1

DESCRIEREA INSTALAŢIEI ŞI A ECHIPAMENTELOR

DE MĂSURĂ UTILIZATE

Pentru efectuarea lucrărilor, conform comenzii beneficiarului (vezi Anexa 1), s-a utilizat

unul din tunelele aerodinamice ale catedrei de Termotehnică şi Mecanica Fluidelor, facultatea de

Mecanică, Universitatea Transilvania din Braşov, prezentat în figura 1. Este de tip circuit închis cu

cameră de experienţe deschisă, dimensiunile caracteristice acesteia fiind:

;

Fig. 1 – Vedere axonometrică a tunelului aerodinamic utilizat

Din punct de vedere constructiv, principalele elemente ce compun tunelul aerodinamic,

conform figurii 1, sunt:

1 - camera de experienţe ;

2 - difuzor ;

- 1 -

3 - coturi de întoarcere ;

4 - tronsoane drepte ;

5 - vană de reglare debit ;

6 - corpuri de legătură (trecere) ventilator axial – tronsoane drepte,

;

7 - ventilator axial ;

8 - confuzor ;

9 - structură metalică de rezistenţă.

Ventilatorul este antrenat de un motor tip VAT 500 cu o putere nominală = 5.5 kW, la o

turaţie constantă = 3000 rot/min. Vana de reglare a debitului este de tip sertar, plană, simplă şi

asigură un reglaj continuu al vitezei curentului de aer din zona de lucru în intervalul:

;

În vederea obţinerii unei calităţi cât mai bune a curentului de aer în camera de experienţe,

coturile tunelului sunt prevăzute cu pale directoare.

Etalonarea tunelului aerodinamic

În vederea determinării vitezei (medii) din zona de lucru a tunelului în funcţie de gradul

de deschidere al vanei de reglare a debitului, s-au utilizat un piezometru diferenţial cu braţ înclinat

(pentru mărirea preciziei măsurătorilor) conectat la o priză de presiune statică practicată la nivelul

secţiunii de intrare în confuzor şi o sondă de măsurare a vitezei plasată la nivelul secţiunii de ieşire

din confuzor (vezi figura 2).

Sonda utilizată pentru determinarea vitezelor este de tip TESTO 0635.9540, cu morişcă.

Principiul de funcţionare al acesteia se bazează pe conversia mişcării de rotaţie a elicei în semnal

electric, afişat digital pe ecranul unui aparat de măsură, TESTO 490 (vezi figura 3).

Sonda, anterior menţionată, măsoară simultan atât viteză cât şi temperatura aerului,

principalele caracteristici ale acesteia fiind:

diametrul sondei: ;

domeniul vitezelor măsurate: ;

domeniul temperaturilor măsurate: .

- 2 -

Fig. 2 – Principiul de etalonare al tunelului aerodinamic

Conform specificaţiilor producătorului, Testoterm GmbH Co., Germany, sonda este ideală

pentru măsurători în intervalul , eroarea maximă fiind de . Erorile

datorate frecărilor din lagărele elicei sunt corectate electronic.

Fig. 3 – Detalii aparate de măsură

Pentru determinarea vitezei medii se împarte secţiunea de măsurare (dreptunghiulară) în

arii egale, de formă dreptunghiulară. Pentru cazul de fată s-a considerat . Măsurând

vitezele locale în mijlocul acestor secţiuni, viteza medie se obţine ca medie aritmetică a vitezelor

locale, conform relaţiei (1):

- 3 -

(1)

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

lungimea de lichid piezometric, pe braţul micromanometrului ;

valorile vitezelor locale în cele secţiuni considerate .

După calcularea vitezei medii a curentului de aer în zona de lucru a tunelului cu relaţia (1) şi

a diferenţa de nivel de lichid piezometric indicată de piezometru cu relaţia

(unde este unghiul de înclinare al braţului manometrului.) s-a trasat curba de etalonare a

tunelului aerodinamic, prezentată în figura 4.

Fig. 4 – Curba de etalonare a tunelului aerodinamic

2

MĂSURĂTORI EFECTUATE

- 4 -

Conform specificaţiilor emise de producător, Smoky face parte din categoria ventilatoarelor

casnice special concepute pentru evacuarea gazelor arse şi fumului din sistemele de încălzire ce

funcţionează pe baza arderii de combustibili, putând fi folosite cu succes şi la ventilarea şi aerisirea

spaţiilor închise sau cu pericol de incendiu, utilizând energia eoliană (energia vântului). Spaţiul

dintre palete este astfel dimensionat astfel încât aria de evacuare să fie mai mare decât cea a

secţiunii vii a tubulaturii pe care se montează.

