POMIARY PRZEPŁYWU CIECZY W RUROCIĄGU

Cel zadania:

Poznanie działania kilku rodzajów przetworników do pomiaru natężenia

przepływu cieczy. Badanie charakterystyki pompy wirowej odśrodkowej z regulowanym napędem

tyrystorowym.

Układ pomiarowy:

Schemat układu do pomiaru przepływu cieczy przedstawia rysunek 9.1. W zbiorniku ZB

znajduje się ciecz (woda z dodatkami przeciwkorozyjnymi), która może być zasysana przez

pompę wirową odśrodkową P i tłoczona w obiegu zamkniętym przez zestaw przepływomierzy.

Zbiornik jest wyposażony w wodowskaz W, przewód odpowietrzający O i zawór spustowy Zo .

Uzyskane dane w pomiarach:

Pomiary przepływu przepływomierzem skrzydełkowym:

Przepływomierz skrzydełkowy należy do grupy przepływomierzy silnikowych. Jego działanie polega na zliczaniu obrotów wirnika umieszczonego w strumieniu przepływającej cieczy. Liczba wykonanych obrotów wirnika jest proporcjonalna do objętości przepuszczonej cieczy. Omawiany typ przepływomierza nie mierzy objętościowego natężenia przepływu cieczy V lecz sumuje (całkuje) przepływ cieczy _τ1∫^τ2Vdt w odcinku czasu od τ₁ do τ₂.

Używając przepływomierza skrzydełkowego do pomiarów objętościowego natężenia

przepływu, należy określić różnicę jego wskazań V w określonym odstępie czasu t i obliczyć

objętościowe natężenie przepływu z równania:

Uzyskane dane:

V [ m^3 ]	[ m^3 ]	T [ min ]	[ dm^3 / h ]	[ dm^3 / h ]
0,049	457,358	5	600	588
					457,407
	0,065				457,423	5	800	780
					457,488
	0,085				457,500	5	1000	1020
					457,585
	0,096				457,599	5	1200	1152
					457,695
	0,117				457,710	5	1400	1404
					457,827
	0,128				457,843	5	1600	1536
					457,971
	0,145				457,992	5	1800	1740
					458,137

[ dm³ / h ]

Przykładowe obliczenie dla wartości 1

Wykres 1. Zależność

Współczynnik kierunkowy K_S

Przykłady obliczeń współczynnika dla pomiaru 2 i 6

Pomiary przepływu zwężką z nanometrem cieczowym:

Zwężka pomiarowa jest przetwornikiem spiętrzeniowym, przetwarzającym wielkość objętościowego natężenia przepływu V na wielkość różnicy ciśnień P

Ogólne równanie tego przetwornika ma postać: P  K  V².

Różnica ciśnień po obu stronach zwężki P jest w najprostszym przypadku mierzona cieczowym (rtęciowym) manometrem różnicowym. Żeby obliczyć objętościowy przepływ cieczy przez badany typ kryzy, należy zastosować empiryczny wzór: Vzc  146,3 √h

[ dm^3 / h ]	h [ mm ]	[ % ]
400	16	5
600	24	6
800	38	12
1000	52	22
1200	74	40
1400	100	59
1600	126	80
1800	158	99

Korzystając z wyników doświadczenia pomiaru
, przeliczamy tą wartość na
dzięki zależności:

Przykład obliczeń dla
i

Wyniki obliczeń przedstawia tabela:

h [ mm ]	[ % ]
16	585,20
24	716,72
38	901,85
52	1054,98
74	1258,52
100	1463,00
126	1642,21
158	1838,96

Wykres 2. Zależność

Współczynnik kierunkowy K_S

Przykłady obliczeń współczynnika dla pomiaru 2 i 6

,

Przeliczam wartość
(w mm Hg) na wartość różnicy ciśnień
według wzoru:

gdzie:

Przykład obliczeń dla
i
:

Wyniki obliczeń dla pozostałych wartości
przedstawia tabela :

h [ mm ]	[Pa ]	[ % ]
16	1962	5
24	2943	6
38	4659,75	12
52	6376,5	22
74	9074,25	40
100	12262,5	59
126	15450,75	80
158	19374,75	99

Na podstawie powyższej tabeli został sporządzony wykres charakterystyki statycznej magnetoelektrycznego przetwornika różnicy ciśnień
:

Pomiary przepływu zwężką z przetwornikiem magnetoelektrycznym:

Sygnał różnicy ciśnień P ze zwężki jest doprowadzony równocześnie do przetwornika mieszkowego typu komory Bartona, połączonego z magnetoelektrycznym przetwornikiem siły, który przetwarza go na analogowy, standardowy sygnał elektryczny. Sygnał wyjściowy przetwornika jest wskazywany przez miliamperomierz wykalibrowany w procentach zakresu Vzm

Przetwornik magnetoelektryczny porównuje siłę pochodzącą od mierzonej różnicy ciśnień, z siłą magnetoelektryczną obwodu sprzężenia zwrotnego. W warunkach równowagi sił, prąd wyjściowy I przetwornika jest liniową funkcją różnicy ciśnień P : I  K  P

W specjalnym wykonaniu przetwornika, przystosowanym do zwężkowych pomiarów natężenia przepływu płynów, może on dokonywać operacji pierwiastkowania wartości sygnału wejściowego. Sygnał wyjściowy będzie wtedy liniową funkcją objętościowego natężenia przepływu i  K₁  √P  K₂ V

Badanie charakterystyk przetworników różnicy ciśnień:

Uzyskane dane:

Vr= 400 dm^3/h
h1= 8	[mm Hg]
h2= -1	[mm Hg]
∆h= 9	[mm Hg]
Vzc= 0,04*100%= 4%

Vr= 600 dm^3/h
h1= 13	[mm Hg]
h2= -6	[mm Hg]
∆h= 19	[mm Hg]
Vzc= 0,04*100%= 4%

Vr= 800 dm^3/h
h1= 18	[mm Hg]
h2= -12	[mm Hg]
∆h= 30	[mm Hg]
Vzc= 0,1*100%= 10%
Vr= 1000 dm^3/h
h1= 27	[mm Hg]
h2= -20	[mm Hg]
∆h= 47	[mm Hg]
Vzc= 0,24*100%= 24%

Vr= 1200 dm^3/h
h1= 38	[mm Hg]
h2= -30	[mm Hg]
∆h= 60	[mm Hg]
Vzc= 0,4*100%= 40%

Vr= 1400 dm^3/h
h1= 50	[mm Hg]
h2= -43	[mm Hg]
∆h= 93	[mm Hg]
Vzc= 0,6*100%= 60%

Vr= 1600 dm^3/h
h1= 64	[mm Hg]
h2= -56	[mm Hg]
∆h= 120	[mm Hg]
Vzc= 0,8*100%= 80%

Vr= 1800 dm^3/h
h1= 80	[mm Hg]
h2= -72	[mm Hg]
∆h= 152	[mm Hg]
Vzc= 0,88*100%= 88%

Pomiary przepływu przepływomierzem indukcyjnym i cieplnym:

Wymienione rodzaje przepływomierzy należą do grupy przepływomierzy elektrycznych.

Przepływomierz indukcyjny jest jednym z najnowocześniejszych przetworników przepływu cieczy. Umożliwia dokładny i zdalny pomiar, przy bardzo dużej odporności na działanie zanieczyszczeń zawartych w cieczy. Wewnątrz czujnika nie ma na drodze cieczy żadnych zmian przekroju rurociągu czy kierunku przepływu. Pole magnetyczne skierowane prostopadle do kierunku przepływu cieczy wzbudza w jej strumieniu napięcie, które jest proporcjonalne do natężenia tego pola i prędkości liniowej przepływu cieczy. Napięcie to jest odbierane z dwóch płaskich elektrod, umieszczonych w ścianie rury czujnika wykonanej z dielektryku.

Przepływomierz cieplny (kalorymetryczny) mierzy za pomocą dwóch czujników termistorowych przyrost temperatury przepływającej cieczy, do której doprowadza się z elektrycznego grzejnika stały strumień ciepła. Przyrost temperatury jest funkcją objętościowego natężenia przepływu cieczy. Ze względu na zależność warunków wymiany ciepła między grzejnikiem a cieczą od natężenia jej przepływu (liczby Reynoldsa), funkcja ta może być nieliniowa, zwłaszcza przy niewielkich przepływach

Uzyskane dane:

[ dm^3 / h ]	[ % ]	[ % ]
1800	68	0
1600	59	4
1400	52	8
1200	43	14
1000	35	23
800	28	36
600	20	57
400	14	100

Poniższy wykres przedstawia charakterystykę przepływomierza indukcyjnego
oraz przepływomierza cieplnego
:

Dla porównania charakterystyk przepływomierzy, sporządzony został oddzielny wykres dla przepływomierza cieplnego:

Badanie charakterystyki pompy wirowej odśrodkowej:

Badanie charakterystyki pompy ma na celu określenie jej podstawowych parametrów: ciśnienia tłoczenia Ph i wydajności V w funkcji prędkości obrotowej silnika n, a także maksymalnej mocy N pobieranej przez silnik.

