1. Cel ćwiczenia:

Celem pomiaru jest wyznaczenie wielkości charakteryzujących pracę wentylatora oraz sporządzenie jej krzywych charakterystycznych.

2. Przebieg ćwiczenia:

Stanowisko pomiarowe (rys. l) składa się z wentylatora (1), układu rurociągów: ssawnego (2)

i tłocznego (3) oraz armatury i przyrządów pomiarowych. Wentylator napędzany jest silnikiem prądu stałego (10) typu szeregowo-bocznikowego, z płynną regulacją obrotów przy użyciu sterownika tyrystorowego (11). Całość tworzy układ obiegowy otwarty, umożliwiający przepływ powietrza w przypadku pracy wentylatora.

3. Schemat stanowiska pomiarowego:

1 – wentylator, 2 – rurociąg ssawny, 3 – rurociąg tłoczny, 4 – przysłona stożkowa, 5 – zwężka pomiarowa,

6 – manometr różnicowy do pomiaru wysokości spadku ciśnienia statycznego na zwężce, 7 – manometr różnicowy do pomiaru wysokości przyrostu ciśnienia statycznego na wentylatorze, 8 – manometr hydrostatyczny do pomiaru

wysokości podciśnienia w miejscu pomiaru wydajności, 9 – manometr hydrostatyczny do pomiaru wysokości

podciśnienia na wlocie do wentylatora, 10 – silnik elektryczny, 11 – sterownik tyrystorowy

4. Tabela pomiarowa i wynikowa:

a) tabela pomiarowa:

b) tabela wynikowa:

5. Przykładowe obliczenia (dla obciążenia nr 1):

a)ciśnienie bezwzględne p_z w rurociągu wlotowym w miejscu pomiaru strumienia objętości q_v:

p_z = p_ot − (ρ_H2O*g*h_z) = 1013 * 10³ − (998*9,81*34*10⁻³) = 100967 Pa

gdzie:

p_ot– ciśnienie otoczenia, Pa;

ρ_H2O– gęstość wody w warunkach pomiaru,

h_z– wysokość podciśnienia wskazana przez manometr hydrostatyczny , m;

g – przyspieszenie ziemskie; g =9,81m/s²;

Ponieważ , różnica wysokości słupa powietrza między osią rurociągu a manometrem została pominięta.

b) stopień zawilżenia powietrza X w miejscu pomiaru strumienia objętościq_v(na kryzie):

$$X_{Z} = 0,622*\frac{\frac{\varphi}{100}*p_{nt1}}{p_{z} - \frac{\varphi}{100}*p_{nt1}} = 0,622*\frac{\frac{71,5}{100}*1817}{100967 - \frac{71,5}{100}*1817} = = 0,00811\frac{\text{kg}H_{2}O}{\text{kg\ pow.suchego}}$$

gdzie:

φ– wilgotność względna powietrza, %;

p_nt1– ciśnienie nasycenia pary wodnej w warunkach pomiaru (dla temperatury t₁), Pa;

Pa dla t = 19 ˚C.

c) gęstość powietrza ρ_z w miejscu pomiaru strumienia objętości q_v:

$$\rho_{z} = \frac{p_{z}*\left( 1 + X_{z} \right)}{\left( 287,04*461,5*X_{z} \right)*T_{1}} = \frac{100967*\left( 1 + 0,00811 \right)}{\left( 287,04*461,5*0,00811 \right)*\left( 21,7 + 273 \right)} =$$

=1, 188kg/m³

gdzie:

t₁– temperatura powietrza; °C;

d) ciśnienie różnicowe na kryzie Δp_z:

p_z = (ρ_H2O − ρ_z)*g * h_z = (998 − 1, 188)*9, 81 * 173 * 10⁻³ = 1697 Pa

gdzie:

h_z– wysokość spadku ciśnienia statycznego na zwężce, wskazana przez manometr

różnicowy, m;

e) Strumień objętości powietrza w miejscu pomiaru:

$$q_{\text{vz}} = \frac{C}{\sqrt{1 - \beta^{4}}}*\varepsilon*A_{o}*\sqrt{\frac{2{*p}_{z}}{\rho_{z}}} =$$

$$= \frac{0,595}{\sqrt{1 - {0,744}^{4}}}*0,99322*\pi*0,0397*\sqrt{\frac{2*1697}{1,188}} = 4,723\frac{m^{3}}{s} = 17003,587\frac{m^{3}}{h}$$

gdzie:

