Dugattyús adagoló szivattyú jelleggörbéinek mérése Mérésleírás
Tartalom 1. A mérés célja ................................................................................................................... 2 2. Elméleti alapok ................................................................................................................ 2 2.1
Volumetrikus gépek.................................................................................................. 2
2.2
Dugattyús adagoló szivattyú működése ................................................................... 2
2.3
Légüst szerepe .......................................................................................................... 4
3. A mérőberendezés leírása ................................................................................................ 4 4. A mérés menete ............................................................................................................... 6 4.1
Mérőberendezés üzembe helyezése ......................................................................... 6
4.2
Mérési pontok felvétele ............................................................................................ 7
4.3
Számítógépes program felülete ................................................................................ 8
5. Mérési eredmények feldolgozása .................................................................................... 8 6. Jelölésjegyzék .................................................................................................................. 9 7. Felhasznált irodalom ....................................................................................................... 9 8. Mérőberendezés adatai .................................................................................................... 9
1
1. A mérés célja A mérés célja egy dugattyús adagoló szivattyú nyomás – közepes térfogatáram Qk(Δp), illetve nyomás – volumetrikus hatásfok ηvol(Δp) jelleggörbéinek felvétele két különböző lökethosszbeállításnál. Vizsgáljuk a rendszerbe beépített légüst hatását a szivattyú indikátordiagramjai alapján.
2. Elméleti alapok 2.1 Volumetrikus gépek A volumetrikus – térfogatkiszorítás elvén működő – gépeknél az energiaátalakítás úgy történik, hogy egy körülhatárolt térben alkatrész mozog, mely pozícióját/helyzetét változtatva, váltakozva növeli ill. csökkenti az általa határolt tér térfogatát. Ennek következtében a gépen áthaladó közeg a körülhatárolt térbe be-, majd onnan kiáramlik. A volumetrikus gépek fajtái: Munkagépek: dugattyús gépek (egy- és többhengeres, egyszeres vagy kétszeres működésű dugattyús szivattyúk, radiál-, axiál-, forgó-dugattyús típusok), lamellás szivattyú, fogaskerék szivattyú, stb. Erőgépek: munkahengerek és hidromotorok. Térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúkat nagy számban használ a vegyipar, mivel alkalmas nagy viszkozitású, agresszív közegek szállítására nagy szállítómagasság megvalósítása mellett. 2.2 Dugattyús adagoló szivattyú működése A legegyszerűbb dugattyús gép az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú. (1. ábra)
1. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú modellje [1]
A folyadékszállítás forgattyús vagy kulisszás hajtómű segítségével történik két ütemben. A szívóütemben a henger térfogata növekszik, és a nyitott szívószelepen keresztül beáramlik a folyadék a térrészbe. Nyomóütemben a határolt térfogat csökken, a dugattyú kitolja a folyadékot a vezetékbe. Az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyúk folyadékszállítása szakaszos és meglehetősen egyenetlen. (2. ábra)
2
2. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú folyadékszállítása [2]
Amennyiben a szivattyú kétszeres működésű, a folyadékszállítás folyamatos lesz. Ilyenkor adott pillanatban a dugattyú egyik oldalán szívás, a másik oldalán pedig folyadékszállítás történik. A kétszeres működés esetén már folyamatos a folyadékszállítás, de nagyon egyenetlen a szállított térfogatáram. Ennek mértéke több henger alkalmazásával csökkenthető. Ilyenkor a dugattyúk egymáshoz képest elékelve dolgoznak. A 2. ábrán látható, hogy a dugattyúhelyzet, illetve az idő függvényében változik a szállítás. Ugyanígy változik a nyomás is a hengerben. Ha a hengerben uralkodó nyomást ábrázoljuk a dugattyúhelyzet függvényében, megkapjuk a dugattyús gépek egyik jellemző diagramját, az úgynevezett indikátordiagramot (3. ábra). Az indikátordiagram (p(x) - kék görbe) által bezárt terület arányos az egy ütem során végzett munkával. Az indikátordiagram alsó ága a szívóütem, ekkor a hengerben vákuum uralkodik (a nyomás túlnyomásban van megadva), míg a nyomóütem során folyamatosan nő a nyomás (a tér csökkenése csökkenő pozíciójelet jelent).