Maksymalne ciśnienie tłoczenia pompy:

Ciśnienie to określa maksymalną wysokość, na którą pompa może podawać ciecz o znanej gęstości (wysokość podnoszenia H). Można je mierzyć umieszczonym na wylocie pompy manometrem, dławiąc zaworem przewód tłoczny pompy. Ciśnieniu tłoczenia równemu 100 kPa odpowiada wysokość podnoszenia wody o temperaturze +20 oC H  10,7 m.

n [ obr / min ]	Ph [ kPa ]
400	12
600	20
800	30
1000	44
1200	62
1400	84

Ciśnienie to określa maksymalną wysokość na którą pompa może podawać ciecz . Poniższy wykres przedstawia zależność częstości obrotowej n od ciśnienia podnoszenia
:

Sprawdzam równanie
obliczając dla
i
obr / min z zależności

Podstawiając dane otrzymujemy :

Wydajność pompy:

Wydajność pompy jest zależna od jej konstrukcji, ciśnienia tłoczenia (wysokości podnoszenia) i prędkości obrotowej wirnika. Należy określić wzajemną zależność wydajności i ciśnienia tłoczenia przy kilku prędkościach obrotowych wirnika pompy. Z zależności tych można określić przydatność danej pompy w konkretnej sytuacji, gdy znana jest wysokość podnoszenia i natężenie przepływu cieczy. Możliwe jest również wybranie do napędu pompy silnika o odpowiedniej prędkości obrotowej i mocy.

Uzyskane dane:

	n [ obr / min ]	Ph [ kPa ]	[ dm^3 / h ]
1. Maksymalne	600	12	660
	600	13	650
		600	14	570
		600	15	420
		600	16	320
1. Minimalne	600	20	0
2. Maksymalne	800	18	900
	800	19	800
		800	20	740
		800	21	660
		800	22	610
2. Minimalne	800	32	0
3. Maksymalne	1000	22	1110
	1000	26	1010
		1000	28	900
		1000	36	660
		1000	42	340
3. Minimalne	1000	46	0
4. Maksymalne	1200	30	1540
	1200	40	1420
		1200	50	1080
		1200	60	710
		1200	70	300
4. Minimalne	1200	78	0

Dla czterech badanych prędkości obrotowych silnika pompy, sporządzamy wykres podstawowej charakterystyki pompy.

Następnie sprawdzam równanie
obliczając dla
i
obr/min i całkowicie zamkniętego zaworu przepływowego z zależności :

Podstawiając dane otrzymujemy :
, a

Moc pobierana przez silnik pompy:

Znajomość wartości mocy pobieranej przez silnik pompy, a zwłaszcza jej wartości maksymalnej, pozwala na dobranie do napędu pompy odpowiedniego silnika. Zastosowanie silnika o zbyt małej mocy może spowodować jego uszkodzenie wskutek przeciążenia, natomiast silnik o zbyt dużym zapasie mocy (zwłaszcza prądu przemiennego), będzie miał niską sprawność wskutek niedociążenia.

Energia elektryczna pobierana przez silnik pompy jest zużywana na zwiększenie energii potencjalnej cieczy - jej objętości (wydajności tłoczenia) i wysokości podnoszenia (ciśnienia tłoczenia). Największe zużycie mocy następuje przy zerowej wydajności i maksymalnym ciśnieniu tłoczenia (całkowite zdławienie pompy), kiedy to występują duże straty energii na mieszanie cieczy w pompie i sprawność pompy dąży do zera.

