MASZYNOZNAWSTWO PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO

Zakres materiału{?}

Podstawy metrologii przemysłowej. Zadania miernictwa przemysłowego, główne elementy układów miernictwa przemysłowego, przetworniki.

Pomiar przepływu płynu. Klasyfikacja przepływomierzy. Budowa, zasada działania zwężki pomiarowej, rotametru, rurek spiętrzających, przepływomierzy kapilarnych, elektromagnetycznych, kalorymetrycznych i anemometrycznych.

Budowa i zasada działania liczników do cieczy i gazów wirnikowych i komorowych.

Pomiar temperatury. Budowa i zasada działania termometrów szklanych, ciśnieniowych, oporowych i termoelektrycznych.

Pomiar ciśnienia. Budowa i zasada działania manometrów hydrostatycznych, hydraulicznych, sprężystych i elektrycznych.

Pomiar gęstości i poziomu cieczy. Budowa i zasada działania mierników hydrostatycznych, wypornościowych, elektrycznych, izotopowych i konduktometrycznych.

Pomiar wilgotności. Zasady pomiaru, sposoby pomiaru.

Budowa i zasada działania pomp stosowanych w przemyśle spożywczym. Pompy wyporowe: tłokowe, przeponowe i zębate. Charakterystyka pomp wyporowych: wydajność, wysokość podnoszenia, zapotrzebowanie mocy i sprawność. Pompy przepływowe, odśrodkowe i śmigłowe. Charakterystyka pomp przepływowych. Współpraca i regulacja pomp.

Budowa i zasada działania sprężarek i wentylatorów. Sprężarki wyporowe przepływowe. Wentylatory promieniowe i osiowe. Charakterystyka sprężarek i wentylatorów.

Transport wewnętrzny w zakładzie. Budowa i zasada działania przenośników. Przenośniki mechaniczne i z czynnikiem pośrednim. Wózki i wozy. Właściwości transportowanych ciał stałych.

Maszyny i urządzenia do utrzymania higieny produkcji. Maszyny i urządzenia do mycia i dezynfekcji opakowań jednostkowych: odmaczalniki, myjki do opakowań szklanych oraz myjki do puszek. Maszyny i urządzenia do mycia i dezynfekcji opakowań zbiorczych: myjki do konwi, beczek, myjki do skrzyń oraz urządzenia do mycia tanków. Maszyny do mycia i dezynfekcji powierzchni maszyn i powierzchni hal produkcyjnych.

Maszyny i urządzenia do napełniania i zamykania. Budowa i zasada działania rozlewaczek: do stałej objętości, do stałej wysokości oraz rozlewaczek bezzbiornikowych. Maszyny do dozowania produktów pastowych i produktów stałych sypkich. Urządzenia do zamykania opakowań: korkownice, kapslownice, zamykarki do puszek i do słoi.

Urządzenia do magazynowania i wyposażenie magazynów. Magazynowanie ciał sypkich: silosy, systemy wietrzenia, załadunku i wyładunku. Magazynowanie cieczy; zbiorniki metalowe, betonowe, z tworzyw sztucznych i drewna. Budowa i wyposażenia zbiornika do cieczy.

Termodynamika pary wodnej. Termodynamika powietrza. Termodynamika obiegów chłodniczych.

1. Metrologia

1. 1. Podstawy metrologii

Tematem wykładu jest technika ciągłych lub quasi-ciągłych pomiarów wielkości niezbędnych do prowadzenia procesów przetwórczych. W przemyśle spożywczym dominującym czynnikiem jest zmiana właściwości substancji drogą oddzielania, oczyszczania, mieszania i reakcji chemicznych. Tak pojęte miernictwo przemysłowe nie ogranicza się tylko do potrzeb automatyki. Służy również innym celom, technologicznie
i gospodarczo bardzo ważnym.

Do najważniejszych zadań należy:

• dostarczanie informacji potrzebnych do automatycznej regulacji,

• kontrola przebiegów procesów niezautomatyzowanych,

• rozrachunek ekonomiczny, kontrola sprawności,

• kontrola zapasów i ich zużycia,

• zabezpieczenie urządzeń przemysłowych przed nadmiernym zużyciem lub zniszczeniem,

• bezpieczeństwo i zdrowie załogi,

• prace badawcze i rozwojowe.

Zadania miernictwa przemysłowego w dziedzinie badawczo-rozwojowej należą obecnie do najbardziej narastających pod względem jakościowym i ilościowym.

Uporządkowanie przyrządów i metod pomiarowych w dziedzinie miernictwa przemysłowego ma szczególne znaczenie. Jedną z najważniejszych zasad systematyki przyjmuje się wielkość mierzoną określoną w sposób ogólny. Do dalszego porządkowania stosuje się następujące kryteria.

• zasada działania przyrządu: rodzaj zjawisk fizycznych oraz przemian energetycznych zachodzących w przetworniku,

• właściwości miernicze przyrządu takie jak: czułość, zakres, klasy niedoskonałości, właściwości dynamiczne.

Zadania miernictwa przemysłowego

Wszelka produkcja przemysłowa, nawet bardzo prymitywna, wymaga informacji o stanach, zjawiskach fizycznych, chemicznych, fizykochemicznych i biologicznych, zachodzących w procesie produkcyjnym i w jego otoczeniu. Niedawno jeszcze głównym źródłem potrzebnych informacji były zmysłowe obserwacje rzemieślnika, robotnika czy majstra oraz indywidualne, proste urządzenia pomiarowe z lokalnymi miernikami.

W miarę narastania intensywności produkcji, liczba i różnorodność niezbędnych informacji gwałtownie wzrasta, a ich jakość musi być coraz lepsza. Jakość informacji to: dokładność, szybkość, niezawodność i dostępność w odpowiednim miejscu i postaci. Doskonała jakość informacji o procesie, instalacjach przemysłowych i ich otoczeniu jest istotnym warunkiem uzyskania dobrej jakościowo produkcji przy minimalnych kosztach oraz racjonalnym zużyciu surowców, energii i urządzeń.

Następujące czynniki współczesnego rozwoju przemysłu powiększają i zaostrzają wymagania co do ilości, różnorodności i jakości informacji:

• wielkość zakładów przemysłowych,

• ostre i skomplikowane reżimy technologiczne,

• wysokie parametry procesów (ciśnienia, temperatury, prędkości, agresywności),

• maszyny, przerób surowców,

• wysokie wymagania jakości produktu finalnego,

• automatyzacja indywidualna i kompleksowa,

• zaostrzające się wymagania co do ochrony zdrowia, bhp oraz ochrony środowiska.

Uzyskanie niezbędnych informacji jest możliwe jedynie drogą pomiaru, a specjalistyczną dyscypliną zajmującą się pomiarami w celu kontroli procesów produkcyjnych jest miernictwo przemysłowe.

Odbiorcą wyniku pomiaru jest obserwator, człowiek zdolny do percepcji informacji. Jednak we współczesnej praktyce informacje uzyskane przez pomiar często, a w niektórych sytuacjach z reguły, nie dochodzą do świadomości obserwatora.

Nosicielem informacji o wielkości mierzonej jest sygnał, który można zdefiniować jako przebieg czasowy wielkości fizycznej, zawierający parametr informacji. Sygnał powinien być możliwie odporny na zakłócenia, dogodny do wykorzystania w układach regulacji, do ujawnienia dla obserwatora, do rejestracji oraz do przenoszenia na odległość, a także do przekształcenia w inną postać. Wymagania te determinują dobór sygnału zarówno co do postaci, jak i rodzaju energii, zależnie od istniejących warunków i wymagań.

Warunki panujące w przetwórczych zakładach przemysłowych stwarzają szczególne wymagania co do odporności i niezawodności urządzeń pomiarowych. Zakłócenia wszelkich typów: termiczne, mechaniczne, elektryczne, chemiczne, spotykane w zakładach przemysłowych, narzucają warunki i ograniczenia na zasady pomiaru, układy pomiarowe i przetwarzające sygnał pomiarowy oraz na sposoby ich realizacji.

Potrzebne do prowadzenia procesów przemysłowych i prac badawczych informacje, uzyskiwane drogą pomiaru, dotyczą wielkości czy stanów, które mają dwojaki charakter:

• wielkości o charakterze ciągłym, które teoretycznie mogą przybrać nieograniczoną liczbę wyróżnialnych wartości,

• informacje o charakterze dwustronnym, binarnym, gdy między jednym a drugim stanem zachodzi ostra granica, albo przynajmniej dla celów praktycznych można taką wyróżnić. Przykładami stanów binarnych są: poziom niższy - wyższy od określonej wartości; wyłącznik: zamknięty - otwarty.

Główne elementy i ogólny schemat układów miernictwa przemysłowego

Podstawową funkcję w procesie pomiaru spełnia czujnik. Jest to układ fizykalny, fizyko-chemiczny lub nawet biologiczny, którego wybrana własność jest ściśle związana z wartością wielkości mierzonej znaną i powtarzalną zależnością y = f(x). Wybrana własność y czujnika powinna dobrze nadawać się do dalszego przetwarzania na użyteczny sygnał pomiarowy. Sygnał kształtowany jest również w następnych elementach łańcucha pomiarowego, stanowiących przetworniki wtórne lub ich układy funkcyjne. W czujniku, w układzie pomiarowym lub przetwornikach musi być utrwalony wzorzec miary.

Jedną z istotnych przyczyn rozbudowy łańcucha układu pomiarowego jest to, że w rzeczywistości na wartość pierwotnego sygnału czujnika y wpływa oprócz wielkości mierzonej wiele innych czynników,

a więc jest y = f (x, z_i)

gdzie: z_i - elementy wpływowe i zakłócające.

Sygnał pomiarowy winien odwzorowywać wiernie czasowy przebieg zmiennej w czasie wartości wielkości mierzonej. Stawia do szczególne wymagania odnośnie minimalizacji opóźnień pomiarowych, a ogólnie odnośnie własności dynamicznych elementów.

Procesy przetwarzania wielkości mierzonej na użyteczny sygnał pomiarowy o dostatecznej jakości, dla potrzeb nowoczesnego przemysłu doprowadziły do rozbudowy różnorodnych przetworników.

Dąży się do wprowadzania całych systemów pomiarowych, ale wymaga to:

• unifikacji sygnałów oraz dopasowania parametrów wyjścia i wejścia,

• budowy modułowej,

• dobrania elementów pośredniczących układ pomiarowy - system przetwarzania danych.

Wielkości mierzone

W praktyce pomiarów przemysłowych mierzy się niemal wszystkie znane wielkości i stany materii o charakterze fizykalnym, fizyko-chemicznym i chemicznym. Szczegółowe uporządkowanie mierzonych wielkości byłoby bardzo trudne i niecelowe. Natomiast wyróżnić można kilka grup pokrewnych wielkości:

• wielkości mechaniczne (stany geometryczne, parametry siły, parametry ruchu, przepływu),

• wielkości chemiczne (skład chemiczny, stężenie jonów wodorowych, potencjał redox),

• wielkości termiczne (temperatura, wartość opałowa, przepływ energii cieplnej),

• własności fizyczne materii, surowców, gotowych wyrobów (gęstość, lepkość, własności elektryczne),

• parametr czasu wchodzący bezpośrednio jako podstawowa wielkość przy pomiarze wielu innych wielkości oraz jako czynnik zapewniający sekwencję i porządek działań.

Charakterystyki statyczne wielkości mierzonych

Charakterystyki te obejmują następujące zagadnienia:

• Określenie miary wielkości mierzonej.

• Zakres i rozkład wielkości mierzonej.

• Niejednoznaczność wielkości mierzonej.

Ad A. Wyróżniamy następujące miary wielkości mierzonej:

• wartość chwilowa x(t),

• wartości graniczne Xmax, Xmin,

• wartość średnia w czasie,

• wartość średnia w przestrzeni ,

• pochodna względem czasu (prędkość) ,

• druga pochodna (przyspieszenie) ,

• całka w określonym przedziale czasu lub zliczanie przedmiotów .

Ad B. Zakres wartości wielkości mierzonej określają spotykane w praktyce przemysłowej wartości. Dolna i górna granica zakresu wartości określonej wielkości spotykanej w danym procesie przemysłowym. Wartość nominalna wielkości mierzonej, która wynika z określonych ekonomicznych i technologicznych przesłanek.

Tak określona wartość jest docelową w danym procesie, stanowi więc ważne kryterium do doboru zakresu i własności przyrządu. Dokładność wskazań w pobliżu wartości nominalnej powinna być najlepsza.

Ad C. Określenie wielkości mierzonej z technologicznego punktu widzenia natrafia często na trudności rozkładów wartości wielkości mierzonych.

Charakterystyka obiektu pomiaru i jego otoczenia

Obiekt przemysłowy jest obszarem zjawiska i źródłem wielkości mierzonej, a równocześnie wraz z obszarem otaczającym jest źródłem wpływów i zakłóceń nakładających się na sygnał, reprezentujący wielkość mierzoną, które fałszują wynik pomiaru.

Obiekt (obszar zjawiska) charakteryzują następujące najważniejsze cechy:

• rozkład wartości wielkości mierzonej,

• zakłócenia wartości wielkości mierzonej wskutek wprowadzenia czujnika lub przetwornika,

• wielkości wpływające i zakłócające mogące wpływać na wartość sygnału pomiarowego bezpośrednio lub poprzez zmianę czułości czujnika.

Obszar otaczający obiekt jest często źródłem zakłóceń pomiarowych. I dlatego istotne są między innymi gradienty wielkości mierzonej na pograniczu obiektu i otoczenia oraz obecności źródeł innych energii.

Metody pomiarowe

Sposób przeprowadzenia pomiaru, tj. przyrównania wielkości mierzonej do wzorca miary nazywamy metodą pomiarową. Jest to więc sposób przetwarzania wielkości mierzonej x na sygnał pomiarowy:

y = f(x, z)

z - zakłócenia.

Pomiary w metodach pomiarowych wykonuje się jako porównawcze:

• metodą wychyłową;

• metodą różnicową;

• metodą zerową.

• Metoda wychyłowa polega na przyporządkowaniu określonej wartości mierzonej wielkości x sygnałowi wyjściowemu miernika, który wraz z przetwornikiem i układem pomiarowym był uprzednio porównywany (wzorcowany) w stosunku do odpowiednich wzorców mierzonej wielkości y = f(x).

