Ćwiczenie laboratoryjne nr 3

Zdejmowanie charakterystyki wentylatora. Współpraca wentylatorów

Ćwiczenie ma na celu zdjęcie charakterystyki wentylatora promieniowego oraz określenie warunków granicznych współpracy wentylatorów pracujących w różnych podsieciach..

1. ZAKRES MATERIAŁU DO OPANOWANIA

1. Rodzaje wentylatorów, podziały,

2. Rozkład ciśnień w przewodach przed i za wentylatorem, spiętrzenie wentylatora,

3. Charakterystyka wentylatora, zależności do wyznaczenia charakterystyki, badania

wentylatorów

4. Współpraca wentylatora z siecią wentylacyjną, dobór wentylatora,

5. Współpraca szeregowa i równoległa wentylatorów, opór graniczny, stacje wentylatorów,

6. Stabilna i ekonomiczna praca wentylatorów,

7. Zależności między parametrami wentylatora,

8. Współpraca wentylatorów pracujących w różnych podsieciach.

2. WPROWADZENIE

Rozkład ciśnień w przewodzie wentyla­cyjnym po stronie ssącej i tłoczącej wentylatora przedstawiono na rysunku 1. Dla odróżnienia podciśnień i nadciśnień od ciśnień absolutnych te ostatnie oznaczono na rysunku literami z daszkiem.

Rys.1. Wykres ciśnień

W przekroju wlotowym "1" ciśnienie całkowite
równe jest ciśnie­niu atmosferycznemu. Zgodnie z rysunkiem 1

(1)

Ciśnienie dynamiczne
w tym przekroju równe jest podciśnieniu sta­tycznemu

(2)

W miarę przesuwania się wzdłuż lutniociągu w kierunku wentylatora ma­leje ciśnienie całkowite na skutek strat energii zużywanej na pokona­nie oporów ruchu. Miarą tych strat jest podcienienie statyczne, w częś­ci ssącej zawsze większe od ciśnienia całkowitego.

W rurociągu tłoczącym, za wentylatorem, ciśnienie całkowite jest równe

(3)

Zadaniem wentylatora jest przekazanie powietrzu energii wystarczającej na pokonanie oporów ruchu w części ssawnej i tłocznej przewodu oraz nadanie powietrzu odpowiedniej energii kinetycznej.

Energię tę można wyznaczyć mierząc różnicę ciśnień całkowitych na ssaniu i tłoczeniu, czyli spiętrzenie całkowite

(4)

Całkowite spiętrzenie wentylatora ssącego wyniesie

(5)

gdzie:

- podciśnienie statyczne mierzone sondą statyczną,

w - średnia prędkość przepływu,

- gęstość powietrza.

Moc użyteczna wentylatora wyniesie

[W] (6)

Moc na wale określi się według mocy silnika, elektrycznego napędzającego

wentylator z uwzględnieniem jego sprawności

[W] (7)

Sprawność wentylatora wyniesie

(8)

Prędkość obrotową należy wyznaczyć przy użyciu stroboskopu.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Ćwiczenie realizowane jest na dwóch oddzielnych stanowiskach pomiarowych. Część I ćwiczenia, realizowana na stanowisku pomiarowym pokazanym na rys. 2, obejmuje zdejmowanie charakterystyki wentylatora. Część II (rys.5) dotyczy badania współpracy wentylatorów pracujących w dwóch różnych podsieciach.

Część I. Zdejmowanie charakterystyki wentylatora promieniowego

Dla uzyskania zależności depresji (spiętrzenia) wentylatora od strumienia objętości powietrza (wydatku) należy przeprowadzić pomiary wy­twarzanego przez wentylator spiętrzenia przy różnych stopniach przysłonięcia przekroju przewodu. W miarę zamykania zasuwy zwiększać się będzie depresja wentylatora i zmniejszać ilość przepływającego powiet­rza. Wydatek należy mierzyć sposobami omówionymi w ćwiczeniu laborato­ryjnym nr 2 (metodą punktową), spiętrzenie wentylatora za pomocą rurki spiętrzającej i manometru typu U-rurka, pobieraną przez silnik moc elektryczną - watomierzem. Sposób podłączenia przyrządów pomiarowych pokazano na rys. 2.

Rys.2. Schemat stanowiska do zdejmowania charakterystyki wentylatora

Po zestawieniu układu pomiarowego (rys. 2) dla wentylatora promieniowego należy:

l) wykonać pomiary psychrometryczne

= ......... °C
= ........ °C

2) zmierzyć ciśnienie barometryczne

b = .......... mm Hg

3) wykonać pomiary ciśnienia dynamicznego w środku przekroju, spię­trzenia oraz mocy dla 6÷8 położeń zasuwy dławiącej.

