Determinarea caracteristicilor functionale ale turbinei de vant Smoky

Determinarea caracteristicilor functionale ale turbinei de vant Smoky

Descrierea instalatiei si a echipamentelor

de masura utilizate

Pentru efectuarea lucrarilor, conform comenzii beneficiarului (vezi Anexa 1), s-a utilizat unul din tunelele aerodinamice ale catedrei de Termotehnica si Mecanica Fluidelor, facultatea de Mecanica, Universitatea Transilvania din Brasov, prezentat in figura 1. Este de tip circuit inchis cu camera de experiente deschisa, dimensiunile caracteristice acesteia fiind:

;

Din punct de vedere constructiv, principalele elemente ce compun tunelul aerodinamic, conform figurii 1, sunt:

camera de experiente ;

difuzor ;

coturi de intoarcere ;

tronsoane drepte ;

vana de reglare debit ;

corpuri de legatura (trecere) ventilator axial - tronsoane drepte, ;

ventilator axial ;

confuzor ;

structura metalica de rezistenta.

Ventilatorul este antrenat de un motor tip VAT 500 cu o putere nominala = 5.5 kW, la o turatie constanta = 3000 rot/min. Vana de reglare a debitului este de tip sertar, plana, simpla si asigura un reglaj continuu al vitezei curentului de aer din zona de lucru in intervalul:

;

In vederea obtinerii unei calitati cat mai bune a curentului de aer in camera de experiente, coturile tunelului sunt prevazute cu pale directoare.

Etalonarea tunelului aerodinamic

In vederea determinarii vitezei (medii) din zona de lucru a tunelului in functie de gradul de deschidere al vanei de reglare a debitului, s-au utilizat un piezometru diferential cu brat inclinat (pentru marirea preciziei masuratorilor) conectat la o priza de presiune statica practicata la nivelul sectiunii de intrare in confuzor si o sonda de masurare a vitezei plasata la nivelul sectiunii de iesire din confuzor (vezi figura 2).

Sonda utilizata pentru determinarea vitezelor este de tip TESTO 0635.9540, cu morisca.

Principiul de functionare al acesteia se bazeaza pe conversia miscarii de rotatie a elicei in semnal electric, afisat digital pe ecranul unui aparat de masura, TESTO 490 (vezi figura 3).

Sonda, anterior mentionata, masoara simultan atat viteza cat si temperatura aerului, principalele caracteristici ale acesteia fiind:

Ø      diametrul sondei: ;

Ø      domeniul vitezelor masurate: ;

Ø      domeniul temperaturilor masurate: .

Fig. 2 - Principiul de etalonare al tunelului aerodinamic

Conform specificatiilor producatorului, Testoterm GmbH Co., Germany, sonda este ideala pentru masuratori in intervalul , eroarea maxima fiind de . Erorile datorate frecarilor din lagarele elicei sunt corectate electronic.

Fig. 3 - Detalii aparate de masura

Pentru determinarea vitezei medii se imparte sectiunea de masurare (dreptunghiulara) in arii egale, de forma dreptunghiulara. Pentru cazul de fata s-a considerat . Masurand vitezele locale in mijlocul acestor sectiuni, viteza medie se obtine ca medie aritmetica a vitezelor locale, conform relatiei (1):

Pentru un anumit reglaj al vanei de debit s-au inregistrat:

Ø      lungimea de lichid piezometric, pe bratul micromanometrului ;

Ø      valorile vitezelor locale in cele sectiuni considerate .

Dupa calcularea vitezei medii a curentului de aer in zona de lucru a tunelului cu relatia (1) si a diferenta de nivel de lichid piezometric indicata de piezometru cu relatia (unde este unghiul de inclinare al bratului manometrului.) s-a trasat curba de etalonare a tunelului aerodinamic, prezentata in figura 4.

Fig. 4 - Curba de etalonare a tunelului aerodinamic

MASURATORI EFECTUATE

Conform specificatiilor emise de producator, Smoky face parte din categoria ventilatoarelor casnice special concepute    pentru evacuarea gazelor arse si fumului din sistemele de incalzire ce functioneaza pe baza arderii de combustibili, putand fi folosite cu succes si la ventilarea si aerisirea spatiilor inchise sau cu pericol de incendiu, utilizand energia eoliana (energia vantului). Spatiul dintre palete este astfel dimensionat astfel incat aria de evacuare sa fie mai mare decat cea a sectiunii vii a tubulaturii pe care se monteaza.

Fig. 5

Este fabricata in mai multe variante dimensionale, cea testata in cazul de fata (vezi figura 5) avand urmatoarele dimensiuni caracteristice:

Ø      diametrul partii active: ;

Ø      inaltimea partii active: ;

Ø      diametrul tubului de aspiratie: .

In vedere efectuarii masuratorilor, turbina a fost plasata central in zona de testare a tunelului aerodinamic si fixata rigid prin intermediul unui suport metalic de structura de rezistenta a tunelului (vezi figura 6).

Pentru diferite reglaje ale vanei de debit s-au determinat urmatoarele:

Ø      viteza medie a curentului de aer din camera de experiente:    ;

(conform procedurii prezentate anterior, la etalonarea tunelului)

Ø      viteza medie a curentului de aer pe tubulatura de aspiratie:    .