• Metoda różnicowa polega na wytworzeniu różnicy pomiędzy wielkością mierzoną
  a wzorcową oraz na pomiarze tej różnicy metodą wychyłową. Metodę tę można opisać zależnością:

x_n - wartość miary wzorca.

• Metoda zerowa polega na doprowadzeniu wielkości wzorcowej do równości
  z wielkością mierzoną. Metodę tę opisuje równość:

|δ| - nieczułość urządzenia wykrywającego równość.

Układy pomiarowe można podzielić na dwie grupy:

• układy o obwodzie otwartym,

• układy śledzące o obwodzie zamkniętym.

W pierwszym przypadku brak jest sprzężeń zwrotnych między dalszymi a bliższymi elementami układu, a sygnał przechodzi kolejno od wejścia do wyjścia. W drugim przypadku istotną częścią układu jest co najmniej jedno ujemne sprzężenie zwrotne. Działanie układu śledzącego odpowiada układowi regulacyjnemu, którego zadaniem jest utrzymanie niezmiennej zależności funkcyjnej y = f(x).

Błędy pomiarowe

Warto przeanalizować wpływ wielkości fizycznych otoczenia i obiektu na błędy pomiaru oraz na specyficzne źródło błędów, jakim jest „pobieranie próbki” wielkości mierzonej.

Do błędów systematycznych, oprócz indywidualnych niedoskonałości wzorcowania, można zaliczyć dające się uchwycić rachunkowo wpływy niektórych zmiennych niezależnych. Idealną funkcję przenoszenia y = f(x) należy zastąpić funkcją o wielu zmiennych niezależnych:

gdzie duże litery oznaczają parametry charakteryzujące cechy instrumentalne urządzenia pomiarowego, a litery małe oznaczają zmienne parametry otoczenia.

W rzeczywistości sygnał y jest więc bardzo zawiłą funkcją wielu zmiennych, których zmiany są jedną z przyczyn istnienia błędów przypadkowych.

Błędy powstające pod wpływem zmiany cech przyrządu można nazwać błędami instrumentalnymi, natomiast pozostałe - błędami metody pomiarowej. Obydwa rodzaje nazywamy błędami wpływu czynników zewnętrznych.

Specyficznym źródłem błędów jest pobieranie próbki. Błędy pobierania próbki można zdefiniować jako błędy spowodowane różnicą między wielkością rzeczywistą mierzoną a wielkością właściwą, np. źle umieszczony termometr.

Przetworniki

Zadaniem przetwornika pomiarowego jest wytwarzanie drogą odpowiednich przemian energetycznych sygnału y', spełniającego warunek:

gdzie x jest mierzoną wielkością zmienną, a f(x) określa funkcję przenoszenia przetwornika. Przetwornik jest zatem układem fizycznym zapewniającym jednoznaczny związek określony funkcją przenoszenia między sygnałem pomiarowym
y', który jest sygnałem wyjściowym, a wielkością mierzoną x, określoną też jako sygnał wejściowy układu.

Zachodzące w przetworniku przemiany energetyczne, nieraz wielokrotne, powinny spełniać warunki zapewniające optymalne wykonanie zadania pomiarowego.

Najważniejsze wymagania:

• wartość sygnału y powinna być zależna wyłącznie od wartości zmiennej
  x (selektywność, brak wpływów, dokładność),

• funkcja przenoszenia powinna być jednoznaczna w możliwie szerokim przedziale wartości x oraz niezmienna w czasie (duży zakres pomiarowy, stabilność),

• pochodna dy/dx czyli czułość, powinna mieć dużą wartość i powinna być wielkością niezależną od x; drugi postulat jednoznaczny z równomiernością podziałki (y = cx) jest szczególnie ważny przy zastosowaniu do automatycznej regulacji,

• dogodna postać energii sygnału y; dążymy zwykle do uzyskania energii elektrycznej, ale czasem inna bywa bardziej konieczna, np. pneumatyczna,

• niski poziom szumów w stosunku do sygnału łącznie z postulatem dużej czułości - warunkuje to najniższy zakres pomiarowy,

• małe oddziaływanie przetwornika na zmienną x obiektu, w którym dokonuje się pomiaru,

• małe opóźnienie pomiarowe, tzn. możliwie małe przesunięcie w czasie między sygnałem y a zmienną x; określają to właściwości dynamiczne urządzenia pomiarowego wraz z przetwornikiem;

Podsumowanie

Przyrządy pomiarowe charakteryzują metrologiczne właściwości statyczne oraz właściwości dynamiczne. Pierwsze odnoszą się do wielkości powoli zmiennych w czasie, drugie do pomiaru wielkości szybko zmiennych (dynamicznych). Podstawowe właściwości metrologiczne przyrządów pomiarowych określa się w warunkach statycznych. Należą do nich: czułość, zakres pomiarowy, charakter funkcji przenoszenia oraz błędy pomiarowe.

1. 2. Pomiar przepływu płynu

Wiadomości wstępne

Pomiar ilości cieczy i gazów zużywanych lub wytwarzanych w różnych procesach technologicznych jest czynnością bardzo istotną i ważną. W wielu przypadkach, aby proces przebiegał prawidłowo, muszą w nim brać udział ściśle określone ilości cieczy lub gazów i wtedy pomiar ich ilości może decydować o prawidłowym przebiegu procesu. Również od strony ekonomicznej nie jest obojętne jaka ilość płynu zużywana jest w procesach technologicznych.

Ilość płynów mierzy się w jednostkach masy (kg) lub w jednostkach objętości (m³). Ilość cieczy lub gazu przepływająca w jednostce czasu nosi nazwę strumienia masy lub strumienia objętości zależnie od tego, czy jest mierzona w jednostkach masy czy objętości. Tak więc strumień masy posiada miano kg/h, kg/s, a strumień objętości m³/h, m³/s. Ilość gazu w warunkach przemysłowych wyraża się zwykle w jednostkach objętości podając zarówno temperaturę, jak i ciśnienie panujące podczas pomiaru. Zmiana objętości cieczy w zależności od zmiany temperatury, a zwłaszcza ciśnienia, jest tak niewielka, że w większości przypadków dla celów przemysłowych można jej nie uwzględniać.

Przepływomierze

Przyrządy służące do pomiaru strumienia płynów noszą nazwę przepływomierzy. Ze względu na zasadę fizycznego przetwarzania można przyjąć następujące uporządkowanie przepływomierzy:

• zasada zachowania energii strumienia płynu wyrażona prawem Bernoulliego - przepływomierze zwężkowe, przepływomierze z ciałem unoszonym (rotametry), rurki spiętrzające,

• druga zasada dynami Newtona wyrażona zależnością m· a = F - przepływomierze bezwładnościowe,

• zasada strat energii wynikających z ruchu lepkiego płynu - reometry,

• zasada indukcji elektrycznej - przepływomierze magnetyczne, indukcyjne,

• zasada zmiany temperatury - przepływomierze kalorymetryczne, termoanemometry,

• różne metody jak: zastrzyku, ruchu jonów, zasada relaksacji rezonansu magnetycznego itp.

Ze względu na zasadniczą cechę pomiaru przepływomierze można podzielić na dwie grupy. Do grupy pierwszej należy zaliczyć przyrządy, czy też urządzenia, które pozwalają na określenie tylko średniego strumienia płynu. Do tej grupy należą między innymi zwężki, rotametry, przepływomierze kalorymetryczne.

Do drugiej grupy należą przyrządy pozwalające ustalić chwilowy strumień płynu w dowolnym punkcie przekroju poprzecznego przewodu. Do nich należą: anemometry elektryczne, rurki spiętrzające.

W wyniku scałkowania sygnału przepływomierza można określić ilość płynu
w dowolnym czasie pomiaru.

Zwężka pomiarowa. Najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem do pomiaru strumienia płynu są zwężki. Zasada pomiaru polega na stwierdzeniu proporcjonalności strumienia płynu do pierwiastka kwadratowego ciśnienia różnicowego mierzonego
w obrębie zwężki. Zwężka jest pierścieniową płytką mającą kołowy otwór o średnicy mniejszej niż średnica przewodu. Zwężkę umieszcza się między kołnierzami rury w ten sposób, aby środek otworu zwężki pokrywał się z osią przewodu.

Równanie Bernoulliego dla przekroju strumienia A₁ przed zwężką i dla przekroju strumienia A₂ o najmniejszym polu ma postać:

gdzie: p₁, p₂ - ciśnienie płynu [Pa]

ρ - gęstość płynu [kg/m³]

g - przyspieszenie ziemskie [m/s²]

u₁, u₂ - średnia prędkość liniowa płynu [m/s]

Równanie to odnosi się do płynu idealnego, tj. nieściśliwego i pozbawionego lepkości przy założeniu równej prędkości w każdym punkcie określonego przekroju poprzecznego strumienia. Zgodnie z prawem zachowania ciągłości strumienia, przy założeniu nieściśliwego płynu, można napisać:

a stąd , gdzie jest określone jako moduł strumienia. Po uwzględnieniu powyższych założeń, prędkość strumienia w przekroju o najmniejszym polu A₂ wynosi:

Ze względu na bezwładność najmniejsze pole strumienia A₂ jest mniejsze od pola przekroju zwężki A, które jest mierzalnym i niezmiennym parametrem urządzenia pomiarowego. Przekrój strumienia płynu w najwęższym miejscu można wyrazić przy pomocy współczynnika zwężenia strumienia, który wynosi , a stąd , gdzie i jest określane jako moduł zwężki. Podstawiając otrzymane wyrażenia do wzoru i porządkując otrzymuje się zależność:

.

Równanie to określa zależność między średnią prędkością liniową płynu
w najwęższym przekroju strumienia i ciśnieniem różnicowym przed zwężką oraz w miejscu największego zwężenia strumienia.

Mnożąc równanie obustronnie przez A₂ i porządkując otrzymuje się strumień objętości płynu:

gdzie: jest teoretyczną liczbą przepływu. Strumień masy oblicza się ze wzoru:

.

Otrzymane zależności dotyczą przepływu płynu idealnego. Wskutek lepkości, ściśliwości płynów rzeczywistych przebieg zjawiska znacznie odbiega od warunków teoretycznych. Trzeba to uwzględnić przy wyznaczaniu wartości liczby przepływu α, stosowanej do obliczania strumienia płynu i wzorcowania przepływomierzy.

Wartość liczby przepływu dla danego typu zwężki zależy od modułu zwężki, prędkości liniowej, lepkości i gęstości płynu. Wszystkie wymienione parametry poza modułem zwężki wchodzą w skład kryterialnej liczby Reynoldsa charakteryzującej przepływ:

gdzie: D - średnica wnętrza rurociągu [m],

μ - lepkość płynu [Pa*s].

W dokładnych pomiarach dla określonego kształtu zwężki liczbę przepływu można wyrazić wzorem:

,

w którym: k_{1 -} mnożnik poprawkowy lepkości płynu uwzględniający wpływ liczby Reynoldsa na wartość α,

k_{2 -} mnożnik poprawkowy chropowatości uwzględniający wpływ chropowatości powierzchni wewnętrznej rurociągu,

k₃ - mnożnik poprawkowy nieostrości uwzględniający wpływ nieostrości krawędzi wlotowej zwężki pomiarowej.

W dokładnych pomiarach strumienia płynów ściśliwych (par i gazów) należy uwzględnić zmianę gęstości, wynikającą ze spadku ciśnienia w zwężce. W tym celu wprowadza się doświadczalnie wyznaczoną liczbę ekspansji ε, a wzór przybiera postać:

.

W ustalonych warunkach termodynamicznych i przy założeniu niezmienności wielkości α i ε zależność strumienia masy od ciśnienia różnicowego ∆p mierzonego tuż przed i za zwężką (p₁-p₂) przyjmuje postać:

,

gdzie: B - wielkość stała.

Dlatego dla niezmiennych parametrów przepływającego płynu lub dla parametrów zmieniających się w granicach nie powodujących przekroczenia założonych błędów pomiaru manometr do pomiaru ciśnienia różnicowego może być wycechowany bezpośrednio w jednostkach strumienia masy lub objętości.

Istnieją trzy znormalizowane rodzaje zwężek przepływowych: kryza, dysza, zwężka Venturiego. Różnią się one między sobą liczbą przepływu, stratą ciśnienia, dokładnością, wrażliwością na abrazję, korozję i zanieczyszczenia oraz kosztem wykonania.

Najbardziej rozpowszechnionym, najmniej kosztownym i najprostszym w budowie, a w większości przypadków najdokładniejszym rodzajem zwężki jest kryza. Zapewnia ona dużą dokładność, duży zakres pomiarów dla płynów czystych przy niezmiennej wartości liczby przepływu. Wadą jej jest największa strata ciśnienia w porównaniu z innymi zwężkami przy takiej samej wartości ciśnienia różnicowego. Ten rodzaj zwężek wymaga zachowania ostrości krawędzi natarcia. Wprowadza się wprawdzie poprawki wartości liczby przepływu, uwzględniając nieostrość krawędzi natarcia, ale powoduje to wzrost niedokładności pomiaru.

Dysze przepływowe charakteryzują się dokładnością pomiaru strumienia płynu tego samego rzędu co kryzy, przy stratach ciśnienia 15-50% mniejszych i o około 40% mniejszych wartościach ciśnienia różnicowego. Dla małych wartości strumienia płynu dysza umożliwia powiększenie zakresu pomiarów technicznych i jest mniej wrażliwa na niewielkie zanieczyszczenia. Ze względu na trudne wykonanie i większy koszt zaleca się stosować dysze tylko do pomiarów dokładnych, przy których niedopuszczalne są duże straty ciśnienia, wymagany jest szeroki zakres pomiarów technicznych i istnieją dostatecznie długie odcinki pomiarowe rurociągu.

Głównymi zaletami zwężki Venturiego są: bardzo mała strata ciśnienia oraz wymagany odcinek pomiarowy 2 - 5 razy krótszy niż dla kryz i dysz. Ze względu na te zalety oraz nieskomplikowaną konstrukcję i dość duży zakres pomiarowy przy niezmiennej wartości liczby przepływu, zaleca się stosować zwężkę Venturiego dla mniej dokładnych pomiarów, gdy nie można zastosować kryzy lub dyszy.

