Bepaling ventilatorkarakteristieken roterende deeltjesscheider

Bepaling ventilatorkarakteristieken roterende deeltjesscheider Ontwerpen en realiseren van een meetopstelling en het daarmee uitvoeren van metingen

Michiel de Hair Eindhoven, 14 juni 2000

Begeleider: Hoogleraar:

dr. ir. H.P. van Kemenade prof. dr. ir. J.J.H. Brouwers

Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Werktuigbouwkunde Sectie Procestechnische constructies

Inhoudsopgave Symbolenlijst

3

1. Inleiding

4

2. Roterende deeltjesscheider

5

3. Ventilatorkarakteristieken

7

4. Meetopstelling 4.1. Electrische aansluiting 4.2. Leidingsysteem en luchtstroming 4.3. Volumestroommeting 4.4. Drukmeetpunten 4.5. Drukvalvariatie 4.6. Totale opstelling

8 8 9 10 15 16 16

5. Gebruikte meetinstrumenten 5.1. Drukmetingen 5.2. Vermogensmeting 5.3. Temperatuurmeting 5.4. Snelheidsmeting 5.5. Toerentalmeting

18 18 19 20 20 20

6. Resultaten metingen

22

7. Fouten- en nauwkeurigheidsanalyse 7.1. Afleesnauwkeurigheid 7.2. Instrumentnauwkeurigheid 7.3. Verwerkingsfouten 7.4. Fouten meetopstelling 7.5. Overige fouten

28 28 29 30 31 32

8. Discussie

33

9. Conclusies en aanbevelingen

34

10. Bijlagen Bijlage 1: aansluiting motor, sterdriehoekschakelaar en meetkoffer Bijlage 2: schetsen (deelontwerpen) meetopstelling Bijlage 3: gebruikte meetinstrumenten Bijlage 4: resultaten

35 35 36 46 47

Literatuurlijst

56

-2-

Symbolenlijst Symbool: K Äp v qv P V I ç A D í Re á å ñ d â R r Ö æ g Äh T W U Ù n N

Grootheid: weerstandscoëfficient leidingsysteem drukverschil stroomsnelheid volumestroom vermogen spanningsverschil stroomsterkte rendement oppervlakte diameter kinematische viscositeit Reynoldsgetal doorstroomgetal compressibiliteit dichtheid diameter diameterverhouding straal straal hoek weerstandscoëfficient obstructiemeter gravitatieconstante hoogteverschil temperatuur arbeid snelheid hoeksnelheid nauwkeurigheid grootheid nauwkeurigheid afgeleide grootheid

-3-

Eenheid: [-] [Pa] [m·s-1] [m3·s-1] [kW] [V] [A] [-] [m2] [m] [m2·s-1] [-] [-] [-] [kg·m-3] [m] [-] [m] [m] [rad] [-] [m·s-2] [m] [K] [J] [m·s-1] [rad·s-1] [-] [-]

1. Inleiding Door de firma Kiekens is, naar ontwerp van prof. dr. ir. Brouwers [11], een roterende deeltjesscheider gerealiseerd. Deze deeltjesscheider maakt het mogelijk kleine deeltjes (vaste stof of vloeistof) uit een gasstroom af te scheiden. Een voordeel van de gerealiseerde scheider is de combinatie met een ventilator, waardoor hij zelfstandig kan opereren. De realisatie van de roterende deeljesscheider is gebeurd op basis van empirische relaties. Hierdoor kan het zijn dat de werkelijke eigenschappen van de scheider afwijken van bedoelde ontwerpeigenschappen. Om de eigenschappen vast te stellen is een meetopstelling gerealiseerd, waarmee metingen zijn verricht. Het doel van uitgevoerde metingen is het bepalen van de ventilatorkarakteristieken van de roterende deeltjesscheider. Dit rapport bestaat uit twee delen. In het eerste gedeelte wordt beschreven hoe de gebruikte meetopstelling tot stand is gekomen. Allereerst worden het werkingsprincipe en de uitvoeringsvormen van de roterende deeltjesscheider behandeld, daarna wat ventilatorkarakteristieken inhouden en welke grootheden gemeten moeten worden voor het bepalen van deze karakteristieken. Aan de hand van de te meten grootheden worden de eisen waaraan de meetopstelling moet voldoen opgesteld. Verder wordt weergegeven welke meetmethoden en instrumenten zijn gebruikt. In het tweede gedeelte van dit rapport worden de resultaten van de metingen gepresenteerd. Er wordt een poging gedaan de vorm van de ventilatorkarakteristieken te verklaren. De nauwkeurigheid waarmee de ventilatorkarakteristieken zijn bepaald en de betrouwbaarheid van de metingen komen aan bod. Tot slot worden conclusies getrokken en aanbevelingen gedaan voor eventuele toekomstige metingen.

-4-

2. Roterende deeltjesscheider In dit hoofdstuk wordt kort uitgelegd hoe een roterende deeltjesscheider functioneert en welke verschillende uitvoeringen bestaan. Een roterende deeltjesscheider is een apparaat dat gebruikt kan worden voor het uit een gas afscheiden van vervuilingen. Deze vervuilingen kunnen bestaan uit vaste deeltjes of vloeistofdeeltjes. De roterende deeltjesscheider bestaat uit een roterend filterelement, waarop een in- en uitlaatwaaier zijn gemonteerd. Het filterelement bestaat uit een groot aantal kanaaltjes, waardoor het te reinigen gas wordt geleid. Door de rotatie van het filterelement wordt een centrifugaalkracht op de vervuilende deeltjes uitgeoefend, waardoor de deeltjes naar de wand van de kanaaltjes bewegen, waar ze achterblijven. Er zijn twee uitvoeringsvormen voor een roterende deeltjesscheider, namelijk een tangentiale en een axiale versie, duidend op de richting waarin het te reinigen gas instroomt. Na het reinigen stroomt het gas radiaal uit, al dan niet door een slakkenhuis. Voor een uitvoerige beschrijving van het werkingsprincipe en de verschillende uitvoeringsvormen van een roterende deeltjesscheider, zie [1]. De roterende deeltjesscheider waarvan de ventilatorkarakteristieken zijn bepaald is van het axiaaltype, met een radiale uitstroom zonder slakkenhuis. Er zijn twee verschillende uitlaatwaaiers beschikbaar, namelijk één met rechte schoepen en één met gekromde schoepen. In figuur 2.1 is de geometrie van het filterelement weergegeven, evenals de twee gebruikte uitlaatwaaiers.

Figuur 2.1: schetsen filterelement. Boven links: doorsnede samenstelling filterelement, boven rechts: onderaanzicht uitstroomwaaier met rechte schoepen, onder links: instroomzijde filterelement, onder rechts: onderaanzicht uitstroomwaaier met gekromde schoepen.

-5-

Van beide configuraties worden de ventilatorkarakteristieken bepaald. Het filterelement met in- en uitlaatwaaier is op de as van een electromotor bevestigd, die op zijn beurt door middel van dempers is gemonteerd op de behuizing waarin het filterelement roteert.

-6-

3. Ventilatorkarakteristieken In dit hoofdstuk wordt behandeld wat ventilatorkarakteristieken inhouden. Aan de hand van deze karakteristieken wordt uitgelegd welke grootheden gemeten moeten worden om deze karakterstieken te kunnen bepalen. De voor het uitvoeren van metingen bekende eigenschappen van de roterende deeltjesscheider zullen worden gegeven. Om de werking van een ventilator weer te geven wordt gebruik gemaakt van ventilatorkarakteristieken. Er bestaan drie ventilatorkarakteristieken, namelijk een karakteristiek waarin de door de ventilator geleverde druk is uitgezet tegen de volumestroom en een karakteristiek waarin het benodigde asvermogen is uitgezet tegen de volumestroom, beide bij constant toerental. Het ventilatorrendement wordt eveneens weergegeven in een karakteristiek. Ook een leidingsysteem (met bochten, appendages, enz.) heeft een karakteristiek. In deze karakteristiek is de drukval over het systeem uitgezet tegen de volumestroom door dit systeem. Door de weerstandscoëfficient (K) van het leidingsysteem te veranderen, verandert de leidingkarakteristiek. De afhankelijkheid tussen weerstandscoëfficient, volumestroom (stroomsnelheid) en drukval over het leidingsysteem is weergegeven in figuur 3.1.

2

Figuur 3.1: ventilator- en leidingkarakteristieken

Door de ventilatorkarakteristiek en de leidingkarakteristieken met elkaar te vergelijken kan worden bepaald of een ventilator, toegepast in een leidingsysteem, voldoende druk kan leveren bij voldoende volumestroom. Een punt waar de leidingen ventilatorkarakteristiek elkaar snijden is een werkpunt voor het totale systeem. Voor het bepalen van de ventilatorkarakteristieken is het dus van belang dat bij bekende volumestromen de geleverde druk en het asvermogen worden gemeten. Om betrouwbare ventilatorkarakteristieken te verkrijgen is het nodig dat voorgenoemde grootheden voor voldoende werkpunten worden bepaald. Voor het uitvoeren van de metingen is alleen bekend dat de maximale volumestroom lucht die de roterende deeltjesscheider kan verpompen een waarde tussen de 1000 en 3000 m3/uur heeft. De druk die de deeltjescheider kan leveren is onbekend. De rendementskarakteristiek van de motor is onbekend. Aangenomen wordt dat het motorrendement (çmotor = Pas/Pelectrisch) gelijk is aan 95% [2].

