EVIDENČNÍ FORMULÁŘ. 3. Kategorie výsledku: ověřená technologie specializované mapy. 4. Název výsledku: Nestacionární proudění oleje v potrubí

Transkript

1 EVIDENČNÍ FORMULÁŘ 1. Tvůrce(i): Jméno a příjmení, titul: Jana Jablonská, Ing., Ph.D. Adresa bydliště: Šimáčková 1220, Ostrava - Mariánské Hory, Název zaměstnavatele: VŠB-TU Ostrava Sídlo zaměstnavatele: 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, IČ zaměstnavatele: Oddělení/útvar: Katedra hydromechniky a hydraulických zařízení Telefonní číslo/a: jana.rautova@vsb.cz Příspěvek tvůrce (slovně): Návrh a realizace experimentálního zařízení pro měření neustáleného proudění oleje v potrubí. Podíl na řešení v %: Informace o projektu Název projektu v rámci kterého předkládaný výsledek vznikl: Příležitost pro mladé výzkumníky Evidenční číslo projektu přidělené poskytovatelem: CZ 1.07/2.3.00/ (číslo projektu pro potřeby OBD/RIV EE ) Doba řešení projektu: 3 roky Stručný popis projektu: Cílem projektu je podpora a zkvalitnění personálního zabezpečení výzkumu a rozvoj výzkumného potenciálu na VŠB-TUO. Projekt umožní rozšířit základnu vědecko-výzkumných týmů v návaznosti na strategické směry výzkumu definované VŠB-TUO: suroviny, energetika a ekologie, informační technologie, nové materiály, konstrukce a technologie, bezpečnostní výzkum, konkurenceschopné strojírenství, řízení, rozhodování a modelování ekonomických a finančních procesů. Tyto cíle umožňují zapojení do mezinárodních vědeckých a výzkumných struktur. Vědecké týmy mají přispět k posílení mobility, spolupráce a rozvoji vědy a výzkumu především prostřednictvím výuky školení, workshopů a dalších vzdělávacích aktivit k přenosu informací k cílovým skupinám projektu. 3. Kategorie výsledku: poloprovoz ověřená technologie prototyp certifikovaná metodika funkční vzorek software specializované mapy výzkumná zpráva 4. Název výsledku: Nestacionární proudění oleje v potrubí 5. Stručný popis výsledku (co je podstatou výsledku a co je v něm nové): Výsledkem je laboratorní zařízení pro měření neustálého proudění oleje v potrubí. Zařízení umožňuje studentům objasnit problematiku hydraulického rázu, opačného hydraulického rázu a vliv vzduchu obsaženého v oleji na dynamické změny. Je příkladem aplikace změny kinetické energie na deformační práci. S tímto jevem se v praxi setkáváme u dlouhého potrubí, které je nutno uzavřít v určitém časovém limitu. Uzavírací prvek je na začátku a také na konci potrubí, proto lze testovat klasický hydraulický ráz s uzavíráním 1

2 na konci potrubí a s pozorováním nárůstu tlaku u uzavřeného ventilu. A také lze pozorovat opačný hydraulický ráz, kdy uzavíráme ventil na začátku potrubí a pozorujeme utržení proudu kapaliny. Studenti jsou nuceni provést zapojení snímačů do obvodu, nastavení snímačů na měřícím zařízení, provést měření při uzavření ventilu na konci potrubí a následně provést měření s uzavřením ventilu na začátku potrubí. Změřit charakteristiku použitého čerpadla, zaznamenat si provozní podmínky apod. Z měření je nutno určit potřebné parametry pro vyhodnocení měření a další využití výsledků (např. pro modelování). 6. Technické parametry výsledku (uveďte technické aj. parametry charakterizující výstup): Zdroj tlakové energie: axiální pístový hydrogenerátor PP AR AP, výrobce HYDRAULIKA VRCHLABÍ, geometrický objem V g = 51,22 cm 3, max. tlak na výstupu p max = 32 MPa, jmenovitý průtok Q v = 63 dm 3.min -1, jmenovité otáčky n = 1800 ot.min -1. Ocelové potrubí TR 18L, plastová trubka TR30x5, hadice 2SN16FLH DKOL-DKOL90-délka M26x1,5 (18L). Odsekávací ventil: VEI-8A-2T-06-NA-S, SIZE 08, OD Y-S0, výrobce Rexroth Bosch. Pracovní kapalina: minerální olej třídy HLP VG46 (teplota okolí +5 C C) Hydraulická nádrž: objem V N1 = 200 dm 3, V N2 = 200 dm 3 7. Ekonomické parametry výsledku (např. roční zvýšení objemu výroby, zisku, exportu, atd.): Zařízení pro měření neustáleného proudění oleje v potrubí představuje specifické laboratorní zařízení, které je určeno především pro studenty pro objasnění a upevnění představy o smyslu a principu tohoto měření. V případě zájmu, lze zařízení také využívat ke komerčním účelům. 8. Oblast průmyslové využitelnosti výsledku: Průmyslová využitelnost experimentálního zařízení pro měření neustáleného proudění oleje v potrubí je charakterizovaná určením nárůstu, resp. poklesu tlaku při rychlé uzavření ventilu. Následně lze zkoumat oblast nárůstu tlaku při uzavření ventilu na konci potrubí a oblast poklesu tlaku při uzavření ventilu na začátku potrubí. Z důvodu opakovatelnosti podmínek měření jsou v obvodu dvě nádrže, jelikož je nutné znát obsah vzduchu v oleji. Experimentální měřící zařízení může být využito ke zkoumání vzniku vzduchového mraku (popř. kavitace) při uzavírání ventilu na začátku potrubí. Měřené fyzikální veličiny (tlak, průtok) slouží jako vstupní data k numerické simulací prováděné pomocí software Matlab Simulink a ANSYS Fluent. Výsledky experimentálního měření poskytují možnost verifikace definovaných matematických modelů dynamických změn a vzájemné porovnání vyhodnocené oblasti. 9. Výkres (je-li nutný) na listu formátu A4, pokud možno na výšku, se vztahovými značkami označujícími jednotlivé prvky řešení (výkres by měl být proveden trvanlivými černými čarami, bez použití jiných barev a stínování): 2

