LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

I ENERGETYKI

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

INSTRUKCJA LABORATORYJNA

Ćwiczenie ME2

POMIARY STRUMIENIA I PRĘDKOŚCI CIECZY

PRZEPŁYWAJĄCEJ W RURZE

1. WSTĘP

Pomiary strumienia przepływających w rurociągach płynów (cieczy i gazów) są jednymi

z podstawowych pomiarów w technice. W zależności od rodzaju płynu, strumienia,

przeznaczenia i warunków pomiaru stosowane są urządzenia pomiarowe funkcjonujące na

różnych zasadach.

Najprostszymi, a zarazem najdokładniejszymi metodami pomiarowymi strumienia cieczy

są metody wykorzystujące pomiar czasu przepływu oraz ilości przepływającej cieczy przez

zebranie jej w zbiorniku. Ilość cieczy w zbiorniku może być określona przez ważenie lub w

przypadku zbiorników wzorcowanych przez określenie objętości. Metody te są metodami

pierwotnymi i są wykorzystywane przy wzorcowaniu innych przyrządów. Są jednak

uciążliwe w stosowaniu i dlatego wykorzystywane są głównie w pomiarach laboratoryjnych.

Drugą grupą przyrządów są liczniki komorowe w których wykorzystuje się zasadę

cyklicznego odmierzania równych porcji cieczy (lub gazu). Urządzenia z tej grupy są

dokładne i niezawodne w sensie zapewnienia jakości pomiaru. Wśród tej grupy urządzeń można wymienić:

a) liczniki nieckowe z naprzemiennie napełniającymi się cieczą korytkami wykonującymi

wahliwy cykliczny ruch,

b) liczniki bębnowe (do zastosowań laboratoryjnych),

c) liczniki miechowe stosowane między innymi w mieszkaniach do pomiarów ilości

zużytego gazu,

d) liczniki rotorowe gazów, stosowane do dokładnych pomiarów przemysłowych,

e) liczniki cieczy z owalnymi wirującymi tłokami do pomiarów ilości przepływających

olejów,

f) liczniki łopatkowe i inne.

Kolejną grupę urządzeń stanowią liczniki skrzydełkowe. Zasada pomiaru polega na

napędzie wirnika posiadającego łopatki przez przepływającą ciecz lub gaz. Stosowane są urządzenia z osią wirnika prostopadłą i równoległą do osi rurociągu. Przykładem licznika tego typu są powszechnie stosowane liczniki do pomiaru zużycia wody w mieszkaniach.

Wadą tych urządzeń jest to, że gdy wzrosną opory ruchu wirnika, co jest normalnym

objawem zużywania się urządzenia, licznik pozornie działa poprawnie lecz pomiar obarczony

jest niedopuszczalnym błędem. Urządzenie tego typu będzie zaprezentowane na stanowisku.

Wszystkie przedstawione powyżej urządzenia są licznikami, które mierzą ilość płynu

przepływającą przez licznik w zadanym czasie. Aby obliczyć średni strumień

przepływającego płynu trzeba zmierzoną ilość płynu podzielić przez czas przepływu.

Kolejną grupą urządzeń są przepływomierze, które służą bezpośrednio do pomiaru

strumienia przepływającego płynu.

Ważną grupą przepływomierzy ze względu na zakres zastosowania są przepływomierze

zwężkowe. Jako zwężki stosuje się kryzy ostrokrawędziowe, dysze i zwężki Venturiego.

Wyjaśniając w uproszczeniu, zasada pomiaru polega na zamianie energii potencjalnej

statycznego ciśnienia płynu na energię kinetyczną przepływającego przez zwężenie przewodu

płynu. Pomiar statycznego ciśnienia płynu przed zwężką oraz w miejscu przewężenia strugi

pozwala, po uwzględnieniu ubocznych wpływów, na określenie prędkości przepływającego

płynu, a w drugiej kolejności jego strumienia. Wadą tych urządzeń, w szczególności kryz, jest

trwały spadek ciśnienia powstający w miejscu zainstalowania zwężki. Kryzy pomiarowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami w technice do pomiaru strumieni płynów. Nie stosuje

się ich jednak przy pomiarach małych strumieni, np. w laboratorium. Sposób doboru zwężek,

szczegóły konstrukcyjne oraz obliczeń strumienia przepływającego płynu przedstawiony jest

w normie PN-93/M-53950/01.

Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2

2

Kolejną grupą przepływomierzy są przepływomierze pływakowe nazywane powszechnie

rotametrami. Przepływomierz ten składa się z pionowej rury o małej stożkowej zbieżności oraz umieszczonego wewnątrz pływaka wykonanego z materiału o gęstości większej niż

gęstość przepływającego płynu. Węższy koniec rury znajduje się na dole, na ściance rury naniesiona jest podziałka. Przepływ płynu odbywa się przez pierścieniową szczelinę

pomiędzy krawędzią pływaka i wewnętrzną powierzchnią rury. W czasie przepływu płynu na

pływak działa siła parcia pochodząca od spadku ciśnienia przy przepływie płynu przez pierścieniową szczelinę i siła wyporu spowodowana zanurzeniem pływaka w przepływającym

płynie. Przy przepływie płynu pływak zawiśnie w tym miejscu stożkowej rury w którym nastąpi zrównoważenie wymienionych sił z siłą ciężaru pływaka. Naniesiona na rurze skala

umożliwia w miejscu zawieszenia pływaka odczyt strumienia przepływającego płynu.

Rotametry są urządzeniami nadającymi się do pomiarów niezbyt dużych strumieni cieczy i gazów, także agresywnych. Stosowane są do celów laboratoryjnych, w przemyśle

chemicznym i innych celów. W czasie ćwiczenia będzie zaprezentowane urządzenie tego

typu.

Innymi urządzeniami wykorzystującymi zjawisko zamiany energii kinetycznej

poruszającego się płynu w energię potencjalną ciśnienia są rurki spiętrzające. Rurki

spiętrzające służą do pomiaru lokalnej prędkości płynu. Aby wyznaczyć strumień płynu

należy zmierzyć prędkość w kilku punktach poprzecznego przekroju rurociągu. Konstrukcje

rurek spiętrzających oraz technikę prowadzenia pomiarów za pomocą tych urządzeń opisano

szczegółowo w polskiej normie PN-81/M-42364.

Kolejną grupą przepływomierzy są przepływomierze ultradźwiękowe. Zasada działania

tych przepływomierzy wynika z różnicy czasów przejścia przez płyn fali ultradźwiękowej w

dwóch kierunkach: zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu. Fala ultradźwiękowa o

częstotliwości rzędu 1-2 MHz jest generowana i odbierana przez głowice pomiarowe

przyrządu. Głowice te mogą być umieszczone po jednej stronie rurociągu (pomiar z odbiciem

fali od przeciwległej ścianki) lub po przeciwnych stronach (pomiar z jednokrotnym

przejściem fali przez ciecz). W przypadku jednostronnego umieszczenia głowic przy małych

średnicach rur pomiar odbywa się w systemie W – z dwukrotnym odbiciem fali od przeciwległej ścianki lub w systemie V - z jednokrotnym odbiciem fali od przeciwległej ścianki (dwukrotne przejście fali przez płyn). W przypadku dużych średnic rurociągów

stosuje się system Z – z jednokrotnym przejściem fali przez płyn (bez odbicia fali od przeciwległej ścianki). W tym przypadku głowice pomiarowe przyrządu umieszczone są po

przeciwległych stronach rurociągu.

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest prezentacja przykładowych urządzeń i metod pomiaru strumienia

cieczy, wykonanie przykładowych pomiarów strumienia cieczy przepływającej przez układ

pomiarowy stanowiska oraz określenie prędkości przepływu w wybranych przewodach.

