Temat: Badanie wydajności cieczy i cechowania przepływomierzy

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

• zapoznanie się z zasadą działania niektórych przepływomierzy,

• zapoznanie się z różnymi metodami pomiaru strumienia objętości cieczy,

• określenie dokładności pomiarów dla poszczególnych przepływomierzy.

W zakres ćwiczenia wchodzi pomiar natężenia objętościowego wody poszczególnymi przyrządami oraz ocena błędu wskazań.

2.Opis stanowiska laboratoryjnego

Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego strumienia objętości cieczy Q i cechowania przepływomierzy

1-zawory kulowe, 2-manometr mechaniczny, 3-prostownica strumienia wiązkowa, 4-śrubunek,5-rotametr, 6-manometr różnicowy U-rurkowy do przytarczowego odbioru ciśnienia, 7-manometr U-rurkowy do kołnierzowego odbioru ciśnienia; 8-odcinek rurociągu do wyznaczania prędkości przepływu 9-odcinek rurociągu z sondą całkującą wymienny z poz. 8, 10-sonda Pitota i ciśnienia statycznego, 11-wodomierz, 12-termometr, 13-zawory kulowe;14-element rurociągu z wodomierzem wymienny z poz. 11, 15-otwory impulsowe do odbioru kołnierzowego ciśnienia, 16-otwory impulsowe do odbioru przytarczowego szczelinowego ciśnienia;17-manometr U-rurkowy, 18-kryza

Stanowisko do pomiaru strumienia objętości wody jest pokazane na rys.1 .Woda dopływa z sieci poprzez zawór odcinający 1. Przepływ cieczy odbywa się przez urządzenie stabilizujące

strumień wody czyli prostownicę strumienia. Do pomiaru spadku ciśnień na kryzie pomiarowej 19 służy manometr różnicowy 6 lub 7 (lub przetwornik różnicy ciśnień). Na stanowisku znajdują się też wodomierz, 11 z którego odczytujemy ilość przepływającej wody w określonym czasie, (co najmniej 60sek). Wodomierze są wymienne. Stanowisko wyposażone jest także w rotametr 5 oraz sondę Pitota i ciśnienia statycznego 10 umieszczoną na stałe w przewodzie w osi rurociągu (pomiar prędkości maksymalnej) oraz wymienny element z sondą całkującą 9.

3. Przebieg realizacji ćwiczenia

Najpierw należy uruchomić przepływ wody przez odkręcenie jednego z zaworów. Przepływ regulujemy ustawiając pływak rotametru w kilku położeniach. Dla każdego położenia pływaka odczytać spadek ciśnienia na kryzie dwiema metodami odbioru ciśnienia tj. kołnierzowym i przytarczowym wg wzoru [4]:

Δp =
[Pa] (10)

gdzie: ρ_m - gęstość cieczy manometrycznej [kg/m³],

ρ - gęstość wody [kg/m³],

Δz - spiętrzenie manometru [mm],

g = 9,807 m/s² (przyspieszenie ziemskie).

Z manometru sondy Pitota i ciśnienia statycznego odczytujemy wysokość spiętrzenia cieczy manometrycznej (dla prędkości w osi rurociagu). Prędkość średnia v_śr jest funkcją liczby Reynoldsa i do prędkości maksymalnej (w osi rurociągu) stanowi stały stosunek dla określonych zakresów liczb Reynoldsa wg, [4]. Czyli do wyznaczenia prędkości średniej potrzebna jest znajomość prędkości maksymalnej przepływu i liczby Reynoldsa dla prędkości średniej (tabela stosunku v_śr/v_max dla zakresów liczb Reynoldsa poniżej). Opisany pomiar prędkości średniej nie należy do bardzo dokładnych, ale jest wystarczający dla celów technicznych. Strumień objętości wody przy pomocy wodomierza określamy odnotowując ilość wody przepływającej w zadanym czasie, (co najmniej 60 sek.) dla określonego położenia zaworu. Co 3÷5 pomiary dla różnych położeń pływaka rotametru zmieniamy wodomierz na inny - o innej wartości q_n .

Dokładniejszą metodą wyznaczenia prędkości średniej jest pomiar prędkości w kilku punktach strumienia przepływu cieczy za pomocą sondy całkującej (kapilara z otworami rozmieszczonymi tak, że powierzchnie pól współśrodkowych są sobie równe). Ogólnie można zapisać:

v_śr =
(v^'₁+v₁''+v ₂'+v₂''+....) (11)

gdzie: m - liczba symetrycznie położonych punktów pomiarowych,

n - liczba współsrodkowych pól,

v_i - prędkości dla poszczególnych punktów pomiarowych.