-7-

4. Meetopstelling In dit hoofdstuk wordt uitgelegd hoe de te realiseren meetopstelling moet functioneren, aan de hand van de manier waarop de benodigde grootheden kunnen worden gemeten. Alvorens te komen tot de uiteindelijke eisen waaraan de meetopstelling moet voldoen worden eerst de deelontwerpen en de daaraan gestelde eisen besproken. De eenvoudigste manier waarop de ventilatorkarakteristieken gemeten kunnen worden is door het aan de roterende deeltjesscheider koppelen van een leidingsysteem waarover de drukval gevarieerd kan worden. Op deze manier is het mogelijk om werkpunten voor het totale systeem in te stellen en de daarbij behorende grootheden te bepalen. De drukval over het leidingsysteem wordt gemeten door bij de instroom van de roterende deeltjesscheider, dus aan het einde van het leidingsysteem, de onderdruk ten opzichte van de omgeving te meten. Aangezien de lucht het leidingsysteem instroomt onder omgevingsdruk is hiermee de drukval over het leidingsysteem bekend. Het meten van volumestromen kan op verschillende manieren. Gekozen is voor het in het leidingsysteem opnemen van een volumestroommeter. Het op deze manier meten van de volumestroom lucht is compact en relatief eenvoudig. Aangezien het direct meten van het door de motor geleverde asvermogen complex is, is gekozen het gebruikte electrisch vermogen te meten en dat met gebruikmaking van het motorrendement om te rekenen naar het asvermogen (vergelijking 4.1).

  Pas =  ∑ V ⋅ I  ⋅ η motor  windingen 

vergelijking 4.1

Stromen en spanningen worden gemeten, waaruit het door de motor gebruikte electrisch vermogen kan worden berekend. Door het electrisch vermogen te vermenigvuldigen met het motorrendement kan het asvermogen worden berekend. Het ventilatorrendement wordt, volgens vergelijking 4.2, berekend uit de hiervoor genoemde grootheden.

η ventilator =

Pnetto ∆p ⋅ q v × 100% = × 100% Pas Pas

vergelijking 4.2

Aan de hand van de manieren waarop de verschillende grootheden worden gemeten kunnen de deelontwerpen van de opstelling worden gemaakt. Er is gekozen voor een beschrijving van de deelontwerpen in de volgorde waarin de meetopstelling is opgebouwd. Op deze manier kunnen opeenvolgende ontwerpvragen door de lezer goed gevolgd worden. 4.1. Electrische aansluiting In deze paragraaf wordt de aansluiting van de motor die roterende deeltjesscheider aandrijft beschreven. Er wordt ingegaan op het type motor, aansluiting van de motor en daarbij optredende problemen.

-8-

De electromotor die de roterende deeltjesscheider aandrijft is een driefasenmotor. Deze motor maakt gebruik van drie windingen, waarin de spanningen (en stromen) ten opzichte van elkaar 120° in fase verschoven zijn, om het draaiende gedeelte aan te drijven. De hiervoor benodigde aansluitspanning is 380V. De motor kan op twee manieren aangesloten worden, namelijk in ster- of driehoekschakeling (figuur 4.1).

Figuur 4.1: ster- en driehoekschakeling

Het verschil tussen ster- en driehoekschakeling is dat de spanning over de windingen in sterschakeling 220V is ten opzichte van 380V in driehoekschakeling. Tijdens het opstarten van de motor in driehoekschakeling loopt de stroom door de windingen op, onder andere door traagheidseffecten van de motor, tot ongeveer 20A. Deze stroom is te hoog voor de electrische installatie en de windingen in de motor. Door het in sterschakeling schakelen van de motor wordt de spanning met bijna een factor 2 verminderd, evenals de stroom door een winding. Als de motor op toeren is gekomen en de stroom door de windingen gedaald is tot een aanvaardbaar niveau kan de motor worden overgeschakeld in driehoekschakeling, waardoor de motor het maximale vermogen gaat leveren. Voor het wisselen tussen ster- en driehoekschakeling wordt gebruik gemaakt van een sterdriehoekschakelaar. In bijlage 1 is het aansluitschema van de motor met de gebruikte sterdriehoekschakelaar weergegeven. Bij het aansluiten moet erop gelet worden dat de motor in de goede richting draait. Dit is van belang voor de uitstroomwaaier met gekromde schoepen.

4.2. Leidingsysteem en luchtstroming Alvorens de volumestroommeting te bespreken zal er een keuze gemaakt moeten worden voor de leidingdiameter en het materiaal van de leiding. Door het vastleggen van de leidingdiameter worden een aantal stromingseigenschappen vastgelegd. In deze paragraaf zal daarop worden ingegaan. De leidingdiameter van het leidingsysteem wordt gelijk gekozen aan de diameter van de instroomopening van de scheider, namelijk 200 mm. Hierdoor wordt de minimale drukval niet verder verhoogd dan de drukval die door de instroomdiameter van de roterende deeltjesscheider wordt veroorzaakt, als de drukval ten gevolge van wrijvingseffecten wordt verwaarloosd. Gekozen is voor een PVC leidingsysteem. Dit omdat PVC makkelijk te bewerken is en omdat er voldoende appendages voor PVC-leidingen te verkrijgen zijn. De

-9-

binnendiameter van PVC-leidingen met een diameter van 200 mm is gelijk aan 188 mm. Op basis van deze keuzes en de verwachting voor de maximale volumestroom kunnen de stromingseigenschappen van de luchtstroom in het leidingsysteem worden berekend. Uit de maximale volumestroom kan de stroomsnelheid van de lucht in de leiding worden berekend. De stroomsnelheid is van belang voor het berekenen van de te verwachten drukval over bijvoorbeeld appendages. Ook kan uit de stroomsnelheid worden afgeleid of de stroming in het leidingsysteem turbulent is of laminair.

vlucht ,verwacht =

q v,verwacht 3600 ⋅ Adoorstroom

=

q v ,verwacht 2 3600 ⋅ 0, 25 ⋅ π ⋅ Dbinnen

vergelijking 4.3

Door in vergelijking 4.3 de verwachte volumestromen (1000-3000 m3/uur) in te vullen kunnen de verwachte luchtsnelheden worden berekend. De verwachte maximale luchtsnelheden liggen in het bereik van 10-30 m/s. Door de verwachte luchtsnelheden te substitueren in vergelijking 4.4 kunnen de verwachte Reynoldsgetallen worden berekend. De verwachte maximale Reynoldsgetallen liggen in het bereik van 1,2*105-3,6*105.

Re verwacht =

vlucht ,verwacht ⋅ Dbinnen

vergelijking 4.4

ν

Voor deze verwachte maximale volumestromen is de stroming in het leidingsysteem turbulent. In welk volumestroombereik de stroming turbulent is kan worden berekend door de luchtsnelheid bij de overgang van laminaire naar turbulente stroming (Rekritisch = 2500) te berekenen (vergelijking 4.5) en daaruit de bijbehorende volumestroom.

v kritisch =

Re kritisch⋅ ν Dbinnen

vergelijking 4.5

De kritische snelheid is gelijk aan 0,21 m/s. De bijbehorende kritische volumestroom is gelijk aan 21 m3/uur. Dit betekent dat de stroming in het leidingsysteem over bijna het hele volumestroombereik turbulent is. 4.3. Volumestroommeting In dit hoofdstuk worden de manieren waarop de bepaling van de volumestroom door het totale systeem wordt uitgevoerd behandeld. Er wordt kort ingegaan op verschillende manieren waarop volumestroommeting kan worden uitgevoerd voordat gekomen wordt tot de keuze voor de gebruikte methoden. Besproken wordt hoe de gekozen methoden in de te realiseren opstelling moeten worden toegepast. Er zijn verschillende manieren waarop de volumestroom gas door een leidingsysteem gemeten kan worden. Gekozen is om gebruik te maken van een obstructiemethode, dat wil zeggen dat in een leidingsysteem een weerstand wordt aangebracht waarover de drukval gemeten kan worden. De obstructiemeting is een indirecte methode voor het bepalen van de volumestroom. De volumestroom kan niet rechtstreeks worden afgelezen, maar wordt berekend uit de gemeten drukval. -10-