Zwężki o budowie nieznormalizowanej względnie zainstalowane na rurociągach
o średnicy mniejszej od 50 mm przed ich użytkowaniem wymagają uprzedniego cechowania, tzn. doświadczalnego wyznaczenia zależności ciśnienia różnicowego przed i za zwężką od strumienia masy lub objętości płynu.

Przepływomierze z ciałem unoszonym. Zasadę zachowania energii przedstawioną w postaci praca Bernoulliego wykorzystano w zwężkach pomiarowych, przy założeniu stałego przewężenia (A = const), a zmiennego ciśnienia różnicowego (∆p = var). W przepływomierzach z ciałem unoszonym, popularnie zwanych rotametrami, przekrój jest zmienny (A = var), natomiast ciśnienie różnicowe jest stałe (∆p ~ const). Wewnętrzny profil rury jest paraboloidą obrotową. Pozwala to na stosowanie równomiernej skali odczytów strumienia płynu.

Rotametr jest miernikiem, w którym przepływ płynu w pionowej rurze powoduje unoszenie pływaka o specjalnie dobranym kształcie. Położenie pływaka zależy od strumienia płynu i ustala się, gdy nastąpi równowaga sił działających na pływak. Masa pływaka równoważona jest siłami wynikającymi z różnicy ciśnień działających na czołową i tylną powierzchnię pływaka, z ciśnienia dynamicznego oraz siły tarcia i wyporu.

Na podstawie prawa Bernoulliego można określić ciśnienie odpowiadające energii kinetycznej płynu:

,

gdzie: u - prędkość płynu w największym przewężeniu [m/s]

ξ - współczynnik uwzględniający rozkład prędkości liniowej płynu oraz inne wtórne czynniki.

W wyniku porównania równania otrzymuje się:

.

Po pomnożeniu obu stron przez pole pierścienia między pływakiem a stożkową rurą A otrzymuje się wyrażenie na strumień objętości: V = A u.

Ponieważ u ~ const, a pole A zmienia się w miarę przemieszczania się pływaka wzdłuż stożkowej rury, można napisać: V = f(h),

gdzie: h - wysokość uniesienia pływaka [m].

Teoretyczne obliczenia dotyczące rotametrów są utrudnione ze względu na parametry wpływające na ich pracę. Dlatego w odróżnieniu od zwężek rotametry nie są znormalizowane i wymagają zwykle indywidualnego cechowania.

Wpływ liczby Reynoldsa na wskazania rotametru zależy w dużym stopniu od kształtu pływaka. Jest on znaczy w pływakach o kształtach opływowych, a ogranicza się tylko do małych wartości liczby Reynoldsa, gdy kształt pływaka powoduje silne zawirowania i odrywanie się płynu.

Konstrukcja rotametru jest bardzo prosta, co stanowi jedną z największych jego zalet. Łatwo wykonać rotametr z materiałów odpornych na płyny agresywne. Rotametry wykonuje się ze szkła, metalu, a także z tworzyw ceramicznych lub organicznych.

Czułość rotametrów, tj. stosunek przyrostu uniesienia do przyrostu strumienia objętości płynu jest duża, dzięki czemu rotametry znajdują szerokie zastosowanie
w technice laboratoryjnej i przemysłowej. Zwłaszcza znajdują one zastosowanie do pomiaru niezbyt dużych strumieni płynów silnie agresywnych.

Rurki spiętrzające. Rurki spiętrzające pozwalają określić prędkość liniową płynu w miejscu pomiaru, tj. w miejscu umieszczenia w danym przekroju przewodu wylotu rurki skierowanej pod prąd. Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych rurek spiętrzających, spośród których najszersze zastosowanie znalazły dwa rozwiązania.

Ramię rurki Pitota jest ustawione pod prąd i mierzy sumę ciśnienia statycznego p_s i dynamicznego p_d, a więc zgodnie z zależnością Bernoulliego ciśnienie całkowite p_c przepływającego płynu. Ciśnienie statyczne jest mierzone przy pomocy punktu pomiarowego umieszczonego w ściance przewodu prostopadle do kierunku przepływającego płynu. Na przyłączonym manometrze cieczowym można określić różnicę ciśnienia całkowitego p_c i ciśnienia statycznego p_s, a więc ciśnienie dynamiczne p_d, które odpowiada energii kinetycznej płynu.

Z zależności tej możemy wyznaczyć prędkość liniową płynu:

.

Należy zaznaczyć, że w rozważaniach przy wyprowadzaniu wzoru nie uwzględniono zmian w strumieniu, wywołanych wprowadzeniem do niego rurki spiętrzającej, jak również wpływu lepkości dla przepływu płynu rzeczywistego. Pewne nieścisłości powoduje pomiar ciśnienia całkowitego i statycznego płynu w dwu różnych punktach przekroju poprzecznego strumienia. Z tych względów należy spodziewać się określonych różnic pomiędzy wartością obliczoną i rzeczywistą prędkością liniową płynu. Aby osiągnąć zgodność obu wprowadza się współczynnik poprawkowy c:

.

Najszersze zastosowanie znalazło drugie rozwiązanie rurek spiętrzających
w postaci rurki Prandtla. Rurka spiętrzająca Prandtla pozwala zmierzyć ciśnienie dynamiczne p_d, ciśnienie statyczne p_s i ciśnienie całkowite p_c przepływającego płynu. Znajdując wartość ciśnienia dynamicznego z pomiaru, prędkość liniową oblicza się z powyższych zależności. Dla znormalizowanej rurki Prandtla współczynnik c jest równy jedności, a więc z podanego wzoru oblicza się rzeczywistą prędkość liniową płynu. Tylko w przepływach charakteryzujących się bardzo małą liczbą Reynoldsa współczynnik c jest różny od jedności i powinien być uwzględniany przy dokładnych pomiarach prędkości liniowej płynu.

Przepływomierze bezwładnościowe. Przyspieszenie ciała poruszającego się po linii krzywej wykorzystano w przepływomierzach z krzywizną, natomiast wymuszenie przyspieszenia siłami zewnętrznymi jest podstawą przepływomierzy z zewnętrznym oddziaływaniem.

Przepływomierze z krzywizną mają właściwości bardzo zbliżone do przepływomierzy zwężkowych. Wzór na strumień masy płynu jest analogiczny jak dla zwężki:

gdzie: C - stała charakteryzująca warunki pomiaru.

Przepływomierze z krzywizną nie są obecnie dokładnie przebadane. Są one stosunkowo mało wrażliwe na zaburzenia i zmiany liczby Reynoldsa oraz na pulsację i obecność zanieczyszczeń. Dokładność pomiaru nie jest mniejsza niż przy zwężkach. Brak przeszkody dla przepływu i możliwość wykorzystania krzywizny decydują o wyborze tej metody.

Reometry. Zasadniczym elementem pomiarowym reometrów, zwanych również przepływomierzami kapilarnymi, jest kapilara lub zespół połączonych równolegle kanałów kapilarnych. Przekrój kanałów kapilarnych, najczęściej okrągły, może przybierać również inne kształty (np. prostokątny). Pewną odmianą mierników kapilarnych są mierniki z wstawką porowatą, np. złożem drobnych kulek. Kształt, wymiary i liczba kanałów kapilarnych decydują o takich wielkościach jak: strata ciśnienia, nieliniowość charakterystyki oraz zakres pomiarowy.

Strata ciśnienia w kanale kapilarnym jest funkcją zarówno parametrów urządzenia pomiarowego jak i płynu:

,

gdzie: d - wymiar charakterystyczny kapilary,

l - długość kapilary.

Strata ciśnienia jest sumą straty ciśnienia w kanale wywołanej tarciem oraz straty ciśnienia na przyspieszenie płynu na wlocie i formowanie przepływu w odcinku wstępnym. Udział strat ciśnienia ma przyspieszenie płynu i formowanie przepływu decyduje o nieliniowości charakterystyki.

Przepływomierze kapilarne zalecane zwykle do pomiaru strumienia objętości gazu, nadają się również do pomiaru strumienia objętości cieczy. Pozwalają one mierzyć strumienie cieczy z dokładnością 0,01 cm³/s i gazu 0,1 cm³/s z dokładnością do 0,5-1%. Mierniki kapilarne cechuje prostota konstrukcji, szeroki zakres pomiarowy i prawie liniowa charakterystyka. Dzięki tym zaletom mierniki te mogą spełniać w obszarze przepływów laminarnych taką samą rolę jak zwężki pomiarowe w obszarze przepływów burzliwych.

Przepływomierze elektromagnetyczne. Przy budowie przepływomierzy elektromagnetycznych wykorzystano zależność między napięciem powstającym w przepływającym płynie, a jego prędkością liniową w polu magnetycznym. Ciecz płynąca przewodem znajduje się w stałym polu magnetycznym prostopadłym do osi rury. W rurociągu wbudowane są elektrody w płaszczyźnie prostopadłej do pola magnetycznego.

Napięcie na elektrodach U jest funkcją średniej prędkości liniowej płynu, a więc można napisać, że V = f(U). Na zależność tę ma niewielki wpływ charakter przepływu (liczba Reynoldsa), zanieczyszczenia ciałami stałymi oraz zaburzenia przepływu. Natomiast ciecz musi choć w minimalnym stopniu przewodzić elektryczność. Omówione zalety, a także brak przewężenia i brak przeszkód dla przepływu umożliwiają zastosowanie materiałów konstrukcyjnych odpornych na czynniki żrące. Błąd pomiaru tymi przepływomierzami nie przekracza 1% maksymalnego strumienia płynu. Minimalna prędkość wynosi 1 m/s.

Przepływomierze cieplne. Przepływomierze tego typu można podzielić na dwie grupy. Grupa pierwsza obejmuje mierniki, w których bada się efekt określonej ilości ciepła oddziałującej na strumień płynu (przepływomierze kalorymetryczne). Natomiast do grupy drugiej zaliczane są mierniki, w których zachodzi oddziaływanie strumienia płynu na gorący czujnik (termoanemometry).

W przepływomierzu kalorymetrycznym w odcinku rury w dwóch przekrojach usytuowane są czujniki temperatury, między którymi umieszczony jest grzejnik. Przy braku przepływu, temperatury w obu przekrojach są jednakowe. Pojawienie się przepływu spowoduje zachwianie równowagi i powstanie różnicy temperatur Δt, której wartość zależna jest od wartości strumienia masy. Jeżeli przyrost energii kinetycznej jest tak mały, że można go pominąć oraz jeśli ciepło właściwe płynu c jest wielkością stałą przy zapewnieniu równomierności nagrzania, braku wymiany ciepła z otoczeniem, to strumień masy płynu można obliczyć ze wzoru:

,

gdzie: Q - doprowadzone ciepło [W].

Przepływomierze kalorymetryczne doczekały się bardzo wielu rozwiązań różniących się nie tylko zewnętrznym lub wewnętrznym usytuowaniem grzejnika czujników temperatury, ale również sposobem zasilania (stała lub zmienna moc grzania) oraz rozmieszczeniem grzejników i czujników (układy asymetryczne, mostkowe).

Najniższe zwykle osiągalne wielkości pomiarowe przepływomierzy kalorymetrycznych wynoszą około 0,001 cm³/s dla cieczy i 0,02 cm³/s dla gazu przy zachowaniu dokładności pomiaru 1%.

Termoanemometry działają na zasadzie zmian oporności przewodnika wraz ze zmienną temperatury. Sondę pomiarową termoanemometru stanowi drucik platynowy włączony w jedno z ramion mostka. Pod wpływem przepływającego płynu drucik platynowy jest chłodzony, co powoduje, że albo temperatura ulega obniżeniu lub dla utrzymania stałej temperatury musi wzrosnąć prąd przepływający przez sondę. Parametry charakteryzujące włókno i płyn wpływają na przebieg pomiaru, co w praktyce oznacza konieczność doświadczalnego wyznaczenia charakterystyki sondy.

Anemometry są przyrządami służącymi do pomiarów stosunkowo małych prędkości liniowych gazów i mogą być wykorzystane przy pośredniej metodzie wyznaczania strumienia gazu. Rozwiązania konstrukcyjne anemometrów mogą być różnorodne. Najszersze zastosowanie znalazły anemometry skrzydełkowe i czaszowe.

Zasadniczym elementem anemometru skrzydełkowego jest wiatraczek napędzany przez przepływające powietrze, zaopatrzony w kilka cienkich płytek ustawionych pod pewnym kątem do kierunku przepływu i pracujących jako elementy nośne. Z osią wiatraka jest połączony licznik obrotów wycechowany w taki sposób, że wskazuje on długość strumienia powietrza jaki przepłynął przez płaszczyznę obrotu wiatraczka w przeciągu czasu mierzonego niezależnie. Wskazania anemometru są podane w jednostkach długości.

Zależność prędkości liniowej od liczby obrotów jest liniowa. Prędkość gazu otrzymuje się jako iloraz wskazań przyrządu i czas trwania pomiaru. Zakres stosowalności anemometrów skrzydełkowych jest ograniczony. Górną granicą jest prędkość liniowa powietrza 10 m/s, dolną zaś dla anemometrów ze skrzydełkami metalowymi 0,5 m/s. Anemometr nie nadaje się do pomiaru prędkości pulsującego powietrza.

Do pomiaru prędkości powietrza w zakresie 1 - 30 m/s stosuje się anemometry czaszowe. Wirnik anemometru czaszowego posiada cztery czasze rozmieszczone równomiernie na obwodzie. Różnica oporów opływu czas przez strumień gazu powoduje powstanie momentu obrotowego. Liczba obrotów wirniczka, pozostająca w ścisłym związku z prędkością gazu jest rejestrowana przez licznik podobnie jak w anemometrach skrzydełkowych.

Anemometry czaszowe są wrażliwe na równoległość strumieni, uderzających w poszczególne czasze. Wszelkie zaburzenia w przepływie powodują znaczne błędy w pomiarze i dlatego anemometr czaszowy stosuje się do pomiarów prędkości w dużych otwartych przestrzeniach.

Anemometr czaszowy jak i skrzydełkowy mogą działać na zasadzie wychyleń statycznych i wtedy miarą prędkości jest wielkość kąta wychylenia wirnika podtrzymywanego sprężyną. Takie anemometry nadają się do pomiaru prędkości chwilowych.

