Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica
Ontwerp van een teststand voor axiaalventilatoren volgens de ISO 5801 - norm
Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van master in de industriële wetenschappen: elektromechanica door Bart Beernaert Julien Clinckemaillie
o.l.v. Marc Hongerloot, KHBO Johan Wyckaert, Almeco NV
Academiejaar 2009 - 2010
KHBO Campus Oostende ● Zeedijk 101 ● B-8400 Oostende ● Tel. +32 59 56 90 00 ● Fax +32 59 56 90 01 ● www.khbo.be
Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding master in de industriële wetenschappen: elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica
Ontwerp van een teststand voor axiaalventilatoren volgens de ISO 5801 - norm
Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van master in de industriële wetenschappen: elektromechanica door Bart Beernaert Julien Clinckemaillie
o.l.v. Marc Hongerloot, KHBO Johan Wyckaert, Almeco NV
Academiejaar 2009 - 2010
KHBO Campus Oostende ● Zeedijk 101 ● B-8400 Oostende ● Tel. +32 59 56 90 00 ● Fax +32 59 56 90 01 ● www.khbo.be
Mededeling Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.
1
Woord vooraf In dit voorwoord zou ik graag enkele personen willen bedanken die mij geholpen en gesteund hebben tijdens het verwezenlijken van deze masterproef. Eerst en vooral wens ik mijn twee promotoren te bedanken, Ir. Marc Hongerloot en Ing. Johan Wyckaert. Ze hebben mij steeds geholpen als ik met een probleem vastzat en mij ook op de rechte weg gezet als ik op een verkeerde spoor zat. Ik wil ook al de mensen van de R&D-afdeling van Almeco bedanken voor hun precieuze hulp. Verder wil ik het bedrijf Almeco bedanken voor de ervaring en kennis die ik tijdens mijn stage opgedaan heb. Ik zou ook graag Ir. André Lauwers willen bedanken voor de verbetering van de technische tekeningen. Tot slot wens ik ook mijn ouders, broer en zus te bedanken, die mij steeds geholpen en vooral gesteund hebben gedurende mijn opleiding. Neerwaasten, mei 2010 Julien Clinckemaillie
Graag zou ik enkele personen bedanken. Vooreerst de twee promotoren: Ir. Marc Hongerloot en ing. Johan Wyckaert die mij tijdens het eindwerk hebben begeleid. Indien ik een probleem had waarvoor ik niet direct een goede of correcte oplossing had stonden deze mensen klaar om mij te sturen en op weg te helpen. Dan zou ik ook graag Hr. Peuteman, Hr.Bekaert , Hr.Vanmaercke, Hr. Lauwers en Hr. Van Thienen bedanken voor theoretische ondersteuning in verband met problemen met betrekking tot de masterproef. Ook zou ik graag de werknemers van Almeco bedanken omwille van hun hulp en interesse voor ons eindwerk. Tot slot zou ik graag mijn ouders, broer en vriendin bedanken. Deze stonden mij altijd nauw aan het hart tijdens mijn schoolcarrière en stonden klaar indien ik een probleem had. Roeselare, mei 2010 Bart Beernaert
2
Abstract Bij de constructie van ventilatoren is het nodig de karakteristieke parameters van een ventilator te bepalen. Deze parameters worden opgemeten aan de hand van een proefstand die beantwoordt aan een welbepaalde norm. Uit deze parameters is het dan mogelijk de ventilatorkarakteristiek op te stellen. Het doel van deze masterproef is het ontwerpen van een proefstand voor axiaalventilatoren volgens de ISO 5801-norm. Deze proefstand moet in staat zijn om ventilatoren van verschillende diameters te testen. Het moet ook mogelijk zijn om niet enkel vrij aanzuigende en uitblazende axiaalventilatoren te testen, maar ook ventilatoren met een gekanaliseerde inlaat en/of uitlaat. Vooreerst wordt de theorie bestudeerd die nodig is om de werking van een ventilator en de betekenis van de karakteristieke parameters van een ventilator goed te begrijpen. Daarna wordt de ISO 5801-norm grondig doornomen. De norm beveelt twee soorten proefstanden aan: proefstanden met een testkamer en proefstanden met meetkanalen. Elk soort heeft zijn eigen voor- en nadelen die aandachtig tegen elkaar afgewogen moeten worden. Bij elke proefstand bestaan er daarenboven ook verschillende methodes om het debiet te meten. Aangezien de flexibiliteit van de proefstand een doorslaggevende factor is, wordt uiteindelijk gekozen voor een proefstand met een testkamer. Met deze meetopstelling kunnen ventilatoren van verschillende diameters getest worden, en dit zowel bij zuigzijdige als bij drukzijdige belasting. In het inlaatgedeelte wordt het debiet gemeten aan de hand van een inlaat-meettuit, en het wordt daar ook geregeld aan de hand van een hulpventilator en een regelklep. De testkamer, bevestigd tussen het in- en uitlaatgedeelte van de testopstelling, wordt onderworpen aan relatief grote onderdrukken. Daarvoor worden er verschillende berekeningen en simulaties uitgevoerd om tot een goede materiaalkeuze en bouwwijze te komen. In het uitlaatgedeelte wordt de testventilator gemonteerd, al dan niet met een gekanaliseerde in- en/of uitlaat. Ten slotte is de keuze van de meetinstrumenten van cruciaal belang om alle parameters te kunnen vastleggen. Bij de keuze van de meetinstrumenten wordt er rekening gehouden met de eventuele automatisatie van de tests.
3
Inhoudsopgave Woord vooraf Abstract ................................................................................................................................................... 3 1
Inleiding ........................................................................................................................................... 6 1.1
Onderzoeksvraag ..................................................................................................................... 6
1.2
Almeco ..................................................................................................................................... 7
1.2.1
Historiek .......................................................................................................................... 7
1.2.2
Adres en contactgegevens .............................................................................................. 8
1.3
1.3.1
Algemene constructie...................................................................................................... 9
1.3.2
Het ventilatorhuis ............................................................................................................ 9
1.3.3
De waaier....................................................................................................................... 10
1.3.4
Montage ........................................................................................................................ 10
1.3.5
Testen ............................................................................................................................ 11
1.4
2
Theoretische achtergrond ..................................................................................................... 12
1.4.1
Ventilatorkarakteristiek................................................................................................. 12
1.4.2
Leidingkarakteristiek en werkingspunt ......................................................................... 15
Keuze teststand op basis van ISO 5801 ......................................................................................... 16 2.1
3
Fabricatieproces van axiale ventilatoren ................................................................................ 9
Verschillende mogelijkheden ................................................................................................ 17
2.1.1
Categorie A, B, C en D .................................................................................................... 17
2.1.2
Meetkanaal en meetkamer ........................................................................................... 18
2.1.3
Debietmeting ................................................................................................................. 19
2.2
Technisch-economische oplossing ........................................................................................ 23
2.3
Definitieve keuze ................................................................................................................... 23
Uitwerking van de gekozen testopstelling .................................................................................... 27 3.1
Inlaatgedeelte........................................................................................................................ 27
3.1.1
Debietmeter: de inlaat-meettuit ................................................................................... 28
3.1.2
Diffusor .......................................................................................................................... 32
3.1.3
Hulpventilator................................................................................................................ 32
3.1.4
AMCA cell straightener (celgelijkrichter)....................................................................... 34
3.1.5
Overgangsstuk ............................................................................................................... 34
3.1.6
Registerklep ................................................................................................................... 35
3.1.7
Besluit inlaatgedeelte .................................................................................................... 42 4
3.2
3.2.1
Afmetingen conform ISO 5801 ...................................................................................... 43
3.2.2
Componenten in de kamer ............................................................................................ 45
3.2.3
Keuze bouwwijze ........................................................................................................... 48
3.2.4
Sterkteberekeningen ..................................................................................................... 52
3.2.5
Deur ............................................................................................................................... 59
3.2.6
Bovenkant losmaken ..................................................................................................... 60
3.2.7
Luchtdichtheid ............................................................................................................... 62
3.3
4
6
Uitlaatgedeelte ...................................................................................................................... 63
3.3.1
Onderdelen.................................................................................................................... 63
3.3.2
Mogelijke opstellingen .................................................................................................. 65
3.3.3
Vermogenmeting........................................................................................................... 68
Overzicht volledige testopstelling ................................................................................................. 72 4.1
Schets van het drukverloop ................................................................................................... 72
4.2
Flenzen .................................................................................................................................. 74
4.3
Ondersteuningsframe............................................................................................................ 75
4.4
Flexibiliteit ............................................................................................................................. 76
4.5
Plaatsing ................................................................................................................................ 77
4.5.1
Plattegrond .................................................................................................................... 77
4.5.2
Veiligheid ....................................................................................................................... 78
4.6
5
Testkamer .............................................................................................................................. 43
Mogelijkheid uitbreiding voor automatisering ..................................................................... 79
4.6.1
Labview .......................................................................................................................... 79
4.6.2
Beckhoff ......................................................................................................................... 80
Testprocedure ............................................................................................................................... 81 5.1
Voorbereiding ........................................................................................................................ 81
5.2
Metingen ............................................................................................................................... 81
5.3
Verwerking ............................................................................................................................ 83
Prijsoverzicht ................................................................................................................................. 91
Algemeen besluit ................................................................................................................................... 94 Bibliografie ....................................................................................... Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.
5
1 Inleiding 1.1 Onderzoeksvraag Axiaalventilatoren vindt men terug voor tal van toepassingen in de industrie. Een correcte ventilator voor de toepassing kiezen is niet altijd evident. Daarom worden ventilatoren eerst uitvoerig getest om de belangrijkste parameters ter beschikking te hebben. Het testen van een axiaalventilator wordt best volgens een norm gedaan: er worden duidelijke afspraken gemaakt hoe de ventilator precies getest moet worden. Om axiaalventilatoren te testen zijn er verschillende normen beschikbaar: -
ISO 5801 (Internationale Organisatie voor Standaardisatie); AMCA 201 (Air Movement and Control Association); DIN 24163 (Deutsches Institute für Normung); BS 848 (British Standards Institution); …
Het is de bedoeling een teststand te ontwerpen volgens de ISO 5801-norm. In deze norm worden er verschillende mogelijke teststanden beschreven. Een belangrijk onderdeel van deze masterproef is dus de juiste teststand kiezen die aan de eisen van de firma voldoet. De proefstand moet in staat zijn om ventilatoren van verschillende diameters te testen. De testventilator moet daarenboven ook nog eens drukzijdig en/of zuigzijdig belast kunnen worden. Dit creëert verschillende situaties waarbij éénzelfde ventilator op een andere manier reageert. Het is belangrijk ook deze verschillende situaties te kunnen testen zodat klant of ontwerper een éénduidig beeld hebben welke ventilator er best gekozen wordt voor een welbepaalde toepassing.
6
1.2 Almeco 1.2.1
Historiek
Figuur 1.1: logo van Almeco
Almeco werd in 1974 opgericht door Lieven de Clercq. Het bedrijf was toen gevestigd in Roeselare en functioneerde als een pure handelsfirma met het Oostblok. Industriële ventilatoren en koeltorens waren de voornaamste producten die verhandeld werden. Kort na de oprichting ontstond tstond er een afdeling die instond voor het onderhoud van de koeltorens.
Figuur 1.2: Almeco Roeselare
Na de val van de Berlijnse muur en de eenmaking van Duitsland groeide het aantal medewerkers en Almeco begon egon toen ook met zijn eigen productie. Het gebouw in Roeselare volstond niet meer om de expansie van Almeco op te vangen en het bedrijf verhuisde eind 1999 naar Moeskroen waar het een oppervlakte van 17800 m² ter beschikking kreeg. Door de groei van het bedrijf werden de gebouwen in i 2005 verder uitgebreid.
Figuur 1.3: Almeco Moeskroen
7
Hedendaags zorgt Almeco voor de vervaardiging en de distributie van: -
industriële ventilatoren en blowers; luchtmes droogsystemen; koeltorens.
Het bedrijf heeft echter ook nog een zusterfirma, PCA, waarvan een team gevestigd is in Moeskroen. Dit bedrijf, dat in Aalst gevestigd is, specialiseert zich in onder meer gaswassers, ‘reversed osmose’-technieken en industriële waterbehandeling.
Figuur 1.4: logo van PCA
1.2.2
Adres en contactgegevens
Almeco NV Royennestraat, 51 B-7700 Moeskroen Telefoon: +32 (0)56 85.40.80 Fax: +32 (0)56 85.40.81 E-mail:
[email protected]
8
1.3 Fabricatieproces van axiale ventilatoren 1.3.1
Algemene constructie
Een axiaalventilator bestaat uit verschillende onderdelen. Het is de verantwoordelijkheid van de ingenieurs om de gepaste onderdelen te selecteren en de ventilator zodanig te dimensioneren dat het voldoet aan de eisen van de klant. De aparte onderdelen worden bij derden aangekocht en worden door de arbeiders in Almeco geassembleerd en getest. De voornaamste onderdelen zijn: -
het ventilatorhuis; de schoepen; de naaf; de elektromotor.
Figuur 1.5: geassembleerde axiaalventilator
Als de klant dit wenst, dan kunnen er ook extra accessoires op de ventilator gemonteerd worden zoals beschermingsroosters, aanzuigpaviljoenen, enz. … 1.3.2
Het ventilatorhuis
Het ventilatorhuis (Figuur 1.6) wordt in Almeco ontworpen door een team van ingenieurs. Na het ontwerp worden de technische tekeningen naar een metaalverwerkend bedrijf gestuurd, waar het ventilatorhuis vervaardigd wordt. Het ventilatorhuis is voorzien van een motorstoel waarop de elektromotor bevestigd kan worden.
Figuur 1.6: ventilatorhuis
9
1.3.3
De waaier
De schoepen worden (voorlopig) niet in Almeco ontworpen, maar in Groot-Brittannië. Ze worden daar ook getest volgens de BS 848-norm, waardoor Almeco de karakteristieken van deze schoepen perfect kent. De ingenieur heeft de keuze tussen verschillende uitvoeringen zoals polyamide of aluminium. De schoepen worden daarna op de naaf gemonteerd. Bij de montage moet de arbeider rekening houden met de schoephoek en hij moet er ook voor zorgen dat de luchtrichting bij een gegeven draaizin gerespecteerd wordt. De schoephoek en het aantal schoepen zijn zeer belangrijke parameters Figuur 1.7: waaier van een axiaalventilator voor de prestatie van de ventilator. Nadat de schoepen op de naaf gemonteerd werden (Figuur 1.7), is de waaier nog niet afgewerkt: de waaier moet nog tot op de correcte diameter afgezaagd worden. De arbeider moet daarbij rekening houden met het feit dat het ventilatorhuis niet perfect rond is, maar ook met de eventuele thermische uitzettingen van de schoepen en het uitrekken van de schoepen ten gevolge van de centrifugale kracht. Eenmaal de waaier afgezaagd is, kan deze gebalanceerd worden: in Almeco worden de waaiers volgens de norm ISO 1940, klasse Q 6,3 gebalanceerd. 1.3.4
Montage
De gebalanceerde waaier wordt in de volgende stap op het motoras gemonteerd met behulp van een as-naaf verbinding. Dit geheel wordt dan op de motorstoel in het ventilatorhuis vastgemaakt. De arbeider moet er voor zorgen dat het ventilatorhuis en de waaier mooi concentrisch zijn ten opzichte van elkaar, en dat de tip van de schoepen niet in contact komt met het ventilatorhuis.
