőleges szinttől mért magasság, m; g a nehézségi gyorsulás, m/s. Az áramlástani műszaki 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 Δs = p A Δs = p ΔV, J W p E p = p ΔV, J A fajlagos nyomási energia az ún. nyomómagasság: E p p ΔV p ΔV p ep = = = =, J/N G G ρ g ΔV ρ g E p a nyomási energia, J; e p a fajlagos nyomási energia, J/N; p a nyomás, Pa; ρ a sűrűség, 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 csővezeték bármely keresztmetszetére vonatkoztatva). A Bernoulli-törvény matematikai alakja: p v h + + = állandó, ρ g g PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 1
vagy a csővezeték két keresztmetszetére vonatkoztatva: p1 v1 p v h1 + + = h + +. ρ g g ρ g g A Bernoulli-törvény e formája az ún. ideális folyadékokra igaz. Valóságos folyadékok esetén figyelembe kell venni: a súrlódási veszteségeket (a folyadék falhoz történő súrlódásából adódó veszteségeket, illetve a belső súrlódásból adódó veszteségeket); az iránytörések legyőzésére fordítandó energiát (ez szintén veszteségként jelentkezik). A Pitot-cső Egy csővezetéken áramló folyadék- vagy gázmennyiség vizsgálatakor vagy a térfogatot vagy az áramlási sebességet határozzuk meg. Térfogatméréskor a mérőműszerek meghatározott térfogatokat engednek át periodikusan, és az átbocsátott térfogatok számát számlálómű összegezi. A sebességi áramlás mérésekor a mérőműszerrel a közeg áramlási sebességét határozzuk meg. A már tanult folytonossági törvény értelmében az átáramló anyagmennyiséget a sebesség és az áramlási keresztmetszet szorzataként kapjuk. A mennyiségmérő műszereket ennek megfelelően két csoportba osztjuk: térfogatmérő műszerek áramlásisebesség-mérő műszerek. A Pitot-csöves mérés során az áramlási sebességet határozzuk meg. A sebességi áramlásmérésre használható műszerek közös jellemzője, hogy a mérés elve visszavezethető a Bernoulli-törvényre. Az áramlás útjában elhelyezett mérőelem megváltoztatja az áramlási sebességet, és ezzel az érzékelő környezetében a folyadék nyomása is változik. Ennek a nyomásváltozásnak ismeretében kiszámítható a csőben áramló folyadék sebessége és mennyisége. A Pitot-csöves mérés elve a 10. ábrán látható. 10. ábra. A Pitot-csöves mérés elve A Pitot-cső egyik vége merőleges az áramlás irányára (1. pont). Ebben a keresztmetszetben a folyadék mozgási energiája nyomási energiává, torlónyomássá alakul. A csővezetékből kinyúló mérőcsatlakozókhoz kapcsolt U-cső 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- cső két vége közötti nyomáskülönbség alapján a Bernoulli-törvényből meghatározható a folyadék áramlási sebessége. ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
1.8. FELADAT Írja fel a Bernoulli-törvényt a Pitot-cső 1. és. pontjára, és vezesse le a sebesség meghatározására szolgáló összefüggést! Az áramlási sebesség meghatározására szolgáló összefüggés: Δp v din m = ρ s A Pitot-csővel mért mennyiség, ha kialakítása olyan, hogy az átlagsebességet méri (ún. multi Pitot-cső):. D π Δpdin V = A v =, 4 ρ. D π Δpdin m 3 V = 4 ρ s ahol: V a csővezetékben áramló folyadék mennyisége, m 3 /s; A a csővezeték keresztmetszete, m ; D a csővezeték átmérője, m; v a folyadék áramlási sebessége, m/s; Δp din a nyomáskülönbség, Pa; ρ a folyadék sűrűsége, kg/m 3. Mérőperem A mérőperem szintén a sebességmérés elvén működik. Ennél a megoldásnál a csővezetékbe egy szűkítőelemet építenek be (11 1. ábra). 11. ábra. Mérőperem PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 3
