POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
Wydział Budownictwa
i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Pomiar prędkości i rozkładu prędkości
powietrza rurką Prandtla
Ćwiczenie nr 4
Laboratorium z przedmiotu
INśYNIERIA PROCESOWA
Kod:
Opracował:
dr inż. S. Sidoruk
dr inż. P. Rynkowski
Białystok 2009
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia określenie rozkładu prędkości powietrza wypływającego z otworu nawiewnego za pomocą przyrządu umożliwiającego pomiar w otwartej przestrzeni jakim jest anemometr skrzydełkowy.
2.Metody pomiarowe - podstawy teoretyczne.
Do pomiaru prędkości - natężenia przepływu w przewodach transportujących ciecze i gazy służy szereg przyrządów pomiarowych takich jak:
− rurka Prandtla,
− rurka Pitota,
− kryzy i zwężki pomiarowe,
− przelewy,
− wodomierze.
Kilka wybranych urządzeń umożliwiających pomiar prędkości powietrza w przestrzeni otwartej:
a) Rurka Pitota
Jest to zwykła rurka wygięta w kształcie litery U. Do rurki jest podłączony manometr cieczowy U-rurkowy.
1
2 p2 = pc
2
1
p1 = pa
pa
p1 = pa
∆h
p2 - p1 = ρ m g ∆ h
p2 = pc
ρM
2
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
b) Rurka Prandtla
Jest to zwykła zmodyfikowana wersja rurki Pitota. Do rurki Prandtla jest podłączony manometr cieczowy U-rurkowy.
1
p2 = pc
2 pst
pst
2
p
1
st
p1 = pst
p
1 = pst
∆h
p2 - p1 = ρ m g ∆ h
p
2 = pc
ρ
M
c) Anemometr skrzydełkowy
Przyrząd ten mierzy długość strugi powietrza (gazu), która przepłynęła prostopadle do płaszczyzny obrotu i dlatego wyskalowany jest on w jednostkach długości. Do wyznaczenia prędkości przepływu potrzebny jest jednocześnie pomiar czasu. Zmniejszenie bezwładności anemometru uzyskuje się poprzez zmniejszenie masy elementów wirnika, zwiększa się przez to czułość przyrządu. Jak każdy przyrząd charakteryzuje się anemometr obszarem nieczułości, określonym przez minimalną prędkość powietrza, która może być mierzona. Obszar nieczułości wynosi zwykle 0,2 m/s, a zakres pomiarowy anemometrów ogranicza się zwykle do prędkości 10 m/s ze względu na delikatną budowę.
Do pomiaru mniejszych prędkości służą mikromanometry. Zbudowany jest on z anemometru skrzydełkowego i małego wentylatora uruchamianego nakręcaną sprężynką.
Zadaniem wentylatorka jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej wirnika (najczęściej 0,5 m/s ). Przyrząd wskazuje 0,5 m/s w powietrzu w bezruchu. Charakterystyki anamometrów jako krzywe wzorcowania muszą być dostarczane przez producenta przyrządów.
d) Anemometry czaszowe.
Wirnik stanowią tutaj półkoliste czasze, które obracają się pod wpływem różnicy momentów powstałych na skutek różnego oporu, jaki stawia przepływowi wklęsła i wypukła strona czasz. Ilość obrotów wirnika podobnie jak w anemometrach skrzydełkowych, jest w ścisłym związku z prędkością przepływu i jest rejestrowana przez licznik. Anemometry czaszowe używane są do pomiaru prędkości w granicach 3 - 50 m/s.
Ze względu na wrażliwość tych przyrządów na równoległość strumieni uderzających w poszczególne czasze (wszelkie zaburzenia w przepływie powodują błędy w pomiarze) 3
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
przyrządy te nadają się tylko do pomiarów prędkości w dużej przestrzeni, np. do pomiaru prędkości wiatru. Są one rzadko używane ze względu na małą dokładność.
e) Katatermometry.
Katatermometr jest to termometr spirytusowy z cylindrycznym zbiorniczkiem przechodzącym w rurkę włoskowatą u góry rozszerzoną w postaci pęcherzyka. Termometr wypełniony jest zabarwionym spirytusem. Skala termometry ma podziałkę tylko od 35 do 38oC. Nagrzany katatermometr oddaje ciepło otaczającemu powietrzu przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Ilość ciepła oddawana przez przyrząd przy chłodzeniu go od
+38 do 35oC jest stała, jednak czas chłodzenia jest różny i zależy od temperatury, wilgotności i prędkości ruchu otaczającego powietrza. Ilość ciepła oddawana przez 1 cm2
powierzchni zbiorniczka przy ochłodzeniu o 3oC nosi nazwę współczynnika katatermometru F.
