STROJNĚ-TECHNOLOGICKÝ NÁVRH HYDRAULICKÉHO OKRUHU LABORATOŘE VYŠŠÍ ODBORNÉ ŠKOLY STAVEBNÍ VE VYSOKÉM MÝTĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF WATER STRUCTURES STROJNĚ-TECHNOLOGICKÝ NÁVRH HYDRAULICKÉHO OKRUHU LABORATOŘE VYŠŠÍ ODBORNÉ ŠKOLY STAVEBNÍ VE VYSOKÉM MÝTĚ THE MACHINE-TECHNOLOGICAL DESIGN OF THE HYDRAULIC CIRCUIT OF LABORATORIES OF VYŠŠÍ ODBORNÁ ŠKOLA STAVEBNÍ IN VYSOKÉ MÝTO DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. VLADIMÍR HAMOUZ Ing. MICHAL ŽOUŽELA, Ph.D. BRNO 2013

2

3

4 ABSTRAKT prezentuje strojně - technologický návrh hydraulického okruhu laboratoře, který je součástí projektové dokumentace. Hlavní části práce jsou hydraulický okruh, hydraulický měrný žlab a algoritmus řízení čerpací stanice a vizualizace ovládání hydraulického okruhu na displeji. KLÍČOVÁ SLOVA Čerpadlo, hydraulický okruh, hydraulický měrný žlab, čerpací stanice, laboratoř, měrné zařízení, algoritmus řízení, řídicí systém, vizualizace. ABSTRACT Master s thesis presents the machine - technological design of the hydraulic circuit of laboratory, which is part of project documentation. The main part s of thesis are hydraulic circle and hydraulic measuring flume and control algorithm of pumping stations and visualization of control of hydraulic circuit to display. KEYWORDS Pump, hydraulic circuit, hydraulic measuring flume, pump station, laboratory, measurement facility, control algorithm, control system, visualisation.

5 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VŠKP HAMOUZ, Vladimír. Strojně - technologický návrh hydraulického okruhu laboratoře Vyšší odborné školy stavební ve Vysokém Mýtě. Brno, s., 134 s. příl.. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce Ing. Michal Žoužela, Ph.D.

6 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně a že jsem uvedl(a) všechny použité informační zdroje. V Brně dne podpis autora Vladimír Hamouz

7 PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu mé diplomové práce panu Ing. Michalu Žouželovi, Ph.D. při zpracování mé diplomové práce za příkladnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc.

8 SEZNAM PŘÍLOH 1. PRŮVODNÍ ZPRÁVA 2. TECHNICKÁ ZPRÁVA, SEZNAM STROJŮ A ZAŘÍZENÍ 2.1. Technická zpráva hydraulický okruh, hydraulický žlab 2.2 Seznam strojů a zařízení hydraulický okruh, hydraulický žlab 3. STÁVAJÍCÍ STAV 3.A Půdorys 1.NP, podélný řez A-A, příčný řez B-B 4. STROJNĚ - TECHNOLOGICKÝ NÁVRH HYDRAULICKÉHO OKRUHU 4.A Půdorys 1.NP 4.B Podélný řez B-B 4.C Podélný řez D-D 4.D Příčné řezy A-A, C-C 5. STROJNĚ - TECHNOLOGICKÝ NÁVRH HYDRAULICKÉHO ŽLABU 5.A Půdorysy žlabu B-B, C-C, D-D a podélný řez A-A 5.B Příčné řezy žlabem E-E, F-F, G-G a detaily 6. HYDROTECHNICKÉ VÝPOČTY HYDRAULICKÉHO OKRUHU 6.1 Hydrotechnické výpočty textová část 6.2 Hydrotechnické výpočty výpočtová část 7. ALGORITMUS ŘÍZENÍ ČERPACÍ STANICE A VIZUALIZACE OVLÁDÁNÍ HYDRAULICKÉHO OKRUHU 7.1 Algoritmus řízení čerpací stanice a vizualizace ovládání hydraulického okruhu 7.A Algoritmus řízení vývojový diagram

