Univerzita obrany

Univerzita obrany
K-216
Laboratorní cvičení z předmětu
HYDROMECHANIKA
Měření charakteristiky čerpadla
Protokol obsahuje 14 listů
Vypracoval: Vít Havránek
Studijní skupina: 21-3LRT-C
Datum zpracování: 15.5.2011
Brno 2011
Obsah
1
Cíl měření .................................................................................................... 3
2
Schéma a popis užitého zařízení ................................................................... 3
3
Základní data ............................................................................................... 5
4
Výpočtové vztahy ........................................................................................ 6
5
Postup měření .............................................................................................. 8
6
Tabulka měřených a vypočtených hodnot .................................................... 9
7
6.1
Tabulkové veličiny................................................................................. 9
6.2
Určení charakteristiky čerpadla ............................................................ 10
6.3
Graf č.1 Charakteristika čerpadla - měřená .......................................... 11
6.4
Štítkové hodnoty .................................................................................. 12
6.5
Graf č.2 Charakteristika čerpadla - přepočítaná .................................... 13
Vyhodnocení měřených a vypočítaných hodnot, závěr ............................... 14
7.1
Závěr .................................................................................................... 14
7.2
Použitá literatura .................................................................................. 14
7.3
Použité programy ................................................................................. 14
2
1 Cíl měření
1.) Provést měření úplné charakteristiky čerpadla
2.) Provést srovnání naměřených hodnot se štítkovými daty čerpadla
2 Schéma a popis užitého zařízení
Odstředivé čerpadlo 3 nasává vodu z nádrže 13 a dodává ji do trati, ve které je umístěna
clona 4 na měření průtoku. Velikost průtoku se reguluje ventilem 11. Statické tlaky
dopravované vody v sacím potrubí těsně před čerpadlem a těsně za čerpadlem měříme
deformačními manometry 1a, 1b a 2 umístěnými na ovládacím pultu 12. K měření tlakového
rozdílu na cloně slouží plovákový průtokoměr 6. Otáčky čerpadla měříme elektrickým
otáčkoměrem 9. Změna otáček elektromotoru a jejich udržování na konstantní hodnotě je
zabezpečena použitím regulačního elektromotoru 5 ovládaného tlačítky na regulačním
pultu 12. Příkon elektromotoru je měřen wattmetrickou soupravou 10.
3
4
3 Základní data
Tab.3.1 Základní data měřeného čerpadla
Typ čerpadla
Dopravní výška čerpadla H [m]
Objemový průtok Q [l.min-1]
Výkon čerpadla P [kW]
Otáčky čerpadla n [min-1]
SIGMA Závadka typ 50 NVA 165 LN-FE
34 - 25
200 – 500
5,5
3000
Tab.3.2 Základní data použitého elektromotoru
Typ elektormotoru
ŠKODA typ M 101 IP 21/b regulační
Výkon elektromotoru Pelm [kW]
0,47 – 0,85 – 5,6
Otáčky čerpadla nelm [min-1]
210 – 400 - 2520
Tab.3.3 Základní data použitých deformačních manometrů
Typ manometru
Prema
Rozsah stupnice [dílků]
0–6
Konstanta průtokoměru Kp [Pa/dílek]
9,8065.104
Třída přesnosti [%]
2,5
Prema
0–1
9,8065.104
2,5
Prema
0 – (-1)
9,8065.104
4
Tab.3.4 Základní data použitého otáčkoměru
Typ otáčkoměru
Prema
Rozsah stupnice [dílků]
0 - 40
Konstanta otáčkoměru Kn [min-1/dílek]
100
Třída přesnosti [%]
1,5
Tab.3.5 Základní data použitého plovákového průtokoměru s centrickou clonou
Typ plovákového průtokoměru
ZEPADIF 20/338
Rozsah diferenčního tlaku [Pa]
(0,2 – 0,6). 9,8065.104
Rozsah stupnice [dílků]
0 - 18
Rozsah průtoku [l.min-1]
0 – 540
-1
Konstanta průtokoměru KQ [l.min /dílek]
30
Průměr otvoru clony d [mm]
38,55
Průměr potrubí D [mm]
52,50
Třída přesnosti [%]
3
5
4 Výpočtové vztahy
Charakteristika čerpadla je závislost měrné energie čerpadla Y na hmotnostním průtoku
Qm při konstantních otáčkách čerpadla n.