1. ábra. Mérőperem beépítése A csővezetékben elhelyezett fojtóelem leszűkíti az áramlási keresztmetszetet, így a fojtóelem előtt megnő a nyomás (torlónyomás lép fel), a fojtóelem keresztmetszetében, illetve közvetlenül utána csökken a nyomás (13. ábra). 13. ábra. A mérőperem nyomásviszonyai Ennél a műszernél is a nyomáskülönbségből számítható a folyadék áramlási sebessége: Δp = m v, ρ s A képlet a Bernoulli-törvény rendezett és közvetlenül az áramló mennyiséget kifejező alakja. A gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy a szűkítőelem áramlási veszteségei befolyásolják a mérési eredményt. A szűkítőelem alakjának, méretének stb. befolyását egy α átfolyási együtthatóval veszi figyelembe a szabvány. Ugyanakkor összenyomható gáz- és gőznemű közegek nyomásának csökkenését egy ε expanziós tényező segítségével veszik figyelembe. Az expanziós tényező értéke összenyomhatatlan anyagok (pl. víz) esetén: ε = 1. 4 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A nyomáskülönbség mérésére gyakran használunk U-csöves nyomásmérőt. A mérőperemmel mért mennyiség:. V = α A 0 Δpmp d Δp mp ρ = α π 4 m 3 ρ s ahol V a csővezeték adott keresztmetszetén átáramló anyagmennyiség, m 3 /s α az ún. π átfolyási tényező; A0 = d a mérőperem keresztmetszete, m ; d a mérőperem 4 átmérője, m; ρ a közeg sűrűsége, kg/m 3 ; p 1 a mérőperem előtt mért nyomás, Pa; p a mérőperem keresztmetszetében mért nyomás, Pa; Δp mp = p 1 - p, Pa. A vízóra A mérésnél a mennyiségméréshez vízórát is használunk. A vízóra a térfogatmérő műszerek csoportjába sorolható, szerkezeti kialakítása szerint a szárnykerekes mennyiségmérőkhöz tartozik. A 14. ábrán látható szerkezet működése rendkívül egyszerű. A szárnykerék és a készülékház közötti cellákba beáramló folyadék forgatja a szárnykereket. A cellák térfogata állandó, így a körülfordulások száma az áthaladó folyadék mennyiségétől függ. A tengely egy fogaskerékrendszerhez kapcsolódik. A fogaskerekek tengelyéhez kapcsolódó számlálószerkezet a műszeren keresztüláramló folyadék térfogatát mutatja. A mérőhely kialakítása a 15. ábrán látható 14. ábra. A vízóra működési elve A mérőhely kialakítása 15. ábra. A mennyiségmérés mérőhelye PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 5
A berendezés részei: Mérőperemes áramlásmérő A csővezeték átmérője: D = 8,4 mm, a mérőperem furatátmérője: d = 14, mm Pitot-cső vagy multi Pitot-cső Ferdecsöves nyomásmérő (mérőfolyadék: víz), mérési határa: Δp = 3000 Pa U-csöves nyomásmérő (mérőfolyadék: Hg), mérési határa: Δp = 5000 Pa Vízóra, mérési határa: 3m 3 Mérőperem az ASME alapján méretezett, az átfolyási szám Reynolds-szám függése az alábbi táblázatban adott (β = 0,5 szűkítési viszonyszám esetén): A folyadék térfogatárama:. d π Δp V α mp m 3 = 4 ρ s Adatok: D = 8,4 mm, d = 14, mm, α = 0,63 (átlagos) Átfolyási szám α 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 Ellenőrző kérdések és feladatok 1. Sorolja fel a mennyiségmérő eszközöket!. Ismertesse vázlatrajzok segítségével a különböző mennyiségmérő műszerek szerkezeti felépítését és működését! 3. Fogalmazza meg a Bernoulli-törvényt (ideális folyadékok esetére)! Írja le a törvény matematikai alakjait! 4. Tudása ellenőrzéséhez oldja meg a mellékletben található. feladatlapot! 6 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