Er zijn drie verschillende obstructiemeters, namelijk een venturibuis, een meettuit, of een meetflens. Voor de te gebruiken obstructiemeter is het van belang dat de veroorzaakte drukval over de meter niet te groot is, aangezien de maximaal meetbare volumestroom dan te klein is. Om het hele volumestroombereik van de roterende deeltjesscheider te kunnen meten is het waarschijnlijk nodig dat er meerdere obstructiemeters gemaakt worden. Een obstructiemeter die de maximale volumestroom kan meten heeft een bijna niet meetbare drukval bij kleine volumestromen. Een obstructiemeter is dus maar voor een bepaald volumestroombereik bruikbaar. Gekozen is voor een obstructiemeter waarbij gebruik wordt gemaakt van een meetflens, omdat deze meter het makkelijkst aangepast kan worden voor verschillende volumestroombereiken. Nadeel van de meetflens is echter wel dat niet tot de maximale volumestroom kan worden gemeten, omdat de minimale drukval te groot is. Een venturibuis heeft bijvoorbeeld een veel kleinere minimale drukval. Voor de volumestromen die buiten het bereik van de schijf met vernauwing vallen wordt de volumestroom bepaald door middel van snelheidsmetingen, het daaruit bepalen van een snelheidsprofiel en het over het doorstroomoppervlak integreren van dit snelheidsprofiel. Hierop zal later in dit hoofdstuk worden teruggekomen. Voor het ontwerp van de meetflens is gebruik gemaakt van DIN 1952. Het ontwerp van de meetflens zal hier in grote lijnen worden weergegeven, voor uitvoerige informatie zie [3]. Zoals eerder gezegd, kan de volumestroom niet rechtstreeks worden afgelezen maar moet die worden berekend uit de gemeten drukval. De drukval over de meetflens wordt veroorzaakt door een schijf met een vernauwing. De drukval over de schijf wordt bepaald door de verhouding tussen de leidingdiameter waarin de meetflens wordt toegepast en de diameter van het gat in de schijf. De diameter van het gat in de schijf mag niet te klein zijn, omdat dan de minimale drukval van het totale leidingsysteem te groot wordt. Vergelijking 4.6 geeft de relatie tussen gemeten drukval en volumestroom.

qv =

2 α ⋅ ε ⋅ π ⋅ d gat ⋅ 2 ⋅ ∆p meetflens ⋅ ρ lucht

vergelijking 4.6

4 ⋅ ρ lucht

De diameter van het gat in de schijf is de parameter die bepaald moet worden voor het vastleggen van de geometrie van de schijf. De overige dimensies zijn vastgelegd in de norm en zijn gerelateerd aan de diameter van de leiding waarin de meetflens wordt toegepast. Er zijn twee manieren waarop de diameter van het gat in de schijf bepaald kan worden, namelijk door te kijken naar de karakteristiek van de roterende deeltjesscheider of door het maken van een keuze voor de diameterverhouding. Bij de eerste manier is het mogelijk voor een gewenste drukval door middel van iteratie, α en ε zijn afhankelijk van de gatdiameter, een gatdiameter te berekenen. Aangezien niet bekend is wat de druk is die de roterende deeltjesscheider kan leveren bij een bepaalde volumestroom is het uiterst onzeker dat het berekende resultaat overeen komt met een werkelijk mogelijke situatie. Bij de tweede manier wordt een keuze gemaakt voor de diameterverhouding. De diameterverhouding β heeft een, in de norm vastgelegd, bereik en moet een waarde hebben die gelijk is aan of groter dan 0,20 en kleiner dan of gelijk aan 0,75.

-11-

Omdat weinig gevoel aanwezig was voor een realistische waarde voor de drukval over de meetflens is gekozen om een waarde voor de diameterverhouding aan te nemen. Voor een eerste schijf is een waarde voor de diameterverhouding genomen die op de helft van dit bereik ligt. Mocht de drukval over de schijf te groot zijn, dan wordt een tweede schijf gemaakt met de maximale diameterverhouding. Als de waarde voor de diameterverhouding vastligt moeten de overige dimensies worden bepaald (figuur 4.2). De nog te bepalen geometrieen zijn: de dikte met de gatdiameter (e), de totale dikte van de schijf (E), en de schuine hoek aan de zijde stroomafwaarts (F). De waarden voor deze parameters zijn als volgt vastgelegd in de norm:

0,005 ⋅ D ≤ e ≤ 0,02 ⋅ D e ≤ E ≤ 0,05 ⋅ D 30° ≤ F ≤ 45°

Figuur 4.2: dimensies schijf met vernauwing

Verder moet de instroomkant (G) een scherpe rand hebben en moeten de oppervlakken aan de aanstroomzijde en van de schuine kant glad zijn. Ook zijn er eisen gesteld aan de plaatsen waar de druk wordt gemeten. Er zijn drie methoden om de druk te meten, namelijk hoek-drukopname, flens-drukopname en DD/2-drukopname. Gekozen is om gebruik te maken van D-D/2-drukopname omdat deze vorm van drukmeting praktisch het eenvoudigst uit te voeren is. De eisen die gesteld worden aan de plaatsen waar de druk gemeten moet worden zijn als volgt: • Afstand van drukmeting tot het midden van de schijf aan de aanstroomzijde:

D ± 0,1 ⋅ D

•

Afstand van drukmeting tot het midden van de schijf aan de stroomafwaartse zijde:

0,5 ⋅ D ± 0,01 ⋅ D

De uitvoering van de drukmetingen wordt toegelicht in de volgende paragraaf. Verder zijn er eisen gesteld aan de lengte rechte, gladde leiding voor de schijf met vernauwing en de lengte aan de stroomafwaarte zijde: • Leidinglengte voor meetflens: ≥ 10 ⋅ D • Leidinglengte achter meetflens: ≥ 4 ⋅ D Als laatste is een eis gesteld aan de plaats waar een thermokoppel, nodig voor temperatuurmeting voor bepaling van de dichtheid, geplaatst mag worden. Het thermokoppel moet achter de schijf met vernauwing geplaatst worden op afstand ≥ 5⋅ D . Ook voor de schijf met vernauwing is gebruik gemaakt van PVC. Dit materiaal is gekozen omdat onbewerkt PVC een zeer lage ruwheid heeft. Er is gebruik gemaakt van PVC plaat van 10 mm dik. Daardoor is de dikte van de schijf (E) iets groter dan door de norm is voorgeschreven; als de dikte van de schijf zou worden teruggebracht

-12-

naar de voorgeschreven waarde zou het voordeel van een lage ruwheid teniet gedaan worden door de bewerkingsprocessen die nodig zijn. Uiteindelijk zijn, om eerder genoemde redenen, twee schijven gemaakt. De afmetingen van de twee schijven zijn in de tabellen 4.1 en 4.2 weergegeven. Parameter dgat Dbinnen Dmax E e H β

Waarde 87 mm 188 mm 260 mm 10 mm 3,5 mm 45° 0,46

Tabel 4.1: afmetingen schijf 1

Parameter dgat Dbinnen Dmax E e H β

Waarde 141 mm 188 mm 260 mm 10 mm 3,5 mm 45° 0,75

Tabel 4.2: afmetingen schijf 2

De schijf met vernauwing wordt tussen twee kraagbussen geklemd, die tegen elkaar worden gebout met behulp van twee overschuifflenzen. Voor de afdichting tussen de kraagbus en de schijf wordt gebruik gemaakt van een rubberen O-ring. Bij het monteren van de meetflens moet worden opgelet dat de schijf met vernauwing goed gecentreerd is ten opzichte van de leiding. In figuur 4.3 is de samenstelling van de meetflens weergegeven.

Figuur 4.3: samenstelling meetflens

-13-

In tabel 4.3 zijn de gemaakte keuzes en de eisen waaraan de meetflens moet voldoen samengevat. Gemaakte keuzes: Diameterverhouding Drukmeting meetflens Eisen waaraan voldaan moet worden: Afstand stroomopwaartse drukmeting tot schijf Afstand stroomafwaartse drukmeting tot schijf Afstand temperatuurmeting tot schijf Lengte rechte gladde leiding voor meetflens Lengte rechte gladde leiding achter meetflens Totale lengte achter meetflens

â = 0,46 / â = 0,75 D-D/2 0,20 m ± 0,02 m 0,100 m ± 0,002 m Minimaal 1 m stroomafwaarts 2m 0,8 m Minimaal 1 m

Tabel 4.3: Keuze volumestroommeting en eisen meetflens

In bijlage 2 zijn schetsen van de twee schijven met vernauwing en de samengestelde meetflens opgenomen. Omdat de drukval over een schijf met vernauwing nooit gelijk is aan 0, wordt voor de grootste volumestromen een alternatieve volumestroommeting uitgevoerd. De volumestromen die buiten het bereik van de meetflens vallen worden bepaald door middel van snelheidsmetingen. Bij de instroomopening van het leidingsysteem worden op vaste punten luchtsnelheden gemeten. Door middel van integratie van het snelheidsprofiel over het instroomoppervlak kunnen de volumestromen worden berekend. Het grid waarop de snelheden zijn gemeten is weergegeven in figuur 4.4. Er is, gezien vanuit het middelpunt, gemeten op drie stralen, namelijk r = 0, r = r1 en r = R. Op deze drie stralen wordt de gemiddelde snelheid berekend (v(r = 0) = v0, v(r = r1) = v1 en v(r = R) = vR). Om de snelheid te kunnen integreren is het van belang dat de functie van de snelheid als functie van de straal bekend is. Voor het bepalen van deze functie is gebruik gemaakt van een lineaire benadering van de snelheid als functie van de straal, zie vergelijking 4.8 en figuur 4.5. Uit het snelheidsprofiel wordt met behulp van vergelijking 4.11 de volumestroom berekend. Figuur 4.4: grid snelheidsmetingen

