4.
Die Anlage
4.1
Berechnungsgrundlagen
Da die Untersuchungen im laminaren Bereich stattfinden sollen, lässt sich
als erster Anhaltspunkt sagen, die Reynoldszahl soll im Bereich von Re = 10
Re krit (2300) bis ca. Re = 3000 liegen. Dazu passend muss ein Kompromiss geschlossen
werden, zwischen dem Rohrdurchmesser d (Glg. 7), der Einlauflänge l (Glg.
12) und den dazu berechneten mittleren Geschwindigkeit v und dem max. Durchfluss
Q (Glg. 2). Als Entscheidungshilfe dient Tab. 1.
Diskussion:
Der Rohrdurchmesser soll möglichst groß sein, damit größere
Proben ausgemessen werden können – und um die Sondengröße
relativ kleiner werden zu lassen. Die Einlauflänge begrenzt ein größeres
d. Der Geschwindigkeitsunterschied im laminaren Gebiet soll möglichst groß
sein, um besser abgestufte Ergebnisse zu erzielen, jedoch soll wiederum die
benötigte Fördermenge Q max klein gehalten werden, damit die Anforderungen
an den zu erstellenden Generator lösbar bleiben. Es wurde der Kompromiss
von d = 4,6 cm gewählt, da hierzu passend handelsübliche glasklare
Plexiglasrohre zur Verfügung stehen. Diese Plexiglasrohre besitzen wiederum
den Vorteil, dass Undichtigkeits- und Passstellen visuelle überprüft
werden können. Sie sind technisch glatt und isolieren thermisch sehr gut.
4.2
Übersicht zur Anlage
Abb. 3 zeigt als Schema die erstellte Anlage. Hinter dem Wandventil der Pressluftleitung
befindet sich das Feinregulierventil mit maximal 20 Umdrehungen, anschließend
ist ein Manometer geschaltet, um den statischen Druck p1 für die Luftstrahldüse
zu messen. Die Luftstrahldüse fördert in Abhängigkeit von p1
Falschluft, welche über ein Doppelventil und hinter geschalteten Durchflussmessern
– sog. Rotameter – volumenmäßig pro Zeiteinheit gemessen
wird.
Rota 1
Qmin = 0,005 l/sec
Qmax = 0,2 l/sec
Rota 2
Qmin = 0,1 l/sec
Qmax = 2 l/sec
Die beiden Messwege werden durch ein T-Stück an die Rohrleitung angeschlossen,
welchem zuerst noch ein parallel geschalteter Ausgleichsbehälter von ca.
60 l Inhalt zugeschaltet ist, um Druckschwankungen zu kompensieren. Die Pfeile
kennzeichnen die Strömungsrichtung des Mediums Luft. Die Anschlussarmaturen,
Zuleitungen, Messgeräte etc. sind in einem Schaltkasten übersichtlich
untergebracht (siehe Abb. 4). Eine Übersicht zur Anlage zeigt auch Abb.
5. Vor der Sondendurchführung befindet sich ein 2 m Plexiglasrohr als Auslaufstrecke
– als Einlaufstrecke werden 3 Plexiglasrohre – ca. 2 m – mittels
passenden fettabgedichteten Plexiglasmuffen von ca. 0,30 m verwendet (Abb. 6).
Um Einlaufstörungen herabzusetzen, wird ein Einlauftrichter und ein sog.
Strömungsgleichrichter, bestehend aus Kunststoff, verwendet – Länge
= 1 dr = 4,6 cm und ca. 90 Düsen von einem Durchmesser dG = 0,05 dR, d.
h. 2,3 mm.
(Lit. (1)) – Siehe Abb. 7.
 |
Rechts: Abb. 4 Schaltkasten - Innenansicht... |
 |
Den Messplatz, auf welchen noch ausführlich eingegangen wird, zeigt Abb. 8.
4.3 Der
Generator
4.3.1.
Forderungen
Nach dem festgelegten Rohrdurchmesser d berechnet sich die max. Fördermenge
Q nach Gleichung 2) (auf 1,7 l/sec) (Siehe Abschnitt 4.1., Tabelle1).
