charakterystyka wentylatora i sieci

CHARAKTERYSTYKA WENTYLATORA I SIECI

1. Wprowadzenie

Wentylatory stanowią grupę maszyn przepływowych służących do przetłaczania gazów pomiędzy przestrzeniami, w których panują ciśnienia równe lub różniące się nieznacznie. Maszyny te o różnej konstrukcji znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i ochrony środowiska. Ze względu na kierunek przepływu tło-czonego gazu przez wirnik , wyróżnia się wentylatory promieniowe i osiowe. Biorąc zaś za kryterium podziału wytwarzany przyrost ciśnienia (spręż), klasyfikacja wentylatorów jest następująca: niskoprężne ( ÷1kPa), średnioprężne (1kPa÷3kPa ), wysokoprężne (3kPa÷10kPa). Uzyskanie niskiego i średniego sprężu zapewniają wentylatory promieniowe i osiowe, natomiast jako wysokoprężne występują jedynie wentylatory promieniowe.

W wentylatorach promieniowych spotyka się bardzo zróżnicowane profile wirnika i kształt łopatek. Najczęściej stosowanymi są wirniki płaskie, stożkowe i bębnowe.

Wirniki płaskie i stożkowe to dwie tarcze połączone łopatkami rozmieszczonymi symetrycznie do osi wirnika. Gaz opuszczający wirnik wpływa do spirali zbior-czej o przekroju zwykle prostokątnym, która stanowi wyposażenie komory wentylatora promieniowego i jest zakończona dyfuzorem dla wersji średnio- i wysokoprężnej.

Pracę wentylatora charakteryzują związki objętościowego natężenia przepływu tło-czonego powietrza z wytwarzanym ciśnieniem, z zapotrzebowaniem mocy i ze spraw-nością działania. Szczególne znaczenie ma charakterystyka wentylatora wiążąca wytwarzane ciśnienie z objętościowym natężeniem przepływu, ponieważ jest łączona z charakterystyką sieci (instalacji). Charakterystykę sieci stanowi zależność sumy oporów przepływu, ciśnienia dynamicznego oraz różnicy ciśnień w przestrzeni zasysania i wytłaczania powiększonej o ciśnienie słupa powietrza w instalacji od objętościowego natężenia przepływu. Połączenie obydwu charakterystyk daje punkt pracy wentylatora w danej sieci, tzn. określa natężenie przepływu i różnicę ciśnień niezbędną do jego uzyskania. Charakterystyka zespołu sieć-wentylator przedstawiona jest na rysunku 1.

Wentylator ma najczęściej charakterystykę o przebiegu parabolicznym, która może być aproksymowana funkcją kwadratową:

⋅

(1)

∆ p = A − BV

gdzie: A,B – stałe dla danego wentylatora – Pa, Pa s2/m6,

∆ p – ciśnienie wytwarzane przez wentylator – Pa, V

&. – objętościowe natężenie przepływu – m3/s.

Paraboliczny przebieg ma również charakterystyka sieci, gdyż wszystkie opory przepływu i ciśnienie dynamiczne są proporcjonalne do kwadratu objętościowego natężenia przepływu:

⋅

∆ p = a +

(2)

gdzie: a,b – stale dla danej sieci – Pa, Pa s2/m6

∆ p – całkowite zapotrzebowanie ciśnienia – Pa.

∆p

Rys. 1. Charakterystyka zespołu sieć – wentylator

1 – charakterystyka sieci, 2 – charakterystyka wentylatora, P – punkt pracy Ciśnienie wytwarzane przez wentylator można zapisać następującymi wzorami: p

∆ = ( p

∆

+ p

∆

+ p

∆ ) + p

∆

(3)

∆ = ( p + p ) − ( p

+ p )

st, t

d , t

st, s

d , s

(4)

gdzie: pd – ciśnienie dynamiczne – Pa,

pd,s, pd,t – ciśnienia dynamiczne przed i za wentylatorem – Pa, pst,s, pst,t – ciśnienia statyczne przed i za wentylatorem – Pa,

∆ pop – strata ciśnienia w prostych odcinkach sieci – Pa,

∆ pom – strata ciśnienia na oporach miejscowych – Pa,

∆ ps – różnica ciśnień w przestrzeni zasysania i wytłaczania połączona z

ciśnieniem słupa w instalacji – Pa.

Zależność (3) jest specyfikacją zapotrzebowania ciśnienia na podstawie analizy sieci, w której ma się odbywać przepływ z określonym natężeniem. Natomiast zgodnie z za-leżnością (4), wytwarzane ciśnienie stanowi różnicę ciśnień całkowitych w strumieniu powietrza na tłoczeniu i ssaniu, istniejących w zadanych warunkach przepływu.

2. Cel ćwiczenia

Zadaniem do wykonania jest doświadczalne wyznaczenie charakterystyki sieci i wentylatora, a następnie określenie parametrów punktu pracy tego zespołu.

3. Aparatura doświadczalna

Instalacja do zdejmowania obydwu charakterystyk przedstawiona jest schema-tycznie na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat aparatury doświadczalnej

1 – wentylator, 2 – silnik, 3 – rurociąg ssący, 4 – rurociąg tłoczący, 5 i 6 – rurki Pitota 7 – mikromanometr, 8 i 9 – U-rurki, 10 – blok zasilania, 11 - autotransformator Tworzą ją następujące elementy składowe: 1 – wentylator promieniowy, 2 –

zmiennoobrotowy silnik prądu stałego, 3 – rurociąg ssący o średnicy wewnętrznej 0.1m, 4 – rurociąg tłoczący o średnicy wewnętrznej 0.1m, 5 – rurka Pitota w prze-

wodzie ssącym, 6 – rurka Pitota w przewodzie tłoczącym, 7 – mikromanometr z rurką pomiarową o zmiennym kącie nachylenia, 8 – U-rurka do pomiaru różnicy ci-

śnień w instalacji, 9 – U-rurka do pomiaru podciśnienia w przewodzie ssącym, 10 -

autotransformator, 11 – blok zasilania napędu wentylatora. Jako wyposażenie, do sta-nowiska doświadczalnego należą przesłony o różnej średnicy otworów, mocowane w przekroju wylotowym przewodu tłoczącego.

