POLITECHNIKA WARSZAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ	LABORATORIUM TERMODYNAMIKI Sprawozdanie z ćwiczenia	2 Zespół
Nazwiska i imiona studentów	Borowiec Andrzej, Danieluk Filip, Juchniewicz Artur, Sowa Jakub, Zagrajek Emilia, Banasik Krzysztof
2014/2015	MEiL	3
Rok ak.	Wydział	Semestr

Sprawozdanie - Laboratorium nr 4

Badanie wentylatora odśrodkowego

1. Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest badanie wentylatora odśrodkowego celem wyznaczenia jego charakterystyk prędkościowych w zależności od zmiennej ilości obrotów oraz charakterystyk dławieniowych w zależności od zmiennych oporów przepływu.

1. Opis stanowiska badawczego :

Stanowisko badawcze składa się z wentylatora odśrodkowego, rurki Prandtla, kryzy pomiarowej, miernika ciśnień na kryzie oraz szafy sterowniczej z miernikami.

Wlot do wentylatora ma kształt szerokiej rury zakończonej dyszą. Powietrze wpada na łopatki wentylatora, które zmieniają jego kierunek o 90° i przepychają je do rury pomiarowej. Powietrze przepływa przez kryzę pomiarową oraz przesłonę (jeśli jest ona umieszczona w rurze) i wylatuje z rury w pomieszczeniu obok. Wirnik wentylatora jest napędzany za pomocą silnika elektrycznego, jego prędkość może być regulowana poprzez zmianę ilości energii elektrycznej dostarczanej do silnika.

1. Metody pomiarów ciśnienia :

W technice stosowane są trzy podstawowe przyrządy do pomiaru ciśnienia dynamicznego a więc i prędkości powietrza w rurach.

1. Rurka Pitota

Na wlocie do rurki (przekrój 1-1) ustala się ciśnienie spiętrzenia (całkowite) składające się z ciśnienia dynamicznego i statycznego :

p_c = p_d + p_st

Chcąc z tego wzoru obliczyć ciśnienie dynamiczne, potrzebne do znalezienia prędkości, należy znać dodatkowo wartość ciśnienia statycznego p_st. Z równania Bernoulliego, ułożonego dla przekrojów 0-0 i 1-1 otrzymujemy :

$$\frac{v_{0}^{2}}{2} + \frac{p_{0}}{\rho_{0}} = \frac{v_{1}^{2}}{2} + \frac{p_{1}}{\rho_{c}}$$

prędkość v₁ = 0, więc :

$$v_{0} = \ \sqrt{\frac{2}{\rho_{0}}\left( p_{1} - p_{0} \right)}$$

Przy pomiarze prędkości powietrza, gdy ciśnienie p_o równa się ciśnieniu atmosferycznemu p_a, to różnica ciśnień jest równa ciśnieniu różnicy słupa wody w u-rurce czyli p₁ - p_o = ρ_cgH, wtedy wzór na prędkość to :

$$v_{0} = \sqrt{2gh\frac{\rho_{c}}{\rho_{0}}}$$

Dużą zaletą rurki Pitota jest jej mały rozmiar, przez co może być wykorzystywana w warunkach, w których pomiar bardziej złożonymi przyrządami (np. anemometrem) jest niemożliwy.

1. Rurka Prandtla

Rurką Prandtla można mierzyć ciśnienie spiętrzenia, ciśnienie statyczne lub różnicę dwóch pierwszych, czyli ciśnienie dynamiczne. Podłączony manometr wskazuje tę różnicę. Z równania Bernoulliego dla 0-0 i 1-1 prędkość v₀ (dla v₁ = 0) będzie wynosić :

$$v_{0} = \ \sqrt{\frac{2}{\rho_{0}}\left( p_{1} - p_{0} \right)}$$

gdzie p_{1 -} p_o = hg(ρ_c - ρ_o).

1. Zwężka Venturiego

Zwężka Venturiego składa się z dyszy zbieżnej, dyszy rozbieżnej oraz manometru (rurki u-kształtnej). Analogicznie do rurek Prandtla i Pitota, pozwala na zmierzenie prędkości płynu w rurze, jednak w przypadku Zwężki należy użyć także równania ciągłości :

v₀A₀ = v₁A₁

z tych dwóch równań otrzymujemy prędkość :

$$v_{0} = \ \sqrt{\frac{2\left( p_{1} - p_{0} \right)}{\rho_{0}\left\lbrack \left( \frac{F_{0}}{F_{1}} \right)^{2} - 1 \right\rbrack}}$$

gdzie p_{1 -} p_o = hg(ρ_c - ρ_o). Dla uzyskania większego podciśnienia można stosować układ dwóch zwężek Venturiego.

