4. Stanowisko badawcze 1. Przedmiot badań
4.3. Koncepcja stanowiska badawczego
W celu opracowania stanowiska badawczego przeanalizowano konstrukcję pomp jakie były przedmiotem badań, układy pompowe stosowane w przemyśle oraz uwzględniono właściwości reologiczne cieczy wykorzystywanych do badań.
Po przeanalizowaniu powyższych właściwości oraz wzajemnych zależności przystąpiono do opracowania koncepcji stanowiska badawczego. Założono, że stanowisko badawcze ma umożliwić prowadzenie badań z wykorzystaniem pomp zębatych różnej wielkości, czyli różna średnica króćcy wlotowych i wylotowych (w przypadku badań fi = 0,05 [m] oraz fi = 0,065 [m]). W celu sporządzenia charakterystyk konieczne jest wyznaczenie m.in.
wartości ciśnienia statycznego przed i za pompą oraz wydajności pompy (strumień objętościowy). Aby pomiar ciśnienia statycznego był prawidłowy, musi być wykonany w miejscu, gdzie przepływ nie jest zaburzony. W związku z tym, że do badań wybrano pompy zębate, które w przemyśle spożywczym wykorzystywane są głównie do transportu czekolad płynnych, dlatego też początkowo założono, że badania będą wykonywane z wykorzystaniem m.in. tej cieczy oraz oleju roślinnego. Korzystając ze wzoru (23) wyznaczono liczbę Reynoldsa dla płynnej czekolady i oleju, z których wynika, że przepływ w układzie pompowym będzie odbywał się w reżimie ruchu laminarnego.
Ze względu na to, że pompa generuje zaburzenia przepływu, pomiar ciśnienia należy wykonać za tzw. odcinkiem wstępnym (rozbiegowym), gdzie stabilizuje się laminarny profil prędkości [7]. Długość odcinka wstępnego dla zaokrąglonych krawędzi wejściowego przekroju rury, określa się wzorem empirycznym:
lw=0,065Re·d, (37)
gdzie:
lw - długość odcinka rozbiegowego [m], d - średnica rurociągu [m].
Korzystając ze wzoru (37), obliczono długości odcinków rozbiegowych dla różnych średnic rurociągów z uwzględnieniem liczby Re dla oleju oraz płynnej czekolady. Wyniki obliczeń zamieszczono w tab. 4.2.
Tab. 4.2. Długości odcinków rozbiegowych dla oleju oraz płynnej czekolady Długość odcinak rozbiegowego [m]
Aby spełnić założenie zawarte w tab. 4.2 oraz uwzględnić wszystkie elementy długość stanowiska badawczego wynosiłaby ponad 4 m. W literaturze przedmiotu [7]
przyjmuje się również, że długość odcinka rozbiegowego wynosi 10÷60 d. Z przyczyn technicznych założono, że długość odcinka rozbiegowego będzie wynosić 1 m, która zawiera się między (10÷60)d. Na rys. 4.4 przedstawiono fragment stanowiska badawczego, tzw. odcinka rozbiegowego. Ponadto określono długość odcinka rozbiegowego przed i za pompą oraz odcinki 0,30 [m], gdzie należy umieścić czujniki pomiarowe. Czujniki temperatury należy umieścić po stronie ssawnej między czujnikiem ciśnienia a króćcem wlotowym do pompy, po stronie tłocznej, zaraz za pompą na odcinku rozbiegowym, aby nie powodowały zaburzeń w przepływie, oraz ze względu na występujące tarcie wewnętrzne, które powoduje zmianę temperatury podczas przepływu przetłaczanej cieczy.
Rys. 4.4. Schemat odcinka rozbiegowego
Uwzględniając wytyczne związane z umiejscowieniem czujników pomiarowych oraz właściwości reologiczne badanych cieczy, zaprojektowano a następnie wykonano w firmie Spomasz Pleszew stanowisko do badań pomp z uwzględnieniem systemu grzania całego układu. Na rys. 4.5 przedstawiono poglądowy schemat stanowiska badawczego do pomp.