Liczniki przepływu

Przyrządy służące do pomiaru ilości płynu przepływającego w określonym czasie przez przewód noszą nazwę liczników przepływu. W przeciwieństwie do przepływomierzy o sygnale wyjściowym proporcjonalnym do strumienia masy lub objętości liczniki dają bezpośrednią informację o ilości płynu w określonym czasie. W wyniku zróżnicowania sygnału licznika można otrzymać wielkości charakterystyczne dla przepływomierzy.

Do liczników przepływu zalicza się dwie odmiany przyrządów:

• liczniki wirnikowe, w których ilość płynu jest proporcjonalna do liczby obrotów wirnika,

• liczniki komorowe charakteryzujące się odmierzaniem płynu porcjami za pomocą komór.

Liczniki wirnikowe, jak i komorowe służą do zliczania cieczy i gazów, przy czym odpowiednio różnią się pod względem konstrukcji i właściwości.

Liczniki wirnikowe można określić jako turbiny o zerowej mocy. Zasadniczą częścią pomiarową urządzeń tego typu jest wirnik obracający się przy przepływie płynu przez przyrząd. Prędkość kątowa wirnika jest proporcjonalna do średniej prędkości liniowej płynu, a liczba obrotów wirnika jest proporcjonalna do ilości przepływającego płynu. Ta zależność pozwala na skonstruowanie urządzenia wskazującego i liczącego ilość płynu w jednostkach objętości, która przepłynie przez przyrząd w danym czasie.

Przy konstrukcji liczników wirnikowych decydującymi czynnikami są: rodzaj płynu oraz sposób zliczania obrotów wirnika. Liczniki wirnikowe znalazły zastosowanie do pomiaru ilości przepływającej wody zarówno zimnej, jak i gorącej. Ze względu na konstrukcję samego wirnika liczniki tego typu dzielimy na skrzydełkowe i śrubowe.

Liczniki skrzydełkowe posiadają wirniki w osiach prostopadłych do kierunku przepływu wody, wyposażone w proste, promieniowe łopatki. Znane są dwa rodzaje liczników skrzydełkowych. W liczniku jednostrumieniowym cały strumień przepływa styczne do wirnika, powodując jego ruch obrotowy. W liczniku wielostrumieniowym wirnik jest umieszczony w walcowej puszce z licznymi otworami wlotowymi i wylotowymi. Woda dopływa dolnym rzędem otworów, obraca wirnik i wypływa przez górny rząd otworów.

Liczniki skrzydełkowe dzięki swojej prostej konstrukcji, z czym ściśle związany jest koszt produkcji, znalazły szerokie zastosowanie zwłaszcza do pomiaru ilości wody w zakładach produkcyjnych. Są one używane przeważnie do pomiaru niezbyt dużych ilości cieczy. Nominalna średnica rurociągów, na których montuje się liczniki skrzydełkowe nie przekracza zwykle 40mm. W przypadku większej średnicy rurociągu i większych strumieni cieczy stosuje się liczniki śrubowe.

Liczniki komorowe stanowią drugą grupę liczników przepływu. Chociaż ich rozwiązanie konstrukcyjne może być bardzo różnorodne, to zasada działania jest taka sama. Każdy licznik komorowy odmierza ściśle określone porcje płynu, równe roboczej objętości komory i podaje liczbę odmierzonych porcji. Liczniki komorowe można określić jako silniki tłokowe zerowej mocy. Odmierzanie odbywa się zwykle w sposób ciągły. Liczniki komorowe odznaczają się dużą dokładnością pomiaru, dochodzącą do 0,5 - 1% oraz możliwością odmierzania określonych z góry porcji płynu. Wadą ich jest stosunkowo skomplikowana budowa.

1. 3. Pomiar temperatury

Temperatura jest powszechnym stanem każdej materii, który stanowi pozytywny lub negatywny czynnik przy wszystkich niemal procesach technologicznych. Czynnik pozytywny - to warunek określonej wartości temperatury niezbędny do optymalnego przebiegu procesu technologicznego. Czynnik negatywny - to zmiany temperatury spowodowane przemianami energetycznymi, co działa w sposób szkodliwy na proces technologiczny.

Z tych względów pomiar temperatury i jej kontrolowanie jest zadaniem MP, które spotykamy najczęściej. Zadanie to mimo swej pospolitości należy do trudnych, ponieważ zależy od natury zjawiska, które nazywamy ciepłem. Bogactwo form przenoszenia energii cieplnej z jednego środowiska do drugiego (przewodzenie, konwekcja, promieniowanie), zmienność współczynników decydujących o intensywności przenoszenia, brak dobrych izolatorów ciepła ogromnie utrudnia dobry pomiar temperatury.

Skala temperatur

Obserwacja zmian objętości gazów i cieczy pod wpływem temperatury były podstawą pierwszych definicji skali temperatury. Uogólnienie skali temperatury stało się możliwe dzięki zdefiniowaniu jej przy pomocy praw termodynamiki. Od 1968 roku obowiązuje Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur w skrócie MPST-68 ustalona przez Międzynarodowy Komitet Miar i Wag.

Podstawą MPST-68 jest skala termodynamiczna, zdefiniowana zerem absolutnym oraz jednym punktem termometrycznym. Jako punkt termometryczny przyjęto temperaturę równowagi wody w stanie gazowym, ciekłym i stałym, tzw. punkt potrójny wody i przypisano mu wartość 273,16K. Symbol K oznacza Kelvin - co jest nową jednostką temperatury termodynamicznej. Jako symbol ogólny temperatury skali termodynamicznej przyjęto literę T.

MPST-68 definiuje również skalę Celsjusza na podstawie skali termodynamicznej, przy czym istnieje następująca zależność:

.

Oznacza to, że położenie punktu 0ºC nie uległo zmianie, odpowiada jak poprzednio punktowi równowagi wody w stanie ciekłym i stałym, a przyjęty dla skali termodynamicznej punkt termodynamiczny odpowiada temperaturze 0,01ºC.

Skala MPST-68 określona jest definicyjnymi punktami stałymi odpowiadającymi temperaturom równowagi stanów skupienia wybranych substancji w ściśle sprecyzowanych warunkach.

Termometry szklane

Mimo postępu w technice mierzenia temperatury tradycyjny termometr szklany odgrywa znaczną rolę w pomiarach przemysłowych, zwłaszcza kontrolnych laboratoryjnych.

Zakresy termometrów wypełnionych rtęcią wynoszą od -35ºC do +500ºC. Dla niższych temperatur do około -200ºC stosuje się napełniane cieczami organicznymi (alkohole, pentan, eter). Czułość termometrów można w bardzo szerokich granicach dobierać przez zastosowanie odpowiedniego stosunku objętości bańki termometrycznej do średnicy kapilary. Praktyczne granice czułości wynoszą od 0,002ºC do 10ºC na działkę.

W przypadku termometrów szklanych niedokładność określa się dla całego zakresu jako bezwzględną wartość błędu.

Podstawowe źródła błędów to: niedokładność wykonania skali, zmienność średnicy kapilary, błędy wzorcowania. Niedokładność ta utrzymuje się przy precyzyjnych termometrach zazwyczaj w granicy 1 działki elementarnej. Występuje również błąd związany ze zjawiskiem kurczenia się szkła, co powoduje przesunięcie się zera. Najważniejszym źródłem błędu jest tzw. błąd wystającego słupka rtęci związany ze stopniem zanurzenia kapilary.

Ze względu na ograniczenie całkowitej długości termometru do około 500mm, przy termometrach precyzyjnych stosuje się często odcięte skale, np. 50-100ºC. Do pomiarów bardzo małych zmian temperatury (rzędu 1 do 5 deg) stosuje się tzw. termometry Beckmana pozwalające na dobranie zakresu mierzonej temperatury przez odprowadzenie części rtęci do pomocniczego zbiorniczka.

Termometry przemysłowe mają zazwyczaj długą kapilarę łączącą zbiorniczek rtęci z częścią odczytową co pozwala na wbudowanie termometru w urządzenie techniczne. Część ze zbiorniczkiem rtęci może być prosta lub pod kątem (90-135º). Termometry techniczne wykonywane są zazwyczaj w osłonach i są znormalizowane.

Termometry ciśnieniowe

W tego typu termometrach mierzona temperatura przekształcona jest w ciśnienie. Uzyskuje się to jedną z trzech metod, określających rodzaje termometrów. Są to:

a) termometr cieczowy, wykorzystujący objętościową rozszerzalność cieczy. Ciecz napełniająca manometr i naczynie termometryczne wyparta z tego ostatniego przy wzroście temperatury powoduje sprężystą deformację rurki manometrycznej oraz odpowiadający jej przyrost ciśnienia wewnątrz całego termometru,

b) termometr gazowy o stałej objętości gazu,

c) termometr parowy, w którym ciśnienie jest określone przez równowagę pary nasyconej
i cieczy termometrycznej.

Termometry oporowe

Zależność rezystancji metali i półprzewodników od temperatury wykorzystuje się do przetwarzania temperatury na sygnał elektryczny. Charakter przewodności elektrycznej decyduje o przebiegu funkcji R = f(t).

Przetworniki metalowe odznaczają się dużą stałością i w przybliżeniu - liniowością; półprzewodnikowe - nazywane termistorami - dużą czułością; nieliniowością oraz gorszą stałością charakterystyki.

Oporowe czujniki metalowe wykonuje się najczęściej z czystej platyny, niklu lub miedzi. W zastosowaniach technicznych termometr oporowy platynowy pozwala na osiągnięcie wysokich dokładności. Koniecznym warunkiem jest duża czystość platyny. Natomiast dla niklu praktycznie jest niemożliwe uzyskanie ściśle powtarzalnych charakterystyk dla niklu z niższych wytopów (wpływ nawet znikomych zanieczyszczeń). W praktyce stosuje się przetworniki platynowe.

Przetwornikom platynowym stawiane są następujące wymagania konstrukcyjne: ochrona przed działaniem ośrodka, niewrażliwość na wstrząsy i drgania, dobre właściwości dynamiczne, dostosowanie do mierzonego zakresu temperatur. Uzwojenie może być obudowane elementami sprężystymi lub dopełniającymi pełnymi. Wymiana ciepła jest dobra a stała czasowa mała. Czujniki są bardzo odporne. W przypadku płynów agresywnych stosowane są przetworniki platynowe zatopione w szkle lub w osłonie ceramicznej.

Termometry termoelektryczne

Należą do najbardziej rozpowszechnionych przyrządów służących do pomiaru temperatury. Odznaczają się szerokim zakresem mierzalnych temperatur, wielką możliwością dopasowania do lokalnych warunków i potrzeb. Jedną z najistotniejszych cech jest to, że termoelement zawsze mierzy różnicę temperatur.

W zamkniętym obwodzie złożonym z dwu metali o różnych temperaturach styków wytwarza się siła elektromotoryczna E = f(T₁ - T₂) wynikająca z różnej pracy wyjścia i liczby swobodnych elektronów dla metali.

Układ dwu różnych metali do pomiaru temperatury nazywamy termoelementem, a spoiną pomiarową - tę spoinę, która znajduje się w mierzonej temperaturze, drugą zaś - spoiną odniesienia.

Zjawisko termoelektryczne jest odwracalnym procesem termodynamicznym, w przeciwieństwie do zjawiska nieodwracalnego, jakim jest wydzielanie się ciepła przy przepływie prądu elektrycznego.

Termoelementy

Metale i stopy do termoelementów powinny odpowiadać następującym wymaganiom: liniowości, powtarzalności i stałości charakterystyki, dużej czułości, odporności na wpływy zewnętrzne i niski koszt. Najczęściej stosowane są składy ramion: żelazo Fe - konstantan (Cu 60%, Ni 40%), miedź Cu - konstantan, Nikiel - chrom - nikiel. Stosowane są one w zakresach -200 do ponad 400ºC w zależności od składu ramion. W przypadku wysokich temperatur termoelementy powinny być w atmosferze utleniającej.

W większości zastosowań przemysłowych termoelementy muszą być chronione przed mechanicznymi i chemicznymi działaniami ośrodka. Dobrana osłona jednocześnie powinna w jak najmniejszym stopniu zmieniać bezwładność cieplną oraz wpływać na statyczny błąd pomiaru temperatury. Termoelektrody muszą być od siebie izolowane. Metalowe osłony termoelementów są znormalizowane.

1. 4. Pomiar ciśnienia

Określenia ogólne

Niech na element ΔA powierzchni dowolnie poprowadzonej w płynie, działa siła parcia ΔF. Jeżeli element ΔA stanowi otoczenie punktu M, znajdującego się na rozpatrywanej powierzchni, to ciśnienie w punkcie M wynosi:

.

W przypadku, gdy siła parcia F na powierzchnię A rozłożona jest równomiernie:

.

W międzynarodowym układzie jednostek miar SI jednostką główną ciśnienia jest Pascal [N/m²].

W praktyce stosowana jest jeszcze często jednostka 1 at odpowiadająca 1 kG/cm².

Inne jednostki spotykane:

1 bar = 105 Pa = 1,01972 at

pod względem wartości zbliżona jest do 1 atmosfery technicznej i jest jednocześnie wielokrotnością pascala

mmH₂O = 9,81 Pa

mmHg = 133 Pa

atmosfera fizyczna (atm) = 760 mm sł. Hg

atmosfera techniczna (at) = 735 mm sł. Hg

Tr (tw) = 1 mm sł. Hg

Ciśnienie czynnika, znajdującego się w spoczynku, jak również w przypadku przepływu ustalonego - ciśnienie, jakie wskazałby przyrząd poruszający się z prędkością strumienia w tym samym co strumień kierunku - nazywamy ciśnieniem statycznym (p_st).

Jeżeli ciecz przepływu z prędkością u to przyrost ciśnienia na skutek całkowitego zahamowania przepływu wynosi:

(gdzie: ρ - gęstość czynnika) i określany jest jako ciśnienie dynamiczne (p_d).

Stąd zależność: p_st + p_d = p_c.

Klasyfikacja przyrządów do pomiaru ciśnienia

Przyrządy służące do pomiaru ciśnienia można klasyfikować wg różnych kryteriów.

Podział według zasady działania jest następujący: hydrostatyczne, hydrauliczne, tłokowo-wagowe, sprężyste, elektryczne.

Manometry hydrostatyczne

Pomiar ciśnienia przy pomocy manometrów hydrostatycznych opiera się na zasadzie samoczynnie ustalającej się równowagi stałej między ciśnieniem mierzonym a ciśnieniem hydrostatycznym słupa cieczy w naczyniu połączonym.

