Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 3
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
3. WZORCOWANIE ZWĘŻKI PYŁOMIERZA GRAWIMETRYCZNEGO
3.1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej wzorcowania K zwężki do pomiaru parcjalnego
strumienia gazu w pyłomierzu grawimetrycznym w pomiarze porównawczym przy użyciu
gazomierza.
3.2. POMIAR STRUMIENIA PŁYNU METODĄ ZWĘŻKOWĄ PRZY NISKICH WARTOŚCIACH LICZBY
REYNOLDSA
Znormalizowane zwężki pomiarowe (rys.3.1) stosuje się w pomiarach przepływu
charakteryzujących się odpowiednio dużą wartością liczby Reynoldsa Re
D
odniesioną do średnicy
wewnętrznej przewodu, w którym są zainstalowane:
D
w
Re
D
, (1)
gdzie: w - prędkość płynu, m/s,
D – średnica wewnętrzna przewodu, m,
- kinematyczny współczynnik lepkości płynu, m
2
/s.
kryza z pomiarem
przytarczowym
dysza
zwężka
Venturiego
dysza
Venturiego
0,2
0,45
0,45<
0,3
<0,44
0,44
0,88
0,4
0,75
0,316
0,775
5
10
3
Re
D
10
4
Re
D
7
10
4
Re
D
10
7
2
10
4
Re
D
10
7
2
10
5
Re
D
2
10
6
1,5
10
5
Re
D
2
10
6
50
D
1000
50
D
500
50
D
250
65
D
500
- przewężenie zwężki,
= d/D, gdzie d – średnica przewężenia, D w mm
Rys. 3.1. Przykłady znormalizowanych zwężek
pomiarowych:
a) kryza ISA z pomiarem trzytarczowym,
b) dysza ISA,
c) dysza Venturiego,
d) klasyczna zwężka Venturiego
a)
c)
b)
d)
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 3
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Szczególnym przypadkiem zastosowania metody zwężkowej są układy pomiarowe pyłomierzy
grawimetrycznych służących do pomiaru stężenia pyłu w kanałach przepływowych metodą
ekstrakcyjną. W skład toru aspiracyjnego pyłomierza wchodzi sonda do poboru próbki zapylonego
gazu, separator pyłu (zwykle filtracyjny), zwężka pomiarowa oraz ssawa.
Opory przepływu gazu przez zwężkę nie mogą być zbyt wysokie, ze względu na to, że spręż
urządzenia aspiracyjnego (ssawy) musi być na tyle duży, aby pokonać także rosnące w trakcie
aspiracji, opory przepływu spowodowane gromadzeniem się pyłu w separatorze filtracyjnym.
Przewężenie zwężki jest więc z reguły nie mniejsze niż 0,5 (
0,5) a prędkość gazu w odcinku
pomiarowym zwężki zawiera się w granicach od 3,5 do 7,5 m/s. Z kolei ze względu na wydajność
ssawy, średnica odcinka pomiarowego ze zwężką jest mniejsza od D = 50 mm. Kinematyczny
współczynnik lepkości gazu (spaliny, powietrze) w zwężce pomiarowej pyłomierza w zależności od
jego temperatury zmienia się w granicach
= (18÷20) 10
-6
m
2
/s.
Łatwo więc wykazać (por. tabela poniżej), że w standardowych wykonaniach pyłomierzy
grawimetrycznych nie jest możliwe stosowanie zwężek znormalizowanych.
Wydajność
pyłomierza
Średnica D odcinka
pomiarowego dla w = 7 m/s
Liczba Re
D
dla
w = 3,5 m/s i
= 20 10
-6
m
2
/s
(Re
D
)
min
dla
=0,5
5 m
3
/h (P-5)
16 mm
2,8
10
3
10
4
10 m
3
/h (P-10)
22 mm
3,85
10
3
10
4
25 m
3
/h (P-25)
36 mm
6,3
10
3
10
4
W pomiarach stosuje się więc zwężki specjalne, np. kryzy kwadrantowe (rys. 3.2) lub zwężki
cylindryczne.
Ogólne równanie na strumień objętości gazu q
v
mierzony zwężką ma postać
v
v
2
4
v
P
2
4
d
1
C
q
, m
3
/s, (2)
gdzie: C – liczba przepływu,
– liczba ekspansji,
= f(
P
v
/ P
v
), rodzaj zwężki, wykładnik izentropy
),
- wykładnik izentropy (można przyjmować
=1,4),
- przewężenie,
= d/D,
D – średnica odcinka pomiarowego,
d – średnica otworu zwężki,
P
v
– ciśnienie różnicowe w zwężce,
P
v
– ciśnienie absolutne gazu wpływającego do zwężki,
v
– gęstość gazu wpływającego do zwężki.
Rys.3.2. Kryza kwadrantowa
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 3
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Dla celów praktycznych równanie (2) doprowadza się do postaci
v
v
v
v
P
K
V
, (3)
gdzie współczynnik kalibracyjny K
v
zwężki wyrażony jest jako
2
4
d
1
C
K
2
4
v
. (3a)
Dla zwężek znormalizowanych w literaturze (np. [5]) znaleźć można równania empiryczne
umożliwiające obliczenie wartości K
v
. Uzyskane wyniki obliczeń są słuszne tylko w przypadku
wykonania zwężki zgodnie z normą oraz przy założeniu, że jej stan techniczny jest idealny (brak
osadów, wżerów itp.). W praktyce pomiarowej bardzo trudne jest spełnienie tych warunków, w
związku z czym nawet dla zwężek znormalizowanych niezbędne jest okresowe ich wzorcowanie.