Fig. 6

Pentru masuratorile efectuate pe conducta de aspiratie s-a utilizat o sonda de precizie, tip TESTO 0635.1549, cu senzor termic, (vezi figura 7) conectata la aparatul de masura TESTO 490, anterior mentionat.

Ca si prima sonda, utilizata la etalonarea tunelului si aceasta masoara simultan atat viteza cat si temperatura aerului, principalele caracteristici functionale ale acesteia fiind:

Ø      diametrul sondei: ;

Ø      domeniul vitezelor masurate: ;

Ø      domeniul temperaturilor masurate: .

Fig. 7 - Principiul constructiv al sondei cu senzor termic

Conform specificatiilor producatorului aceasta sonda este ideala pentru masuratori in intervalul , eroarea maxima fiind de:

in intervalul ;

in intervalul ;

Pentru determinarea vitezei medii s-a impartit sectiunea conductei in sectoare inelare de arii egale, vezi figura 8. Pentru efectuarea acestei lucrari s-a considerat . Masurand vitezele locale in mijlocul acestor sectiuni, cu ajutorul sondei anemometrice, pe directia a doua axe perpendiculare, viteza medie se obtine ca medie aritmetica a vitezelor locale, conform relatiei (1). Cunoscand valoarea vitezei medii de curgere a fluidului prin conducta de aspiratie si valoarea diametrului sectiunii acesteia, debitului volumic se calculeaza cu relatia (2):

Fig. 8

Estimandu-se valori mici ale depresiunii pe conducta de aspiratie, aceasta nu s-a masurat ci calculat in conformitate cu specificatiile Indrumarului pentru calculul rezistentelor hidraulice, Idelcik, I., E., Editura Tehnica, Bucuresti, 1984.

Rezultatele obtinute, in urma a trei cicluri de deschidere - inchidere a vanei de debit, sunt prezentate sub forma tabelara in tabelul 2 si sub forma grafica in figura 9.

Rezultate. concluzii

Calculul depresiunii de aspiratie la nivelul sectiunii de intrare in turbina s-a efectuat cu relatia:

Calculul valorii densitatii aerului la momentul efectuarii masuratorilor s-a facut cu relatia:

Pentru o curgere stabilizata si o rugozitate neomogena a peretilor conductei de aspiratie, coeficientul lui Darcy se determina, conform cu relatia:

DATE NUMERICE

; ; ;

; ; ;

; ; ;

REZULTATE

; ;

Tabelul 1

Tabelul 2

Fig. 9 - Variatia debitului aspirat in functie de viteza de antrenare

NOTA

Ø      reprezinta debitul aspirat datorita actiunii turbinei. In situatii reale, in cazul sistemelor de evacuare a gazelor de ardere, la acesta se adauga si debitul rezultat prin tiraj natural.

Ø      Masuratori preliminarii pe un sistem real de evacuare a gazelor de ardere au relevat faptul ca la o viteza a aerului de v_aer = 1.8 m/s debitul de gaze de ardere evacuat utilizand o turbina Smoky a crescut cu aproximativ 8%. In acest moment se afla in derulare un program de monitorizare a acestui tip de turbina de vant functionand pe sisteme reale de evacuare a gazelor de ardere, urmand ca la finalul acestuia sa fie comunicate rezultatele obtinute.

CONCLUZII

Ø      Valoarea minima a vitezei de antrenare a turbinei este de 1.9 m/s.

Ø      In timpul masuratorilor nu au aparut situatii de inversare a sensului de curgere a aerului, acest fapt fiind evidentiat de testele cu fum (vezi figura 10) si de valorile calculate ale presiunii de aspiratie, care au rezultat negative. Sistemul se dovedeste a fi util mai ales in cazul situatiilor de vant in rafale. Miscarea de rotatie a turbinei provoaca aparitia unei depresiuni la nivelul sectiunii de evacuare,    determinand aspiratia aerului (sau dupa caz, a gazelor de ardere) din sistemul de ventilare (evacuare gaze arse) si evacuarea acestuia (acestora) in atmosfera.

Se evita astfel aparitia situatiilor in care gazele de ardere nu ar fi evacuate din incintele in care are loc procese de ardere, protejandu-se in acest mod viata persoanelor care-si desfasoara activitatea in aceste spatii.

Fig. 10

Ø      La vitezele testate (v_max = 106 km/h) nu s-au evidentiat deformari ale paletajului turbinei.

BIBLIOGRAFIE

Barlow, J., Rae, W., Pope, A., Low-speed wind tunnel testing, Third Edition, USA, 1999.

Idelcik, I., E., Indrumar pentru calculul rezistentelor hidraulice, Editura Tehnica, Bucuresti, 1984.

Huminic, A., Analiza CFD a influentei efectului de sol asupra caracteristicilor aerodinamice ale unui automobil de teren, Contract de cercetare stiintifica nr. 33.253/25.06.2003, Universitatea Transilvania din Brasov.

Turzo, G., Determinarea experimentala a caracteristicilor aerodinamice ale unui profil cu volet de curbura. Realizarea unei instalatii experimentale pentru etalonarea unor aparate aviatice si etalonarea acestora, Contract de cercetare stiintifica nr. 117/1986, Universitatea din Brasov.