AZ ÁRAMLÁSTAN VÁLOGATOTT FEJEZETEI - ÁRAMLÁSMÉRÉS. Dr. Vad János docens

AZ ÁRAMLÁSTAN VÁLOGATOTT FEJEZETEI ÁRAMLÁSMÉRÉS Dr. Vad János docens 1: Elıadás. Bevezetés. Idıbeli átlagnyomás és idıben változó nyomás mérése. Sebességmérık. Hımérsékletmérés. Lézer Doppler anemometria. Lézersíkos áramlás vizualizáció. Particle Image velocimetry. Hıdrótos sebességmérés. Térfogatáram mérése. „Különleges” ipari áramlásmérık. 2: Ipari esettanulmányok. Gázmotoros erımő légellátó rendszerének hibafeltárása. Aerob szennyvízkezelı telep zajcsökkentése. Szárítótorony rezgésének vizsgálata. Gyógyszeripari fermentációs folyamat optimalizálása. Földgázkút vezetékébe épített áramlásmérı mérési zajának hatása a gázkitermelésre. 3: Laborbemutató. Nyomás, sebesség, hımérséklet mérésének eszközei. Térfogatáram mérése. Lézerek. Lézer Doppler Anemometria. Hıdrótos sebességmérés. 4: Ipari esettanulmányok. Kazán-aláfúvó ventilátor rezgésdiagnosztikája. Élelmiszeripari hőtırendszer kapacitásnövelése. Gázturbinás erımő áramlástechnikai felülvizsgálata. Cementipari füstgázvezetékbe beépített hangtompító mérése. 5: Ipari esettanulmányok. Erımővi égésilevegı-ellátó ventilátor üzemállapotának megállapítása. Távhıellátó rendszer méréstechnikai felülvizsgálata. Vegyipari tartálypark szivattyú-rendszerének rekonstrukciója. Acélipari lemezhőtı rendszer hatékonyságnövelése. Dr. Vad János: Áramlásmérés

1. 1.1.

BEVEZETÉS Az áramlástani mérések célja

1.1.1. Globális (integrál) jellemzık

Áramlástechnikai gépek és a csatlakozó rendszer üzemének általános megítélése, hibafeltárás (eseti vizsgálatok)

Tömegáram: Dr. Vad János: Áramlásmérés

n

qm =

∫ ρ v dA ≈ ρ ∑ v Aduct

i =1

⊥i

∆Ai

Mérési adatok biztosítása folyamatirányításhoz és automatizáláshoz Térfogatáram:

∫ v dA

qV =

Aduct Dr. Vad János: Áramlásmérés

1.1.2. Lokális jellemzık, az áramlási szerkezet jellemzése Hibafeltárás, üzemállapot ellenırzése

Dr. Vad János: Áramlásmérés

Mérési adatok biztosítása ipari folyamatirányításhoz


Mérés-alapú kutatás-fejlesztés (K+F)


Numerikus áramlástani (Computational Fluid Dynamics, CFD) eszközök mérési validációja

CFD:

LDA: 0.1 uc

1.00 0.95

T

C U

A

V

U

0.90

0.85

W

CF

P

0.85

P

S

0.80

0.75

ST H PV

O 5

10

15

20

θ [deg]

25

O

0.70

30

35

40

R

S

CF

P

0.75

0.70 R

T

C

A

0.95

0.90

0.80

0.1 u c

1.00

10


15

P

PV ST

H 5

W

20

θ [deg]

25

30

35

40

1.2.

Tárgyalt mennyiségek

Ipari alkalmazásokhoz és K+F-hez kötıdıen: Globális jellemzık: •Térfogatáram •Tömegáram Lokális jellemzık: Skalárjellemzık: •Nyomás (idıben átlagolt és ingadozó) •Hımérséklet •Másik fázis koncentrációja Vektorjellemzık: •Sebesség (idıben átlagolt és ingadozó) Dr. Vad János: Áramlásmérés

1.3. “Igényes áramlásmérés”: mitıl “igényes”? Igény

Példák mőszerezettségre

“Kis” mérési bizonytalanság

Lézer Doppler Anemometria (LDA): sebességmérés 0.1 % relatív bizonytalansággal

“Széles” mérési tartomány

LDA gyors adatgyőjtı kártyával ellátva, elıjeles sebesség mérésére: 0 m/s-tıl szuperszónikus áramlásig

