Fizika | Áramlástan » Áramlástan

Áramlástan KÖZVETLEN NYOMÁSMÉRŐK Folyadékoszlopos nyomásmérők Folyadéktöltésű barométer Légnyomás vagy barometrikus nyomás mérésére használjuk. Mérési tartományuk kb 1 bar Különböző szerkezeti kivitelben készülnek. Valamilyen U-alakú csőből áll, melynek egyik szára zárt, a másik a légkörrel érintkezik. Az utóbbi általában hengeres edény formájú, melyhez zárt cső tartozik. Ha minden levegőt és gőzt eltávolítunk a zárt csőből, a higany addig emelkedik, míg egy bizonyos szintet el nem ér a nyitott edény szintje fölött. Ez a szint adja meg a higanyoszlop magasságát. A légköri nyomás a higanyoszlop magasságának és a higany sűrűségének ismeretében kiszámítható, de általában a barométerekről közvetlenül leolvasható. p0 = bρhgg [mbar] A leolvasott nyomásérték abszolút nyomást jelent. Piezométer A piezometrikus nyomás a folyadék nyomási energiáját jellemző hosszúságdimenziójú mennyiség, az

egységsúlyú víztest nyomási energiája. Közvetlen mérésre szolgáló függőleges cső, amelyben a víz a nyomásnak megfelelő magasságra emelkedik. Alkalmas energia- illetve nyomásveszteség kimutatására, valamint térfogatáram mérés esetén nyomáskülönbség formájában jelentkező mérőmagasság (h) meg-határozására kis nyomások esetén. Az 1. és 2 pont közötti nyomáskülönbség: p1 – p2 = hρszg U-csöves nyomásmérő Állandó keresztmetszetű üvegcsőből készül, és a két szára között hosszmérésre alkalmas skálát helyeznek el. A nyomáskülönbség a két folyadékfelszín közötti távolságból számítható Zárt csővezetékben áramló közegnek a légköri nyomáshoz viszonyított túlnyomásának meghatározásakor az U-cső egyik szárát a csővezeték nyomásmegcsapolásához csatlakoztatjuk a nyomásközlő vezeték segítségével. A cső másik szárát szabadon hagyjuk Csővezeték két pontjában fellépő nyomások

különbségének meghatározására: Az első esetben a mérés eredménye függ a h-értéktől, a második esetben viszont nem, mivel a mérőfolyadék mindkét szára felett megtalálható a szállított közeg folyadékoszlopa. Ferdecsöves mikromanométer Két fajtája van: merevcsöves és állítható ferdecsöves. Az előbbi állandó jellegű üzemi mérésekhez, az utóbbi pedig ellenőrző, kísérleti mérésekhez hasz-nálható. A mérőcső előre meghatározott áttételi viszony szerint állítható be, értéke skáláról leolvasható. A nullhelyzet a mérési tartomány átkapcsolása-kor megváltozik, és az eltérés a skála eltolásával nem kompenzálható. A ferdecsöves mikromanométer mérőcsöve 1,52 mm belső átmérőjű. Mivel a cső vékony, nem érvényesül teljesen a közlekedő edények törvénye A keletkező eltérés állandó jellegű, ezért a mérési eredmény korrigálható. A nyomáskülönbség ∆p = κ ⋅l összefüggéssel

számítható, melyben a κ a műszerállandó. A geometriai méretekből adódó korrekciót gyakran elhanyagolják, és a következő összefüggéssel számolnak: ∆p = hρmg ∆p = l sin αρmg A leolvasott l hosszúságból a keresett nyomás-különbség gyors megállapítására diagram is használható. Mérőfolyadékként etil-alkoholt, petróleumot vagy kis viszkozitású folyadékot használnak. Merülőharangos nyomásmérők A zárófolyadékba nyitott, rendszerint hengeres edény merül be. A folyadékoszlopon keresztül alulról bevezetett cső közvetíti a mérendő nyomást, mely a légköri nyomásnál kisebb vagy nagyobb értékű lehet. A mérendő nyomással rugó- vagy súlyerő tart egyensúlyt, egyes kiviteleknél maga az ellensúly is zárófolyadékba merül Előnyük, hogy állítóerejük nagy, ezért mechanikai írószerkezetüket egyszerű karos szerkezet mozgathatja. Hátrányuk a nagy geometriai méreteik és csekély mérési tartományuk

Dugattyús nyomásmérők Elve: az ismert méretű dugattyúra ható, a nyomás következtében fellépő erőt hitelesített súlyokkal egyenlítjük ki. A mérősúlyokat a dugattyú hossztengelyében helyezik el, és a dugattyút a súlyokkal együtt forgásba hozzák. (A dugattyú kis játékkal van illesztve) A G +G nyomás számítható: p = d Ad Igen pontos nyomásmérő és nagy nyomások mérésére is alkalmas. Hitelesítő illetve kalibráló műszerként is használják. Mérési pontosságuk 0,001 és 0,0001 között van KÖZVETETT NYOMÁSMÉRŐK Rugalmas alakváltozáson alapuló nyomásmérők A legtöbb nyomásmérő műszer a nyomás hatására létrejövő rugalmas alakváltozás alapján működik. Előnyük a kis méret, a tetszőleges működési helyzet, mechanikai rezgéseknek ellenálló kivitel, nagy mérési tartomány, leolvasáshoz nagyméretű skála készíthető, és nagy mérési pontosság. A rugóelemes nyomásmérők mérési tartománya néhány Pa

nyomástól több száz MPa-ig tejed. Ezek lehetnek csőrugós, szelencés és membrános nyomásmérők Csőrugós nyomásmérők Bourdon-csöves nyomásmérőnek is nevezik, egyik végén zárt, ellipszis keresztmetszetű cső, belső terét valamely közeg nyomásával terhelve az kör alakot igyekszik felvenni. A cső anyaga rugalmas. A Bourdon-cső egyik végét lágy forrasszal a rugótestbe forrasztják, a nagy méréstartományú műszereknél becsavarozzák, a másik végét fémkupakkal lezárják. A csőrugó szabad vége nyomás hatására elmozdul, mely elmozdulás nagysága a cső anyagának rugal-massági határán belül arányos a terhelő nyomással. Terhelhetőségét befolyásolják a cső anyagának rugalmassága, keresztmetszetének alakja és görbületi íve. Különlegesen nagy nyomások mérésére központon kívüli excentrikus furatú kör keresztmetszetű csöveket használnak. A Bourdon-cső szabad végének elmozdulása függ a nyomás nagyságán

kívül a cső görbületi sugarától és az ív hosszúságától. Geometriai méretek korlátozottan növelhetők Az elmozdulás mértéke a csőrugó anyagától is függ, ezért kis- és közepes méréstartományú csövek anyaga általában színesfém, nagy nyomások mérésére szolgáló műszerekben acél. A Bourdon-csöves nyomásmérők fontos szerkezeti eleme a rugó-test vagy rugóállvány, mely tartja a csőrugót, hordozza a mutatószerkezetet és a tokot, a műszertokból kinyúló csavarmenetes csonk útján a mérendő térhez kapcsolódik. A rugótest anyaga általában azonos a csőrugó anyagával. A csőrugó szabad végének elmozdulását karos áttétel továbbítja a mutatószerkezethez. Szelencés nyomásmérők Érzékelőeleme vékony, rugalmas anyagból készült, henger alakú szelence, mely a mérendő nyomás hatására rugalmas alakváltozást szenved. A bevezetett nyomás hatására a két homloklap kihajlik, melynek nagysága arányos a nyomással

A szelence mozgását emeltyű továbbítja a mutatószerkezethez. A műszer annál érzékenyebb, minél vékonyabb fémlemezből készül a szelence, és minél nagyobb a hatásos felülete. Túlterhelésre érzékenyek, ekkor az érzékelő eredeti alakját elveszíti, és további mérésre már nem alkalmas. A szelence visszatérítő ereje kicsi, mert a lemezvastagság vékony, és ily módon nullhibával kell számolni. Ezért a szelencét pálca alakú egyenes rugóval előfeszítik Alkalmas nyomás, nyomáskülönbség és vákuum mérésére. Membrános nyomásmérők Síkmembrános nyomásmérők Érzékelője két karima közé befogott rugalmas lap (membrán). Nyomás hatására a membrán kihajlik, melyet a hozzákapcsolt mutató jelez. A kihajlás teljes terheléskor kb 1,52 mm Túlterheléskor a membrán a befogókarimára felfekszik, így a sérülést a membrán elkerüli. Nyomás, vákuum és nyomáskülönbség egyaránt mérhető. A mechanikai rezgéseket jól