9 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ A TABULEK Obrázky Příloha 1 - Průvodní zpráva Obr. 1 Stávající stav místnosti pro budoucí laboratoř (pohled ze vstupních dveří).4 Obr. 2 Stávající stav místnosti pro budoucí laboratoř (pohled ke vstupním dveřím)..5 Obr. 3 Sonda ve stávající podlaze..6 Obr. 4 Ponorné čerpadlo Flygt NS MT (pouze ukázkové tento typ neodpovídá skutečnosti)..8 Obr. 5 Indukční průtokoměr (fotografie z laboratoře v budově B FAST VUT v Brně)...8 Obr. 6 Klapkové uzávěry, vpravo s připojeným servopohonem Regada.9 Příloha 2 - Technická zpráva, seznam strojů a zařízení Příloha 3 - Stávající stav Příloha 4 - Strojně - technologický návrh hydraulického okruhu Příloha 5 - Strojně - technologický návrh hydraulického žlabu Příloha 6 - Hydrotechnické výpočty hydraulického okruhu Obr. 1 Schéma hydraulického okruhu pro sestavení výpočtových schémat...4 Obr. 2 Paralelní zapojení čerpadel....6 Příloha 7 - Algoritmus řízení čerpací stanice a vizualizace ovládání hydraulického okruhu Obr. 1 Schéma hydraulického okruhu pro sestavení algoritmu řízení....4 Obr. 2 Dotykový displej firmy B&R s rozlišením 640x480 pixelů....5 Obr. 3 Vizualizace ovládání hydraulického okruhu....6 Tabulky Příloha 1 - Průvodní zpráva Příloha 2 - Technická zpráva, seznam strojů a zařízení Příloha 3 - Stávající stav

10 Příloha 4 - Strojně - technologický návrh hydraulického okruhu Příloha 5 - Strojně - technologický návrh hydraulického žlabu Příloha 6 - Hydrotechnické výpočty hydraulického okruhu Tabulka 1 Výpočtová schémata hydraulického okruhu..4 Tabulka 2 Hodnoty součinitelů ztráty místní ξ...9 Příloha 7 - Algoritmus řízení čerpací stanice a vizualizace ovládání hydraulického okruhu Tabulka 1 Výpočtová schémata hydraulického okruhu...4

11 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratky ČM1 čerpadlo označené číslem 1 ČM2 čerpadlo označené číslem 2 ČS čerpací stanice FAST..fakulta stavební LVV Laboratoř vodohospodářského výzkumu M3 M10...klapkové uzávěry 3 až 10 MŽ..měrný žlab OZS. otevřeno; zavřeno, stop PID.. proporcionálně integračně derivační R..rezerva SŠ...střední škola V.....výuka V Z... vypnuto; zapnuto VOŠ.... vyšší odborná škola VUT.... vysoké učení technické Symboly průměr potrubí...dn.. [m] gravitační zrychlení g..[m/s 2 ] výška vodního sloupce h. [m] ztráty místní h m...[m] maximální statická výška....h max. [m] minimální statická výška h min. [m] ztráty třením po délce..h t.... [m] drsnost potrubí... (k)... [m] délka potrubí L. [m] otáčky čerpadla... n... [1/min] příkon čerpadla...p... [kw] průtok. Q... [m 3 ] Reynoldsovo kritérium..re.. [-] průřezová plocha....s.... [m 2 ] průřezová rychlost..v... [m/s] Coriolisovo číslo α... [-] součinitel ztráty třením.. λ [-] kinematická viskozita....ν... [m 2 /s] součinitel místních ztrát. ξ... [-]