v( r ) =

dv ⋅ r + v(0) benaderd dr

vergelijking 4.8

dv v R − v0 = dr R

vergelijking 4.9

-14-

v 0 + v1 r1 dv − ⋅ 2 2 dr R 2π 2π ⋅ R 3 dv ⋅ + π ⋅ R 2 ⋅ v (0) benaderd qv = ∫ ∫ v(r ) ⋅ r ⋅ dφ ⋅ dr = 3 dr 0 0

v(0) benaderd =

vergelijking 4.10

vergelijking 4.11

Figuur 4.5: Benadering snelheidsprofiel

4.4. Drukmeetpunten In deze paragraaf wordt uitgelegd hoe drukmetingen in de opstelling uitgevoerd worden. De praktische uitvoering van de drukmeetpunten wordt toegelicht. Om fouten in de drukmetingen te minimaliseren worden op een leidingdoorsnede waar een drukmeting moet worden uitgevoerd drie meetpunten aangebracht, gelijkmatig verdeeld over de omtrek van de leiding. De drukken van de verschillende meetpunten worden via een koppelstukje samengebracht in één slangetje dat op een drukopnemer is aangesloten en op die manier gemiddeld. Op een meetpunt is in de leiding een klein gaatje geboord dat overgaat in een relatief groot kanaaltje. Omdat de druk in een turbulente stroming gemeten moet worden treden er variaties op in de snelheid aan of loodrecht op de wand. Door de diameter van het gaatje snel te laten toenemen wordt gezorgd voor een statische Figuur 4.6: opbouw drukmeetpunt

-15-

drukopbouw. Doordat de diameter van het drukmetingskanaaltje sterk toeneemt neemt de snelheid van de lucht die het kanaaltje instroomt sterk af en kan op een stabiele manier druk gemeten worden. In het kanaaltje met grote diameter is een messing buisje gelijmd dat enigszins uit de leiding steekt. Op dit messing buisje is een slangetje geschoven dat naar het koppelstukje loopt waar ook de slangetjes van de andere meetpunten aan zijn gekoppeld. Vanaf dit koppelstukje gaat een slangetje naar een drukopnemer. In figuur 4.6 is de opbouw van één drukmeetpunt weergegeven. In bijlage 2 is in een schets de volledige drukmeting weergegeven. 4.5. Drukvalvariatie Voor het veranderen van de drukval over het leidingsysteem wordt gebruik gemaakt van een schuifafsluiter. Twee leidingstukken worden met tape aan elkaar bevestigd. Door een snede te maken in de tape en in de ontstane opening een plaat te schuiven kan de drukval over het leidingsysteem vergroot worden. Lekkages zijn geminimaliseerd door het niet verwijderen van de tape op de plaats van de snede. Zie figuur 4.7 voor een schets van de schuifafsluiter. Nadelen van deze afsluiter zijn dat hij de stroming ernstig verstoort en dat steeds de afdichting hersteld moet worden bij het verlagen van de drukval over het leidingsysteem. Groot voordeel is dat hij eenvoudig in te bouwen en te verwijderen is voor het meten van de maximale volumestromen.

Figuur 4.7: schuifafsluiter

4.6. Totale opstelling Uit de genoemde eisen voor de deelontwerpen kunnen de eisen waaraan de totale opstelling moet voldoen worden opgesteld. In tabel 4.4 zijn de gemaakte keuzes en eisen die van belang zijn voor de totale meetopstelling weergegeven.

-16-

Gemaakte keuzes: Diameter leidingsysteem Materiaal leidingsysteem Volumestroommeting Meting asvermogen Variëren drukval Eisen waaraan voldaan moet worden: Lengte rechte gladde leiding voor meetflens Lengte rechte gladde leiding achter meetflens Totale lengte achter meetflens

200 mm (188 mm binnendiameter) PVC Meetflens / snelheidsmeting Berekening uit meting electrisch vermogen Schuifafsluiter 2m 0,8 m Minimaal 1 m

Tabel 4.4: gemaakte keuzes voor deelontwerpen en eisen waaraan de totale meetopstelling moet voldoen

Overige eisen waaraan de meetopstelling moet voldoen zijn: • De drukmeting voor het bepalen van de drukval over het leidingsysteem moet zo dicht mogelijk tegen de instroomopening van de roterende deeltjesscheider worden uitgevoerd. • Er mag geen bocht te dicht voor de instroom van de deeltjesscheider/drukmeting zijn geplaatst in verband met verstoring van de stroming door de bocht. Rechte leidinglengte voor de instroom/drukmeting moet ongeveer van orde 0,5 m zijn (gevoelsfeit). • De opstelling moet ingebouwd kunnen worden in de daarvoor beschikbare ruimte. De gemaakte keuzes en eisen waaraan voldaan moet worden resulteren in de uiteindelijke opstelling zoals getoond in figuur 4.8 en bijlage 2.

Figuur 4.8: totale opstelling

Bij montage van de meetflens moet opgelet worden dat de drukpunten van de drukmetingen ongeveer 60° gedraaid ten opzichte van elkaar worden gepositioneerd om mogelijke invloed van de eerste drukmeting op de tweede te minimaliseren.

-17-

5. Gebruikte meetinstrumenten In dit hoofdstuk wordt toegelicht welke meetinstrumenten gebruikt zijn voor het uitvoeren van de druk-, temperatuur-, vermogens- en toerentalmetingen. Er worden verwachtingen gegeven voor de grootte van de te meten parameters en de keuze voor de bijbehorende meetinstrumenten wordt uitgelegd. 5.1. Drukmetingen Er zijn voor de drukmetingen twee soorten drukopnemers beschikbaar, namelijk een vloeistofmanometer en een digitale manometer. Voor het maken van een keuze tussen deze twee soorten moet bekend zijn in welke orde van grootte het te meten drukverschil ligt. Het drukverschil over de meetflens kan bijna exact worden berekend. Uit figuur 5.1 kan de weerstandscoëfficient van de schijf met vernauwing worden bepaald. Met behulp van vergelijking 5.1 kan dan de te verwachten maximale drukval worden berekend.

∆p meetflens ,verwacht =

2 ζ meetflens ⋅ ρ lucht ⋅ vverwacht

vergelijking 5.1

2

De weerstandscoëfficient van meetflens 1 (m = 0,21) is gelijk aan ongeveer 50, terwijl de weerstandscoëfficient van meetflens 2 (m = 0,56) gelijk is aan ongeveer 3,5. Uitgaande van een maximaal verwachte volumestroom van 1500 m3/uur voor meetflens 1 wordt het verwachte maximale drukverschil over deze meetflens gelijk aan ongeveer 68 mbar. Uitgaande van een maximaal verwachte volumestroom van 3000 m3/uur voor meetflens 2 wordt het verwachte maximale drukverschil over deze meetflens gelijk aan ongeveer 19 mbar. Het maken van een schatting voor de maximaal te meten drukval over het leidingsysteem is niet mogelijk. Het drukverschil over het leidingsysteem is maximaal als de schuifafsluiter volledig gesloten is. In die situatie is de drukval over het leidingsysteem oneindig groot, lekken daargelaten. De in die situatie te meten druk is maximaal en wordt bepaald door de druk die de roterende deeltjesscheider kan leveren. Het minimale drukverschil is gelijk aan 0. Figuur 5.1: weerstandsgetallen voor obstructiemeters, [4]

-18-

De beschikbare drukopnemers zijn hieronder beschreven: •

Vloeistofmanometer: De beschikbare vloeistofmanometer is een U-bocht-manometer gevuld met water. Het hoogteverschil tussen de twee waterkolommen kan worden afgelezen op een op de manometer aangebrachte lineaal. Met deze drukopnemer kan de druk in het benodigde werkgebied voldoende nauwkeurig worden afgelezen, 1 cm = 1 mbar. Het drukverschil uit het hoogteverschil tussen de waterkolommen wordt berekend met behulp van vergelijking 5.2.

∆pU −bocht = ∆hU −bocht ⋅ ρ water ⋅ g •

vergelijking 5.2

Digitale manometer: Er kan gekozen worden voor twee instellingen, namelijk één voor “lage” drukken en één voor “hoge” drukken, met respectievelijke meetbereiken van 0-19,99 mbar en 0-100,0 mbar. De nauwkeurigheid waarmee de drukmeter kan worden afgelezen wordt dus door de keuze voor het meetbereik bepaald. Tijdens het meten wordt de stand voor de “lage” druk gebruikt. Aangezien de stroming waarvan de druk wordt gemeten turbulent is, fluctueert de gemeten druk. In de “hoge” stand is de druk stabieler af te lezen dan in de “lage”.