tűri, ezért sűrű anyagok nyomásának mérésére igen alkalmas. Túl-terhelésre és hőmérséklet változásra érzékeny. Csőmembrános nyomásérzékelők Egyik végén zárt, hullámos cső, mely a nyomás hatására hosszirányban megnyúlik vagy rövidül. Érzékenysége a legnagyobb, hosszirányú méretváltozása az anyag rugalmassági határán belül arányos a terhelő nyomással. Érzékenysége függ a felülettől, a hullámok számától, a falvastagságtól és az anyag szilárdságától. Lágyított anyagból készítik, és az anyag rugalmasságát rugóval pótolják. Nyomás, vákuum és nyomáskülönbség mérhető vele NYOMÁS ÉS NYOMÁSKÜLÖNBSÉG TÁVADÓK Piezoelektromos mérőjel-átalakító Erőt alakítanak át villamos feszültséggé. Működésük a piezoelektromos hatáson alapszik Szigetelőkristályokból kivágott hasábok egyes felületein erő hatá-sára villamos töltések jelennek meg. Pl: kvarckristály A kvarc hatszögletes

rendszerben kristályosodik X-tengely: villamos tengely; a töltések mindig az X-tengelyre merőleges felületen jelennek meg. Y-tengely: mechanikai tengely; a villamos tengelyre merőleges felületre felvitt töltések hatására az Y-tengely irányában a kristály méretváltozást szenved. Z-tengely: optikai tengely; optikai alkalmazásoknál e tengelyre merőlegesen hasítják el a kristályt. Villamos és mechanikai szempontból e tengely közömbös A kvarckristályból úgy kell hasábot vagy hengert hasítani, hogy legyen az X-tengelyre merőleges felülete. Az X-tengely irányában F-erővel megnyomva a keletkező töltés nagysága: Q = kF, ahol k a töltésérzékenységi állandó. A töltés csak az erő nagyságától függ, de független a geometriai méretektől. Kimeneti mennyisége a feszültség A kristályon megjelenő feszültség nagysága: UC = Q / CC ahol CC a kristály kapacitása. Nyúlásmérőbélyeges mérőjel-átalakító A mérendő nyomás egy

fémtestre hat, melynek felületére erősítik a bélyeget. A fémtest nyúlását a bélyeg ellenállás változássá alakítja át. Az üreges henger anyaga nagy rugalmasságú nemesacél. A mérőtestre általában négy bélyeget erősítenek fel Wheatstonehídba A bélyegek fele függőleges, tehát az erő irányával egybeesik és összenyomódik A másik fele, a vízszintesen fekvő bélyegek meg-nyúlnak. Nagyobb nyomások mérésére alkalmas kivitel: az érzékelőelem egyoldalúan zárt cső, melynek belső tere összeköttetésben van a mérőfolyadékkal. Ez a cső jó rugalmas tulajdonságú, rozsdamentes acélból készül A cső felületén tengelyirányba két bélyeg van, kettő pedig kereszt-irányban. Mérési határaik 77000 bar. Kapacitív mérőjel-átalakító Két lemezből álló kondenzátorok. A mérendő jellemző hatására változik a közöttük lévő levegőréteg. A távadó korrózióálló acélból készült mérőcella NYOMÁSMÉRŐK

VIZSGÁLATA, KALIBRÁLÁSA Műszerek vizsgálatánál beszéltünk alaphibáról és járulékos hibáról. Az alaphiba a műszer pontossági osztályának megfelelő megengedett hiba. Az alaphibát a következő tényezők határozzák meg: irányváltási hiba, ismétlési hiba, érzéketlenségi küszöb, nullahiba és érzéketlenségi hiba. A járulékos hiba a környezeti feltételeknek a referencia feltételektől való eltérése által okozott hiba. Befolyásolják a környezeti hőmérséklet, a barometrikus nyomás, a rezgések, a külső mágneses tér, a távfeszültség, stb. Műszerek vizsgálata és hitelesítése során első-sorban az alaphibát kell meghatározni. Merülőharangos nyomásmérő vizsgáló készülék Működés közben az üzemi mérőhelyen vagy leszerelés esetén az erre kijelölt helyen a műszer használója is bevizsgálhatja, kalibrálhatja a nyomásmérő műszereket. Az üzemi mérőhelyen végzendő ellenőrzéshez használható

berendezés, melyet a vizsgálandó műszerrel együtt azonos nyomású térhez kapcsolhatunk. Az eljárás hátránya, hogy a vizsgálandó műszer mérési tartományából csak a nullpont és az éppen fennálló üzemi nyomás értéke ellenőrizhető. Vizsgáló-helyiségben a teljes mérési tartomány is ellenőrizhető, de ott nyomás előállító készülék is szükséges. Nagy pontosságú súlyterhelésű manométer vizsgáló készülék Nagy nyomást csavarorsós dugattyúval illetve súlyterheléssel hozhatunk létre (1000 bar). A készülékek töltőfolyadéka paraffinolaj, petróleum vagy transzformátorolaj. Oxigénnyomást mérő műszerek töltőfolyadéka glicerin és desztillált víz keveréke. Mérés elve: a dugattyús nyomásmérőt és a műszerhez csatlakoztatott nyomásmérőt azonos nyomás terheli. Ugyanekkora nyomás uralkodik a dugattyús szivattyúban is A mérés megkezdése előtt az olajrendszert légteleníteni kell A vizsgálat alá vont

műszert csatlakoztatjuk a berendezéshez, majd nyomásfokozatnak megfelelő terhelő súlyt helyezünk a súlytartó tálcára. A mérődugattyú forgatómotorját bekapcsoljuk és a csavarorsós nyomás előállítóval a nyomást fokozatosan emeljük, amíg a mérődugattyú lebegő állapotba kerül. Mérés alatt a mérődugattyúnak oly mérvű süllyedése nem lehet, hogy a lebegő állapot megszűnjön. A létrehozott nyomás számszerű értéke a terhelő súlyokról leolvasható. Ezen műszerek pontossága jobb, mint 0,1% SEBESSÉGMÉRÉS MŰSZEREI Torlasztásos elven működő sebességmérők Pitotcső Pontszerű sebességmérőként használható. Műszerállandója jó közelítéssel 1-nek vehető Zárt csővezetékbe beépítve 90°-ban meghajlított csövet az áramlás irányával szemben helyezünk el. Ezzel érzékeljük az áramló közeg össznyomását (pÖ) A zárt csővezeték falára merőleges csövecske érzékeli a statikus nyomást (pS) Így az U-csöves

differenciál-manométer a kétféle nyomás különbségét méri, amely nem más, mint a dinamikus nyomás: ρ ⋅ v2 pd = 2 Így a sebesség: 2 v= ⋅ ( pÖ − p S ) ρ száll A nyomáskülönbség: ∆p = h(ρm-ρszáll)g Nyílt felszínű csatornában is alkalmazhatunk pitotcsövet sebesség mérésére. Ha a víz vsebességgel közeledik egy cső meghajlított végével szemben, akkor a víz kinetikai energiája v2 potenciális energiává alakul. A kinetikai és a potenciális energia közötti kapcsolat: =h 2g Ahol a h sebességmagasság, a vízfelszín magassága a dinamikus csőben. Ha h-t megmérjük, a sebességet az összefüggés átrendezésével számíthatjuk ki: v = 2 gh Elektromos elven működő sebességmérők Bemerülő örvénymérő Nagy átmérőjű zárt csővezetékekben folyadékok és gázok sebességének, térfogat áramának, valamint összegzett térfogatának a mérésére szolgál. A mérési keresztmetszetben a szonda különböző

mélységekben rögzíthető, így pont-szerű sebességek mérésére is alkalmas. A szondába delta keresztmetszetű zárótest van beépítve, melynek két oldalán váltakozva örvények szakadnak le az áramló közeg sebességével arányosan. A leszakadó örvények száma annál nagyobb, minél nagyobb az áramló közeg sebessége. Érzékelése történhet termisztorral vagy rezgőlemezzel. A kimenő villamos jel frekvencia, amely egyenesen arányos a közeg áramlási sebességével. ÁRAMLÁSMÉRŐK Zárt vezetékbe építhető áramlásmérők Mérőmagasság elvén működő térfogatáram-mérők mérőjel képzői Mérőperem Vékony falú, éles sarkú, hengeres nyílású szűkítő elem. Szabvány tartalmazza a mérőperem és mérő-vezeték olyan méretviszonyait, valamint hidraulikai jellemzőit, amelyeknek betartása mellett felépített mérőberendezéssel hitelesítés nélküli térfogatáram mérése végezhető el. A szabvány megadja az átfolyási

számokat (α), melyekkel a hatónyomás ismeretében meghatározhatjuk a térfogatáramot. 2 ⋅ ( p1 − p2 ) qv = αAd ρ száll Ahol Ad a szűkített keresztmetszet, p1 statikus nyomás a mérőperem előtt, p2 pedig a mérőperem után. Követelmény, hogy a mérőperem cső belsejében lévő része körszimmetrikus legyen, homlok-felületei pedig síkok és párhuzamosak legyenek. Nyomásmérő megcsapolás a csőfalba készített, a cső belső felületén végződő nyílás. Általában kör keresztmetszetű furat, de lehet körgyűrű alakú rés is. A nyomásmérő megcsapolások elhelyezési lehetőségei: sarokban elhelyezett; gyűrűkamrás; furatos; karimán átmenő. A be- és kilépő oldali megcsapolások különböző félsíkokban is elhelyezhetők. A mérőnyomás megállapításánál ügyelni kell a meg-csapolások szintkülönbségeinek figyelembevételére. Venturi-cső A cső tengelyével koncentrikus tengelyszimmetrikus szűkítőelem, amely konfúzorból,

hengeres részből és diffúzorból áll. Ha a konfúzor rész szabványos mérőtorok kialakítású, akkor a szűkítőelem neve mérőtorok beömlésű Venturi-cső, ha a konfúzor kúp, akkor a neve kúpos Venturi-cső (klasszikus). A kúpos Venturi-cső hengeres részből, és az ezt követő kúpból (konfúzorból), hengeres torok-részből és kúpos diffúzorból áll. Lényeges a következő előírások betartása: a hengeres rész belépő át-mérője az azt megelőző mérőszakasz közepes átmérőjétől nem lehet nagyobb illetve kisebb, mint 1%. A hengeres rész hossza legalább az átmérővel egyenlő nagyságú legyen. A konfúzor rész kúpos kialakítású, csúcsszöge 21° A torokrész legyen hengeres, tengelyirányú hossza egyezzen meg belső átmérőjével. A diffúzorrész legyen kúpos, csúcsszöge 715° között legyen. Ív- és könyökcsövek Kissé szennyezett közegek mérésénél nagy jelentőségű. A szennyezettséggel szemben gyakorlatilag