Objemový průtok Q vody dodávaný čerpadlem určíme z měření na plovákovém
průtokoměru, pro který platí
dQ – odečítané dílky na plovákovém průtokoměru, KQ – konstanta plovákového průtokoměru
Hmotnostní průtok je pak dán vztahem
ρ – hustota kapaliny protékající čerpadlem
Měrná energie čerpadla, která udává mechanickou energii přivedenou kapalině
v čerpadle, je obecně dána vztahem
kde veličiny s indexem 1 se vztahují k podmínkám před čerpadlem a veličiny s indexem 2 se
vztahují k podmínkám za čerpadlem. V uvedeném vztahu jsou veličiny určovány v místech
odběrů tlaků za a před čerpadlem.
v1 a v2
p1 a p2
z1 a z2
ρ
– rychlosti v místě odběru tlaku před a za čerpadlem,
– tlaky v místech jejich odběru před a za čerpadlem,
– polohové výšky těchto odběru tlaků před a za čerpadlem,
– hustota kapaliny protékající čerpadlem
Rychlosti proudící kapaliny v1 a v2 v určených odběrech tlaku před a za čerpadlem
vyplývají z rovnice spojitosti ve tvaru
A1 a A2 – průtočné průřezy potrubí v daných místech odběru tlaku
V případě, že průměry sacího a výtlačného potrubí jsou stejné, jsou i rychlosti v obou
potrubích stejné a rozdíl měrných kinetických energií v základní rovnici pro měrnou energii
čerpadla je roven nule.
Rozdíl tlakových energií je určován jako rozdíl mezi statickými tlaky p2 a p1
měřenými v odběrech tlaku ve stěnách potrubí, z nichž jeden je za a druhý před čerpadlem,
vloženým do potrubí stejného průměru, jímž protéká proud tekutiny. Při určování tohoto tlaku
je nutné uvážit i případný rozdíl ve výšce odběrů před a za uvažovaným primárním prvkem.
6
Rovněž rozdíl ve výškách umístění deformačních manometrů má vliv pro stanovení tohoto
diferenčního tlaku.
Statický tlak p2, měřený za čerpadlem v místě odběru ve výšce z2, je s přetlakem pv,
měřeným na deformačním manometru umístěným ve výšce zv, vázán vztahem
Statický tlak p1, měřený před čerpadlem v místě odběru ve výšce z1, je s přetlakem ps,
měřeným na deformačním manometru umístěným ve výšce zs, vázán vztahem
Uvažované vztahy jsou platné v případě, že spoje mezi uvažovanými místy jsou zcela
zaplněny kapalinou o hustotě ρ.
Rozdíl statických tlaků (p2 – p1) za a před čerpadlem je vázán s údaji deformačních
manometrů (pv – ps), příslušnými výškami odběrů tlaků z2 a z1 a výškami umístění manometrů
zv a zs jednoznačným vztahem.
V případě, že deformační manometry jsou umístěny ve stejné výšce bude zřejmě rozdíl
výšek (zv - zs) nulový.
Definiční vztah pro měrnou energii čerpadla Y, můžeme za použití výše uvedených
předpokladů a vztahů platných pro prováděné měření, přepsat do tvaru
pv a ps
zv a zs
– přetlaky kapaliny měřené za a před čerpadlem
– výšky umístění příslušných manometrů
Je třeba si uvědomit, že hodnota přetlaku má znaménko + a hodnota podtlaku -. Rozdíl
výšek středů manometrů pro měření přetlaku za a před čerpadlem udává převýšení
manometru pro měření tlaku ve výtlačném potrubí oproti manometru v sacím potrubí.
Příkon elektromotoru měřený wattmetrickou soupravou určíme ze vztahu
dPef – údaj wattmetru v dílcích, KPef – konstanta wattmetru
7
Výkon dodávaný odstředivým čerpadlem kapalině vypočítáme ze vztahu
Qm – hmotnostní průtok, Y – měrná energie čerpadla
Účinnost měřeného soustrojí (čerpadlo + elektromotor) je pak dána vztahem
V praxi se dosud setkáváme mimo měrné energie Y s pojmy jako dopravní tlak p a
dopravní výška H. Mezi uvedenými pojmy platí relace
Uvedené průtoky, energie a výkony lze přepočítat na základě podobnosti.
Tyto vztahy lze použít v rozmezí otáček +30% až -50% od štítkových hodnot otáček.
5 Postup měření
Jednotlivé odečítané hodnoty měřených veličin jsou souhrnně uváděny v zápisové tabulce.
Při zápisu naměřených veličin je potřeba důsledně uvádět jednotky těchto měřených veličin.
a)




b)
c)
d)
e)
f)
Provedeme odečet konstant
Teplota vzduchu tb [C]
Tlak vzduchu pb [mm Hg]
Vlhkost vzduchu [%]
Teplota vody tv [C]
Spustíme zavodněné čerpadlo při zavřeném regulačním ventilu ve výtlačném potrubí a
minimálních otáčkách čerpadla.
Nastavíme zvolené otáčky čerpadla.
Nastavíme zvolený průtok pomocí regulačního ventilu ve výtlačném potrubí.