ÁRAMLÁSTECHNIKAI MÉRÉSEK Az áramlástechnikai mérések témakörében a következő méréseket végezzük el: Re-szám mérése Csővezetékek veszteségei, veszteségtényezőinek meghatározása Szelep nyitási diagramja. Szelep veszteségei, veszteségtényezője Csőelzáró, áramlásszabályozó szerelvények (szelep, csap) veszteségei, veszteségtényezői Ennek a témakörnek az a célja, hogy megtanuljuk a mennyiségmérés eszközeinek kezelését, használatát; különböző beállítások mellett határozzuk meg a Re-számot; meghatározzuk a kritikus Re-számot; meghatározzuk a csővezetékek áramlási veszteségeit és a veszteségek jellemzésére szolgáló paramétereket; meghatározzuk a szelep átfolyási jellemzőit, az átfolyási diagramot; meghatározzuk a különböző szeleptípusok veszteségeit. RE-SZÁM MÉRÉS Ismétlő kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait. Házi feladatként válaszoljon a következő kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Milyen kapcsolat van egy csővezetékben áramló folyadékmennyiség esetén a folyadék sebessége és a csővezeték átmérője között? Írja le az összefüggést!. Ismertesse a vízóra működését! Az áramlás jellege. A Re-szám Kísérleti úton bizonyítható, hogy a folyadékrészecskék áramlás közben vagy párhuzamosan mozdulnak el egymáshoz képest, vagy összekeveredve, gomolygó mozgással haladnak. A kísérleti eszköz egy vízszintes üvegcső, amelyben a folyadék áramlási sebessége csap segítségével változtatható. Az áramló folyadékba kapilláris segítségével színes nyomjelző folyadékot vezetnek. Az áramlási képet a nyomjelző folyadékszál mozgása teszi láthatóvá (16. ábra). Egy adott mennyiség esetén létrejön egy lamináris és egy turbulens áramlási kép a két csővezetékben. 16. ábra. Lamináris és turbulens áramlás PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 7
A párhuzamos, lemezszerű, réteges áramlást lamináris áramlásnak, míg a gomolygó, örvénylő áramlást turbulens áramlásnak nevezzük. Az áramlás jellege a folyadék sebességétől, sűrűségétől, viszkozitásától, valamint a csővezeték átmérőjétől függ, és egy mértékegység nélküli viszonyszámmal jellemezhető, amelyet Reynolds-számnak nevezzük: v d ρ v d Re = =, η ν v az áramlási sebesség, m/s; d a csővezeték átmérője, m; ρ a folyadék sűrűsége, kg/m 3 ; η a folyadék dinamikai viszkozitása, Pas, ν a folyadék kinematikai viszkozitása, m /s A Reynolds-szám értéke nagyon tág határok között változik. Ha ez az érték simafalú acélcső esetén 30 vagy ennél kisebb, az áramlás mindig lamináris. A Re 10000 érték pedig biztos turbulens áramlást jelent, de nem ritka a 10 5 vagy 10 6 nagyságú érték sem. A Re = 30 értéket kritikus Reszámnak nevezzük..1. FELADAT Egy csővezetékben óránként 18 m 3 víz áramlik. a) Számítsa ki a csővezetékben áramló víz sebességét, ha a cső belső átmérője 00 mm! b) Számítsa ki a Re-számot! Határozza meg az áramlás jellegét!.. FELADAT Egy csőben óránként 36 m 3 víz áramlik. a) Határozza meg a csővezeték átmérőjét, ha az áramlási sebesség 1,3 m/s! b) Milyen az áramlás jellege a csővezetékben? Számítsa ki a Reynolds-szám nagyságát! A víz kinematikus viszkozitása 10-6 Pa s, sűrűsége 1000 kg/m 3. Írja le a számításokhoz használandó összefüggéseket is! A feladatokat jegyzetfüzetében próbálja meg önállóan megoldani! 8 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
