Praktikumsanleitung Versuchsnummer 2 - Druckmessung

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1 Praktikumsanleitung Versuchsnummer 2 - Druckmessung Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung 2 2 Zielsetzung 2 3 Aufgabenstellung im Einzelnen 2 4 Abwicklung des Praktikums 3 5 Erfassung stationärer Druckwerte an einer Rohranlage Versuchsstandbeschreibung Strömungstechnische Grundlagen Anlagenkennlinie (Rohrleitungskennlinie) Pumpenkennlinie (Drosselkurve) Hinweise zur verwendeten Messtechnik Hinweise zur Versuchsdurchführung und -Auswertung Verwendete Formelzeichen Erfassung instationärer Druckwerte (Verbrennungslärm) Einführung Was ist Verbrennungslärm? Prinzip der Messungen Hinweise zur Anfertigung des Protokolls 14 Dipl.-Ing. R. Bordás 30. November 2011

2 1 Aufgabenstellung An zwei getrennten Praktikumsanlagen, die zur Erfassung stationärer bzw. instationärer Druckwerte dienen, sind unterschiedliche Messgeräte installiert. Die Erfassung der Druckwerte, die Übertragung auf einen Messrechner und die Auswertung und Diskussion der Messwerte sind Gegenstand des Praktikums. 2 Zielsetzung Durch das Praktikum sollen verschiedene Druckmessgeräte im Einsatz kennen gelernt und die zweckmäßige Auswahl der Geräte, ihre Funktionsweise und die jeweils zu beachtenden Hinweise diskutiert werden. Weiterhin werden die vorhandenen Messketten besprochen und die Übertragung der Messdaten an einen Rechner. Anschließend werden die Messwerte ausgewertet und auftretende Messfehler diskutiert. 3 Aufgabenstellung im Einzelnen Um einen sinnvollen Einsatz der verwendeten Druckmessgeräte aufzuzeigen, werden an den beiden Versuchsanlagen folgende Experimente durchgeführt und ausgewertet: 1. Erfassung stationärer Druckwerte an einer Rohranlage a) Erfassung aller Druckwerte zur Messung des Druckverlustes bei der Durchströmung des horizontalen kreisrunden Rohres mit großer technischer Rauhigkeit (Glasrohr mit künstlich eingebrachter Rauhigkeit). b) Darstellung der Abhängigkeit des Druckverlustes von der Strömungsgeschwindigkeit. c) Bestimmung des Rohrreibungsbeiwertes λ für die o.g. Rohrstrecke und des ζ-wertes für eine von den beiden Armaturen. d) Aufnahme der Pumpenkennlinie (Drosselkurve) und der Anlagenkennlinie für eine Variante. e) Diskussion der Messergebnisse inklusive Messunsicherheit. 2. Erfassung instationärer Druckwerte (Verbrennungslärm) a) Produzieren eines Verbrennungslärms. - Verschiedene Tiefen sollten ausprobiert werden, um sowohl Frequenz als auch Pegel der Druckschwankung zu verändern.

3 b) Aufnahme der Drucksignale mit dem Mikrophon und PC für drei unterschiedliche Rohrlängen. c) Die Länge des Rohres kann mit einem zweiten Rohr, das auf dem ersten gleitet (dabei Sicherheitshandschuhe tragen), kontinuierlich verändert werden. - Über die Dauer der Aufnahme und Aufnahmefrequenz sollten Sie selbst entscheiden und im Bericht begründen. d) Speicherung der Dateien im standard Wave-Format (.wav). Solche Dateien können später problemlos in Matlab über das Menü File/Import eingelesen werden. e) Auswertung der aufgenommenen Zeitsignalen mit Hilfe der schnellen Fourier- Transformation. f) Analyse der entsprechenden Beobachtungen. 3. Anfertigung eines Protokolls. Darüber hinaus ist der Messaufbau zu dokumentieren und alle erfassten Messwerte in geeigneter Form auszuwerten, inklusive einer Diskussion der Messunsicherheit. 4 Abwicklung des Praktikums Kolloquium bzw. Antestat Vor der Versuchsdurchführung wird ein kurzes Kolloquium zu den theoretischen Grundlagen durchgeführt und Ihr Vorbereitungsstand überprüft. Dies erfolgt in Form von Multiple Choice Fragen. Das Ergebnis des Antestats wird zur individuellen Notenbildung nach Abgabe des Protokolls herangezogen. Dauer des Praktikums Einschließlich Kolloquium und Hinweisen zur Protokollanfertigung sind 120 Minuten für das Praktikum vorgesehen. Ort Der Versuch findet in Gebäude 14.2 (Versuchshalle) statt. 3