érzéketlen. Elektromos elven működő áramlásmérők Indukciós áramlásmérő Elve a Faraday-féle indukciótörvényen alapszik: mágneses térben l hosszúságú vezetőt v sebességgel mozgatunk, így a vezetőkben feszültség indukálódik (Ui) Ui = Blv A mágneses térben mozgó vezető folyadék is lehet, ha vezetőképessége eléri a mérés által A megkívánt értéket. A térfogatáramot a következő összefüggéssel számíthatjuk: qv = U i ⋅ B ⋅l , ahol A a mérőcső keresztmetszete, B a mágneses indukció, l az elektródok közötti folyadékszál hossza. Az egyenletben egyedül a feszültség a változó érték, így a térfogatáram feszültségméréssel meghatározható. Gyakorlatban váltakozó árammal gerjesztett mágneses teret használunk, ami kiküszöböli az elektrolitikus befolyásokat és váltóáramú jelerősítő alkalmazását teszi lehetővé. Ügyelni kell arra, hogy gáz, levegőzárványok vagy szilárd szennyeződés az

elektródokat el ne szigetelhesse. Ez vízszintes síkú elektródapár estén nem következhet be. A mérőcső szigetelő, vegyi agresszivitásnak ellenálló anyagból készül A fém elektródákat nemesfémből állítják elő. Előnyei: a széles méréstartomány, kis energiaveszteség, a pulzációra érzéketlen, szennyeződésekre érzéketlen, automatizálási feladatokra jól felhasználható. Turbinás áramlásmérő Csőben nyomás alatt áramló gáz vagy folyadék tér-fogatáramának és mennyiségének a mérésénél jelen-tős szerepet kapott. Mérési információja elektronikus eszközökkel továbbítható, és szabályozási valamint értékelési célokra egyaránt alkalmas. Széles mérési tartományban pontossága megelőzi az egy-szerűsége miatt kiterjedten alkalmazott szűkítőelemes mérőket. A műszer két egységre osztható: 1. mérőturbina, amely kapcsolatot teremt a mérendő mennyiség és a mérő kimenőjele között; 2. jelfeldolgozó

egység, amely a mérőturbina kimenőjelét szabályozási vagy értékelési célra átalakítja, illetve kijelzi. A mérőturbina olyan axiális átömlésű turbina, melynek hasznos teljesítmény leadása nincs, tehát a járó-kereket fékezőnyomaték nem terheli. Így a lapátokon létrejövő elterelés mértéke is kisebb. Ez lehetővé teszi, hogy a mérőturbina működése jól megközelíthesse az áramlástechnikai gépek affinitási törvényeinek azt a tételét, hogy a járókerék fordulat-száma lineáris összefüggésben van a gépben kialakuló térfogatárammal. A turbinakerék fordulatszáma az átáramlott közeg térfogatáramával, egy adott idő-tartam alatt megtett fordulatok száma pedig ezen idő alatt átáramló térfogattal arányos. Ez teszi lehetővé, hogy a mérőturbinát térfogatáram mérésére, és átfolyt térfogat mennyiségének számlálására is alkalmazzuk. A térfogatáram és a fordulatszám közötti lineáris függvénykapcsolat

csak ideális közeggel működő súrlódás nélküli mérőturbinában jöhet létre. ni = ki Q Valóságos folyadék esetében és a fellépő csapágysúrlódás, valamint résáramlás miatt a turbinakerék az ideálistól eltérően tényleges fordulatszámmal fog forogni. n = kQ A mérő fordulatszámának ∆n eltérése a mér térfogatáramban ∆Q eltérést okoz. A mért térfogatáram Qm = n/ki A mérés abszolút hibája: ∆Q = Qm – Q A mérés relatív hibája: ε = ∆Q / Q A relatív hiba a fordulatszámokkal is felírható: ε = (n – ni) / ni A mérő abszolút és relatív hibája is a térfogat-áram függvénye. A relatív hiba térfogatáram függését hibagörbén szokás megadni. A mérési tartomány Qmin –től Qmax térfogatáramig terjed. A mérési tartományon belül a mérő relatív hibája nem lépheti túl a ∆ε-nal megadott hibahatárokat. A hibagörbe felrajzolása az átáramló közeg térfogatáramának és a járókerék

fordulatszámának meghatározása útján történhet. A mérőturbina olyan elektromos kimenőjelet szolgáltat, amelynek frekvenciája arányos a turbinakerék fordulatszámával. A kimenőjel frekvenciáját digitális mérővel mérik A fordulatszám és a frekvencia közötti összefüggés: f = Zn , ahol Z a fogaskoszorú Q fogszáma. A térfogatáram számítása a frekvenciával: Q = max ⋅ f f max A mérőturbina beépítése: a beépítés környezetében mérőszakaszt kell kialakítani. A mérőszakasz áramlásrendezővel ellátott megelőző egyenes csőszakaszból, a mérőturbinából és a követő egyenes csőszakaszból áll. Ha a csővezeték át-mérője nagyobb, mint a mérőturbina névleges átmérője, akkor a mérőszakasz előtt szűkítést, utána pedig bővítést kell alkalmazni. Főbb alkalmazási területek: kőolaj- és földgáz-ipar, vegyipar, gépipar és erőművek, élelmiszer-ipar. Örvénymérők Az örvényleválásos áramlásmérő

készülékek folyadékok, gázok, és gőzök térfogatáramának mérésére, széles nyomáshőmérséklet- és viszkozitás tartományban alkalmazhatók. Nagy pontosságot biztosít, szinte mindenhová alkalmazható. Az elektronika frekvencia kimenete lehetővé teszi, hogy számítógéppel, szabály-zókkal illetve adatfeldolgozó berendezésekkel ellátott technológiákhoz is alkalmazhassuk. Működési elv: az áramló közegbe merülő test körül örvények jönnek létre. Az áramlás irányára merőleges tengelyű zavaró test mögött az örvények váltakozva a test egyik, majd másik oldalán szakadnak le. Az áramlás irányára merőleges d méretből a közeg v áramlási sebességéből és az örvényképződés f frekvenciájából képzett dimenzió nélküli szám az ún. Strouhal-szám állandó: Sr = (f ⋅ d) / v Az Sr értékét a nyomás, a hőmérséklet és a viszkozitás változása csak kis mértékben befolyásolja. Ha a Strouhal-szám állandósága

biztosított, akkor a leválási frekvencia egyenes arányban áll az áramlási sebességgel: f = v ⋅ (Sr / d) A zavaró test általában delta keresztmetszetű, mely elősegíti az örvények leszakadását. A leszakadás frekvenciáját termisztorral vagy rezgő lemezekkel érzékeljük. Az örvénymérők az érzékelőt tartalmazó mérőtestből és jelfeldolgozó elektronikus egységből állnak. Ha a Reynolds-szám 104 értéknél nagyobb, akkor az időegység alatt leszakadó örvények száma széles tartományban az áramlási sebességgel arányos. Az örvényleválást zavaró tényezők kiküszöbölésére a mérőt elő- és követő csőszakasszal, áramlásrendezővel kell ellátni. Az örvénymérőhöz közvetlen kijelző csatlakoztatható, vagy frekvenciamérő. Ha frekvenciát mérünk, akkor a következő összefüggéssel számolhatjuk a q térfogatáramot: qv = max f f max Ahol qmax a mérőre jellemző maximális térfogatáram, fmax pedig a maximális