Omdat niet bekend is wat de maximale drukval over het leidingsysteem is wordt gekozen om voor de drukverschilmeting over het leidingsysteem gebruik te maken van de vloeistofmanometer. Als de maximaal met de vloeistofmeter meetbare druk wordt overschreden leidt dit niet tot een defect van de manometer, terwijl dit bij de digitale manometer wel het geval is. Met behulp van de digitale manometer kan de volumestroom ook makkelijker ingesteld worden dan met de vloeistofmanometer. De instelling voor “lage” drukken en de instelling voor “hoge” drukken van de digitale manometer kunnen beiden het verwachte drukverschil over de meetflens meten. 5.2. Vermogensmeting Voor de vermogensmeting worden twee grootheden gemeten, namelijk de stroom in en het spanningsverschil over de windingen van de motor. De verwachte stroompiek tijdens het opstarten van de motor is ongeveer gelijk aan 20 A (gemeten) bij een spanningsverschil van ongeveer 240 V (gemeten). Tijdens het stationair lopen van de motor zal de stroom in de windingen maximaal ongeveer 8 A bedragen (volgens typeplaatje motor) bij een spanningsverschil van ongeveer 380 V. De beschikbare meetinstrumenten bevinden zich in een meetkoffer. In de meetkoffer zijn drie analoge stroommeters en één analoge spanningsmeter aanwezig. Hiermee kunnen de stromen in de drie windingen en het spanningsverschil over de windingen worden gemeten. De maximale stromen die kunnen worden gemeten zijn gelijk aan 100 A en de maximale spanning die kan worden gemeten is gelijk aan 500 V. Er kan worden gekozen voor verschillende instellingen voor de meetbereiken waardoor de meters voldoende nauwkeurig afgelezen kunnen worden. Zie bijlage 1 voor de aansluiting van de meetkoffer.

-19-

5.3. Temperatuurmeting De verwachte waarden voor de te meten temperatuur zijn in de ordegrootte van 20°C. De lucht waarvan de temperatuur moet worden gemeten komt uit de ruimte waarin de meetopstelling is opgesteld en zal daarom van kamertemperatuur zijn. Er wordt niet gemeten bij gekoelde of verwarmde lucht. Voor de temperatuurmetingen is gebruik gemaakt van een digitale thermometer. Deze digitale thermometer gebruikt als input het signaal van een K-type thermokoppel. Er kan gekozen worden voor twee instellingen, namelijk een voor “lage” temperatuur en een voor “hoge” temperatuur, met respectievelijke meetbereiken van –50-199,9°C en –50-950°C. Er is gekozen om de temperatuur te meten met de instelling voor “lage” temperaturen om voldoende nauwkeurigheid te verkrijgen. 5.4. Snelheidsmeting De waarde voor de te meten maximale snelheden zijn van ordegrootte 30 m/s, gelijk aan de maximaal verwachte snelheid in het leidingsysteem. Voor het uitvoeren van de snelheidsmetingen is gebruik gemaakt van een digitale snelheidsmeter. De input voor de snelheidsmeter wordt geleverd door een turbinemeter. Er kan gekozen worden voor twee instellingen, namelijk één waar de momentane snelheid wordt weergegeven en één waarbij de gemiddelde snelheid over een bepaalde tijdsduur wordt gemeten. Tijdens de metingen is steeds de snelheid op een punt gemiddeld over 10 seconden. Deze snelheid kan worden afgelezen tot 0,01 m/s. 5.5. Toerentalmeting De verwachte waarde voor het toerental van de motor is ongeveer gelijk aan 2900 omwentelingen per minuut (volgens typeplaatje motor). Voor het meten van het toerental van de motor is gebruik gemaakt van een digitale tachometer. Door de tachometer in contact te brengen met het draaiende deel van de motor kan het toerental worden bepaald. Het toerental kan worden afgelezen tot 1 omwenteling per minuut. De nauwkeurigheid waarmee de digitale tachometer in de gebruikte (contact)stand kan meten is volgens bijbehorende handleiding gelijk aan 0,05%.

-20-

Alle gemaakte keuzes voor de meetinstrumenten zijn weergegeven in tabel 5.1. Zie ook bijlage 3. Te meten grootheid: Drukverschil over meetflens Drukval over leidingsysteem Spanningsverschil over windingen motor Stroom in windingen motor Temperatuur luchtstroom Luchtsnelheid instroom leidingsysteem Toerental motor

Meetinstrument: Digitale manometer U-bocht vloeistofmanometer Analoge spanningsmeter meetkoffer Analoge stroommeter meetkoffer Digitale thermometer met K-thermokoppel Turbinemeter Digitale tachometer

Tabel 5.1: Gebruikte meetinstrumenten

-21-

6. Resultaten metingen In dit hoofdstuk wordt toegelicht hoe de metingen van de ventilatorkarakteristieken zijn uitgevoerd. Vervolgens zullen de resultaten gepresenteerd worden en wordt geprobeerd een verklaring te geven voor gevonden fysische verschijnselen. Als laatste zullen de resultaten van de metingen kritisch beschouwd worden en worden er eventuele kanttekeningen geplaatst bij de resultaten van de metingen. Tijdens het opstarten van de motor voor het uitvoeren van metingen is deze in sterstand geschakeld. Op het moment dat de motor stationair draait, wordt deze in driehoekstand geschakeld. Tijdens het meten van de ventilatorkarakteristieken is de motor steeds in driehoekstand geschakeld en levert dan het maximale vermogen. Bij het instellen van een werkpunt wordt met behulp van de digitale drukopnemer een drukverschil over de meetflens, dus een volumestroom, ingesteld. Na het instellen van een volumestroom worden alle nodige parameters geregistreerd. Het schema dat tijdens een meting wordt ingevuld is gegeven in tabel 6.1. Äpmeetflens

Tlucht

ÄhU-bocht

I1

I2

I3

ÄV

Toeren

Tabel 6.1: meetschema te meten grootheden

Uit dit schema kunnen de voor het bepalen van de ventilatorkarakteristieken benodigde parameters worden berekend. Eerst zijn de metingen voor het filterelement met rechte schoepen uitgevoerd. Voor het bepalen van deze ventilatorkarakteristieken zijn veel metingen uitgevoerd. Doordat gebleken is dat metingen met de gebruikte opstelling en meetinstrumenten goed reproduceerbaar zijn, zijn voor het meten van de karakteristieken van het filterelement met gekromde schoepen minder metingen uitgevoerd. De resultaten van de metingen zijn gegeven in figuren 6.1 t/m 6.4. Alle werkpunten, waaruit de ventilatorkarakteristieken zijn bepaald, zijn weergegeven in bijlage 4, opgesplitst naar meetserie.

2500 gekromde schoepen

geleverde druk (Pa)

2000

1500 Rechte schoepen

1000

500

0 0

500

1000

1500

2000

volumestroom (m3/uur) Figuur 6.1: drukkarakteristiek

-22-

2500

3000

Op het eerste gezicht zijn er in de drukkarakteristiek duidelijke verschillen te zien tussen de karakteristieken van de verschillende uitstroomwaaiers. Het filterelement met gekromde uitlaatschoepen kan over het hele bereik een hogere druk leveren en heeft een grotere maximale volumestroom dan met rechte uitlaatschoepen. Ook is zichtbaar dat de drukkarakteristieken niet aansluiten bij de volumestromen waar van volumestroommeting met de meetflens wordt overgegaan op de volumestroombepaling met behulp van snelheidsmetingen. Het verschil in geleverde druk kan gedeeltelijk worden verklaard door de radii waarop de in- en uitstroom plaatsvinden. De instroomradius van de waaier met rechte schoepen is kleiner dan die van de waaier met gekromde schoepen. De uitstroomradius van de waaier met gekromde schoepen is groter dan die van de waaier met rechte schoepen (bijlage 2). Met behulp van de Bernoullivergelijking kan een schatting worden gemaakt voor het verschil in geleverde druk door de twee waaiers [5]. In vergelijking 6.1 is dit weergegeven. 2 puit − p in ∆W1− 2 U uit − U in2 Ω 2 2 + = = Ruit − Rin2 ρ 2 2 2

(

)

vergelijking 6.1

In deze vergelijking zijn drie termen te onderscheiden, namelijk een drukterm, een verliesterm en een snelheidsterm. Het is niet mogelijk om een waarde voor de verliesterm te berekenen. Door de verliesloze vergelijking op te lossen kan een schatting worden gemaakt voor het verschil in geleverde druk tussen het filterelement met rechte schoepen en het filterelement met gekromde schoepen. Het theoretische verschil is ongeveer 30%, terwijl uit de metingen een werkelijk verschil van 20% blijkt. Ookal is er enig verschil in het theoretische en gemeten verschil in geleverde druk, zal het verschil in in- en uitstroomradii dit toch kunnen veroorzaken. In de twee drukkarakteristieken is een fluctuatie te zien. In [5] wordt daar de volgende verklaring voor gegeven. Bij axiaal- of mixed flow-ventilatoren kan deze fluctuatie vaker voorkomen. Het wordt veroorzaakt door loslatingseffecten van de stroming bij de impellerschoepen. Tussen sommige schoepen vindt terugstroming plaats, waardoor minder druk geleverd kan worden. Deze verklaring lijkt voor deze karakteristieken echter onwaarschijnlijk. De inlaatschoepen zijn bij beide meetseries gelijk, de uitstroomschoepen zijn wel veranderd. Aangezien de fluctuaties bij verschillende volumestromen optreden voor de twee meetseries lijkt het aannemelijker dat de fluctuaties veroorzaakt worden door een effect dat optreedt bij de uitlaatschoepen van het filterelement. Om een verklaring te kunnen vinden moet worden gekeken hoe de roterende deeltjesscheider als ventilator werkt en wat gemeten is in de drukkarakteristieken. De roterende deeltjesscheider kan vergeleken worden met een ventilator waarvan de impeller in twee delen is gesplitst. Het ene deel is voor een filterelement geplaatst en het ander daarachter. De druk die door de roterende deeltjesscheider wordt geleverd wordt voor een deel opgebouwd door de inlaatwaaier en voor een deel door de uitlaatwaaier. De geleverde druk die is gemeten is de resulterende druk die de in- en uitlaatwaaiers samen leveren, verminderd met de optredende drukverliezen in vooral het filterelement. De vorm van de gemeten drukkarakteristieken wordt bepaald door de twee afzonderlijke drukkarakteristieken van de in- en uitlaatwaaier. Omdat de fluctuatie bij de meting met de gekromde uitstroomschoepen bij een grotere volumestroom optreedt dan bij de meting met rechte uitstroomschoepen kan ook hier waarschijnlijk de verklaring gezocht worden in een loslatingseffect. Door de