4 Vorkenntnisse Für den Praktikumsversuch werden vorausgesetzt: Strömungslehre (Vorlesung und Übung) Messtechnik (Vorlesung und Übung) Hinweise Die Praktikumsteilnehmer entnehmen rechtzeitig die erforderlichen Hinweise dem Internet 4

5 5 Erfassung stationärer Druckwerte an einer Rohranlage Abbildung 1: Schema der Versuchsanlage stationäre Druckmessung Bezeichnungen: TI Temperaturmessung (Anzeige) FI Durchflußmessung (Anzeige) PI Druckmessung (Anzeige) PDI Differenzdruckmessung (Anzeige) P Kreiselpumpe B Wasserbehälter VE1 Eckventil DN25 VE2 Eckventil DN15 VM Membranventil DN25 (Testarmatur) VS1 Schrägsitzventil DN25 (Testarmatur) VS2 Schrägsitzventil DN15 HK1 bis HK16 Kugelhähne DN25 HK17 und HK18 Kugelhähne DN15 (Anlagenentlüftung) HK19 Kugelhahn DN15 (Anlagenfüllung) 1 bis 16 Rohrleitungsteilstrecken DN25 17, 18 Rohrleitungsteilstrecken DN25 (Reserve, nicht eingebaut) 19 Bypass DN15 5

6 5.1 Versuchsstandbeschreibung Die Anlage (Abbildung 1) besteht im wesentlichen aus dem Wasservorratsbehälter B, der Pumpe P und den Messstrecken sowie den Messeinrichtungen. Mittels der eingebauten Rohrleitungsarmaturen ist jede erforderliche Schaltung realisierbar. Entsprechend der jeweiligen Teilaufgabe ist die betreffende Rohrstrecke durch Öffnen der zugehörigen Armatur frei zu schalten. Durchsatzänderungen sind sowohl mit dem Stellglied VE1 als auch durch Drehzahlstellung der Pumpe sowie mit einem Bypass VE2 möglich. Die Druckmessung erfolgt über Wandanbohrungen mit Digitalmanometern. Der Volumenstrom wird mittels magnetisch-induktivem Durchflussmesser gemessen. Alle Druckwerte lassen sich über eine Datenerfassungsanlage mit einem Rechner darstellen und abspeichern. 5.2 Strömungstechnische Grundlagen Bei der hier anstehenden Problematik kann die Strömung bei den einzelnen Versuchen inkompressibel stationär eindimensional analysiert werden. Damit gelten als wesentliche Bestimmungsgleichungen die Kontinuitätsgleichung in der Form V = v A = konst. (1) die Bernoulligleichung (Energiegleichung) ρ 2 v2 + p + ρgh + p v = konst. (2) Vom Strömungscharakter her ist zwischen laminarer und turbulenter Rohrströmung zu unterscheiden. In Abhängigkeit hiervon werden das Geschwindigkeitsprofil und die Energieumsetzung (Druckverluste) bestimmt. Eine Systematisierung ist mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie möglich. Im vorliegenden Fall sind besonders zu beachten die Eulersche Kennzahl Eu = Druckkraft Trägheitskraft = p ρ (3) 2 v2 die Reynolds-Zahl Re = Trägheitskraft Reibungskraft = v d ν (4) 6

7 Unterhalb einer bestimmten Reynolds-Zahl, der kritischen Re-Zahl, liegt laminare Strömung vor. Hierfür gilt bezüglich der Abhängigkeit der Reibung bzw. des Druckverlustes und damit τ = η dv dr (5) p v v. (6) Oberhalb der kritischen Re-Zahl liegt turbulente Strömung vor. Für die Abhängigkeit der Reibung bzw. des Druckverlustes kann geschrieben werden τ = ρl 2 dv dr dv (7) dr und damit Für die Rohrströmung wird dementsprechend angesetzt p v v 2. (8) und für Rohreinbauten p v = λ l ρ d 2 v2 (9) p v = ζ ρ 2 v2 (10) Für die Beiwerte, Rohrreibungsbeiwerte und den Druckverlustbeiwert ζ muss dann gelten λ, ζ = f(geometrie, Re). (11) Anlagenkennlinie (Rohrleitungskennlinie) Trägt man für die gegebene Anlage (Rohrleitung) die vom Volumenstrom unabhängige spezifische statische Förderarbeit Y A,st und die vom Volumenstrom quadratisch abhängige spezifische Förderarbeit Y A,dyn über dem Volumenstrom V auf, so ergibt sich die Anlagen- bzw. Rohrleitungskennlinie (Abbildung 2). Die spezifische Förderarbeit Y A (für Teilstrecken 5 bis 12 der Anlage) erhält man durch Druckmessung hinter dem Stellglied VE1 (Abbildung 1) für unterschiedliche Volumenströme Pumpenkennlinie (Drosselkurve) Die Pumpenkennlinie, die experimentell ermittelt wird, stellt den funktionellen Zusammenhang zwischen der spezifischen Förderarbeit und dem Volumenstrom dar (Abbildung 3). 7

