LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Ćwiczenie ME2
POMIARY STRUMIENIA I PRĘDKOŚCI CIECZY
PRZEPŁYWAJĄCEJ W RURZE
1. WSTĘP
Pomiary strumienia przepływających w rurociągach płynów (cieczy i gazów) są jednymi
z podstawowych pomiarów w technice. W zależności od rodzaju płynu, strumienia,
przeznaczenia i warunków pomiaru stosowane są urządzenia pomiarowe funkcjonujące na
różnych zasadach.
Najprostszymi, a zarazem najdokładniejszymi metodami pomiarowymi strumienia cieczy
są metody wykorzystujące pomiar czasu przepływu oraz ilości przepływającej cieczy przez
zebranie jej w zbiorniku. Ilość cieczy w zbiorniku może być określona przez ważenie lub w
przypadku zbiorników wzorcowanych przez określenie objętości. Metody te są metodami
pierwotnymi i są wykorzystywane przy wzorcowaniu innych przyrządów. Są jednak
uciążliwe w stosowaniu i dlatego wykorzystywane są głównie w pomiarach laboratoryjnych.
Drugą grupą przyrządów są liczniki komorowe w których wykorzystuje się zasadę
cyklicznego odmierzania równych porcji cieczy (lub gazu). Urządzenia z tej grupy są
dokładne i niezawodne w sensie zapewnienia jakości pomiaru. Wśród tej grupy urządzeń można wymienić:
a) liczniki nieckowe z naprzemiennie napełniającymi się cieczą korytkami wykonującymi
wahliwy cykliczny ruch,
b) liczniki bębnowe (do zastosowań laboratoryjnych),
c) liczniki miechowe stosowane między innymi w mieszkaniach do pomiarów ilości
zużytego gazu,
d) liczniki rotorowe gazów, stosowane do dokładnych pomiarów przemysłowych,
e) liczniki cieczy z owalnymi wirującymi tłokami do pomiarów ilości przepływających
olejów,
f) liczniki łopatkowe i inne.
Kolejną grupę urządzeń stanowią liczniki skrzydełkowe. Zasada pomiaru polega na
napędzie wirnika posiadającego łopatki przez przepływającą ciecz lub gaz. Stosowane są urządzenia z osią wirnika prostopadłą i równoległą do osi rurociągu. Przykładem licznika tego typu są powszechnie stosowane liczniki do pomiaru zużycia wody w mieszkaniach.
Wadą tych urządzeń jest to, że gdy wzrosną opory ruchu wirnika, co jest normalnym
objawem zużywania się urządzenia, licznik pozornie działa poprawnie lecz pomiar obarczony
jest niedopuszczalnym błędem. Urządzenie tego typu będzie zaprezentowane na stanowisku.
Wszystkie przedstawione powyżej urządzenia są licznikami, które mierzą ilość płynu
przepływającą przez licznik w zadanym czasie. Aby obliczyć średni strumień
przepływającego płynu trzeba zmierzoną ilość płynu podzielić przez czas przepływu.
Kolejną grupą urządzeń są przepływomierze, które służą bezpośrednio do pomiaru
strumienia przepływającego płynu.
Ważną grupą przepływomierzy ze względu na zakres zastosowania są przepływomierze
zwężkowe. Jako zwężki stosuje się kryzy ostrokrawędziowe, dysze i zwężki Venturiego.
Wyjaśniając w uproszczeniu, zasada pomiaru polega na zamianie energii potencjalnej
statycznego ciśnienia płynu na energię kinetyczną przepływającego przez zwężenie przewodu
płynu. Pomiar statycznego ciśnienia płynu przed zwężką oraz w miejscu przewężenia strugi
pozwala, po uwzględnieniu ubocznych wpływów, na określenie prędkości przepływającego
płynu, a w drugiej kolejności jego strumienia. Wadą tych urządzeń, w szczególności kryz, jest
trwały spadek ciśnienia powstający w miejscu zainstalowania zwężki. Kryzy pomiarowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami w technice do pomiaru strumieni płynów. Nie stosuje
się ich jednak przy pomiarach małych strumieni, np. w laboratorium. Sposób doboru zwężek,
szczegóły konstrukcyjne oraz obliczeń strumienia przepływającego płynu przedstawiony jest
w normie PN-93/M-53950/01.
