Áramlástechnikai Gépek

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR HIDRODINAMIKAI RENDSZEREK TANSZÉK

Áramlástechnikai Gépek

Szivattyú kavitációs vizsgálata Mérési jegyzőkönyv

Készítették:

A mérés ideje: A mérés helyszíne:

NEPTUN:

Aláírás:

BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék Laboratóriuma

Tartalomjegyzék BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM ......................................... 1 Szivattyú kavitációs vizsgálata Mérési jegyzőkönyv.................................................................... 1 1. A Mérés célja: ......................................................................................................................... 3 2. A mérőberendezés Leírása, vázlata, felhasznált műszerek........................................................ 3 3. A mérés menete....................................................................................................................... 4 4. A berendezésekhez tartozó műszaki adatok: ............................................................................ 4 5. A számításokhoz felhasznált összefüggések............................................................................. 5 6. A mért és számított adatok: ..................................................................................................... 6 6.1. Előzetesen mért, ismert adatok:.................................................................................... 6 6.2. A számítások bemutatása egy mérési pontra: ............................................................... 6 6.3. Hibaszámítás: .............................................................................................................. 8 7. Saját feladat........................................................................................................................... 10 8. Összegzés .............................................................................................................................. 11 9. Források, felhasznált irodalom............................................................................................... 12

2

1. A MÉRÉS CÉLJA: Folyadékot szállító rendszerekben, ha a helyi nyomás a folyadék telített gőznyomásáig csökken, gőz képződése mellett felléphet a kavitáció jelensége. Ilyen rendszerek, illetve elemek leggyakrabban a szivattyúk, illetve elzáró és szabályzó szerelvények. A gőzbuborékok zaj illetve rezgéshatásokat okozhatnak, illetve fizikai károsodást is eredményezhet. A mérés során egy plexi előlappal lezárt szivattyún vizsgáljuk a kavitációs jelenség alakulását, a szívó, illetve a nyomó oldali tolózárak által létrehozott fojtásból eredő ellenállások változtatásával, a térfogatáram állandó értéken tartása mellett. A mérés célja a szivattyú leszívási jelleggörbéjének meghatározása, a mért adatok alapján. A mérés során meghatározandó, elkészítendő feladatok: 

A leszívási görbe felvétele, egy előre megadott térfogatáram mellett



Önálló feladat, 2a: Villanymotor választása a szivattyúhoz, amennyiben hatásfoka 85%

2. A MÉRŐBERENDEZÉS LEÍRÁSA, VÁZLATA, FELHASZNÁLT MŰSZEREK Az alábbi rajzon egy olyan mérőállomás látható, mely egy plexi előlapos szivattyúra épült, emiatt szemrevételezhető a szivattyúban kialakuló kavitációs jelenség vizuális megfigyelése. Az S jelű szivattyú az ST szívóoldali tartályból szívja a vizet T1 illetve T3 tolózárakon keresztül, melyek a szívócső ellenállásának változtatására alkalmasak. a szívó, illetve nyomó oldali nyomásértékeket higanyos manométerrel mérjük, a vízhozamot pedig MP mérőperemmel vizsgáljuk! A plexi előlap megvilágítását az Str jelű stroboszkóp lámpával világítjuk meg, melynek villanási frekvenciáját a fordulatszámmal azonos értékre beállítva az „állni látszó” lapátokon a kavitáció könnyedén megfigyelhető. A mérés során a kavitációs zóna nagyságát vonalzóval mérjük. KÉZI RAJZ HELYE:

Az ábrán látható jelölések rendre: -S: szivattyú -MP: mérőperem -T1; T2; T3; T4: tolózárak -Str: stroboszkóp