8 Y A = Y A,st + Y A,dyn Y A = p ρ [ J /kg = Nm /kg] (a) Anlagenkennlinie (b) spezifische Förderarbeit Abbildung 2: Anlagen- bzw. Rohrleitungskennlinie mit statischem und dynamischem Anteil spezifischer Förderarbeit. (a) Pumpenkennlinie (b) Bezeichnungen Abbildung 3: Pumpenkennlinie (Kreiselpumpe) und Bezeichnungen vor und hinter der Pumpe Die Kurve Y = f( V ) für die Kreiselpumpe wird punktweise durch Messung von p D, p S sowie V und unter Verwendung der Gleichung (siehe Bild 5) ermittelt, wobei für v D = Y = p D p s ρ + (z D z s )g V A D und für v s = V A s 5.3 Hinweise zur verwendeten Messtechnik ( ) vd 2 vs 2 einzusetzen ist. Die Drehzahl der Pumpe wird über einen Frequenzumrichter FVR E9S geregelt. Für die Messwerterfassung kommen zum Einsatz: magnetisch-induktiver Durchflussmesser Typ 8045 der Fa. Bürkert. Drucktransducer zur Absolut- und Überdruckmessung Cerabar T PMC131 mit Messleitung der Fa. Endress & Hauser (12) 8

9 Anzeigegeräte der Fa. Endress & Hauser RIA intelligent Sensor-Module ISM 110 der Fa. Gantner, wobei das 1. Gerät 4 Kanäle enthält (G1 K1... 4) und das 2. Gerät 2 Kanäle (G2 K1... 2). 5.4 Hinweise zur Versuchsdurchführung und -Auswertung Nach Inbetriebnahme des Versuchsstandes (Einschalten der Pumpe) durch entsprechende Schaltung der Armaturen der jeweiligen Teilaufgabe ist der entsprechende Strömungsweg freizuschalten. Die weitere Regelung (Ermittlung der verschiedenen Versuchspunkte) erfolgt dann mittels der Drosselarmatur (Stellglied VE1) bei zwei vorgegebenen Drehzahlstellungen der Pumpe. Der Durchsatz (Volumenstrom) wird mit dem Durchflusstransmitter FI gemessen. Wichtig ist es während der Messungen, dass Sie sich Notizen machen, um welches angeschlossene Messgerät es sich jeweils gehandelt hat. Die ersten Messwerte sollten Sie einer besonders kritischen Bewertung unterziehen, denn es können Fehler auftreten, deren Ursachen Sie diskutieren müssen und deren Ursachen weitgehend abzustellen sind. Die Daten werden in eine txt-datei gespeichert. Diese Datei können Sie sich anschließend auf einen USB-Stick kopieren, um Sie später beispielsweise in eine Excel-Datei einzulesen. Bei der Versuchsauswertung ist neben der quantitativen Erfassung und Auswertung der Messwerte besonderer Wert auf die Darstellung, Erläuterung und Diskussion der Zusammenhänge, Abhängigkeiten und Messunsicherheit zu legen. 5.5 Verwendete Formelzeichen A Fläche ρ Dichte g Erdbeschleunigung λ Rohrreibungsbeiwert d Rohrinnendurchmesser ζ Widerstandsbeiwert h geodätische Höhe τ Schubspannung k Rohrrauhigkeit η dynamische Viskosität l Länge ν kinematische Viskosität n Drehzahl Re Reynolds-Zahl p Druck Eu Euler-Zahl p Differenzdruck Indizes p v Druckverlust A Anlage r Radius dyn dynamisch v mittlere Strömungsgeschwindigkeit st statisch V Volumenstrom D druckseitig Y spezifische Förderarbeit S saugseitig z Höhenordinate P Pumpe 9