10
1.3.5
Testen
De ventilator moet ten slotte getest worden tijdens het proefdraaien: daarbij wordt de onttrokken elektrische stroom opgemeten en wordt er ook gezocht naar de bron van eventuele abnormale geluiden of trillingen. Als er geen problemen opduiken tijdens het proefdraaien, dan wordt de ventilator als afgewerkt beschouwd.
Figuur 1.8: teststand voor proefdraaien in atelier
11
1.4 Theoretische achtergrond Ventilatoren zijn turboreceptoren: energie wordt aan de doorstromende lucht afgegeven door de ventilatorschoepen. Er bestaan twee grote groepen ventilatoren: De centrifugaalventilatoren Bij centrifugaalventilatoren stroomt de lucht het looprad axiaal binnen, en wordt het in radiale richting naar buiten geslingerd. De luchtstroomrichting staat dus loodrecht op de as van het looprad.
Figuur 1.9: centrifugaalventilator
De axiaalventilatoren Bij axiaalventilatoren is de luchtstroming evenwijdig met de as van de ventilator. Bij deze ventilatoren is de gerealiseerde ventilatordruk meestal lager dan bij centrifugale ventilatoren. De doelstelling van deze masterproef is om een proefstand te ontwerpen om axiaalventilatoren te testen. De theorie die volgt is daarom toegespitst op de axiaalventilator. Figuur 1.10: axiaalventilator
1.4.1
Ventilatorkarakteristiek
De ventilatordruk wordt gedefinieerd als de totale druktoename ∆p tussen de inlaat en de uitlaat van de ventilator. Deze drukstijging ∆p kan ontbonden worden in een toename in statische druk (∆ps) en in dynamische druk (∆pd). ∆p = ∆ps + ∆pd De totale drukstijging ∆p is een functie van het ventilatordebiet qV: ∆p = f(qV)
12
Bij een geïdealiseerde ventilator wordt het verband tussen de opvoerdruk en het debiet als in Figuur 1.11 voorgesteld:
qV
Figuur 1.11: ventilatorkarakteristiek (Hongerloot)
Dit is uiteraard een geïdealiseerde benadering, aangezien er in de werkelijkheid een aantal verliezen optreden zoals: -
wrijvingsverliezen in de rotor; wrijvingsverliezen ten gevolge van het feit dat het fluïdum niet perfect begeleid wordt (eindig aantal schoepen); lekverliezen ten gevolge van de speling tussen de rotor en het huis.
De werkelijke ventilatorkarakteristiek zal dus sterk verschillen van de theoretische ventilatorkarakteristiek. Meestal worden ook het vereist vermogen P en het rendement η van de ventilator beschouwd bij de ventilatorkarakteristiek. Het rendement kan eventueel opgesplitst worden in een inwendig rendement ηi en een mechanisch rendement ηm. De volledige ventilatorkarakteristiek wordt in Figuur 1.12 afgebeeld.
13
qV
Figuur 1.12: volledige ventilatorkarakteristiek (Hongerloot)
De ventilatorkarakteristiek wordt bepaald met behulp van een proefstand. Er bestaan verschillende normen die over de opbouw van een proefstand handelen, maar om een volledige en nauwkeurige ventilatorkarakteristiek te kunnen opmeten moet elke proefstand voorzien zijn van: -
een debietmeter (meettuiten, pitotbuizen, meetflenzen, e.d…) om het debiet dat door het systeem stroomt op te meten; drukmeters (barometers, manometers) om de drukken (statisch, dynamisch of totaal) op verschillende punten op te meten; een regelbare weerstand om de totale weerstand van het systeem te wijzigen; een hulpventilator om de karakteristiek te bepalen voor kleine drukstijgingen; gelijkrichters om het fluïdum gelijkmatig over de kanaaldoorsnede te verdelen en om een rustige fluïdumstroom te realiseren; de testventilator.
De ventilatorkarakteristiek hangt ook af van de manier waarop de testventilator belast wordt. De vier gestandaardiseerde installatiecategorieën worden verder gedefinieerd.
14
1.4.2
Leidingkarakteristiek en werkingspunt
Het systeem waarop een ventilator aangesloten wordt heeft een zekere weerstand. Opdat de ventilator een fluïdum met een gewenst debiet door dit systeem zou verplaatsen, moet deze weerstand overwonnen worden. De drukverliezen in het systeem zijn evenredig met het kwadraat van de snelheid: ∆p ~ v²
qV Figuur 1.13: leidingkarakteristiek (Hongerloot)
De leidingkarakteristiek afgebeeld in Figuur 1.13 komt dus overeen met de totale drukstijging, die door de ventilator gerealiseerd moet worden om het fluïdum in beweging te brengen, in functie van het debiet. Aan de hand van de ventilator- en de leidingkarakteristiek kan het werkingspunt (Figuur 1.14) van de ventilator bepaald worden. Het werkingspunt komt overeen met het snijpunt van beide karakteristieken. Het duidt de ventilatordruk aan die gerealiseerd moet worden, om bij een bepaald debiet het fluïdum te verplaatsen. Het toerental van de ventilator en de volumieke massa van het te vervoeren fluïdum hebben een invloed op de ligging van het werkingspunt.
qV Figuur 1.14: werkingspunt (Hongerloot)
15
2 Keuze teststand op basis van ISO 5801 Op basis van de vooropgestelde eisen moet er een keuze gemaakt worden tussen de verschillende mogelijkheden die in de ISO-norm besproken worden. Dit is een cruciale stap van het project: het vormt een vaste fundering waarop er verder gebouwd zal worden en de goede afloop van deze masterproef hangt volledig af van de keuze die gemaakt zal worden. De voornaamste eisen zijn: -
Flexibiliteit: het is wenselijk om een flexibel teststand te bouwen waarmee ventilatoren van verschillende diameters getest kunnen worden. De verschillende categorieën (A, B, C en D) moeten eveneens getest kunnen worden.
-
Zo economisch mogelijk: dure apparatuur moet in de maat van het mogelijke vermeden worden.
-
Zo compact mogelijk: de proefstand moet zo weinig mogelijk plaats innemen.
-
Zo eenvoudig mogelijk: complexe apparatuur zoals pitotbuizen moeten indien mogelijk vermeden worden.
De testopstellingen die in de norm beschreven worden zijn standaardopstellingen. Ze kunnen eventueel ook nog aangepast worden met het oog op een universele, permanente proefstand waarmee ventilatoren van verschillende diameters, verschillende categorieën en/of verschillende types getest kunnen worden.
16
2.1 Verschillende mogelijkheden In de norm vindt men verschillende standaardteststanden terug. Ze worden eerst onderverdeeld volgens hun categorie, daarna wordt er een onderscheid gemaakt tussen een meetkanaal en een meetkamer. Het debiet kan ook op verschillende manieren gemeten worden. 2.1.1
Categorie A, B, C en D
Ventilatoren kunnen op vier verschillende wijzen in een systeem ondergebracht worden:
Categorie A
Vrije inlaat / Vrije uitlaat
Categorie B
Vrije inlaat / Gekanaliseerde uitlaat
Categorie C
Gekanaliseerde inlaat / Vrije uitlaat
Categorie D Gekanaliseerde inlaat / Gekanaliseerde uitlaat
Figuur 2.1: de vier verschillende categorieën
De ventilatorkarakteristiek is verschillend naargelang de categorie. Er moet voor gezorgd worden dat alle vier de categorieën getest kunnen worden met één en dezelfde proefstand. Dit is mogelijk door gebruik te maken van kanalen die aan de inlaat en/of aan de uitlaat van de testventilator geplaatst worden en die dus de karakteristieken van de verschillende categorieën kunnen nabootsen. Deze kanalen worden daarom ook simulatiekanalen genoemd (‘common segments’ in het engels).
17
2.1.2
Meetkanaal en meetkamer
Er bestaan twee grote groepen proefstanden: -
Proefstand met meetkanalen (Figuur 2.2):
de proefstand bestaat volledig uit aan elkaar verbonden kanalen, met welbepaalde diameters en lengtes. Bij het gebruik van meetkanalen moet er geen volumineuze kamer gebouwd worden en blijft de opstelling dus redelijk compact, maar de totale lengte is toch aanzienlijk. Het grootste nadeel van het gebruik van meetkanalen is dat de proefstand helemaal niet flexibel is. Een proefstand met meetkanalen is meer geschikt om één welbepaald type ventilator te testen.
Figuur 2.2: proefstand met meetkanalen (ISO 5801)
-
Proefstand met meetkamer (Figuur 2.3):
een meetkamer biedt het grote voordeel dat het een vaste opstelling vormt waarop ventilatoren van verschillende diameters gemonteerd kunnen worden. De proefstand met meetkamer bestaat uit een debietmeter en debietregelaars aan de ene kant van de testkamer, en de testventilator met eventueel inlaat- en/of uitlaatsimulatiekanalen aan de andere. Het nadeel is dat zo’n meetkamer redelijk volumineus kan zijn.
Figuur 2.3: proefstand met meetkamer (ISO 5801)
18
2.1.3
Debietmeting
Om de ventilatorkarakteristiek te bepalen moet het volume- of massadebiet in ieder werkingspunt kunnen gemeten worden. Dit kan op vier verschillende manieren gebeuren: - meerdere elliptische tuiten in de testkamer; - een conische inlaat of een aanzuigpaviljoen; - een meetflens; - pitotbuizen.
Meerdere elliptische tuiten (multiple nozzles in test chamber)
De elliptische tuiten (Figuur 2.4) worden symmetrisch ten opzichte van de as van de testkamer gepositioneerd. De vorm en dimensies van de tuit moeten zeer nauwkeurig zijn, en de positie van de tuiten ten opzichte van elkaar en ten opzichte van de wand van de testkamer moet ook gerespecteerd worden om nauwkeurige metingen te garanderen.
Figuur 2.4: meetkamer met elliptische meettuiten (ISO 5801)
De totale drukval ∆p over de meettuiten moet opgemeten worden om het debiet te bepalen. De formule voor het massadebiet is:
2 ∆ 4
-
qm = massadebiet [kg/s]; ε = expansiecoëfficiënt [-]; αi = doorstromingscoëfficiënt ter hoogte van tuit i [-]; di = diameter van tuit i [m]; ρu = stroomopwaartse luchtdichtheid [kg/m³]; ∆p = drukval over de tuiten [Pa]. 19
Conische inlaat of aanzuigpaviljoen (conical inlet or bellmouth inlet)
De conische inlaat en het aanzuigpaviljoen (of inlaat-meettuit) worden aan de inlaat van de meetopstelling geplaatst. Ze kunnen enkel gebruikt worden als de lucht vanuit een vrije open ruimte aangezogen wordt. De globale afmetingen worden in Figuur 2.5 weergegeven:
Figuur 2.5: conische inlaat of aanzuigpaviljoen (ISO 5801)
1 2
vier aftappunten om de druk te meten alternatief aanzuigpaviljoen
Het drukverschil tussen de atmosferische druk aan de inlaat en de druk die stroomafwaarts gemeten wordt is een maat voor het debiet. De formule voor het massadebiet is: -
2 ∆ 4
qm = massadebiet [kg/s]; ε = expansiecoëfficiënt [-]; α = doorstromingscoëfficiënt [-]; d = diameter van de hals van de inlaat [m]; ρu = stroomopwaartse luchtdichtheid [kg/m³]; ∆p = drukval over de inlaat [Pa].
Het product van de expansiecoëfficiënt en de doorstromingscoëfficiënt wordt ‘compound coëfficiënt’ genoemd. Bij het aanzuigpaviljoen is deze coëfficiënt gelijk aan 1, wat de berekeningen sterk vereenvoudigt.
20
Meetflens (orifice plate)
Een meetflens kan aan de inlaat (inlet orifice) of aan de uitlaat (outlet orifice) van een kanaal geplaatst worden. Het kan ook in het kanaal zelf geplaatst worden (in-duct orifice). Om meer informatie te verwerven over de debietmeting met meetflenzen kan de ISO 5167-norm geraadpleegd worden.
Figuur 2.6: in-duct orifice en inlet orifice (ISO 5801)
De formule voor het massadebiet is:
-
2 ∆ 4
qm = massadebiet [kg/s]; ε = expansiecoëfficiënt [-]; α = doorstromingscoëfficiënt [-]; d = diameter van de vernauwing [m]; ρu = stroomopwaartse luchtdichtheid [kg/m³]; ∆p = drukval over de meetflens [Pa].
De doorstromingscoëfficiënt wordt aan de hand van het Reynoldsgetal bepaald, maar het Reynoldsgetal kan enkel bepaald worden als het debiet al gekend is. De berekening van het Reynoldsgetal (en dus van het debiet) berust volledig op iteratieberekeningen. Dit bemoeilijkt de verwerking van de meetresultaten.
21
Pitotbuizen (pitot-static tube traverse)
Debietmeting aan de hand van pitotbuizen is wellicht de meest complexe meetmethode die in de norm beschreven wordt. Er kunnen vier types pitotbuizen gebruikt worden: -
AMCA type; NPL ellipsoidal nosetype; CETIAT type; DLR type.
De pitotbuis moet op niet minder dan 24 welbepaalde posities geplaatst worden (Figuur 2.7):
Figuur 2.7: de 24 posities van de pitotbuis (ISO 5801)
Op elke meetpositie moet het drukverschil ∆pj over de pitotbuis gemeten worden. De gemiddelde drukval ∆pm is dan gelijk aan:
1 ∆ ∆
De formule voor het massadebiet is: -
2 ∆ 4
qm = massadebiet [kg/s]; ε = expansiecoëfficiënt [-]; α = doorstromingscoëfficiënt [-]; Dx = diameter van het kanaal ter hoogte van de pitotbuis [m]; ρx = de luchtdichtheid ter hoogte van de pitotbuis [kg/m³]; ∆pm = gemiddelde drukval over de pitotbuis [Pa].
22
2.2 Technisch-economische oplossing Om het aantal teststanden in een laboratorium te beperken kunnen de opstellingen die gebruikt worden om vrij aanzuigende en uitblazende ventilatoren te testen aangepast worden met inlaat- en/of uitlaatsimulatiekanalen. Zo kunnen ook ventilatoren met een gekanaliseerde in- en/of uitlaat getest worden. Met andere woorden, een gestandaardiseerde categorie A-proefstand kan aangepast worden tot een categorie B, C of D-proefstand. Als er bovendien gewerkt wordt met een meetkamer, dan kunnen ook ventilatoren van verschillende diameters getest worden met diezelfde meetopstelling.
