STRUMIENICA

1. Cel i zakres doświadczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z:

• Zasadą pracy pompy strumieniowej;

• Metodyką pomiaru wielkości wydatku za pomocą naczynia pojemnościowego;

• Pojęciem sprawności pompy strumieniowej;

• Charakterystykami pompy strumieniowej;

• Analizą błędów pomiarowych;

Zakres ćwiczenia:

• Wyznaczenie charakterystyk pracy pompy strumieniowej;

• Analiza wyników;

1. Teoretyczny opis analizowanego zjawiska wraz z ideą przeprowadzenia doświadczenia, wprowadzeniem odpowiednich wzorów teoretycznych.

Strumienica jest jednym z rodzajów pomp, którą cechuje prosta budowa, brak elementów ruchomych, co zapewnia jej dużą bezawaryjność, duży zakres natężeń przepływu. Jest stosowana przy pompowaniu wód z głębokich studni, wykopów fundamentowych, ścieków, do pompowania agresywnych płynów itp. (ze względu na brak części ruchomych ziarna piasku oraz inne zanieczyszczenia nie mogą zatrzeć urządzenia co miałoby miejsce przy stosowaniu np. pompy wirnikowej). Jej największą wadą jest mała sprawność (waha się w granicach 30-40%), choć pomimo tego znajduje ona szerokie zastosowanie w inżynierii. Służy do przenoszenia cieczy, zawiesin, ciał sypkich oraz gazów.

Zasada działania:

Ze zbiornika zasilającego ciecz robocza w ilości Q_z przepływa przewodem do dyszy zasilającej. Przy przepływie cieczy przez dyszę następuje wzrost prędkości, a wypływający strumień wywołuje podciśnienie w dyszy podchwytującej. Różnica ciśnień pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym, a ciśnieniem w dyszy podchwytującej powoduje zasysanie cieczy ze zbiornika dolnego w ilości Q_s na wysokość h_s. Następnie w komorze mieszania oba strumienie mieszają się ze sobą. W dyfuzorze energia kinetyczna cieczy zamienia się częściowo w energią potencjalną, która powoduje przepływ w ilości Q_c przewodem tłocznym do zbiornika zasilanego na wysokości h_t. Całkowite wymieszanie płynów zachodzi w komorze mieszania. Całkowite natężenie przepływu wynosi: Q_c = Q_z + Q_s.

Strumienica w naszym doświadczeniu to strumienica cieczowa (płynem zasilającym strumienicę była woda).

Można również stwierdzić, że jest to ejektor. Ejektory są przeznaczone do przenoszenia zasysanego ośrodka (w naszym przypadku wody) z przestrzeni o ciśnieniu niższym od atmosferycznego do przestrzeni o ciśnieniu atmosferycznym (np. przy pompowaniu ze studzien drenażowych, wykopów fundamentowych). Można wyszczególnić, że nasza strumienica jest ejektorem jednocieczowym, gdyż zarówno cieczą zasilającą, jak i zasilaną jest woda.

• Pomiar natężenia strumienia zasilającego Q_z:

Wartość Q_z mierzymy za pomocą dwóch manometrów, na których odczytujemy różnicę ciśnień. Dokonując pomiarów różnicy wskazań manometrów ∆p, z wykresu zależności dla kryzy Q_z=Q_z(Δp), znajdującego się w laboratorium, odczytujemy wartości Q_z.

• Pomiar natężenia strumienia całkowitego Q_c:

Wielkość Q_c mierzymy w ten sposób, żedokonujemy pomiaru czasu, w którym objętość wody nalewającej się do naczynia zwiększy się o ustaloną wcześniej wartość. Wówczas natężenie przepływu oblicza się ze wzoru:

• Pomiar wysokości ciśnienia strumienia zasilającego h_z:

Wysokość ciśnienia strumienia zasilającego h_z wyznacza się ze wzoru:

,

gdzie:

P_M - wartość nadciśnienia w przewodzie zasilającym odczytana na manometrze tarczowym M(do wzoru wstawiamy przeliczone na ),

1 kG (kilogram-siła) = 9,80665 N

- gęstość wody w przewodzie,

g - przyspieszenie ziemskie.