Dla zwężek stosowanych w układach pomiarowych pyłomierzy wyznaczenie wartości
współczynnika kalibracyjnego K
v
jest bezwzględnie wymagane. Stosuje się do nich również
wspomniany wyżej obowiązek okresowego sprawdzania poprawności wskazań.
Wartość K
v
wyznacza się zwykle w pomiarze porównawczym względem innego miernika.
3.3. KOMENTARZ DO ĆWICZENIA
W wykonywanym ćwiczeniu za wzorcowy przyrząd pomiarowy uznaje się gazomierz. Wychodząc
z założenia, że strumień masy gazu przepływający przez gazomierz jest taki sam jak strumień masy
przepływający przez zwężkę (równanie ciągłości)
v
v
v
G
G
P
K
V
, (4)
gdzie:
V
G
– różnica wskazań gazomierza, m
3
,
G
- gęstość gazu w gazomierzu,
- czas pomiaru odpowiadający odczytanej różnicy wskazań gazomierza, s,
wyprowadza się zależność na empirycznie wyznaczaną wartość współczynnika kalibracyjnego
zwężki K
v
v
v
G
G
v
P
1
V
K
. (4a)
Ze względu na liczbę ekspansji
wzorcowanie musi także uwzględniać zmienność stosunku ciśnień
P
v
/P
v
.
Średnią wartość współczynnika kalibracyjnego zwężki (K
v
)
SR
wyznacza się jako
min
V
V
max
V
V
)
P
/
P
(
)
P
/
P
(
v
v
v
SR
v
)
P
/
P
(
)
P
/
P
(
)
P
/
P
(
K
K
max
V
V
min
v
V
(5)
gdzie K
V
(
P
v
)/P
V
) – jest funkcją wyznaczoną doświadczalnie w badanym zakresie zmienności
P
v
/P
V
.
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 3
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Odchyłkę względną
K
V
średniej wartości współczynnika kalibracyjnego (K
v
)
SR
wg równ. (5) w
odniesieniu do maksymalnej i minimalnej wartości empirycznej K
v
wyznacza się jako
,%
100
K
K
K
K
Vsr
max
min/
V
SR
v
V
(6)
Przystąpienie do ćwiczeń laboratoryjnych poprzedzone będzie kartkówką z następujących
zagadnień: równanie na strumień objętości gazu mierzony zwężką, wykorzystanie równania
ciągłości we wzorcowaniu zwężki metodą porównawczą.
3.4. ZAKRES ĆWICZENIA
odczyt parametrów otoczenia (ciśnienie, temperatura)
sporządzenie szkicu schematu stanowiska laboratoryjnego i zebranie informacji o przyrządach
na nim zainstalowanych
odczyty parametrów mierzonych (stan licznika gazomierza przed i po pomiarze, ciśnienia
manometrycznego i temperatury gazu w gazomierzu, ciśnienia różnicowego gazu w zwężce,
ciśnienia manometrycznego i temperatury gazu w zwężce, czasu pomiaru) dla 5 zadanych
wartości strumienia objętości gazu w zakresie pomiarowym zwężki
w oparciu o równanie (4a) sporządzenie charakterystyki K
vemp
= f(
P
v
/P
v
) i wyznaczenie
wartości średniej K
vśr
oraz odchyłki względnej wartości empirycznych (minimalnej i
maksymalnej) od wartości średniej
3.5. ZAKRES SPRAWOZDANIA
nazwa laboratorium
nazwa ćwiczenia
imię i NAZWISKO studenta
data pomiaru
parametry otoczenia
schemat stanowiska laboratoryjnego wraz z identyfikacją zainstalowanych przyrządów
pomiarowych
wyniki pomiarów i obliczeń, charakterystyka badanej funkcji
Literatura uzupełniająca
[1] Mazur. M.: Kontrola emisji zanieczyszczeń, prezentacja wykładu w wersji elektronicznej
Wrocław, 2012/2013: rozdz. 2. Okresowe pomiary przepływu - Przykład 1, rozdz. 3 Okresowe
pomiary stężenia pyłu,
[2] PN–Z-04030-7:1994: Badania zawartości pyłu. Pomiar stężenia i strumienia masy pyłu w
gazach odlotowych metodą grawimetryczną
[3] EN 13284-1:2002 (E): Emisja ze źródeł stacjonarnych - Określenie masowego stężenia pyłu w
zakresie niskich wartości – Część 1: Metoda bezpośrednia grawimetryczna
[4] Mazur. M., Teisseyre M.: Zasilanie palników pyłowych kotła energetycznego – zagadnienia
pomiarowe (rozdz. 2.2.6. Strumień gazu), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 2008
[5] PN-93/M-53950/01: Pomiar strumienia masy i strumienia objętości płynów za pomocą zwężek
Wrocław, 14.02.2013