2.3 Definitieve keuze Er moet nu een keuze gemaakt worden onder alle mogelijke proefstanden die in de norm beschreven worden. Welke opstelling beantwoordt het best aan de gestelde eisen ?
Proefstand met meetkamer of meetkanalen ?
Als de voor- en nadelen van de proefstand met meetkanalen en met meetkamer aandachtig tegen elkaar afgewogen worden, dan lijkt de keuze voor een proefstand met meetkamer de meest voor de hand liggende. Een proefstand met meetkamer is flexibel en vormt een vast frame waarop er verder gebouwd kan worden. Ventilatoren met verschillende diameters kunnen getest worden, en de vier categorieën kunnen ook gesimuleerd worden op één opstelling. Bij een proefstand met meetkanalen is er bijna geen sprake van flexibiliteit.
Welke debietmeter ?
De keuze voor de juiste debietmeter is een stuk moeilijker: in overleg met binnen- en buitenpromotor werd besloten dat de pitotbuizen en de elliptische tuiten in de meetkamer veel te complex en kostelijk zijn. Er moet dus een keuze gemaakt worden tussen meetflenzen en de conische inlaat/aanzuigpaviljoen. Bij de meetflens kan er gekozen worden tussen een inlaat- of een uitlaat-meetflens, of een ‘in-duct’ meetflens. Aangezien het de bedoeling is om een inlaatmeetkamer te bouwen kan de uitlaat-meetflens al geëlimineerd worden. Een ‘in-duct’ meetflens heeft het grote nadeel dat de lengte van de kanalen stroomopwaarts en –afwaarts van de vernauwing zeer groot moet zijn om nauwkeurige metingen te garanderen. In het geval dat er voor een meetflens gekozen wordt, dan zou het een inlaat-meetflens zijn. Er moet ook eerst een keuze gemaakt worden tussen een conische inlaat en een inlaatmeettuit. Aangezien de ‘compound coëfficiënt’ gelijk is aan 1 bij de inlaat-meettuit wordt dan ook voor deze laatste gekozen (de verwerking van de meetwaarden wordt dan heel sterk vereenvoudigt).
23
De inlaat-meetflens moet nu vergeleken worden met de inlaat-meettuit. Welke debietmeter brengt de kleinste drukverliezen met zich mee ? Als Figuur 2.8 bestudeerd wordt, dan valt het op dat een inlaat-meettuit kleinere drukverliezen met zich meebrengt dan een inlaat-meetflens. De drukval over de debietmeter is ook kleiner bij een inlaat-meettuit, waardoor grote debieten al bij een geringe drukval kunnen gemeten worden.
Figuur 2.8: drukverliezen en drukverschil in functie van b’ (ISO 5801)
24
Dit verschil kan verklaard worden aan de hand van de doorstromingscoëfficiënten. Bij een inlaat-meetflens is de doorstromingscoëfficiënt α gelijk aan 0,598. Dit is te wijten aan de grote contractie van de luchtstroom na de vernauwing (het effect van de ‘vena contracta’). Bij een inlaat-meettuit wordt de luchtstroom zeer goed begeleid door de afgeronde vorm van het paviljoen. Dit zorgt voor een zeer grote doorstromingscoëfficiënt α die in de ISOnorm gelijkgesteld wordt aan 1. Wat is constructief gezien de eenvoudigste debietmeter ? De afgeronde vorm van een inlaat-meettuit is constructief gezien redelijk complex, maar de constructie van een meetflens is onderworpen aan strikte regels en afmetingen, waardoor het eveneens complex is (Figuur 2.9).
Figuur 2.9: gedetailleerde tekening van een inlaat-meetflens (ISO 5167)
Bovendien moet er bij een inlaat-meetflens rekening gehouden worden met de verhouding β = d/D ≤ 0,7. Deze verhouding zorgt er voor dat de complexe constructie ook nog eens constructief beperkt wordt. Volgens de Duitse DIN 24163-norm kan er enkel gewerkt worden met inlaat-meetuiten met een diameter kleiner of gelijk aan 1 m. Met zo’n grote meettuit kunnen er grote debieten mee gemeten worden. Nadat de voor- en nadelen van elke debietmeter tegen elkaar afgewogen werden, werd besloten om te werken met een inlaat-meettuit. 25
De uiteindelijke testopstelling is dus een proefstand met een testkamer en met een inlaatmeettuit als debietmeter. In de ISO-norm bestaat er een gestandaardiseerde opstelling die aan deze voorwaarden voldoet (Figuur 2.10).
Figuur 2.10: proefstand met meetkamer en met inlaat-meettuit (ISO 5801)
Deze gestandaardiseerde testopstelling is bedoeld voor categorie A-testen, maar het kan uitgebreid worden tot categorie B, C en D-testen door het toevoegen van simulatiekanalen. De proefstand die in het volgende hoofdstuk uitgewerkt wordt, is volledig gebaseerd op bovenstaand ontwerp, op enkele details na. Dit ontwerp moet nu gedimensioneerd worden op basis van de diameter van de te testen ventilatoren. In sommige instanties is het noodzakelijk om andere normen zoals de DIN 24163-norm te raadplegen om deze testopstelling zo goed mogelijk te dimensioneren.
26
3 Uitwerking van de gekozen testopstelling De proefstand die in dit hoofdstuk beschreven wordt, werd ontworpen in functie van de afmetingen van de grootste ventilator die getest zou worden, namelijk een ventilator met een diameter gelijk aan 1600 mm. De ISO-norm geeft duidelijke richtlijnen om een volledige proefstand te ontwerpen enkel en alleen in functie van de diameter van de testventilator.
3.1 Inlaatgedeelte
Figuur 3.1: situering van het inlaatgedeelte
Het inlaatgedeelte van de meetopstelling heeft als functie om het debiet te meten en om het debiet dat door het systeem stroomt te regelen. Het bestaat uit volgende onderdelen:
1
2
3
4
5
6
Figuur 3.2: samenstelling van het inlaatgedeelte
-
een aanzuigpaviljoen (1) met bijhorende aftappunten om de drukval te meten; een diffusor (2) om de debietmeter met de hulpventilator te verbinden; een hulpventilator (3) om het debiet door het systeem te verhogen; een ‘cell straightener’ (4) om luchtwervelingen na de hulpventilator te elimineren; een overgangstuk (5) om de gelijkrichter met de regelklep te verbinden; een registerklep (6) waarmee het debiet kan geregeld worden.
27
3.1.1
Debietmeter: de inlaat-meettuit
3.1.1.1 Methode
De methode die gebruikt wordt om het debiet te meten is een inlaat-meettuit met aftappunten om het drukverschil ten opzichte van de atmosferische druk te kunnen meten. De aangezogen lucht stroomt langs het aanzuigpaviljoen het kanaal binnen. Het drukverschil tussen de lucht in het kanaal en de lucht stroomopwaarts van het aanzuigpaviljoen is een maat voor de snelheid waarmee de lucht in het kanaal stroomt: de luchtsnelheid in het kanaal vertaalt zich in een dynamische drukverlaging ten opzichte van de atmosferische druk. Als de doorsnede van het kanaal perfect gekend is, dan kan het debiet lucht dat door het kanaal vloeit bepaald worden. Een andere parameter die ook gekend moet zijn is de massadichtheid van de lucht ter hoogte van het aanzuigpaviljoen.
L = 1,25.d = 1250 mm
750 mm
d = Ø 1000 mm
R = d/4 = 250 mm Figuur 3.3: inlaat-meettuit
De afmetingen van de inlaat-meettuit worden in Figuur 3.3 weergegeven. De diameter van de inlaat-meettuit moet groot genoeg zijn om grote debieten te meten, maar de drukval over de meettuit moet zo klein gehouden worden. Volgens de DIN 24163-norm is 1000 mm de grootste diameter van een inlaat-meettuit waarmee er nauwkeurige debietmetingen kunnen uitgevoerd worden. Een ventilator van 1600 mm kan grote debieten leveren, en een inlaatmeettuit van 1000 mm wordt dus gebruikt om zeker te zijn dat deze grote debieten op een nauwkeurige manier opgemeten kunnen worden. Op basis van de diameter kunnen dan alle andere afmetingen, zoals afrondingsstraal van de tuit en afstand van de aftappunten ten opzichte van de inlaat, bepaald worden. De afgeronde vorm van het aanzuigpaviljoen biedt het grote voordeel dat het product van de 28
doorstromingscoëfficiënt α en de expansiecoëfficiënt ε kan gelijkgesteld worden aan de eenheid. Inderdaad, het effect van de ‘vena contracta’ of maximum contractie van het fluïdum na een vernauwing is in dit geval te verwaarlozen dankzij de ronde vorm van het paviljoen, waardoor de doorstromingscoëfficiënt gelijkgesteld kan worden aan de eenheid. De expansiecoëfficiënt houdt rekening met de samendrukbaarheid van het fluïdum en ligt steeds in de buurt van de eenheid. Deze vereenvoudiging die in de ISO-norm beschreven wordt heeft als grote voordeel dat complexe berekeningen met Reynoldsgetallen aan de hand van iteraties wegvallen. Het nadeel is dat deze meetmethode wellicht niet de nauwkeurigste is. 3.1.1.2 Berekeningen
Om het debiet te bepalen moeten een aantal parameters gemeten worden. Deze parameters zijn: -
Atmosferische druk pa; Omgevingstemperatuur Ta; Droge- (en natte-)boltemperatuur Td (en Tw); Relatieve vochtigheid hu van de lucht; Drukval over de debietmeter ∆p.
Eenmaal dat deze parameters gemeten zijn, moeten ze daarna verwerkt worden aan de hand van welbepaalde berekeningen om het debiet te bepalen.
Figuur 3.4: opmeten van de verschillende parameters
29
Het debiet wordt in twee verschillende stappen berekend: in de eerste stap moet de luchtdichtheid bepaald worden en in de tweede stap wordt het massadebiet berekend. Stap 1: luchtdichtheid ρa Te meten: -
Atmosferische druk pa [Pa] Omgevingstemperatuur Ta [K] of θa [°C] Droge- (en natte)boltemperatuur Td en Tw [K] Relatieve vochtigheid hu [%] Saturatiedruk
!" #$
%& ' +.,(,/#$ 0 6,41473 (,*+,.#
Dampdruk 4 5 .
Gasconstante 67
!" #$
[Pa]
,(
[email protected]
C<
=³B
: 89,+(, ; :<
Luchtdichtheid ! D
[Pa]
$
>
?@
E .F<
Stap 2: het massadebiet qm Te meten: - Drukval ∆p over de inlaat-meettuit [Pa] - Diameter d van de inlaat-meettuit [m]
HI *
2. ! . ∆
= B ?@
Het volumedebiet qV wordt berekend aan de hand van de luchttemperatuur en de luchtdruk in de onmiddellijke omgeving van de testventilator (zie hoofdstuk 5). 30
3.1.1.3 Benodigde meetinstrumenten
De nodige parameters om het debiet te bepalen worden gemeten met drie meetinstrumenten: -
een barometer; een manometer; een hygrometer met ingebouwde thermometer.
In onderstaande tabel worden de te meten parameters, de meetinstrumenten en de nauwkeurigheden op een rijtje gezet: Parameter
Eenheid Vereiste nauwkeurigheid
Meetinstrument
Praktische nauwkeurigheid
Halstrup-Walcher BA90
Atmosferische druk pa
Pa
± 200 Pa
± 40 Pa Absolute Pressure Transmitter
Omgevingstemperatuur of θa
°C
± 0,5 °C
Drogeboltemperatuur θd
°C
± 0,5 °C
Relatieve vochtigheid
%
± 2,0 %
Drukval ∆p
Pa
± 1,4 % of end value
± 0,2 °C
Rotronic Hygropalm 21
± 0,2 °C
± 1,0 % Halstrup-Walcher PI Differential Pressure Transmitter
± 1,0 % of end value
Voor technische data over de meetinstrumenten wordt verwezen naar de bijlagen.
Figuur 3.5: Halstrup-Walcher PI (links), Halstrup-Walcher BA90 (midden) en Hygropalm 21 (rechts)
31
3.1.2
Diffusor
De diffusor (Figuur 3.6) is een holle afgeknotte kegel die de debietmeter verbindt met de hulpventilator. De hoek α van de diffusor moet klein genoeg zijn om de luchtstroming zo goed mogelijk te begeleiden en om zones van turbulenties te vermijden. Om een kleine hoek te garanderen moet de lengte van de diffusor dus groot genoeg zijn: in overeenkomst met de ISO 5801-norm is de lengte minstens gelijk aan drie keer de diameter van de hulpventilator. ≥ 3.D = 4800 mm
d = 1000 mm
α = 7,15°
D = 1600 mm
Figuur 3.6: diffusor
Bij een hulpventilator van 1600 mm is de lengte van de diffusor dus gelijk aan 4800 mm. De hoek α van de diffusor wordt aan de hand van de diameter d van de debietmeter en de diameter D van de hulpventilator berekend: 2. tan8 ' .N 3 7,15°. M8H
3.1.3
Hulpventilator
Een hulpventilator is nodig om de ventilatorkarakteristiek in zijn volledigheid te bepalen. Een belangrijke opmerking in verband met de hulpventilator is dat het debiet en de drukverhoging die door de hulpventilator geproduceerd worden niet rechtstreeks meegerekend moeten worden bij de verwerking van de meetwaarden. De hulpventilator dient enkel en alleen om de testventilator te helpen bij hogere debieten. Het nut van een hulpventilator kan aangetoond worden aan de hand van de ventilatorkarakteristiek (Figuur 3.7).
