Preizkušanje energetskih strojev

Transcription

1 Študijsko gradivo Vaje Avtorja: Marko Hočevar Brane Širok Ljubljana, februar 2010

2 Uvod: Študijski red Pri predmetu sta tedensko dve uri vaj, od tega izbrano število ur vaj v učilnici in v laboratoriju. Študijski red pri vajah v učilnici Udeležba pri vajah v učilnici je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje Predloge za vaje se občasno dopolnjujejo. Vaje v učilnici so namenjene kot priprava na izvedbo vaj v laboratoriju. Študijski red pri vajah v laboratoriju Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v nadstropju. Študentje se razdelijo v tri skupine, vaje pa potekajo v treh ločenih skupinah zaporedno. Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo za vaje. Pri vsaki vaji v vsaki skupini asistent določi skupino študentov, ki so zadolženi za uspešno izvedbo vaje. Študenti, zadolženi za izvedbo vaje, pred začetkom vaje ostalim sodelujočim študentom predstavijo vsebino vaje in določijo naloge posameznih študentov. Pri tem skrbijo za to, da se izmerijo oz. določijo vse spremenljivke, potrebne za analizo. Laboratorijske vaje potekajo na industrijskih merilnih postajah in z industrijskimi merilniki. Zato študente prosimo, da skrbijo za varnost pri delu: pri priključitvi električnih naprav, da ne posegajo v vrteče dele naprav, da opozorijo asistenta na možno nevarnost npr. zaradi pomankljivo izvedene električne napeljave, vpetja vrtečih naprav itd. Prav tako morajo študentje pri izvedbi vaje upoštevati, da delo poteka v omejenem prostoru laboratorija LVTS in da pazijo, da pri delu ne po pomoti ne odrinejo ostalih študentov v smeri vrtečih strojev. Vsako nevarnost oziroma nepravilnost morajo študentje javiti asistentu. Projektne vaje zahtevajo samostojno delo celotne študentske skupine. Asistent pri projektni vaji nima aktivne vloge, študentje morajo biti na projektne vaje vnaprej pripravljeni do mere, da so sposobni samostojno reševati vse probleme, ki pri tem nastanejo. Dodatno morajo študenti pri projektni vaji samostojno ugotoviti, kaj je potrebno meriti, na nakšen način in s kakšnimi merilnimi inštrumenti, ter analizirati izmerjene rezultate. 2

3 Udeležba pri vajah v laboratoriju je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Študent mora vsako morebitno odsotnost zaradi zdravstvenih težav javiti asistentu po elektronski pošti. Študent v primeru odsotnosti pri vajah zaradi zdravstvenih težav po potrebi v dogovoru z asistentom opravi drugo aktivnost, povezano s predmetom. Študijske obveznosti Študent mora za uspešno opravljene vaje iz predmeta sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah in uspešno predstaviti in zagovarjati izbrane vaje. Pri izdelavi poročila o laboratorijski vaji mora skupina študentov, zadolžena za izvedbo posamezne vaje, predstaviti merilni postopek, rezultate meritev in rezultate analize. Predstavitev poteka ob koncu semestra oziroma po dogovoru. Pomembno: Pred zagovorom vaje mora študent asistentu pokazati predlog zagovora vaje in ga po potrebi v skladu z dogovorom z asistentom ustrezno spremeniti. Urnik vaj (skupaj 30 ur) Klasične laboratorijske vaje: - uvodna vaja s predstavitvijo laboratorijskih in projektnih vaj (1 ura) - sončne celice (1 ura v razredu in 3 ure v laboratoriju) - meritev izkoristka turbinskega stroja (1 ura v razredu in 3 ure v laboratoriju) - pnevmatski transport (1 ura v razredu in 3 ure v laboratoriju) - izmenjevalnik toplote in multiregresijska analiza (1 ura v razredu in 3 ure v laboratoriju) - umerjanje merilnikov pretoka plina (Geoplin, 1 ura v razredu in 3 ure v laboratoriju) Projektne vaje, vsaka skupina opravlja samo eno projektno vajo: - predstavitev (1 ura za vse skupine) - kondenzacijski sušilni stroj (8 ur v laboratoriju) - model trdilne komore in izdelava parametričnega modela, samo izparevanje vode, energijska bilanca komore (8 ur v laboratoriju) - energetska analiza sadjarskega pršilnika (8 ur v laboratoriju) - analiza dinamičnih lastnosti kavitacije (8 ur v laboratoriju) 3