Rotaméter A mérés megoldásához vízórát és rotaméteres mennyiségmérőt használunk. A rotaméter igen elterjedt, ún. állandó nyomásesésű áramlásmérő (17. ábra). Elsősorban helyi leolvasást tesz lehetővé, de vannak távadóval kiegészített típusai is. A mérőeszköz fő alkatrésze a bórszilikátból készült kúpos üvegcső, amelybe egy áramlástechnikailag megfelelően méretezett fémvagy műanyag úszót helyeznek el. Az úszó felső hengeres peremén két ferde horony látható, amely az úszót állandó forgásra kényszeríti, hogy az esetleges falhoz súrlódás káros hatását kiküszöböljük. 17. ábra. Rotaméter A rotaméter működésének az az alapja, hogy az áramló folyadék impulzusereje és úszó tömegéből származó súlyerő egymással egyensúlyban van. Ha a csőben áramló folyadék mennyisége megnő, növekedni fog a sebessége is, tehát növekszik az impulzuserő. Ennek hatására az úszó elmozdul felfelé. Emelkedés közben viszont az üvegcső átmérője növekszik, tehát az áramlási sebesség csökken. Az úszó addig emelkedik, míg egy új helyzetben az erőegyensúly ismét beáll. A csőben minden pozícióhoz tartozik egy sebesség és egy ennek megfelelő áramlási mennyiség, amit az úszó helyzete jelez. Megállapodás szerint ezt a mennyiséget az úszó felső peremével azonos magasságban az üvegcső oldalán bemarással jelölik. Az üvegcső kúpossága 10%, és egy csővel egy nagyságrenden belül lehet mérni pl. 10 100 m 3 /h, vagy 3 30 dm 3 /min stb. között. Az úszót véghelyzetben ütközés ellen egy rugóval fékezik. A műszer a csőhálózathoz karimával csatlakoztatható. A rotamétereket általában valamilyen közegre hitelesítve készítik. A hitelesítőközeget és a hitelesítés hőmérsékletét az üvegcsövön feltüntetik. Újabban egyes műszergyárak milliméter osztású rotamétereket hoznak forgalomba, amelyeket a felhasználó hitelesíthet tetszése szerinti közegre. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 9
A mérőhely kialakítása A mérőhely kialakítása a 18. ábrán látható. Az áramló folyadék mennyiségét a szabályozó csappal változtathatjuk. 18. ábra. A Re-szám mérés mérőhelye Ellenőrző kérdések és feladatok 1. Mit nevezünk Re-számnak?. Hogyan számítható ki a Re-szám? 3. Mit nevezünk kritikus Re-számnak? Tudása ellenőrzéséhez oldja meg a mellékletben található 3. feladatlapot! CSŐVEZETÉKEK, CSŐSZERELVÉNYEK VESZTESÉGEI Ismétlő kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait. Házi feladatként válaszoljon a következő kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Fogalmazza meg a Bernoulli-törvényt!. Írja le a Bernoulli-törvény matematikai alakját! 3. Hogyan számítható ki egy U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség, ha a mérőfolyadék felett lévő közeg hidrosztatikai nyomását nem hanyagolhatjuk el? 4. Hogyan kell a rotaméterről leolvasni a mért mennyiséget? 30 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
Veszteséges áramlás A megismert Bernoulli-törvény a veszteség nélküli áramlás energiaviszonyait fejezi ki. A valóságban nem létezik veszteségmentes (ideális) áramlás. Az áramló folyadék súrlódása a csőben energiaveszteséggel jár. A csővezeték veszteségét h betűvel jelöljük. 19. ábra. Az áramlás energiaviszonyai Veszteségmentes áramlás esetében a 19. ábrán látható csővezeték 1. és. pontjában az energiák összege azonos lenne. A folyadék kiáramlásához szükséges mozgási energiát a magasabb szinten lévő tartályban lévő folyadék helyzeti energiája fedezi. Veszteséges áramlásnál viszont a. pontban mérhető energia kisebb, mint az 1. pontbeli. A veszteség a két pontban mért fajlagos energiák különbsége: v1 v1 p1 p h = ( h1 h ) + ( ) +. g ρ g A csövek, idomok és áramlástechnikai gépek veszteségét erősen befolyásolja az áramlás jellege és az alkatrész geometriai kialakítása. Magát a veszteséget a gyakorlati számításokban az áramlási adatok mellett az alkatrészre vagy