Załóżmy, że zbiornik zawiera powietrze o ciśnieniu p₁, zaś przyłączona do zbiornika rurka szklana wygięta w kształcie litery U wypełniona jest częściowo cieczą, tzw. cieczą manometryczną o gęstości ρ (kg/m³).

Manometr cieczowy dwuramienny, tzw. U-rurka. Jest to najprostszy przyrząd do pomiaru ciśnienia. W zależności od sposobu przyłączenia, rurka U - może służyć jako: manometr lub próżniomierz (wakuometr), manometr różnicowy. Należy podkreślić, że pomiar ciśnienia w zasadzie jest zawsze pomiarem różnicowym. Najczęściej porównywanym ciśnieniem jest ciśnienie atmosfery otaczającej. Błąd bezwzględny odczytu oceniany jest na 0,25-0,5 mm przy podziałce milimetrowej. Błąd całkowity pomiaru jest rzędu 0,5-1 mm. Aby błąd pomiaru nie przekraczał 1% wskazania manometru powinny być większe od 100 mm.

Manometr jednoramienny. Jest to modyfikacja U-rurki, w której jedno ramię zastąpiono naczyniem. Przy pomiarach wyższe z porównywalnych ciśnień doprowadzane jest zawsze do zbiornika. Poziom cieczy podniesie się na wysokość h₂ od kreski zerowej. Jednocześnie poziom cieczy w naczyniu spadnie o h₁ poniżej kreski zerowej. Tak więc rzeczywista wysokość słupa wynosi h = h₁ + h₂, skąd po uwzględnieniu powierzchni:

aby uniknąć konieczności uwzględniania poprawki manometry konstruuje się tak, aby A_r/A było pomijalnie małe i wtedy h ~ h₂.

Manometr naczyniowy jednoramienny jest wygodniejszy w użyciu niż rurka U, ponieważ wysokość słupa cieczy wyznacza się przez jeden odczyt.

W przypadku pomiaru wysokich ciśnień do 40MPa manometry mają rurki wykonane ze stali stopowej i są wyposażone w pływak. Natomiast w przypadku pomiaru niewielkich ciśnień rzędu kilkudziesięciu mm słupa cieczy stosuje się manometry z rurką pochyłą, w celu zmniejszenia błędu odczytu.

Mierzymy w tym przyrządzie nie wysokość h₂, lecz długość słupa cieczy l.

Przy czym: , ponieważ .

,

.

Manometry z rurką zamkniętą. Jeśli jedno z ramion manometru będzie zamknięte to zajść mogą dwa przypadki: nad poziomem cieczy w zamkniętej rurce może znajdować się gaz lub panować próżnia.

Manometry hydrauliczne. Waga pierścieniowa. W przypadku tym nie mierzy się bezpośrednio wysokości słupa cieczy, równoważącego mierzoną różnicę ciśnień. Wychyleniu słupa cieczy towarzyszy zakłócenie równowagi statycznej przyrządu, zaś nowe położenie równowagi jest funkcją różnicy ciśnień.

Manometry sprężyste. Działają na zasadzie zależności odkształcenia sprężystego od ciśnienia. W zależności od elementu ulegającego odkształceniu dzielimy na: a) rurkowe, b) przeponowe, c) mieszkowe.

Odkształcenie elementu, zazwyczaj niewielkie, przenosi się za pomocą mechanizmu uwielokrotniającego, co pozwala uzyskać odpowiednio duże wychylenie wskazówki.

Manometry rurkowe. Zasadniczą częścią tego przyrządu jest rurka Bourdona. Metalowa rurka o spłaszczonym przekroju zwinięta w kształcie łuku koła. Jeżeli ciśnienie jest większe od atmosferycznego to obserwuje się odkształcenie przekroju poprzecznej rurki, przekrój stara się zbliżyć do kołowego, jednocześnie promień krzywizny rurki powiększa się. Rurka stara się rozwinąć, co powoduje przesunięcie jej swobodnego końca.

Przesunięcie się swobodnego końca rurki pod wpływem ciśnienia jest niewielkie 3-15mm, stąd potrzeba stosowania przekładni. Jeżeli ciśnienie w rurce jest niższe od atmosferycznego, to rurka zwija się (wakuometry, próżniomierze).

Manometr przeponowy. Elementem, którego odkształcenie stanowi miarę ciśnienia jest przepona zaciśnięta między kołnierzami osłony. W celu uzyskania zależności liniowej stosuje się przepony z wytłoczonymi współśrodkowo falami. Odkształcenie przepony nie przekracza 2 mm, co sprawia, że manometry te nie są czułe i zmusza do stosowania większej przekładni. Przepona jest wrażliwa na przeciążenia. Stosuje się je do pomiaru ciśnień nie przekraczających 2MPa. Przede wszystkim do pomiaru podciśnienia i różnicy ciśnień.

Manometr puszkowy. Element odkształcający stanowi puszka cylindryczna o przekroju kołowym (mieszek). Są mniej dokładne niż pozostałe, ale umożliwiają ciągły zapis. Są stosowane do pomiaru ciśnień rzędu 10⁴ Pa.

Manometry tłokowe

Stosowane są do pomiaru wysokich ciśnień oraz sprawdzania manometrów. Ciśnienie określa się na zasadzie równowagi statycznej tłoka, ruchomego w cylindrze, na który działa parcie cieczy, a z drugiej strony znaczna siła. Błąd pomiaru zależy od dokładności z jaką określono siłę F oraz przekrój tłoka.

Manometry elektryczne

Są to przyrządy, które działają na zasadzie zjawisk elektrycznych zachodzących
w materiałach wywołanych bezpośrednio ciśnieniem (zmiana oporności, pojawienie się ładunku elektrycznego). Istnieją trzy rodzaje manometrów elektrycznych ze względu na zmiany zachodzące pod wpływem ciśnienia:

• zmiany przewodności elektrycznej gazów,

• zmiany oporu elektrycznego przewodnika,

• zjawisko pizoelektryczne (powstawanie w pewnych ciałach krystalicznego ładunku elektrycznego).

1. 5. Pomiar gęstości płynów

Pomiar gęstości płynów w warunkach przemysłowych należy do najtrudniejszych. Mała energia sygnału pochodząca od niewielkich zwykle zmian gęstości wymaga stosowania czułych przyrządów o dużych wzmocnieniach. Istotny wpływ na pomiar mają w tych warunkach różne zakłócenia, takie jak temperatura czynnika mierzonego, działanie dynamiczne przepływu, drgania mechaniczne itd. Gęstościomierze przemysłowe są na ogół przyrządami skomplikowanymi i kosztownymi.

Gęstość określamy jako stosunek masy do objętości jednorodnego ciała . Dla celów technicznych pojęcie to można stosować również do ciał niejednorodnych, np. ziarnistych. Oprócz bezwzględnej wartości gęstości często wygodnie jest posługiwać się wartością względną, np. w stosunku do powietrza, wody lub innych płynów odniesienia.

Pomiar gęstości cieczy. Stosuje się najczęściej pośredni pomiar jednym
z następujących sposobów: pomiar ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy, pomiar siły wyporu ciała zanurzonego w cieczy, określanie masy odmierzonej objętości cieczy. Każda z tych metod może być zrealizowana jako różnicowa. Pozwala to na wyeliminowanie wpływu zmian temperatury, pod warunkiem wyrównania temperatur obu cieczy. W wielu rozwiązaniach posługujemy się sygnałem pneumatycznym.

Metoda hydrostatyczna. W naczyniu, przez które przepływa ciecz o mierzonej gęstości ρ zanurzone są dwie sondy pneumatyczne na różnej głębokości. Różnica ciśnień Δp w sondach uzyskana w wyniku wdmuchiwania powietrza jest proporcjonalna do gęstości cieczy. Różnica ciśnień jest zamieniona w przetworniku na sygnał gęstości ρ. Gęstościomierze hydrostatyczne, pomimo prostej konstrukcji nie znalazły większego zastosowania w przemyśle spożywczym.

Metoda wypornościowa. Sposób zabudowy przetwornika nurnikowego jest podobny jak przy pomiarze poziomu, z tym, że nurnik jest całkowicie zanurzony w badanej cieczy. Zmiana gęstości powoduje zmianę siły przetwarzanej na sygnał pneumatyczny. . Przy starannym doborze warunków pracy gęstościomierze wypornościowe mogą być zalecane dla przemysłu spożywczego, np. przy pomiarach gęstości soku w stacji wyparnej. Metoda wagi różnicowej pozwala na wyeliminowanie wpływu temperatury. Sygnał może być w postaci kąta wychylenia, prądu lub ciśnienia. Różnica sił wyporu pływaków wynika z różnicy gęstości.

Metoda określania masy odmierzanej objętości cieczy. Ciecz o gęstości ρ przepływa przez U-rurkę pomiarową, ułożyskowaną i połączoną elastycznie z obudową. Zmiany gęstości powodują naruszenie układu równowagi i powstanie określonej siły F przetwarzanej na sygnał pneumatyczny. Zakres przetwornika można zmieniać przez przestawienie ciężarka G₁.

Gęstościomierze wagowe z U-rurką (zwane też pętlicowymi) należą do najczęściej stosowanych w przemyśle spożywczym z trzech omawianych typów. Zaletą ich jest niewrażliwość na znaczne szybkości przepływu cieczy w U-rurce (ponad 2 m/s), co zabezpiecza skutecznie przed osadzeniem się części stałych. Badana ciecz powinna być pozbawiona piany i pęcherzyków gazu, które znacznie wpływają na dokładność pomiaru.

Metoda izotopowa. Wiązka promieni ze źródła przenika przez rurę z cieczy i przedostaje się do detektora. Wzrost gęstości cieczy zwiększa stopień pochłaniania promieni i zmienia wysterowanie wzmacniacza. Gęstościomierze izotopowe coraz częściej stosuje się w wielu liniach technologicznych.

Metoda konduktometryczna. Zdolność przewodzenia prądu elektrycznego przez roztwory zależy od rodzaju i ilości zawartych w nich jonów, od nieprzewodzących substancji towarzyszących (np. sacharozy). Metody konduktometryczne są wykorzystywane do przemysłowych metod pomiaru stężenia a pośrednio do pomiaru gęstości.

1. 6. Pomiar poziomu cieczy

Celem pomiaru poziomu cieczy jest utrzymanie określonych warunków technologicznych, stwierdzenie stanu, kontrola zapasu lub zużycia cieczy.

Do najważniejszych przemysłowych mierników poziomu cieczy zaliczyć można: a) wodowskazy, b) mierniki pływakowe, c) mierniki hydrostatyczne, d) mierniki wypornościowe.

Pomiar poziomu cieczy może odbywać się także przez ważenie, metodami elektrostatycznymi i metodami izotopowymi.

Pływakowe mierniki poziomu

Bezpośrednim sygnałem wyjściowym jest położenie pływaka. Powinno to być określone i niezmienne - pionowe położenie pływaka w stosunku do lustra cieczy.

Zmiana pionowego położenia pływaka w stosunku do lustra cieczy jest błędem pomiaru. Zmiana ta może powstawać wskutek a) tarcia, b) zmiany masy lub objętości pływaka, c) oddziaływania zewnętrznych sił na pływak. Tarcie powoduje błąd wskazań Δh, a błąd względny b = Δh/h_max może być duży przy małej wartości h_max. Kontrola błędu tarcia jest niezbędna.

Hydrostatyczne mierniki poziomu

Polegają na pomiarze hydrostatycznego ciśnienia cieczy w odniesieniu do określonej wysokości odniesienia:

Pomiar p_h można wykonać bezpośrednio lub za pośrednictwem gazu wtłaczanego do mierzonej cieczy.

Mierniki poziomu z manometrem różnicowym. Pomiar poziomu może odbywać się w zbiorniku otwartym z zastosowaniem manometru różnicowego cieczowego z cieczą o gęstości ρ₂ > ρ₁.

Przy pominięciu gęstości powietrza .

Wypornościowe mierniki poziomu

Działają na zasadzie pomiaru siły wyporu ciała zanurzonego częściowo w cieczy na niezmiennej wysokości lub zmiennej według znanego prawa. Siła wyporu wynosi:

A - pole przekroju,

h - wysokość cieczy od poziomu odniesienia, przy którym istnieje równowaga sił wyporu i ciężkości.

Przeniesienie siły poza zbiornik można zrealizować mechanicznie lub przy pomocy równoważenia pneumatycznego.

1. 7. Pomiar wilgotności

Wilgotność gazów, a szczególnie powietrza, ma znaczny wpływ na wiele procesów przemysłowych, stąd wielkie znaczenie pomiaru wilgotności gazów.

Zagadnieniami wilgotności zajmowała się od dawna meteorologia, która pierwotnie kształtowała pojęcia i nazewnictwo w tej dziedzinie. Następnie w związku z rosnącymi potrzebami techniki i nauki, a szczególnie termodynamiki powstała konieczność opracowania dalszych, lepszych sposobów określania wilgotności powietrza.

Powietrze można traktować z dostatecznym przybliżeniem jako gaz jednorodny o ciśnieniu całkowitym b, zawierającym parę wodną o ciśnieniu cząstkowym p_w. Maksymalna wartość tego ciśnienia ograniczona jest ciśnieniem nasycenia p_n, zależnym od temperatury. Krzywą ciśnienia nasycenia p_n przedstawia wykres jako funkcję temperatury p_n = f(t). Powyżej tej krzywej następuje skroplenie nadmiaru wilgoci w postaci mgły, rosy lub szronu.

Stosunek ciśnienia cząstkowego p_A pary wodnej w stanie A do ciśnienia nasycenia p_n w temperaturze t_A określa wielkość zwana wilgotnością względną.

Krzywa ciśnienia nasycenia pary wodnej w gazach jako funkcja temperatury

Wilgotność względna powietrza jest to wielkość zależna zarówno od temperatury jak i od ciśnienia cząstkowego. Powietrze o temperaturze t_A osiąga nasycenie dopiero przy ciśnieniu cząstkowym równym p_n.

Przyjęto jeszcze dalsze określenia zawartości wilgoci w powietrzu. Stosowanie ich zależy od rodzaju potrzebnej informacji, jak na przykład w procesach suszenia, magazynowania czy korozji ważna jest zwykle znajomość wilgotności względnej φ, natomiast w zagadnieniach termodynamicznych, energetycznych często najdogodniejszą postacią informacji jest wilgotność właściwa.