Um die beiden Durchflussmesser Rota 1 und Rota 2 voll ausnutzen zu können,
wird eine Mindestfördermenge von 2,2 l/sec benötigt. Der Generator
sollte über Reserve verfügen, um die noch auftretenden Verluste abdecken
zu können. Er soll so ausgelegt werden, damit er im Falschluftbetrieb die
Anlage im Saugverfahren betreiben kann. Dies hat den Vorteil, dass das Strömungsmedium
Luft keine Temperaturänderung (Raumtemperatur) erfährt; außerdem
werden Druckschwankungen der Pressluft – zum Vergleich im Direktbetrieb
– herabgesetzt.
4.3.2.
Voruntersuchungen
Vorversuche mit einer handelsüblichen Wasserstrahlpumpe im Wasserbetrieb
– Wasserdruck unbekannt – ergab ein Fördervolumen von Q = 0,72
l/sec, also ca. 30 % der geforderten Menge. Die Kennlinie der Wasserstrahlpumpe,
betrieben mit Pressluft, ist in Diagramm 1 enthalten. Hier ergab sich ein maximales
Fördervolumen von 0,95 l/sec bei einem Primärtreibmitteldruck von
1 kp/cm2. Eine weitere Druckerhöhung ergab ein Absinken von Q. Es stand
ein Pressluftleitungsdruck von 2,8 atü zur Verfügung. Diese Fördermenge
entspricht 43 % der geforderten Menge. Da die Wasserstrahlpumpen als Vakuum-Pumpen
konzipiert sind, musste eine Steigerung – bei Optimierung auf Förderleistung
– möglich sein. Auf dem Markt wurden keinerlei Wasserstrahlpumpen
mit ausreichender Förderleistung angeboten.
Die VDI-Zeitung 113 (2) enthielt Untersuchungen über Wasserstrahlpumpen.
Da jedoch mit Pressluft gearbeitet werden sollte, konnten die Daten nicht kritiklos
– ohne Untersuchungen – übernommen werden. Aus diesen Gründen
wurde ein spezielles Verfahren angewandt, um eine Optimierung herbeizuführen.
4.3.3. Entwicklung
des Generators
4.3.3.1. Die Mutationsmaschine
Aus
einer 1mm starken PVC-Folie wurden ca. 160 Quadrate von der Kantenlänge
7,5 cm herausgeschnitten. Diese Plättchen sind zentriert und anschließend
mit abgestuften Bohrungsdurchmessern von der Größe 46 mm bis herab
zu 6 mm versehen sowie entgratet worden. Dann wurde eine Verschiebevorrichtung
gebaut. Diese bestand aus einem Saugraum – mit Anschluß an die Rotameter
zur Durchflussmengenmessung-, einem Messingstab mit einem konstanten Durchmesser
und einer Aufnahmevorrichtung für die Lochplättchen, als sog. kombinierbarer,
veränderlicher Hohlkörper der Luftstrahlpumpe (siehe Abb. 9).
Die Lochplättchen, auf welche der jeweilige Durchmesser eingraviert war,
wurden in einer Reihe aufgereiht und dadurch schon eine gewollte, erfolgversprechende
Form vorgegeben (siehe Abb. 10).
Die Durchmesser-Reihenfolge wurde notiert, und dann wurde bei einem immer konstanten
Pressluftdruck p1 eine Falschluftmessung (Ansaugluft) mit dem Durchflussmesser
Rota 2 durchgeführt und ebenfalls festgehalten. Als nächster Schritt
wurde die Reihenfolge der Lochplättchen verändert, indem ein Plättchen
weggenommen oder in die Reihe eingesetzt wurde. Diese Veränderung wurde
notiert (siehe Tab. 2 –Schema-) und wiederum eine Durchflussmessung durchgeführt.