csőre jellemző áramlástechnikai együttható, másképpen csősúrlódási tényező figyelembevételével határozzuk meg. A csővezeték veszteségét az egyenes szakaszok és az egyes idomok pl. könyök, elágazás, zárószerelvény stb. által okozott veszteségek összege adja. Fontos megjegyezni, hogy az áramlási veszteség mindig pozitív érték, és nem befolyásolja az áramlás iránya. Teljesen mindegy, hogy egy magas tartályból lefelé csurog a víz, vagy ellenkezőleg: alulról szivattyúval tápláljuk a tartályt, azonos áramlási sebességnél a veszteség azonos lesz, és mindig a folyadék energiájának rovására keletkezik. Egyenes csövek vesztesége A csőhálózat egyenes szakaszainak vesztesége a következő összefüggéssel számítható: l v J h = λ, ; d g N ahol λ a csősúrlódási együttható; l a csővezeték hossza, m; d a csővezeték átmérője, m; v a folyadék sebessége a csőben, m/s. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 31
A csősúrlódási együttható értéke függ a cső belső falának érdességétől, valamint az áramlásra jellemző Reynolds-számtól. Pontos értékét táblázatból, illetve diagramból kereshetjük ki. Általában jól használhatók közelítő számításoknál a következő értékek: 64 λ =, ha az áramlás lamináris (sima falú acélcső esetén Re 30). Re Turbulens áramlás esetén: λ = 0,0.0,03 közötti érték. Idomok és szerelvények ellenállása A folyadékok szállítását biztosító csőhálózat nemcsak egyenes csövekből, hanem az irányváltoztatáshoz szükséges idomokból és különböző elzáró szerelvényekből áll. Az idomok és szerelvények megváltoztatják az áramlás jellegét, irányát és csökkentik a folyadék energiáját, azaz veszteséget okoznak. Az idomok és csőszerelvények ellenállása szintén függvénye a Reynolds-számnak, valamint az idom alakjának. Az ellenállás-tényezők meghatározása mérés alapján történik, értéküket szabványok és táblázatok rögzítik. A szokásos számítási alak: v J h = ξ, ; g N ahol ξ a szerelvény, idom stb. ellenállási együtthatója. A több idomból és csőszakaszból összeállított csőhálózat vesztesége: l v h = ( λ + Σξ i ), d g J N ; ahol λ a csősúrlódási együttható; l a csővezeték hossza, m; d a csővezeték átmérője, m; ξ i az egyes csőszerelvények, idomok ellenállási együtthatója, v a folyadék sebessége a csőben, m/s. A csővezeték jelleggörbéje A 19. ábra szerinti áramlásnál feltételeztük, hogy a folyadék rendelkezik a mozgásához szükséges energiával, mégpedig úgy, hogy az a veszteségeket is fedezi. A gyakorlatban azonban fordított a helyzet. Általában a folyadékot alacsonyabb szintről kell felszállítani olyan készülékbe, amely magasabb szinten helyezkedik el, és ahol gyakran a nyomása is nagyobb, mint a kiindulási tartályban. Erre látunk példát a 0. a) ábrán, ahol a folyadékot szivattyú továbbítja az 1. tárolóból a. tartály felé. 0. ábra. A csővezeték jelleggörbe 3 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
Az ábrából látható, hogy a szállítás során a szintkülönbséget, a csővezeték és az adagoló tartály átmérőjének különbözőségéből adódó áramlási sebességkülönbséget, a technológiai igényekből fakadó nyomáskülönbséget, valamint az áramlási veszteséget is fedezni kell. Az egységnyi súlyú folyadék szállításához szükséges fajlagos energia tehát az egyes energiatagok különbségéből és a veszteségből számítható ki: v1 v1 p1 p H man = ( h1 h ) + ( ) + + h, g ρ g J N, Ezt az energiát a folyadékkal a csőhálózatban elhelyezett szivattyú szolgáltatja. A szivattyú által a folyadékkal közölt fajlagos energiát