POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
Wydział Budownictwa
i In
Ŝ
ynierii
Ś
rodowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zaj
ęć
laboratoryjnych
Temat
ć
wiczenia
:
CECHOWANIE ZW
Ęś
KI VENTURIEGO
Ć
wiczenie nr
3
Laboratorium z przedmiotu
IN
ś
YNIERIA PROCESOWA
Opracował:
dr in
Ŝ
. Andrzej Gajewski
dr in
Ŝ
. Piotr Rynkowski
Białystok 2009
Kod:
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Cechowanie zwęŜki Venturiego
2
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest przypomnienie zasady działania zwęŜki Venturiego jako
przyrządu do pomiaru strumienia masy płynu i prędkości średniej oraz zapoznanie studenta
z cechowaniem zwęŜki.
2. Podstawy teoretyczne.
ZwęŜka Venturiego składa się z konfuzora, zwęŜki i dyfuzora.
P
1
Strat
∆
P
P
P
Rys. 1. Szkic zwęŜki Venturiego
Rysunek nr 1 przedstawia schematycznie przekrój przez zwęŜkę Venturiego,
stosowaną do pomiaru wydatku wody przepływającej rurą. Zakładając jednorodny rozkład
prędkości moŜemy zapisać równania Bernouliego i ciągłości cieczy nieściśliwej:
2
2
1
1
2
2
w
w
1
1
2
2
c
p
c
p
2
2
F c = F c
+
=
+
ρ
ρ
(1)
gdzie:
ρ
w
- gęstość wody,
c
1
, c
2
,, p
1
, p
2
- odpowiednio - wartości średnie prędkości i ciśnień w przekrojach 1 i 2.
Wprowadzając oznaczenie:
m
d
d
=
2
1
2
(2)
wydatek objętościowy mierzony przy pomocy zwęŜki moŜemy wyrazić następującym
wzorem:
(
)
2
w
2
1
F
p
p
2
Q
⋅
ρ
−
⋅
α
⋅
ε
=
(3)
gdzie: p
1
- p
2
= gh (
ρ
Hg
− ρ
w
),
ε −
współczynnik ekspansji (dla cieczy
ε
= 1, dla gazów jest funkcją ilorazu
[(p
1
p
2
)/p
1
], wykładnika izentropy i modułu zwęŜki m.
α −
liczba przepływu,
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Cechowanie zwęŜki Venturiego
3
2
m
1
k
−
=
α
(4)
gdzie: F
2
- pole przekroju otworu zwęŜki,
ρ
w
- gęstość płynu,
p
1,
p
2
- ciśnienie statyczne odpowiednio w przekrojach 1 i 2 zwęŜki.
Przy wyprowadzeniu wzoru (3) nie uwzględniono hydraulicznej straty ciśnienia
między przekrojami 1 i 2 oraz niejednorodności rozkładu prędkości. Dlatego wartości
wydatku obliczone wg. wzoru (3) są większe od wartości rzeczywistych. W celu
skorygowania tej rozbieŜności został wprowadzony tzw. współczynnik wydatku k.
t
Q
Q
k
=
(5)
gdzie: Q - rzeczywista wartość wydatku,
Q
t
- wartość teoretyczna wydatku wyznaczona wg wzoru (6).
(
)
2
w
2
1
2
t
F
p
p
2
m
1
1
Q
⋅
ρ
−
⋅
−
⋅
ε
=
(6)
Liczba przepływu jest funkcją liczby Reynoldsa, modułu i rodzaju zwęŜki. Liczbę
Reynoldsa obliczamy w przekroju przed przewęŜeniem:
1
1
1
1
d
v
Re
ν
⋅
=
(7)
gdzie:
ν
1
- współczynnik lepkości kinematycznej.
Cechowanie zwęŜki Venturiego polega na określeniu funkcji
α
= f (Re), przy czym
funkcję tę wyznacza się doświadczalnie, mierząc bezpośrednio wydatek Q i obliczając
odpowiadającą mu wartość Q
t
.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Cechowanie zwęŜki Venturiego
4
E)
C)
B)
A)
D)
F)
Rysunek 3. ZwęŜki pomiarowe:
A)
kryza ISA z pomiarem przytarczowym,
B)
kryza ISA z pomiarem „vena contracta”,
C)
przepływowa kryza segmentowa,
D)
przepływowa dysza ISA,
E)
dysza Venturiego,
F)
klasyczna zwęŜka Venturiego.