• Pomiar strumienia zasysanego Q_s:

Bezpośredni pomiar natężenia strumienia zasysanego jest niemożliwy, dlatego wyznacza się go ze wzoru:

Q_s = Q_c − Q_z

1. Schemat stanowiska

1. Opis działania stosowanych przyrządów i zasad pomiaru za ich pomocą

Stoper – pomiar czasu napełniania się zbiornika.

Termometr – pomiar temperatury cieczy na początku i końcu doświadczenia.

Metrówka – pomiar wymiarów naczynia.

1. Opis przebiegu doświadczenia

1. sprawdzenie modelu – zawory: zasilające i zrzutowy powinny być zamknięte;

2. powolne i częściowe otwarcie dopływu do zbiornika skąd zasysana jest woda;

3. powolne otwarcie zasilania pompy;

4. odpowietrzenie modelu;

5. odpowietrzenie manometru różnicowego;

6. zamknięcie zaworu bezpieczeństwa na manometrze różnicowym;

7. powolne otwarcie zasilania dla uzyskania zadanej wartości wydatku zasilającego –

wartość wydatku zasilającego była stała dla poszczególnych serii pomiarowych;

8. pomiar temperatury strumienia zasilającego i zasysanego;

9. pomiar wysokości ssania – odległość pomiędzy osią strumienicy a lustrem zwierciadła

wody w zbiorniku, z którego zasysana jest woda;

10. pomiar wysokości tłoczenia pompy strumieniowej – poprzez rejestrację napełnienia

pionowego zbiornika i odpowiadającego jej całkowitego wydatku za pomocą naczynia

pojemnościowego dla wybranego stopnia przymknięcia zaworu regulacyjnego;

1. Sposób wykonania ćwiczenia

Otwieramy zawór Z2 w celu napełnienia zbiornika ssawnego – z niego strumienica będzie zasysała wodę. Zbiornik jest tak skonstruowany, aby poziom wody był w nim stały przez cały czas trwania doświadczenia. Wysokość ssania h_s pozostaje stała w trakcie doświadczenia. W celu uruchomienia całego zestawu pomiarowego, odkręcamy zawór Z1, Z4, natomiast Z3 pozostaje zamknięty. Dzięki temu odpowietrzymy piezometr (czekamy aż woda przeleje się przez jego górny otwór). Zawory Z1, Z2 pozostają otwarte przez całe doświadczenie i nimi nic nie regulujemy. Na manometrze M odczytujemy nadciśnienie w przewodzie. Zaworem Z3 będziemy regulowali przepływ, który będziemy mierzyli w następujący sposób: odczytujemy wskazanie piezometru, zakręcając zawór Z4 napełniamy zbiornik Tłoczny, mierząc czas jego napełniania. Zmierzoną objętość napełnienia zbiornika (V = 0,005 m³) dzielimy przez czas t i otrzymujemy Qc. Postępujemy podobnie dla 8 różnych ustawień zaworu Z3. Zaworem Z4 opróżniamy zbiornik Tłoczny.

nr pomiaru	ht [m H2O]	t [s]	tśr [s]
1	0,98	37,25	37,21
		37,17
2	0,86	31,12	31,16
		31,20
3	0,80	25,09	25,24
		25,38
4	0,69	23,22	23,46
		23,69
5	0,60	21,88	21,66
		21,44
6	0,50	20,65	20,47
		20,28
7	0,42	19,38	19,29
		19,20
8	0,29	18,16	18,22
		18,28

Przykładowe obliczenia wykonaliśmy dla pierwszego pomiaru.