3. ábra: Egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús szivattyú indikátordiagramja
A szivattyú pköz átlagos nyomásnövekedése a szívó- és nyomóütemekbeli pi nyomáskülönbségek integrálátlagaként határozható meg, melyben számítógép lesz segítségünkre. Az ütem során végzett munka számolható a pköz átlagos nyomásnövekedéssel is. A szívóoldali vákuumot figyelembe véve kis ellennyomások esetén elképzelhető, hogy a 3
pköz nyomás nagyobb lesz, mint a túlnyomásban megadott pmax maximális nyomás. Az indikátordiagramot vizsgálják belsőégésű motorok esetén is, kimutatható belőle a szelepműködés, vagy a gyújtás hibája.
Dugattyús szivattyút ipari környezetben vegyszeradagolási folyamatoknál használnak, fő alkalmazási területei a vegyipar és gyógyszeripar, ahol pontos adagolási igények merülnek fel. A dugattyús szivattyúk jellemzője, hogy egy tartományon belül az ellennyomástól függetlenül a közepes szállítás nem változik, ez pontos vegyszeradagolást tesz lehetővé. A közepes szállítás beállítható a motor fordulatszámának változtatásával vagy a lökethossz módosításával. E szivattyúk alkalmazásánál az energetikai viszonyok másodlagosak, a méréskiértékelés során nem is vizsgáljuk a gépet ilyen szempontból. 2.3 Légüst szerepe A dugattyús szivattyú szakaszos működése lüktető folyadékmozgást létesít a szívó- és a nyomóvezetékben, amely a henger és a csővezeték közé iktatott rugalmas taggal, a légüsttel mérsékelhető. A légüst általában függőleges, hengeres nyomástartó edény mely tehát a folyadékszállítást egyenletesíti, és a dugattyútérben létrejövő nyomásingadozás mértékét is csökkenti. A mérőberendezésen gömbcsappal kapcsolható rá a rendszerre a nyomóoldali légüst, ennek hatását vizsgáljuk.
4. ábra: Egyhengeres, kétszeres működésű dugattyús szivattyú szívó- és nyomóoldali légüsttel. [1]
3. A mérőberendezés leírása A méréseket az 5. ábrán vázolt mérőberendezésen kell elvégezni.
4
5. ábra: A mérőberendezés vázlata [3]
Az egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús adagoló szivattyút (1) villanymotor (2) hajtja meg. A szivattyú által keringetett olaj a gyűjtőtartályból (5) a fojtószelepen (3) és az útszelepen (4) keresztül visszakerül a tartályba. A légtartály (vagy légüst) (7) az alatta elhelyezett gömbcsap zárásával kiiktatható a rendszerből, így a légtartály hatása is vizsgálható a mérés során. A tartály elé beépített irányváltó szelep (4) átkapcsolásával a szállított olaj a köbözőtartályba (6) folyik, ekkor mérhető a szállított közepes térfogatáram köbözéssel. A villanymotoron átfolyó áram erőssége I(t), a dugattyú pozíciója x(t), és a dugattyúhengerben uralkodó pillanatnyi nyomás p(t) mérhető, adatgyűjtő számítógépen (8) dolgozzuk fel. A számítógép kirajzolja az időjeleket, meghatározza a változó időjelek középértékeit, illetve felrajzolható az indikátordiagram. Mivel a jellemzők munkaperiódusról munkaperiódusra kismértékben változnak, a hibák csökkentésére több munkaperiódust veszünk fel és átlagolt periódust számolunk a közepes mennyiségek meghatározásához.