32
∆p Leidingkarakteristiek van de teststand
Beginpositie
Met behulp van de hulpventilator
qV Figuur 3.7: ventilatorkarakteristiek bij hulpventilator
Een ventilator met een diameter van 1600 mm wordt getest volgens de ISO 5801-norm. Als de testventilator op zijn gewenst toerental draait, dan is het werkingspunt afhankelijk van zowel de ventilatorkarakteristiek - die nog bepaald moet worden - als de leidingkarakteristiek. Er wordt dus maar één punt van de karakteristiek opgemeten, dat gemakkelijkheidshalve ‘beginpositie’ wordt genoemd. Om de ventilatorkarakteristiek te bepalen bij hogere debieten moet een hulpventilator ingeschakeld worden. Aan de inlaatzijde van de hulpventilator ontstaat er een onderdruk, waardoor de onderdruk ter hoogte van de inlaat-meettuit groter wordt: het verschil tussen de atmosferische druk en de luchtdruk ter hoogte van de inlaat-meettuit wordt groter, waardoor het debiet eveneens vergroot. Aan de uitlaatzijde van de hulpventilator ontstaat er een drukverhoging, waardoor de onderdruk in de meetkamer kleiner wordt: de testventilator moet dus een kleinere drukverhoging realiseren. De hulpventilator moet zodanig gekozen worden dat het bij het gewenste debiet een voldoende hoge druk kan produceren om de verliezen over de volledige opstelling te kunnen overwinnen. In overleg met de buitenpromotor werd besloten om de grootste ventilator die getest moet worden ook te gebruiken als hulpventilator, namelijk een ventilator met een waaierdiameter gelijk aan 1600 mm. De hulpventilator moet natuurlijk ook gestuurd kunnen worden met een frequentieregelaar om de snelheid waarmee de hulpventilator draait traploos te variëren. Zo kunnen de verschillende werkingspunten achtereenvolgens bepaald worden om een mooie vloeiende karakteristiekcurve te verkrijgen. In Almeco wordt er vooral met ‘Schneider Electric’-frequentieregelaars gewerkt. Het type ATV 61 is geschikt om te fungeren als snelheidsregelaar (zie bijlage voor technische informatie). 33
3.1.4
AMCA cell straightener (celgelijkrichter)
De AMCA cell straightener (Figuur 3.8) wordt gebruikt enkel en alleen om ‘swirl’ of wervelingen van de lucht in een normale axiale vloeiing te voorkomen. Het wordt meestal gebruikt stroomafwaarts van een hulpventilator. De gelijkrichter veroorzaakt een klein drukverlies. De gelijkrichter is een buis met diameter D dat onderverdeeld wordt in een aantal vierkante cellen met gelijke doorsnede en met zijde w. De lengte L van de gelijkrichter is gelijk aan 0,45.D en de zijde w van de cellen is gelijk aan 0,075.D. De diameter D van de gelijkrichter is gelijk aan de diameter van de hulpventilator (L = 0,45.D = 720 mm; w = 0,075.D = 120 mm). De dikte e van de platen mag niet groter zijn dan 0,005.D = 8 mm). Figuur 3.8: AMCA cell straightener (ISO 5801)
3.1.5
Overgangsstuk
Om de cirkelvormige gelijkrichter te verbinden met de vierkante regelklep is er een speciaal overgangsstuk nodig (Figuur 3.9). Dit overgangsstuk heeft een cirkelvormige doorsnede aan de inlaat en een rechthoekige vorm aan de uitlaat. De diameter van de inlaat is gelijk aan de diameter van de gelijkrichter (= 1600 mm), en de zijde van de vierkante uitlaat is eveneens gelijk aan 1600 mm. Voor dit soort overgangstuk, waarbij de diameter van de inlaat gelijk is aan de zijde van de uitlaat, kan de lengte van de buis gelijkgesteld worden aan de diameter van de inlaat (L = 1600 mm). 1600 mm
ø 1600 mm
1600 mm
Figuur 3.9: overgangsstuk
34
3.1.6
Registerklep
Een registerklep dient om het debiet dat door het systeem vloeit te regelen, zodat de volledige ventilatorkarakteristiek bepaald kan worden. Een registerklep bestaat uit horizontale lamellen die met behulp van een mechanisme het luchtdebiet kan verminderen. ∆p Leidingkarakteristiek van de teststand Met behulp van de registerklep
Beginpositie
qV Figuur 3.10: ventilatorkarakteristiek bij regelklep
In de beginpositie is de registerklep volledig open. Als de klep geleidelijk gesloten wordt, dan gaat het debiet beginnen dalen, en de onderdruk in de meetkamer wordt ook groter: de testventilator moet een grotere druktoename realiseren om het fluïdum in beweging te brengen (Figuur 3.10). In de ISO 5801-norm is er zeer weinig informatie te vinden over registerkleppen. Om de afmetingen van een registerklep te kunnen bepalen is de Duitse DIN 24163-norm daarentegen een waardevolle bron van informatie. Aangezien dit soort klep niet verkrijgbaar is in de handel werden in overleg met de binnen- en buitenpromotor twee verschillende pistes opengehouden: -
De registerklep wordt op maat gebouwd door een metaalverwerkend bedrijf overeenkomstig de DIN 24163-norm.
-
Er wordt gekozen voor een registerklep die in de handel verkrijgbaar is, maar die niet volledig voldoet aan de DIN 24163-norm.
35
3.1.6.1 Registerklep volgens DIN 24163
De registerklep (Figuur 3.11) bestaat uit een behuizing met een gelijkrichter en contraroterende lamellen, die de luchtstroom regelen. De globale afmetingen van de registerklep worden in de DIN 24163-norm beschreven:
Figuur 3.11: regelklep conform de Duitse norm (DIN 24163)
De registerklep heeft een vierkante vorm (b3 = 1600 mm) en de zijde bR van de vierkante cellen wordt gelijkgesteld aan 100 mm (zodat de breedte van de lamellen niet te groot wordt). Dit betekent dat de gelijkrichter uit 16x16 cellen bestaat. Als de zijde van de vierkante cellen gekend is, dan kan de lengte van de registerklep berekend worden. De voorste gelijkrichter heeft een lengte gelijk aan 100 mm, en de achterste heeft een lengte van 300 mm. Daartussen bevindt zich een ruimte, waarin de lamellen gemonteerd worden, die 150 mm lang is. De totale lengte van de gelijkrichter bedraagt dus 550 mm. De lamellen moeten geprofileerd zijn om een goede luchtstroming te garanderen als de registerklep volledig open is. De lengte van de lamellen bedraagt 1600 mm, en de breedte van de lamellen bedraagt 150 mm. Als de regelklep gesloten wordt, dan maken de lamellen een hoek ten opzichte van de horizontale luchtstroming zodat ze niet te veel doorbuigen in gesloten toestand, wanneer het drukverschil tussen de inlaat en de uitlaat van de regelklep groot wordt.
36
Wat nu volgt is een schets van zowel de behuizing als de lamellen. Een mechanisme om de lamellen te doen roteren wordt ook beschreven. De nadruk ligt hier vooral op de globale afmetingen van de componenten en op de algemene werking van de regelklep. Behuizing
Figuur 3.12: globale afmetingen van de behuizing
Geprofileerde lamellen De lamellen zijn contraroterend en kunnen manueel of via een motor bediend worden. In Figuur 3.13 wordt een schets met de globale afmetingen van een lamel weergegeven.
Figuur 3.13: schets van een geprofileerde lamel
37
Mechanisme De regelklep dient zo gebouwd te zijn dat de lamellen tegengesteld en tegelijk bewegen. Er bestaan daarvoor verschillende mogelijkheden. Hier worden 2 mogelijkheden besproken: -
1e mogelijkheid
Er wordt een centrale verbindingsstaaf aangebracht en vervolgens zorgt een mechanisme ervoor dat twee onderstaande lamellen in de tegengestelde richting bewegen. Het mechanisme wordt aangebracht per twee lamellen tot dit de volledige gelijkrichter beslaat. Een overzicht van het mechanisme is te vinden in Figuur 3.14:
Figuur 3.14: overzicht van het eerste mechanisme
38
De werkingg van het mechanisme wordt in Figuur 3.15 geïllustreerd: 1
2
3
Figuur 3.15: werking van het eerste mechanisme
-
2e mogelijkheid
Een andere mogelijkheid is een gelijkaardig mechanisme. Het heeft wel een complexere bouwwijze, maar voor kleine gelijkrichters is dit een goede oplossing. Onderstaande figuur illustreert het 2e mechanisme:
Figuur 3.16: overzicht van het tweede mechanisme
39
Elke draairichting wordt door een andere staaf vertegenwoordigd. De werking van het mechanisme wordt door enkele opeenvolgende figuren geïllustreerd. 1
2
Figuur 3.17: werking van het tweede mechanisme
3.1.6.2 Air Trade Center registerklep
De andere optie is een registerklep die wel verkrijgbaar is in de handel, maar die niet volledig aan de eisen van de DIN 24163-norm 24163 beantwoordt: er is geen gelijkrichter elijkrichter voorzien aan de inlaat noch aan de uitlaat en de geprofileerde lamellen vormen geen hoek van maximum 45° met de horizontale luchtstroming als de regelklep gesloten wordt. De registerklep is wel bestand tegen de voorziene grote drukverschillen. Het gaat om een Air Trade Centre Cent JS251 jalouzieklep (Figuur 3.18),, met tien contraroterende lamellen met een breedte van 165 mm. De kleppen kunnen handbediend worden, maar ze kunnen eveneens gemotoriseerd worden. Als de kleppen gemotoriseerd worden, dan moet mo het vereiste draaimoment in rekening gebracht worden bij de keuze van de servomotor.
Figuur 3.18:: ATC JS251 (Air Trade Center) Cent
40
Figuur 3.19: globale afmetingen van de jalouzieklep (Air Trade Center)
Een belangrijke opmerking bij deze regelklep is dat het geen vierkante vorm heeft, maar een rechthoekige vorm (hoogte H = 1665 mm, breedte L = 1600 mm). Als er voor deze optie gekozen wordt, dan moet ook het overgangsstuk tussen de gelijkrichter en de regelklep aangepast worden: de rechthoekige uitlaat van het overgangsstuk moet namelijk dezelfde afmetingen hebben als de ATC-jalouzieklep.
3.1.6.3 Besluit registerklep
Welke registerklep gebruikt zal worden moet nog beslist worden. De twee verschillende mogelijkheden worden wel duidelijk besproken, maar aangezien het nog niet zeker is welke registerklep er gebruikt zal worden, komt er in de bijlagen geen technische tekeningen voor van de registerklep volgens de DIN 24163-norm.
41
3.1.7
Besluit inlaatgedeelte
Het debiet lucht, dat door de volledige meetopstelling stroomt, wordt in het inlaatgedeelte gemeten en geregeld. Het gebruik van een inlaat-meettuit als debietmeter heeft als voordelen dat de constructie van het inlaatgedeelte niet te complex wordt en ook dat de verwerking van de meetwaarden eenvoudiger is dan bij andere, complexere (maar meer nauwkeurige) debietmeters. Alle afmetingen zijn conform aan de ISO 5801-norm en in sommige instanties ook aan de DIN 24163-norm.
Figuur 3.20: 3D-render van het inlaatgedeelte
Het inlaatgedeelte van de proefstand zal op maat gemaakt worden door een metaalverwerkend bedrijf. Het materiaal dat gebruikt wordt is staal S235. Gedetailleerde technische tekeningen zijn in de bijlagen terug te vinden en een kostenanalyse van het inlaatgedeelte wordt in hoofdstuk 6 beschreven.
42
3.2 Testkamer
Figuur 3.21: situering van de testkamer
De testkamer is het gedeelte in het midden van de opstelling. De testkamer wordt ontworpen vertrekkende van een te testen ventilator met Ø1600 mm. Dit is de grootste ventilator die getest zal worden. Elke ventilator met een diameter kleiner dan 1600 mm kan dus theoretisch getest worden. 3.2.1
Afmetingen conform ISO 5801
Volgens de norm mag de testkamer cirkelvormig, vierkantig of zelfs rechthoekig zijn. Er wordt in dit geval geopteerd voor een rechthoekige testkamer. Er heersen natuurlijk beperkingen bij de keuze van de afmetingen van de kamer. De norm hanteert enkele begrippen om de afmetingen van de kamer te bepalen: -
D1 = diameter testventilator = 1600mm. Q
R·MT I
\+
]^
*
2010619WW 2,011W = oppervlakte testventilator
Q+ X 6,25 · Q Y Q+ 12566368 WW 12,57W = oppervlakte meetkamer Q+ \+ · 5+ h3 ≥ 2.D1 h3 = 3,2m = hoogte meetkamer _^
,`(I +,
3,93W we nemen b3 = 4m.
De norm eist ook dat b3 ≤ 1,5h3 = 4,8m OK
Conclusie: A3 = b3.h3 = 3,2m . 4,0m = 12,8 m² > 12,57 m² en is dus groter dan 6,25.A1. Lengte meetkamer De lengte van de meetkamer kan uit Figuur 3.22 worden afgeleid:
43
Figuur 3.22: 3 Bepaling lengte van de meetkamer (ISO 5801)
De totale lengte van de meetkamer moet minimum: 1,3.D3 + 0,2.Dh1 = 5,362 m bedragen. Dit omdat de afstand tussen de “settling screens” 0,1Dh bedraagt. (de settling screens komen in de volgende paragraaf aan bod). De ruimte die de motor van de ventilator inneemt mag niet meegerekend worden in de minimale lengte volgens de norm. norm Dit wordt geïllustreerd op Figuur 3.23.
Figuur 3.23 23: Bepaling lengte meetkamer met motor (ISO 5801)
Om dit probleem zo veel mogelijk te kunnen voorkomen wordt een veilige lengte van va 6m gekozen voor de meetkamer. Besluit: Om een ventilator met Ø1600 te kunnen testen moet de kamer dus volgende afmetingen hebben: Lengte Breedte Hoogte
1
6m 3,2 m 4m
Dh = hydraulische diameter =
, met A = oppervlakte meetkamer en S = omtrek meetkamer.
44
3.2.2
Componenten in de kamer
Flow settling devices Om een goede vloei te bekomen worden er in de kamer “flow settling screens” geplaatst. Als het meetgedeelte zich stroomafwaarts van de schermen bevindt, dan dient het scherm om een uniforme vloei te garanderen stroomafwaarts van het scherm. In de kamer bevinden zich drie “flow settling screens”. De afstand tot het inlaatgedeelte van het eerste “screen” moet groter zijn dan de helft van de equivalente diameter van de kamer. Dus het scherm komt op een afstand van minimum 2000mm. De afstand tussen 2 schermen = 0,1*Dh Dh is de hydraulische diameter. Db
*A S
- A = oppervlakte meetkamer; - S = omtrek meetkamer.
44000 · 3200 3555,56 mm 23200 0 4000 De afstand tussen 2 schermen is dus gelijk aan 356 mm. Db
De doeltreffendheid van de “settling screens” wordt uitgedrukt in percentage vrije ruimte. Het eerste scherm bevat 60% vrije ruimte, het tweede 50% en het derde 45%, dit in de richting van de stroming. Om deze vrije ruimte te bekomen kunnen formules en schermen uit de DIN-norm gebruikt worden. Er is keuze tussen 2 soorten schermen: Geperforeerde plaat
Rooster
Figuur:
d7 = Ø van 1 gat m7 = afstand tussen 2 gaten
Versperringsfactor: Vrije ruimte:
( j 2 · √3 W( k6 1 g f · 100%
f 1g
·i
d7 = draaddiameter m7 = mazenbreedte
( j W( k6 1 g f · 100% f 1 g i1 g
45
Voor elk scherm wordt er een voorbeeld uitgerekend en dit voor 45% vrije ruimte: -
Voor de geperforeerde plaat worden de gaten Ø 100mm genomen; Voor het rooster wordt een draaddikte van 5mm genomen.