térfogatáramhoz tartozó frekvenciaszám. Térfogatmérők Térfogatkiszorításos elven működők A dugattyús rendszerű vízórák előnye, hogy nem érzékenyek a folyadék viszkozitásának változására, így igen pontosak. Hátrányuk, hogy a mérendő folyadéknak tisztának és vegyileg közömbösnek kell lennie, esésveszteségük elég nagy, és a méretük is. Turbinás vízmérőórák Az áramló víz sebességi energiáját használják fel mérésre. Előnyük, hogy a szennyeződésre kevésbé érzékenyek, hátrányuk a kisebb pontosság. Legelterjedtebb típusok: a szárnykerekes és a Woltmann-szárnyasvízórák. Szárnykerekes vízmérők: Olyan mérőturbina, amelynek forgómozgását a szárnykerékre tangenciálisan rááramló víz hozza létre. Woltmann-szárnyas vízmérőórák: Működési elvét tekintve propeller turbinának felel meg. A szárny-kerékre a víz tengelyi irányban áramlik, és hozza ezáltal forgásba. A szárnykerék

forgómozgását általában mágneskuplung közbeiktatásával csiga hajtómű közvetíti a számláló és jelzőszerkezet felé. Nyílt felszínű csatornákban alkalmazható áramlásmérők Mérőbukók A bukók a víz átbukása alapján két fő csoportba oszthatók: tökéletes átbukású és tökéletlen átbukású bukók. A tökéletes átbukás nagyobb szintesést követel meg, de a mérés pontosabb A mérőbukók csoportosíthatók az átfolyási nyílás alakja szerint is: háromszög szelvényű (Thomson-féle); négyszög szelvényű (Bazin-féle illetve Poncelet-féle); trapéz szelvényű (Cipoletti-féle). Kis térfogatáramok mérésére jól használhatjuk a Thomson-féle bukókat A mérőmagasság ismeretében a következő összefüggéssel számolhatjuk a térfogatáramot: 5 8 qv = µ 2 g tgαh 2 15 A vízhozam tényező (µ) diagramból olvasható le a nyílásszög függvényében. Bazin-bukóra a térfogatáram összefüggés: 3 2 qv = µ 2 g bH 2 3 Ahol H

= (h + v12) / 2g és µ = 0,645 Poncelet-bukóknál a térfogatáram összefüggés megegyezik a Bazin-bukó összefüggésével, de itt a µ értéke 0,580,59 között van. 3 A Cipoletti-bukónál alkalmazható térfogatáram összefüggés: qv = 1,866 ⋅ bH 2 Forgószárnyas vízsebességmérők Ezekkel a mérőkkel nyílt felszínű csatornákban adott áramlási keresztmetszetben több helyütt pont-szerű sebességet mérünk és ebből átlagsebességet számolunk, majd ezt megszorozzuk az átáramlási keresztmetszettel. FOLYADÉK SZÁLLÍTÁSÁRA ALKALMAS CSŐHÁLÓZATOKBA ÉPÍTETT SZERELVÉNYEK VESZ-TESÉGTÉNYEZŐJÉNEK MEG-HATÁROZÁSA A csővezetékbe iktatott idomdarabok és csőelzáró szerelvények veszteségmagassága (h’) az áramló folyadék lendületével arányos: h’ = ζ ⋅(v2 / 2g) Zárószerkezetekre ζ-án kívül ζ0 értéket is megad. Ez a zárószerkezet legszűkebb keresztmetszetére vonatkozik. A két veszteségtényező között a következő

összefüggés áll 2  A fenn: ζ = ζ 0    A0  A különböző zárószerkezetek összehasonlításához a ζ0 értékét határozzuk meg a zártsági fok függvényében. (A / A0) A mérés menete: A tartályból a centrifugál szivattyú vizet szív, és a nyomóvezetéken keresztül a Danaidahordóba szállítja. A nyomóvezetékbe épített zárószerkezetek veszteséget okoznak, mely nyomásesésben nyilvánul meg. A nyomásesés méréséhez U-csöves differenciálmanométert használunk, amit a szerelvény előtti és utáni nyomásmegcsapolóhoz csatlakoztatunk. Mérés előtt meg kell határozni az elzáró-szerelvény zártsági fokát. Erre azért van szükség, mert minden zártsági fokhoz ismerni kell az átáramlási keresztmetszetet (A0). A számítás menete Felírhatjuk a csőszerelvény előtti és utáni megcsapolási pontokra a Bernoulli-egyenletet: 2 2 p v p v H 1 + 1 + 1 = H 2 + 2 2 + h Mivel a csővezeték vízszintes helyzetű:

H1 = H2 ρ sz g 2 g ρ sz g 2 g A keresztmetszetek egyenlősége miatt a kontinuitási egyenlet leegyszerűsödik: v1 = v2 Ezek figyelembevételével: p − p2 ∆p = h ρ sz g h = 1 ρ sz g Ezt a nyomásesést tudjuk mérni a manométerrel: ∆p = h( ρ mérő − ρ sz )g ρ − ρ sz h = h mérő ρ sz A veszteségmagasság: ρ − ρ sz v2 ζ = h mérő ρ sz 2g A csővezeték teljes belső keresztmetszetére vonatkoztatott veszteségtényező, a veszteségmagasság képletéből átrendezéssel számítható. Az elzáró szerelvény legkisebb keresztmetszetére vonatkoztatott veszteségtényező a nullás értékekkel behelyettesítve az előző képletből számítható. Ezekben az összefüggésekben a sebességértékek ismeretlenek Ezek meghatározhatók a kontinuitási egyenlettel: v = qv / A ; v0 = qv / A0 A sebességek számításához tehát a térfogat-áramot kell méréssel meghatároznunk. Ez háromféle módszerrel lehetséges: Köbözéssel (tolózár

mérésekor): A Danaida-hordót használjuk fel. Ekkor az elzáró dugót a kifolyónyílásba helyezzük A szivattyút beindítva a vízszint folyamatosan emelkedni kezd a köböző edényben. Egy bizonyos H1 szint elérésekor elindítjuk a stoppert, és H2 szint elérésekor leállítjuk az időmérést, majd a szivattyút. A térfogatáram ekkor: D 2π H 2 − H 1 ⋅ qv = 4 t Danaida-hordó segítségével (szelep vizsgálata-kor): Előfordul, hogy a térfogatáram olyan nagy értéket képvisel, amelyhez túlságosan nagy köböző tartályra lenne szükség. Ebben az esetben alkalmazható a Danaida-hordó, aminek az alján egy vagy több nyílás van. A Danaida-hordó elzáró dugóját eltávolítjuk, és beindítjuk a vízszivattyút. A beáramló térfogatáram egy része az alsó nyíláson keresztül távozik, miközben folyamatosan emelkedik a vízszint a hordóban. A vízszint emelkedésével fokozatosan nő a nyíláson kiáramló víz sebessége. Ezáltal a kiáramló

térfogatáram nagysága is nő Mivel a beáramló térfogatáram állandó, ezért elérkezünk egy olyan egyensúlyi állapothoz, mikor a beés kiáramlás megegyezik egymással. Ez az állapot akkor következik be, amikor a vízszint magassága állandósul a Danaida-hordóban (H3). A kifolyó nyíláson kiömlő víz sebessége: v1 = ϕ 2gH 3 Ahol ϕ a sebességi tényező. A Danaida-hordó alsó nyílásán kiáramló térfogatáramot meghatározhatjuk, mivel az átmérő ismert (qv1). Ugyanakkor az megegyezik a qv-vel, amit meg akartunk határozni. qv = qv1 = d12π ⋅ v1 4 Vízmennyiségmérő segítségével (kúpos csap) Ez az egyik legegyszerűbb forma. A vízmennyiség mérő óra a csővezetékbe van beépítve A számláló az átfolyt vízmennyiséget (térfogatot) köbméterben jelzi. A méréshez egy stopperóra is szükséges, mellyel vagy 0,1 m3 átfolyási idejét mérjük, vagy 1 percen keresztül figyeljük az átfolyt térfogatot. Ha az első módszerrel

mérünk, akkor a térfogatáram: qv = V / t = 0,1/t A mérés során a csőszerelvényeket különböző fojtási értékekre állítjuk be. A mérés adatait táblázatba foglaljuk és az ismeretlen tényezőket meghatározzuk, majd egy koordinátarendszerben feltüntetjük. AXIÁLIS VENTILÁTOR VIZSGÁLATA A mérés célja: meghatározni a szélcsatornával egybeépített axiális ventilátor jelleggörbéit mérési adatok alapján. Ehhez meg kell vizsgálnunk a ventilátoron illetve a csővezetékben végbemenő nyomásváltozásokat. A statikus nyomás (pst): a csőfallal párhuzamos áramló közegnek a falra ható nyomása. A dinamikus nyomás (pd): az áramló közeg mozgási energiájából származó nyomás. Szívóoldalon: p1d = ρl 2 Nyomóoldalon: p2 d = v12 ρl v22 2 Az össznyomás (pö): a statikus és dinamikus nyomás összege. Az össznyomás növekedés (∆pö): a ventilátor nyomó- és szívócsonkjában uralkodó össznyomások különbsége. A statikus

