KORSZERŐ ÁRAMLÁSMÉRÉS TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS MODELLEZÉSÜK Dr. Vad János docens 1: Bevezetés. Áramlástani mérések szükségessége. Gyakorlati / ipari igények. Mérendı mennyiségek. A korszerő áramlásmérés szempontjai. Különleges megjegyzések. Idıben átlagolt mérések: statikus, dinamikus, össznyomás. Szondák, módszerek. IE: gázmotoros erımő légellátó rendszerének hibafeltárása. Dinamikus tőzoltási technika. Víz kúposodásának modellezése olajkútban. 2: Manométerek. Sebesség nagyságának és irányának nyomás-alapú mérése. Anemométerek, hıszondák. Hımérsékletmérés. Idıben változó nyomások mérése. Akusztikai és vibrációs mérések. IE: bazaltgyapot-gyártás optimalizálása. Nagy vetıtávolságú axiálventilátor kifejlesztése. 3: Laborbemutató: nyomás, sebesség, hımérséklet mérésének eszközei. Pneumatikus mérések. Elektro-pneumatikus rendszerek. Szélcsatorna technikák. IE: aerob szennyvízkezelı telep zajcsökkentése. Szárítótorony rezgésének vizsgálata. 4: Hıdrótos áramlásmérés. Áramlások láthatóvá tétele. Lézerek, lézeres áramlásmérés. Laser Doppler Velocimetry (LDV). Phase Doppler Anemometry (PDA). Particle Image Velocimetry (PIV). IE: Gyógyszeripari fermentációs folyamat optimalizálása. Kazánaláfúvó ventilátor rezgésdiagnosztikája. Élelmiszeripari hőtırendszer kapacitásnövelése.
5: Laborbemutató: Modell-szivattyú mérése. Hıdrótos áramlásmérés. Lézerek. LDV. 6: Sebességmérésre visszavezetett és szőkítıelemes tömegáram-mérés; összehasonlítás. 1. zárthelyi A rész: elmélet, B rész: gyakorlati problémamegoldás. 7: Laboratóriumi elıkészületek. 1. labormérés. 8: 2. labormérés. 9: 3. labormérés. 10: Különleges áramlásmérık: ultrahangos, magneto-hidrodinamikus, kapacitív keresztkorrelációs, Coriolis. IE: Gázturbinás erımő áramlástechnikai felülvizsgálata. Cementipari füstgázvezetékbe beépített hangtompító mérése. Erımővi égésilevegı- ellátó ventilátor üzemállapotának megállapítása. 11: Különleges áramlásmérık: vortex, rotaméter, turbinás, volumetrikus. IE: távhıellátó rendszer méréstechnikai felülvizsgálata. Vegyipari tartálypark szivattyú-rendszerének rekonstrukciója. 12: IE: Acélipari lemezhőtı rendszer hatékonyságnövelése. Földgázkút vezetékébe épített áramlásmérı mérési zajának hatása a gázkitermelésre. Légkondicionáló berendezésekbe épített kompresszorok gáztömörségi tesztje. 2. zárthelyi A rész: elmélet, B rész: gyakorlati problémamegoldás. 13: Numerikus áramlástani és áramlásmérési technikák együttmőködése; validáció. IE. A labormérési eredmények prezentációja.
HARDCORE ÁRAMLÁSTAN
Keep your blood clean, your body lean, and your mind sharp. Tartsd a véred tisztán, a tested fitten, az eszed pedig legyen a helyén.
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: 0.1 u P A O 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. SZONDÁK ÉS ÉRZÉKELİK AZ IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSÉRE 2.1. Statikus nyomás A zavartalan közeg nyomása 2.1.1. Gyakorlati alkalmazások: példák Áramlási veszteségek megítélése K+F
2. SZONDÁK ÉS ÉRZÉKELİK AZ IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSÉRE 2.1. Statikus nyomás A zavartalan közeg nyomása 2.1.1. Gyakorlati alkalmazások: példák Áramlási veszteségek megítélése K+F
A dinamikus nyomás meghatározásához p dynamic = 2 v ρ 2 = p t p 2.1.2. Mérési elv Az Euler egyenlet normális komponens egyenlete: 2 v p p ρ = R n 2.1.3. Példák mérési konfigurációkra és eszközökre Belsı statikus nyomás megcsapolása fali furaton keresztül
Az áramvonal-görbületi hatás elhanyagolható, ha: v ρ 2 2 < 0. 02 p p ref measured
Statikus nyomásszonda
Ser-tárcsa
Érmeszonda
Nyomásmultiplexer
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
2.2.2. Mérési elv A közeget meg kell állítani a mérıeszközzel. 2.2.3. Példák mérési konfigurációkra és eszközökre Pitot-csı
Kiel szonda Iránymérı szondák
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
2.3.3. Példák mérési konfigurációkra és eszközökre Egyetlen Pitot-csıvel
Pitot-csıvel és fali statikus nyomásmegcsapolással
Pitot-statikus szonda (Prandtl-csı)
Venturi szonda (dinamikus nyomás-sokszorozó) v = k 2 p ρ
S-szonda v = k 2 p ρ
Spitz-szonda
6/ Nem-szabványos geometria v = k 2 p ρ