12 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A WEBOVÝCH STRÁNEK [1] JANDORA, J. a ŠULC J. Hydraulika. Modul 01. Brno: CERM Brno, [2] MILLER, D.S. Internal flow system. BHRA, [3] KOLÁŘ, V.; VINOPAL, S. Hydraulika průmyslových armatur. STNL Praha, [4] ŽOUŽELA, M. Návrh hydraulického okruhu laboratoře VOŠ stavební a SŠ stavební Vysoké Mýto. Výzkumná zpráva, LVV FAST VUT v Brně, [5] CICHRA, R., ŠNELEROVÁ, M., ŽOUŽELA, M. Inovace čerpací stanice Laboratoře vodohospodářského výzkumu. Prováděcí projekt strojně technologické části, LVV FAST VUT v Brně, [6] ŠNELEROVÁ M. Návrh algoritmu a vizualizace řídicího systému čerpací stanice Laboratoře vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb. Studentská vědecká odborná činnost 2008 IX. Ročník česko-slovenského kola. Ostrava [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] CODE, s.r.o. projekt

13

14 1. PRŮVODNÍ ZPRÁVA OBSAH 1 ÚVOD SOUČASNÝ STAV POPIS NAVRHOVANÉHO HYDRAULICKÉHO OKRUHU KONCEPCE HYDRAULICKÉHO OKRUHU STROJNÍ ZAŘÍZENÍ HYDRAULICKÉHO OKRUHU ZÁVĚR

15 1 ÚVOD Vyšší odborná škola stavební ve Vysokém Mýtě, jejíž součástí je studijní obor Vodní hospodářství, má zájem o vybudování hydraulického okruhu (vodohospodářské laboratoře) pro zkvalitnění výuky předmětů hydrauliky a hydrologie. O vytvoření projektové dokumentace byla požádána Laboratoř vodohospodářského výzkumu (LVV) Ústavu vodních staveb sídlící v budově B Fakulty stavební VUT v Brně, která zajišťuje vědeckovýzkumnou a pedagogickou činnost v oblasti hydrotechniky již od počátku 20. století, kdy byla postavena. Cílem diplomové práce je vytvoření projektové dokumentace, která se bude týkat návrhu strojně - technologických konstrukcí hydraulického okruhu v budoucí laboratoři a umožňující modelový výzkum a měření v oblasti hydrotechniky. V uvažovaném prostoru pro umístění laboratoře bylo třeba vyprojektovat a umístit čerpací podzemní jímku s ponornými čerpadly. Navrhnout a posoudit dimenze rozvodných potrubí navazující na ponorná čerpadla. Posledními prvky, které jsou nezbytné pro vytvoření laboratoře jako celku, byl návrh třech měrných zařízení 1, z nichž nejdůležitější je hydraulický měrný žlab. Náplní diplomové práce je 7 příloh, které obsahují průvodní zprávu, technickou zprávu se seznamem strojů a zařízení, výkresy stávajícího stavu prostoru, kde bude vytvořen hydraulický okruh. Dále diplomová práce obsahuje strojně - technologické výkresy hydraulického okruhu a žlabu. Důležitou součástí práce jsou hydrotechnické výpočty hydraulického okruhu a algoritmus řízení čerpací stanice doplněný o vizualizaci ovládání hydraulického okruhu, jež bude zobrazena na ovládacím dotykovém panelu laboratoře. byla zpracována společně s prováděcí projektovou dokumentací hydraulické laboratoře. Všechny v práci uvedené informace byly uveřejněny se souhlasem zástupce investora Vyšší odborné školy stavební ve Vysokém Mýtě. 2 SOUČASNÝ STAV Místnost budoucí laboratoře se nachází v 1.NP budovy VOŠ stavební ve Vysokém Mýtě. Prostory po umístění hydraulického okruhu mají rozměry 9,43 m na délku a 2,45 m na šířku a přibližnou plochou místnosti 23,1 m 2. Světlá výška místnosti je na hodnotě 3,19 m. Z fotografií (viz Obr. 1, Obr. 2) a výkresové dokumentace poskytnuté firmou CODE, s.r.o. 1 V této diplomové práci je pro různé měrné trati používán společný termín měrné zařízení. 3