nyomás növekedés (∆pst): a ventilátor nyomócsonkjában uralkodó statikus nyomás, és a szívócsonkban uralkodó össznyomás különbsége. Tehát nem azonos a nyomó- és szívócsonkban uralkodó statikus nyomások különbségével. A ventilátor üzemeltetésekor csak a statikus nyomásnövekedés hasznosítható. Ezért a gyártók legtöbb esetben a statikus nyomásnövekedés görbéjét adják meg. A mérőhely kialakítása: Az axiális ventilátor a szabadból szív. A ventilátor járókereke a motor tengelyére van erősítve A vezetőkerék-házhoz közdarabok csatlakoznak, majd ezeket követi a konfúzor, valamint a konfúzor kisebb átmérőjének megfelelő méretű csőszakasz. A csőszakaszok mindegyikén található egy-egy körvezetékes mérőhely, a nyomáskülönbségek mérésére. A mérés során fokozatosan változtatni kell a ventilátor térfogatáramát. Ezt a célt szolgálja a fojtókúp, melynek tengelyirányú elmozdulását csavarosós

mechanizmus biztosítja. A ventilátor nyomó-vezetékében áramló levegő áramképének rendezésére áramlásrendezőt kell beépíteni adott távolságra a vezetőkerék-háztól. A méréshez használt műszerek: ferdecsöves mikromanométer a konfúzor előtti és utáni nyomások különbségének mérésére; Askánia típusú mikromanométer a statikus nyomáskülönbség mérésére; elektromos mérőbőrönd az axiál ventilátort meghajtó villanymotor által felvett teljesítmény mérésére. A mérés menete: A konfúzor előtti és utáni nyomások különbségének mérése A ferdecsöves mikromanométert bekötés után vízszintes helyzetbe hozzuk, beállítjuk a méréshatárnak megfelelő szögértéket, és utána lenullázzuk. Ezután a mérés megkezdhető, és a műszerről leolvasható valamilyen nagyságú kitérés, amely a nyomáskülönbséggel arányos A statikus nyomásnövekedés mérése Vízszintes helyzetbe hozzuk az Askánia típusú

mikromanométert, majd lenullázzuk. Mivel a ventilátor szabadból szív, ezért a statikus nyomásnövekedésre a következő összefüggés adódik: ∆pst = p2st – p0 = ∆p2st Ahol a 2-es index a nyomócsőben lévő értékeket jelenti. Az elektromos motor által felvett teljesítmény mérése Az elektromos motor által felvett teljesítményt tekintjük a bevezetett teljesítménynek. Így a hatásfok a ventilátornak és a motornak, mint gépcsoportnak az össz hatásfokát fogja jelenteni. A mérőbőrönd segítségével wattban mérjük a felvett teljesítményt. A számítás menete Első lépésként meghatározzuk a konfúzor előtti és utáni nyomások különbségét: ∆p = ρmérőgl sin α , ahol l a mikromanométerről leolvasott kitérés. A levegő sűrűségét az általános gáztörvényből határozhatjuk meg: p + ∆p2 st 273 ⋅ ρl = ρ0 0 1,013 ⋅10 5 273 + t Ahol p a légköri nyomás, ρ0 pedig a levegő normál állapotra vonatkoztatott

sűrűsége. A ventilátor térfogatárama qv = Av A ventilátor hasznos teljesítménye Phaszn = qv∆pö Az össz hatásfok ηö = (Phaszn / Pfelvett) ⋅ 100 ÁRAMLÁSOK JELLEGE Lamináris és turbulens áramlás A csőben kialakuló áramlás a Reynolds-szám értékétől függően lamináris és turbulens lehet. A lamináris (réteges) áramlásnál a közegrészecskék a cső tengelyével párhuzamosan keveredés nélkül mozognak. A sebesség minden pontban meghatározott értékű Ez az áramlási forma akkor áll fenn, ha: Re = (vd) / ν < Rekr = 2320 Ahol a ν a közeg kinematikai viszkozitása. Turbulens áramlásnál a sebesség tengelyirányban és merőlegesen is kaotikusan változik időben. A tengelyre merőleges átlagsebesség zérus, a tengelyirányú pedig egy sugár mentén változó átlag-érték körül fluktuál. Bekövetkezése: Re > Rekr = 2320 Áramlás és rohanás szabad felszín esetén Nyílt medrekben vagy a csővezeték keresztmetszetét

részben kitöltő áramlás esetén a Froudeszám dönti el, hogy lassú áramlás vagy gyors rohanás jön-e létre. A Froude-szám: v Fr = < 1 , ahol z a vízmélység. gz Ebben az esetben az áramlás nyugodtan halad. Kis áramlási sebességeknél és nagy vízmélységeknél valósul meg. A folyadékfelszín megzavarásával létrehozott hullámok mind az áramlással szemben, mind annak irányában terjednek. v > 1 , akkor a folyadék gyorsabban halad, mint a felszíni hullám, gz azaz rohan. Ilyenkor a zavarás okozta hullámok csak az áramlás irányában terjednek Előfordul, hogy a csővezetékben vagy a mederben kiemelkedés vagy besüllyedés van. Ha a Froude-szám: Fr = ÁRAMLÁS ZÁRT CSŐVEZETÉKEKBEN A Bernoulli-egyenlet viszkózus közeg áramlására Valóságos folyadékban az energiaátalakulásokat kísérő viszkózusság és a turbulens örvénylés miatti áramlási veszteségeket is figyelembe kell venni. A viszkózusság okozta

energiaveszteségek miatt a mozgási, nyomási és potenciális energiák összege nem azonos a két keresztmetszetre, mivel a közeg összenergiájának egy részét a viszkózus és turbulens nyíróerők felemésztik. Az egyenlőség akkor áll helyre, ha a második keresztmetszetre vonatkozó mechanikai energiához hozzáadjuk a két keresztmetszet közti energiaveszteséget. Viszkózus közegre érvényes Bernoulli-egyenlet: p v2 p v 2 ∆p gz1 + 1 + 1 = gz 2 + 2 + 2 + v Ahol ∆pv a nyomásveszteséget jelenti, így ∆pv / ρ az ρ 2 ρ 2 ρ energiaveszteség. Ha az egyletünket végigosztjuk g-vel, minden tag hosszdimenziójú lesz. p1 v12 p2 v22 z1 + + = z2 + + + hv = v Ahol hv = ∆pv / ρg. az ún veszteségmagasság, és v a ρg 2 g ρg 2 g teljes hidraulikus magasság. A nyomásveszteség kör keresztmetszetű egyenes csőben lamináris áramlásnál Csőben történő lamináris áramlás esetén, a cső falánál a sebesség zérus, a cső középvonala felé egyre nő,

és a cső tengelyében veszi fel maximumát. Mivel a folyadékrétegek egymáshoz képest eltérő sebességgel mozognak, így nyírófeszültség keletkezik. A fellépő sebességlassulás: p − p2 2 v(r ) = 1 ⋅ r0 − r 2 4ηl A közeg csőbeni térfogatárama: r 2πv qv = 0 max 2 p − p2 2 Ahol: vmax = 1 ⋅ r0 4ηl A két egyenletet összevonva kapjuk a Hagen-Poiseuille-törvényt: π ( p1 − p2 ) 4 qv = ⋅ r0 8ηl Ebből a törvényből kifejezhető a l csőhosszra jutó nyomásveszteség. Ebben az esetben is bevezethetjük a Reynolds-számot: Re = (ρvd) / η A Reynolds-szám segítségével egyszerűbbé válik a nyomásveszteség számítása. 64 l ρ 2 ∆pv = ⋅ ⋅ ⋅v Re d 2 A nyomásveszteségből a veszteségmagasság is számítható: hv = pv / (ρg) A 64/Re kifejezést λ-val jelölik és neve csősúrlódási tényező. A gyakorlatban lamináris áramlás ritkán valósul meg. ( ) A nyomásveszteség Kör keresztmetszetű csövekben turbulens

áramlásnál a nyomásveszteség arányos a csőhosszal, az átlagsebesség dinamikus nyomásával és fordítottan arányos a cső átmérőjével: l ρ ∆pv = λ ⋅ ⋅ v 2 d 2 A λ csősúrlódási együttható a Reynolds-szám és a k/d relatív csőérdesség függvénye. A nyomás-veszteségek számításánál általában a csőben vég-bemenő áramlás átlagsebességét és így Reynolds-számát sem ismerjük. Ekkor a: λ = 0,025-0,03 értékek között vehető fel Ezzel az értékkel számítható egy átlagsebesség és egy Reynolds-szám. Nyomásveszteség nem kör keresztmetszetű csövekben Egyenes, nem kör keresztmetszetű csövekben keletkező nyomásveszteségeket az előző témakörhöz tartozó összefüggésekkel számíthatjuk annyi különbséggel, hogy a képletben λ* és de (egyenértékű hidraulikai átmérő) szerepel. A de átmérő annak a kör keresztmetszetű csőnek az átmérője, melynek l hosszúságú szakaszán ugyanakkora ∆p