C – współczynnik przepływu; dla kryzy zainstalowanej na rurociągu C = 0,595 ;

b – przewężenie;$\ \beta = \frac{d_{k}}{D}$, gdzie: d_k = 2248 m– średnica otworu kryzy, D=0,302 m– średnica rurociągu;

e – liczba ekspansji; dla powietrza e = 0,99322 ;

A_o– pole przekroju otworu zwężki, 0,0397 m²;

f) Ciśnienie bezwzględne na wlocie do wentylatora p₁:

p₁ = p_ot − (ρ_H2O*g*h₁) = 1013 * 10² − (998*9,81*134*10⁻³) = 98285 Pa

gdzie:

h₁– wysokość podciśnienia wskazana przez manometr hydrostatyczny, m;

g) stopień zawilżenia powietrza X₁ na wlocie do wentylatora:

$$X_{1} = 0,622*\frac{\frac{\varphi_{1}}{100}*p_{nt1}}{p_{1} - \frac{\varphi_{1}}{100}*p_{nt1}} = 0,622*\frac{\frac{71,5}{100}*1817}{98285 - \frac{71,5}{100}*1817} = 0,0080\frac{\text{kg}H_{2}O}{\text{kg\ pow.suchego}}$$

gdzie:

φ₁– wilgotność względna powietrza na wlocie do wentylatora; przyjmujemy, że φ=φ₁; %

Przy założeniu: t_z = t₁ = 19 ˚C oraz Φ₁ = Φ_z = 71,5 %

h) gęstość powietrza ρ₁ w miejscu pomiaru strumienia objętości q_v:

$$\rho_{1} = \frac{p_{1}*\left( 1 + X_{1} \right)}{\left( 287,04*461,5*X_{1} \right)*T_{1}} = \frac{98285*\left( 1 + 0,0080 \right)}{\left( 287,04*461,5*0,0080 \right)*\left( 21,7 + 273 \right)} =$$

=1, 156kg/m³

Przyjmujemy, że temperatura na wlocie do wentylatora jest taka sama jak w miejscu pomiaru

strumienia objętości q_v .

i) strumień objętości q_v1 powietrza na wlocie do wentylatora:

$$q_{v1} = \frac{q_{\text{vz}}*\rho_{z}}{\rho_{1}} = \frac{4,723*1,188}{1,156} = 4,854\ \frac{m^{3}}{s} = 17466,784\ \frac{m^{3}}{h}$$

j) spiętrzenie statyczne p_s wentylatora:

p_s = (ρ_H2O−ρ₁) * g * h_s = (998−1,156) * 9, 81 * 130 * 10⁻³ = 1275 Pa

h_s– wysokość przyrostu ciśnienia statycznego na wentylatorze, wskazana przez manometr

różnicowy, m;

k) ciśnienie bezwzględne powietrza p₂ na wlocie do wentylatora:

p₂ = p_s + p₁ = 1275 + 98285 = 99561 Pa

l) stopień zawilżeniaX₂ powietrza na wylocie z wentylatora:

$$X_{2} = 0,622*\frac{\frac{\varphi_{2}}{100}*p_{nt2}}{p_{2} - \frac{\varphi_{2}}{100}*p_{nt2}} = 0,622*\frac{\frac{71,5}{100}*2063}{99561 - \frac{71,5}{100}*2063} = 0,0094\frac{\text{kg}H_{2}O}{\text{kg\ pow.suchego}}$$

gdzie:

φ₂ – wilgotność względna powietrza na wylocie z wentylatora; przyjmujemy że φ_z =φ₂; %

p_nt2– ciśnienie nasycenia pary wodnej w warunkach pomiaru (dla temperatury t2), p_nt2 = 2063 Pa

Przy założeniu, że temperatura powietrza w rurociągu wylotowym jest równa temperaturze powietrza na wylocie z wentylatora i wynosi t₂ = 19 ˚C, natomiast wilgotność względna na wylocie z wentylatora Φ₂ = Φ₁ = Φ = 71,5%.