“Nagy” térbeli felbontás

LDA: mérıtérfogat mérete: 0.1 mm nagyságrendő (⇔ Prandtl-csı)

“Nagy” idıbeli felbontás idıfüggı folyamatok vizsgálatára (pl. turbulencia)

Hıdrótos áramlásmérés (Constant temperature anemometry: CTA) (⇔ Prandtl-csı)


“Nagy” irányérzékenység vektorjellemzık mérésekor

LDA: interferencia-csíkozat: definiálja a mért sebességkomponens irányát (⇔ Prandtl-csı)

“Kis” irányérzékenység skalárjellemzık mérésekor

Prandtl-csı a dinamikus nyomás méréséhez: irányérzéketlen ±15° tartományban (ez hátrány, ha a sebességadatból térfogatáramot számítunk)

Többkomponenső mérések

1D, 2D, 3D LDA és CTA, PIV, stereo PIV

Mérsékelt kalibrációs igény / nincs kalibráció (stabil belsı paraméterek)

LDA: NINCS kalibráció, “black box”: NEM SZABAD állítani (⇔ CTA)

Könnyen használható, “plug and play” Szárnylapátos anemométer (⇔ LDA)


Megbízható üzem széles alkalmazási körben: nehéz körülmények között (poros, forró, nedves, agresszív ipari környezet)

S-szonda (⇔ LDA)

Más módszerekkel nem elérhetı zónák mérése, távoli mérés

Lézer vibrométer (⇔ piezoelektromos gyorsulásmérı)

A mérendı áramlás „mérsékelt” megzavarása: „érintésmentes”, „nembeavatkozó”, „nem-invazív” technika

Ultrahangos áramlámérı (⇔ Szilárdtest-szondák)

A mérendı berendezés minimális módosítási igénye

Lézer vibrométer, ultrahangos áramlásmérı (⇔ átfolyó mérıperem)


Elektronikus kimenıjel az adatok igényes bemutatásához és folyamatirányításhoz

Elektronikus nyomásszenzor (⇔ Ucsöves manométer)

Számítógéppel támogatott, automatizált mérés (kalibráció, mozgatás, adatgyőjtés, adatfeldolgozás, adattárolás, adatmegjelenítés…)

Particle Image Velocimetry (PIV) (⇔ Prandtl-csı)

“Mérsékelt” költségek

Prandtl-csı (⇔ LDA)


1.4. Igényes áramlásmérés: általános tudnivalók A/ Mérési módszerek: a követelmények szerint Sebességmérés: Technika

Prandtl-csı

1-komponenső CTA vagy LDA

2komponensőLDA

Mérés

Átlagsebesség nagysága, pontszerő

1 átlag (és ingadozó) sebességkomponens, pontszerő

2 sebességkomponens, pontszerő

Költség nagysr.

0.5 kEUR

25 kEUR

100 kEUR


Technika

3-komponenső LDA

2-komponenső PIV

Stereo PIV

Mérés

3 sebességkomponens, pontszerő

2 sebességkomponens, síkban

3 sebességkomponens, síkban

Költség nagysr.

200 kEUR

200 kEUR

400 kEUR


B/ “Igényes” csak HA: a teljes kísérleti eljárás és kiértékelés is igényes •Hangsebesség feletti szélcsatorna:

•Belsıégéső tesztmotor Dr. Vad János: Áramlásmérés

C/

Paradoxon: „Tudnunk kell az eredményt, mielıtt nekikezdünk.” “Elmélet nélkül hallgatnak a tények.”