-23-

kromming van de uitstroomschoepen kan de luchtstroom de schoepen beter volgen dan bij rechte uitstroomschoepen en dus treedt loslating voor de gekromde uitstroomschoepen bij een grotere volumestroom op. Door de loslating ontstaat achter de schoepen een zog, waarin gedeeltelijk terugstroming plaatsvindt. Dit zog vult een gedeelte van de ruimte tussen de schoepen, waardoor goede uitstroming verhinderd wordt. Effectief kan hierdoor minder druk geleverd worden. In de uitlaatwaaier bestaat een evenwicht tussen het verlies dat wordt veroorzaakt door de loslatingseffecten en de druk die wordt geleverd door de inlaatwaaier. Voor een bepaalde volumestroom levert de inlaatwaaier voldoende extra druk om de verliezen door loslating te compenseren en ook de drukkarakteristiek te laten herstellen. Om meer inzicht te krijgen in deze effecten, en de volumestroom van optreden, is het noodzakelijk om de afzonderlijke drukkarakteristieken van de in- en uitlaatwaaier te kennen, of om een numeriek model van het filterelement met in- en uitlaatschoepen te maken.

4,00

kromme schoepen

rechte schoepen

3,50

3,00

asvermogen (kW)

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

volumestroom (m3/uur)

Figuur 6.2: vermogenskarakteristiek

In de vermogenskarakteristiek is weergegeven wat het asvermogen is dat door de motor wordt geleverd bij een bepaalde volumestroom. Het asvermogen dat wordt geleverd is voor het filterelement met gekromde schoepen hoger dan het asvermogen voor het filterelement met rechte uitlaatschoepen. De fluctuaties in de drukkarakteristieken en het door de motor geleverde asvermogen beïnvloeden elkaar niet.

-24-

2990

2985

2980

toerental (omw/min)

2975

2970

2965

2960

2955 rechte schoepen 2950

2945 gekromde schoepen 2940 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

volumestroom (m3/uur)

Figuur 6.3: toerentalkarakteristiek

In de toerentalkarakteristiek is zichtbaar dat het toerental van de motor hoger is in het geval van het filterelement met rechte uitlaatschoepen dan het filterelement met gekromde schoepen. Voor beide configuraties daalt het toerental met groter wordende volumestroom. De trends die in de gemeten toerentalkarakteristieken zijn weergegeven zijn bepaald uit een breed toerentalbereik, er vinden redelijk veel fluctuaties plaats in de gemeten toerentallen. 25

gekromde schoepen

20

ventilatorrendement (%)

rechte schoepen

15

10

5

0 0

500

1000

1500

2000

2500

volumestroom (m3/uur)

Figuur 6.4: rendementskarakteristiek

In de rendementskarakteristiek is het ventilatorrendement weergegeven. Het ventilatorrendement beschrijft het gedrag van de roterende deeltjesscheider als

-25-

3000

ventilator, dus hoeveel druk levert de scheider bij welke volumestroom en geleverd asvermogen. Ookal is het hoofdgebruiksdoel van de roterende deeltjesscheider niet het verpompen van zoveel mogelijk lucht op een zo efficiënt mogelijke manier, toch zegt het ventilatorrendement iets over zijn functioneren. Het rendement is voor beide uitlaatwaaiers bij dezelfde volumestroom maximaal. Ook is zichtbaar dat het ventilatorrendement van het filterelement met uitlaatwaaier met gekromde schoepen hoger is dan van het filterelement met rechte schoepen. Verder zijn er twee soorten instabiel gedrag waargenomen. In het ene geval is de gemeten drukkarakteristiek instabiel, dat wil zeggen dat bij dezelfde volumestroom verschillende geleverde drukken worden gemeten. Het andere geval van instabiliteit heeft te maken met trillingen in de combinatie motor-filterelement. Het volumestroomgebied waarin de drukkarakteristiek een positieve gradient heeft is een instabiel werkgebied [5]. In gebieden met een negatieve gradient heeft de roterende deeltjesscheider een stabiele drukkarakteristiek. Dit instabiele gedrag blijkt ook uit de meetpunten rond de fluctuatie bij het filterelement met gekromde schoepen. In verschillende metingen wordt een verschillende karakteristiek gemeten. Het is niet duidelijk welke karakteristiek “de goede” is, wel is zeker dat het werkgebied instabiel is. Tijdens het uitvoeren van de metingen blijkt ook wanneer trillingen plaatsvinden. Het mechanisch instabiele gebied bevindt zich in het bereik van de relatief lage volumestromen. Het instabiele werkgebied van het filterelement met rechte uitstroomschoepen is veel groter dan dat van het filterelement met gekromde schoepen. Het mechanisch instabiele gedrag leidt voor korte tijd in betreffend werkpunt niet tot schade of problemen. In figuur 6.5 zijn de instabiele werkgebieden voor de twee configuraties weergegeven, gebaseerd op de twee hiervoor genoemde vormen van instabiliteit. 2500 instabiel

Gekromde uitlaatschoepen

geleverde druk (Pa)

2000

1500

Rechte uitlaatschoepen

1000

500

300 - 625

1475 - 1575

900 - 1000

0 -575

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

volumestroom (m3/uur) Figuur 6.5: instabiele werkgebieden met rechte en gekromde uitstroomwaaier

De roterende deeltjesscheider met gekromde uitstroomschoepen werkt in een groter volumestroomgebied stabiel dan de deeltjesscheider met rechte uitstroomschoepen.

-26-

In het algemeen werkt de roterend deeltjesscheider met gekromde schoepen stabieler dan de deeltjesscheider met rechte schoepen. Mocht een nodig werkpunt in een instabiel gebied liggen, kan door het wisselen van de uitstroomwaaier getracht worden een werkpunt in een stabiel werkgebied te vinden. Hierbij moet er dan natuurlijk wel op gelet worden dat bij dezelfde volumestroom de geleverde druk verandert. Met behulp van een klep/afsluiter kan de drukval over het leidingsysteem waarin de roterende deeltjesscheider wordt toegepast worden aangepast tot het goede werkpunt wordt bereikt.

-27-

7. Fouten- en nauwkeurigheidsanalyse In dit hoofdstuk zal worden besproken wat de nauwkeurigheden van de uitgevoerde metingen zijn. Verschillende bronnen van fouten worden besproken, evenals hun invloeden op het resultaat van de metingen. Er zijn verschillende oorzaken van fouten aan te wijzen. De verschillende soorten fouten die behandeld worden zijn: • Fouten veroorzaakt door het niet nauwkeurig genoeg af kunnen lezen van meetinstrumenten. • Fouten veroorzaakt door het niet nauwkeurig genoeg meten van het meetinstrument. • Fouten gemaakt in de verwerking van de meetresultaten. • Fouten gemaakt door het niet voldoende goed toegepast hebben van de eisen waaraan de meetopstelling moet voldoen. • Overige fouten. Ook zal worden aangegeven of de gemaakte fout een systematische of een toevallige fout is. Systematische fouten zijn voor alle metingen (ongeveer) gelijk, en komen in álle metingen voor. Toevallige fouten hoeven niet in alle metingen op te treden en als ze optreden kunnen ze steeds een andere grootte hebben. 7.1. Afleesnauwkeurigheid Een meetinstrument kan met een bepaalde nauwkeurigheid worden afgelezen. De nauwkeurigheid waarmee een grootheid, bepaald door middel van het meten van verschillende parameters, kan worden bepaald wordt beschreven in [6]. Op basis van de vergelijking die de te berekenen grootheid beschrijft en de onzekerheden in de gemeten parameters kan, met behulp van vergelijking 7.2, de (aflees)nauwkeurigheid van verkregen resultaten worden berekend.