manometrikus szállítómagasságnak nevezzük. A 0. b) ábrán a szállítás energiaigényét grafikusan ábrázoltuk. Ezt a diagramot csővezetékjelleggörbének nevezik. A diagram két szakaszból áll: p1 p A ( h1 h ) + tagokat a szállítás statikus energiaigényének nevezik. ρ g Ekkora energia szükséges ahhoz, hogy a folyadék a csőben felemelkedjen, majd elérve a. pontban a tartályba belépő csonkot, ott nyugalomban maradjon. Ha az energiabefektetést megszüntetik, a folyadék visszafolyik az alsó tartályba. A statikus energiaigény tehát a diagram origóból kiinduló függőleges szakaszával ábrázolható. v1 v1 A ( ) + h, tagok az áramlás sebességétől függnek, és a szállítás dinamikus energiaigényét g alkotják. A diagramnak ez az ága parabola. A gyakorlatban a folyadék áramlási sebességeinek különbsége elhanyagolható, vagy a kiáramlás a veszteséget növeli. A diagram parabolaszakasza a csővezeték veszteségét ábrázolja. Ha az idomok számát növeljük, vagy valamelyik szerelvény nyitási helyzetét azaz ellenállását megváltoztatjuk, a görbe meredekebb vagy laposabb lesz. Ugyanakkora szintkülönbség vagy a nyomáskülönbség változása a görbét önmagával párhuzamosan tolja el..3. FELADAT Gondolja meg a csővezeték jelleggörbe alakját és helyzetét, ha az idomok száma nő a vezetékekben, illetve ha a szintkülönbség és (vagy) a nyomáskülönbség nagysága változik! Ábrázoljon csővezeték jelleggörbéket különböző esetekben! A feladatot jegyzetfüzetében oldja meg! Csővezetékek áramlási veszteségeinek meghatározása méréssel Csővezetékek áramlási veszteségeit mérni tudjuk, ha a vizsgált csőszakasz kezdeti- és végpontjára nyomáskülönbség-mérő műszert kapcsolunk. Ebben az esetben az áramlási veszteség a kezdeti pont nyomási energiájának és a végpont nyomási energiájának különbsége lesz. A veszteség nagysága: pk pv Δp J h = =, ; ρ g ρ g N ahol: p k a kezdeti nyomás; Pa, p v a végnyomás; Pa; Δp a mért nyomáskülönbség, Pa; ρ a folyadék sűrűsége, kg/m 3 ; g a nehézségi gyorsulás, m/s. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 33
A nyomáskülönbséget a legtöbb esetben U-csöves nyomásmérővel mérjük. Ha a csővezetékben víz áramlik, a mérőfolyadék általában higany. Ebben az esetben a víz hidrosztatikai nyomását figyelembe kell venni. Csőelzáró, áramlásszabályozó szerelvények A csővezetékekbe a folyadék áramlási mennyiségének szabályozására, a folyadékáram megindítására, illetve elzárására csőelzáró szerelvényeket építünk be. A csőelzáró szerelvényeknek alapvetően három típusa van: a szelep, a csap, és a tolózár. A csőelzáró szerkezetek osztályozásának alapja a záróelem elmozdulásának iránya a közeg áramlási irányához képest (1 3. ábrák). 1. ábra. A szelep áramlási viszonyai Szelepeknél a záróelem és a folyadékáram mozgása az átfolyási nyílásban azonos irányú.. ábra. A tolózár áramlási viszonyai Tolózár esetén a záróelem és a folyadék mozgása merőleges egymásra. 3. ábra. A csap áramlási viszonyai A csapnál a záróelem elfordulása nyitja meg vagy zárja el a folyadékáram útját. 34 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A szelep A szelep a leggyakrabban használt csőelzáró és szabályozószerelvény. A gyakorlatban alkalmazott kézi működtetésű szelepek szelepházból, kézikerékkel felszerelt orsóból és zárószerkezetből állnak (4. ábra). Az orsó mellett a folyadék kiáramlását tömszelence akadályozza meg. 4. ábra. A szelep vonalas vázlata A szelepeket különböző méretekben és nyomáshatárokkal gyártják. A névleges nyomás és az áramlás iránya a szelepház öntvényén megtalálható. 