Wilgotność właściwa jest to masowa zawartość pary na jednostkę masy powietrza wilgotnego (mieszaniny) kg/kg.

Ciśnienie cząstkowe jest to ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu.

Ciśnienie cząstkowe nasycenia określa stan równowagi między parą wodną a wodą w stanie ciekłym.

Temperatura rosy - temperatura, przy której przy panującym ciśnieniu p_w nastąpi stan nasycenia.

Wilgotność bezwzględna masowa jest to masowa zawartość pary na jednostkę masy powietrza suchego kg/kg.

Stopień nasycenia jest to stosunek masowej wilgotności bezwzględnej panującej do wilgotności nasycenia, ψ%.

Sposoby pomiaru wilgotności. Można wyróżnić kilka głównych zasad pomiaru wilgotności powietrza. Do najważniejszych należą następujące metody:

• Usunięcie wilgoci z powietrza i odmierzenie ilości uzyskanej w ten sposób wody. Realizacja następuje przez pochłonięcie wilgotności lub oziębienie powietrza.

• Doprowadzenie pary wodnej zawartej w powietrzu do stanu równowagi z drugą fazą i pomiar parametrów tego stanu - zazwyczaj temperatury. Jest to pomiar temperatury rosy, klasyczna i dokładna metoda lub pomiar temperatury równowagi między wodą w ciele higroskopijnym (najczęściej LiCl) a parą wodną w otaczającym powietrzu. Ta ostatnia odmiana ma obecnie szczególnie duże znaczenie dla pomiarów przemysłowych.

• Obserwacja obniżenia temperatury spowodowanego odparowaniem wody z nawilgoconego ciała do otaczającego powietrza. Metoda ta pozwala na bezpośredni pomiar wilgotności względnej, zatem korzystna jest w praktyce przemysłowej (termometr mokry i suchy).

• Zmiany parametrów mechanicznych lub elektrycznych ciał stałych pod wpływem wilgotności względnej otaczającego powietrza. Na tej zasadzie opierają się liczne higrometry mechaniczne włosowe i im podobne i na ogół nie najlepszych właściwościach mierniczych, ale proste i tanie. Zmiany parametrów elektrycznych, takich jak opór lub stała dielektryczna, wykorzystywane są obecnie w różnych nowych metodach, szczególnie przy zdalnym przekazywaniu sygnałów.

2. Maszyny przepływowe

2. 1. Charakterystyka pomp

Pompami nazywamy maszyny służące do podwyższania ciśnienia płynów w celu przesyłania ich rurociągami lub w celu przetłaczania z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym. Chcąc podwyższyć ciśnienie płynu należy dostarczyć mu energii. Energia silnika napędzającego pompę jest przekazywana płynowi za pośrednictwem układu roboczego maszyny, który stanowi jej zasadniczy element.

Ze względu na zasadę działania pompy można podzielić na wyporowe i przepływowe.

Pompy wyporowe

Maszyny tego typu w wyniku odpowiedniego ruchu elementu roboczego przetłaczają płyn dawkami przestrzeni ssawnej do tłocznej, które są od siebie oddzielone. Ze względu na rodzaj ruchu elementu roboczego można dokonać dalszego podziału tych maszyn:

• maszyny o posuwisto-zwrotnym ruchu elementu roboczego (tłoka) - pompy tłokowe i przeponowe,

• maszyny o obrotowo-zwrotnym ruchu elementu roboczego - pompy skrzydełkowe,

• maszyny o obrotowym ruchu elementu roboczego - pompy rotacyjne.

Pompy o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka

Pompy tłokowe. W przemyśle stosowane są pompy o różnorodnej konstrukcji uzależnionej przede wszystkim od własności chemicznych i fizycznych przetłaczanych cieczy oraz ciśnień, które muszą wytworzyć. Głównymi elementami pompy tłokowej są: kadłub, tłok o ruchu posuwisto-zwrotnym, zawór ssawny i zawór tłoczny. Ta część kadłuba, w której porusza się tłok, nosi nazwę cylindra. Dodatkowo w skład instalacji pompy wchodzą rura ssawna i tłoczna.

Ciecz jest zasysana i wytłaczana porcjami. Tłok przekazujący cieczy energię dostarczoną przez silnik ma kształt tarczy - tłok tarczowy. Dla uzyskania szczelności między ścianką cylindra a tłokiem stosuje się metalowe lub skórzane pierścienie. Tłoki tarczowe znajdują zastosowanie do cieczy czystych i ciśnień nie przekraczających 0,4-0,5MPa. Do ciśnień wysokich oraz cieczy o dużej lepkości i brudnych są stosowane tłoki nurnikowe.

Zanurzający się teraz w cieczy zawarty w kadłubie nurnik powoduje wzrost jej ciśnienia. Następstwem tego jest zamknięcie zaworu ssawnego i otwarcie zaworu tłocznego oraz wytłoczenie do przewodu tłocznego porcji cieczy równej objętości zanurzonego w niej nurnika w czasie suwu tłocznego.

W omawianych powyżej pompach tłokowych na dwa ruchy tłoka (w dwie strony) mamy zassanie i wytłoczenie porcji cieczy. Tylko jedna strona tłoka styka się z pompowaną cieczą. Pompy takie noszą nazwę pomp tłokowych o jednostronnym działaniu. Praca ich jest nierównomierna.

Bardziej równomiernie działają pompy o dwustronnym działaniu. Przy ruchu tłoka w prawo następuje zasysanie cieczy przez lewy zawór ssawny i jednocześnie wytłaczanie cieczy z prawej części cylindra. Przy ruchu odwrotnym zaś z prawej strony następuje ssanie, z lewej - wytłaczanie. Na jeden cykl przypadają dwa skoki ssania i dwa skoki tłoczenia.

Biorąc pod uwagę liczbę tłoków można rozróżnić pompy jednotłokowe, dwutłokowe itd. Ze względu na sposób przenoszenia mocy od silnika na tłok, pompy tłokowe dzielimy na pompy o napędzie korbowym i pompy o napędzie bezkorbowym.

Pompy przeponowe (membranowe). W tego typu pompach tłok został zastąpiony sprężystą przeponą z gumy lub specjalnej stali, co umożliwia przetłaczanie cieczy chemicznie agresywnych. Ruch przepony może być spowodowany bądź przez bezpośredni napęd mechaniczny, bądź pośredni hydrauliczny. Zakres i niezawodność takiej pompy zależy od jakości przepony, jej elastyczności i wytrzymałości na działanie ciśnienia, temperaturę i korozję. Są to najczęściej pompy niskociśnieniowe.

Wydajność pomp tłokowych.

Dla pomp tłokowych o jednostronnym działaniu wydajność teoretyczna Q₁:

(?)

gdzie: V_s - objętość skokowa [m³],

n - ilość cykli [1/h],

d - średnica tłoka [m]

s - długość skoku tłoka [m].

Powietrzniki są to cylindryczne zbiorniki o niewielkiej objętości zależnej od wielkości pompy i jej budowy, wypełnione częściowo cieczą, częściowo gazem, ustawione na przewodach ssawnych i tłocznych bezpośrednio przy pompie. Ich stosowanie pozwala na uzyskanie bardziej równomiernego strumienia cieczy. Zapewniają one zmniejszenie masy cieczy podlegającej zmianom przyspieszenia. Uderzenia cieczy wypełniającej rurociągi są przyjmowane przez poduszkę gazową powietrznika.

Wysokość ssania. Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących pracę pompy jest wysokość ssania. Geometryczną (niwelacyjną) wysokość ssania obliczamy ze wzoru:

gdzie: p₁ - ciśnienie cieczy w zbiorniku dolnym [Pa],

u₁ - prędkość cieczy w zbiorniku dolnym [m/s],

p_s - ciśnienie cieczy na ssaniu [Pa],

_us - prędkość cieczy na ssaniu [m/s]

ρ - gęstość cieczy [kg/m³]

Δh_s - straty ciśnienia na pokonanie oporów w rurociągu ssawnym [m].

W przypadku, gdy zbiornik dolny jest otwarty, a więc panuje w nim ciśnienie atmosferyczne p_b oraz prędkość przepływu w zbiorniku dolnym jest mała można przyjąć u₁ = 0, to równanie uprości się do postaci:

gdzie: H_ms - wysokość ssania.

Po przekroczeniu pewnej temperatury wysokość ssania jest ujemna. Pompa powinna być ustawiona poniżej zwierciadła cieczy w zbiorniku dolnym, czyli pracować nie na ssaniu, a na napływie. Nie występuje zjawisko kawitacji wówczas, gdy pompa jest tak ustawiona, że wysokość ssania nie jest za duża lub wysokość napływu za mała.

Wysokość tłoczenia. Geometryczną wysokość tłoczenia oblicza się ze wzoru, gdzie:

u_t, u₂ - prędkość cieczy przy wylocie z pompy oraz w zbiorniku górnym [m/s],

p_t, p₂ - ciśnienie przy wylocie z pompy oraz w zbiorniku górnym [Pa],

Δht - straty ciśnienia na pokonanie oporów w rurociągu tłocznym [m].

Omówione wzory służą do obliczania wysokości ssania i tłoczenia projektowanych instalacji. Dla instalacji istniejących mogą być one zmierzone za pomocą manometrów różnicowych.

Wysokość podnoszenia. Geometryczna wysokość podnoszenia cieczy H_p jest to różnica pomiarów zwierciadeł cieczy w zbiorniku górnym i dolnym. Jest zatem równa:

m - różnica poziomów gniazd zaworów tłocznego i ssawnego.

Manometryczna wysokość podnoszenia H_m jest określona zależnością:

Użyteczna wysokość podnoszenia H_u jest to przyrost energii cieczy między wlotem i wylotem pompy, odniesiony do 1kg cieczy.

.

Zapotrzebowanie mocy. Użyteczna moc pompy (moc przekazana strumieniowi cieczy) określana wzorem:

.

W rzeczywistości zużycie jest większe w wyniku oporów hydraulicznych samej pompy i oporów mechanicznych (tarcie w łożyskach itp.).

Stosunek mocy użytecznej do mocy pobieranej przez pompę nosi nazwę sprawności całkowitej pompy i dla pomp tłokowych wynosi od 0,7 do 0,95.

Dobór pomp tłokowych

Teoretycznie wydajność pomp tłokowych nie ulega zmianie ze wzrostem wysokości podnoszenia. Nieznaczne odchylenie od tej prawidłowości wynika ze wzrostu strat objętościowych, wynikających z nieszczelności wewnątrz pompy. Z omówionej zależności H_u = f(Q) wynika wniosek, pomp tłokowych nie wolno dławić. W tym przypadku przy prawie nie zmienionej wydajności bardzo wzrośnie wysokość podnoszenia jak również zapotrzebowanie mocy.

Pompy o ruchu obrotowo-zwrotnym tłoka

Przykładem tego typu pomp jest ręczna pompa skrzydełkowa.

W cylindrycznej komorze porusza się ruchem obrotowo-zwrotnym skrzydełkowy tłok przelotowy. Część ssawna od tłocznej jest oddzielona nieruchomą przegrodą. W przegrodzie umieszczone są zawory ssawne, w tłoku zaś zawory tłoczne. Ciecz zawarta w przestrzeni pod tłokiem zostaje wytłoczona do przestrzeni nad tłokiem. Przy każdym obrocie tłoka następuje zassanie, tłoczenie cieczy, a więc omawiana pompa jest pompą o podwójnym działaniu. Znajduje ona zastosowanie do przetłaczania niewielkich ilości czystych cieczy.

Pompy wyporowe o obrotowym ruchu elementu roboczego - pompy rotacyjne

Pompy te właściwie pracują na tej samej zasadzie co pompy tłokowe. Nie mają one jednak zaworów ssawnych i tłocznych, a oddzielenie przestrzeni ssawnej od tłocznej uzyskuje się przez odpowiednie ukształtowanie elementów roboczych lub zastosowanie wirników sterujących. Wytłaczają one ciecz dawkami i wydajność chwilowa jest zmienna. Zmienność ta jednakże jest tak mała, że powietrzniki są zbędne. Istnieje dużo rozwiązań technicznych.

Coraz większe zastosowanie mają pompy śrubowe. Budowane są jako jedno-, dwu- i trójwrzecionowe. Wirnik w kształcie śruby jednozwojowej obraca się w obudowie w kształcie cylindra, na której powierzchni wewnętrznej znajduje się dwuzwojowy gwint o skoku dwa razy większym w stosunku do skoku gwintu wirnika. Kierunek wszystkich zwojów jest zgodny. Oś gwintu wirnika jest przesunięta w stosunku do osi obrotu wirnika, wobec tego na ruch obrotowy wirnika nakłada się ruch krążący osi gwintu wirnika. W wyniku tak złożonego ruchu wolne przestrzenie między wirnikiem a obudową przesuwają się wzdłuż osi pompy. Powoduje to działanie ssąco-tłoczące i przepływ cieczy. Wydajność tego typu pomp dochodzi do 40 m³/h, a osiągane ciśnienie do ok. 1 MPa. Stosowane są do cieczy lepkich i zanieczyszczonych do ok. 10% zanieczyszczeniami stałymi.

Pompy przepływowe

Zależnie od kierunku przepływu cieczy pompy przepływowe dzielimy na: pompy odśrodkowe (o przepływie promieniowym), pompy helikoidalne i diagonalne (o przepływie ukośnym), pompy śmigłowe (o przepływie osiowym).

W pompach odśrodkowych ciecz dopływa do wirnika równolegle, a wypływa prostopadle do jego osi. W pompach helikoidalnych i diagonalnych ciecz dopływa do wirnika równolegle, a wypływa pod kątem do jego osi.

Największe zastosowanie znalazły pompy przepływowe odśrodkowe zwane wirowymi. W pompach wirowych elementem roboczym jest zaopatrzony w łopatki wirnik obracający się ze stałą prędkością kątową. Na ciecz przepływającą przez wirnik zależnie od jego budowy, działa siła odśrodkowa lub siła wyporu łopatek względnie obie siły łącznie.

Pompy odśrodkowe nie są zdolne do zassania cieczy, jeśli pompa i rurociąg ssawny nie są wypełnione cieczą. Wrażliwe są również na obecność w cieczy pompowanej powietrza lub innych gazów. Są specjalne rozwiązania pomp samozasysających, które samoczynnie usuwają gazy.