F = ax1 + bx2 + ..... + d i xi N grootheid

vergelijking 7.1

2  ∂F  2  ∂F  2  ∂F   =  n1  +  n2  + ..... +  ni    ∂x1   ∂x2   ∂xi  

1

2

vergelijking 7.2

De nauwkeurigheid kan worden uitgedrukt in een absolute waarde of in procenten. Gekozen is om de nauwkeurigheid in procenten weer te geven. Omdat in de verwerkte meetresultaten een groot bereik in geleverde druk en volumestroom wordt doorlopen geeft dit een duidelijker beeld van de nauwkeurigheid dan absolute waarden. In tabel 7.1 zijn de afleesnauwkeurigheden van de gebruikte meetinstrumenten samengevat. De afleesnauwkeurigheden van de vloeistofmanometer, de digitale manometer en de digitale thermometer worden mede bepaald door de eigenschappen van de stroming waarvan de verschillende parameters worden gemeten. Doordat de stroming in bijna het gehele volumestroombereik turbulent is treden er fluctuaties op in de met voergenoemde meetinstrumenten gemeten grootheden. De afleesnauwkeurigheid die mogelijk is, met inachtname van deze fluctuaties, is de afleesnauwkeurigheid die in tabel 7.1 is weergegeven.

-28-

Meetinstrument: Vloeistofmanometer Digitale manometer Stroommeters Spanningsmeter Digitale thermometer Digitale snelheidsmeter Digitale tachometer

Afleesbare grootheid: Hoogteverschil Drukverschil Stroom Spanning Temperatuur Snelheid Toerental

Afleesnauwkeurigheid: Äh = Äh ± 2 mm Äp = Äp ± 0,1 mbar I = I ± 0,05 A V=V±2V T = T ± 0,1 °C v=v n=n

Tabel 7.1: afleesnauwkeurigheden meetinstrumenten

Door het toepassen van vergelijking 7.2 op de vergelijkingen die de berekening van de volumestroom, de geleverde druk en het asvermogen beschrijven kunnen de nauwkeurigheden waarmee deze grootheden bepaald zijn, op basis van de afleesnauwkeurigheid worden berekend. De fouten die ontstaan door het niet nauwkeurig genoeg kunnen aflezen van de meetinstrumenten zijn systematische fouten. In tabel 7.2 zijn de berekende afleesnauwkeurigheden gegeven. Grootheid volumestroom geleverde druk asvermogen

Afleesnauwkeurigheid ± 0,04% ± 2,5% ± 1,6%

Tabel 7.2: afleesnauwkeurigheden gemeten grootheden

7.2. Instrumentnauwkeurigheid De fouten die worden veroorzaakt door het niet voldoende nauwkeurig meten door de meetinstrumenten kunnen niet allemaal gekwantificeerd worden. Dit kan zijn doordat de gegevens behorende bij het meetinstrument geen nauwkeurigheid vermelden of doordat er helemaal geen gegevens beschikbaar zijn. Natuurlijk kan het ook zo zijn dat de meetinstrumenten werkelijk de goede waarde geven. In de gevallen waarvan geen gegevens bekend zijn zal worden aangenomen dat de waarde die door het meetinstrument wordt aangegeven betrouwbaar is en dat de metingen geen onnauwkeurigheid hebben. Ook kan door middel van een ijkmeting de onnauwkeurigheid van een meetinstrument worden bepaald. Voor de digitale thermometer, de digitale manometer, de meetflens en de spanningsmeter zijn ijkmetingen uitgevoerd. Voor het ijken van de digitale thermometer is gebruik gemaakt van een kwikthermometer. De temperatuur van een bekertje water is tegelijkertijd met een kwikthermometer en met de digitale thermometer gemeten. De waarden van beide meetinstrumenten kwamen precies met elkaar overeen en dus wordt aangenomen dat de digitale thermometer de goede temperatuur aangeeft. De digitale manometer is gecontroleerd met behulp van de vloeistofmanometer door, in exact dezelfde situatie, met beide drukopnemers het drukverschil over de meetflens te meten en de gemeten waarden met elkaar te vergelijken. De gemeten waarden kwamen met elkaar overeen en dus wordt aangenomen dat de digitale manometer de goede druk aangeeft. Voor het ijken van de meetflens zijn drie verschillende metingen uitgevoerd. Op eerder beschreven manier is met behulp van de meetflens de volumestroom lucht in

-29-

het leidingsysteem bepaald. Met behulp van snelheidsmetingen is de berekende volumestroom gecontroleerd. Hieruit bleek een maximale afwijking in de gemeten volumestroom van 10% voor meetflens 1. Voor meetflens 2 is geen ijkmeting uitgevoerd. Aangenomen wordt dat de nauwkeurigheid waarmee met meetflens 2 kan worden gemeten ook maximaal 10% is. Verdere mogelijke onnauwkeurigheden van de meetflens kunnen worden toegeschreven aan het niet volledig voldoen aan de norm van de schijf met vernauwing. Een oorzaak kan het niet voldoende glad zijn van de schuine kant aan de stroomafwaartse zijde zijn, waardoor de stroming achter de schijf turbulenter wordt dan volgens de norm is voorgeschreven. Een andere oorzaak kan het feit zijn dat de dikte van de schijf groter is dan voorgeschreven in de norm. Verwacht wordt dat deze fouten klein zijn. De spanningsmeter uit de meetkoffer is gecontroleerd met een multimeter. De waarden voor de spanning kwamen met elkaar overeen en dus wordt aangenomen dat de spanningsmeter de goede spanning aangeeft. Het is niet mogelijk geweest de stroommeters te controleren. Daarom wordt aangenomen dat de stroommeter de goede stroomsterkte aangeeft. Voor de digitale tachometer is geen ijkmeting uitgevoerd. Bekend is dat het door de tachometer aangegeven toerental een fout kan hebben van 0,05%. De fouten die worden veroorzaakt door het niet nauwkeurig genoeg meten van de meetinstrumenten zijn systematische fouten. 7.3. Verwerkingsfouten Na het uitvoeren van de metingen zijn er grote hoeveelheden gegevens te verwerken. In de verwerking van deze gegevens zijn verschillende fouten gemaakt. Uiteraard worden er afrondingsfouten gemaakt. Ook kunnen gegevens verkeerd ingevoerd zijn, bijvoorbeeld door het maken van tikfouten of het omdraaien van getallen. Fouten die hierdoor zijn ontstaan zijn niet te kwantificeren. Verder is er een fout gemaakt in het uit de DIN bepalen van het doorstroomgetal die gebruikt wordt in de vergelijking waaruit de volumestroom kan worden berekend. Voor het bepalen van dit getal wordt gebruik gemaakt van de ordegrootte van het Reynoldsgetal, waardoor de bepaling niet erg nauwkeurig kan gebeuren. De hierdoor gemaakte fout in de bepaling van het doorstroomgetal is ongeveer 0,7% [3]. Een andere fout in de volumestroommeting kan zijn dat de diameter van de vernauwing in de schijf van de meetflens niet voldoende nauwkeurig is gemeten. Voor het bepalen van de volumestroom op basis van snelheidsmetingen is gebruik gemaakt van vergelijking 4.11. Hierin wordt gebruik gemaakt van een lineaire benadering van het snelheidsprofiel; in werkelijkheid zal het snelheidsprofiel niet van zo’n vorm zijn. Hierdoor wordt een fout gemaakt die niet kwantificeerbaar is. Voor het bepalen van de dichtheden van lucht en water op basis van een gemeten temperatuur wordt ook gebruik gemaakt van lineaire interpolatie van bekende dichtheden bij een bepaalde temperatuur. De fouten die in het bepalen van de dichtheden worden gemaakt zijn klein, omdat er geen grote temperatuursveranderingen plaatsvinden. De temperatuursverschillen in één meetserie zijn van een ordegrootte 0,5°C. De afwijkingen die hierop plaatsvinden, en die doorwerken in het berekenen van de dichtheden zijn klein. Een andere fout die is opgetreden in de bepaling van de dichtheid is gemaakt doordat niet is gecorrigeerd voor de temperatuurmeting. De temperatuurmeting is

-30-

niet erg van belang voor de bepaling van de dichtheid, omdat er niet wordt gemeten met gekoelde of verwarmde lucht maar met lucht op kamertemperatuur; temperatuurverschillen tussen verschillende metingen zijn klein. Eigenlijk moet gecorrigeerd worden voor het temperatuurverschil dat wordt veroorzaakt door gedissipeerd vermogen in het leidingsysteem voor de temperatuurmeting. Met behulp van vergelijkingen 7.3 en 7.4 kan een afschatting worden gemaakt van het temperatuurverschil dat hierdoor optreedt.