Throttle

Rotary encoder

ϕ = c x uk Fan with torque meter Rotor x - y Traversing x mechanism y

0.5 0 Lapátnyom

Csatornafal

0.3

LDA system

0.5

Downstream windows Upstream windows Spray nozzle Inlet cone

5

10

15

0.2 20 25 Tangenciális koordináta [deg]30 Járókerékagy

air inlet


35

0.7

0.75

0.8

0.85

Lapátmozgás

0.9

R 0.95

D/ Az információ adta lehetıségek teljeskörő kihasználása ψ =2R c u u k

ϕr = c r u k

1.5

0.2 0.1 0 -0.1

1 0.5 Lapátnyom

0

0.09

Lapátnyom

Csatornafal

-0.09 0

5

10

0.8 0.75

15

20 25 Tangenciális koordináta [deg]30 Járókerékagy

35

0.7

0.9 0.85

R 0.95

1.5

Csatornafal

1 1.1

5

10

15

20 25 Tangenciális koordináta [deg] 30 Járókerékagy

Lapátmozgás

ϕ = c x uk

0.1u k

1.00

35

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

R 0.95

Lapátmozgás

ω

0.95

0.5 0.90

0

0.85 Lapátnyom

Csatornafal

0.3

0.80 0.5

5

10

15

0.2

Járókerékagy 20 25 Tangenciális koordináta [deg]30

35

0.7

0.75

0.8

0.85

Lapátmozgás

0.9

R 0.95

0.75 0.70 0.676 R

5


10

15 20 25 Tangenciális koordináta [deg]

30

35

40

2. IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSE

2.1.

Statikus nyomás

A zavartalan közeg nyomása – „párhuzamos áramvonalak” 2.1.1.

Gyakorlati alkalmazások: példák

•Áramlási veszteségek megítélése •K+F •A dinamikus nyomás ⇒ sebesség meghatározásához



2.2. Össznyomás A megállított közeg nyomása (torlóponti nyomás) 2.2.1. Gyakorlati alkalmazások: példák •Áramlási veszteségek megítélése


•Forgógépek teljesítményének és hatásfokának megítélése Euler-turbinaegyenlet:

∆pt id = ρ (v 2 u 2 − v1 u1 ) = ρ (v2u u 2 − v1u u1 ) ∆pt ηt = ∆pt id

•Dinamikus nyomás meghatározásához Dr. Vad János: Áramlásmérés

2.3. Dinamikus nyomás 2.3.1.

v=

Gyakorlati alkalmazások: példák

2

ρ

2.3.2.

(p

dynamic

)=

2

ρ

( pt − p )

ρ=

p RT

Mérési elv


•Pitot-statikus szonda (Prandtl-csı)


•S-szonda

v=k Dr. Vad János: Áramlásmérés

2

ρ

∆p

2.4. Sebesség-nagyság és irány mérése nyomásmérésre visszavezetve

•Hengerszonda

v=k

2

ρ

( p3 − p2 )


•Ötlyukú szondák (ötlyukú Pitot-csövek)



2.5. Nyomáskülönbség-távadók (nyomásszenzorok, manométerek) •Folyadékos mikromanométerek

Betz manométer


•Membrános manométerek Villamos kapacitás-elv






3. IDİBEN VÁLTOZÓ NYOMÁS MÉRÉSE 3.1.

Gyakorlati példák

•Idıben jelentısen változó technológiai v. egyéb ipari áramlási folyamatok szabályzásában Nehézgépjármővek elektro-pneumatikus fékrendszerei direct solenoid valve commands LOAD EXHAUST psupply

pout

pch

Piping Piping Air supply unit

EBS modulator

Diaphragm brake chamber

Brake mechanism (compression spring)


Az esettanulmány AMESim szimulációs modellje



•Akusztika, hangnyomásszint-mérések, hangnyomás spektrális eloszlása


3.2.

Mőszerek

3.2.1.

Kondenzátor-elv (kondenzátor-mikrofon )

Q=CU p L = 20 lg p0

0 ÷ 120 dB: 6 nagyságrend!


3.2.2.

Piezo-induktív elv

•Hidrofonok •Belsıégéső motorok indikálása

„Acceleration canceling” (gyorsulás hatásának kiiktatása) ⇔ Gyorsulásmérık!


3.2.3.

Piezo-rezisztív elv

„Nyúlásmérı bélyeg”


Kulite szenzor


•EBS modulátorok



4. 4.1.

SEBESSÉGMÉRİK Propelleres mérık


4.1.1. Propelleres anemométerek


Szárnykerekes anemométer Dr. Vad János: Áramlásmérés

Gyors átlépés

Gyors átlépés


4.2. Termál anemométerek

Hıgömbös anemométer



5. HİMÉRSÉKLETMÉRÉS 5.1.

Példák ipari alkalmazásokra

5.2.

Tipikus mérési elvek és kivitelek

•Áramlási folyamatok jellemzése: ipari technológia, K+F •Sőrőségmérés számításának alapja: folyadékok jellemzése, sebesség számítása dinamikus nyomásból


AZ ÁRAMLÁSTAN VÁLOGATOTT FEJEZETEI - ÁRAMLÁSMÉRÉS. Dr. Vad János docens

Recommend Documents