Teoretyczna wysokość podnoszenia

Odnosi się do pompy idealnej, w której nie występują opory hydrauliczne, a wirnik posiadający nieskończoną liczbę łopatek, zapewnia doskonały przepływ cieczy. Określa się ją przy pomocy zależności:

,

gdzie: u_z - prędkość obwodowa wirnika przy wylocie z wirnika [m/s],

w_z - prędkość względna (styczna do elementu łopatki przy wylocie [m/s],

β_z - kąt nachylenia łopatki.

Charakterystyka pomp wirowych

Ze zmianą wydajności pompy zmienia się jej wysokość podnoszenia, a tym samym zapotrzebowanie mocy i sprawność. Pompy w instalacjach przemysłowych pracują często w warunkach odbiegających od projektowanych. Znajomość tych zależności jest bardzo ważna dla projektanta jak i inżyniera. Zależność wysokości podnoszenia od wydajności pompy H = f(Q) nosi nazwę charakterystyki przepływu pompy lub krzywej dławienia, zaś N = f(Q) - charakterystyki mocy, a η = f(Q) - charakterystyki lub krzywej sprawności pompy. W sumie te krzywe nazywa się charakterystykami pompy.

Punkt pracy pomp wirowych

Pompa tłocząc płyn musi pokonać różnicę poziomów oraz opory przepływu. Krzywa wyrażająca na wykresie zależność tych strat od strumienia przepływu nosi nazwę charakterystyki przewodu. Jednocześnie punkty pracy powinny leżeć na krzywej charakterystyki przepływu. Punkt przecięcia krzywych będzie punktem pracy pompy wirowej w danej instalacji.

Współpraca pomp

Gdy wydajność jednej pompy jest niewystarczająca, można zastosować układ dwóch lub więcej pomp tłoczących płyn jednocześnie do rurociągu czyli pracujących równolegle. W celu określenia charakterystyki przepływu takiego układu trzeba skonstruować jego zastępczą sumaryczną charakterystykę i znaleźć punkt przecięcia z charakterystyką przewodu.

Zwiększenie wysokości podnoszenia osiąga się przez szeregowe połączenie dwóch lub kilku maszyn. Zastępczą charakterystykę układu uzyskuje się przez zsumowanie odcinków odpowiadających wysokości podnoszenia dla tych samych wydajności poszczególnych maszyn. Przecięcie charakterystyki sieci przewodu z zastępczą charakterystyką układu określa jego aktualną wydajność.

Zapotrzebowanie mocy przez pojedyncze pompy wchodzące w skład układów oblicza się z poznanych wcześniej wzorów.

Porównanie pomp

Każdy z rodzajów pomp ma swoje zalety i wady, które określają zakres i możliwości ich zastosowania. Pompy wyporowe, a zwłaszcza tłokowe łatwo przystosowują się do zmiennego przeciwciśnienia przy prawie niezmienionej wydajności, nie wymagają zalewania, pozwalają na uzyskiwanie wysokich ciśnień. Jednak budowa ich w stosunku do pomp wirowych jest bardziej złożona, mają stosunkowo duże wymiary, duży ciężar, a więc i wyższy koszt wykonania.

W wyniku posuwisto-zwrotnego ruchu mas pompy tłokowe wymagają cięższych fundamentów. Konieczność stosowania zaworów uniemożliwia stosowanie pomp tłokowych do pompowania cieczy zawierających zanieczyszczenia mechaniczne. Pompy wirowe mają prostszą budowę, mniejszy wymiar i masę. Ruch obrotowy części pracujących eliminuje budowę cięższych fundamentów. Duże prędkości kątowe wirników umożliwiają bezpośrednie łączenie z szybkobieżnymi silnikami elektrycznymi.

Pompy próżniowe

Zasysają gaz z przestrzeni, w której panuje ciśnienie niższe od atmosferycznego, sprężają go i wytłaczają.

Ciśnienie w przestrzeni, z której ssie pompa próżniowa obniża się w miarę jej pracy do wartości charakterystycznej dla danego rodzaju pompy i układu próżniowego.

Jako pompy próżniowe stosowane są pompy tłokowe, łopatkowe rotacyjne, pompy z pierścieniem cieczowym. Pompy tłokowe stosowane jako pompy próżniowe różnią się od zwykłych pomp rozrządem. Stosowany jest zamiast zaworów samoczynnych rozrząd suwakowy. Zbyt małe różnice ciśnień w obszarze zasysania, występujące w pompach próżniowych nie wystarczają do przyspieszenia samoczynnych zaworów. Przymusowo napędzany suwak otwierając przewody we właściwym czasie powoduje znikome straty ciśnienia. Wyjaśnia to zasadę działania pomp suchych.

2. 2. Charakterystyka sprężarek

W sprężarkach stosuje się zawory samoczynne, otwierające się i zamykające
w wyniku różnicy ciśnień z obu stron zaworu. W teoretycznym procesie sprężania przyjmuje się, że zassanie gazu do cylindra zaczyna się równocześnie z rozpoczęciem skoku ssania. Aby to założenie mogło być spełnione tłok w swym martwym położeniu musiałby szczelnie przylegać do pokrywy cylindra. Warunek ten nie jest możliwy do spełnienia. Zawsze istnieje w sprężarce pewna przestrzeń między pokrywą a tłokiem w jego martwym położeniu, nosząca nazwę przestrzeni szkodliwej.

Przestrzeń ta jest wypełniona gazem o ciśnieniu panującym w cylindrze w ostatniej fazie wydmuchu. Wielkość tej przestrzeni wynosi praktycznie parę procent objętości skokowej (3-10%) i zależy od rozwiązania konstrukcyjnego sprężarki. W skład jej, poza wspomnianą już przestrzenią zawartą między tłokiem a pokrywą, wchodzi objętość kanałów ssawnego i tłocznego w pokrywie, aż do elementów zamykających cylinder.

Stopień sprężania. Liczba stopni sprężania nie przekracza 7. Ciśnienie końcowe w poszczególnych stopniach dobiera się tak, aby ogólne zużycie pracy było najmniejsze. Z rozważań teoretycznych wynika, że warunek ten jest spełniony, gdy stopień sprężania w każdym stopniu będzie ten sam.

.

3. Transport wewnętrzny w zakładzie

3. 1. Przenośniki mechaniczne

Są to maszyny robocze służące do przenoszenia w sposób ciągły ciał stałych na nieduże odległości. Dzieli się je na trzy zasadnicze grupy:

• przenośniki cięgnowe,

• przenośniki bezcięgnowe,

• przenośniki z czynnikiem pośrednim.

Przenośniki cięgnowe są to przenośniki, w których przenoszenie materiału odbywa się za pomocą cięgna (taśmy, liny, łańcucha). Natomiast przenośniki bezcięgnowe nie mają cięgna, a przenoszenie przez nie materiału odbywa się dzięki specjalnej konstrukcji przenośnika. W przenośnikach z czynnikiem pośrednim ruch uzyskuje się dzięki czynnikowi pośredniemu najczęściej jest to woda i powietrze.

Przenośniki cięgnowe

Przenośniki taśmowe. Przenoszą transportowany materiał na elastycznej taśmie - cięgnie bez końca - napiętej między zwrotnymi bębnami. Jeden z tych bębnów jest bębnem napędzającym a drugi napinającym. Taśma na swojej drodze jest podtrzymywana rolkami, które jednocześnie kształtują jej profil.

Taśmy stosowane w przenośnikach tego typu są to najczęściej taśmy gumowe z przekładkami tekstylnymi lub linkami stalowymi. Taśmy gumowe mogą pracować bezpiecznie w zakresie temperatur -30 do +65ºC. Do transportu materiałów o temperaturach wyższych używa się taśm gumowych z ochronną powłoką azbestową.
W przypadku transportu materiałów sypkich pod większymi kątami stosuje się specjalne profilowanie. Przy wyższych temperaturach i przy ostrych krawędziach stosuje się taśmy z siatki metalowej. Prędkość przesuwu taśm gumowo-tekstylnych dla materiałów sypkich wynosi 0,5-2 m/s, a dla kawałków 0,5-0,8 m/s.

Taśma niosąca materiał zależnie od ustawienia rolek podtrzymujących może mieć profil płaski lub nieckowaty.

Wyładowanie materiału z taśmy może odbywać się na jej końcu wskutek zmiany kierunku ruchu lub w dowolnym miejscu przy użyciu urządzeń wyładowczych. Rozróżnia się dwa zasadnicze typy: wózki zrzutowe i zgarniaki zrzutowe.

Przenośniki taśmowe znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu do transportu na kręgach poziomych i pod niewielkim kątem <22º. Wydajność jest duża i dochodzi do kilku tysięcy ton na godzinę.

Odległości również są znaczne. Odznaczają się najmniejszym zużyciem mocy na jednostkę przenoszonej masy. Koszt inwestycyjny jest stosunkowo wysoki. Cicha praca. Dla materiałów sypkich głównie przenośniki taśmowe.

Przenośniki członowe

Zasada działania i idea rozwiązania konstrukcyjnego przenośników członowych i taśmowych są podobne. Elementem nośnym jest taśma zbudowana z dwóch równoległych cięgien - łańcuchów z przymocowanymi do nich członami wykonanymi z metalu lub drewna w postaci płaskich płytek o innym kształcie (np. schody ruchome). Jedna para kół łańcuchowych - napędzająca, a druga napinająca. Najczęściej stosowane typy przenośników członowych to przenośniki płytowe i przenośniki korytowe. Człony takie po złożeniu tworzą transportującą taśmę w kształcie koryta. Załadowanie odbywa się w dowolnym punkcie taśmy, rozładowanie - na końcu przenośnika.

Konstrukcja przenośników członowych jest cięższa, mocniejsza i droższa od przenośników taśmowych. Znajdują one zastosowanie do transportu zarówno materiałów ziarnistych, jak i w pojedynczych sztukach w cięższych warunkach pracy (wysoka temperatura, intensywne ścieranie). Ten rodzaj transportu jest stosowany przy przesyłaniu na niezbyt duże odległości - do 150 m, zarówno w poziomie jak i przy pochyleniu ku górze do 45º przy zastosowaniu płyt poprzecznych.

Stosowane prędkości przesuwu taśmy 0,1 - 0,5 m/s, wydajność do 700m³/h.

Do zalet tego typu przenośników należy zaliczyć odporność na przeciążenia, nierównomierny załadunek, wysokie temperatury.

Wady: ciężka i kosztowna konstrukcja, duże zapotrzebowanie energii, hałaśliwa praca, wysokie koszty eksploatacji.

Przenośniki zgarniakowe

W przenośnikach zgarniakowych transportowany materiał jest przesuwany
w otwartym lub zamkniętym korycie za pomocą zgarniaków przymocowanych do poruszającego się w nim cięgna (łańcuchy, liny).

W zależności od sposobu przesuwania materiału w korycie rozróżnia się przenośniki zgarniakowe zgrzebłowe i przenośniki zgarniakowe typu Reddlera.
W przenośnikach zgarniakowych zgrzebłowych zgrzebła są w kształcie krążków, prostokątów przymocowanych do cięgna popychają przed sobą znajdujący się w rynnie materiał.

Transport może odbywać się dolną bądź górną częścią przenośnika lub jednocześnie obu częściami w przeciwnych kierunkach.

Znajdują one zastosowania do transportu różnego rodzaju materiałów sypkich
z wyjątkiem silnie zdzierających, kruchych i lepiących się. Mogą pracować w płaszczyźnie poziomej albo pochyłej w górę lub w dół pod kątem do 30º.

Długość przenośników zgrzebłowych do 200m, a wydajność do 3t/h przy prędkości przesuwu 0,3 - 0,9 m/s. Zaletą ich jest prosta, zwarta budowa, łatwa eksploatacja oraz możliwość zasilania i rozładunku w dowolnym miejscu. Jako wady: znaczne zużycie energii i duże zużycie powierzchni trących.

W przenośnikach typu Reddlera poruszający się w zamkniętym korycie łańcuch o odpowiednio profilowanych ogniwach zajmujących nieznaczną część przekroju rynny przesuwa znajdujący się w niej materiał w wyniku większego tarcia między cząsteczkami materiału, niż między materiałem a ścianką rynny. Istnieje wiele odmian ogniw łańcuchów stosowanych w przenośnikach typu Reddlera.

Przenośniki zgarniakowe typu Reddlera są stosowane do transportu zarówno w poziomie, jak i w pionie na niezbyt dużych odległościach materiałów sypkich, pylących, zwłaszcza o małym współczynniku tarcia. Do dodatkowych zalet należą małe wymiary, możliwość transportu materiałów pylących, w wyższej temperaturze, szkodliwych dla zdrowia. Do wad: dodatkowo mała prędkość ruchu 0,4-0,5 m/s.

Przenośniki kubełkowe

Znajdują zastosowanie zarówno do transportu pionowego materiałów ziarnistych i kawałków, jak również jako przenośniki okrężne. Głównie służą do transportu pionowego tzw. podnośniki.

Materiał nie tworzy na elemencie nośnym ciągłego strumienia, a jest przenoszony porcjami w naczyniach - kubełkach przymocowanych do cięgna w postaci taśmy lub łańcucha. Taśmy jako cięgna używa się w urządzeniach mniejszych, a łańcuchy - w większych.

Napełnianie kubełków może zachodzić bądź samoczynnie przez bezpośrednie naczerpywanie bądź przy użyciu odpowiednich dozowników.

Materiał z kubełków może wysypywać się bądź pod działaniem siły odśrodkowej, bądź siły ciężkości. Prędkość ruchu podnośników grawitacyjnych wynosi 0,25 -1m/s, a odśrodkowych 0,8 -3 m/s.

Podnośniki grawitacyjne są stosowane do transportu materiałów kawałkowych, kruchych i łatwo wysypujących się, natomiast podnośniki odśrodkowe do transportu materiałów sypkich. Wysokość podawania 0,50 m. Wydajność 3-250 m³/h, a grawitacyjnych do 400m³/h.

Zalety: małe wymiary poprzeczne, duża wydajność, możliwość transportu materiałów pylących. Wady: duży ciężar konstrukcji, równomierne zasilanie i duże zużycie elementów nośnych.

Przenośniki bezcięgnowe

Przenośniki ślizgowe. Są to równie pochyłe lub spiralne, po których pod działaniem siły ciężkości zsuwa się transportowany materiał. Buduje się je w postaci otwartych lub zamkniętych rynien. Kąt pochylenia rynny powinien być większy od kąta tarcia.