∆p ⋅ q v = m& ⋅ c p ⋅ ∆T ∆T =

vergelijking 7.3

∆p ρ ⋅ cp

vergelijking 7.4

Het temperatuurverschil dat door vermogensdissipatie wordt veroorzaakt is maximaal ongeveer 1,8°C. De fout die hierdoor ontstaat in de bepaling van de dichtheid is van de ordegrootte 0,6%. Hierdoor wordt een systematische fout van ongeveer 1,3% gemaakt in de volumestroombepaling. De fouten die worden gemaakt in de verwerking van de meetresultaten zijn gedeeltelijk systematische fouten en gedeeltelijk toevallige fouten. Een voorbeeld van een systematische fout in de verwerking van de meetresultaten zou een verkeerde waarde voor een constante kunnen zijn. Een voorbeeld van een toevallige fout in de verwerking van de meetresultaten zou een verkeerd ingevoerde waarde voor een gemeten grootheid kunnen zijn. 7.4. Fouten meetopstelling Er zijn ook verschillende fouten mogelijk door het niet volledig (kunnen) voldoen aan de eisen waaraan de meetopstelling zou moeten voldoen. De belangrijkste afwijking die fouten kan veroorzaken is het niet voldoende nauwkeurig op de voorgeschreven afstanden positioneren van de drukmeetpunten. Er is een grote onherstelbare fout gemaakt in het positioneren van de drukmeetpunten van de meetflens door het gebruiken van de buitendiameter van de leiding voor het berekenen van de afstanden waarop de drukmeetpunten moeten worden aangebracht ten opzichte van de schijf met vernauwing in plaats van de binnendiameter. De fout die stroomafwaarts maximaal gemaakt mag worden in de afstand van de drukmeting tot de schijf met vernauwing is 2%. De fout die wordt gemaakt door het gebruiken van de buitendiameter is gelijk aan 6%. Hierdoor is er een redelijk grote fout gemaakt in de metingen van het drukverschil over de meetflens en dus in de bepaling van de volumestroom. Deze fout is een systematische fout. Ook is deze fout waarschijnlijk de verklaring voor het niet goed op elkaar aansluiten van de werkpunten bepaald met behulp van de meetflens en de werkpunten bepaald door middel van het uitvoeren van snelheidsmetingen. Wat hiermee samenhangt is de fout die kan zijn opgetreden doordat de rechte leidinglengte voor de instroom van de roterende deeltjesscheider en dus ook voor de drukverschilmeting over het leidingsysteem te kort is om invloed van de bocht op de stroming te laten verdwijnen. Deze fout is afhankelijk van de volumestroom. Een fout die is opgetreden in de volumestroommeting wordt veroorzaakt door na de meetflens opgetreden lekkages. De belangrijkste bron voor lekkages is de schuifafsluiter. Procentueel gezien zullen de lekkages slechts een kleine fout in de

-31-

volumestroommeting veroorzaken doordat er sprake is van grote volumestromen bij een relatief lage onderdruk in het leidingsysteem. Lekkages zijn geconstateerd door middel van het op mogelijke plaatsen voelen van luchtstroming en het luisteren naar een sissend geluid. Het is niet mogelijk om deze bronnen van fouten te kwantificeren. Fouten die worden veroorzaakt door het niet voldoende goed toegepast hebben van de eisen waaraan de meetopstelling moet voldoen zijn systematische fouten. 7.5. Overige fouten Overige fouten kunnen grove afleesfouten zijn, of het optreden van niet verwaarloosbare lekken in de meetopstelling (bijvoorbeeld schuifafsluiter). Verder zijn er fouten gemaakt in het bepalen van de volumestroom uit snelheidsmetingen. Doordat de luchtstroming turbulent is fluctueert de gemeten snelheid van de stroming. Geprobeerd is door het uitvoeren van voldoende metingen en het middelen van resultaten de invloed van deze turbulente fluctuaties zoveel mogelijk te beperken.

Samenvattend kan worden gesteld dat over de nauwkeurigheid van uitgevoerde metingen niet veel concrete gegevens bekend zijn. Wel kunnen een aantal (mogelijke) foutenbronnen worden aangegeven en kan daarvan worden aangegeven of het grote of kleine fouten betreffen. Ook moet in acht genomen worden dat er gemeten wordt aan een turbulente pijpstroming en dat daardoor fluctuaties optreden in de te meten grootheden. Het doel van uitgevoerde foutenanalyse is het geven van een betrouwbaarheid voor de gemeten grootheden, namelijk volumestroom, geleverde druk en asvermogen. Uit de uitgevoerde analyse kunnen toch de ordegrootten van de foutenbronnen worden geschat. De nauwkeurigheid van gemeten grootheden wordt aangenomen te zijn als in tabel 7.3. Gemeten grootheid Volumestroom Geleverde druk Asvermogen

Nauwkeurigheid ± 12% ± 3% ± 1,7%

Tabel 7.3: geschatte totale nauwkeurigheid van grootheden ventilatorkarakteristieken

-32-

8. Discussie In deze paragraaf wordt behandeld wat de positieve en negatieve punten van de gebruikte meetmethode zijn. De gebruikte meetmethode, het indirect meten van de ventilatorkarakteristieken, is praktisch eenvoudig uitvoerbaar. Positief aan deze methode is dat bekend is wat de scheider kan leveren en dus wat de gebruiker kan verwachten. Eventuele verliezen aan bijvoorbeeld de uitstroom worden op deze manier geëlimineerd. Nadeel van deze methode is dat niet het werkelijke drukverschil over de roterende deeltjesscheider is gemeten en dat dus niet precies de druk die de scheider kan leveren gemeten is. Eigenlijk zijn dus geen ventilatorkarakteristieken gemeten. Toch is gekozen voor in dit verslag beschreven methode omdat de roterende deeltjesscheider de gereinigde lucht radiaal uitblaast in de omgeving en niet met behulp van een slakkenhuis ín een leiding is geplaatst. Het op een betrouwbare manier meten van de druk na de uitstroom van de scheider is niet eenvoudig.

-33-

9. Conclusies en aanbevelingen Conclusies: Meetopstelling • Meten met goede reproduceerbaarheid en voldoende nauwkeurigheid mogelijk. Resultaten metingen • Ventilatorkarakteristieken roterende deeltjesscheider in twee configuraties. • Roterende deeltjesscheider presteert beter met gekromde uitstroomschoepen dan met rechte uitstroomschoepen. Foutenanalyse • Voldoende concrete gegevens ontbreken. • Aangeven ordegrootte wel mogelijk. Aanbevelingen: • Bij volgende opstelling motor aansluiten op frequentieregelaar om toerental constant te kunnen houden. • Vervolgonderzoek naar fluctuaties in drukkarakteristieken (experimenteel of numeriek). • In vervolg meer ijkmetingen voor betere concrete foutenanalyse.

-34-

10. Bijlagen: Bijlage 1: Aansluiting motor, sterdriehoekschakelaar en meetkoffer

1/2

3/4

5/6

W1

7/8

V1

9 / 10

U1

11 / 12

V2

13 / 14

U2

15 / 16

W2

L3 L2

U I1 I2 I3

L1

Gebruikte symbolen zoals weergegeven op de motor! In tabel 10.1 wordt weergegeven hoe de motor en de sterdriehoekschakelaar aangesloten kunnen worden. De gebruikte sterdriehoekschakelaar: Kraus & Naimer CG4. Aansluiting L1 L2 L3 W2 U2 V2 U1 V1 W1

Nummer sterdriehoekschakelaar 2 6 13 1 of 3 5 of 9 14 of 16 4 of 8 10 of 12 7 of 11 of 15

Tabel 10.1: aansluiting sterdriehoekschakelaar

De draairichting van de motor kan worden veranderd door de aansluiting van L1 en L2 om te draaien.

-35-

Bijlage 2: Schetsen (deelontwerpen) meetopstelling

-36-

-37-

-38-

-39-

-40-

-41-

-42-

-43-

-44-

-45-

Bijlage 3: Gebruikte meetinstrumenten Digitale drukopnemer: Digitron Instrumentation Manometer P200 UL Digitale thermometer: Digital thermometer Model 1408-K Digitale snelheidsmeter: Höntzsch Instruments Flow measuring instruments ìP-TAD Digitale tachometer: Digital tachometer Contact-/Photo-type Analoge meetkoffer U-bocht manometer

-46-

Bijlage 4: Resultaten

-47-

-48-

-49-

-50-

-51-

-52-

-53-

-54-

-55-

Literatuurlijst [1]

www.wtb.tue.nl/woc/ptc/rps/index.html

[2]

www.machinedesign.com/bde/motors/acmotors/mot.html

[3]

DIN – Taschenbuch 229: Durchflussmessung von Fluiden in geschlossenen Leitungen mit Drosselgeräten, Blenden, Düsen und Venturirohre, Beuth, 1993

[4]

Technische Strömungslehre: Stoffeigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen, Hydrostatik, Aerostatik, inkompressibele Strömungen, Strömungmesstechnik, Vogel, 1994

[5]

Encyclopedia of fluid mechanics, volume 8, Aerodynamics and compressible flows, N.P.Cheremisinoff (Editor), Gulf Publishing Company, 1986

[6]

Experimental methods for engineers, J.P. Holman, 6th edition, McGraw-Hill inc. 1994

[7]

Collegediktaat Procestechnische constructies 1, 4B660, Bart van Esch, Cees van de Geld, Erik van Kemenade, maart 2000

[8]

Design and performance of centrifugal and axial flow pumps and compressors, André Kováts, Pergamon Press, 1964

[9]

Gas Turbine Theory, H. Cohen, GFC Rogers, HIH Saravanamuttoo, 4th edition, Addison Wesley Longman Limited, 1998

[10]

Pump Handbook, I.J. Karassik, W.C. Krutzch, W.H. Fraser, J.P. Messina, McGraw-Hill inc., 1976

[11]

Particle collection efficiency of the rotational particle separator, J.J.H. Brouwers, Department of Mechanical Engineering, University of Twente, Elsevier 1995/1996.

-56-