10 6 Erfassung instationärer Druckwerte (Verbrennungslärm) 6.1 Einführung Viele Verbrennungsanlagen werden von gravierenden Lärmproblemen gestört. Der erzeugte Lärm wird durch eine Kopplung von Druck- und Wärmefreisetzungsschwankungen verursacht (Abb. 4). Abbildung 4: grundlegender Kopplungsprozess Dieses Problem ist schon sehr lange bekannt und wurde bereits 1878 von Lord Rayleigh in England qualitativ erklärt: If heat be given to the air at the moment of greatest condensation, or be taken from it at the moment of greatest rarefaction, the vibration is encouraged. In vielen Fällen ist Lärm lediglich eine Störung, die die Benutzer der Anlage beunruhigt aber ohne Konsequenzen für das System bleibt. Das ist zum Beispiel der Fall für viele Hausbrenner und -kessel, die im Betrieb zwar laut sind, dabei aber voll funktionsfähig bleiben. Für Gasturbinen, die vermehrt für die dezentrale Produktion von Elektrizität eingesetzt werden, kann aber dieser Kopplungsprozess so weit gehen, dass die Flamme völlig instabil wird. Das Ergebnis wird combustion instability genannt und kann im schlimmsten Fall zur kompletten Zerstörung der Anlage führen, so groß sind die resultierenden, pulsierenden Druckkräfte auf die Brennkammerwände (Abb. 5). Es ist daher für die Praxis sehr wichtig, die Ursache dieser Kopplung besser zu verstehen 10

11 Abbildung 5: Zerstörung einer Gasturbine durch Verbrennungsinstabilitäten (ASME GT ) und Lösungen zu entwickeln, um die Verbrennungsinstabilitäten zu vermeiden. Auch wenn normalerweise der Verbrennungslärm lediglich als Störung gesehen wird, ist es vielleicht interessant zu erwähnen, dass das gleiche Prinzip bereits 1875 zur Entwicklung eines Musikinstruments (Flammenorgel, oder Pyrophon) verwendet wurde. Dieses fand allerdings, vor allem wegen Sicherheitsproblemen, wenig Verwendung. Abbildung 6: Pyrophon (Bild aus Wikipedia) 6.2 Was ist Verbrennungslärm? Details des Kopplungsprozesses sollen hier auf Grund des Umfangs nicht erläutert werden. Es gibt zudem noch etliche ungelöste Fragen, die im Rahmen von aktueller For- 11

12 schung untersucht werden. Siehe hierzu die aufgelistete Literatur sowie auf der vorher angegebenen Webseite einige interessante Quellen und Artikel der Grundlagenforschung, die weitere Referenzen beinhalten. Für das Verständnis der grundlegenden Prinzipien ist der kurze, übersichtliche Artikel von P.Baade [9] sehr hilfreich und wird daher mit ausgehändigt. Außerdem stützt sich P. Baade auf eine Anlage, die fast identisch mit der hier vorliegenden Anlage ist. Es wird daher ausdrücklich empfohlen, diesen Artikel zu lesen. Verbrennungslärm basiert, wie bereits erklärt, auf der positiven Rückkopplung von Druck- und Wärmefreisetzungsschwankungen. Zum Beispiel wird wegen einer leichten Druckerhöhung die eingeführte Kraftstoffmenge etwas reduziert. Dies führt etwas später zu einer Verringerung der von der Verbrennung freigesetzten Wärme. Findet diese Reduzierung gleichzeitig mit dem Erreichen des Minimalwerts des akustischen Drucks statt, kann hiermit eine positive Kopplungsspirale gestartet werden, die zu sehr hohen Schwankungspegeln führen kann. In diesem Fall ist der erzeugte Lärm wahrnehmbar, evtl. sogar störend. In ganz schlimmen Fällen, wenn die freigesetzte Energie sehr groß ist, kann dies zur Zerstörung der Anlage führen (Abb. 5). 6.3 Prinzip der Messungen Aus Zeitgründen wird in dem vorliegenden Fall lediglich die Druckschwankung mit einem einfachen Mikrophon gemessen. Die Schwankung der Wärmefreisetzung könnte eventuell durch einen Photomultiplier gemessen werden. In Abb. 7 wird exemplarisch eine ähnliche, schwingende Flamme dargestellt. Abbildung 7: pulsierende Flamme, Zeit von links nach rechts und von oben nach unten (Quelle: Video von Daniel Durox, Laboratoire EM2C, Visualisierung anhand Schlieren-Verfahren. 12