Opiekun prowadzący ćwiczenie określi na miejscu rodzaj i liczbę poszczególnych

pomiarów uzależniając to od liczebności sekcji laboratoryjnej i ilości czasu przeznaczonego

na część eksperymentalną ćwiczenia.

3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO

Stanowisko składa się z ułożonych równolegle rur o różnych średnicach, które można

zasilać strumieniem wody. Woda dopływająca do stanowiska w pierwszej kolejności

Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2

3

przepływa przez zawory odcinający i regulacyjny, następnie przez wirnikowy licznik ilości przepływającej cieczy, przez rotametr do pomiaru strumienia cieczy, a następnie przez wybraną rurę i poprzez trójdrożny zawór może być odprowadzana do kanalizacji lub do zbiornika (o objętości 60 litrów) w zależności od ustawienia zaworu. Stanowisko to

przedstawiona schematycznie na rys.1. Zbiornik posiada zawór spustowy, dzięki czemu wodę

tę można spuścić porcjami do mniejszego pojemnika, a następnie określić jej ilość poprzez kilkakrotne ważenie na wadze. Maksymalne dopuszczalne obciążenie wagi wynosi 60 kg.

Prezentowane stanowisko umożliwia pomiar strumienia przepływającej cieczy trzema

różnymi metodami:

a) Pomiar bezpośredni strumienia za pomocą rotametru,

b) Przez pomiar ilości przepływającej cieczy za pomocą licznika i czasu przepływu,

c) Przez pomiar ważeniem ilości przepływającej cieczy i pomiar czasu przepływu.

Określenie prędkości przepływającej cieczy przez wybraną rurę (rury) w układzie

przepływowym odbywa się na drodze obliczeniowej po określeniu wymiarów wybranej rury.

Poniżej w tablicy zestawiono elementy stanowiska.

Tablica 1

Elementy składowe stanowiska pomiarowego

Symbol

Wyszczególnienie

ME2-1. Układ przepływowy stanowiska z licznikiem przepływu, rotametrem, układem

zaworów sterujących i zaworem trójdrożnym

ME2-2. Zbiornik na wodę, z zaworem spustowym

ME2-3. Waga elektroniczna WPT60C o maksymalnym udźwigu 60kg

ME2-4. Pojemnik na wodę o objętości 10 litrów (wiadro)

ME2-5. Próbki rur użytych do budowy układu przepływowego stanowiska

ME2-6. Suwmiarka

ME2-7. Czasomierz

Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego

1-układ przepływowy, 2-rotametr, 3-licznik przepływu, 4-zawór odcinający, 5-zawór

regulacyjny, 6-zawór trójdrożny, 7-zbiornik wody, 8-zawór spustowy, 9-zrzut wody

Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2

4

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Poniżej przedstawiono przebieg czynności pomiarowe w zalecanej do wykonania

kolejności.

W czasie ćwiczenia należy zachować skupioną uwagę, aby nie spowodować uszkodzenia

któregokolwiek z urządzeń. Po zakończeniu ćwiczenia należy sprawdzić czy wszystkie

elementy wyposażenia są w komplecie, następnie włożyć je do przeznaczonego do tego celu

pojemnika.

4.1. Prezentacja stanowiska i przyrządów pomiarowych

Obejrzeć stanowisko i przyrządy pomiarowe. Zapoznać się z wykreślną charakterystyką

przepływową rotametru oraz ze sposobem jej użytkowania.

4.2. Pomiary strumienia cieczy za pomocą różnych metod

a) Wykonać pomiar wewnętrznych średnic rur z których zbudowany jest układ przepływowy

stanowiska.

b) Uruchomić przepływ wody przez układ przepływowy stanowiska, za pomocą zaworu

trójdrożnego nalać trochę wody do zbiornika, a następnie zbiornik opróżnić za pomocą zaworu spustowego.

c) Posługując się odczytami z rotametru nastawić żądany przepływ wody przez stanowisko i

poczekać do jego ustabilizowania się. Za pomocą układu zaworów ustawić przepływ

wody przez wybraną rurę przepływowego układu stanowiska.