nyomásveszteség keletkezik, mint a tetszőleges keresztmetszetű cső l hosszúságú szakaszán. A csúsztató feszültségből a kerület mentén adódó súrlódó erő mindkét esetben a nyomáskülönbségből származó erővel tart egyensúlyt. A nyomás-veszteség: ∆p = (Kl / A) τ Az ezzel hidraulikailag egyenértékű d átmérőjű csöveknél felírható: ∆p = (4l / de) τ Ha a nyomáskülönbség két kifejezését egyenlővé tesszük, akkor adódik, hogy: de = (4A / K) A λ* csősúrlódási együttható a kísérletek szerint: λ = ϕλ Ahol ϕ a formatényező. A formatényező turbulens áramlásnál 1-nek vehető ÁRAMLÁS CSATORNÁKBAN, MEDREK-BEN Ezekben az esetekben a fenék esése, a felszín esése és az áramlási keresztmetszet állandó. Az áramlás kizárólag a potenciális energia változása miatt jön létre. Az áramlás turbulens jellegű, és a hidraulikailag érdes tartományba esik. A sebességeloszlás Csatornákban a sebességeloszlás nem

szimmetrikus. A nedvesített kerület mentén a folyadék sebessége zérus. A legnagyobb sebesség a szabad felszín alatt kb h/5 magasságban van, ahol h a folyadék mélysége. A levegő és a folyadék közti súrlódás miatt a felszín sebessége kisebb Az átlagsebesség: v = qv / A Áramlási összefüggések Ha a fenékesés és az átlagsebesség kapcsolatát vizsgáljuk, a veszteséges áramlás Bernoulli-egyenletét alkalmazzuk. z1 + p1 v12 p v2 + = z 2 + 2 + 2 + hv ρg 2 g ρg 2 g Továbbá: v = v1 = v2 , és p1 = p2 = p Ebből következik, hogy z1 – z2 = hv l v2 A nem kör keresztmetszetű csőáramlásokra érvényes: hv = λ ⋅ ; ahol de = 4A / K a de 2g csatorna egyenértékű átmérője. z −z Ezen képletek egybevetéséből bevezethető a csatornaesés fogalma: J = 1 2 = sin α l Ezután kifejezhető a sebesség: v= 8g λ ⋅ de ⋅ J 4 Ha bevezetjük a hidraulikai sugár rh= de / 4 = A/K továbbá a Chézy-tényezőt C = akkor a sebesség a

következő alakba hozható: v = C rh J 8g λ , A C értéke a λ-tól függ, melynek értéke viszont a Reynolds-szám és a relatív érdesség ismeretében vehető fel. Csatornáknál az érdességi adatok meg-bízhatatlanok, így számítási eredményeink is azokká válnak. Célravezetőbb a Bazin-képlet alkalmazása, 87 ⋅ rh mely szerint: C = . α + rh α értékét táblázatból vehetjük fel. ELTÉRÉSEK A STACIONARIUS ÉS INKOMPRESSZIBILIS ÁRAMLÁSTÓL A gyakorlatban vannak esetek, amikor a közeget összenyomhatónak kell tekinteni. Ilyen eset a cső-vezeték hirtelen zárásakor keletkező nyomáslökés, amikor a nyomásváltozás hangsebességgel terjed tova a csővezeték mentén, és csak többszöri visszaverődés után hal el. A közeg részecskéi ilyenkor a hullám frontja előtt és után más sebes-séggel mozognak, így a jelenség instacionarius. Akkor is megsérül az inkompresszibilitás és a stacioneritas feltétele, ha a folyadékban áramlás

során buborékok keletkeznek. Ez történik a szivattyúk üzemében fellépő kavitációs jelenségeknél. Nyomáshullámok csővezetékekben. Képzeljünk el egy csővezetéki szakaszt, melyben egy szabályozó szerelvény, például tolózár van. Kezdetben v az áramlás sebessége, és hirtelen zárunk a tolózáron Ekkor a tolózár előtt ∆v érték-kel csökken a sebesség, így a sebességi energia egy része hirtelen nyomási energiává alakul, és ha a zárás igen gyors volt, akkor egy meredek homlokú nyomásugrás lép fel. A nyomásugrás a közeg rugalmassága miatt hanghullám formájában terjed tova a csővezeték mentén. Ahol a nyomáshullám áthalad, a folyadék összenyomódik, a cső pedig rugalmassága miatt tágul. A folyamatok eredményeként a folyadék részecskéi korábbi sebességüket a tolózár előtti értékre csökkentik. Hirtelen nyitáskor fordított folyamat játszódik le (depreszsziós hullám). A nyomásnövekedés a hullám

hom-lokfelületén: ∆v  ρ  ∆p = − ρc∆v − ⋅ v +  2 ∆v   Folyadékot szállító csővezetékekben ∆v ≤ v ≈ 2 m/s és a c ≈ 1500 m/s értékek valósulnak meg, így a második tag elhanyagolható: ∆p = - ρc∆v A sebességváltozási hullám mindig ellentétes elő-jelű, mint a nyomáshullám. A térfogatváltozás: 1 ∆V1 = − v0 ∆p Η ∆pd A cső falában feszültség növekedés jön létre, melynek értéke: ∆σ = ; ahol δ a csőfal 2δ vastagsága. A kavitációs jelenségek folyadékokban Valóságos áramlásnál nem mindig teljesülnek a kontinuitási-egyenlet egyes feltételei, mégpedig tömeg az áramlási rendszeren belül nem keletkezik és nem tűnik el, valamint a rendszer határoló felülete időben változatlan marad. Az áramlás irányába csökkenő keresztmetszetű áramlási geometriáknál a Bernoulliegyenlet szerint számolni kell azzal, hogy a statikus nyomás a folyadékra az adott hőmérsékleten

jellemző, telítési gőznyomás alá esik. Ekkor a folyadékban gőzbuborékok jönnek létre. Hasonló jelenség lép fel akkor is, ha a folyadék nagy mennyiségű gázt tart oldva. Nyomáscsökkenéskor az oldott gáz buborékok formájában válik ki Az eddig homogén folyadék inhomogénné válik. Gáz- illetve gőzbuborékok általában a falak mellett jönnek létre, és ott üreget képeznek. A folyadék most nem a szilárd fallal, hanem az áramvonalakból álló fallal (FD) van határolva, melynek alakja időben változhat. A kontinuitási-egyenlet továbbra is használható, csak most az FD fallal határolt áramcsőre érvényes. A falak mentén létrejött buborékokat az áramlás magával ragad-hatja és ismét olyan helyre kerülhetnek, ahol nagy a statikus nyomás. Itt a buborékok elpukkadhatnak és ezzel nyomáslökéseket kelthetnek. A létre-jövő nyomáslökések a környező fémfelületeket roncsolják. A buborékképződést kavitációnak,

következményét kavitációs eróziónak nevezzük. A jelenség elkerülhető, ha olyan áramlási körülményeket hozunk létre, melyeknél a statikus nyomás nem csökkenhet a folyadék telített gőz-nyomása alá (forrásponti nyomás). ÁRAMLÁSTANI GÉPEK Szivattyúk A bevezetett mechanikai munkát megváltoztatják és a folyadék energiatartalmát növelik. A szivattyú szívógép A hétköznapi életben a szívás tulajdonképpen a légköri nyomás és az abszolút nyomásmentes tér nyomáskülönb-égéből adódik. Ezért víznél a legnagyobb szívómélység elméletileg is csak a légköri nyomással egyensúlyt tartó 10 méter vízoszlop lehet. A gyakorlatban ez kevesebb is lehet Szivattyúk működési elv és szerkezet szerinti osztályozása Térfogat kiszorítás elvén működő szivattyú Működésük térfogatváltozáson alapul. Körülhatárolt térben mozgó szerv váltakozva növekvő és csökkenő térfogatú teret létesít, aminek következtében a

szállított folyadék oda beszívódik, majd onnan kiszorul. Öt alapvető elemet kell tartalmazniuk: kiszorító elem; szerv a folyadék csatornába bocsátására; szerv, melyen át a folyadék a csatornából eltávozik; szerv a beömlés és a kiömlés egymástól való eltömítésére; szerv a kiszorító elem kivonására a működésből. A működés elve: A folyadék beömlik a kiszorító elem mozgásának következtében előálló térbe; a folyadék bezáródik a térbe és a beömlési helyre szorul; a folyadék a kiszorító elem közbejöttével kinyomódik a kiömlő nyíláson. Ezen szivattyúk szállítása szakaszos, de a szállítás egyenletessé tehető szivattyúk párhuzamos kapcsolásával. Csoportosításuk a kiszorító elem mozgása alapján: lengőmozgás (dugattyús- és membránszivattyúk); forgólengőmozgás (szárnyszivattyúk); forgómozgás (a folyadékszállítás lehet kerületi irányú, vagy tengelyirányú); térbeli mozgás. Dugattyús

szivattyúk Lehetnek egy- vagy többhengeres, a hengerek helyzete szerint fekvő és álló, soros, Velrendezésű, radiális és axiális szivattyúk. Aszerint, hogy a dugattyúnak egy vagy mindkét oldala részt vesz a szivattyúzásban egyszeres illetve kétszeres működésűek. Ezen kívül szívó-emelő és szívó-nyomó szerkezetek lehetségesek. A dugattyú alak-ja szerint tárcsás-dugattyús, búvárdugattyús, lépcsős-dugattyús, szelepes-dugattyús kivitelek különböztethetők meg. A dugattyú mozgása közvetlenül vagy közvetett módon történhet. Membránszivattyúk A kiszorító elemet hajlékony membrán képezi. A membránnal kis löketek valósíthatók meg. A munkaterek száma szerint lehetnek egy, kettő illetve három munkateres szivattyúk. A munkaterek helyzete szerint fekvő és álló elrendezésűek. A membránok mozgatása szerint kézi emelős, rudazatos, forgattyús, excenteres és bütykös hajtás lehetséges. Ezen kívül folyadéknyomással