Rekenvoorbeeld 45%
Geperforeerde plaat met gaten van Ø 100mm k6 1 g f · 100% 45% 1 g f · 100% 0,45 1 g f f 0,55 0,55 =1 g
R
f 1g
·√+
·'
2 · √3
99 m
3
·i
W( 141,96WW n 142WW
Resultaat 50% Resultaat 60%
( j W(
W( 135WW W( 123WW
Rooster met draaddikte 5mm k6 1 g f · 100% 45% 1 g f · 100% 0,45 1 g f f 0,55
( j W( 5 WW j 0,55 1 g i1 g W( W( 15,20WW n 15WW f 1 g i1 g
W( 17WW W( 22WW
Pressure tappings In de kamer worden “pressure tappings” aangebracht om de statische druk te meten. De “pressure tapping” heeft als doel een leiding met de kamer te verbinden zodat de statische druk op de correcte plaatsen gemeten wordt. In de kamer worden 4 tappings aangebracht. Deze bevinden zich in het midden van de zijde op een afstand groter dan de helft van de equivalente diameter van de kamer. De wall tappings of pressure tappings (Figuur 3.24) zijn als volgt opgebouwd: a is de diameter van het gat. a mag niet kleiner zijn dan 1,5mm en niet groter dan 5mm. De situering van de tapping moet vrij zijn van onregelmatigheden en dit op een afstand D stroomopwaarts en een afstand D/2 stroomafwaarts.
Figuur 3.24: schets van een pressure tapping
46
Thermometer De temperatuur die in de meetkamer heerst dient opgemeten te worden om het volumedebiet te kunnen bepalen. Om de temperatuur op te meten wordt een weerstandselement gebruikt. De temperatuur moet afgelezen kunnen worden (aan de hand van een 3-digit display) en moet ook analoog verwerkt kunnen worden (uitgangsstroom van 4 tot 20mA). Aan de hand van deze parameters werd in overleg met de firma Jumo volgende meetopstelling gekozen: een 2-draads Pt100 weerstandselement wordt gevoed met 24V DC. De stroom uit het weerstandselement is een maat voor de temperatuur en kan worden afgelezen met de ‘di eco’ 3-digit display. Diezelfde stroom kan ook afgetapt worden om via data acquisitie in een geautomatiseerd proces te worden verwerkt.
di eco Data Acquisitie Digital Indicator 2-draads Pt100
DC voeding 24V DC 230V AC
2-draads Pt 100 weerstandselement
di eco 3-digit display
DC voeding
Figuur 3.25: schikking van de temperatuurmeetinstrumenten
47
Het weerstandselement bevindt zich op de bovenzijde van de meetkamer (er moet dus een gat geboord worden zodat het weerstandselement zich binnen de meetkamer bevindt). De aansluiting voor de voeding en voor de uitgangsstroom bevindt zich aan de buitenkant van de meetkamer. Het is van groot belang dat de ruimte tussen het weerstandselement en het gat in de meetkamer luchtdicht gemaakt wordt. 3.2.3
Keuze bouwwijze
Er wordt aangenomen dat de testkamer aan een onderdruk van 1000 N/m² moet kunnen weerstaan. Om conform te zijn aan de norm, mag de kamer geen te grote vormafwijkingen bevatten. Lengtes mogen niet meer afwijken dan +10% of -1%. Multiplex versus staal
De meest voor de hand liggende keuze lijkt staal te zijn, maar aangezien we een grote kamer hebben brengt staal een aantal nadelen met zich mee. De kamer zou volledig luchtdicht moeten afgesloten worden en dit is niet zo praktisch met staal. Het grootste nadeel en meteen het beslissende punt waarom geen staal werd gekozen zijn de spanningen in het product na het lassen. Aangezien de constructie een grote omvang heeft en er nog profielen bevestigd worden rondom de testkamer ter versterking zou dit complexe spanningssituaties voortbrengen. Multiplex bevat geen complexe spanningssituaties. Het is belangrijk dat het multiplex niet nat wordt. Schikking van het multiplex
Eén plaat multiplex beslaat niet de volledige zijwand van de kamer, daarom moet het multiplex geschikt worden. Om het verzagen van de multiplexplaten minimaal te houden, wordt naar een ideale schikking gestreefd. Omwille van de stevigheid van de testkamer worden de multiplexplaten bevestigd aan I-profielen. Om de luchtlekken te beperken wordt de plaats van de I-profielen zodanig gekozen, dat ze de naden van de multiplexplaten bedekken. Een standaard multiplexplaat heeft volgende afmetingen: 1220 x 2440 x 182.
2
De dikte van de multiplexplaat: 18mm wordt in de volgende paragrafen besproken.
48
Schikking van de multiplexplaten: Voorvlak met de te verwerken deur
Figuur 3.26
Achtervlak
Figuur 3.27
49
Linkeraanzicht
Figuur 3.28
Rechteraanzicht
Figuur 3.29
50
Bovenaanzicht + onderaanzicht
Figuur 3.30
Bevestiging profielen Op de plaatsen waar een naad loopt van twee multiplexplaten die tegen elkaar komen te staan, worden bij voorkeur de profielen geplaatst. Dit omwille van de luchtdichtheid en ook omdat de opbouwwijze zo eenvoudig mogelijk zou blijven.
51
3.2.4
Sterkteberekeningen
De kamer moet een onderdruk van 1000 N/m² kunnen weerstaan. Om dit te bekomen moet men voor de profielen en de plaatdikte van het multiplex een optimale waarde kiezen. Daarvoor werden een aantal simulaties en sterkteberekeningen uitgevoerd. Enkel de definitieve berekeningen zijn te vinden in deze masterproef omdat deze van belang zijn en aantonen datt de kamer wel effectief sterk genoeg is. Sterkteberekening multiplexplaat Tussen 2 profielen bevindt zich een stuk multiplex. Deze dient te weerstaan aan de onderdruk en zijn eigengewicht.
Figuur 3.31: constructie van de testkamer
52
Om de doorbuiging en de spanning in de multiplexplaat te berekenen worden formules van het naslagwerk “Roark’s formulas for stress and strain” gebruikt: Er wordt het volgende verondersteld:
-
Alle zijden van de “plaat” zijn ingeklemd; Figuur 3.32 a = de diepte van de kamer = 4000 mm; b = maximale breedte van een stuk triplex tussen 2 profielen = 813 mm.
De maximale spanning zal zich voordoen in het centrum van de opspanning aan de zijkant van de plaat. De spanning en de doorbuiging in het midden van de plaat worden gegeven door volgende formules:
-
a/b β1 α
p · · \ o! q · · \* r! s · q+
q = de gelijkmatig verdeelde belasting 1000 N/m² of 0,001 N/mm²; t = de plaatdikte van de multiplex in mm; E = E-modulus van de multiplex in N/mm²; α en β1 zijn constanten die aan de hand van volgende tabel kunnen bepaald worden.
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0,3078 0,0138
0,3834 0,0188
0,4356 0,0226
0,4680 0,0251
0,4872 0,0267
0,4974 0,0277
∞ 0,5000 0,0284
Omdat de verhouding a/b groter is dan 2, wordt voor de constanten α en β1 volgende waarden gekozen: α = 0,0284 β1 = 0,5000
53
Er wordt een rekenblad gebruikt om de dikte van de multiplexplaat te bepalen:
Dikte E- modulus voor buiging(N/mm²) 6,5 9 12 15 18 21
4763 6105 6781 7184 7452 7642
σmax (N/mm²) ymax (mm) y (%) -7,822 9,485 -4,080 2,788 -2,295 1,059 -1,469 0,512 -1,020 0,285 -0,749 0,175
1,167 0,343 0,130 0,063 0,035 0,022
Het is wenselijk dat de doorbuiging niet meer dan 0,25% bedraagt en de spanning mag niet hoger liggen dan 35 N/mm². Dit wordt pas bekomen vanaf een plaatdikte van 12mm, maar er wordt een plaatdikte van 18 mm gekozen. Dit om zeker te zijn van de sterkte en om een degelijke constructie te hebben. Economisch gezien is de plaat van 18 mm ook niet veel duurder. Sterkteberekeningen profielen De doorbuiging van de profielen zal het grootst zijn op het dak van de kamer. De keuze van het profiel wordt gemaakt zodat het sterk genoeg is rekeninghoudend met een veiligheidsfactor 2. Bij het dimensioneren van het profiel moet rekening gehouden worden met: -
Eigengewicht profiel; Eigengewicht van de triplex; Onderdruk van 1000 N/m².
Elk profiel wordt beschouwd als een ligger op 2 steunpunten waar een gelijkmatige belasting wordt aangebracht. De formules voor dit geval zijn: 5 · · t* 384 · s · u wv,! ov,! xv r
Met: -
q = de gelijkmatig verdeelde belasting over het profiel; l = de lengte die overspannen wordt door het profiel; E = de elasticiteitsmodulus van staal; I = het traagheidsmoment van het profiel; Mb,max = het maximale buigend moment;
Wb = de weerstand tegen buiging xv z! !{| 4|}|{!~ y
(N/m) (m) (N/mm²) (mm4) (Nm) "!H
.
(mm³) 54
De totale gelijkmatige belasting is de som van de drie vooraf opgenoemde deellasten: Eigengewicht profiel QC~ |{ · | · 9,81 QC~ |{ · 7800 · 9,81 QC~ |{ · 76518 /W
q (N/m)
Met: -
Eigengewicht multiplex 0,813 · · {" C{ 0,813 · · 680 · 9,81 5423,4 · /W
Onderdruk 1000 N/m² 0,813 · 1000 813 /W
0,813 m = afstand tussen twee profielen = hoeveelheid plaat een profiel opvangt; d = plaatdikte multiplex; Aprofiel = oppervlakte van de profielen; ρFe en ρmultipl = massadichtheid van het profiel respectievelijk de multiplexplaat.
Volgende resultaten worden bekomen voor verschillende types profielen en verschillende plaatdiktes: Type profiel
I80
Wb
19500
Ix
778000
Ax
0,000757
Plaatdikte (mm)
I100 mm³
156 173 189 206
31 34 38 41
mm³
mm³
117000
mm³
mm4
3280000
mm4
5730000
mm4
9350000
mm4
m²
0,00106
m²
0,00142
m²
0,00182
m²
0,00228
m²
σ y (N/mm²) (mm) % 90 100 109 119
14 16 17 19
0,359 0,396 0,434 0,472
54700
mm³
I160
1710000
0,776 0,859 0,942 1,025
34200
I140
mm4
σ y (N/mm²) (mm) %
12 15 18 21
I120
σ y (N/mm²) (mm) % 57 63 69 75
7,61 8,40 9,18 9,97
0,190 0,210 0,230 0,249
81900
σ y (N/mm²) (mm) % 39 43 47 51
4,44 4,89 5,34 5,79
0,111 0,122 0,134 0,145
σ y (N/mm²) (mm) % 28 31 34 36
2,78 3,06 3,33 3,61
Er wordt voor een I-profiel geopteerd, omdat deze een hoge weerstand tegen buiging bezit. De doorbuiging mag niet meer dan 0,25% bedragen. De profielen zijn vervaardigd uit S235 – staal die een treksterkte heeft van 235 N/mm² bij statische belasting. Volgens het tabellenboek voor metaaltechniek van W. De Clippeleer moet de veiligheidsfactor voor een statisch taaie belaste constructie 1,3 tot 2 bedragen. Er wordt 2 gekozen voor de veiligheidsfactor en dit leidt dan tot een maximaal toelaatbare spanning van 117,5 N/mm². Met deze eisen wordt aan de hand van bovenstaande tabel voor het I120-profiel gekozen.
55
0,070 0,076 0,083 0,090
Sterkteberekening van de voorkant In bovengaande sterkteberekeningen werd de sterkte gecontroleerd voor alle zijwanden in de meest belastende gevallen. Aan de achterkant van de kamer komt er een regelklep en aan de voorkant bevindt zich de ventilator of een simulatiebuis. Uit ervaring blijkt dat het best is de buis te omkaderen door een veelhoek en dan in stervorm naar de zijkanten van het oppervlak te gaan. We bekomen volgende situatie: Het is nu echter niet mogelijk om met de klassieke sieke formules van de sterkteleer de spanningen en doorbuigingen te bepalen.
Daarom wordt in NX-nastran nastran een sterktesimulatie uitgevoerd. Eerst werd het multiplex gecontroleerd op doorbuiging en sterkte. Vervolgens werden de profielen gecontroleerd.
Figuur 3.33: Rechtervlak testkamer
56
Doorbuiging van het multiplex: maximaal 28,15 mm
Figuur 3.34: doorbuiging van het multiplex
Spanningen in het multiplex: maximaal 20 N/mm²
Figuur 3.35: Spanningen in het multiplex
57
Spanning in de profielen: De eindige-elementen software berekent de spanningen in de uiterste vezel van het profiel. A
B
C
D
Figuur 3.36: voorstelling I-profiel
Elk profiel heeft 4 uiterste vezels, waar de grootste spanningen ontstaan. In dit geval zijn de maximale spanningssituaties voor alle vier de vezels gelijk. Deze bedraagt 20 N/mm².
Figuur 3.37: Spanning in de profielen
-
De maximale doorbuiging van het multiplex en de profielen = 0,7%; De maximale spanning in het multiplex en in de profielen = 20 N/mm².
58
3.2.5
Deur
Na montage van de ventilator is het handig dat deze bereikbaar blijft moest er iets verkeerd lopen of niet werken. Het zou gekkenwerk zijn om heel de opstelling terug te demonteren omdat er enkel bijvoorbeeld een klein technisch defect is. Daarom wordt de testkamer voorzien van een deur. Deze wordt tussen 2 profielen geplaatst. Eisen: -
De deur moet luchtdicht zijn; Het mag geen invloed uitoefenen op de testruimte; Het moet gemakkelijk te monteren en te demonteren zijn.
Keuze bouwwijze: Allereerst werd aan een mangat gedacht te verkrijgen in de handel. Daar zijn enkele nadelen aan verbonden: -
Het mangat moet een diameter hebben kleiner dan 760 mm (is de afstand tussen 2 I120 – profielen); De meeste mangaten in de handel zijn geconstrueerd voor een overdruk, een mangat voor een onderdruk is al moeilijk te vinden en zal waarschijnlijk ook duurder zijn.
Daarom werd geopteerd om zelf een deur te ontwerpen. Een afbeelding van de deur is te vinden in Figuur 3.38. De deur wordt geconstrueerd uit hoekprofielen, tussen de I-profielen van de kamer en de zelfgebouwde hoekprofielen zou er bij de constructie van de kamer met lijm een rubberen dichting moeten aangebracht worden zodat de kamer luchtdicht blijft. In het midden van de deur bevindt zich een op maat gezaagde triplexplaat. Alle ontwerptekeningen voor de deur zijn te vinden in de bijlage.
Figuur 3.38: Deur
59
3.2.6
Bovenkant losmaken
Aangezien er grotere stukken in de kamer moeten gemonteerd worden dan het gat aan de voorkant wordt er voor gezorgd dat de bovenkant van de testkamer los kan gemaakt worden. Dit zorgt voor de mogelijkheid om de ventilator met een rolbrug via de bovenkant te monteren. Het gehele dak wordt opgetild om grote ventilatoren te kunnen monteren. Er zijn nog twee grote problemen: -
De sterkte van het bovenvlak als dit loskomt van de rest van de constructie; De luchtdichtheid van het bovenvlak.
De sterkte van het bovenvlak Omdat het dak niet zou bezwijken aan het eigenwicht worden 2 I120- profielen aangebracht bovenop de dakconstructie.
