1.6.2011
ČVUT V PRAZE, FAKULTA STROJNÍ Studijní obor Inteligentní budovy
Experimentální metody
MĚŘENÍ PRŮTOKU VZDUCHU SONDÁŽÍ RYCHLOSTNÍHO PROFILU PRANDTLOVOU SONDOU
© 2011 ČVUT V PRAZE Fakulta strojní Ústav techniky prostředí
Cíl měření Cílem měření je stanovit objemový průtok vzduchu v kruhovém vzduchotechnickém potrubí sondáží rychlostního profilu Prandtlovou sondou metodou stejnoplochých (rovnoplochých) mezikruží
1
1.6.2011
Schéma měření
Teorie, definice veličin Objemový průtok vzduchu v kruhovém potrubí o průměru D se stanoví ze vztahu
V& = w × A = w ×
p × D2 4
kde w (m/s) je střední rychlost po průřezu A (m2) je plocha průřezu potrubí D (m) je vnitřní průměr potrubí
2
1.6.2011
Teorie, definice veličin Střední rychlost proudění vzduchu po průřezu se stanoví jako průměr rychlostí v bodech sondáže ze vztahu m
w=
1 × å wi m 1
kde wi (m/s) jsou rychlosti proudění vzduchu ve středu i-té dílčí plochy m je počet dílčích ploch (bodů měření rychlosti)
Teorie, definice veličin U stejnoplochých metod jsou v případě čtyřhranného průřezu potrubí jednotlivé dílčí plochy obdélníkového (čtvercového) tvaru. Všechny plochy mají stejný tvar. Rychlost vzduchu v jednotlivých dílčích plochách se měří ve středech (těžištích ) obdélníků.
3
1.6.2011
Teorie, definice veličin U kruhového potrubí mají dílčí plochy tvar mezikruží, resp. části mezikruží. Měřicí body jsou uprostřed mezikruží, počítáno plošně, tedy na kružnici dělící dané mezikruží na dvě dílčí mezikruží o stejné ploše.
Teorie, definice veličin Počet mezikruží a počet měřicích polopřímek (na nich leží měřicí body), tzn. na kolik částí je každé mezikruží rozděleno, závisí na průměru potrubí a na vyrovnanosti či nerovnoměrnosti měřeného rychlostního profilu. Čím méně je vyvinutý a pravidelný profil, tím více je třeba volit měřicích bodů.
4
1.6.2011
Teorie, definice veličin Na následujícím obrázku je řez potrubím s vyznačením stejnoplochých mezikruží, měřicích dílčích ploch, měřicích polopřímek a jednotlivých měřicích bodů. Středový kruh se bere jako mezikruží s nulovým vnitřním poloměrem. Z toho plyne, že v ose potrubí není měřicí bod.
Teorie, definice veličin
5
1.6.2011
Teorie, definice veličin Poloměry, na kterých leží měřicí body, vycházejí z podmínky stejných ploch všech mezikruží a jsou určeny vztahem
ri = R ×
2 × i -1 2n
kde i (-) je pořadové číslo mezikruží n (-) je počet stejnoplochých mezikruží R (m) je vnitřní poloměr potrubí
Teorie, definice veličin Rychlost proudění vzduchu v bodě umístění Prandtlovy sondy se stanoví ze vztahu
wi = k PS ×
2 × p d ,i
r PS
6
1.6.2011
Teorie, definice veličin kde kPS (-) je konstanta Prandtlovy sondy, není li určeno jinak, bere se = 1,0 ρPS (kg/m3) hustota vzduchu v místě měření (v místě Prandtlovy sondy) pd,i (Pa) je dynamický tlak sejmutý Prandtlovou sondou v i-tém bodě
Teorie, definice veličin Dynamický tlak pd se zjistí z celkového tlaku pc a statického tlaku ps , které jsou snímány Prandtlovou sondou v jednotlivých stanovených bodech sondáže rychlostního profilu. Dynamický tlak je dán rozdílem obou těchto tlaků.