Az áramerősséget áramváltón keresztül kapcsolt elektronika méri, mely a pillanatnyi áramerősséggel arányos feszültségjelet ad ki. Az elmozdulást induktív útadó segítségével mérjük. A dugattyú mozgása vékony rúdon keresztül mozgatja a gerjesztett tekercsbe helyezett vasmagot, a vasmag elmozdulása megváltoztatja a tekercs induktivitását, melyet a rákkapcsolt mérőerősítő feszültségváltozássá alakít át. A hengerben uralkodó nyomást nyomástávadó méri. Ennél az eszköznél a mért nyomás egy membránt deformál, amelynek alakváltozását a membrán felületére szerelt nyulásmérő bélyegek segítségével mérjük. Az alakváltozás arányos a nyomásváltozással, a műszer kimenetén a nyomással arányos feszültség jelenik meg. A feszültségjeleket méri a számítógépbe beépített adatgyűjtő bővítőkártya. Beépítettük az adatgyűjtő programba a korábban elvégzett kalibrálás eredményeit, így a valós fizikai mennyiségek változását látjuk. A kalibrálást időről időre ellenőrizni kell, precíziós vizsgálatok esetén javasolt minden mérés előtt kalibrálni. A mérendő gép hengertere TEFLON-ból, a szelepek kerámiából készült önműködő golyós szelepek, míg a dugattyú üvegből készült. A szivattyú lökete 0-30 mm határok között 5
folyamatosan állítható mind álló, mindpedig a működő gép esetében, a löketbeállítás 0,5%-os beosztású skálán ellenőrizhető. A gép hajtómechanizmusának kettős excentere teszi lehetővé a löketállítást amelyet a 6. ábrán vázlatosan mutatunk be. E kettős excenteres hajtás mozgásegyenletei megfelelnek a kulisszás hajtómű egyenleteinek. A hajtó motor lassító áttételű csigahajtás segítségével forgatja az 1 jelű hüvelyt. A hüvelyben kimunkált reteszpályában lévő retesz segítségével a forgó 1 hüvely magával forgatja az 2 jelű idomdarabot. Az 2 jelű hengeres idomdarab közepéhez csatlakozó ferde négyszögletes keresztmetszetű részhez kapcsolódó 3 illetve 4 jelű gépelemek segítségével az 2 jelű idomdarab axiálisan az 1 jelű hüvelyben eltolható úgy, hogy a hüvely az reteszpálya-retesz kapcsolat segítségével az idomdarabot (annak bármelyik eltolt helyzetében) forgatni képes. Az 2 jelű idomdarab közepéhez csatlakozó ferde négyszögletes keresztmetszetű részhez a 5 jelű belső excenter csatlakozik az azon kimunkált ugyancsak négyszögletes ferde nyíláson keresztül. A belső excentert körülveszi a 6 jelű excenter, ami egyben a forgattyús mechanizmus hajtókarja is. A vázlaton bemutatott helyzetben a gép lökete: s=2r. A gép energetikai viszonyait nem vizsgáljuk, a hatásfok értéke igen csekély. A háromfázisú aszinkron motorok elérhető maximális hatásfoka a motor teljesítményével nő, a hajtómotor nagyságrendjében azonban kb. 60% körül mozog. Jelentős veszteséget okoz a csigahajtás (hatásfok maximum 40-50%) és a löketállító mechanizmus is. 1 2 r
5 6 S=2r
Smax Smin 3 4
6. ábra: Fokozatmentes löketállító mechanizmus
4. A mérés menete 4.1 Mérőberendezés üzembe helyezése A mérés megkezdéséhez ellenőrizzük a gép terheletlen állapotát (fojtószelep 10 állás), bekapcsoljuk a hozzá kapcsolt számítógépet és elindítjuk és mérőprogramot, majd feszültség alá helyezzük a gépcsoportot. A légüstöt kiiktatjuk a rendszerből.
6
4.2 Mérési pontok felvétele Az első feladat, hogy két különböző, a mérésvezető által megadott lökethossznál kimérjük a szivattyú ηvol(Δp) és Qk(Δp) jelleggöbéit, ahol Δp a szivattyú által létrehozott átlagos nyomáskülönbség. Beállítjuk a lökethosszt, amely egy méréssorozat során nem változik. A fojtást a fojtószelepen (7. ábra) állítjuk be. A fojtószelep teljesen nyitott állapotában kezdünk, és fokozatosan zárjuk. A fojtószelep skálázása nyitott állapotban 10, teljesen elzárt esetben 0 értéket mutat. Egy jelleggörbének legalább 8-10 pontja legyen. Minden mérési pontban meg kell határozni a szállított közepes térfogatáramot köbözéssel és a közepes nyomáskülönbséget.
7. ábra:Fojtószelep
A köbözés menete: 1. A köbözőtartály alján elzárjuk a csapot. (8. ábra) 2. Az útszelepet átkapcsoljuk, hogy a folyadék a köbözőtartályba folyjon. (9. ábra) 3. Elvégezzük a köbözést (a hiba csökkentéséhez célszerű 300 cm3-t mérni) 4. A köbözőtartály alján lévő csapot megnyitjuk. A mérés során ellenőrző diagramon ábrázolni kell a közepes szállított térfogatáramot a szivattyú által létesített nyomáskülönbség függvényében (qk(Δp))!