5. ábra. Egyenesülésű szelep metszeti rajza A 5. ábrán a leggyakrabban alkalmazott szelep, az egyenesülésű áteresztős szelep metszeti rajzát láthatjuk. A zárótest a szeleptányér, amely a nyílás síkjára merőlegesen mozdul el. Záráskor a teljes nyomás az orsóra hat, ezért csak DN 00-nál kisebb átmérőjű szelepnél alkalmazzuk. A mozgatóorsó alsó végén helyezkedik el a zárótest, a felsőn pedig a forgatást végző kézikerék. A megfelelő tömítettséget tömítőszelencés vagy O-gyűrűs tömítés adja. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 35
Nagyobb szelepeknél csak olyan áramlási irányt szabad megengedni, amelynél a közeg nyomása a szeleptányér zárva tartását segíti elő. 6. ábra. Ferdeülésű szelep metszeti rajza Az egyenes áteresztőszelep áramlástani ellenállása viszonylag nagy, mert az átáramló folyadék többszörös iránytörést szenved. A ferdeülésű szelepnél (6. ábra) ez az ellenállás lényegesen kisebb, így gazdaságosabban üzemel. A tolózár A tolózár olyan zárószerelvény, amellyel a cső teljes keresztmetszetének megfelelő nyílást a cső tengelyére merőlegesen mozgó, ék alakú vagy párhuzamos lappal zárhatjuk vagy nyithatjuk. Általában öntöttvasból vagy acélból készült házban mozog a zárótest, amelyet a lecsavarható zárófejben rögzített csavarorsóval mozgathatunk (7. ábra). 7. ábra. Tolózár 36 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
A menetes orsó az ábrán bemutatott megoldásnál nem emelkedik ki a házból, tehát helyben forog, a záróék a zárótestben elhelyezett és rögzített anya révén süllyed vagy emelkedik. Csak teljes nyitásra vagy zárásra alkalmazhatók. Részbeni áteresztésre (fojtásra) a tolózár nem alkalmas. A nyitott tolózár egyenletes áramlást biztosít, és ellenállása a lehető legkisebb. A tolózár főleg nagy átmérőjű csövek zárószerelvénye (>DN 100). Víz, gőz, gáz és forró folyadék szállítására használják, különböző nyomásfokozatokban. A csap A csap a legegyszerűbb csőelzáró szerkezet. Lényege, hogy a csapház kúpos vagy gömb ülésébe keresztirányú furattal ellátott záróelem illeszkedik (8. ábra). 8. ábra. A csap A záróelemet rászerelt kar segítségével lehet elforgatni. Amennyiben a kar, illetve a záróelem furata a cső irányába esik, a folyadék átáramlik a szerelvényen. Erre merőleges állásban a csap zár. A csap előnye, hogy gyorsan zárható vagy nyitható. A zárószerelvények veszteségei A záró-, szabályozószerelvények veszteségeit nagyrészt az iránytörések következtében létrejövő veszteségek okozzák. A veszteségmagasság az előbbiekben már megismert összefüggéssel számítható: v J h = ξ, ; g N ahol ξ a szerelvény ellenállási együtthatója, v az áramlási sebesség, m/s; g a nehézségi gyorsulás, m/s. A zárószerelvények veszteségeit méréssel meg tudjuk határozni. A záróelem elé és mögé elhelyezett nyomáskülönbség-mérő műszer a csővezetékek veszteségeihez hasonlóan megadja a veszteség nagyságát. A veszteség nagysága: pk pv Δp J h = =, ; ρ g ρ g N ahol: p k a záróelem előtti nyomás; Pa, pv a záróelem mögötti nyomás; Pa; Δp a mért nyomáskülönbség, Pa; ρ a folyadék sűrűsége, kg/m 3 ; g a nehézségi gyorsulás, m/s. PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 37