Rys. 4.5. Schemat stanowiska badawczego. 1 - mieszadło mechaniczne, 2 - zbiornik z płaszczem grzejnym, 3,6 - zawór klapowy, 4 - przepływomierz masowy Coriollisa,
5 - zawór dławiący, 7 - pompa zębata, 8 - zawór kulowy ogrzewany [48].
Stanowisko badawcze składa się z pompy zębatej (7) oraz zbiornika z podwójnym płaszczem (2). W zbiorniku znajdują się dwa mieszadła, jedno statyczne a drugie ruchome, które obraca się po wewnętrznych ściankach zbiornika (1). Rurociąg za odcinkiem rozbiegowym ma średnicę ∅ 0,08 m, dodatkowo w celu utrzymania stałej temperatury przetłaczanej cieczy cały rurociąg jest owinięty przewodem grzejnym. Ponadto wyposażony jest w 2 zawory klapowe (3,6), zawór dławiący (5), oraz ogrzewany zawór kulowy (8). Stanowisko jest wyposażone w szereg czujników rejestrujących ciśnienie statyczne (P1, P2, P3) oraz temperaturę (T1, T2, T3, T4) w czasie badań. Czujniki temperatury firmy Endress+Hauser Pt 100 (klasa A), które działają w zakresie temp -200 do 650 °C, dopuszczalny błąd pomiarowy wynosi: (0,15 + 0,002 x |t|). Czujnik ciśnienia firmy Aplisens stanowi przetwornik PC-28, błąd pomiaru wynosi 0,2%. Stanowisko wyposażone jest również w przepływomierz Coriollisa firmy SITRANS F C MC2 (4), którego zakres pomiarowy wynosi 2 130 - 510 000 kg·h-1. Przepływomierz umożliwiał pomiar strumienia objętości, gęstości przetłaczanej cieczy oraz jej temperatury.
Dodatkowo stanowisko wyposażone jest w układ grzania pompy oraz zbiornika z podwójnym płaszczem, który umożliwia utrzymanie stałej temperatury w trakcie pomiaru. Na wale pompy, pomiędzy pompą a silnikiem zamontowany jest momentomierz oraz czujnik prędkości obrotowej. Układ pomiarowy wyposażony jest również w falownik, za pomocą którego pośrednio w czasie pomiarów zmieniana jest prędkość obrotowa pompy w zakresie od 0 do 125 obr·min-1w przypadku pompy P25 oraz 150 obr·min-1
w przypadku pompy P50. Na rys. 4.6, przedstawiono opracowany w PIMR wirtualny model stanowiska do badań pomp zębatych, ponadto na rys. 4.7 zaprezentowano rzeczywisty widok stanowiska, które umożliwia prowadzenie badań pomp różnej wielkości ze względu na możliwość wymiany elementów rurociągu na odcinkach rozbiegowych.
Wyniki pomiaru temperatury, ciśnienia, prędkości obrotowej oraz strumienia objętości zbierane były w trakcie badań i rejestrowane z wykorzystaniem systemu akwizycji danych za pomocą programu SensoWin 7. Dodatkowo na przepływomierzu odczytywana była temperatura przepływającej cieczy oraz jej gęstość. Za pomocą momentomierza mierzono uzyskiwany moment, a następnie zapisywano go z wykorzystaniem oprogramowania CatMan. Wszystkie dane były zbierane i przechowywane w systemie akwizycji danych, a następnie poddawane dalszym analizom z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania.
Rys. 4.6. Wirtualny model stanowiska do badań pomp zębatych
Rys. 4.7. Stanowisko do badań pomp zębatych. 1 pompa, 2 momentomierz, 3 -napęd pompy, 4 - aparatura zbierająca dane, 5 - regulator temperatury przewodu
grzewczego.