16 (viz Příloha 3) je možné vidět, že vstupní dveře jsou široké 900 mm a místnost prosvětlují tři okna s rozměry 1500 x 1500 mm. Úprava stěn místnosti je vápenným štukem a byla provedena roku 2000, povrch stropu taktéž vápenným štukem bez uvedení data provedení. Místnost je vytápěná a je důležité zdůraznit, že trubní vedení (viz Obr. 2) je situované u stropu a zasahuje tak do prostoru místnosti, což je významná informace, kterou je třeba při návrhu hydraulického okruhu zohlednit. Obr. 1 Stávající stav místnosti pro budoucí laboratoř (pohled ze vstupních dveří) 4

17 Obr. 2 Stávající stav místnosti pro budoucí laboratoř (pohled ke vstupním dveřím) Podlaha místnosti je pokryta dlažbou a bylo zjištěna mocnost podkladních vrstev betonu (viz Obr. 3) pomocí vrtané sondy. Ukázalo se, že stávající podlaha je dostatečně únosná pro navržený hydraulický žlab a nebude třeba ji nikterak upravovat. Dojde pouze k položení nové dlažby. 5

18 Obr. 3 Sonda ve stávající podlaze 3 POPIS NAVRHOVANÉHO HYDRAULICKÉHO OKRUHU 3.1 KONCEPCE HYDRAULICKÉHO OKRUHU Hned za vchodem do místnosti bude vybudována podzemní akumulační nádrž na vodu o maximálním objemu 4,4 m 3, která bude současně tvořit čerpací jímku pro dvě ponorná odstředivá čerpadla. Vpravo za dveřmi bude umístěn elektro - rozvaděč s dotykovým displejem, kterým bude mít uživatel možnost řídit hydraulický kruh. Dále bude vpravo na volné zdi mezi okny připevněna informační tabule zobrazující aktuální hodnoty protékajících průtoků měrnými tratěmi. Hydraulický okruh budou tvořit potrubí dvou světlostí DN100 a DN50, které budou napájet tři měrné tratě s následujícím označením: měrný žlab MŽ, rezerva R a výuka V. Měrný žlab a rezerva budou napájeny primárně potrubím DN100 a výuka potrubím DN50. Nedílnou součástí potrubí budou také důležité armatury nutné k plnohodnotnému provozu 6

19 hydraulického okruhu, zpětné a uzavírací klapky ovládané servopohony a indukční průtokoměry pro stanovení aktuálních průtočných množství. Největší z navržených měrných tratí je měrný žlab. Celková délka žlabu i s prostorem pro uklidnění proudu vody a prostorem pro odvod vody bude 6,45 m, z toho 5,65 m tvoří jeho čistá účinná délka. Druhou měrnou trať tvoří trať rezervní, do které bude přiváděna voda primárně potrubím DN100, na nějž bude možno napojit zmenšený hydraulický model například přehrady nebo jezové konstrukce s MVE s tím, že model může být umístěn na podlaze vedle měrného žlabu. Třetí z měrných tratí je určena pro simulaci mechanických ztrát energie a je napájena potrubím DN50. Na konci tohoto potrubí za klapkovým uzávěrem bude připevněn ještě kulový uzávěr, který bude případným přiškrcováním vytvářet ztrátu potřebnou ke snížení požadovaných průtočných množství. Osazení klapkových uzávěrů s elektro - technickými prvky umožní automatické řízení hydraulického okruhu. Systém proudění vody do měrných zařízení bude v tlakovém režimu a bude umožňovat provozování dvou hydraulických měrných zařízení současně nezávisle na sobě. Čerpací stanice bude umožňovat řízení průtoků v reálném čase, a tím zajistí možnost simulace pomalu se měnícího proudění. 3.2 STROJNÍ ZAŘÍZENÍ HYDRAULICKÉHO OKRUHU Hnacím motorem čerpací stanice budou dvě ponorná čerpadla Flygt NS MT (viz Obr. 4), označená ČM1 a ČM2. Obrázek čerpadla je použitý z katalogu technických specifikací firmy Flygt [7]. Tato čerpadla budou pevně připojena přírubami k výtlačnému potrubí. Obě ponorná čerpadla budou schopna při odpovídající dopravní výšce čerpat až 36 l/s, a to v závislosti na napájené trati. 7