1. By obliczyć wartość całkowitego natężenia przepływu strumienicy Q_c korzystamy ze wzoru:

V - objętość cieczy, spływającej do naczynia w czasie t, , V=0,005

- średnia wartość czasu wypełniania przez ciecz naczynia do określonej objętości, [s]

1. Do obliczenia wartości wysokości podnoszenia strumienicy skorzystaliśmy ze wzoru:

- wysokość tłoczenia [m H₂O],

- wysokość ssania [m H₂O] .

1. Obliczenie wysokości ciśnienia strumienia zasilającego h_z:

P_M = 2,6 = 254972,9

Woda miała temperaturę 20°C. Gęstość wody dla tej temperatury odczytaliśmy z tablic -

1. Obliczenie wartości strumienia zasysanego Q_s:

Dla wskazania manometru różnicowego Δp = 0,3 bar z wykresu odczytaliśmy wartość natężenia przepływu strumienia zasilającego

Q_z = 5810^-6.

1. Sprawność strumienicy:

Współczynnik sprawności strumienicy jest ilorazem mocy przekazanej zasysanej cieczy do mocy oddanej przez strumień zasilający. Przyjmując, że ubytki energii mechanicznej w przewodach doprowadzających i odprowadzających ciecz ze strumienicy są pomijalne sprawność oblicza się ze wzoru:

.

przyjmując, że wartości ciężarów właściwych wody zasysanej i zasilającej są takie same otrzymujemy:

Wyniki obliczeń zestawiliśmy w tabeli:

nr pomiaru	ht [m H2O]	tśr [s]			H0 [m H2O]	η [-]
			Qc * 10^-3 [m^3/s]	Qs *10^-3 [m^3/s]
1	0,98	37,21	0,13437	0,07637	1,15	0,06
2	0,86	31,16	0,16046	0,10246	1,03	0,07
3	0,8	25,24	0,19810	0,14010	0,97	0,09
4	0,69	23,46	0,21313	0,15513	0,86	0,09
5	0,6	21,66	0,23084	0,17284	0,77	0,09
6	0,5	20,47	0,24426	0,18626	0,67	0,08
7	0,42	19,29	0,25920	0,20120	0,59	0,08
8	0,29	18,22	0,27442	0,21642	0,46	0,07

1. Rachunek błędów

Błędy pomiaru:

• temperatury 1^oC

• wysokości h_t 10 mm

• wysokości h_s

• manometru mechanicznego 0,1

• natężenia strumienia Q_z, 110^-6

• pomiaru czasu 0,5 s

• pomiaru objętości 110^-6 m³

Największe błędy odczytu wystąpiły przy odczytywaniu wysokości tłoczenia, przy pomiarach dla stałego natężenia strumienia zasilającego. Ciągłe wahania cieczy w cylindrze pomiarowym nie pozwalały na dokładny odczyt.

Analizę błędów wartości przeprowadzono w oparciu o różniczkę zupełną dla pomiaru pierwszego:

Wyniki zestawiliśmy w tabelce:

ΔQc10^-5 [m^3/s]	ΔH0 [m H2O]	ΔQs10^-5 [m^3/s]	Δhz [m]	Δ η [-]
0,18056	0,012	0,08056		0,002340
0,25748	0,012	0,15748		0,003234
0,39243	0,012	0,29243		0,004733
0,45424	0,012	0,35424		0,004947
0,53287	0,012	0,43287		0,005264
0,59663	0,012	0,49663		0,005249
0,67186	0,012	0,57186		0,005312
0,75308	0,012	0,65308		0,004933

1. Wnioski:

- Stwierdzamy, że współczynniki sprawności dla każdej serii pomiarowej wykazały, że sprawność strumienicy jest bardzo mała (6-9%), co jest zdecydowaną wadą urządzenia

- Niewielkie rozbieżności wyników mogły być spowodowane pomiarami czasu stoperem, co mogło się przełożyć na obliczenie dokładności natężenia strumienia całkowitego,

- to z kolei w połączeniu z niedokładnością odczytania z wykresu wartości natężenia przepływu strumienia zasilającego spowodowane wahaniami na manometrze różnicowym, mogło wpłynąć na wartość natężenia strumienia zasysanego.