Fig. 5

Este fabricată în mai multe variante dimensionale, cea testată în cazul de faţă (vezi figura 5)

având următoarele dimensiuni caracteristice:

diametrul părţii active: ;

înălţimea părţii active: ;

diametrul tubului de aspiraţie: .

În vedere efectuării măsurătorilor, turbina a fost plasată central în zona de testare a tunelului

aerodinamic şi fixată rigid prin intermediul unui suport metalic de structura de rezistenţă a tunelului

(vezi figura 6).

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

viteza medie a curentului de aer din camera de experienţe: ;

(conform procedurii prezentate anterior, la etalonarea tunelului)

viteza medie a curentului de aer pe tubulatura de aspiraţie: .

- 5 -

Fig. 6

Pentru măsurătorile efectuate pe conducta de aspiraţie s-a utilizat o sondă de precizie, tip

TESTO 0635.1549, cu senzor termic, (vezi figura 7) conectată la aparatul de măsură TESTO 490,

anterior menţionat.

Ca şi prima sondă, utilizată la etalonarea tunelului şi aceasta măsoară simultan atât viteza cât

şi temperatura aerului, principalele caracteristici funcţionale ale acesteia fiind:

diametrul sondei: ;

domeniul vitezelor măsurate: ;

domeniul temperaturilor măsurate: .

Fig. 7 – Principiul constructiv al sondei cu senzor termic

Conform specificaţiilor producătorului această sondă este ideală pentru măsurători în

intervalul , eroarea maximă fiind de:

în intervalul ;

în intervalul ;

- 6 -

Pentru determinarea vitezei medii s-a împărţit

secţiunea conductei în sectoare inelare de arii egale, vezi

figura 8. Pentru efectuarea acestei lucrări s-a considerat

. Măsurând vitezele locale în mijlocul acestor secţiuni, cu

ajutorul sondei anemometrice, pe direcţia a două axe

perpendiculare, viteza medie se obţine ca medie aritmetică a

vitezelor locale, conform relaţiei (1).

Cunoscând valoarea vitezei medii de curgere a fluidului prin

conducta de aspiraţie şi valoarea diametrului secţiunii

acesteia, debitului volumic se calculează cu relaţia (2):

Fig. 8

(2)

Estimându-se valori mici ale depresiunii pe conducta de aspiraţie, aceasta nu s-a măsurat ci

calculat în conformitate cu specificaţiile Îndrumarului pentru calculul rezistenţelor hidraulice,

Idelcik, I., E., Editura Tehnică, Bucureşti, 1984.

Rezultatele obţinute, în urma a trei cicluri de deschidere – închidere a vanei de debit, sunt

prezentate sub formă tabelară în tabelul 2 şi sub formă grafică în figura 9.

3

REZULTATE. CONCLUZII

Calculul depresiunii de aspiraţie la nivelul secţiunii de intrare în turbină s-a efectuat cu

relaţia:

- 7 -

(3)

unde: este densitatea aerului în condiţiile efectuării măsurătorilor;

este coeficientul lui Darcy corespunzător pierderilor liniare pe conducta de

aspiraţie;

este lungimea conductei de aspiraţie;

este diametrul conductei de aspiraţie;

este coeficientul pierderii locale în secţiunea de admisie (intrare) a conductei de

aspiraţie.

Calculul valorii densităţii aerului la momentul efectuării măsurătorilor s-a făcut cu

relaţia:

(4)

unde: este densitatea aerului în condiţii fizice normale de presiune şi temperatură:

, respectiv ;

este presiunea atmosferică la momentul efectuării măsurătorilor;

este temperatura atmosferică la momentul efectuării măsurătorilor.

Pentru o curgere stabilizată şi o rugozitate neomogenă a pereţilor conductei de aspiraţie,

coeficientul lui Darcy se determină, conform cu relaţia:

[-] (pentru ) (5)

unde: este rugozitatea relativă a pereţilor conductei de aspiraţie;

este numărul Reynolds corespunzător curgerii prin conducta de aspiraţie.

[-] (6)

[-] (7)

unde: este vâscozitatea dinamică a aerului în condiţiile efectuării măsurătorilor.

[kg/m·s] (8)

- 8 -

unde: este vâscozitatea dinamică a aerului în condiţii fizice normale de presiune şi

temperatură: , respectiv ;

constantă de variaţie a vâscozităţii dinamice cu temperatura pentru gaze,

respectiv pentru aer în cazul acestei lucrări.