p d = pc - p s
7
1.6.2011
Teorie, definice veličin pd = pc - ps kde pd (Pa) je dynamický tlak vzduchu pc (Pa) je celkový tlak vzduchu pd (Pa) je dynamický tlak vzduchu
Teorie, definice veličin Schéma Prandtlovy sondy. Sonda otvorem ve svém čele snímá tlak celkový a otvory ve válcovém „nosu“ sondy snímá tlak statický. „Nos“ sondy musí být při měření rovnoběžný s vektorem rychlosti.
p d = pc - p s
8
1.6.2011
Teorie, definice veličin Dynamický tlak měřený kapalinovým mikromanometrem se sklonným ramenem se stanoví ze vztahu
pd = g × r M × k M × (l - l0 )
Teorie, definice veličin kde g ρM kM l l0
(m/s2) je gravitační zrychlení (je rovno 9,81 m/s2) (kg/m3) je hustota náplně mikromanometru (-) je konstanta mikromanometru (m) je čtení mikromanometru (m) je nulové čtení mikromanometru
9
1.6.2011
Teorie, definice veličin Hustota vlhkého vzduchu v potrubí (v místě Prandtlovy sondy) se stanoví ze vztahu
r PS =
ps - 0,378 × pv ra × T
Teorie, definice veličin kde ps (Pa) je (absolutní) statický tlak v místě měření pv (Pa) je parciální tlak vodních par ve vzduchu (v potrubí) ra (J/kg.K) je plynová konstanta suchého vzduchu (je rovna 287,02 J/kg.K) T (K) je teplota vzduchu uvnitř potrubí (v termodynamické stupnici)
10
1.6.2011
Teorie, definice veličin Statický tlak v potrubí se stanoví z tlaku okolí a statického podtlaku v potrubí měřeného U-manometrem ze vztahu
ps = po - g × rU × Dh
Teorie, definice veličin kde po (Pa) je tlak v okolí potrubní tratě změřený staničním barometrem g (m/s2) je gravitační zrychlení (=9,81) ρU (kg/m2) je hustota náplně U-manometru Δh (m) je rozdíl výšek hladin U-manometru
11
1.6.2011
Teorie, definice veličin Parciální tlak vodních par pv se stanoví aspiračním psychrometrem. Aspirační psychrometr nasává ventilátorkem vzorek vzduchu z potrubí do své měřicí komory, ve které je teploměr měřící skutečnou teplotu vzduchu t a druhý teploměr obalený mokrou punčoškou, který měří teplotu mezního adiabatického ochlazení tm (tzv. mokrou teplotu).
Teorie, definice veličin Podmínkou, aby aspirační psychrometr měřil správně, tzn. aby mokrý teploměr ukazoval teplotu mezního adiabatického ochlazení, je dostatečná rychlost proudění vzduchu kolem teploměru. Tato rychlost musí být minimálně 2 až 3 m/s. Další podmínkou je dostatečné navlhčení punčošky destilovanou vodou. Oba teploměry v psychrometru by měly být chráněny proti sálání.
12
1.6.2011
Teorie, definice veličin Z Molierova diagramu se podle následujícího obrázku z teploty suchého teploměru (teplota vzduchu) a teploty mokrého teploměru určí bod odpovídající stavu vzduchu. Na x-ové (vodorovné) ose se potom pro tento stav odečte parciální tlak vodních par.
Teorie, definice veličin φ φ t
φ=1
t
x pv tm h =konst.