Verlief diese positiv, d. h. erhöhte sich der Durchfluss der Falschluft,
wurde diese Veränderung beibehalten, veranlasste die Veränderung jedoch
eine Verringerung der Falschluftansaugung wurde die Veränderung (Plättchen)
wieder rückgängig gemacht. Notiert wurden jeweils nur die Veränderungen,
um nicht immer die Gesamtreihenfolge mitzuschreiben. Diesem Prinzip liegt der
Mutationsgedanke zugrunde, d. h. jede positive Veränderung bleibt erhalten,
negative Veränderungen sind zum Sterben verurteilt (werden wieder rückgängig
gemacht). Der Unterschied bei dem von mir angewandten Verfahren gegenüber
dem reinen Mutationsgedanken liegt darin, dass die Veränderungen des Diffusorraumes
(Querschnitt, Länge, Steigung usw.) nicht dem Zufall unterliegen, sondern
gewollt intuitiv verliefen.
Abb. 9 „Mutationsmaschine“ Verschiebevorrichtung mit Anschluss
der Rotameter
4.3.3.1. Ergebnisse
Eine gute Optimierung konnte natürlich nicht erreicht werden, da die Lochplättchenabstufungen
natürliche Fehlerquellen darstellten, d. h. der Diffusorraum selbst bzw.
der Misch- und Ansaugraum wurden nicht stetig erweitert bzw. verengt, sondern
erfolgten stufenweise mit zum Teil nicht ausreichend zentrierten Durchmessern.
Dies hatte Ablösungen und Wirbelbildung zur Folge. Die Frage war nun, inwieweit
das gefundene Optimum sich bei stetigem Übergang des Diffusors übertragen
ließ.
Der maximal angesaugte Falschluftdurchfluß betrag 2,2 l/sec. Bei einem
Betriebsdruck von p1 = 1,6 atü.
Die endgültige Form enthält Abb. 9. Ihr wurden die konstruktiven Daten
zum Bau der Luftstrahldüse entnommen.
Diskussion zu Tabelle 2
In der linken Spalte ist die Reihenfolge der Lochplättchendurchmesser aufnotiert.
Eine Veränderung wurde erreicht durch Wegnahme eines Plättchens (gekennzeichnet
mit einem Strich) oder durch Einschub. Tabelle 2 stellt natürlich nur einen
Auszug dar, um das Prinzip erkennen zu lassen. Insgesamt wurden 150 Schritte
getätigt, bis keinerlei positive Veränderung mehr eintrat.
Tabelle 2 – Ausschnitt aus den Aufzeichnungen zum Mutationsprinzip
45,5
45,4
44,6
.
.
30,5
30
29,2
28
27,7
27,4
27,1
.
.
11,3
9
6,6
6,6
6,6
6,6
6,5 6,5
6,5 6,5 6,5
7,8
8,4
.
.
28,5
30
35
37
40,2 42,5
44,5
46
46
46
46
46
46
Skt.
8,5 7,5 8,3 ... 9,4 9,6 9,7 9,8 9,5 ... 16,7 16,7 15,7 .. 2
Veränderung - neg neg. pos pos pos pos neg pos.
± neg.
Betriebsdruck p1 = 1,65 at.
Skt. = Skalenteile in cm / mm am Rotameter 2
4.3.4. Bau des Generators
Abb. 10 stellt die Luftstrahldüse perspektivisch als Schnittzeichnung im
Schema da. Abb. 11 enthält die konstruktiven Daten. Der Diffusor-Misch-
und Saugraumkörper wurde aus Kunststoff nach den gefundenen konstruktiven
Daten gedreht. Die Luftstrahldüse lässt sich leicht in ihre Einzelteile
zerlegen.
Die Kennlinie der Luftstrahldüse enthält Diagramm 1. Aus diesem ist
zu ersehen, dass der geförderte Volumenfluss gleich dem 3,5fachen der mit
Luft betriebenen Wasserstrahlpumpe beträgt.
Im folgenden nun der Vergleich der gefundenen konstruktiven Daten mit den Literaturangaben.
Literaturangabe VDId-Z 113 (2)
Gefundene Werte
- für Wasserbetrieb -
- für Luftbetrieb -
.......