4 Laboratorijska vaja 1. Sončne celice Datum: do Fotovoltaika Fotovoltaika je metoda za pretvarjanje energije svetlobe v električno energijo z uporabo sončnih celic. Foltovoltaični pojav je izbitje elektronov v višje energetsko stanje s fotoni svetlobe. Izraz fotovoltaika označuje delovni način polprevodnika, pri katerem je tok skozi napravo posledica izključno sprejete svetlobne energije. Sončne celice iz svetlobe proizvajajo enosmerni tok. Prva praktična uporaba sončnih celic je bila napajanje električnih naprav na satelitih in drugih vesoljskih plovilih, danes pa je največ naprav namenjenih proizvajanju električne energije za potrebe električnega omrežja. V tem primeru je potreben pretvornik za pretvorbo iz enosmernega v izmenični tok Tak pretvornik imenujemo razsmernik. Poleg tega se sončne celice uporablja za napajanje električnih naprav, ki niso priključene na električno omrežje, za osamljene stavbe, čolne, obcestne naprave itd. Celice potrebujejo zaščito pred vplivi iz okolja in so običajno nameščene tesno zložene za stekleno prevleko. Če potrebujemo večje moči, kot jih lahko dobavi posamezna celica, so celice združene v fotovoltaične module. Slika. 70 MW elektrarna v Rovigu, Italija. Čeprav je prodajna cena foltovoltaičnih modulov še vedno zelo visoka v primerjavi z drugimi načini generiranja električne energije za napajanje električnega omrežja, so številne finančne iniciative predvsem na Japonskem in Nemčiji, kasneje pa tudi v Italiji, Grčiji in Franciji, povzročile veliko povpraševanje, ki ji je hitro sledila povečana proizvodnja. 4

5 Potencial za proizvodnjo sončne imenujemo globalno sončno obsevanje. To je mera za količino sončne energije, ki pade na enoto površine (v kwh/m 2 ). Globalno sončno obsevanje nam pove, koliko kwh/m 2 lahko proizvede nek sistem. Za Slovenijo je značilno, da je globalno sončno obsevanje v intervalu od 1000 do 1200 kwh/m 2. Optimalni pogoji za vgradnjo sončne elektrarne v Sloveniji so strehe z naklonom. V Ljubljani z naklonskim kotom fotonapetostnih modulov 30 in direktno usmeritvijo na jug, zajamemo približno 1100 kwh/m 2 površine. Podobna vrednost velja tudi za preostale dele Slovenije, razen za Primorsko, kjer je sončno obsevanje višje, tudi do 1350 kwh/m 2. Slika. Potencial za proizvodnjo sončne energije v Svetu, Evropi in Sloveniji, globalno sončno obsevanje v kwh/m 2. Tipi sončnih celic Tipi sončnih celic se razlikujejo predvsem po materialih, ki se uporabljajo za njihovo izdelavo. Materiali, iz katerih so narejeni, morajo imeti lastnosti, ki ustrezajo spektru 5

6 svetlobe, ki jo pretvarjajo v električno energijo. Materiali, ki se trenutno najbolj uporabljajo, so monokristalni silicij, polikristalni silicij, amorfni silicij in kadmijev telurid. Kristalne sončne celice Zgornja meja pretvorbe vpadne svetlobne energije na sončno celico znaša za silicijeve eksperimentalne sončne celice približno 23 %. Pri uporabi drugih materialov je izkoristek lahko večji (eksperimentalno do 30%), zaradi širšega spektra svetlobe, katere vpadno sevanje celica še lahko pretvori v elektriko. Kristalne silicijeve sončne celice so največkrat v obliki rezin, debeline 0.3 mm, rezanih iz Si ingota premera 10 do 15 cm, in generirajo okrog 35mA toka na cm 2 (skupaj do 2 A/celico) površine pri napetosti približno 550 mv pri polni osvetlitvi. Laboratorijske izvedbe tovrstnih celic imajo učinkovitost do 18 %, klasične do 15 %. Amorfne sončne celice Amorfne celice imajo precej slabši izkoristek, ki se giblje med 6 in 8 %. Amorfne celice se tudi hitreje starajo. Gostota toka znaša do 15 ma/cm 2, napetosti neobremenjenih celic pa so do 0.8 V, kar je več, kot pri kristalnih celicah. Spektralna občutljivost pri amorfnih celicah je pomaknjena bolj proti modri svetlobi. Izdelava Polprevodniški material za sončne celice se izdeluje po dveh postopkih, kot rezine ali tanke filme. - Sončne celice so večinoma narejene tako, da je polprevodniški material narezan na rezine debeline od 180 μm do 240 μm. Rezine kasneje obdelajo enako kot druge polprevodnike. - Drug način izdelave sončnih celic je po postopku tankega filma. Pri tem postopku organska lepila in organske polimere nanesejo na podporne substrate. Pri tem postopku je poraba slilicija manjša kot pri rezinah, vendar je tudi izkoristek nekoliko nižji. Slika. Sončna celica iz monokristalnega silicija (levo), polikristalnega silicija (sredina) in amorfnega silicija (desno). 6