Provedeme odečet měřených veličin:
 Hodnotu otáček čerpadla
 Hodnotu průtoku kapaliny na plovákovém průtokoměru d Q [dílky].
 Hodnotu přetlaku kapaliny ve výtlačném potrubí d pv [dílky].
 Hodnotu přetlaků či podtlaku kapaliny v sacím potrubí d ps [dílky].
 Hodnotu odebíraného příkonu na wattmetrické soupravě dPef [dílky].
Provedeme kontrolní odečet konstant dne.
Odečítání měřených veličin provedeme při postupném otevírání a zavírání regulačního ventilu
a to mezi nulovým a maximálním průtokem včetně úplně uzavřeného regulačního ventilu.
8
6 Tabulka měřených a vypočtených hodnot
6.1 Tabulkové veličiny
Jednotlivé měřené hodnoty a požadované vypočtené hodnoty měrné energie čerpadla,
příkonu elektromotoru a účinnosti soustrojí, jsou uvedeny v zápisové a výpočtové tabulce. Při
zápisu veličin a prováděném výpočtu je potřeba důsledně uvádět jednotky veličin.
V prvé části tabulky jsou uvedeny odečtené konstanty dne p b, tb, φ a tv, základní data o
použité kapalině ρ, plováková konstanta KQ, konstanty deformačních manometrů Kps a Kpv, a
také konstanta pro odečet na wattmetrické soupravě KPef.
V druhé části tabulky je nejprve uveden zápis měřených otáček čerpadla n, průtoku
odečteném na plovákovém průtokoměru dQ, výchylek deformačních manometrů dpv, dps a
údaje wattmetrické soupravy. Údaje jsou doplněny o převýšení deformačních manometrů pro
měření přetlaků před a za čerpadlem (z v-zs).
Poté následuje výpočet objemového průtoku Q, přetlaků či podtlaků kapaliny za a před
čerpadlem. Měrnou energii Y určíme výpočtem z upravené základní rovnice. Po stanovené
příkon Pef odebíraného z elektrické sítě a výkonu P předávaného v čerpadle kapalině je určena
účinnost η zkoušeného soustrojí čerpadlo + regulační elektromotor.
V další části tabulky jsou určeny hmotnostní průtok Qm, dopravní tlak p a dopravní
výška H.
Poté následuje přepočet hmotnostního průtoku Qmš a příkonu čerpadla Pefš, při
uvažování konstantní účinnosti čerpadla η, na štítkové otáčky čerpadla nš. Výpočet je
proveden pomocí vztahů z teorie podobnosti.
v závěru výpočtové tabulky jsou uvedeny štítkové hodnoty čerpadla a to oblast
doporučeného hmotnostního průtoku Qmš a měrné energie čerpadla Y š. Je uveden i změřený
pracovní režim při maximální účinnosti čerpadla přepočítaný na štítkové otáčky čerpadla –
hmotnostní průtok Qmš a měrná energie čerpadla Y š.
9
10
11
12
13
7 Vyhodnocení měřených a vypočítaných hodnot, závěr
7.1 Závěr
Úplná charakteristika proměřovaného odstředivého čerpadla je vynesena v grafu. Jde o
závislost měrné energie čerpadla Y, příkonu měrného soustrojí P ef a jeho účinnosti η na
hmotnostním průtoku Qm. V grafu jsou vyneseny vypočtené hodnoty a jednotlivé body jsou
proloženy křivkami pomocí metody nejmenších čtverců.
Ze změřené charakteristiky čerpadla lze doporučit pracovní režim čerpadla při jeho
maximální účinnosti, tzv. štítkové hodnoty čerpadla, které jsou uvedeny níže v tabulce.
Měřené
Hodnoty
-1
Otáčky čerpadla n [min ]
Hmotnostní průtok Qm [kg.s-1]
Měrná energie čerpadla Y [J.kg-1]
Příkon soustrojí Pef [kW]
Účinnost soustrojí [%]
2400
6,7
189
3,6
35,7
Přepočtené
3000
8,2
295
7,0
35,7
Štítkové
3000
3,33 – 8,33
245,3 – 333,6
5,5
-
Po srovnání přepočítaných naměřených hodnot s údaji na štítku jsme došli k závěru, že
se přepočítané hodnoty víceméně shodují se štítkovými údaji – intervaly.
7.2 Použitá literatura
MAXA, Jiří. Hydromechanika: Laboratorní cvičení. Brno: VA Brno, 1997. 67 s.
MAXA, Jiří. Hydromechanika: Přednášky. Brno: VAAZ Brno, 1988. 298 s.
7.3 Použité programy
MS Excel 2007 – grafy, výpočtová tabulka, výpočet hodnot
MS Word 2007 – text
14