Szczegółowe informacje na temat stosowania poszczególnych zwęŜek zawarte są
w [3]. Pomiary w [3] zostały podzielone na dokładne i techniczne. Pomiary dokładne są
obarczone mniejszym błędem pomiarowym, ale są trudniejsze w wykonaniu w porównaniu
z pomiarami technicznymi. Pomiary dokładne wykonuje się za pomocą kryz ISA z pomiarem
„vena contracta”, kryz ISA z pomiarem przytarczowym oraz dysz ISA. Dopuszcza się równieŜ
stosowanie dysz Venturiego oraz klasycznych zwęŜek Venturiego, jeśli konieczne jest
ograniczenie strat ciśnienia. Pomiary techniczne mogą być wykonywane przy uŜyciu
wszystkich wymienionych w normie zwęŜek.
Straty ciśnienia powstają na skutek tarcia wewnętrznego i zawirowania w płynie przy
jego wypływie z otworu zwęŜki do nagle rozszerzającej się rury. Dyfuzor zapobiega
tworzeniu się wirów będących głównym źródłem strat energii, a więc i ciśnienia, i powoduje
stopniową zmianę energii kinetycznej przewęŜonego strumienia płynu na energię potencjalną,
dzięki czemu znaczna część pomiarowego spadku ciśnienia jest odzyskiwana. Straty ciśnienia
w układach z kryzami wynoszą 80 % i więcej pomiarowego spadku ciśnienia, natomiast
w układach z dyszami Venturiego nie przekraczają 10 %.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Cechowanie zwęŜki Venturiego
5
2. Budowa stanowiska.
R
T
4
2
6
1
5
3
7
Rysunek nr 2. Schemat stanowiska pomiarowego;
1 - zwęŜka Venturiego,
2 - rotametr,
3,7 - zawory odcinające,
4 - termometr,
5 - manometr pomiarowy,
6 - manometr kontrolny.
3. Wykonanie ćwiczenia.
a)
odkręcić zawór doprowadzający wodę do stanowiska,
b)
włączyć miernik temperatury,
c)
odkręcić zawór 7 aŜ do ustabilizowania się temperatury wody,
d)
zakręcić zawór 7,
e)
ustawić Ŝądane natęŜenie przepływu wody przy pomocy rotametru 2,
f)
po ustabilizowaniu się poziomu rtęci w manometrze, zmierzyć róŜnicę ciśnień na zwęŜce
oraz temperaturę wody.
Dla podanych wartości natęŜenia przepływu dokonać 7 pomiarów, wyniki najmniejszy
i największy odrzucić, a z pozostałych pięciu określić wartość średnią.
4.
Wymagania BHP
A.
Do wykonywania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na
pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.
B.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
C.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych naleŜy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
D.
Zabrania się manipulowania przy urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia
prowadzącego.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 3
Katedra Ciepłownictwa
Cechowanie zwęŜki Venturiego
6
5. Opracowanie wyników.
NaleŜy określić funkcję
α
= f (Re
1
) dla zwęŜki Venturiego o wymiarach d
1
= 20,8 mm
i d
2
= 7,5 mm mierząc róŜnicę ciśnień na zwęŜce oraz temperaturę przepływającej wody dla
4 wartości strumienia objętości płynu, podanych przez prowadzącego.
Ś
rednią róŜnicę ciśnień naleŜy obliczyć z równania:
n
p
p
n
1
i
i
∆
ś
r
∑
=
∆
=
gdzie: n: liczba pomiarów po odrzuceniu wartości skrajnych.
Teoretyczny strumień objętości płynu wyznaczamy ze wzoru:
ś
r
1
2
2
t
p
81
,
9
2
F
m
1
100
Q
∆
ρ
⋅
−
=
,
a prędkość v
1
z równania:
2
1
d
Q
4
v
π
=
.
Wyniki pomiarów naleŜy zestawić w tabeli:
Lp.
Q
t
∆∆∆∆
p
∆∆∆∆
p
śr
Q
v
νννν
Q
t
Re
1
k
α
αα
α
-
l/h
o
C
kG/cm
2
cm
/
kG
m
3
/s
m/s
m
2
/s
m
3
/s
-
-
-
1
2
3
4
Wykonać wykres funkcji
α
= f(Re
1
).
5. Literatura uzupełniająca.
1.
W.J. Prosnak, „Ćwiczenia laboratoryjne z mechaniki płynów” Wydawnictwa Politechniki
Warszawskiej 1975.
2.
Walden H. „Mechanika Płynów”, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, W-wa 1978.
3.
Kołodziejczyk L., Mańkowski S., Rubik M.” „Pomiary w InŜynierii Sanitarnej, Arkady, W-wa
1980.
4.
PN-65/M.-53950 „Pomiar strumienia przepływu płynów za pomocą zwęŜek”.