d) Po ustabilizowaniu się przepływu, za pomocą zaworu trójdrożnego, skierować odpływ

wody do zbiornika odczytując równocześnie stan licznika oraz uruchamiając czasomierz

do pomiaru czasu.

e) W przypadku wahań w przepływie wody przez stanowisko odczytywać w zadanych

regularnych odstępach czasu strumień wody wskazywany przez rotametr.

f) Po upływie zadanego czasu, za pomocą zaworu trójdrożnego zamknąć dopływ wody do

zbiornika, odczytać stan licznika oraz czas przepływu.

g) Zmierzyć ilość wody w zbiorniku przez ważenie porcjami.

h) Nastawić nowy strumień wody przepływającej przez stanowisko i powtórzyć czynności

(d÷g). Wszystkie wyniki zanotować w tablicy pomiarowej. Przykład tablicy

przeznaczonej dla pojedynczego pomiaru (dla jednej wartości strumienia cieczy)

przedstawiono poniżej.

Tablica 1

Tablica pomiarowa

Kolejne odczyty

Masa wody w

Czas,

Początkowy stan

Końcowy stan

z rotametru,

poszczególnych

s

licznika, m3

licznika, m3

dm3/h

porcjach, kg

Czas całkowity

Strumień średni

Ilość wody wskazana przez licznik

Ilość wody w zbiorniku

razem

Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2

5

5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

Poniżej przedstawiono sposób opracowania wyników pomiaru zebranych podczas

opisanego doświadczenia.

a) Oblicz średni strumień wody dla rozpatrywanego czasu w oparciu o odczyty z rotametru,

licznika przepływu wody i czasu przepływu oraz ilości wody w zbiorniku i czasu

przepływu.

b) Obliczenia powyższe powtórz dla każdego z zadanych strumieni wody.

c) Otrzymane wyniki zestaw w tablicy. Przyjmując, że pomiar za pomocą zbiornika jest pomiarem pierwotnym i najdokładniejszym, porównaj z nim wyniki otrzymane za

pomocą innych metod.

d) Oblicz prędkość przepływu wody w wybranej rurze oraz prędkość przepływu jaka

wystąpiłaby przy przepływie w innych rurach (wskazanych przez prowadzącego).

Prędkość obliczyć należy z równania ciągłości strugi m& = A ⋅ w ⋅ ρ

gdzie:

m& - masowy strumień wody, kg/s

A – pole przekroju poprzecznego, m2

ρ - gęstość, kg/m3

e) Przedstaw graficzne wyniki pomiarów (wykres słupkowy dla każdego zadanego

strumienia).

f) Dla wybranych rur (3-ch wskazanych przez prowadzącego) narysuj wykres strumienia

wody w funkcji prędkości przepływu G& = f ( w) . Jakiego typu jest to zależność i czym różnią się poszczególne wykresy.

g) Dla wybranych przepływów (3-ch wskazanych przez prowadzącego) narysuj wykres

prędkości przepływu wody w funkcji średnicy rury w = f ( D) . Jakiego typu jest to zależność i czym różnią się poszczególne wykresy.

6. UWAGI I WNIOSKI KOŃCOWE

a) Przeprowadź ogólną analizę otrzymanych wyników. Wskaż potencjalne przyczyny

niezgodności wyników pomiarów uzyskanych różnymi metodami.

b) Zapisz wszystkie uwagi, spostrzeżenia i wnioski dotyczące przeprowadzania pomiarów.

7. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

[1] Praca zbiorowa (red. Fodemski T.): Pomiary cieplne, cz. 1. WNT, Warszawa, 2001.

[2] Praca zbiorowa (red. Graczyk Cz.): Laboratorium miernictwa cieplnego. Skr. Uczelniany

Pol. Śląskiej nr 801, Gliwice, 1981.

Oprac. Dr inż. Tadeusz Kruczek – ITC, ćw. ME2

6