8. ábra: Köbözőtartály
9. ábra: Az útszelep a mérési pont beállításakor (bal oldali) és köbözéskor (jobb oldali)
A közepes szállított térfogatáram:
𝑄𝑠𝑧á𝑙𝑙 = 𝑄𝑘 =
𝑉𝑘 𝑡𝑘
Minden mérési pontban szükséges a volumetikus hatásfok értéke, mely a következő módon számítható ki:
𝜂𝑣𝑜𝑙
𝑉𝑘 𝑄𝑘 𝑡𝑘 = = 𝑄𝑒𝑙𝑚 𝑛 ∙ 𝐴𝑑 ∙ 𝑋
A közepes nyomáskülönbséget a mért adatok alapján a program számolja. A fent leírt összefüggések a programba szintén be vannak építve. A mérőprogram megfelelő helyére be kell írni a köbözés adatait: köbözési idő [s] és köbözött mennyiség [cm3], és a program kiszámítja a szállított közepes térfogatáramot, a volumetrikus hatásfokot, továbbá megadja az átlagos nyomáskülönbséget. A jelleggörbét egy másik lökethossznál is ugyanígy felvesszük. 7
A mérés második feladata a légüst hatásának vizsgálata az indikátordiagram alapján. Egy, a mérésvezető által meghatározott mérési pontban kétszer végezzük el a fent leírt mérést: először az eddigiekhez hasonlóan légüst nélkül, majd úgy is, hogy (a löket és a fojtás változtatása nélkül!) a légüstöt is hozzákapcsoljuk a rendszerhez a légüstön található csap megnyitásával (10. ábra). Ezekben a mérési pontokban a fent említett adatokon kívül még az indikátordiagramot – a szivattyú p(x) diagramját – is ábrázoltatjuk. Mindkét esetben (légüsttel és légüst nélkül) mentjük az indikátordiagramot!
10. ábra: Légüst és a kiszakaszolást lehetővé tevő gömbcsap
4.3 Számítógépes program felülete A számítógépes program felületéről irányítható a mérési pontok felvétele. Az Új mérés gombbal történik új mérési pont felvétele, a közvetlenül számolható mennyiségeket a program azonnal meghatározza. A köbözés adatainak beadása után a köbözéssel kapcsolatos mezők is újraszámítódnak. A felületen választható, hogy a teljes felvett időjel (alapbeállítás 10 másodperc hosszú), egy periódusa, vagy több periódusként mért jel átlagát jelezzük ki. Szintén választhatunk időjelek és indikátordiagram között. A programból elmenthetők a mérési pont adatai (egy fájl soraiba kiírathatók az adatok) és az indikátordiagram adatsora is. A 11. ábrán látható a felület.
5. Mérési eredmények feldolgozása A jegyzőkönyv feleljen meg a szokásos követelményeknek: egy szakmabeli ember minden további utánajárás nélkül megértse az elvégzett labormunkát, és adott esetben reprodukálni tudja. Tartalmazza közös diagramban a két mérés során felvett ηvol(Δp) és Qk(Δp) jelleggöbéket, illetve a két indikátordiagramot. Elemezze az indikátordiagramok alapján a légüst szerepét, viselkedését az adott rendszerben! Feleljen meg a tanszéki honlapon található formai követelményeknek! (http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02/jkv.html) 8
Időjel, egy/ átlagolt periódus adatbevitel
Új mérés indítása
Váltás időjel/ indikátordiagram
Időjelek vagy indikátordiagram
Köbözés adatbevitel Számolt mennyiségek
Mérési pont mentése
Indikátordiagram mentése 11. ábra: Adatgyűjtő program felülete
6. Jelölésjegyzék η Q Δp s Ad x i t
[-] [m3/s] [Pa] [m] [m2] [m] [A] [s]
hatásfok térfogatáram nyomáskülönbség lökethossz dugattyú keresztmetszet dugattyú elmozdulás hajtómotor áramfelvétele idő
V n X
[m3] [1/s] [m]
Indexek vol k elm
köbözött térfogat fordulatszám lökethossz volumetrikus köbözési, közepes elméleti
7. Felhasznált irodalom [1] Váradi Sándor: Vegyipari és áramlástechnikai gépek – oktatási segédanyag (http://www.hds.bme.hu/mota/geag04/AG04-01.pdf) [2] Kullmann László: Áramlástechnikai gépek – oktatási segédanyag (http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAE01/energiaegyenlet6.pdf) [3] Pandula Zoltán: Adagolószivattyú mérése
8. Mérőberendezés adatai típus: HAUKE PIML egyhengeres, egyszeres működésű dugattyús adagolószivattyú maximális közepes folyadékszállítás: Qmax= 56 lit/h az olaj sűrűsége = 850 kg/m3 , t = 18 C érték mellett. motor teljesítménye: Pmot = 0,37 kW maximális nyomás: pmax = 60 bar dugattyú átmérő: d = 20 mm lökethossz: s = 0-30 mm névleges löketszám: 100 löket/min csigahajtás lassító áttétele: i = 30 9