Sterkteprofielen bovenvlak
Figuur 3.39: Sterkteprofielen dakconstructie
Er rest nu nog te controleren of dit voldoende is: Het uiterst belastend geval voor de twee profielen is als deze beschouwd worden als liggers op 2 steunpunten, want verder dan de lengte van het profiel zullen deze niet opgetild worden. 60
Figuur 3.40
De doorbuiging en de maximale spanning wordt berekend per profiel met volgende formules: 5 · · t* r 384 · s · u wv,! ov,! xv
De gelijkmatig verdeelde belasting bestaat uit 3 delen:
· # %t%
·9 4,240W · 0,00142W · 7800 + · 9,81 W
4146,3 4146,3 3 2 · 6W 346 /W
-
Eigengewicht van de profielen van de bovenkant
-
Eigengewicht van de multiplex
t%
q%%t · QC~ |{ · | · 9,81
ktW%{" C{| · {" C{| · 9,81
2881,8 2881,8 2 · 6W 240 W
3 4
18 WW · 6000 WW · 4000 WW · 680
· 9,81 + W
4
Er wordt gedeeld 2 omdat er 2 profielen zijn en door 6m omdat de belasting zich over 6m voor doet. Er wordt gedeeld 2 omdat er 2 profielen zijn en door 6m omdat de belasting zich over 6m voor doet.
61
-
Eigengewicht van de profielen die ter versteviging dienen QC~ |{| · | · 9,81
0,00142W · 7800 · 9,81
108 W
Er wordt dus een totale belasting van q = 694 N/m bekomen. Daarmee berekenen we de spanning en doorbuiging: 5 · · t* r 384 · s · u
5 · 694 W · 600* W* r 384 · 210.000 · 328 W* WW r 17,03 WW wv,! · t ov,! xv 8 · xv 694 W · 6 W ov,! 8 · 54,7 W+ W ov,! 57 + 57 W WW
De maximale spanning wordt niet overschreden en de procentuele doorbuiging bedraagt 0,28% wat we toelaten. 3.2.7
Luchtdichtheid
De testkamer moet ten allen tijde luchtdicht blijven. Voor het inlaat- en uitlaatgedeelte is dit geen enkel probleem. De flenskoppeling garandeert de luchtdichtheid. De zijdeur van de testkamer kan zorgen voor lekken. Daarom wordt er een rubberen band op de naad waar de deur sluit gelijmd. Het bovenvlak van de testkamer is echter een groter probleem waar nog geen oplossing voor bedacht is. Het bovenvlak toelijmen kan niet, want het dak moet men kunnen losmaken. Er werd wel al eens gebrainstormd hoe het bovenvlak luchtdicht kan gemaakt worden: aan de omtrek van het bovenvlak zou een soort verbreding gemaakt worden waar dan een rubberen band op terecht komt. Het bovenvlak kan dan met de bouten aangespannen worden tegen deze band, wat zorgt voor een luchtdichte sluiting.
62
3.3 Uitlaatgedeelte
Figuur 3.41: situering van het uitlaatgedeelte
De toepassing van de ventilator kan onderverdeeld worden in 4 categorieën, wat al eerder vermeld werd: -
Categorie A: vrije in- en uitlaat; Categorie B: vrije inlaat en gekanaliseerde uitlaat; Categorie C: gekanaliseerde inlaat en vrije uitlaat; Categorie D: gekanaliseerde in- en uitlaat.
Om deze verschillende categorieën te simuleren worden er simulatiekanalen geplaatst en deze zijn aan te passen naargelang de te testen categorie. Het grote voordeel van deze toepassing is dat het inlaatgedeelte en de meetkamer kan behouden blijven voor elke categorie en tevens voor een bepaald bereik van diameters. 3.3.1
-
Onderdelen
Common segment inlet of gemeenschappelijk inlaatgedeelte
Om een gekanaliseerde inlaat te simuleren wordt de “common segment inlet” geconstrueerd. Dit is eigenlijk een buis met dezelfde diameter als de te testen ventilator en met als lengte 4 keer de diameter van de testen ventilator. In de buis bevinden zich 4 gaten om de statische druk te kunnen meten. Op de gaten komen er “pressure-tappings”. -
Common segment outlet of gemeenschappelijk uitlaatgedeelte
Om een gekanaliseerde uitlaat te simuleren wordt de “common segment outlet” geconstrueerd. Dit is ook een buis met dezelfde diameter als de te testen ventilator en een lengte gelijk aan 6 keer de diameter van de te testen ventilator, maar in de buis bevindt zich een “star straightener”. Er heerst echter een uitzondering: als de te testen ventilator een diameter groter heeft dan 800 mm, dan moet er geen star-straightener gebruikt worden. Daarenboven mag het 63
uitlaatgedeelte ook tot 3 keer de diameter van de te testen ventilator ingekort worden. Voor Ø 1600 mm betekent tekent dit dat er geen star straightener nodig is en dat de lengte van het kanaal 4800 mm bedraagt. -
De “star straightener”
De star straightener is ontworpen om ‘swirl’ te elimineren. Met swirl bedoelt men eigenlijk de wervelingen die in de lucht gecreëerd zijn door de ventilator. De star straightener wordt zelden gebruikt om de snelheid uniform te verdelen indien ze ongelijk verdeeld zou zijn. De acht radiale platen moeten moet een voldoende dikte hebben om weerstand te bieden tegen breuk. De dikte van de bladen mag echter niet groter dan 0,007 x D4 worden, dit om de drukverliezen drukverlie zo klein mogelijk te houden. en. De lengte van de gelijkrichter bedraagt 2 x D4. Figuur 3.42:: De star straightener
Deze gelijkrichter wordt ordt vooral bij axiaalventilatoren axiaalventilatoren gebruikt en heeft een veel gemakkelijkere constructie dan de AMCA gelijkrichter. -
De testventilator
De testventilator is natuurlijk ook een onderdeel van het uitlaatgedeelte. uitlaatgedeelte Het kan zich op verschillende posities bevinden, bevinden, al naargelang de categorie die getest wordt. wordt Het toerental van de testventilator moet op ieder ogenblik kunnen opgemeten worden. Dit wordt gedaan aan de hand van een encoder die vastgemaakt wordt aan de as van de elektromotor/waaier. Het gebruiken van encoders coders is een meetmethode die in Almeco al gebruikt wordt bij het testen van ventilatoren. De verschillende opstellingen van het uitlaatgedeelte worden word in de volgende paragrafen besproken.
64
3.3.2
Mogelijke opstellingen
Figuur 3.43: Opstelling categorie D
TESTKAMER + INLAATGEDEELTE
INLAATSIMULATIE
TE TESTEN VENTILATOR
UITLAATSIMULATIE
De testkamer en het inlaatgedeelte is een vaste opstelling. Naargelang de te testen categorie en de ventilatorgrootte worden er andere inlaatof uitlaatsimulatiekanalen geplaatst. Bovenstaande figuur geeft de testopstelling voor categorie D weer voor een ventilatorgrootte Ø1600 mm. -
Per categorie zullen de simulatiekanalen anders geplaatst worden of weggelaten worden. Indien een andere ventilatorgrootte dient getest worden moeten de simulatiekanalen aangepast worden. Voor categorie A zijn er geen simulatiekanalen nodig.
De verschillende mogelijke opstellingen worden in volgende pagina’s besproken.
65
-
Categorie A
Hier wordt de ventilator getest om te functioneren met vrije in- en uitlaat. De volgende opstelling wordt bekomen:
Figuur 3.44: Opstelling categorie A
De simulatiekanalen worden weggelaten. De ventilator wordt geplaatst zodat de inlaat van de ventilator met de meetkamer verbonden is. -
Categorie B
Er wordt een uitlaatsimulatiekanaal aan de opstelling toegevoegd.
Figuur 3.45: Opstelling categorie B
66
-
Categorie C
Het uitlaatsimulatiekanaal wordt weggelaten en er wordt een inlaatsimulatiekanaal toegevoegd aan de opstelling.
Figuur 3.46: Opstelling categorie C
-
Categorie D
Categorie D wordt in de inleiding van deze paragraaf voorgesteld.
67
3.3.3
Vermogenmeting
Het elektrische vermogen van een ventilator kan met volgende formule berekend worden: %
k
1
\ W
Met : -
Pe qVsg1 pf ηr ηb ηT ηm ηc
: het elektrisch vermogen in kW of W; : Het volumedebiet in m³/s of l/s; : De ventilatordruk in kilopascal of Pa; : De waaierefficiëntie, dimensieloos; : De ventilatorlagerefficiëntie, dimensieloos; : De overbrengingsefficiëntie, dimensieloos; : De motorefficiëntie, dimensieloos; : De controle-efficiëntie, dimensieloos.
De ventilatorlagerefficiëntie en de overbrengingsefficiëntie kunnen buiten beschouwing worden gelaten, want voor de axiaalventilatoren wordt het vermogen van de motor rechtstreeks met een as naar de waaier getransporteerd. -
Meten van het elektrisch vermogen
Het vermogen van de motor van de ventilator dient volgens de norm gemeten te worden met de 2-wattmeter methode. Bij de firma wordt het principe van de stroomtransformatoren reeds gebruikt bij andere toepassingen. Daarom worden beide methodes bestudeerd:
68
-
Meten met de 2-wattmetermethode
Onderstaande figuur geeft de methode van de 2-wattmetermethode weer, de belasting is symmetrisch:
Het totale vormogen P:
· u · cos 0 · u · cos 0 + · u+ · cos+ Aangezien de belasting symmetrisch is kan het volgende geschreven worden : 3 · ~ · u{ · cos Met de 2 wattmeters worden de volgende metingen uitgevoerd: De eerste wattmeter meet de stroom in lijn 1 = I1 en de spanning tussen LL1L3. Er geldt: u · NN+ · cos 0 30° De tweede wattmeter meet de stroom in lijn 1 = I1 en de spanning tussen LL2L3. Er geldt: u · N N+ · cos g 30°
69
-
Aangezien de belasting symmetrisch is, is IL = I1 = I2.
-
Er geldt ook dat UL1L3 = UL2L3 = √3 ·
Daaruit volgt: uN · √3 · ~ · cos 0 30° uN · √3 · ~ · cos g 30° 0 √3 · ~ · uN cos 0 30° 0 cos g 30°
0 √3 · ~ · uN · 2 · cos · cos30° 0 √3 · ~ · uN · 2 · cos · 0 3 · ~ · uN · cos Besluit:
√3 2
P1+P2 = P
Het is ook mogelijk om het 1-fasig vermogen met de 2-wattmetermethode te meten.
70
Meten met stroomtransformatoren Het principe van de stroomtransformatoren komt overeen met de 3-wattmetermethode. Wat dus in feite nog veel nauwkeuriger en correcter is dan de 2-wattmetermethode. Er wordt als volgt gemeten:
Op bovenstaande figuur bevinden zich per lijndraad 1 stroomspoel. Het totale vermogen wordt nu bekomen door P1, P2 en P3 op te tellen. Hier wordt er rekening gehouden met assymetrische belasting, aangezien er symmetrische belasting heerst is dit overbodig.
Besluit: Het vermogen kan zowel met de stroomspoelen als met de 2-wattmetermethode gemeten worden.
71
4 Overzicht volledige testopstelling De technische samenstellingstekening van de testopstelling is te vinden in het bijlagenboek.
4.1 Schets van het drukverloop 1: inlaat
Hulpventilator aan, registerklep open:
2: uitlaat
pt1 = ∆ps1 + pd1 pt2 = ∆ps2 + pd2
Figuur 4.1: drukverloop bij ingeschakelde hulpventilator
Het debiet dat door de testopstelling stroomt is redelijk groot. De testventilator moet een kleinere drukverhoging realiseren om het fluïdum in beweging te brengen als de hulpventilator ingeschakeld wordt.
72
Hulpventilator uit, registerklep deels gesloten:
1: inlaat
2: uitlaat
pt1 = ∆ps1 + pd1 pt2 = ∆ps2 + pd2
Figuur 4.2: drukverloop bij deels gesloten registerklep
Het debiet dat door de testopstelling stroomt wordt kleiner naarmate de registerklep gesloten wordt. De onderdruk in de testkamer wordt ook groter, waardoor de testventilator een hogere drukverhoging moet realiseren om het fluïdum in beweging te brengen.
73
4.2 Flenzen Om de buisgedeelten te koppelen wordt er een flens op de buis bevestigd. Dit gebeurt door middel van lassen (Figuur 4.3).
Buis Lasnaad
Flens
Figuur 4.3: Flens bevestigd met las aan een buisgedeelte
De flens wordt niet in één keer gesneden, maar het bestaat uit 3 of 4 gelijke delen die aan elkaar gelast worden, dit om materiaal te besparen. De flens met Ø1000 mm moet volgens fabricagenormen 24 gaten bezitten. De flens wordt in 3 delen geconstrueerd. Voor Ø1600 mm moeten er 32 gaten aanwezig zijn, dus zijn 4 delen noodzakelijk.5 De constructie van de flenzen wordt in onderstaande tabel duidelijk: Flens Ø1000 mm (3 delen)
Flens Ø 1600 mm (4 delen)
Bovenstaande flenzen werden bemaat met het gegeven dat de buizen 3 mm dik zijn. 5
32 is niet deelbaar door 3, maar wel door 4 en het is de bedoeling dat de flens uit gelijke delen bestaat.
74
4.3 Ondersteuningsframe De kanalen van het in- en uitlaatgedeelte hebben een niet te onderschatten massa die kan zorgen voor de doorbuiging en verzwakking van de meetopstelling. Deze kanalen moeten dus ondersteund worden om bovenvermelde problemen te voorkomen. Bij de ondersteuning moet er ook rekening gehouden worden met het feit dat de kanalen verschillende diameters kunnen hebben: de ondersteuningen moeten op een eenvoudige manier aangepast kunnen worden om kanalen van verscheidene diameters te ondersteunen. Wegens tijdsgebrek kon er nog geen definitief ondersteuningsframe ontworpen worden, maar er werd gewerkt met een voorlopig ontwerp dat in Figuur 4.4 en Figuur 4.5 weergegeven wordt:
Figuur 4.4: ondersteuningsframe voor het inlaatgedeelte
Figuur 4.5: ondersteuningsframe voor het uitlaatgedeelte
De ondersteuning bestaat uit rechthoekige profielen die aan elkaar gelast worden om een Hvormige structuur te vormen. Tussen beide voeten wordt er dan een plaat gemonteerd met een ingesneden halve cirkel. De gaten langs de halve cirkel moeten overeenkomen met de gaten van de flenzen van de buizen die ondersteund moeten worden. Bij het ontwerpen van deze ondersteunende voeten moet er rekening gehouden worden met de hoogte van de te ondersteunen buizen ten opzichte van de grond, zodat de buizen concentrisch blijven met elkaar en zodat ze ook mooi op de in- en uitlaatflenzen van de testkamer passen. De hoogte van de voeten kan dan eventueel instelbaar gemaakt worden. 75
4.4 Flexibiliteit De meetopstelling bestaat uit drie grote onderdelen: het inlaatgedeelte, de testkamer en het uitlaatgedeelte. Het inlaatgedeelte en de testkamer vormen het vaste gedeelte van de proefstand, dat niet aangepast dient te worden als de ventilator op een andere manier belast wordt, of als er een ventilator met een andere diameter moet getest worden. Het uitlaatgedeelte moet daarentegen wel aangepast worden: er moeten simulatiekanalen op de testventilator gemonteerd worden in het geval van een categorie B-, C- of D-test, en de testventilator (met eventuele simulatiekanalen) moet op de achterkant van de testkamer gemonteerd kunnen worden, ongeacht de diameter van de ventilator of van het simulatiekanaal. Almeco beschikt over een heftruck en over een rolbrug, zodat de simulatiekanalen gemakkelijk verwisseld kunnen worden. Om de testventilator (en simulatiekanalen) op de achterkant van de testkamer te bevestigen zou dan gebruik gemaakt worden van een overgangsflens (Figuur 4.6).