13 Abbildung 8: Wahrnehmbare Frequenzen (Quelle: Universität Bochum, Fachbereich Neurowissenschaft). Der Frequenzbereich von Geräuschen, die das menschliche Ohr (nicht das Mikrophon!) hören kann, ist in der Abb. 8 dargestellt. Der erste Schritt der Arbeit besteht jetzt darin, Verbrennungslärm überhaupt zu produzieren! Hierzu muss (vorsichtig) die Flamme in Schräglage gezündet werden, mit dem Rohr in oberer Position. Anschließend werden die Gasflasche und die Flamme wieder zentriert. Das Rohr wird dann langsam auf die Flamme abgesenkt, bis die Flamme singt. Sicherheitshandschuhe müssen ständig getragen werden, um Verbrennungen zu vermeiden. Verschiedene Tiefen sollten ausprobiert werden, um sowohl Frequenz als auch Pegel der Druckschwankung zu verändern. In dem Artikel von P. Baade [9] wird erklärt, wie theoretisch die Frequenz dadurch verändert wird. Anschließend wird mit dem Mikrophon und PC das Drucksignal aufgenommen. Hierfür wird das kostenlose Programm Audio- Commander der Firma Andrea (siehe bei Bedarf verwendet. Über die Dauer der Aufnahme und Aufnahmefrequenz sollten Sie selbst entscheiden und im Bericht begründen. Die Datei wird anschließend im Standard Wave- Format (.wav) gespeichert. Solche Dateien können später problemlos in Matlab R über das Menü File/Import eingelesen werden. Die Länge des Rohres kann mit einem zweiten Rohr, das auf dem ersten gleitet (dabei Sicherheitshandschuhe tragen), kontinuierlich verändert werden. Eine Analyse der entsprechenden Beobachtungen sollten Sie dem Bericht beifügen. Am Ende der Versuche sollten alle Rohdateien per Secure-FTP auf Ihr PC-Cluster-Konto übertragen werden, um die spätere Bearbeitung zu ermöglichen. Eine 13

14 Sicherheitskopie auf USB-Stick kann nicht schaden. Bei der Auswertung wird mit dem Zeitsignal gearbeitet, um eine Frequenzanalyse durchzuführen. Besonders interessant ist die Bestimmung spezifischer Frequenzen und die damit verbundenen Erklärungen. Es können sinnvollerweise alle Analysenwerkzeuge eingesetzt werden, die während der theoretischen Vorlesung hierfür vorgestellt wurden. 7 Hinweise zur Anfertigung des Protokolls Innerhalb von 14 Tagen nach Durchführung des Praktikums ist von der Praktikumsgruppe bei einem der Praktikumsverantwortlichen ein Protokoll abzugeben, das enthalten soll: Deckblatt nach Vorgabe im Internet. Versuchsaufbau (Skizze bzw. Foto mit Beschriftung). Wie wurde die Auswertung durchgeführt? Welche Parameter wurden eingestellt? Welche Programme wurden während der Auswertung verwendet (Scripts evtl. beifügen). Ergebnisse: graphisch dargestellt, vergleichend, eventuelle Fehlerquellen, Ungereimtheiten diskutieren. Zusammenfassung, Schlussfolgerungen, Diskussion, Anregungen. Denken Sie bitte daran, dass Sie für die Mitnahme der gemessenen Daten (ASCII-Files) oder Grafiken einen geeigneten Datenträger (USB) mitbringen! Literatur [1] Messtechnik-Vorlesungsscript im Internet [2] Kecke, H. J., Förderung von Flüssigkeiten und Gasen Autorenkollektiv Lehrbuch der chemischen Verfahrenstechnik, Abschnitt 3 VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 4. Auflage (1980). [3] Buhrke, H., Kecke, H. J. and Richter, H., Strömungsförderer Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden (1989). [4] Kecke, H. J. and Kleinschmidt, P., Industrie-Rohrleitungsarmaturen VDI Verlag, Düsseldorf (1994). [5] Albring, W. Angewandte Strömungslehre Verlag Theodor Steinkopf, Dresden (1970). [6] KSB, KSB-Kreiselpumpenlexikon 3. Auflage (1989). 14

15 [7] Stettler, H., (Herausgeber) Meßtechnik an Maschinen und Ausrüstungen B. G. Teubner, Stuttgart (1992). [8] Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 19. Aufl. Abschnitt B Mechanik: Ziffer 6 Hydro- und Aerodynamik (Strömungslehre, Dynamik der Fluide), Abschnitt R Strömungsmaschinen, Springer-Verlag (1997). [9] Baade, P. K., Sound and Vibration July:22-27 (2004). [10] Laverdant, A., Gouarin, L. and Thévenin, D., Combustion Theory and Modelling 11: (2007) [11] Rayleigh, J. W. S., Nature 18:319 (1878). [12] Rayleigh, J. W. S., The Theory of Sound, Vol. II, Dover, New York, NJ, (1945). [13] Zähringer, K., Durox, D. and Lacas, F., International Journal of Heat and Mass Transfer 46: (2003). 15