-ST: szívóoldali tartály -SC: konfúzor 3

3. A MÉRÉS MENETE A mérés megkezdéséhez ellenőrizni kell a tartály vízszintjét, a nyomóoldali tolózárak (T2; T4) zárt állapotát, miközben ügyelünk arra is, a T1 legalább félig nyitott állapotba kerüljön. Ellenőrizni kell még, hogy a számítógép melletti kapcsolószekrény kapcsolója RS állásban legyen. Ezután elindíthatjuk az S szivattyút, majd az SS segédszivattyút a frekvenciaváltóval. Ekkor nyithatjuk a T2, T4 tolózárakat, miközben a mérőperem manométerét figyeljük. Végül felkapcsoljuk a stroboszkópot is. A mérés során egy először beállítjuk a kívánt Q térfogatáramot, melyet a mérés végéig igyekszünk a tolózárak állításával állandó értéken tartani. A mérést teljesen nyitott T1 illetve T3 tolózárállásról indítjuk, s a kívánt Q eléréséhez a T2, T4 jelzésű tolózárakon állítunk. A mérést amennyiben T1 tolózárat teljesen elzártuk a T3 zárásával folytatjuk oly módon, hogy közben a Q térfogatáram értéke a T2, T4 tolózárak állításával ne változzon. A mérés során az egyes pontokban a manométer kitérések leolvasásra kerülnek, s a folyamatot a szivattyú plexi borításán keresztül vizuálisan is kísérjük. A pontokat úgy válasszuk meg, hogy a szívómagasság szemmel láthatóan változzon a tolózárak állításával. A pontok felvétele után a berendezést az indítási sorrendet megfordítva kapcsoljuk ki.

4. A BERENDEZÉSEKHEZ TARTOZÓ MŰSZAKI ADATOK: Megnevezés

Gyártó; típus

Gyári szám/Sn

Szivattyú

DiGÉP TTA85/2011

909/5156

Villanymotor

EVIG

VZ51/4 086517

Mérőperem

Blende Ø60

2-17-226

Fordulatszám távadó:

Gamma 5ES-1/3000

778121

Stroboszkóp

1538-Strobotac General Radio

US PAT 2977508

Dobozos manométer

Haenni

3066977

Elektromotor

MTA 121-3654

EFK41K4MOT107755

Fordulatszám mérő

Jacquet Indicator

346813

4

5. A SZÁMÍTÁSOKHOZ FELHASZNÁLT ÖSSZEFÜGGÉSEK A szivattyú térfogatáramának meghatározása: d 2  2pmp d 2  2 g ( Hg  viz )  hmp Q   ( D, d , Q)     ( D, d , Q )   4 viz 4 viz

,

ahol:      

α - átfolyási szám d – mérőperem belső átmérője ρvíz – víz sűrűsége ∆pmp –mérőperem nyomásváltozása ρHg – higany sűrűsége g – gravitációs gyorsulás



∆hmp – a mérőperemre kapcsolt manométer kitérése

ami a mérőperem, illetve szivattyú adatai ismeretében a

Q  3.2472(hmp )0.5 értékre egyszerűsödik, ahol Q mértékegysége [m3/h], hmp értéke pedig [mm]-ben van megadva. H szállítómagasság értékének meghatározása:

H

ahol:     

Hg  v v

hn  ( z2  z1  ln ) 

Q 2   ls1 l l  1 1  s2 2  n 2   2  2   2 2 g   d s1 As1 d s 2 As 2 d n Asn   An As 2

H – szállítómagasság ∆hn- szivattyú szívó és nyomócsövéhez tartozó nyomáskülönbség, a manométer kitérése z1; z2; ls1; ls2; ln; az ábráról leolvasható hosszúságadatok Q – térfogatáram ds1, ds2, dn, As1, As2, An a szükséges átmérők illetve keresztmetszetek

Az ismert adatokat behelyettesítve az alábbi egyszerűsített képlet adódik:

  m3   Q  h 13.6 hn  mm H  m   hn  mm    0.18  9781       3600  1000 1000    

5

2

A rendelkezésre álló szivattyú szállítómagasság számítása:

NPSH a 

ahol:   

  Q 2    ls 1   ls 2 1 1   (hsj  hsb )   Hg   hsj  z 2  z1    2  2   2 2 v  g 2 g  d s1 As1 d s 2 As 2 As1 As 2   v 

p0  pg

hsj, hsb –a szívócsonkra kötött manométer jobb és bal oldalának kitérése p0 –légköri nyomás pg – a szállított közeg hőmérsékletéhez tartozó telített gőznyomás