Mischraum
Länge l = 2,5 dm
Länge = 17 mm
dm
= 6,6 cm
.... l
= 2,6 dm
Mischraumdurchmesser dm
dm = 1,05 d2
d2 (Düsendurchmesser)
Optimierung für
. d2 = 3,5 mm
Unterdruckerzeugung
....dm = 6,6 mm
dm = 1,3 d2 (Optim. für
Absaugbetrieb)
. dm = 1,9 d2
..........Diffusor
Winkel = 8° (Wasser)
liegt zwischen
Winkel = 10°-14° (Luft)
. 14° und 19
(abgerundete
Form)
(Lit. B.Eck S. 156)
Gewählter Wert
Bester Wert
~ 13°
= 14°
.....Länge des Diffusors
l = 10 dm
l = 11 dm
l = 76 mm
4.3.5 Folgerungen
Vergleicht man in Diagramm 1 die gefundene Kennlinie der Luftstrahldüse
mit der Wasserstrahlpumpenkennlinie, so erkennt man, dass bei Druckschwankungen
in der Pressluftleistung – also p1 – die Falschluftfördermenge
im unteren Bereich der Luftstrahlkennlinie sehr stark mitschwankt, im Gegensatz
zu der viel stabileren, d. h. flacheren Wasserstrahlpumpenkennlinie.
Erhöht man nun in dem Saugweg den Widerstand (Verluste), sinkt die Fördermenge,
die Kennlinie verbiegt sich. Am einfachsten geschieht dies durch Drosselung
an den Ventilen. In Diagramm 2 sind 4 Kennlinien der Luftstrahldüse eingetragen.
Die Falschluftfördermenge Q ist in Abhängigkeit vom Primärtreibmitteldruck
p1 aufgetragen, als Parameter ist die Drosselung des Saugweges als Ventilstellung
angegeben. Der Druck p1 ist nur bis 1 at. ausnutzbar, da der Pressluftleitungsdruck
von ca. 2,8 at. durch das Feinregulierventil (Verluste) auf diesen Wert herabgesetzt
wird. Gleichzeitig werden allerdings Leitungsdruckschwankungen durch das reduzierende
Verhalten des Feinventils auch vermindert. Bei der Fördermenge von 1,25
l/sec. Wird im Rohr Rekrit erreicht. In diesen Bereich wurden beispielsweise
die Arbeitspunkte A1, A2 und A3 gelegt. Tabelle 3 gibt die dynamischen Auswirkungen
für den Durchfluss bzw. als Geschwindigkeitsschwankung an.
Tab. 3
Besonders deutlich zeigen die Arbeitspunkte A4 und A5 das reduzierende Verhalten
der Ventildrosselung.
DIAGRAMM 2
Bei voll geöffnetem Ventil 1 arbeitet Rota 1 im steilsten Anstieg der Kennlinie.
Hier führt –theoretisch- ein p von 1/100 at eine Durchflussänderung
von Q = 0,1 l/sec herbei, was eine Geschwindigkeitsänderung von
v = 6 cm/sec bedeuten würde. In der Praxis schwankt die Anzeige des Rota
1 um ± 10 Skt., dies entspricht einem Q von 0,01 l/sec, also
etwa 1/10 des theoretischen Wertes. Entweder liegen die Druckschwankungen niedriger
als 1/100 at oder die Saugleitung schluckt die Druckminderung.
Beim Betrieb von Rota 2 schwankt die Anzeige um ± 1 Skt., dies entspricht
ebenfalls einem Q von 0,01 l/sec. Wird die Kennlinie durch Drosselung
der Ventile gedrückt, geht die Anzeigenschwankung auf Null zurück.
Zum Beispiel zeigt der Arbeitspunkt A4 nach einer Änderung von p = 1/100
eine theoretische Schwankung von Q = 0,0015 l/sec, dies entspricht einem
v ~ 0,1 cm/sec. In der Praxis steht die Anzeige des Rotameters jedoch stabil;
zusätzlich kommt der Puffer des Ausgleichsbehälters hinzu, so dass
am Messort ein stabiler Durchfluss erreicht wird.
Nachteilig ist die schwierige Drosselung der Ventile, sie sind nicht reproduzierbar
einzustellen. Hier müssten nachträglich Feinregulierventile mit möglichst
kleinem Verlustbeiwert eingebaut werden – kleiner Verlustbeiwert bei maximaler
Fördermenge, um diese noch zu garantieren. Da die Luftstrahlpumpe noch
Falschluftreserve hat, dürfte dies möglich sein.