Figuur 4.6: overgangsflens
De gaten op de buitenste steekcirkel van de overgangsflens dienen om de overgangsflens op de achterkant van de testkamer vast te maken. De gaten op de binnenste steekcirkel dienen om de testventilator (of simulatiekanaal) te monteren. De diameter van de binnenste steekcirkel dient dus aangepast te worden in functie van de diameter van de te verbinden testventilator (of simulatiekanaal). Hoe de meetopstelling concreet flexibel kan gemaakt worden moet nog verder onderzocht worden.
76
4.5 Plaatsing De testopstelling neemt veel plaats in, dus is het belangrijk al eens over de plaatsingswijze na te denken. Ook zuigt en blaast de testopstelling wat tot grote problemen kan leiden zoals stof die opwaait. De stukken van de testopstelling zijn relatief groot. De plaatsing gebeurt waarschijnlijk met de rolbrug. Het buiswerk is gemakkelijk te voorzien van ogen om de haak van de rolbrug aan te bevestigen. Het is eveneens makkelijk een aantal ogen op de testkamer te voorzien. 4.5.1
Plattegrond
Eerst wordt de plaats die er ter beschikking is opgemeten. Daarin wordt er een schets van onze opstelling gemaakt. Dit leidt tot volgend resultaat:
Figuur 4.7: Situatieschets atelier
77
De testopstelling neemt toch heel wat ruimte in qua lengte, maar in breedte valt het heel goed mee. Naast de fysische lengte van de testopstelling moet er ook nog extra ruimte voorzien worden aan de inlaat en aan de uitlaat van de proefstand. Deze ruimte is nodig om nauwkeurige metingen te garanderen. Eisen voor een goede uitlaat: -
Geen trek: de garagepoort dient dus dicht te zijn tijdens de metingen; Er mag zich geen muur of grote obstructie bevinden dichter dan 5.D (= 8m in dit geval) van de uitlaat.
Eisen voor een goede inlaat: -
4.5.2
Geen trek; Er mag zich geen muur of grote obstructie bevinden dichter dan 2.D (= 3,2m in dit geval) van de inlaat. Veiligheid
Op de plattegrond is te zien dat de testkamer voor de nooddeur komt. Dit kan voor veiligheidsproblemen zorgen, maar in overleg met de veiligheidscoördinator is dit geen enkel probleem. De werkplaats van Almeco is redelijk recent gebouwd en er zijn genoeg andere nooddeuren voorzien. Later kan er eventueel in overleg met Almeco een kooi geplaatst worden rond de testopstelling ter veiligheid.
78
4.6 Mogelijkheid uitbreiding voor automatisering Het is belangrijk de mogelijkheid te hebben om over te schakelen naar een geautomatiseerd proces om de tests uit te voeren. Dit kost geld, maar indien het proces niet geautomatiseerd is en er met Excel-tabellen gewerkt wordt, moet het personeel opgeleid worden om de gegevens op een correcte manier te kunnen verwerken. Meetgegevens kunnen verwisseld worden wat tot totaal verkeerde resultaten kan leiden. Bij een geautomatiseerd proces worden deze fouten vermeden. De meeste meetinstrumenten zijn voorzien van een analoge uitgang met stromen van 4 tot 20 mA wat de automatisering van het meetproces sterk vereenvoudigt. 4.6.1
Labview
Om de meetgegevens te verwerken werd als eerst aan Labview gedacht. Dit omdat het programma enorm veel mogelijkheden biedt. Almeco had voor een andere toepassing ook al eens gepeild om Labview aan te schaffen. Labview is echter te duur voor deze toepassing. Het bezit teveel uitgebreide functies die niet echt nodig zijn voor de testopstelling. Ter referentie wordt in Figuur 4.8 de prijs van Labview weergegeven. Dit beperkt zich echter alleen nog maar tot het softwarepakket. Naast het softwarepakket moet er ook nog een data acquisitiesysteem aangeschaft worden.
Figuur 4.8: prijslijst van Labview
79
4.6.2
Beckhoff
Beckhoff is een fabrikant van automatisatiesystemen gebaseerd op de PC. Beckhoff biedt vele mogelijkheden tot automatisatie die makkelijk implementeerbaar en uitbreidbaar zijn naar de toekomst toe. Een interessante oplossing voor het sturen van de testprocedure in ons geval zou de TWINCAT I/O PLC zijn. Dit is een PLC-toestel die via de PC in real-time gestuurd wordt. De PLC heeft de mogelijkheid om een gebruiksvriendelijk programma op te bouwen om de testprocedure zo vlot mogelijk te doen verlopen. Dit, zodat elke gebruiker de testprocedure makkelijk kan uitvoeren. Om de in- en uitgangssignalen makkelijk te verwerken moeten er echter wel een aantal analoge en digitale in- en uitgangsbussen aangeschaft worden.
Figuur 4.9: TwinCat
80
5 Testprocedure De testprocedure kan onderverdeeld worden in drie grote luiken: -
de voorbereiding van de test; de meting van alle relevante parameters; de verwerking van de parameters tot een karakteristiekcurve.
5.1 Voorbereiding Tijdens de voorbereiding moet de testopstelling gemonteerd worden. Dit houdt in dat de testventilator en de eventuele inlaat- en/of uitlaatsimulatiekanalen vastgeschroefd moeten worden aan de achterkant van de meetkamer. Er moet daarbij veel belang gehecht worden aan de luchtdichtheid van de opstelling en aan de goede uitlijning van de buizen. Als er simulatiekanalen gebruikt worden, dan moet er op gelet worden dat de drukaftappunten op de correcte afstand gelegen zijn van de testventilator. De drukleidingen worden daarna verbonden met de bijhorende drukmeetinstrumenten. Sommige meetinstrumenten moeten gekalibreerd worden; de ‘user manuals’ van de meetinstrumenten geven informatie over de kalibratieprocedure en het tijdstip waarop de instrumenten gekalibreerd moeten worden. Als de testopstelling gemonteerd is en de drukmeetinstrumenten zijn opgewarmd, dan kan de testventilator opgestart worden. Nadat de testventilator opgestart werd moet het toerental bewaakt worden: de metingen beginnen pas als de fluctuaties van het toerental klein genoeg zijn (≤ 1%).
5.2 Metingen Als de testventilator op het gewenste constante toerental draait, dan kunnen de metingen beginnen. In een eerste stap worden de testomstandigheden gemeten: -
de atmosferische druk pa [Pa]; de omgevingstemperatuur ter hoogte van de inlaat-meettuit θa [°C]; de droge- (en natte-)boltemperatuur θd en θw [°C]; de relatieve dichtheid hu van de lucht [%].
Deze parameters worden gedurende de test bewaakt. Als ze te veel fluctueren, dan moeten er voldoende metingen uitgevoerd worden om een uitgemiddelde waarde van de metingen te bekomen. Aan de hand van deze parameters kan de luchtdichtheid ρa bepaald worden.
81
In een tweede stap worden alle benodigde parameters opgemeten die nodig zijn om de ventilatorkarakteristiek te bepalen. Deze parameters zijn: -
de rotatiefrequentie n [min-1]; het vermogen verbruikt door de testventilator [W]; de drukval ∆p over de debietmeter [Pa]; de temperatuur in de meetkamer [°C]; de relatieve druk stroomopwaarts van de testventilator [Pa]; de relatieve druk stroomafwaarts van de testventilator [Pa].
Deze parameters moeten telkens tijdens een periode van 1 minuut waargenomen worden. Als ze te veel fluctueren, dan moeten er voldoende metingen uitgevoerd worden om een uitgemiddelde waarde van de metingen te bekomen. Om een mooie, vloeiende karakteristiekcurve te bekomen moeten er voldoende punten gemeten worden. Er moet ook veel geanticipeerd worden tijdens de metingen: een knik in de curve kan op voorhand gemerkt worden, en zo kunnen er voldoende meetpunten voorzien worden om deze knik zo goed mogelijk te beschrijven. Spijtig genoeg bestaan er geen algemene richtlijnen in de ISO-norm over het precies aantal meetpunten. Deze keuze wordt aan de gebruiker overgelaten.
82
5.3 Verwerking Tijdens de metingen moeten de meetwaarden verwerkt worden vooraleer ze gebruikt kunnen worden om de karakteristiekcurve te bepalen. In de ISO-norm kunnen de meetwaarden op twee verschillende manieren verwerkt worden: een normale methode, en een gesimplificeerde methode. De normale methode wordt enkel en alleen gebruikt als het referentie-machgetal Maref ≥ 0,15 en als de pressure ratio ≥ 1,02. w§|~
4¨I
©ª«¬
0,15 ® |~ . w§|~ 340 . 0,15 51 m/s
Het volumedebiet qV aan de uitlaat van de testventilator is dus gelijk aan: ¯ ® . Q 51 . 2,01 = 102,51 m³/s ≈ 370000 m³/h met
- vm2 = gemiddelde luchtsnelheid aan de uitlaat van de testventilator; - cref = geluidssnelheid = 340 m/s; - A2 = doorsnede van de uitlaat van de testventilator = 2,01m² bij testventilator ø1600mm.
Een volumedebiet van 370000 m³/h is onhaalbaar voor een testventilator ø1600mm: een Maref van 0,15 zal dus nooit bereikt worden. Bovendien is een pressure ratio groter dan 1,02 onwaarschijnlijk bij een axiaalventilator. De gesimplificeerde verwerkingsmethode kan dus gehanteerd worden (Maref ≤ 0,15 en pressure ratio ≤ 1,02). De verwerking van de meetresultaten aan de hand van de gesimplificeerde methode wordt op volgende pagina’s in detail weergegeven. Om de verwerking overzichtelijker te maken wordt gewerkt met volgende indices: -
1: inlaat van de testventilator; 2: uitlaat van de testventilator; 3: stroomopwaarts van de testventilator (meetkamer en/of inlaatsimulatiekanaal); 4: stroomafwaarts van de testventilator (uitlaatsimulatiekanaal).
Voorbeeld: pe3 is de relatieve druk die in de meetkamer of in het inlaatsimulatiekanaal gemeten wordt. Het vlak waarin de druk precies afgetapt of bepaald wordt is weergegeven door de afkorting PL (plane = vlak) gevolgd door het passende index.
83
Stap 1: luchtdichtheid ρa Te meten: -
Atmosferische druk pa [Pa]; Omgevingstemperatuur Ta [K] of θa [°C]; Droge- (en natte)boltemperatuur Td en Tw [K]; Relatieve vochtigheid hu [%]. Saturatiedruk
!"
(,*+,.#
%& ' +.,(,/#$ 0 6,41473
[Pa]
$
Dampdruk 4 5 .
Gasconstante 67
!" #$
,( : 89,+(, ;
:<
Luchtdichtheid ! D
[Pa]
=
C<
>
[email protected]
B
?@
=³B
E .F<
Stap 2: het massadebiet qm Te meten: - Drukval ∆p over de inlaat-meettuit [Pa]; - Diameter d van de inlaat-meettuit [m].
HI *
2. ! . ∆
?@
= B
Figuur 5.1: meten van de parameters voor de debietmeting
84
Stap 3: de inlaatdruk van de ventilator (vrije inlaat) Te meten: - Relatieve druk pe3 in de meetkamer [Pa]; - Temperatuur T3 [K] of θ3 [°C] in de meetkamer. θ3 = T3 + 273,15 = θ1
p3 = pe3 + pa
ρ3 = D
C^
?@
=³B
E .F^
°I
psg1 = + 0 . ]I¨ = psg3 .± ^
^
[Pa]
(psg staat voor stagnatiedruk = totale druk) Stap 4: de uitlaatdruk van de ventilator (vrije uitlaat) Te meten: - Atmosferische druk pa [Pa] (zie stap 1). p2 = pa
psg2 = 0 .
[Pa]
I °¨
[Pa]
]II .±<
θ3
pa
pe3 PL3
PL1
PL2
Figuur 5.2: meten van de parameters voor de ventilatordruk
85
Stappen 3 en 4 verschillen naargelang de categorie die getest wordt: -
bij categorie B moet stap 4 vervangen worden door stap 4bis; bij categorie C moet stap 3 vervangen worden door stap 3bis; bij categorie D moeten zowel stappen 3 en 4 vervangen worden door stap 3bis en stap 4bis.
Stap 3bis: de inlaatdruk van de ventilator (gekanaliseerde inlaat) Te meten: - Relatieve druk pe3 in het inlaatsimulatiekanaal [Pa]; - Temperatuur T3 [K] of θ3 [°C] in de meetkamer; - De doorsnede van het inlaatsimulatiekanaal A3 [m²].