Az ismert adatok behelyettesítése után kapjuk:

  m3   Q   hsj  mm h 13.6 NPSH a  m   11.13   (hsb  mm   hsj  mm)   10773       3600  1000 1000    

2

6. A MÉRT ÉS SZÁMÍTOTT ADATOK: 6.1. Előzetesen mért, ismert adatok: 

A labor hőmérséklete: T0=22.5  C

    

nyomás: P0=715 [Hgmm]1018 [Mbar]101,8 [kPa] víz sűrűsége: ρvíz= 1000 [kg/m3] higany sűrűsége: ρHg= 13600 [kg/m3] A csővezeték belső átmérője: D=72 [mm] A szűkítő nyílás legkisebb átmérője: d=52 [mm]

6.2. A számítások bemutatása egy mérési pontra: Q  3.2472(hmp  mm )

0.5

 3.2472  (150)

0.5

 m3   39.77    h 

2

  m3   Q  2 h  13.6  hn  mm  12.6 820  39.77    H  m    hn  mm     0.18  9781   820    0.18  9781     10.14  m   3600  1000 1000 1000 1000  3600      2

  m3   Q  hsj  mm h 13.6 NPSH a  m   11.13   ( hsb  mm   hsj  mm )   10773        1000 1000 3600      2

13.6 777  39.77   11.13   (221  777)   10773     3.03  m 1000 1000  3600 

6

Ssz

n

∆hmp

∆hn

hsb

hsj

Megfigyelés

zónahossz

Q

H

NPSHa

[1/min]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[m3/h]

[m]

[m]

1.

2130

150

1120

505

482

-

39,77

14,22

10,61

2.

2140

150

1120

435

555

-

39,77

14,22

8,74

3.

2140

150

1115

315

668

fizikai(élen)

39,77

14,15

5,68

4.

2140

150

1111

222

777

technikai

25

39,77

14,10

3,04

5.

2140

150

820

221

777

technikai

35

39,77

10,14

3,03

6.

2140

150

432

212

784

technikai

50

39,77

4,86

2,82

7.

2140

150

1128

308

683

fizikai

5

39,77

14,33

5,40

8.

2135

150

1115

248

747

technikai

40

39,77

14,15

3,78

9.

2140

150

980

229

778

technikai

45

39,77

12,31

3,13

1.táblázat: mérést kiértékelő táblázat

Leszívási görbe

H[m] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

1 diagram: A kiértékelés eredménye. ( A hibasávok %-os arányban feltüntetve)

7

10

12 NSPHa[m]

6.3. Hibaszámítás: A hibaszámítás során az f(x;y;z) függvény szórásnégyzetét az alábbi összefüggést felhasználva számolhatjuk: 2

2

2

 f   f   f       2x      2y      2z  x   z   y  2 u

Ez alapján a térfogatáram (Q) hibája:

Q  3.2472(hmp )0.5 Ahol a hiba

 hm p

-t terheli.

E hmp   4  mm 

hmp  2 mm Q 1  1, 6236 hmp hmp 2

2  Q   m3   1, 6236  Q       2   0.265    hmp hmp   150   h   

Abszolút hibasáv:

 m3  EQ  2Q  0.530    h  Relatív hiba:

eQ 

EQ Q

100 

0.530 39.77

100  1.380%

 m3  Q1  39.77  0.530    h  A Szállítómagasság hibája: H  hn 

13.6 hn  Q    0.18  9781   1000 1000  3600 

2

A hiba hn  t és Q  t terheli

 m3  EQ  0.530    h 

E  hn   4 m m

8



 m3  Q  0.265    h 

  hn  1 m m

H 14.22   0.0127 hn 1120

H 9781  Q  2  Q 36002

2

2

 H   H  Q   hn    Q     hn   Q

 0.0127 1

2

 (39.77  2 



9781  0, 265) 2  0.0209  m  3600 2

Abszolút hiba:

 m3  EQ  2H  0.0418    h  Relatív hiba:

eH 

0.0418 EH 100  100  2.965% H 14,10

H 4  14.10  0.0418  m  Rendelkezésre álló szívómagasság hibája: NPSH a  11.13 

2 hsj 13.6  Q   ( hsb  hsj )   10773    1000 1000  3600 

Itt a hiba a Q-t, hsb-t, és hsj-t, terheli.