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2
2
Kolejną grupą przepływomierzy są przepływomierze pływakowe nazywane powszechnie
rotametrami. Przepływomierz ten składa się z pionowej rury o małej stożkowej zbieżności oraz umieszczonego wewnątrz pływaka wykonanego z materiału o gęstości większej niż
gęstość przepływającego płynu. Węższy koniec rury znajduje się na dole, na ściance rury naniesiona jest podziałka. Przepływ płynu odbywa się przez pierścieniową szczelinę
pomiędzy krawędzią pływaka i wewnętrzną powierzchnią rury. W czasie przepływu płynu na
pływak działa siła parcia pochodząca od spadku ciśnienia przy przepływie płynu przez pierścieniową szczelinę i siła wyporu spowodowana zanurzeniem pływaka w przepływającym
płynie. Przy przepływie płynu pływak zawiśnie w tym miejscu stożkowej rury w którym nastąpi zrównoważenie wymienionych sił z siłą ciężaru pływaka. Naniesiona na rurze skala
umożliwia w miejscu zawieszenia pływaka odczyt strumienia przepływającego płynu.
Rotametry są urządzeniami nadającymi się do pomiarów niezbyt dużych strumieni cieczy i gazów, także agresywnych. Stosowane są do celów laboratoryjnych, w przemyśle
chemicznym i innych celów. W czasie ćwiczenia będzie zaprezentowane urządzenie tego
typu.
Innymi urządzeniami wykorzystującymi zjawisko zamiany energii kinetycznej
poruszającego się płynu w energię potencjalną ciśnienia są rurki spiętrzające. Rurki
spiętrzające służą do pomiaru lokalnej prędkości płynu. Aby wyznaczyć strumień płynu
należy zmierzyć prędkość w kilku punktach poprzecznego przekroju rurociągu. Konstrukcje
rurek spiętrzających oraz technikę prowadzenia pomiarów za pomocą tych urządzeń opisano
szczegółowo w polskiej normie PN-81/M-42364.
Kolejną grupą przepływomierzy są przepływomierze ultradźwiękowe. Zasada działania
tych przepływomierzy wynika z różnicy czasów przejścia przez płyn fali ultradźwiękowej w
dwóch kierunkach: zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu. Fala ultradźwiękowa o
częstotliwości rzędu 1-2 MHz jest generowana i odbierana przez głowice pomiarowe
przyrządu. Głowice te mogą być umieszczone po jednej stronie rurociągu (pomiar z odbiciem
fali od przeciwległej ścianki) lub po przeciwnych stronach (pomiar z jednokrotnym
przejściem fali przez ciecz). W przypadku jednostronnego umieszczenia głowic przy małych
średnicach rur pomiar odbywa się w systemie W – z dwukrotnym odbiciem fali od przeciwległej ścianki lub w systemie V - z jednokrotnym odbiciem fali od przeciwległej ścianki (dwukrotne przejście fali przez płyn). W przypadku dużych średnic rurociągów
stosuje się system Z – z jednokrotnym przejściem fali przez płyn (bez odbicia fali od przeciwległej ścianki). W tym przypadku głowice pomiarowe przyrządu umieszczone są po
przeciwległych stronach rurociągu.
2. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest prezentacja przykładowych urządzeń i metod pomiaru strumienia
cieczy, wykonanie przykładowych pomiarów strumienia cieczy przepływającej przez układ
pomiarowy stanowiska oraz określenie prędkości przepływu w wybranych przewodach.