W badaniach w laboratorium wykorzystana została rurka Prandtla. Na naszym stanowisku została ona zamocowana stosunkowo blisko wylotu wentylatora. Przez takie zamocowanie rozkład prędkości w rurze jest nieosiowy, zaś sam przepływ jest niestabilny. Diametralnie obniża to rzetelność pomiaru, dlatego taki pomiar wydatku i prędkości jest rzadko wykonywany. Inną wadą rurki jest fakt że ma ograniczoną dokładność pomiarową dla stosunkowo niskich różnic ciśnienia, dlatego stosuje się zwykle ją dla przepływów szybszych niż 3 m/s.

1. Regulacja prędkości przepływu powietrza przez wentylator

Regulacji takiej można dokonać w sposób dwojaki; zmieniając moc dostarczaną do silnika elektrycznego napędzającego wirnik wentylatora lub stosując przesłony (kryzy).

1. Kryza

Do zalet kryz należą: możliwość dopasowania przesłony do zakresu mierzonych wydajności oraz możliwość regulacji strumienia przepływającego powietrza. Istotną rolę odgrywa także fakt, że kryza po jej pełnym otwarciu nie stanowi dodatkowego utrudnienia w czasie czyszczenia instalacji.

Jednakże, wskutek kontrakcji (różnicy między przekrojem otworu w kryzie a przekrojem strugi płynu przechodzącego przez nią) i różnicy między prędkością rzeczywistą a prędkością wynikającą z obliczeń, do kryzy podaje się współczynnik korekcyjny α, który wprowadzamy do równań (mnożymy przez niego otrzymaną z równania Bernoulliego prędkość).

Podczas badań do tunelu wstawialiśmy przesłony o różnych przekrojach tak, by uzyskać dużą ilość wyników.

1. Regulacja mocy silnika

Za pomocą pokrętła na szafie zasilającej regulowaliśmy moc dostarczaną do silnika. Oczywiście, im mniejsza moc, tym wolniej obraca się wał silnika a, co za tym idzie, tym wolniejsza prędkość powietrza w rurze.

Po dokonaniu pomiarów prędkości przy zmianie przesłon, wykonaliśmy pomiar przy zmianie mocy dostarczanej do silnika.

1. Równania i zależności wykorzystane do obliczeń

• Za pomocą manometru obliczone zostało ciśnienie statyczne w rurze pomiarowej p_st oraz spadek ciśnienia na dyszy p, są one równe :

p_st = gρ_c(h₁ − h₀)

oraz

p = gρ_c(h₂ − h₀)

gdzie : g - przyspieszenie ziemskie; ρ_c- gęstość cieczy w manometrze; h₀ - stan zerowy manometru; h₁ - wskazanie manometru podłączonego do rury pomiarowej; h₂ - wskazanie manometru odłączonego od rury pomiarowej.

• Następnie obliczono gęstość powietrza w rurze, przekształcając równanie Clapeyrona :

pV = mRT

dla p = p_st +  p₀, T₀ - temperatury otoczenia, R - indywidualnej stałej gazowej dla powietrza (R=287 J/kgK), p_o - ciśnienia atmosferycznego, oraz m/V=ρ otrzymujemy gęstość powietrza :

$$\rho_{0} = \frac{p_{\text{st}} + \ p_{0}}{\text{RT}_{0}}$$

• Prędkość przepływu przez dyszę dla współczynnika przepływu powietrza α = 0.97 wynosi :

$$w_{2} = \alpha\sqrt{\frac{2p}{\rho_{0}}}$$

• Wydatek wentylatora dla średnicy dyszy normalnej d = 0.12m :

$$V = \frac{\text{πd}^{2}}{4}w_{2}$$

• Znając wydatek, prędkość przepływu przez dyszę, oraz średnicę dyszy i rury można wykorzystać równanie ciągłości do obliczenia prędkości przepływu przez rurę pomiarową.

$$w_{1} = \left( \frac{d}{D} \right)^{2}w_{2}$$

gdzie D = 0.3m - średnica rury pomiarowej

• Następnie obliczamy ciśnienie dynamiczne w rurze pomiarowej i wynikające z niego ciśnienie spiętrzenia :

$$p_{d} = \frac{w_{1}^{2}}{2}\rho$$

oraz

H_c = p_st + p_d

• Kolejny krok to obliczenie mocy oddanej przez wentylator N_u :

N_u = fH_cV

gdzie f - współczynnik ściśliwości czynnika (dla H_c < 3000 f = 1)

• Dodatkowo, znając spadek napięcia na silniku U i natężenie dostarczanego do niego prądu I możemy obliczyć moc pobieraną przez silnik i sprawność wentylatora :

N_el = UI

oraz

$$\mu = \frac{N_{u}}{N_{\text{el}}}$$

Wyniki pomiarów oraz obliczone wartości podano w tabeli.

Komentarz oraz wnioski:

• Jeszcze nadejdą

Pozostało :

• policzyć to wszystko

• wpisać do tabeli

• dorzucić rysunek wentylatora w Paincie

• przekminić wnioski

• wydrukować i zebrać propsy od "Hjustona" Badera