θ3 = T3 + 273,15 = θ1
p3 = pe3 + pa
ρ3 =
C^
?@
= B
DE .F^
³
θ3 A3
pa
pe3
PL3
PL1
PL2
Figuur 5.3: meten van de parameters voor de inlaatdruk bij gekanaliseerde inlaat
86
Aan de hand van de plaatselijke luchtdichtheid ρ3 kan nu het volumedebiet en de gemiddelde luchtsnelheid vm3 in het inlaatsimulatiekanaal bepaald worden: ¯+ ®+
°¨
³
= B
±^
°²^
= B
]^
Het Reynoldsgetal moet eveneens bepaald inlaatsimulatiekanaal in rekening te brengen: 6%M+
4¨^ M^ `
worden
om
de
verliezen
in
het
10³
Het wrijvingsverliescoëfficiënt Λ (voor een lengte gelijk aan één keer de diameter van het kanaal) is dan gelijk aan: Λ 0,005 0 0,426%M+ 89,+ Het wrijvingsverliescoëfficiënt voor het inlaatsimulatiekanaal is dus gelijk aan: (ξ1-3)3 = 3Λ = −(ξ3-1)3 De totale druk psg1 aan de inlaat van de testventilator wordt dan:
@
°I
+ 0 . ]I¨ . ´1 0 ξ+8 + ¶ .± ^
^
[Pa]
87
Stap 4bis: de uitlaatdruk van de ventilator (gekanaliseerde uitlaat) Te meten: - Relatieve druk pe4 in het uitlaatsimulatiekanaal [Pa]; - De doorsnede van het uitlaatsimulatiekanaal A4 [m²]; - De luchtdichtheid ρa van stap 1 kan in dit geval gebruikt worden [kg/m³]. p4 = pe4 + pa
[Pa]
A4
pa
pe4
PL1
PL2
PL4
Figuur 5.4: meten van de parameters voor de uitlaatdruk bij gekanaliseerde korte uitlaat
A4 pa pe4
PL1
PL2
PL4
Figuur 5.5: meten van de parameters voor de uitlaatdruk bij gekanaliseerde lange uitlaat
88
Aan de hand van de luchtdichtheid ρa kan nu het volumedebiet en de gemiddelde luchtsnelheid vm4 in het uitlaatsimulatiekanaal bepaald worden: ¯* ®*
°¨
³
= B
±<
°²·
= B
]·
Het Reynoldsgetal moet eveneens bepaald uitlaatsimulatiekanaal in rekening te brengen: 6%M*
4¨· M· `
worden
om
de
verliezen
in
het
10³
Het wrijvingsverliescoëfficiënt Λ (voor een lengte gelijk aan één keer de diameter van het kanaal) is dan gelijk aan: Λ 0,005 0 0,426%M* 89,+ Als er een star-straightener aanwezig is in het simulatiekanaal, dan moeten de verliezen over de star-straightener eveneens in rekening gebracht worden: ¸ 0,956%M* 89, Het wrijvingsverliescoëfficiënt voor het uitlaatsimulatiekanaal is dus gelijk aan:
¸ 8* * 3¹ 0 ¸
¸ 8* * 2¹
bij een lange simulatiekanaal met star straightener;
bij een korte simulatiekanaal zonder star straightener.
De totale druk psg2 aan de uitlaat van de testventilator wordt dan:
@
°I
* 0 . ]I¨ . ´1 0 ξ 8* * ¶ .± ·
[Pa]
<
Stap 5: de ventilatordruk
pf = psg2 – psg1
[Pa]
89
Stap 6: ‘fan air power’ De energie die aan de doorstromende lucht afgegeven wordt is gelijk aan: ¯
@ . ~
[W]
Stap 7: rendement van de testventilator Te meten: -
Waaiervermogen Pr [W]
º» ºª
Stap 8: ventilatorkarakteristiek In een laatste stap kunnen alle opgemeten en verwerkte parameters in een grafiek (Figuur 5.6) uitgezet worden om de ventilatorkarakteristiek te schetsen:
Figuur 5.6: grafiek voor de ventilatorkarakteristiek
90
6 Prijsoverzicht Een klein doch uiterst belangrijk aspect van deze masterproef is een schatting maken van de kostprijs van de meetopstelling. De verschillende kosten kunnen op volgende manier onderverdeeld worden: -
kostprijs van de meetinstrumenten en van de frequentiesturing; kostprijs van het buiswerk; kostprijs van de meetkamer; overige kosten.
Kostprijs van de meetinstrumenten en van de frequentiesturing Meetinstrumenten
Merk
Hygrometer met ingebouwde thermometer Barometer Drukverschilmeter Regelklep Frequentieregelaar
Rotronic Halstrup-Walcher Halstrup-Walcher Air Trade Center Schneider Electric
Drukmeter
Halstrup-Walcher
Thermometer
Jumo
Drukmeter Vermogenmeting
Halstrup-Walcher Siemens
Type Inlaatgedeelte Hygropalm 21 BA 90 PI JS 251 ATV 61 (240V-55kW-3fasig) Meetkamer PI Weerstandselement 90.2524 Voeding 70.7500 Digitale indicator di eco Uitlaatgedeelte PI PAC3200 Totaal
Prijs
Geschat Leverancier
285,00 500,00 533,00 563,00 3375,67
NEE JA NEE NEE NEE
www.cwaller.de www.dimed.be www.dimed.be www.airtradecentre.com http://www.schneider-electric.be/
533,00 100,00 77,00 100,00
NEE JA NEE JA
www.dimed.be www.jumo.be www.jumo.be www.jumo.be
533,00 371,85 6971,52
NEE www.dimed.be NEE Bekaert Eric
Tabel 6-1: kostprijs van de meetinstrumenten
Opmerking: enkele componenten werden niet in rekening genomen: -
de drukslangen die de aftappunten met de drukverschilmeters verbinden; de elektrische bekabeling; de montage van sommige meetinstrumenten op de teststand.
Bij deze schatting wordt ook gerekend met een registerklep die in de handel verkrijgbaar is (de ATC JS 251). Rekening houdend met bovenvermelde opmerkingen kan dus de totale kostprijs van de meetinstrumenten geschat worden op EUR 10.000.
91
Kostprijs van het buiswerk Stuk Flens ø 1000 mm Flens ø 1600 mm Latflens 1600 mm Aanzuigpaviljoen Aanzuigbuis AMCA straightener Diffusor Overgang Pressure tappings
Prijs/stuk Inlaat 119,76 125,34 120,00 800,00 239,27 2040,78 980,57 807,10 10,00
Flens ø 1600 mm Common inlet Common outlet Pressure tappings
Uitlaat 125,34 1573,94 1431,17 10,00
Aantal
Totaal
12 16 12 1 1 1 1 1 4 Subtotaal
1437,12 2005,44 1440,00 1000,00 239,27 2040,78 980,57 807,10 40,00 9990,28
24 3008,16 1 1573,94 1 1431,17 8 80,00 Subtotaal 6013,27 Totaal 16003,55
Tabel 6-2: kostprijs van het buiswerk
Dankzij een prijsschatting van het metaalverwerkend bedrijf Hafibo NV kan de kostprijs van het buiswerk nauwkeurig geschat worden. Het laswerk en het uitwendig lakken werden hier niet meegerekend. Ook de bouten en moeren die nodig zijn om de verschillende onderdelen met elkaar te verbinden werden niet in de kostprijs meegerekend. De totale kostprijs van het buiswerk kan dus geschat worden op EUR 20.000. Opmerkingen: •
De tekeningen van de flenzen die naar Hafibo gestuurd werden toonden enkel een flensstuk. Een flens van ø1000 mm is opgebouwd uit drie flensstukken, en de andere twee flenzen (ø1600 mm en latflens 1600 mm) zijn opgebouwd uit vier flensstukken (zie hoofdstuk 4.2). Dit is de reden waarom het aantal te bestellen flenzen zo hoog ligt.
•
De kostprijs van het buiswerk aan de uitlaat werd geschat enkel en alleen voor een testventilator van 1600 mm. Op basis van Tabel 6-2 kan de kostprijs van het buiswerk aan de uitlaat ook geschat worden voor andere diameters. Het kan dus zeer goed mogelijk zijn dat de totale kostprijs voor het buiswerk oploopt tot EUR 50.000 als er een tiental ventilatoren met verschillende diameters getest worden.
92
Kostprijs van de meetkamer Stuk Prijs/stuk Aantal Omniplex-platen (1220 x 2440 x 18) 23,6 44 I120-profielen Totaal
Totaal 1038,4 1700,85 2739,25
Tabel 6-3: kostprijs van de meetkamer
De totale kostprijs van de meetkamer is heel moeilijk in te schatten aangezien de montage van de testkamer het meeste geld gaat opslorpen (montage-uren, verbindingselementen zoals lijm, bouten en moeren, enz. …). De totale kostprijs van de meetkamer wordt toch geschat op EUR 10.000. Overige kosten Met overige kosten wordt bedoeld: -
het vervoer van de leveranciers; de werkuren die nodig zijn om de volledige testopstelling te assembleren; data-acquisitie systemen en softwares ter automatisatie van het testproces; …
Deze kosten worden geschat op EUR 10.000. Totale kostprijs De totale kostprijs van de meetopstelling is dus grotendeels gebaseerd op schattingen, maar er werd in sommige instanties toch gewerkt met nauwkeurige en betrouwbare bedragen die door leveranciers onder de vorm van offertes naar Almeco teruggestuurd werden na een prijsaanvraag. De geschatte totale kostprijs van de meetopstelling om een ventilator met een waaierdiameter van 1600 mm te testen bedraagt EUR 50.000. Aangezien het de bedoeling is om ventilatoren met verschillende diameters te testen, moet het bovenvermelde bedrag vermeerderd worden met de prijs van het extra buiswerk voor het uitlaatgedeelte van de meetopstelling. Het is dus goed mogelijk dat de totale kostprijs van de proefstand oploopt tot EUR 80.000.
93
Algemeen besluit De flexibiliteit was de doorslaggevende factor bij het kiezen van een proefstand met een testkamer. Met zo’n proefstand kunnen ventilatoren met verschillende diameters getest worden. Ook kunnen de vier verschillende categorieën gesimuleerd worden op dezelfde opstelling. De proefstand bestaat uit drie gedeelten die in detail gedimensioneerd en ontworpen werden volgens de ISO 5801-norm: -
Het inlaatgedeelte:
daar wordt het debiet dat door het systeem stroomt gemeten en geregeld aan de hand van een hulpventilator en een registerklep. Voor de registerklep kan er gekozen worden voor een genormeerde registerklep die op maat moet gebouwd worden, of voor een registerklep die in de handel verkrijgbaar is, maar die niet volledig beantwoordt aan de DIN 24163-norm. -
De testkamer:
de testkamer vormt een scheiding tussen het inlaatgedeelte waar het debiet gemeten wordt, en het uitlaatgedeelte waar de ventilatordruk bepaald wordt. Aangezien de testkamer onderworpen is aan redelijk grote onderdrukken moet deze op een veilige manier en met een gepaste materiaalkeuze ontworpen en gebouwd worden. De kamer wordt opgebouwd uit multiplexplaten, met daar rond een profielframe ter versteviging van de constructie. Omwille van praktische redenen wordt de testkamer van een deur voorzien en is het eveneens mogelijk het dak los te maken. Dit brengt echter problemen met zich mee naar luchtdichtheid toe. Voor het dak is er nog geen concrete oplossing uitgewerkt. -
Het uitlaatgedeelte:
de testventilator wordt in het uitlaatgedeelte van de proefstand geplaatst. Er kunnen ventilatoren van verschillende diameters getest worden en de vier verschillende installatiecategorieën kunnen daar ook gesimuleerd worden aan de hand van simulatiekanalen. Hoe het uitlaatgedeelte van de meetopstelling concreet flexibel kan gemaakt worden dient nog verder onderzocht te worden. De gehele opstelling is voorzien van de volgens de norm voorgeschreven meettoestellen. Er werd ook nagedacht over de eventuele automatisatie van het testproces. Daarom bevatten de gekozen meettoestellen echter ook een mogelijkheid om hun meetsignaal analoog te verwerken. Het in- en uitlaatgedeelte bestaan grotendeels uit buiswerk. Dit buiswerk wordt gekoppeld met behulp van flenzen. Het is van belang dat dit buiswerk ook ondersteund wordt en daarvoor is ook een concept bedacht.
94
Een proefstand die voldoet aan de ISO 5801-norm kan een belangrijke troef zijn voor Almeco, aangezien ze dan niet meer afhankelijk zijn van buitenlandse bedrijven om de ventilatorkarakteristiek te bepalen. Bovendien kunnen ze dan zelf testen uitvoeren voor andere bedrijven en zo een sterke positie innemen op de markt.
3D-render van de meetopstelling
95
Bibliografie Almeco. (sd). Axial Fans. [Brochure] . Moeskroen: Almeco. Almeco. (sd). Fans and Cooling Towers. [Brochure] . Moeskroen: Almeco. Almeco. (sd). Onthaalbrochure voor nieuwe collega's en interimleden. [Brochure] . Moeskroen: Almeco. Almeco. (sd). Over Almeco. [PowerPoint] . Moeskroen: Almeco. Altivar 61. (sd). Opgeroepen op Maart 4, 2010, van http://www.altivar.be/nl/ATV61_nl.htm Axial fans. (sd). Opgeroepen op Februari 3, 2010, van Rosenberg: http://www.rosenberggmbh.com/english/index.htm Beckhoff. (sd). Opgeroepen op februari 5, 2010, van http://beckhoff.com/ Bonfig, K. (1977). Technische Durchflussmessung. Essen: Vulkan-Verlag. Dax, W., Gundelfinger, K., Häffner, W., Itschner, H., Kotsch, G., & De Clippeleer, W. (2003). Tabellenboek voor metaaltechniek. Mechelen: Wolters Plantyn. Degryse, D. (2009). Opbouw van een testruimte voor ventilatoren. Onuitgegeven eindwerk . Kortrijk: Howest. Deutsches Institut für Normung. (1985). DIN 24163: Ventilatoren - Leistungsmessung und Normkennlinien. Duitsland: DIN. Druk. (sd). Opgeroepen op Januari 26, 2010, van http://www.dimed.eu/products-nl-pressure Hafibo. (sd). Opgeroepen op Maart 3, 2010, van http://www.hafibo.be/functions/intro.asp?Lid=7 Handbook of Finnish plywood. (sd). Opgeroepen op Januari 27, 2010, van http://www.intplywood.nl/uploads/media/Handbook_of_Finnish_plywood.pdf Hongerloot, M. (sd). Ventilatoren. Onuitgegeven cursus . Oostende: KHBO. Infosteel. (sd). Opgeroepen op mei 13, 2010, van www.infosteel.be International Organization for Standardization. (2003). ISO 5167: Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full. Geneva: ISO. International Organization for Standardization. (2007). ISO 5801: Industrial fans - Performance testing using standardized airways. Geneva: ISO. Jalouziekleppen. (sd). Opgeroepen op Februari 25, 2010, van http://www.airtradecentre.com Lexis, J. (1990). Ventilatoren in der Praxis: das Handbuch für Planer und Anlagenbauer. Stuttgart: Gentner Verlag. 96
Matley, J. (1979). Fluid Movers: Pumps, Compressors, Fans and Blowers. New York: McGraw-Hill Publications Co. Muhs, D., Wittel, H., Becker, M., Jannasch, D., & Vossiek, J. (2006). Roloff/Matek Machineonderdelen. Den Haag: Academic Service. NI Labview. (sd). Opgeroepen op Februari 5, 2010, van http://www.ni.com/labview/f/ Parmentier, P. (1994). Ontwerp Proefstand voor Industriële Ventilatoren. Onuitgegeven eindwerk . Oostende: K.I.H. West-Vlaanderen. Pressure measuring technology. (sd). Opgeroepen op Januari 27, 2010, van http://www.halstrupwalcher.com/Liste.lasso?Topic1=Produkte&Produktsparte=Druckmesstechnik Roberson, J., & Crowe, C. (1975). Engineering Fluid Mechanics. Boston: Houghton Mifflin Company. van den Akker, H. (2000). Het ontwerpen van de besturing voor een ventilator meetopstelling. Onuitgegeven eindwerk . Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven. Voelers voor temperatuur en vochtigheid. (sd). Opgeroepen op Januari 27, 2010, van Jumo: http://www.jumo.be/nl/messwertgeber.html Young, W., & Budynas, R. (2002). Roark's formulas for stress and strain seventh edition. Singapore: Mc Graw-Hill.
97