Opiekun prowadzący ćwiczenie określi na miejscu rodzaj i liczbę poszczególnych
pomiarów uzależniając to od liczebności sekcji laboratoryjnej i ilości czasu przeznaczonego
na część eksperymentalną ćwiczenia.
3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO
Stanowisko składa się z ułożonych równolegle rur o różnych średnicach, które można
zasilać strumieniem wody. Woda dopływająca do stanowiska w pierwszej kolejności
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2
3
przepływa przez zawory odcinający i regulacyjny, następnie przez wirnikowy licznik ilości przepływającej cieczy, przez rotametr do pomiaru strumienia cieczy, a następnie przez wybraną rurę i poprzez trójdrożny zawór może być odprowadzana do kanalizacji lub do zbiornika (o objętości 60 litrów) w zależności od ustawienia zaworu. Stanowisko to
przedstawiona schematycznie na rys.1. Zbiornik posiada zawór spustowy, dzięki czemu wodę
tę można spuścić porcjami do mniejszego pojemnika, a następnie określić jej ilość poprzez kilkakrotne ważenie na wadze. Maksymalne dopuszczalne obciążenie wagi wynosi 60 kg.
Prezentowane stanowisko umożliwia pomiar strumienia przepływającej cieczy trzema
różnymi metodami:
a) Pomiar bezpośredni strumienia za pomocą rotametru,
b) Przez pomiar ilości przepływającej cieczy za pomocą licznika i czasu przepływu,
c) Przez pomiar ważeniem ilości przepływającej cieczy i pomiar czasu przepływu.
Określenie prędkości przepływającej cieczy przez wybraną rurę (rury) w układzie
przepływowym odbywa się na drodze obliczeniowej po określeniu wymiarów wybranej rury.
Poniżej w tablicy zestawiono elementy stanowiska.
Tablica 1
Elementy składowe stanowiska pomiarowego
Symbol
Wyszczególnienie
ME2-1. Układ przepływowy stanowiska z licznikiem przepływu, rotametrem, układem
zaworów sterujących i zaworem trójdrożnym
ME2-2. Zbiornik na wodę, z zaworem spustowym
ME2-3. Waga elektroniczna WPT60C o maksymalnym udźwigu 60kg
ME2-4. Pojemnik na wodę o objętości 10 litrów (wiadro)
ME2-5. Próbki rur użytych do budowy układu przepływowego stanowiska
ME2-6. Suwmiarka
ME2-7. Czasomierz
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego
1-układ przepływowy, 2-rotametr, 3-licznik przepływu, 4-zawór odcinający, 5-zawór
regulacyjny, 6-zawór trójdrożny, 7-zbiornik wody, 8-zawór spustowy, 9-zrzut wody
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2
4
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Poniżej przedstawiono przebieg czynności pomiarowe w zalecanej do wykonania
kolejności.
W czasie ćwiczenia należy zachować skupioną uwagę, aby nie spowodować uszkodzenia
któregokolwiek z urządzeń. Po zakończeniu ćwiczenia należy sprawdzić czy wszystkie
elementy wyposażenia są w komplecie, następnie włożyć je do przeznaczonego do tego celu
pojemnika.
4.1. Prezentacja stanowiska i przyrządów pomiarowych
Obejrzeć stanowisko i przyrządy pomiarowe. Zapoznać się z wykreślną charakterystyką
przepływową rotametru oraz ze sposobem jej użytkowania.