20 Obr. 4 Ponorné čerpadlo Flygt NS MT (informativní zobrazení, které neodpovídá zcela přesně navrženému typu) Možnost změny hodnoty průtoku bude v závislosti na změně frekvence otáčení rotoru čerpadla s PID 2 regulační zpětnou vazbou na skutečné průtočné množství před měrným zařízením. Toto aktuální průtočné množství bude měřeno pomocí indukčních průtokoměrů (viz Obr. 5), které budou nainstalovány na obou profilech potrubí DN50 i DN100. Obr. 5 Indukční průtokoměr (fotografie z laboratoře v budově B FAST VUT v Brně) Dimenze výtlačných i rozvodných potrubí jsou navrženy tak, aby zajistily dostačující tlakové poměry a hlavně požadovanou průtočnou kapacitu. Aby bylo možné provozovat 2 PID regulace je softwarová aplikace skládající se z proporcionální, integrační a derivační složky a má za úkol minimalizovat regulační odchylku mezi žádanou a aktuální hodnotou. V našem případě se jedná o regulační odchylku okamžitého průtoku. 8

21 měrná zařízení současně, bude na potrubí systematicky rozmístěno 8 klapkových uzávěrů (viz Obr. 5), což je patrné v příloze 4 (Strojně - technologický návrh hydraulického okruhu). Obrázek klapkového uzávěru je použitý z webových stránek firmy Armatury group prodávající značku klapek Proxima [8]. Obr. 5 Klapkové uzávěry, vpravo s připojeným servopohonem Regada Klapkové uzávěry bude možné dálkově ovládat pomocí řídicího systému. Tento řídicí systém bude řízen prostřednictvím dotykového displeje v laboratoři nebo vzdáleným počítačem po zadání přístupového klíče. Způsob provozování čerpací stanice při automatickém nebo ručním řízení hydraulického okruhu včetně způsobu manipulace s klapkami je detailně řešeno v příloze 7 (Algoritmus řízení čerpací stanice a vizualizace ovládání hydraulického okruhu). 4 ZÁVĚR Cílem diplomové práce bylo vytvořit projektovou dokumentaci týkající se návrhu hydraulického okruhu laboratoře pro Vyšší odbornou školu stavební ve Vysokém Mýtě, která má zájem vybudovat ho v rámci dotace z fondů Pardubického kraje. Navržená laboratoř hydraulického okruhu bude zřízena pro zkvalitnění výuky vodohospodářských předmětů nebo vědeckovýzkumné činnosti. Tato laboratoř bude umožňovat modelový výzkum a měření v oblasti hydrauliky a hydrologie. V zájmovém prostoru byla vyprojektována a umístěna čerpací podzemní jímka s ponornými čerpadly. Dále zde byla navržena rozvodná potrubí a posouzena jejich dimenze. Hlavními funkčními prvky, 9

22 které byly nezbytné pro vytvoření laboratoře jako celku, byl návrh třech měrných zařízení, z nichž dominuje hydraulický měrný žlab. Všechna tato měrná zařízení jsou ovladatelná pomocí řídicího systému (algoritmu řízení čerpací stanice a vizualizace ovládaní na dotykovém displeji), jenž je taktéž součástí diplomové práce. Projektová dokumentace v předložené diplomové práci zahrnující jednotlivé přílohy 1 7 je zpracována v tištěné i digitální podobě. Předložená diplomová práce má jednoznačný aplikační charakter a využití v praxi. 10