Uwaga praktyczna: Dla równomiernego rozłożenia punktów pomiarowych na charakterystyce należy określić minimalną i maksymalną wartość spiętrzenia i różnicę między tymi wartościami podzielić przez przyjętą ilość punktów pomiarowych. Pomiary należy prowadzić np. od pełnego zamknięcia przysłony i obniżać spiętrzenie o wyliczoną wcześniej wartość różnicy spiętrzeń przypadającą na punkt pomiarowy.

	położenie zasuwy			1	2	3	4	5	6	7	8
1	ciśnienie dynamiczne		Pa
2	spiętrzenie		Pa
3	moc		W

4) obliczyć gęstość powietrza i następnie wyznaczyć:

4	położenie zasuwy			1	2	3	4	5	6	7	8
5	prędkość maksymalną	w	m/s
6	liczbę Reynoldsa	Re	-
7		-	-
8	prędkość średnią		m/s
9	strumień objętości powietrza		m^3/s

	położenie zasuwy			1	2	3	4	5	6	7	8
10	depresja całkowita	h	Pa
11	moc użyteczna		W
12	moc efektywna (na wale)		W
13	sprawność		%

14) wykreślić na podstawie pomiarów i obliczeń charakterystyki

,
oraz
(rys.3),

15. a) zaznaczyć na charakterystyce zakres stabilnej i ekonomicznej pracy wentylatora,

b) określić w jakim zakresie otworów równoznacznych (oporów) sieci wentylator będzie pracował stabilnie i ekonomicznie. Do rozważań przyjąć warunek kumulacyjny.

Rys.3. Charakterystyka wentylatora

16) wykreślić charakterystyki wypadkowe połączenia szeregowego oraz równoległego dwóch wentylatorów o identycznych jak badany wentylator charakterystykach indywidualnych (rys.4),

a) obliczyć opór graniczny,

Rys. 4. Badanie współpracy wentylatorów

Część II. Współpraca wentylatorów pracujących przy różnych szybach

Schemat stanowiska do badania współpracy wentylatorów pracujących przy różnych szybach pokazano na rys. 5. Średnica rurociągów w tym stanowisku wynosi 160 mm.

Rys. 5. Schemat stanowiska do badania współpracy wentylatorów

Głównym celem tej części ćwiczenia jest zbadanie przy jakim oporze zasuwy 3-4 (rys.5) zostanie zatrzymany przepływ powietrza przez wentylator L oraz czy jest możliwa bezpieczna współpraca wentylatorów w tej sieci.

Dla realizacji tego celu należy:

1. Wyznaczyć opór bocznic 0-4 i 4-6 przy zamkniętej zasuwie 2-4, mierząc:

• ciśnienie dynamiczne w punktach TU i XY dla wyznaczenia prędkości średniej i strumieni objętości powietrza w tych bocznicach (do obliczeń oporu bocznic 0-4 i 4-6 wykorzystać pomiar w punkcie XY),

• podciśnienia (w stosunku do otoczenia) w węzłach 4 i 6.

Dla wyliczenia oporu bocznicy w oparciu o powyższe pomiary wyznacza się kolejno dla poszczególnych bocznic:

• prędkość maksymalną,

• liczbę Reynoldsa,

• stosunek prędkości średniej do maksymalnej,

• prędkość średnią,

• pole przekroju poprzecznego rurociągu,

• strumień objętości powietrza,

• różnicę ciśnień powietrza w bocznicy wywołaną przepływem powietrza;

(9)

(10)

gdzie: P_b - ciśnienie barometryczne w otoczeniu instalacji, Pa,

p_d, p_w - odpowiednio nadciśnienie w węzłach dopływu i wypływu bocznicy, Pa.

• opór właściwy bocznicy R_f z zależności

( 11)

Uwaga: Powyższe zależności uwzględniają że w każdej bocznicy

;
;
kg/m³. (12)

2. Wyznaczyć opór bocznicy 1-4 przy zamkniętej zasuwie 4-5, mierząc:

• ciśnienie dynamiczne w punktach RS i TU, przy czym dla wyznaczenia prędkości średniej i strumieni objętości powietrza w bocznicy 1-4 wykorzystać pomiar RS,

• podciśnienia (w stosunku do otoczenia) w węzłach 1 i 4.

3. Dokonać zatrzymania prądu powietrza płynącego przez wentylator L zmniejszając w tym celu obroty tego wentylatora oraz zwiększając opór zasuwy 3-4. Określić w sprawozdaniu opór zasuwy 3-4. W tym celu należy zmierzyć:

• ciśnienie dynamiczne w punktach TU i XY, przy czym dla wyznaczenia prędkości średniej i strumieni objętości powietrza w tych bocznicach przyjąć pomiar XY,

• podciśnienia (w stosunku do otoczenia) w węzłach 4 i 6.

Uwaga: Stan zatrzymania prądu powietrza obserwować na wbudowanym w rurę 1-4 anemometrze.

Dla stanu zatrzymania prądu powietrza w bocznicy 1-4 wskaźnik bezpieczeństwa jest równy

(13)

gdzie:

- spadek potencjału izentropowego w bocznicy wspólnej (0-4) równy, przy przyjętych uproszczeniach, różnicy ciśnień wywołanych przepływem powietrza, Pa,

- spiętrzenie mniejszego ze współpracujących wentylatorów, Pa.