 m3  EQ  0.530    h 

Ehsb  2  mm 

 m3  Q  0.265    h 

 hsb  1 mm  2

2

 NSPH a

Ehsj  2  mm

hj  1 mm 2

2 2    NSPHa  NSPHa   NSPH a 10773  13,6   12.6  2   Q    hsb    hsj   (39.77  2   0.265)   1   1      0.0255 m   36002  1000   1000   Q   hsb   hsj 

Abszolút hiba:

ENHSPa  2   NHSPa  0, 051 m  Relatív hiba:

eNHSPa 

ENSPH a NSPH a

100 

0.051 100  1.678% 3.04

NPSH a  3.04  0.051 m 

9

Q absz. hiba(EQ)

Q rel. Hiba(eQ)

H absz. hiba(Eh)

Q rel. Hiba(eH)

NPSHa absz. hiba(ENHSPa)

NPSHa rel.hiba(eNPSHa)

[m3/h]

[%]

[m]

[%]

[m]

[%]

1.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

0,481

2.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

0,584

3.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

0,897

4.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

1,675

5.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

1,683

6.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

1,808

7.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

0,945

8.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

1,351

9.

0,530

1,380

0,0418

2,965

0,051

1,631

Ssz

2.táblázat: Hibaszámítási adatsor táblázata

7. SAJÁT FELADAT 2/a feladat megoldása: Válasszon villanymotort, ha a szivattyú hatásfoka 85%! n=2140[1/min] ρvíz= 1000 [kg/m3] ρHg= 13600 [kg/m3] η=85 [%] Q=39,77 [m3] A szivattyú hasznos teljesítménye, az előadáson tanultakból:

Ph  Q víz  g  H  39.77 / 3600 1000  9.8114,1  1528 W  ahol:    

Q: Térfogatáram ρvíz: Víz sűrűsége H: a választott mérési ponthoz tartozó szállítómagasság g: gravitációs gyorsulás

A szivattyú beveztett teljesítménye: P P 1528   h ahonnan Pbe  h   1798 W  Pbe  0.85 ahol:   

Ph: hasznos teljesítmény Pbe: bevezetett teljesítmény η: hatásfok 10

Szivattyú választásához szükséges még a bemenő nyomaték számítása: P 1798  60 M be  be   8.02  Nm  n  2   2140  2   ahol: 

n: a mért fordulatszám

A választott motor az Iramkodrive SM motor katalógusából:

3. táblázat: A választott villanymotor:(http://iramkodrive.com/download.php?fid=2665)

8. ÖSSZEGZÉS A mérés során az előre megbeszélteknek megfelelően felvett mérési pontokkal sikerült megfelelő részletességgel előállítani a leszívási jelleggörbét. Fontos megfigyelés volt, hogy a beépített fojtás változtatására a kavitációs jelenségek megjelenése után nagyon érzékenyen reagált a berendezés. A pontok felvétele során a kavitáció minden típusát megfigyelhettük. A nyomásváltozás során előbb fizikai, majd technikai kavitáció alakult ki, később pedig a szuperkavitációhoz közeledve egy pontban a görbe a H szállítómagasság hirtelen esésével megtörik. A letörési értéknél található az előre beállított térfogatáramhoz tartozó NPSHr érték.

Az ellenőrző program eredményei:

1. ábra: A Ellenőrzött eredmények

11

9. FORRÁSOK, FELHASZNÁLT IRODALOM 1. Szivattyú kavitációs vizsgálata, mérésjegyzet ( http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02/Kav.pdf ) 2. Előadásvázlat az Áramlástechnikai gépek című tárgyakhoz; Kullmann László; 2013 (http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02/atg_jegyzet.pdf 3. SM motor katalógus ( http://iramkodrive.com/download.php?fid=2665)

12