Uzyskane dane:

Położenie zaworu	n [ obr / min ]	[ dm^3 / h ]	U [ V ]	J [ A ]
Otwarty	400	290	50	1
Otwarty	600	660	80	1,5
Otwarty	800	900	105	2
Otwarty	1000	1030	130	2,5
Otwarty	1200	1380	150	3
Pośredni 1	1200	1180	151	3,2
Pośredni 2	1200	990	153	3,4
Pośredni 3	1200	560	154	3,5
Pośredni 4	1200	200	155	3,8
Zamknięty	1200	0	155	4
Zamknięty	1000	0	130	3
Zamknięty	800	0	110	2,2
Zamknięty	600	0	80	1,5
Zamknięty	400	0	60	1,1

Korzystając z wyników doświadczenia obliczam wartość mocy N, za pomocą wzoru:

Do napędu pompy zastosowano silnik prądu stałego
więc

- Przykładowe obliczenia N dla pomiaru 2 i 5 dla zmiennej wartości obrotowej :

i

Wyniki obliczeń dla pozostałych wartości N:

[ dm^3 / h ]	N [ J / s ]
290	50
660	120
900	210
1030	325
1380	450

- Przykładowe obliczenia N dla pomiaru 1 i 5 dla stałej prędkości obrotowej :

i

Wyniki obliczeń dla pozostałych wartości N przedstawia tabela :

[ dm^3 / h ]	N [ J / s ]
1380	450
1180	483,2
990	520,2
560	539
200	589
0	620

Na wykres nanosimy zależność
, dla rosnącej prędkości obrotowej i stałej prędkości n=1200 obr/min (podczas dławienia cieczy zaworem) :

Następnie sprawdzam równanie
obliczając dla
i
obr/min i całkowicie zamkniętego zaworu przepływowego z zależności :

Podstawiając dane otrzymujemy :
, a

Wykres nr ... przestawia sytuację gdy obserwujemy maksymalną wartość mocy (zawór jest zamknięty)

n [ obr / min ]	N [ J / s ]
1200	620
1000	390
800	242
600	120
400	66

Sprawność pompy:

Korzystając z wykresu charakterystyki pompy
odczytujemy dla n = 1200 obr/min trzy dowolne pary P_h i V_r. Następnie z wykresu
określamy dla wartości V_r moce N pobierane przez silnik pompy przy n = 1200 obr/min.

Pierwsza para:

Druga para:

Trzecia para:

Po odczytaniu mocy:

Dla

Dla

Dla

Z równania
obliczam współczynnik sprawności pompy [
]

Obliczenia:

Wykorzystanie charakterystyki pompy:

Znając przebieg charakterystyki pompy V f (P ,n) r h   , należy sprawdzić możliwość wykorzystania tej pompy w konkretnym przypadku oraz dobrać do jej napędu silnik o odpowiedniej prędkości obrotowej i mocy.

Pompa ma podać ciecz o gęstości
na wysokość H = 5,4 m z maksymalną wydajnością 0,8 m³ / godz.

Korzystam ze wzoru na ciśnienie podnoszenia pompy:

, więc

Dla obliczonego ciśnienia odczytuje z wykresu charakterystyki pompy prędkość obrotową n silnika: dla
.

Z wykresu zależności
określam dla n_S = 1200 obr / min jego moc N_max = 620 J / s.

Obliczam moc zainstalowaną silnika N_s:

, gdzie: R = 1,5

Wnioski:

• Wartość pomiaru przepływomierzem skrzydełkowym jest mniejszy od wskazań rotametru.

• Charakterystyka przepływomierza cieplnego ma charakter funkcji rosnącej, natomiast dla przepływomierza cieplnego charakterystyka ta jest malejąca.

• Zależność natężenia przepływu cieczy mierzonej przepływomierzem skrzydełkowym od natężenia mierzonego przez rotametr jest liniowa.

• Ciśnienie tłoczenia pompy rośnie wraz z prędkością obrotową. Moc maksymalna pompy rośnie wraz z prędkością obrotową pompy.

• Gdy rośnie natężenie przepływu cieczy moc pompy maleje. Sprawność pompy jest tym większa im natężenie przepływu jest większe, ciśnienie podnoszenia jak najmniejsze, oraz moc jak najmniejsza.

• Wraz ze wzrostem ciśnienia podnoszenia maleje natężenie przepływu cieczy.

• Ewentualne błędy i nieprawidłowość wyników może wynikać z niedokładności pomiarów np. na wykresie
  nie ma żadnego punktu wspólnego.

---