M13
lapdiffúzor jellemzőinek
meghatározása
Az áramlásban (ha az erőtér potenciáljának
változástól eltekintünk, súrlódásmentes és stacioner esetben, összenyomhatatlan
közeg esetén) a Bernoulli-egyenlet szerint:
Az egyenlet első tagját statikus
nyomásnak, a másodikat dinamikus nyomásnak nevezzük. Tehát a
Bernoulli-egyenlet azt sugallja, hogy egy csővezetékben áramló közeg dinamikus
nyomását növelhetjük a statikus nyomás csökkentésével, ill. a dinamikus nyomás
nullára csökkentésével elérhetünk egy maximális nyomást. Ez a torlóponti
nyomás, vagy torló nyomás.
A valóságos áramlásban veszteségek lépnek fel. Amíg a folyadék gyorsítását,
tehát a sebesség növelését a nyomás rovására konfúzorban általában kis
veszteséggel meg lehet valósítani, a sebesség csökkentését viszonylag nagy
veszteségek árán lehet elérni. Sok kutatás folyt és folyik ma is annak
érdekében, hogy az ekkor fellépő veszteségeket minél kisebbre szorítsák le.
Csővezetékek esetében az egyik legegyszerűbb szerkezet a diffúzor, amellyel áramlás irányában a sebességet csökkenteni, a
nyomást növelni lehet.
A diffúzorban a folyadékrészecskék az A1 csőkeresztmetszetet az
A2 keresztmetszettel összekötő bővülő csőszakaszon (=diffúzoron)
keresztül a nagyobb keresztmetszetben érvényes kisebb áramlási sebességgel és nagyobb
statikus nyomással jellemzett A2 keresztmetszet felé, tehát nyomásnövekedés
irányában áramolnak. Az ehhez szükséges munkát a mozgási energiájuk csökkenése
fedezi. A Bernoulli-egyenlet szerint ez a csökkenés éppen egyenlő a nyomás
növekedésével. A valóságban a mozgási energia egy része a veszteségek
fedezésére fordítódik. A súrlódás különösen a csőfal mentén érezteti hatását.
az itt haladó és a fali csúsztató feszültség miatt lelassuló részecskék mozgási
energiája - főleg hirtelen bővülő, nagy nyílásszögű diffúzornál - kevés annak a
munkának a fedezésére, amelyet a faltól távol áramló közeg lassulásból adódó nyomásnövekedése
igényelne. Ezért a fal mellett áramló részecskék lelassulnak, megállnak, sőt
vissza is áramlanak. Ekkor a fal mellett levált zóna alakul ki. A beljebb
áramló rétegek pedig nem követik tovább a csőfal táguló irányát, attól
elválnak. Ezt a jelenséget nevezik határréteg leválásnak, az általa okozott nyomásveszteséget leválási
veszteségnek.
A leválási veszteség főként arra vezethető vissza, hogy a valóságos áramlási keresztmetszet a leválás következtében kevésbé nő, mint ami a diffúzor geometriájából adódna. Rohamosan növekvő diffózorok esetén főként emiatt marad el a nyomás növekedése a Bernoulli-egyenletből számolttól.
Áramlás irányában bővülő keresztmetszetet el tudunk érni úgy is, hogy a közeget két körlap által alkotott radiális csatornába vezetjük. Ez a szerkezet a lapdiffúzor. Szellőztető rendszerekben alkalmazott légbefúvó idomok kialakításának ez az egyik módja.
A mérés célja:
A laboratóriumi mérések során az 1.ábrán látható a cső végére szerelt lapdiffúzor hatásfokát kell meghatározni. A kifúvó elem síkja és a DL átmérőjű lap közötti x távolság alapvetően befolyásolja a kilépő hengerpalást A2 keresztmetszetet. A mérés során az x távolság függvényében kell kimérni a diffúzor hatásfok változását, megkeresni a hatásfok maximumát.
1.ábra: Lapdiffúzor
mérési elrendezés
2. A mérőberendezés leírása
A lapdiffúzor egy radiális ventilátor nyomóoldalára csatlakozó csővezeték végére van szerelve. A radiális ventilátor szívóoldalán beszívó mérőperem található, amely a térfogatáram mérésére szolgál. Ebből tudjuk a keresztmetszetek ismeretében a v1 ill. v2 áramlási sebességeket meghatározni.
3. A mérés elve
Az előbbi ábrákon látható diffúzorban az áramlás az A1 és A2
keresztmetszetek között játszódik le. Az A1 keresztmetszet a
cső kör keresztmetszete, az A2 a DL átmérővel és az x távolsággal jellemezhető hengerpalást
felülete. Akkor működik diffúzorként a berendezés, ha A1 < A2
. Ezt az xmin (A1=A2
esetén számolható) távolság kiszámítása után állítjuk be a mérés elején. A
mérés során xmin egész mm-re
felkerekített értékétől indulva az x
távolságot Dx=1mm-ként növelve 10 különböző A2
keresztmetszetű lapdiffúzor beállítást kell vizsgálni.