ł) gęstość powietrza ρ₂ na wylocie z wentylatora:

$$\rho_{2} = \frac{p_{2}*\left( 1 + X_{2} \right)}{\left( 287,04*461,5*X_{2} \right)*T_{2}} = \frac{99561*\left( 1 + 0,0094 \right)}{\left( 287,04*461,5*0,0094 \right)*\left( 22,7 + 273 \right)} =$$

=1, 166kg/m³

gdzie:

t₂– temperatura powietrza; °C;

m) strumień objętości q_v2 powietrza na wlocie do wentylatora:

$$q_{v2} = \frac{q_{v1}*\rho_{1}}{\rho_{2}} = \frac{4,852*1,156}{1,166} = 4,810\frac{m^{3}}{s} = 17315,104\frac{m^{3}}{h}$$

n) spiętrzenie całkowite p_c wentylatora:

$${p}_{c} = {p}_{s} + \left\lbrack \frac{\rho_{2}*\left( \frac{q_{v2}}{A_{2}} \right)^{2}}{2} - \frac{\rho_{1}*\left( \frac{q_{v1}}{A_{1}} \right)^{2}}{2} \right\rbrack = = 1275 + \left\lbrack \frac{1,166*\left( \frac{4,810}{0,0684} \right)^{2}}{2} - \frac{1,156*\left( \frac{4,852}{0,0716} \right)^{2}}{2} \right\rbrack = 1200\ \text{Pa}$$

pole przekroju rurociągu wlotowego: 0,0716 m

pole przekroju rurociągu wylotowego: m.

o) moc użyteczna P_u wentylatora:

P_u = p_c * q_v1 = 1200 * 4, 852 = 5823, 6 W

p) moc P na wale wentylatora:

P = U * I − P₀(n) = (210*31,5) − 700 = 5915 W

gdzie:

U – napięcie na zaciskach twornika silnika elektrycznego, wskazana przez woltomierz, V;

I – natężenie prądu pobieranego przez silnik, wskazane przez amperomierz, A;

P₀(n) – straty biegu jałowego w zależności od obrotów silnika, W; stratę wyznacza się

z wykresu na rys. 2;

r) sprawność całkowita η_c wentylatora:

$$\eta_{c} = \frac{P_{u}}{P}*100 = \frac{5823,6}{5915}*100 = 98\ \%$$

Rys.2. Straty obiegu jałowego P₀w zależności od obrotów silnika n.

6. Charakterystyka zbiorcza wentylatora:

7. Wnioski:

Pomiary wentylatora wykonywane w powyższym ćwiczeniu przeprowadzone zostały dla trzech położeń przesłony. Każda z wielkości była mierzona dla różnych prędkości obrotowych, malejących od wartości 3000 do 800 obr/min. Przeprowadzone pomiary oraz obliczenia pozwoliły na wyznaczenie wykresów zależności sprawności η , mocy dostarczonej P i prędkości obrotowej n od strumienia objętości qV₁ na wlocie wentylatora. Każdą z wymienionych wielkości charakteryzował wzrost przy rosnącej wydajności qV₁. Na podstawie trzech wykresów wymienionych powyżej została utworzona charakterystyka zbiorowa, zwana także wykresem muszlowym. Odbiega ona jednak od wzorcowego kształtu, czego powodem jest nieregularny przebieg charakterystyki przedstawionej na wykresie nr 2 (obrazującej zmiany sprawności η przy zmieniającej się wartości qV₁).

Sprawność wentylatora jest wysoka, jej maksymalna wartość została osiągnięta przy drugim ustawieniu przesłony i wyniosła 126 %. Powodem tak wysokich wyników są najprawdopodobniej błędy pomiarowe.

Przeprowadzone obliczenia wykazały, że różnice między strumieniami objętości na zwężce, na wlocie oraz wylocie wentylatora są stosunkowo niewielkie, zatem przepływ czynnika można określić jako bardzo bliski nieściśliwemu, pomimo że liczba ekspansji ε jest mniejsza od 1.