A veszteség mért értékéből a zárószerelvények ellenállás-tényezői kiszámíthatók és diagramban ábrázolhatók. Az ellenállási tényező: Δp ξ = ; ρ v ahol: pk a kezdeti nyomás; Pa, pv a végnyomás; Pa; Δp a mért nyomáskülönbség, Pa; ρ a folyadék sűrűsége, kg/m 3 ; g a nehézségi gyorsulás, m/s. Az ellenállási tényező értékeit a Re-szám függvényében szokták ábrázolni..4. FELADAT Hogyan változik az egyenesülésű és a ferdeülésű szelep áramlási vesztesége különböző mennyiségű folyadékáramok esetén? Ábrázolja a veszteségeket (a két csővezeték jelleggörbét) egy diagramon! A feladatot jegyzetfüzetében oldja meg!.5. FELADAT Hogyan változik az egyenesülésű szelep áramlási vesztesége teljesen nyitott, félig nyitott és negyedrészt nyitott szelepállásnál különböző mennyiségű folyadékáramok esetén? Ábrázolja a veszteségeket (a csővezeték jelleggörbéket) egy diagramon! A feladatot jegyzetfüzetében oldja meg! Ellenőrző kérdések és feladatok 1. Hogyan számítható ki az egyenes csőszakasz áramlási vesztesége?. Hogyan számítható ki az idomokon, szerelvényeken létrejövő áramlási veszteség? 3. Hogyan számítható ki egy csővezetékrendszer áramlási vesztesége? 4. Mit nevezünk manometrikus szállítómagasságnak? Hogyan számítható ki a manometrikus szállítómagasság értéke? 5. Hogyan határozható meg méréssel egy csővezeték áramlási vesztesége? 6. Hogyan határozható meg méréssel az egyenes csővezeték csősúrlódási együtthatója 7. Hogyan csoportosítjuk a csőelzáró, áramlásszabályozó szerelvényeket? 8. Ismertesse vázlatrajz segítségével a szelep, a csap és a tolózár áramlási viszonyait! 9. Ismertesse vázlatrajz segítségével a szelep szerkezeti felépítését, működését! 10. Hogyan számítható ki egy zárószerelvény áramlási vesztesége? 11. Hogyan határozható meg méréssel egy zárószerelvény áramlási vesztesége? 1. Hogyan határozható meg méréssel a zárószerelvény ellenállás-tényezője? Tudása ellenőrzéséhez oldja meg a mellékletben található 4. feladatlapot! 38 ÁLTALÁNOS KÖRNYEZETVÉDELMI TECHNIKUSI FELADATOK TANULÓI JEGYZET II/14. ÉVFOLYAM
SZIVATTYÚK VIZSGÁLATA Ennek a témakörnek az a célja, hogy megtanuljuk a szivattyúk kezelését, használatát; meghatározzuk a szivattyúk üzemtani adatait, felvegyük jelleggörbéit; alkalmazzuk a szivattyúkat különböző üzemi feladatok megoldásához. A mérési feladatokat centrifugálszivattyúval valósítjuk meg. Ismétlő kérdések és feladatok A gyakorlati feladatok megoldásához elevenítse fel elméleti tanulmányait! Házi feladatként válaszoljon a következő kérdésekre, illetve oldja meg a feladatokat! 1. Hogyan számítható ki egy U-csöves nyomásmérővel mért nyomáskülönbség, ha a mérőfolyadék felett lévő közeg hidrosztatikai nyomását nem hanyagolhatjuk el?. Írja le az összefüggést: hogyan mérhető egy csővezetékben áramló folyadék mennyisége mérőperemmel! 3. Milyen kapcsolat van egy csővezetékben a fajlagos nyomási energia és a mért nyomás között? Írja le az összefüggést! 4. Hogyan határozható meg a szállítás fajlagos energiaigénye, a manometrikus szállítómagasság? 5. Hogyan határozható meg a szállítás fajlagos energiaigénye, a manometrikus szállítómagasság? Írja le az összefüggést! 6. Mit nevezünk csővezeték jelleggörbének? Ábrázoljunk jellegre helyesen egy csővezeték jelleggörbét! Jelöljük be a görbe jellegzetes pontjait! A CENTRIFUGÁLSZIVATTYÚ MŰKÖDÉSI ELVE A korszerű folyadékszállító berendezések legfontosabb képviselője a centrifugálszivattyú. A gép fő alkatrésze a járókeréknek nevezett forgótárcsa, amelynek lapátjai a centrifugális erő felhasználásával gyorsítják a szivattyúházba belépő folyadékot. A sebességnövekedéssel járó energianövekedés biztosítja a folyadéknak a megfelelő nyomás vagy szintkülönbség elérését. 9. ábra. Centrifugálszivattyú PETRIK TISZK TÁMOP-..3-07/1-F-008-0011 39