4.2. Pomiary strumienia cieczy za pomocą różnych metod
a) Wykonać pomiar wewnętrznych średnic rur z których zbudowany jest układ przepływowy
stanowiska.
b) Uruchomić przepływ wody przez układ przepływowy stanowiska, za pomocą zaworu
trójdrożnego nalać trochę wody do zbiornika, a następnie zbiornik opróżnić za pomocą zaworu spustowego.
c) Posługując się odczytami z rotametru nastawić żądany przepływ wody przez stanowisko i
poczekać do jego ustabilizowania się. Za pomocą układu zaworów ustawić przepływ
wody przez wybraną rurę przepływowego układu stanowiska.
d) Po ustabilizowaniu się przepływu, za pomocą zaworu trójdrożnego, skierować odpływ
wody do zbiornika odczytując równocześnie stan licznika oraz uruchamiając czasomierz
do pomiaru czasu.
e) W przypadku wahań w przepływie wody przez stanowisko odczytywać w zadanych
regularnych odstępach czasu strumień wody wskazywany przez rotametr.
f) Po upływie zadanego czasu, za pomocą zaworu trójdrożnego zamknąć dopływ wody do
zbiornika, odczytać stan licznika oraz czas przepływu.
g) Zmierzyć ilość wody w zbiorniku przez ważenie porcjami.
h) Nastawić nowy strumień wody przepływającej przez stanowisko i powtórzyć czynności
(d÷g). Wszystkie wyniki zanotować w tablicy pomiarowej. Przykład tablicy
przeznaczonej dla pojedynczego pomiaru (dla jednej wartości strumienia cieczy)
przedstawiono poniżej.
Tablica 1
Tablica pomiarowa
Kolejne odczyty
Masa wody w
Czas,
Początkowy stan
Końcowy stan
z rotametru,
poszczególnych
s
licznika, m3
licznika, m3
dm3/h
porcjach, kg
Czas całkowity
Strumień średni
Ilość wody wskazana przez licznik
Ilość wody w zbiorniku
razem
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2
5
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Poniżej przedstawiono sposób opracowania wyników pomiaru zebranych podczas
opisanego doświadczenia.
a) Oblicz średni strumień wody dla rozpatrywanego czasu w oparciu o odczyty z rotametru,
licznika przepływu wody i czasu przepływu oraz ilości wody w zbiorniku i czasu
przepływu.
b) Obliczenia powyższe powtórz dla każdego z zadanych strumieni wody.
c) Otrzymane wyniki zestaw w tablicy. Przyjmując, że pomiar za pomocą zbiornika jest pomiarem pierwotnym i najdokładniejszym, porównaj z nim wyniki otrzymane za
pomocą innych metod.
d) Oblicz prędkość przepływu wody w wybranej rurze oraz prędkość przepływu jaka
wystąpiłaby przy przepływie w innych rurach (wskazanych przez prowadzącego).
Prędkość obliczyć należy z równania ciągłości strugi m& = A ⋅ w ⋅ ρ
gdzie:
m& - masowy strumień wody, kg/s
A – pole przekroju poprzecznego, m2
ρ - gęstość, kg/m3
e) Przedstaw graficzne wyniki pomiarów (wykres słupkowy dla każdego zadanego
strumienia).
f) Dla wybranych rur (3-ch wskazanych przez prowadzącego) narysuj wykres strumienia
wody w funkcji prędkości przepływu G& = f ( w) . Jakiego typu jest to zależność i czym różnią się poszczególne wykresy.
g) Dla wybranych przepływów (3-ch wskazanych przez prowadzącego) narysuj wykres
prędkości przepływu wody w funkcji średnicy rury w = f ( D) . Jakiego typu jest to zależność i czym różnią się poszczególne wykresy.
6. UWAGI I WNIOSKI KOŃCOWE
a) Przeprowadź ogólną analizę otrzymanych wyników. Wskaż potencjalne przyczyny
niezgodności wyników pomiarów uzyskanych różnymi metodami.
b) Zapisz wszystkie uwagi, spostrzeżenia i wnioski dotyczące przeprowadzania pomiarów.
7. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Praca zbiorowa (red. Fodemski T.): Pomiary cieplne, cz. 1. WNT, Warszawa, 2001.
[2] Praca zbiorowa (red. Graczyk Cz.): Laboratorium miernictwa cieplnego. Skr. Uczelniany
Pol. Śląskiej nr 801, Gliwice, 1981.
Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2
6