(14)

;
;
(15)

4. Sprawdzić, przy maksymalnych obrotach wentylatora L, czy jest zapewniona bezpieczna współpraca wentylatorów zainstalowanych przy różnych szybach wydechowych. W tym celu należy:

• ustawić opór zasuwy 3-4 jak w punkcie 3,

• zwiększyć opór zasuwy 4-5.

Należy ponadto:

• zmierzyć podciśnienia (w stosunku do otoczenia) w węzłach 1, 4 i 6,

• wyznaczyć wskaźnik bezpieczeństwa B.

Z bezpieczną współpracą wentylatorów pracujących przy różnych szybach mamy do czynienia gdy

(16)

gdzie:

- spadek potencjału izentropowego w bocznicy wspólnej (0-4) równy, przy przyjętych uproszczeniach, różnicy ciśnień wywołanych przepływem powietrza, Pa,

- spiętrzenie mniejszego ze współpracujących wentylatorów, Pa.

(17)

;
;
(18)

Jeśli nie uda się w ten sposób doprowadzić do bezpiecznej współpracy wentylatorów L i P (B ≤ 0,67), to prowadzący zasuwą 4-5 zwiększy opór bocznicy 4-6 i ponownie należy dokonać sprawdzenia współpracy wentylatorów.

• zmierzyć ciśnienie dynamiczne w punktach RS, TU i XY dla wyznaczenia prędkości średniej i strumieni objętości powietrza w tych bocznicach,

Uwaga: Sprawdzić bilans strumieni objętości powietrza w węźle 4. Muszą się bilansować !!!

3. SPRAWOZDANIE

Powinno zawierać:

Część I

1. Wstęp teoretyczny

2. Dane techniczne stanowiska pomiarowego i jego schemat ideowy

3. Dane techniczne stosowanych przyrządów

4. Wyniki pomiarów

5. Tok obliczeń obejmujący wyznaczenie:

• gęstości powietrza,

• strumieni objętości powietrza (wydatku wentylatora)
  i
  

• spiętrzenia całkowitego
  wentylatora

• mocy użytecznej
  wentylatora

• mocy na zaciskach silnika wentylatora

• sprawności wentylatora

6. Sporządzoną charakterystykę wentylatora

7. Zaznaczyć na charakterystyce zakres stabilnej i ekonomicznej pracy wentylatora,

8. Określić w jakim zakresie otworów równoznacznych (oporów) sieci wentylator będzie pracował stabilnie i ekonomicznie. Do rozważań przyjąć warunek kumulacyjny

9. Charakterystyki wypadkowe połączenia szeregowego i równoległego dwóch wentylatorów

10. Opór graniczny

11. Wnioski i dyskusję błędów

Część II

1. Wstęp teoretyczny

2. Dane techniczne stanowiska pomiarowego i jego schemat ideowy

3. Dane techniczne stosowanych przyrządów

4. Wyniki pomiarów

5. Tok obliczeń obejmujący:

• wyznaczenie oporów bocznic 1-4, 0-4 i 4-6 (rys. 5),

• określenie przy jakim oporze zasuwy 3-4 nastąpi zatrzymanie przepływu powietrza przez wentylator L,

• określenie parametrów wentylatora L przy których jest zapewniona bezpieczna współpraca wentylatorów L i P oraz występującego wtedy w sieci rozpływu powietrza. Jeśli będzie potrzebne dławienie w bocznicy 4-6, to dodatkowo wyznaczyć opór zasuwy 4-5.

Uwaga: Do obliczeń wykorzystać wyznaczone powyżej opory bocznic 1-4, 0-4 i 4-6.

Protokół z pomiarów (wyniki pomiarów z każdej części ćwiczenia powinny być prowadzone na oddzielnej kartce). Protokół powinien zawierać:

• listę osób realizujących ćwiczenie,

• wyniki pomiarów zatwierdzone przez prowadzącego.

Uwaga: Dodatkowe informacje na temat wentylatorów przemysłowych i kopalnianych będą umieszczone w sieci !!!

Rys. 6. Nomogram do wyznaczania prędkości średniej w_m na podstawie punktowego pomiaru prędkości maksymalnej w osi przewodu kołowego

Literatura

[1] Fortuna S.: Badania wentylatorów i sprężarek, AGH - Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 1999

[2] Praca zbiorowa: Pomiary cieplne, T1- podstawowe pomiary cieplne, T2 - badania cieplne maszyn i urządzeń, WNT, Warszawa 2001

[3] Fortuna S.: WENTYLATORY - podstawy teoretyczne, zagadnienia konstrukcyjno-eksploatacyjne i zastosowanie, TECHWENT, Kraków 1999

[4] Szolc T.: Pracownia cieplno-chłodnicza, WSiP, Warszawa 1979

[5] Roszczynialski W., Wacławik J.: Obliczenia i pomiary w aerologii górniczej, skrypt AGH, Kraków 1974

[6] Roszczynialski W., Trutwin W., Wacławik J.: Kopalniane pomiary wentylacyjne, Wyd. „Śląsk”, Katowice 1992

[7] Praca zbiorowa: Poradnik górnika t III, Wyd. Śląsk, Katowice 1974

[8] Rosiek F.: Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych, Pracownia Komputerowa, wspólny na „chaos” (m:)\Rosiek\......

7

---