FONTOS! A lap x
távolságát Dx=1mm-ként (vagy maximum 1.5mm-ként) változtassuk
(növeljük xmin-től kezdve)
, ennél nagyobb lépésköz esetén a maximális hatásfok helye nehezen határozható
meg a mért adatokból!
Az A1 és A2 keresztmetszetekben általában sem a
nyomás, sem a sebesség nem állandó (sem térben sem időben). A nyomás időbeli
ingadozásta miatt a műszerek leolvasásánál időbeni átlagolást kell végeznünk. A
EMB-001 típ. digitális nyomásmérő kézi eszközt használva az átlagolás
időtartama három (F/M/S) fokozatban állítható (lásd nyomásmérő kezelési
útmutató).
A következő elvi meggondolásokban így mindig a nyomások és a sebességek átlagai szerepelnek.
Hogyan határozzuk
meg diffúzor jóságát?
Definiálunk egy diffúzor hatásfokot, amely a megvalósult nyomásnövekedést, 
, viszonyítja a Bernoulli-egyenletből ideális esetben
létrejöhető nyomásnövekedéshez, 
. Ezt a hányadost nevezzük diffúzor hatásfoknak.
Felírva a Bernoulli-egyenletet az "1" és a "2"
keresztmetszetek között kapjuk, hogy:
.
Így tehát a diffúzor hatásfok:
A mérések során a fenti képletekben szereplő mennyiségeket kell mérni
különböző x távolságra beállított diffúzorlap esetén, majd
a 
hatásfokot
kiszámítani, és az x távolság
függvényében ábrázolni, a mért eredményeket kiértékelni.
4. A mérés lefolytatása
Az
áramlási sebességek meghatározása térfogatáram méréssel
A 
és 
sebességeket a
mérőperem segítségével mért nyomásból határozhatjuk meg minden egyes diffúzor
állásnál, vagyis minden "x"
távolságnál.
A mérések során digitális nyomásmérő műszert célszerű használni. A térfogatáram
meghatározásához a beszívó mérőperemnél lévő nyomáskivezetésen az atmoszférához
képest mérhető nyomáskülönbséget mérve a 
értékből kiszámítható a berendezésen átáramló térfogatáram:
ahol "d" a mérőperem belső átmérője. Az 
beszívó mérőperem
esetén. (e=1)
A diffúzornál a belépő, „1” keresztmetszebeni sebességet a
képlettel számíthatjuk, ahol D a ventilátor nyomóoldalán lévő csőszakasz belső átmérője. A lapdiffúzorból kilépő levegő átlagsebessége pedig:
.
Diffúzor valós nyomásváltozás mérése
Az A1 keresztmetszetnél elhelyezett oldalfali statikus nyomás
mérőpontban lehet a "p1" nyomást mérni, a "p2" nyomás pedig a környezeti p0 nyomás, hiszen a lapdiffúzor
kilépő keresztmetszete a szabadba nyílik, a közeg p0 nyomásra
áramlik ki. Elegendő tehát így p1 nyomást a légköri nyomáshoz
viszonyítva mérnünk, ekkor mindjárt a valóságos nyomásnövekedést mérjük.
Diffúzor oldalfali nyomáseloszlás
mérése
A diffúzorban végbemenő nyomásváltozás mérésére a lap egyik sugara mentén több nyomáskivezetés áll rendelkezésre. A különböző beállított x távolságok esetén, a különböző geometriájú diffúzorok áramképét részletesebben is meg kell megvizsgálni. Erre szolgál a diffúzor oldalán kiépített több statikus nyomásmérő hely. Minden beállításban mérni kell és ábrázolni a nyomáseloszlást, amiből meg lehet keresni a leválás helyét, nagyságát, egyik vagy másik oldali elhelyezkedését, stb.
Szimmetrikus beállítást feltételezve a lap kerülete mentén egy adott
sugáron, az áramlás elvileg nem változik, egy tipikusnak vett állapot esetén
ezt méréssel is igazolni kell. Erre a célra a kilépő keresztmetszetben a
kerület mentén a kilépő sebességet Prandtl-csővel végig kell mérni 15-300-fokonként. Ha a kilépő sebesség a kerület mentén jelentősen változik,
akkor a diffúzor geometriai beállítását ellenőrizni kell, mivel ebben az
esetben a diffúzorlapokon egy sugár mentén mért statikus nyomásértékek nem
jellemzik a diffúzorlap közelében lévő áramlást. (Az áramkép kerület mentén is
változik.)
A mérések során a [2] útmutató 4. fejezetében ismertetett nyomásmérőt
célszerű használni. A számítások során a
levegő sűrűsége, r a mindenkori légállapotból számítható:
ahol 
a mindenkori
barometrikus nyomás, 
és T az aktuális
levegő hőmérséklet K-ben mérve.