4. Metodyka prowadzenia doświadczeń

Rozpoczęcie doświadczeń poprzedza się rozpoznaniem zakresu pomiarowego mie-rników zamontowanych w instalacji. Pomiary prowadzone są w dwu seriach, aby otrzymać w każdej z nich odnośną charakterystykę.

Wyznaczanie charakterystyki sieci sprowadza się do pomiarów spadku ciśnienia powstających w niej w związku z różnym objętościowym natężeniem przepływu powietrza. Procedura wykonania jest następująca:

1. Za pomocą autotransformatora (11) połączonego z blokiem zasilania nastawia się liczbę obrotów wentylatora uzyskując w ten sposób określone natężenie przepły-wu powietrza w sieci,

2. Przez otwarcie zaworu na mikromanometrze (7) z metanolem ( przekręcenie z pozycji “Z” do pozycji “P”) i odchylenie rurki pomiarowej od ustawienia pionowe-go do jednego z możliwych położeń ukośnych, mierzy się ciśnienie dynamiczne (mm CH3OH) w przekroju zamocowania rurki Pitota (5) w przewodzie ssącym, 3. Manometr różnicowy (U-rurka (8) napełniona wodą) i połączona z dodatnimi koń-

cówkami rurek Pitota ( 5,6 ) umieszczonymi w przewodzie ssącym i tłoczącym, wskazuje bezpośrednio spadek ciśnienia odpowiadający przepływowi z zadanym natężeniem.

Zmieniając kilkakrotnie obroty wentylatora i notując dla każdego stanu wskazania U-rurki i mikromanometru otrzymuje się dane do sporządzenia charakterystyki sieci.

Charakterystykę wentylatora stanowi zależność ciśnienia wytwarzanego przez wentylator dla stałej liczby obrotów od objętościowego natężenia przepływu powietrza. Zależność tę wyznacza się w następujący sposób:

1. Autotransformatorem (11) nastawia się wybraną liczbę obrotów wentylatora, 2. Mikromanometrem (7) mierzy się ciśnienie dynamiczne w strumieniu przepływają-

cego powietrza,

3. Z U-rurki (8) odczytuje się różnicę ciśnień w przewodzie tłoczącym i ssącym jako ciśnienie wytwarzane przez wentylator,

4. Po wyłączeniu wentylatora umieszcza się na wylocie z przewodu tłoczącego przesłonę z otworem, aby zmienić natężenie przepływu,

5. Ponowne uruchomienie wentylatora i nastawienie takiej samej liczby obrotów daje możliwość określenia wartości natężenia przepływu i różnicy ciśnienia.

Mocowanie kolejnych przesłon o różnej średnicy otworu powoduje zmianę “∆ p” i “V”

dla stałej liczby obrotów, co odpowiada wyznaczaniu kolejnych punktów charakterystyki wentylatora.

5. Opracowanie wyników doświadczeń

Po zakończeniu pomiarów dysponuje się gotowym do wykorzystania zestawieniem wartości ∆ p(mmH2O) jako rzędnych punktów charakterystyki wentylatora i sieci. Po szczególnym wartościom “∆ p” w obydwu seriach należy przyporządkować odpo-wiednią wartość objętościowego natężenia przepływu powietrza w instalacji. Sposób obliczania tej wielkości na podstawie pomiarów za pomocą rurki Pitota współpracu-jącej z mikromanometrem jest następujący:

1 – określenie ciśnienia dynamicznego “h” (mmCH3OH) w strumieniu powietrza w przewodzie ssącym z bezpośredniego odczytu wskazania manometru “hod” (mm CH3OH) przy ustawionym nachyleniu rurki “k”:

h = kh ,

k < ,

(5)

2 – przeliczenie wartości ciśnienia dynamicznego w (mmCH3OH) na wartości w (Pa):

−

p = 10 3 ρ

(6)

3 – obliczenie liniowej prędkości powietrza z formuły definicyjnej ciśnienia dynamicznego:

2 pd

w =

(7)

4 – obliczenie objętościowego natężenia przepływu powietrza w instalacji traktując znalezioną prędkość “w” w rurociągu ssącym jako średnią i znając jego przekrój poprzeczny (średnica: d=0.1m):

⋅

V = 785

d .

(8)

Gęstość metanolu i powietrza (ρ m., ρ p – kg/m3 ) do wykonania powyższych obliczeń przyjmuje wartości w temperaturze otoczenia. Ciśnienie bezwzględne w przewodzie ssącym wynikające ze wskazań manometru (9) jest w przybliżeniu równe ciśnieniu otoczenia.

Mając zależności różnicy ciśnień w instalacji od objętościowego natężenia przepływu powietrza dla obydwu serii pomiarowych, można następnie przedstawić je na wykre-sie (∆ p, V) i okre

ślić z niego parametry otrzymanego punktu pracy.

Opracowanie ma zawierać tabelaryczne zestawienie wszystkich wielkości mierzo-nych i obliczonych oraz wykres z charakterystyką wentylatora i sieci, a także wartości współrzędnych punktu pracy.

6. Literatura

1. S. Kuczewski – Wentylatory, WNT Warszawa 1878.

2. R. Kramkowski – Laboratorium inżynierii procesowej, WPWr., Wrocław 1981.