KORSZERŐ ÁRAMLÁSMÉRÉS TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS MODELLEZÉSÜK. Dr. Vad János docens

KORSZERŐ ÁRAMLÁSMÉRÉS – TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS MODELLEZÉSÜK Dr. Vad János docens 1: Bevezetés. Áramlástani mérések szükségessége. Gyakorlati / ipari igények. Mérendı mennyiségek. A „korszerő” áramlásmérés szempontjai. Különleges megjegyzések. Idıben átlagolt mérések: statikus, dinamikus, össznyomás. Szondák, módszerek. IE: gázmotoros erımő légellátó rendszerének hibafeltárása. Dinamikus tőzoltási technika. Víz kúposodásának modellezése olajkútban. 2: Manométerek. Sebesség nagyságának és irányának nyomás-alapú mérése. Anemométerek, hıszondák. Hımérsékletmérés. Idıben változó nyomások mérése. Akusztikai és vibrációs mérések. IE: bazaltgyapot-gyártás optimalizálása. Nagy vetıtávolságú axiálventilátor kifejlesztése. 3: Laborbemutató: nyomás, sebesség, hımérséklet mérésének eszközei. Pneumatikus mérések. Elektro-pneumatikus rendszerek. Szélcsatorna technikák. IE: aerob szennyvízkezelı telep zajcsökkentése. Szárítótorony rezgésének vizsgálata. 4: Hıdrótos áramlásmérés. Áramlások láthatóvá tétele. Lézerek, lézeres áramlásmérés. Laser Doppler Velocimetry (LDV). Phase Doppler Anemometry (PDA). Particle Image Velocimetry (PIV). IE: Gyógyszeripari fermentációs folyamat optimalizálása. Kazánaláfúvó ventilátor rezgésdiagnosztikája. Élelmiszeripari hőtırendszer kapacitásnövelése.

Dr. Vad János: Korszerő áramlásmérés

5: Laborbemutató: Modell-szivattyú mérése. Hıdrótos áramlásmérés. Lézerek. LDV. 6: Sebességmérésre visszavezetett és szőkítıelemes tömegáram-mérés; összehasonlítás. 1. zárthelyi – “A” rész: elmélet, “B” rész: gyakorlati problémamegoldás. 7: Laboratóriumi elıkészületek. 1. labormérés. 8: 2. labormérés. 9: 3. labormérés. 10: Különleges áramlásmérık: ultrahangos, magneto-hidrodinamikus, kapacitív keresztkorrelációs, Coriolis. IE: Gázturbinás erımő áramlástechnikai felülvizsgálata. Cementipari füstgázvezetékbe beépített hangtompító mérése. Erımővi égésilevegıellátó ventilátor üzemállapotának megállapítása. 11: Különleges áramlásmérık: vortex, rotaméter, turbinás, volumetrikus. IE: távhıellátó rendszer méréstechnikai felülvizsgálata. Vegyipari tartálypark szivattyú-rendszerének rekonstrukciója. 12: IE: Acélipari lemezhőtı rendszer hatékonyságnövelése. Földgázkút vezetékébe épített áramlásmérı mérési zajának hatása a gázkitermelésre. Légkondicionáló berendezésekbe épített kompresszorok gáztömörségi tesztje. 2. zárthelyi – “A” rész: elmélet, “B” rész: gyakorlati problémamegoldás. 13: Numerikus áramlástani és áramlásmérési technikák együttmőködése; validáció. IE. A labormérési eredmények prezentációja. Dr. Vad János: Korszerő áramlásmérés

HARDCORE ÁRAMLÁSTAN


„Keep •your blood clean, •your body lean, •and your mind sharp.”

„Tartsd a véred tisztán, a tested fitten, az eszed pedig legyen a helyén.”


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:

n

qm =


∫ ρ v dA ≈ ρ ∑ v Aduct

i =1

⊥i

∆Ai

Mérési adatok biztosítása folyamatirányításhoz és automatizáláshoz Térfogatáram:

qV =

∫ v dA Aduct


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


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

20

θ [deg]


P

PV ST

H 5

W

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: Korszerő 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: Korszerő 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. SZONDÁK ÉS ÉRZÉKELİK AZ IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSÉRE 2.1.

Statikus nyomás

A zavartalan közeg nyomása 2.1.1.

Gyakorlati alkalmazások: példák

•Áramlási veszteségek megítélése •K+F


2. SZONDÁK ÉS ÉRZÉKELİK AZ IDİBELI ÁTLAGNYOMÁS MÉRÉSÉRE 2.1.

Statikus nyomás

A zavartalan közeg nyomása 2.1.1.


•Áramlási veszteségek megítélése •K+F



•A dinamikus nyomás meghatározásához

pdynamic 2.1.2.

v2 = ρ = pt − p 2 Mérési elv

Az Euler egyenlet normális komponens egyenlete:

v 2 ∂p ρ = R ∂n 2.1.3.

Példák mérési konfigurációkra és eszközökre

•Belsı statikus nyomás megcsapolása fali furaton keresztül


Az áramvonal-görbületi hatás elhanyagolható, ha:

v2 ρ < 0.02 p − pref 2


measured

•Statikus nyomásszonda


•Ser-tárcsa


•Érmeszonda


•Nyomásmultiplexer


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: Korszerő áramlásmérés

2.2.2.

Mérési elv

A közeget meg kell állítani a mérıeszközzel. 2.2.3.


•Pitot-csı


•Kiel szonda

•Iránymérı szondák Dr. Vad János: Korszerő áramlásmérés

2.3. Dinamikus nyomás 2.3.1.

v=


2

ρ

2.3.2.

(p

dynamic

)=

2

ρ

( pt − p )

ρ=

p RT

Mérési elv


2.3.3.


•Egyetlen Pitot-csıvel


•Pitot-csıvel és fali statikus nyomásmegcsapolással


•Pitot-statikus szonda (Prandtl-csı)


•Venturi szonda (dinamikus nyomás-sokszorozó)

v=k


2

ρ

∆p

•S-szonda

v=k Dr. Vad János: Korszerő áramlásmérés

2

ρ

∆p

•Spitz-szonda


6/ Nem-szabványos geometria

v=k


2

ρ

∆p

KORSZERŐ ÁRAMLÁSMÉRÉS TECHNOLÓGIAI FOLYAMATOK ÉS MODELLEZÉSÜK. Dr. Vad János docens

Recommend Documents