Przenośniki wałkowe i krążkowe. Elementem nośnym w tego rodzaju przenośnikach są obracające się wałki lub krążki osadzone między dwiema prowadnicami.

Zarówno przenośniki wałkowe, jak i krążkowe służą do przenoszenia pojedynczych ładunków. Ładunek może być przesuwany ręcznie lub przy odpowiednim przechyleniu zsuwać się pod działaniem siły ciężkości. Można stosować napęd wałków. Zalety: prostota i niski koszt urządzenia, tania eksploatacja.

Przenośniki śrubowe (ślimakowe). Zasadniczym elementem w tych przenośnikach jest powierzchnia śrubowa obracająca się wokół osi. Przenośniki ślimakowe dzieli się na przenośniki z elementem śrubowym nawiniętym na obracający się w korycie wał lub z elementem śrubowym umocowanym od wewnętrznej ścianki obracającej się rury.

Zasilanie przenośnika śrubowego może odbywać się w dowolnym miejscu, podobnie rozładunek. Przenośniki śrubowe pracują najwydajniej przy częściowym wypełnieniu koryta.

Przenośniki śrubowe znajdują zastosowanie do transportu materiałów sypkich, drobnoziarnistych, mało skłonnych do zbrylania. Transport w poziomie lub pod kątem do 20º. Długość 100m, przy wydajności do 350 m³/h.

Przenośniki wstrząsowe. Materiał transportowany znajduje się w otwartej lub zamkniętej rynnie wykonującej niewielkie ruchy posuwisto-zwrotne. Wykorzystano w nich bezwładność transportowanego materiału. Rozróżnia się dwa rodzaje przenośników wstrząsowych: przenośniki wstrząsane i przenośniki wibracyjne. W przenośnikach wstrząsowych rynna wykonuje cykliczne ruchy posuwisto-zwrotne w płaszczyźnie równoległej do jej powierzchni.

Przenośniki wibracyjne znajdują coraz szersze zastosowanie. Rynna wykonuje drgania harmoniczne o symetrycznej zmianie prędkości i przyspieszeń. Ruch rynny odbywa się w płaszczyźnie nachylonej pod pewnym kątem do powierzchni rynny. Do wywołania drgań stosuje się wibratory mechaniczne lub elektromagnetyczne.

Zalety: małe zużycie mocy, niewielka ścieralność rynien, prosta i zwarta budowa, możliwość transportu w zamkniętych rynnach. Wady: zużywanie się łożysk, elementów sprężystych.

Przenośniki z czynnikiem pośrednim

Przenośniki pneumatyczne. Jest to rurociąg, w którym z odpowiednią prędkością przepływa gaz, doprowadzone do niego ciało sypkie jest unoszone i transportowane.
W zależności czy w rurociągu panuje ciśnienie wyższe czy niższe, rozróżnia się systemy transportu pracujące na podciśnieniu i na nadciśnieniu oraz mieszane. Prędkość powietrza jest rzędu 8-35 m/s. Stężenie transportowanej mieszaniny 10-25 kg/kg powietrza.

Przenośniki pneumatyczne znajdują zastosowanie do transportu materiałów sypkich w postaci proszku lub drobnych ziaren. Nie nadają się do przenoszenia materiałów wilgotnych, zlepiających się, gruboziarnistych. Wydajność waha się w szerokich granicach i dochodzi do 750t/h.

Zalety: prosta budowa i obsługa, pewność ruchu, hermetyczność, zwartość konstrukcji. Wady: duże zużycie energii, zużycie przewodów.

Wydajność przenośników

Wydajność teoretyczna

A - powierzchnia przekroju poprzecznego warstwy transportowanego materiału [m²]

u - prędkość przemieszczania materiału [m/s],

ρ^u - gęstość nasypowa [t/m³].

Dla transporterów periodycznych

V - objętość naczynia [m³],

a - odległość między naczyniami [m]

Wydajność techniczna 0 < K < 1.

Zapotrzebowanie mocy

Moc potrzebna na wale napędowym przenośników mechanicznych N jest sumą pracy N₁ potrzebnej do podniesienia transportowanego materiału na wysokość H, mocy N₂ traconej na pokonanie oporów przy podnoszeniu materiału, mocy N₃ na pokonanie oporów ruchu elementu transportującego i mocy N₄ na pracę urządzeń rozładunkowych i załadunkowych.

K - współczynnik zapasu energii na nieprzewidziane opory.

Q - wydajność przenośnika [t/h],

L - długość drogi transportu [m],

u - prędkość ruchu organu transportującego [m/s],

K₁, K₂ - współczynnik oporu.

Przy określaniu mocy silnika N_s

K₃ - współczynnik warunków pracy przenośnika,

η - sprawność (0,60-0,85).

Dobór przenośnika

Należy wziąć pod uwagę: przedmiot i drogę transportu, wymaganą wydajność, koszt transportu.

Przedmiot i droga transportu na tej podstawie dobiera się rodzaj transportu.

Ustala się koszt transportu na jednostkę k = K / Q.

Wózki torowe

Są to wózki przejeżdżające po torach ułożonych w górze, nad ziemią, bądź na torach spoczywających na ziemi. Dzielą się na: symetryczne i niesymetryczne, przejeżdżające po jednej szynie lub dwu szynach, przejeżdżające po górnej półce lub po dolnej półce szyny.

Wózek niesymetryczny górny. Wózek wyposażony jest w dwie rolki toczne, obracające się na sworzniach nieruchomych osadzonych w płaskim pasie blachy, zwisających pionowo w dół. Najczęściej stosuje się napęd ręczny.

4. Maszyny i urządzenia do utrzymania higieny produkcji

W zakładach przemysłu spożywczego przerabiany produkt styka się z przewodami, zbiornikami, maszynami oraz z opakowaniem. W każdym etapie produkcji powstają zanieczyszczenia, które stanowią głównie resztki przerobionego materiału lub jego składniki jak tłuszcz, białko, cukry. Pozostałości te stanowią dobrą pożywkę dla rozwoju drobnoustrojów oraz różnego rodzaju owadów. Stąd też ważne jest dokładne usunięcie tych pozostałości wraz z nagromadzoną mikroflorą. W trakcie produkcji ulegają także zanieczyszczeniu ściany, okna, posadzki pomieszczeń, w których odbywa się przetwarzanie i magazynowanie żywności.

Szczególnie ważne jest mycie i odkażanie opakowań bezpośrednich gotowego produktu (słoje), a także opakowań zbiorczych (skrzynki, kontenery, itp.).

Wszystkie czynności związane z utrzymaniem higieny produkcji, a więc mycie, czyszczenie, dezynfekcja są przy ich ręcznym wykonywaniu bardzo uciążliwe i zabierają dość dużo czasu. Dlatego dąży się do mechanizacji i automatyzacji tych prac. Do przeprowadzenia tych procesów służą różnego rodzaju maszyny i urządzenia, które wykonują zazwyczaj szereg czynności równocześnie.

Ze względu na przeznaczenie można je podzielić na:

• maszyny i urządzenia do mycia i dezynfekcji opakowań jednostkowych (odmaczalniki i myjki do opakowań szklanych oraz myjki do puszek),

• maszyny i urządzenia do mycia i dezynfekcji opakowań zbiorczych (myjki do konwi, myjki do beczek, myjki do skrzyń itp., urządzenia do mycia i dezynfekcji tanków),

• stacje mycia i dezynfekcji,

• maszyny do czyszczenia powierzchni (maszyny zamiatające, zmywające i pyłopochłaniające),

• maszyny i urządzenia do dezynfekcji powierzchni i dezynsekcji pomieszczeń.

Myjki do opakowań szklanych

Można je podzielić na następujące grupy: myjki szczotkowe, myjki natryskowe do butelek, myjki namaczalnikowo-natryskowe do butelek, myjki do słoi.

Myjki szczotkowe ze względu na możliwość wtórnego zakażenia opakowań przez szczotki wychodzą praktycznie z użycia.

Myjki natryskowe są to najczęściej maszyny typu tunelowego. Stosuje się kilka typów. We wszystkich jednak opakowanie myje się przez natryskiwanie wodą i roztworem ługu.

Każda myjka tunelowa do opakowań składa się z następujących głównych części: obudowy z blachy stalowej, przenośnika opakowań w maszynie, napędu, natrysków, zbiorników i pomp. Większość myjek jest ponadto wyposażona w urządzenia do posuwania opakowań i urządzenie do wyładowywania i transportu opakowań.

Do myjki tunelowej butelki są doprowadzane przenośnikiem płytkowym i dostają się do urządzenia podsuwającego, które wprowadza je do koszy przymocowanych do belek przenośnika członowego, a ten z kolei transportuje je przez kolejne strefy myjki. W każdej strefie butelki są przenoszone nad dyszami rozpylającymi czynnik myjący, który jest podawany w zbiorniku za pomocą pomp. Po natrysku czynnik myjący wraca ponownie do zbiornika. Butelki przechodzą przez następujące natryski: natrysk zwilżający, natrysk wysokociśnieniowy ługu o stężeniu 0,8 - 1,0%, natrysk ługu o stężeniu 0,8-1,5%, natrysk ciepłej wody, natrysk zimnej wody. Myjka jest wyposażona we wzierniki oraz wewnętrzne oświetlenie, które pozwala na obserwację pracy maszyny. W obudowie myjki są wykonane włazy, przez które można dostać się do wnętrza maszyny w celu jej naprawiania lub konserwacji.

Myjki namaczalnikowo-natryskowe do butelek są stosowane w tych przypadkach, gdy zakład produkcyjny korzysta z opakowań zwrotnych, które zwykle są zanieczyszczone poschniętym osadem, mają etykiety, itp. Myjki takie muszą zapewniać odpowiednio długi czas moczenia butelek w wodzie lub roztworze myjącym o wzrastającej temperaturze oraz ich mycie i płukanie w poszczególnych strefach pod wpływem silnego strumienia roztworu ługu i wody.

Myjki namaczalnikowo-natryskowe mają podobną budowę do opisanej wcześniej myjki, z tym, że droga jaką przebywają butelki podczas mycia, jest tu wydłużona przez zmianę jej kierunku.

Urządzenia do mycia mechanicznego i dezynfekcji tanków

W przemyśle spożywczym jeszcze jest stosowany tradycyjny sposób mycia
i dezynfekcji tanków. Bezpośrednio po opróżnieniu tanki płucze się zimną wodą, następnie szoruje miękką szczotką z użyciem środków myjących. Na umyte powierzchnie natryskuje się roztwór dezynfekujący, a następnie płucze wodą.

Stacje mycia

W miarę jak przemysł spożywczy wzbogacał się w nowoczesne linie o wysokim stopniu zautomatyzowania operacji technologicznych i dużej wydajności, stało się konieczne stosowanie zmechanizowanych i zautomatyzowanych urządzeń myjących. Obecnie coraz częściej do mycia całych linii czy poszczególnych maszyn i urządzeń (zbiorników, wymienników ciepła itd.) instaluje się tzw. stacje mycia, gdzie proces jest zaprogramowany
i przebiega bez rozbierania mytego urządzenia czy linii w obiegu zamkniętym.

Stacja mycia składa się z następujących zespołów:

• zbiornika magazynującego wodę do płukania wstępnego,

• zbiorników na środki myjące,

• zbiornika na środki dezynfekujące,

• pomp,

• podgrzewaczy roztworów myjących,

• układu sterowniczego.

Instalacja mycia w obiegu zamkniętym jest wyposażona ponadto w niezbędne urządzenia gwarantujące dokładne oczyszczenie tych powierzchni aparatury, które stykają się z produktem spożywczym. Do tego celu służą różnego rodzaju dysze i głowice.

W zależności od potrzeb i rodzaju mytej aparatury stosuje się dwa zasadnicze programy mycia w obiegu zamkniętym:

• program chłodny, stosowany do mycia tanków, oziębiaczy płytowych, rurociągów,

• program gorący, stosowany do mycia pasteryzatorów, wirówek do mleka itp.

Program chłodny wymaga stosowania tylko jednego środka myjącego. Na przykład w przemyśle mleczarskim wystarcza użycie roztworu ługu o odpowiednim stężeniu.

W programach gorących przewiduje się użycie co najmniej dwóch roztworów myjących. W obu programach przewiduje się operację płukania zimną, a następnie gorącą wodą.

Centralna stacja mycia może być przystosowana do mycia urządzeń tylko według jednego z opisanych programów lub do obu typów programów.

Przykładowo proces mycia tanków i zbiorników wg programu chłodnego:

• płukanie wodą - 3 minuty,

• krążenie roztworu ługu w temperaturze 70ºC - 6 minut,

• dezynfekcja gorącą wodą o temperaturze 90ºC - 3 minuty,

• ochładzanie wodą - 7 minut.

Proces mycia płytowego wymiennika ciepła wygląda nieco inaczej:

• krążenie roztworu kwasu w temperaturze 70ºC - 12 minut,

• płukanie gorącą wodą w temp. 70ºC - 6 minut,

• krążenie roztworu ługu o temp. 70ºC - 18 minut,

• sterylizacja gorącą wodą w temp. 90ºC - 8 minut,

• ochładzanie zimną wodą - 8 minut.

Częstotliwość mycia aparatury oraz czas trwania poszczególnych etapów mycia są określane doświadczalnie w zależności od procesu technologicznego. Czas krążenia roztworu myjącego wynosi zwykle od kilku do kilkudziesięciu minut, a czas płukania nie przekracza kilku minut.

Maszyny zmywające (zmywarki)

Zastępują one ręczne zwilżanie, szorowanie i ewentualne osuszanie hal fabrycznych, magazynów, składowisk itp. W zmywarce produkcji firmy CIMEX elementem roboczym jest zespół trzech przeciwbieżnych szczotek (podobnie jak w popularnych froterkach). Maszyny te są wyposażone w zbiornik do cieczy myjącej podawanej na szorujące szczotki, jak również urządzenia próżniowe zbierające zużytą ciecz i osuszające wyszorowaną powierzchnię. Zużyta ciecz zbiera się w specjalnym zbiorniku. W zależności od typu maszyny te szorują pas powierzchni o szerokości do 76cm. W czasie 1 godziny czyszczą powierzchnię do 1850m².

---