Wartość stałej C dla kryzy d =12,1mm jest przedstawiona w formie wykresu w funkcji liczby Reynoldsa dla kołnierzowego i przytarczowego odbioru ciśnienia przy kryzie

1. Stosunek v_śr/v_max dla określonych przedziałów liczb Reynoldsa w.g. [4] )

Re	4x10^3	(4,5÷8)x10^4	2x10^5	6,4x10^5	2x10^6
vśr/vmax	0,791	0,817	0,837	0,853	0,866

4 Zestawienie i analiza wyników badań

Pomiary parametrów pośrednich służących do obliczeń strumienia objętości przepływu za

pomocą przepływomierzy.

L.p.	Przepływomierze badane
		Kryza odbiór ciśnienia przytarczowy	Kryza odbiór ciśnienia kołnierzowa	Rotametr	Wodomierze
								W1 przed	W2 po
		Δz [mm]	Δz [mm]	hr [mm]	[m^3/h]	[m^3/h]
1	21	10	10	0,768	0,771
2	18	10	36	0,772	0,782
3	15	9,5	75	0,783	0,794
4	20,3	9,5	86	0,795	0,814
5	20	9,5	92	0,833	0,849
Twody[ºC] = 16^oC ρm(kryza) =13,556*10^3 kg/m^3 ρm(sonda)= - d (kryza) =12,1mm D(rurociąg) =26,14 mm

Pomiary dla Rurka Pilota nie zostały przeprowadzone, ponieważ nie było to możliwe gdyż nie została ona podłączona.

Pomiar strumienia masy i strumienia objętości płynów za pomocą zwężek pomiarowych parametry charakterystyczne zwężki pomiarowej to:

β = d/D

β = 12,1 /26,14 = 0,4628 ≈ 0,46

β =0,46

Strumień objętości płynu Q_v obliczamy z zależności (wynika z równania Bernoulliego i równania ciągłości strugi ) :

Q_v =
[m³/s] (3)

dla cieczy ε = 1

ρ_woda= 998,943 kg/m³

d (kryza) =12,1mm = 0,0121m

Dla każdego położenia pływaka odczytać spadek ciśnienia na kryzie dwiema metodami odbioru ciśnienia tj. kołnierzowym i przytarczowym wg wzoru [4]:

Δp =
[Pa] (10)

ρ_m(kryza) =13,556*10³ kg/m³

ρ_woda= 998,943 kg/m³

g = 9,807 m/s²

Δp₁ =(13,556*10^{3 _} 998,943)* 9,807 *0,001/ 1000 = 0,123

Rotametr składa się z dwóch zasadniczych części: szklanej lub stalowej rury stożkowej oraz pływaka. Działanie rotametru polega na utrzymaniu się pływaka w stanie zawieszenia pod wpływem płynącego do góry płynu.

Strumień objętości Q_v przepływającego płynu przez rotametr wynosi:

Q_v = K α A [m³/s] (4)

gdzie: K - wartość stała dla danego pływaka,

α - współczynnik przepływu,

A - powierzchnia wolnego przekroju pierścieniowego między pływakiem a cylindrem [m²].

Przy założeniu że α = const ,strumień objętości płynu jest tylko funkcją powierzchni „A”, która z kolei zależy od wzniosu pływaka. Ostatecznie równanie (4) możemy zapisać w postaci [4]:

Q_v = f (h_r ) (5)

Pomiary odczytane zostały z wykresu załączonego do sprawozdania.

WNIOSKI:

Wykorzystanie zwężki do pomiaru natężenia przepływu strumienia przez przewód jest bardzo praktyczną i wygodną metodą pomiaru obarczoną przy tym niewielkim błędem zawartym w granicach tolerancji. Przy zastosowaniu odpowiedniego programu liczącego dokonanie pomiaru można jedynie ograniczyć do odczytu różnicy wysokości słupów cieczy w manometrze.

Wyznaczenie współczynnika przepływu dla badanej zwężki pozwala opisać charakter strat energetycznych na odcinku zwężki i przedstawić je w funkcji liczby Reynolds.

Innym sposobem wyznaczenia współczynnika przepływu jest wykorzystanie rotametru, dzięki któremu możemy odczytać wartość przepływu bezpośrednio z wykresu. Dla rotometru możemy również przedstawić wykres Δ_n =f(Q₁) został on dołączony do sprawozdania.

Wykres dla wodomierza nie jest możliwy gdyż mamy jeden całościowy pomiar przepływu wody i dla tego przepływu będziemy mieli tylko jeden pomiar przedstawiający procentowy błąd pomiarów.

Mogły wystąpić następujące błędy podczas pomiarów:

Błąd pomiaru objętości i czasu wynoszą odpowiednio:

ΔQ = 0,001 m³;

Δt = 0,1 s;

ale nie mają one wielkiego wpływu na ostateczne wyniki pomiarów gdyż wpływają jedynie na wartość natężenia przepływu.

---