DATE NUMERICE

; ; ;

; ; ;

; ; ;

REZULTATE

; ;

Tabelul 1

Nr. crt. 1 2 3 4 5

[m/s] 0.177 0.433 0.640 0.860 1.189

[-] 1.872 4.579 6.768 9.095 12.57

[-] 0.048 0.039 0.035 0.033 0.030

Nr. crt. 6 7 8 9 10

[m/s] 0.177 0.433 0.640 0.860 1.189

[-] 14.67 19.56 27.42 32.78 41.38

[-] 0.029 0.028 0.026 0.025 0.024

Tabelul 2

Nr. crt. 1 2 3 4 5

[m/s] 1.9 4.0 5.95 8.05 10.15

[m/s] 0.177 0.433 0.640 0.860 1.189

[m3/oră] 14.436 35.409 52.296 70.205 97.170

[mm H2O] -0.004 -0.024 -0.052 -0.093 -0.177

- 9 -

Nr. crt. 6 7 8 9 10

[m/s] 12.05 16.0 20.2 24.0 29.5

[m/s] 1.387 1.850 2.593 3.100 3.913

[m3/oră] 113.309 151.100 211.909 253.310 319.702

[mm H2O] -0.240 -0.425 -0.830 -1.183 -1.879

Fig. 9 – Variaţia debitului aspirat în funcţie de viteza de antrenare

NOTĂ

reprezintă debitul aspirat datorită acţiunii turbinei. În situaţii reale, în cazul

sistemelor de evacuare a gazelor de ardere, la acesta se adaugă şi debitul rezultat prin

tiraj natural.

Măsurători preliminarii pe un sistem real de evacuare a gazelor de ardere au relevat

faptul că la o viteză a aerului de vaer = 1.8 m/s debitul de gaze de ardere evacuat utilizând

o turbină Smoky a crescut cu aproximativ 8%. În acest moment se află în derulare un

program de monitorizare a acestui tip de turbină de vânt funcţionând pe sisteme reale de

evacuare a gazelor de ardere, urmând ca la finalul acestuia sa fie comunicate rezultatele

obţinute.

CONCLUZII

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

- 10 -

În timpul măsurătorilor nu au apărut situaţii de inversare a sensului de curgere a aerului,

acest fapt fiind evidenţiat de testele cu fum (vezi figura 10) şi de valorile calculate ale

presiunii de aspiraţie, care au rezultat negative. Sistemul se dovedeşte a fi util mai ales în

cazul situaţiilor de vânt în rafale. Mişcarea de rotaţie a turbinei provoacă apariţia unei

depresiuni la nivelul secţiunii de evacuare, determinând aspiraţia aerului (sau după caz,

a gazelor de ardere) din sistemul de ventilare (evacuare gaze arse) şi evacuarea acestuia

(acestora) în atmosferă.

Se evită astfel apariţia situaţiilor în care gazele de ardere nu ar fi evacuate din incintele

în care are loc procese de ardere, protejându-se în acest mod viaţa persoanelor care-şi

desfăşoară activitatea în aceste spaţii.

Fig. 10

La vitezele testate (vmax = 106 km/h) nu s-au evidenţiat deformări ale paletajului turbinei.

BIBLIOGRAFIE

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

2 Idelcik, I., E., Îndrumar pentru calculul rezistenţelor hidraulice, Editura Tehnică, Bucureşti,

1984.

3 Huminic, A., Analiza CFD a influenţei efectului de sol asupra caracteristicilor aerodinamice

ale unui automobil de teren, Contract de cercetare ştiinţifică nr. 33.253/25.06.2003,

Universitatea Transilvania din Braşov.

- 11 -

4 Turzo, G., Determinarea experimentală a caracteristicilor aerodinamice ale unui profil cu volet

de curbură. Realizarea unei instalaţii experimentale pentru etalonarea unor aparate aviatice şi

etalonarea acestora, Contract de cercetare ştiinţifică nr. 117/1986, Universitatea din Braşov.

CUPRINS

Pag.

Determinarea caracteristicilor funcţionale ale turbinei de vânt Smoky

1 Descrierea instalaţiei şi a echipamentelor de măsură utilizate 1

1.1 Etalonarea tunelului aerodinamic 2

2 Măsurători efectuate 5

3 Rezultate şi concluzii 8

4 Bibliografie 12

- 12 -