5. A mérés kiértékelése és ellenőrzése
irodalmi adatokkal:
A kiértékelés során a diffúzor geometriai adatait pontosan rögzíteni kell. A mért sebesség és nyomásértékeket táblázatosan és diagramok formájában kell elkészíteni
A mérés kiértékelésekor meg kell határozni a diffúzor hatásfokát a lapok közötti résméret függvényében, a kiáramlás egyenletességét a szög függvényében egy adott diffúzorbeállításnál. Továbbá fel kell rajzolni a nyomás sugár menti eloszlását a lapon és a diffúzor-elemen minden beállításra. Az utóbbi felhasználásával a diffúzor lapjai közötti áramképre lehet következtetni.
A kiértékelésre és jegyzőkönyv egyéb formai követelményeire vonatkozó
útmutatásokat kaphatunk [1, 2]-ben.
6. Hibaszámítás:
A mérés hibaszámítását a diffúzor hatásfokra kell
elvégezni az alábbi módon:
A diffúzor hatásfok kifejezése:
Az abszolút hiba számítása:
A relatív hiba:
ahol az Xi mért mennyiségek és a hozzájuk kapcsolódó mérési hibák:
X1=Dpvalós, illetve a nyomásmérés. hibája dDpvalós=2Pa
X2=DpMP, illetve a mérőperemes nyomásmérés hibája dDpMP=2Pa
X3=D, illetve az átmérőmérés hibája dD=1mm
X4=DL, illetve az átmérőmérés hibája dDL=1mm
X5=d, illetve az átmérőmérés hibája (mérőperem) dd=1mm
X6=x, illetve a hosszmérés hibája dx=1mm
7. Diagramok:
· A diffúzor hatásfokot és veszteségtényezőt az x távolság függvényében (az abszolút és relatív hiba értékét is feltüntetve).
· A kiáramlási sebesség a szög függvényében.
· A nyomáseloszlásokat a sugár mentén ábrázolva a lapon és a diffúzorelemen.
A mérés során
nem szabad megfeledkezni
-A mérőberendezés bekapcsolása előtt, illetve általában a
mérőberendezés üzeme során mindig meg kell győződni a balesetmentes használat
feltételeinek teljesüléséről. A bekapcsolásról, illetve a mérés közben
végrehajtott változtatásokról a berendezés környezetében dolgozókat
figyelmeztetni kell.
- Minden mérési alkalommal a légköri nyomás és
teremhőmérséklet feljegyzéséről!
- A felhasznált mérőműszerekről leolvasott értékek
mértékegységének és a rájuk vonatkozó egyéb tényezők (Például a ferdecsöves
mikromanométer mérőszál ferdítési tényezője.) feljegyezéséről.
- A felhasznált mérőműszerek típusának, gyártási számának
és a benne lévő mérőfolyadék sűrűségének
feljegyezéséről!
- A mérőműszerről leolvasott mennyiségek és a további
számításoknál felhasznált mennyiségek mértékegységének egyeztetéséről.
- Az "U-csöves" nyomásmérő elvén működő
mikromanométerek csak megfelelően kivízszintezve használhatók.
- A nyomásmérő bekötésénél figyelmesen kell eljárni a
csatlakozók "+" illetve "-" ágának és a méréshatár
kiválasztásánál. Általában mindegyik manométer típusnál, de kiemelten a
ferdecsöves manométernél, figyelni kell arra, hogy a nyomásmérő csatlakozó
csonkjaira a gumi csövet óvatosan, "ráközelítve", a mérőfolyadék szál
viselkedését figyelemmel kísérve kell felhelyezni. Ha bekötőcsövek tömör
rögzítése előtt a mérőfolyadék szál kitérése megközelíti a maximális kitérést,
úgy ha lehet méréshatárt kell változtatni a műszeren, ha ez nem segít, akkor
nagyobb nyomások mérésére alkalmas műszert kell választani a méréshez.
Ellenkező esetben a mérőfolyadék egy része a bekötőcsőbe áramlik meghamisítva,
esetleg teljesen lehetetlenné téve a mérést
- A nyomásközlő gumi, vagy szilikon csöveket mérés előtt,
esetleg közben is célszerű ellenőrizni, nehogy repedés, szakadás legyen rajtuk,
mert lyukas mérőcső esetén az összes addigi mérési eredmény kárba vész. Az
ellenőrzést szemrevételezéssel, vagy nyomástartási próbával végezhetjük el.
Kritikus pontok a műszerekre ill. a nyomáskivezetésekre történő
csatlakoztatás helyei.
Irodalom
[1] Lajos Tamás: Az áramlástan alapjai, Műegyetemi
Kiadó, Budapest 2005
[2] Áramlástan Tanszék honlapja: www.ara.bme.hu