x ; pv
13
1.6.2011
Postup měření - určí se počet potřebných mezikruží a počet měřicích polopřímek - spočtou se poloměry, na kterých leží měřicí body (body sondáže) - stanoví se tlak okolí staničním barometrem - mikromanometr se ustaví do vodorovné polohy
Postup měření - hadičkami se propojí přístroje (Prandtlova sonda, mikromanometr, U-manometr) podle schématu - zkontroluje se správné ustavení „praporku“ sondy, podle kterého je kontrolována rovnoběžnost sondy s osou potrubí během měření, kdy sonda v potrubí není vidět
14
1.6.2011
Postup měření - spustí se ventilátor tratě - Prandtlova sonda se vsune do potrubí tak aby její čelo směřovalo proti směru proudění vzduchu, přitom je nutno zamezit přefouknutí mikromanometru (v praxi při použití elektronického mikromanometru jeho poškození) přeložením („zlomením“) hadiček vedoucích od sondy
Postup měření - Prandtlova sonda se zasune na doraz, až se dotkne stěny potrubí, poloha se vyznačí značkou - Prandtlova sonda se posune na doraz na druhou stranu, poloha se opět vyznačí značkou odpovídající tomuto druhému dorazu
15
1.6.2011
Postup měření - rozpůlí se vzdálenost mezi značkami a sonda se ustaví do této poloviny, tzn. umístí se do osy potrubí - vedle sondy se zafixuje k pevné části potrubí měřítko a proti některému celému číslu na měřítku se na sondě udělá značka, podle které se budou naměřovat vzdálenosti od osy potrubí
Postup měření - sonda se posunuje do jednotlivých měřicích bodů, poloměr odpovídající vypočtenému pro dané mezikruží se odměřuje na fixovaném měřítku podle značky na sondě - v každém měřicím bodě se odečte údaj mikromanometru odpovídající měřenému dynamickému tlaku, tzn. výchylka sloupce kapaliny a poznamená se konstanta mikromanometru
16
1.6.2011
Postup měření - na U-manometru se odečte statický podtlak v potrubí, který je teoreticky konstantní po celém měřicím průřezu (proudění v potrubí se uvažuje jako jednorozměrné) - změří se teplota vzduchu v potrubí - změří se teplota mokrého a suchého teploměru v potrubí aspiračním psychrometrem
Vyhodnocení Ze vztahů uvedených v teorii se vypočte: - parciální tlak vodních par (odečte se z Mollierova diagramu) - statický tlak v potrubí - hustota vlhkého vzduchu - dynamický tlak v jednotlivých měřicích bodech - rychlost v jednotlivých měřicích bodech
17
1.6.2011
Vyhodnocení - z naměřených rychlostí vzduchu v jednotlivých bodech sondáže rychlostního profilu se vypočte střední rychlost jako aritmetický průměr těchto rychlostí - ze střední rychlosti a průřezu potrubí se stanoví průtok vzduchu - do diagramu se vynesou jednotlivé rychlosti v závislosti na poloměru, tzn. rychlostní profil
Rozsah odevzdávaného referátu Referát bude mít tuto strukturu: - titulní strana název úlohy, datum měření, č. kroužku, seznam studentů, kteří se na měření podíleli a vypracovali referát
- soupis použitých označení (veličin) obsahuje veličiny, které jsou v referátu použity, jak v teorii, tak ve vlastních výpočtech. U veličin budou uvedeny jednotky
- úvod stručná charakteristika měření, v rámci jakého předmětu bylo měření provedeno
18
1.6.2011
Rozsah odevzdávaného referátu - cíl měření účel experimentu a požadavky na řešení
- teorie k úloze teoretické vztahy, vzorce použité k vyhodnocení, použitá metodika, teoretické souvislosti
- popis měření popis použitého experimentálního zařízení, fyzikálního principu přístrojů
- schéma měření přehledná dispozice zařízení ve vazbě na popis zařízení
Rozsah odevzdávaného referátu - použité přístroje název, typ, rozsah, přesnost použitých přístrojů
- postup měření jednotlivé fáze použitého postupu
- tabulka naměřených hodnot obsahuje všechny hodnoty, které byly na přístrojích odečteny
- postup vyhodnocení – příklad výpočtu u neopakovaných výpočtů (např. hustota vzduchu) je uveden celý výpočet, u opakovaných výpočtů pro jednotlivé body měření je uveden jen příklad výpočtu pro jeden řádek tabulky
19
1.6.2011
Rozsah odevzdávaného referátu - tabulka vypočtených (výsledných) hodnot všechny hlavní výsledné hodnoty a důležité mezivýsledky
- diagram rychlostního profilu grafické znázornění naměřeného rychlostního profilu v jednotlivých měřicích polopřímkách
- závěr, zhodnocení měření diskuse o výsledcích je neopominutelnou součástí referátu. V závěru jsou přehledně shrnuty hlavní výsledky, jsou zde zhodnoceny neobvyklé jevy a problémy, které se při měření vyskytly
20