vagy sűrített levegővel is működtethetők. Forgó-lengő dugattyús szivattyúk A kiszorító elem váltakozó irányú forgó-lengő mozgást végez. Ilyen a szárnyszivattyú, melyben kör keresztmetszetű csatornában ide-oda lengő szelepekkel ellátott sík lapok alkotják a kiszorító elemet. Forgó kiszorító elemmel működő szivattyúk A folyadékszállítás lehet kerületi- illetve tengely-irányú. A kerületi irányban szállító szivattyúk két csoportra oszthatók: a kiszorító elem koncentrikusan, illetve excentrikusan van elhelyezve. A koncentrikusan elhelyezett kiszorító elemmel dolgozó szivattyúk egy- vagy több forgórésszel készülhetnek. Az egy forgórésszel készülő szivattyúk közül leggyakoribbak a lamellás, a repülőlapátos, vagy csúszó lemezlapátos szivattyúk. A két forgórészes szivattyúk csoportjába tartoznak a külső fogazású fogaskerekek felhasználásával készített fogaskerék szivattyú. A kis fogszámú

fogaskerekek alakja eltér a szokásos fogaskerék alaktól (piskóta alakúak). A fogaskerekek száma általában kettő. A szállítás iránya szerint egy vagy mindkét irányba szállító szivattyúkat különböztetünk meg. Az excentrikusan elhelyezett egy kiszorító elemmel készülő szivattyúk között a forgótolattyús, a zárótolattyús, bolygó- vagy gördülődugattyús különböztethetők meg. Az excentrikus két forgó-részes szivattyúk lehetnek belső fogazású fogas-kerék szivattyúk. A tengely irányban szállító szivattyúk csoportjába a csavarszivattyúk tartoznak. Lehetnek egy, kettő és három csavarorsós szivattyúk. Az átömlés iránya szerint egyirányú és kettő átömlésű Az egyorsós szivattyú háza rend-szerint gumi, vagy gumibevonatú. Áramlástechnikai elven működő szivattyúk Az energiaátalakulás lapátokkal ellátott forgókerékben megy végbe (járókerék). A folyadék a lapátok közötti térből örvényszerűen

távozik (örvényszivattyúk). A folyadék a forgástengely irányában jut a járókerékbe, mely a folyadékot gyorsítja és sugárirányban ferde kúp felületen vagy pedig tengelyirányban juttatja a nyomótérbe. A nyomótér gyűrű alakú gyűjtőtér, spirál ház, ferde illetve tengelyirányú csőszerű köpenyes lehet. A nyomótérben a nyomás a sebességi energia rovására megemelkedik Az örvényszivattyúk nem önfelszívók, hanem indítás előtt folyadékkal kell őket feltölteni. A járókerék kialakítása szerint radiális be- és kiömlésű járókerék, amelynél a lapátcsatornákba a folyadék sugár irányban lép be és ki. Axiális vagy félaxiális beömlésű és kiömlésű járókerekek is lehetnek (tengely irányban vagy ferdén lép be és sugár irányban lép ki). Ezek a centrifugál szivattyúk Félaxiális kerekekben a folyadék ferde irányban jut be, és ferde irányban távozik. Axiális szivattyúkba a folyadék tengely-irányban lép

be és távozik. Lehetnek egy vagy több járókerekes szivattyúk Ezen belül ismét két-félék lehetnek aszerint, hogy a szállító magasságot vagy a folyadék mennyiséget kell növelni. Nagy szállító magasságok eléréséhez egymás után sorba vannak kapcsolva. Ezek a többfokozatú, vagy turbószivattyúk Nagy folyadék mennyiség szállítása párhuzamosan kapcsolt járókerekekkel érhető el. Ezek a kettős beömlésű szivattyúk. A járókerék lapátjai két forgásfelület között lehetnek elhelyezve Ezt zárt járókeréknek nevezzük. Lehetnek csak egy oldalon határolva, vagy teljesen nyitottak. A szivattyútengely térbeli helyzete szerint vízszintes, függőleges és ferde tengelyűek lehetnek. A tengely szivattyúházból való kivezetése szerint száraz és nedves tengelyű szivattyúkról beszélünk. A nyomótér és a szivattyúház kiképzése szerint gyűrű alakú gyűjtőtér, spirálházas valamint ferde illetve tengely irányú csőszerű

köpenyes kivitelek különböztethetők meg. Gyűrű alakú nyomóteret általában többfokozatú szivattyúkon alkalmaznak. Egyéb, fizikai elven működő szivattyúk Oldalcsatornás szivattyúk Járókerekük lapátozása sugár irányú (csillagkerék). A járókerék melletti oldalba van besüllyesztve a szállító oldalcsatorna. A járókerékben nagy sebességgel áramló folyadék az oldalcsatornában áramló folyadékkal turbulens keveredésbe jut, és sebességi energiájának egy részét átadja. Lehetnek egy- vagy többfokozatúak Ezek a szivattyúk önfelszívók. Sugárszivattyúk A szivattyú keverőterébe fúvókán át nagy sebességű közeg áramlik be, magával ragadva a környezetében lévő folyadékot. A keverőtérhez csatlakozó diffúzorban a sebesség nyomássá alakul át. Vannak gőz sugárszivattyúk, víz sugárszivattyúk és lég sugárszivattyúk. Légnyomásos vízemelők Egyik fajtája a mamutszivattyú, melynél a kút vízszintje alá

nyúló szállítócsőbe külön csövön át levegőt vagy gázt adagolunk. Az így keletkezett kisebb fajsúlyú folyadékot a felhajtó erő felemeli. A másik típus a fazékszivattyú Sűrített levegő nyomása a víztükrön felemeli a felszállócsőben a vizet. Elvileg dugattyús szivattyú, a dugattyút légpárna helyettesíti Egyik változata a pulzométer, mely nagynyomású gőzzel működik Vízemelő kos: A szivattyúba a hozzáfolyócsövön át kisebb eséssel beáramló folyadék a cső végén elhelyezett szelepet becsapja maga előtt. A nyomásnövekedés kinyitja a nyomószelepet és magasabb szintre szállítja a folyadékot. A folyadékszállítás addig tart, míg a vízoszlop a folyadékáram mozgási energiáját fel nem emészti. Ezután a nyomószelep záródik, esik a nyomás, a rugalmas folyadéktömegben lengést indít meg. Az első kilengéskor az indítószelep kinyílik és a folyamat megismétlődik. Ott használható, ahol a víznek esése van.

Csigaszivattyú: Tengelyre erősített csavarfelület, melyet félig körülvevő ferdén elhelyezett teknőben forgatnak. Az alvízbe nyúló csiga menetei közötti terekbe jutó folyadék forgás közben a felső szintre jut. Szennyvizek szállítására előnyös Egyéb vízemelő szerkezetek Vízemelőkerék: Hengerpaláston elhelyezett kanalak nyúlnak az alvízbe, és a kerék tengelyének megfelelő magasságra emelik a vizet. Láncszivattyú: Ide tartoznak a gémes és kerekes kutak is. Elektromágneses szivattyú: Villamos vezetőképeségű folyadékok szivattyúzására használható. Erős mágneses térre merőlegesen átfolyó áram a harmadik térirányban indukció folytán elmozdulást hoz létre. Ennek következtében szivattyúzó hatás áll elő A szivattyúkat a szállított közeg jellemző tulajdonságai alapján is megnevezhetjük. Beszélünk tiszta víz, pép, beton, savszivattyúkról. A szállított közegek feloszthatók: tiszta és enyhén

szennyezett folyadékok; szennyezett és sűrű folyadékok; gáztartalmú folyadékok és folyadék-gáz keverékek. A szállított közegnek megfelelően a szivattyúszerkezetek és anyagok is változnak. ÖRVÉNYSZIVATTYÚK JÁRÓKEREKEI Az örvényszivattyúk három csoportba sorolhatók: centrifugál szivattyúk, csavarlapátos szivattyúk, szárnylapátos szivattyúk. A centrifugál szivattyú centrifugális elvet érvényesít, ezért nagyobb nyomások létrehozására készül. Járókereke radiális kiömlésű Lapátjai tárcsaszerű forgástesten helyezkednek el. A lapátozás lehet radiális, hátraálló és hátrahajló Ha a lapátok csak a tárcsán helyezkednek el, és a csatornák másik oldalát a szívófedél képezi, akkor közönséges lapátról beszélünk. Ha a szívófedél mellett a lapátok még egy tárcsával fedettek, akkor ezt a kialakítást rekeszes járókeréknek nevezzük. A csavar- és szárnylapátos járókerék a csavarelvet alkalmazza. Az