3 HG2 N1 YV2 N2 YV1 HG1 obr. 1 Schéma obvodu Popis schématu: N1 zdrojová nádrž s olejem, N2 přečerpávací nádrž s olejem, HG1 - axiální pístový hydrogenerátor s regulací, HG2 - zubový hydrogenerátor, YV1 odsekávací ventil na konci potrubí, YV2 odsekávací ventil na začátku potrubí, Popis funkce obvodu Hlavním prvkem celého zařízení je hydrogenerátor s ruční regulací HG1, který čerpá olej z nádrže N1 do potrubního systému. V nádrži N1 je umístěný hladinoměr. Za čerpadlem je umístěný průtokoměr a následuje kostka s odsekávacím ventilem YV2, který slouží pro realizaci opačného hydraulického rázu (uzavírání na začátku potrubí). Do kostky je následně připojeno potrubí vyrobené z plexi materiálu, tzn. průhledné potrubí, na kterém je pozorovnám vzduchový mrak (kavitace), při náhlém uzavření ventilu. Toto potrubí je vyměnitelné, jelikož při realizaci klasického hydraulického rázu může dojít k jeho znehodnocení. Následuje kovové potrubí, dlouhé 4m, které je opět ukončeno potrubím vyrobeným z plexi materiálu, kostkou a odsekávacím ventilem YV1. Následně kapalina proudí do nádrže N2. Při přečerpání kapaliny z nádrže N1 do nádže N2 je ukončeno měření, jelikož nelze zajistit opakovatelnost, tzn. olej již je zavzdušněný a jeho obsah v kapalině lze určit jen odhadem. Kapalina se přečerpá hydrogenerátorem HG2 do nádrže N1 a nechá se v klidu min. 24 hodin. V obvodu jsou umístěné minimezky pro měření tlaku. 10. Seznam vztahových značek: N1 zdrojová nádrž s olejem, N2 přečerpávací nádrž s olejem, HG1 - axiální pístový hydrogenerátor s regulací, HG2 - zubový hydrogenerátor, YV1 odsekávací ventil na konci potrubí, YV2 odsekávací ventil na začátku potrubí, 11. Podpůrné dokumenty, např. texty, kresby, fotografie, grafy, náčrty, vývojové diagramy, data o výkonu, zprávy: 3

4 hadice do nádrže N2 potrubí průtokoměr snímač nádrž N2 tlakoměr plastové potrubí YV1 YV2 teploměr snímač průtoku přívodní hadice z nádrže N1 hladinoměr obr. 2 Realizovaný obvod kostka nádrž N1 přívodní hadice z nádrže N1 elektromotor pojisntý ventil minimezka pro připojení tlakoměru ruční ovládání HG1 hydrogenerátor HG1 obr. 3 Zdrojová část obvodu 4

5 elektro skříňka ovládací dispay filtr elektromotor s hydrogenerátorem HG2 hladinoměr nádrž N2 vedení sloužící pro přečerpání z nádrže N2 do nádrže N1 hadice spojující obvod s nádrží N2 obr. 4 Přečerpávací část obvodu Postup měření 1. Seznámení se s obvodem, na kterém bude probíhat měření. 2. Nainstalování všech potřebných čidel pro měření (tlakoměry, průtokoměr, teplota), frekvence snímání, doby snímání. 3. Nastavení čidel na měřícím zařízení. 4. Zapnutí elektro skříňky. 5. Zapnutí čerpadla. 6. Provedení měření snímání dat - v ustáleném stavu při otevřeném ventilu, uzavření ventilu a ustálený stav při uzavřeném ventilu. Měření trvá cca 10s. Otevření ventilu. 7. Naměření charakteristiky čerpadla při daném nastavení průtoku a tlaku na pojistném ventilu. Odečet průtoku a tlaků na vstupu a výstupu z čerpadla, přivření kulového kohoutu za čerpadlem a opětovné odečtení průtoku a tlaků na vstupu a výstupu z čerpadla. Je nutno naměřit minimálně 8 hodnot. 8. Vypnutí čerpadla. 5