Przed rozpoczęciem pomiarów katatermometrem nagrzewa się w ciepłej wodzie (temp. wody nie może być wyższa niż 70oC, ponieważ spirytus może osiągnąć temperaturę wrzenia do chwili, gdy spirytus zapełni część górnego rozszerzonego końca włoskowatej rurki. Następnie przyrząd wyciera się do sucha i ustawia w badanym miejscu.
Sekundomierzem mierzy się czas, w ciągu którego słupek spirytusu opada z +38 do 35oC.
Pomiar zwykle powtarza się dwa razy.
Zakres prędkości, w granicach którego katatermometr ma wystarczającą dla celów praktycznych dokładność (± 3%) wynosi od 0,1 do 1,5 m/s, tzn. mniej więcej jest taki sam, jaki posiada mikromanometr różnicowy. Nie można używać katatermometru, gdy temp.
powietrza w pomieszczeniu roboczym przekracza 35oC (przyrząd nie schładza się) i jeśli mierzy się prędkość powietrza w pobliżu źródeł intensywnego promieniowania (nagrzanych ścian pieców lub chłodnych ścian i okien).
d) Anemometry laserowe.
Zasada działania anemometru laserowego polega na wykorzystaniu zjawiska Dopplera.
Używana do pomiaru prędkości przepływu wiązka laserowa, przy przejściu przez poruszający się płyn jest rozpraszana przez cząsteczki posiewu o średnicy 0,1 - 10 µm, unoszone przez płynący ośrodek. Rozproszone światło zmienia swą częstotliwość, o tzw.
częstotliwość Dopplera, co daje informację o prędkości poruszających się cząstek. Zmiana częstotliwości światła rozproszonego jest proporcjonalna do prędkości cząstki i jest równa tzw. częstotliwości Dopplera.
Anemometry laserowe odznaczają się wieloma zaletami, mogą mierzyć prędkości chwilowe w przepływach bardzo burzliwych, a nawet oscylacyjnych, nie zakłócają pomiarem badanego przepływu, przedstawiają wyniki pomiarów prędkości niezależnie od zmian temperatury, ciśnienia czy gęstości płynu.
e) Anemometry oporowe.
Umieszczenie rezystora w strumieniu gazu powoduje jego ochłodzenie, a więc zmianę rezystancji. Wyznaczając zależność rezystancji od prędkości przepływu , można po wzorcowaniu otrzymać przyrząd wskazujący prędkość. Charakterystyka przyrządu wyrażająca się zależnością oporu R od prędkości przepływu powietrza. Zależność oporu od prędkości przepływu gazu nie jest liniowa. Dotyczy to szczególnie małych prędkości. Przy pionowym przepływie na główną prędkość i poruszanie się gazu rozkłada się jeszcze konwekcyjny ruch w otoczeniu drutu spowodowany nagrzewaniem się gazu od drucika. Wpływ ten jest szczególnie wyraźny przy ruchu oporu z góry do dołu. Układy pomiarowe, charakterystyki anemometru oporowego i rysunki czujników oporowych można znaleźć w pozycji [1].
4
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
3. Zakres ćwiczenia.
Ćwiczenie obejmuje pomiar rozkładu prędkości izotermicznego strumienia powietrza wypływającego z otworu nawiewanego anemometrem skrzydełkowym w punktach położonych wzdłuż osi wypływu. Poprzez interpolację graficzną łącząc liniami punkty o jednakowych prędkościach przedstawienie na wykresie widma prędkości.
4. Budowa stanowiska - zasada działania.
W skład stanowiska pomiarowego wchodzi układ wentylacyjny jakim jest wentylator tłoczący powietrze do otworu nawiewnego w przewodzie ssącym. Dla określenia wydatku wentylatora ustawiona jest rurka Prandtla z mikromanometrem Recknagla i anemometr stałotemperaturowy.
Zasada działania anemometru stałotemperaturowego.
Anemometr wyposażony jest w czujniki pomiarowe zawierające dwa elementy termoelektryczne wykonane z drutu wolframowego o średnicy 3 mm. Pomiar prędkości polega na kompensowaniu wzmożonej wymiany ciepła między drucikami a otoczeniem przez doprowadzenie zwiększonej ilości ciepła Joule’a, a więc przez zwiększenie natężenia prądu w obwodzie drucika pomiarowego. Przy nieznanej temperaturze drucika pomiarowego również jego opór jest niezmienny. Natężenie prądu zmierzone amperomierzem będzie wówczas miarą prędkości.