áramlásba ferdén benyúló lapátok a folyadékot maguk mögé hajtják forgás közben. Kis nyomással nagy mennyiségek szállítására alkalmasak. A járókerék lapátjai tengelyirányból nézve fedik egymást (csavarlapátos). A szárnylapátos járókerék lapátjai hasonlítanak a hajtópropellerhez, és lapátjai között tengelyirányból nézve át lehet látni. A CENTRIFUGÁLSZIVATTYÚ HOZAMÁ-NAK MEGHATÁROZÁSA Járókerék emelőmagasságának ismeretében tudjuk, hogy a befektetett mechanikai munka árán mekkora energia hajtja a vizet a lapátcsatornán keresztül. Tudjuk használni a szabad kifolyásnál alkalmazott összefüggést: c = 2 gH , szivattyúknál pedig: cb = ε 2 gH Az ε értéke szivattyúknál kb. 0,1 Ez nem szivattyú hatásfok, mert az energia nagy része nyomás illetve helyzeti energia növekedésében jelentkezik. A szivattyú vízszállítása a kontinuitási törvényből: Q = Abcb Bevezethetjük a nyomásszámot, amely a veszteségképlet

szerint: 2 gH Ψ = 2 ; ahol az u2 sebességet a H ismeretében határozhatjuk meg. u2 SZIVATTYÚ SZABÁLYOZÁSA Fojtásos szabályozás A legegyszerűbb módszer; a nyomóvezetékbe szelepet, tolózárat vagy bármilyen folyamatosan állítható elzáró szerkezetet építünk be. Ezen szerkezetek fokozatos elzárásával a szivattyút fojtva, tetszőleges folyadékszállításra állíthatjuk be. A fojtással kapcsolatos energiaveszteségre η = f(Q) hatásgörbe érvényes. A munkapont teljesen nyitott tolózárnál az A pontban van. Ha fojtással csökkentjük az átáramlott mennyiséget Q1 értékre, a szivattyú jelleg-görbéje nem változik meg, de a csővezetéké meredekebb lesz, vagyis a munkapont elindul az N normálpont felé, majd eljut a C pontba, amelyhez a kívánt Q1 mennyiség tartozik. Ha a folyadék mennyiséget a Q2 értékre csökkentjük, a hatásfok észrevehetően rosszabb lesz. Akkor is ez történne, ha az A pontban volna a normálpont, akkor ugyanis a

Q1 mennyiségnél észrevehető volna a hatás-fok romlása. A szabályozás után nyert Q1 mennyiségnél a BC metszék adja a léptékhelyes veszteségek nagyságát. Ha ezt összehasonlítjuk a szállítómagasság értékével, nyilvánvalóvá válik, hogy gazdaságosságról szó sem lehet. Ha a szivattyú veszteségeihez számítva határozzuk meg a gép hatásfokát és hatásgörbéjét, még élénkebb lesz a kép. Minél laposabb a jelleggörbe, annál kisebbek a fojtási veszteségek, ami azt jelenti, hogy minél nagyobb a jellemző fordulatszám, annál kedvezőtlenebb a fojtás használata. Nagy fordulatszámú gépeket fojtva a hajtómotorokat túlterheljük és a gépeket tönkre is tehetjük. Nagy előnye a fojtásos szabályozásnak, hogy igen egy-szerű, könnyen kezelhető és szaktudást nem igényel. Megcsapolásos szabályozás A szivattyú nyomócsonkja után a fővezetéket megcsapolják. Erre akkor van szükség, ha a fővezetéken hosszabb időn keresztül

csak kis folyadékmennyiségekre van szükség, vagy üresjáratban kell a szivattyút járatni. Ha a T tolózár teljesen nyitva, a T’ jelű viszont teljesen zárva van, akkor a szivattyú a Cs csővezetékre dolgozik, és munkapontja az A1 pont. Ha a T’ tolózárat részben nyitjuk, a folyadékszállítás a Cs’ csővezetékben is megindul, így a teljes folyadékmennyiség a két vezeték között szétoszlik. A munkapont helyének meghatározásához az eredő csővezetékgörbét kell megrajzolni. A munkapont helye az A1 és AÜ pontok között lehet. Ha a T’ tolózár teljesen zárva van, a munkapont az A1 pontban van, ha viszont az egész mennyiséget a megcsapoló vezetéken vezetjük el, akkor a munkapont az AÜ üresjárati pontba kerül. A gép hatásfoka alig változik annak ellenére, hogy a szállított folyadékmennyiség tág értékek között mozog. A megcsapolásos szabályozás folyamán fellépő veszteségek kisebbek, mint a fojtásos szabályozásnál.

Nem a szivattyút, hanem a szivattyúberendezést szabályozzuk Nagy fordulatszámú gépeknél alkalmazzák. Levegővel való szabályozás A fojtásos szabályozásnál gazdaságosabb szabályozáshoz jutunk, ha a szállított folyadékmennyiséget a szívócsőbe juttatott levegővel változtatjuk. Hátránya, hogy a szabályozás kis határok között eszközölhető, és fennáll a veszélye a folyadékoszlop leszakadásának (a szivattyú leáll). Üzemmód változtatással való szabályozás Párhuzamosan kapcsolt többlépcsős gépek egyes lépcsőinek kiiktatása, illetve a párhuzamos lép-csők sorossá változtatása. A másik módszer, ami-kor a sorba kapcsolt többlépcsős gépek egyes lép-csőinek megkerülésével szabályozunk. Fordulatszámmal való szabályozás A szivattyút hajtó motor fordulatszáma gazdaságosan változtatható. A szivattyúnak a fordulat-számhoz tartozó jelleggörbéje: n = f(Q) A jelleggörbe C tetőpontját meghatározva megrajzoljuk az

M parabolát, melyen a többi jelleg-görbe tetőpontjának feküdnie kell. Ezután a jelleg-görbe tetőpontját eltolva megrajzolhatjuk az ismeretlen értékű fordulatszámokhoz tartozó H = f(Q) görbéket. A jelleggörbék a különböző fordulatszámú üzemállapotokhoz tartozó munka-pontokat és ezek a szállított mennyiségeket is kijelölik. A folyadékmennyiség változtatásához kis fordulatszám változás tartozik. A szabályozás folyamán a gép hatásfokának változásáról a kagylódiagram ad felvilágosítást. A munkapontok a kagylódiagram középső mezejében helyezkednek el, ezért a hatásfok kis határok között mozog, ha a szabályozás folyamán nem akarunk igen kis folyadékmennyiséget beállítani. Ezen szabályozás gazdasági előnye, hogy a szivattyú hatásfoka nem romlik le túlságosan, valamint gépen kívüli tényezők nem rontják azt. Ez az oka annak, hogy ahol csak lehetséges fordulatszám szabályozást alkalmazunk.

Vezetőlapáttal való szabályozás Ebben az esetben forgatható vezetőlapátokat alkalmazunk, melyek mindig a megfelelő szögben állva a vezetőkerék belépőpalástjánál fellépő iránytörési veszteségeket megszüntetik. A vezető-kerék állításával nem változnak meg az áramlási veszteségek és a járókerék iránytörési veszteségei sem. A vezetőkerék állításával a normálpontot áthelyezhetjük. A görbék közötti különbség szembetűnő A vezetőlapátok elállításával egy új kagylódiagramú szivattyúhoz jutottunk. A szivattyú normálpontját elmozdítottuk, de a szabályozás szempontjából ez nem mutatkozik kedvezőnek. Az A’ munkapont a kettes jelű jelleggörbe C’ normálpontjától messze van, és így a hatásfok is rossz lesz. A vezetőkerék elállításával történő szabályozás gazdaságosnak nem mondható, hiszen ebben az esetben egy beépített fojtószerv kezd működni. Ha a vezetőlapátok elállítását és a

fordulatszám változtatását összekapcsoljuk, akkor a normálpont nem csak elmozdítható, hanem a mindenkori munkapontba hozható lesz. Ez a szabályozás a leggazdaságosabb. Járókeréklapátok állításával való szabályozás A radiális és félaxiális gépeknél ennek szerkezeti megoldása nagy nehézségekbe ütközik. Propeller-gépeknél ez a szabályozási mód a fordulatszám szabályozásnál is gazdaságosabbnak minősíthető. Lapátcsatornák részbeni elzárásával való szabályozás A fojtásos szabályozásnál sokkal kedvezőbb, ha a lapátcsatornák egy részét elzárjuk. A csatornákat csak a belépésnél elrekesztve a hatásfok valamivel rosszabb lesz, mint ha azokat teljesen elzárjuk, viszont a szállítómagasság csökkenésének mértéke is kisebb. Ez a megoldás igen nehézkes, ezért nem alkalmazzák. Lépcsős szabályozás Erre a szabályozásra csak akkor kerülhet sor, ha a folyadékmennyiség tárolására lehetőség van. A szabályozás

elve, hogy a szivattyúk nem tartanak állandó üzemet, hanem jó hatásfokkal a kívánt mennyiségnél többet szállítanak egy tárolótartályba és a kívánt mennyiséget a gépek szakaszos üzemével érhetjük el. A hatásfok igen jó, mert elérhető, hogy minden szivattyú és hajtógép a legjobb hatásfokú pont közvetlen környezetében dolgozzon