6 Vzorová tabulka naměřených hodnot (část) \Name of source file: 01_A <new> \Recording from :00 \Channels: 5 \Scanning rate: 1 ms = sec \Variable 1: p1(bar) \Variable 2: p2(bar) \Variable 3: p3(bar) \Variable 4: T1( C) \Variable 5: Q1(l/min) \Internal mark:0h0 čas p1 p2 p3 T Q s bar bar bar C l/min 0 2,185 1,904 1,929 27,406 14,928 0,001 2,185 1,904 1,929 27,406 14,928 0,002 2,198 1,904 1,929 27,406 14,928 0,003 2,208 1,904 1,929 27,406 14,928 0,004 2,183 1,904 1,908 27,406 14,928 0,005 2,16 1,904 1,908 27,406 14,928 0,006 2,163 1,904 1,908 27,406 14,928 9,996 1,938 1,762 1,693 27,478 13,612 9,997 1,928 1,762 1,672 27,549 13,612 9,998 1,913 1,762 1,672 27,549 13,612 9,999 1,92 1,762 1,672 27,478 13, ,935 1,619 1,693 27,478 13,612 Naměřené hodnoty obr. 5 Naměřená data 6

7 obr. 6 Uzavírání ventilu na konci potrubí obr. 7 Uzavírání ventilu na začátku potrubí obr. 8 Charakteristika čerpadla pro dané měření 7

8 proudění oleje čistý olej uzavření ventilu na začátku potrubí, vznik vzduchové mlhy (kavitace) úbytek vzduchu v kavitačním oblaku mlhy obr. 9 Vyhodnocení měření pomocí foto záznamu (viz video v příloze) Vzorová tabulka vypočtených hodnot VG46 vlastnosti kapaliny v závislosti na teplotě T hustota viskozita K C kg/m3 cst Pa , ,19 1,79E , ,608 1,77E , ,488 1,75E , ,04 1,72E ,626 1,70E , ,731 1,68E , ,939 1,65E ,504 91,9093 1,63E+09 VG46 vlastnosti kapaliny Parametry hydraulického rázu teplota oleje 20 C hustota 879 kg/m3 rychlost zvuku v kapalině 1389,965 m/s viskozita 130,626 cst dobra běhu vlny 0, s K 1,70E+09 Pa dobra běhu vlny 3, ms Re 115,8294 8

9 Relativní tlak ustálený stav otevřeno teplota na začátku měření T 20 C průtok při otevřeném ventilu Qv 14,26 l/min 0, m3/s tlak na sání čerpadla p Pa tlak na výtlaku z čerpadla p Pa tlak na začátku potrubí p Pa tlak na konci potrubí p Pa ustálený stav zavřeno teplota na konci měření T 27 C průtok při uzavřenémventilu Qv 0 l/min tlak na sání čerpadla p Pa tlak na výtlaku z čerpadla p Pa tlak na začátku potrubí p Pa tlak na konci potrubí p Pa Charakteristika čerpadla p1 p2 delta p p1 p2 Y Q bar bar bar Pa Pa J.kg 1 l/min 5 0,046 3,284 3, ,8 14,352 5,5 0,046 3,355 3, ,6 14, ,046 3,355 3, ,6 14,749 6,5 0,025 3,498 3, ,5 14, ,046 3,57 3, ,0 14,484 7,5 0,046 3,57 3, ,0 13, ,046 3,498 3, ,2 13,97 8,5 0,046 3,784 3, ,5 13,28 9,01 0,046 3,57 3, ,0 12,648 Vyhodnocení měření 1. rychlost zvuku v kapalině a K. 2. dobra běhu vlny 2L T. a 3. Reynoldsovo číslo v d Re. 4. rychlost v potrubí Q S v Q 4 Q v 2 S d. p 5. Měrná energie čerpadla 2 p Y 1 6. Postup výpočtu opakujme pro všechny naměřené hodnoty. 7. Sestrojení závislost viz obr Zařízení je umístěno v laboratoři N108. Tvůrce(i) parafuje(í) každou stranu formuláře. V Ostravě dne Jméno a příjmení: Jana Jablonská Podpis:... Formulář odevzdejte ve dvou vyhotoveních: jedno v písemné podobě a jedno v elektronické podobě. 9