2
1
5
6
4
3
Rys.3. Schemat blokowy stanowiska
1. anemometr,
2. otwór nawiewny
3. wentylator,
4. rurka Prandtla,
5. mikromanometr Recknagla
5. Instrukcja obsługi.
Po włączeniu wentylatora i ustabilizowaniu się przepływu powietrza w układzie po pewnym czasie mierzymy prędkość w przewodzie ssącym wentylatora. Wykonujemy to za pomocą rurki Prandtla połączonej z mikromanometrem Recknagla. Prędkość wypływu powietrza z otworu nawiewnego mierzymy anemometrem.
5
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
6. Metodyka pomiarów.
a) Pomiar wydatku wentylatora.
Dla określenia wydatku wentylatora potrzebne jest określenie średniej prędkości w przekroju przewodu ddącego. Prędkość średnią możemy określić ze wzoru:
2
w
=
śr
pdś
ρ
[m/s],
gdzie:
pdś - średnie ciśnienie dynamiczne,
ρ - gęstość powietrza.
Średnie ciśnienie dynamiczne określamy z zależności:
1
p
=
+
+ +
d
p
p
...
p
ś
( 1d
d2
dn ),
n
Punkty, w których należy pomierzyć prędkość, wyznacza się dzieląc pole przekroju przewodu na n części o jednakowych powierzchniach okręgami zakreślonymi ze środka.
Promienie okręgów na których będą leżały punkty pomiarowe będą wynosiły:
2n −1
r = R
n
,
2m
gdzie: R - promień przewodu okrągłego,
n - numer porządkowy punktu pomiaru od środka przewodu,
m - ilość pierścieni, na które podzielono powierzchnię przekroju przewodu.
Zalecane są następujące liczby pierścieni:
przy średnicy do 200 mm - 3 pierścienie,
400 mm - 4
700 mm - 5,
ponad 700 mm - 5,6 pierścieni.
Na mikromanometrze Recknagla odczytuje się ciśnienie dynamiczne, jako długość wychylenia słupa cieczy:
pd = l n ρm G,
gdzie: pd - ciśnienie dynamiczne, N/m2 ,
l - wychylenie słupa cieczy,
n - przełożenie mikromanometru,
ρm - gęstość cieczy manometrycznej (denaturat 820 kg/m3),
g- przyspieszenie ziemskie.
Po określeniu prędkości średniej wydatek wentylatora obliczymy z równania ciągłości: V = F vśr
gdzie: V - wydatek wentylatora m3/s,
F - pole przekroju poprzecznego, m2,
vśr - prędkość średnia w przewodzie.
b) Pomiar prędkości anemometru.
Po wyzerowaniu i włączeniu anemometru termoelektrycznego czujnik pomiarowy umieszczamy w strumieniu wypływającego powietrza z otworu nawiewnego. Ilość punktów 6
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 5
Katedra Ciepłownictwa
Pomiar prędkości i rozkładu prędkości powietrza
rurką Prandtla
pomiarowych zależna jest od wielkości otworu nawiewnego i powinna być podana przez prowadzącego.
7. Opracowanie wyników pomiarów.
Wyniki pomiarów należy podać w tabeli:
a) pomiar wydatku wentylatora (pomiar wykonać trzykrotnie obliczając wartość średnią) Wychylenie
Przełożenie
Ciśnienie
Średnie ciśn.
Prędkość
Wydatek
L.p.
słupa cieczy
mikromanometru
dynamiczne
dynamiczne
średnia
wentylatora
-
m
-
N/m2
N/m2
m/s
m3/h
b) pomiar prędkości rurką Prandtla
L.p.
Odległości pomiarowe
Prędkość
X
Y
-
m
m
m/s
Należy sporządzić na papierze milimetrowym formatu A-4 rozkład prędkości wypływającego powietrza z otwory nawiewnego.
8. Wymagania BHP
A. Do wykonywania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium.
B. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
C. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
D. Zabrania się manipulowania przy urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego.
Przyrząd jakim jest anemometr termoelektryczny nie może być narażony na silne wstrząsy i drania.
Literatura uzupełniająca.
1. Kołodziejczyk L., Mańkowski S., Rubik M., - „ Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady, W-wa 1980 r.
2. M.F. Bromlej, W.W. Kuczeruk - „ Techniczne badania urządzeń wentylacyjnych”, PWT, W-wa 1954 r.
3. Mieszkowski M., - „ Pomiary cieplne i energetyczne” , WNT, W-wa 1981 r.
7