7 Ker so sončne celice v osnovi polprevodniki, se za njihovo proizvodnjo uporabljajo podobni postopki kot za druge polprevodnike. Strogi postopki za čistočo in kontrolo kvaitete so nekoliko bolj ohlapni kot pri polprevodnikih za uporabo v računalnikih. Po izdelavi polprevodnika (po rezanju monokristala ali polikristala silicija ali pri nanašanju tankega filma) polprevodnik v celoti rahlo p dopiramo. Nato ga površinsko n dopiramo s sprednje strani z difuzijo n dopantov. Na ta način naredimo p-n spoj nekaj 100 nm pod površino polprevodnika. Polprevodniki v sončnih celicah imajo na površini antirefleksni sloj, ki preprečuje, da bi se svetloba iz sončne celice odbila nazaj v prostor. Na ta način povečamo količino svetlobe, ki jo sprejme sončna celica. Antirefleksni sloj je izveden na zgornji in na spodnji strani polprevodnika. Sončna celica ima na spodnji strani pod antirefleksno plastjo po celotni površini kovinski kontakt, na zgornji strani pa je kontakt izveden z mrežo kovinskih kontaktov. Več sončnih celic nato zaporedno povežemo, s čimer povečamo napetost, ki jo proizvajajo. Slika. Izvedba sončne celice. Polprevodnik je rahlo p dopiran (vijolična barva), nato pa ga še površinsko n dopirajo (turkizna barva). Pod plastjo p dopiranega polprevodnika in nad plastjo n dopiranega polprevodnika je antirefleksna plast, ki preprečuje, da bi svetloba ušla iz plasti polprevodnika nazaj v okolico. Pod antirefleksno plastjo je na spodnji strani po celotni površini kovinski kontakt, na zgornji strani pa je kontakt izveden z mrežo kovinskih kontaktov (siva barva). Dopiranje polprevodnika sončne celice Dopiranje polprevodnika imenujemo dodajanje manjšega obsega nečistoč v mrežo polprevodnika, silicija ali germanija. Dopiranje bistveno spremeni električne lastnosti polprevodnikov. Če čistemu polprevodniku dodamo primesi v obliki atomov elementov 7

8 tretje ali pete skupine periodnega sistema, se lahko njegove električne lastnosti spremenijo že pri majhnih koncentracijah dodanih primesi. Tak polprevodnik se imenuje polprevodnik s primesmi oz. dopirani polprevodnik. n-dopiranje: Če se v kristalni strukturi pojavi atom iz pete skupine (npr. fosfor, arzen, antimon itd.), se štirje njegovi zunanji elektroni spojijo v valenčne vezi s sosednjimi silicijevimi atomi, za preostali peti elektron pa zadostuje že zelo majhna dovedena energija (precej manjša od prepovedanega pasu), da preide med proste elektrone v prevodnem pasu. Takšne primesi, ki povečajo koncentracijo prostih elektronov, se tako imenujejo donorji, tip polprevodnika s takšnimi primesmi pa imenujemo n - tip polprevodnika. p-dopiranje: Ob dodatku primesi z atomi iz tretje skupine (npr. bor, aluminij, galij, indij itd.) se vsi trije njihovi zunanji elektroni vežejo v valenčne vezi s sosednjimi silicijevimi atomi, ostane pa četrta valenčna vez, za katero zadostuje zelo majhna dovedena energija, da se tja poveže elektron iz okolice, ki tako pusti za seboj gibljivo vrzel. Takšne primesi torej povečajo koncentracijo vrzeli, zato jim pravimo akceptorji, takšnemu tipu polprevodnika pa pravimo p - tip polprevodnika. Slika. Primer dopiranja polprevodnika, n-tip (levo) in p-tip (desno). Preprosta obrazložitev delovanja sončnih celic Fotoni sončne svetlobe zadanejo sončno celico, kjer jih absorbira polprevodniški material, na primer silicij. To izbije negativno nabiti elektrone (pri tem nastanejo tudi vrzeli) iz njihovih atomov, zato se lahko prosto gibajo po snovi, kar povzroči nastanek električnega toka. Če celice povežemo v skupine, skupina sončnih celic pretvarja sončno energijo v uporabno količino enosmernega električnega toka. 8

9 Slika. Ponostavljeno delovanje sončne celice. Polprevodnik je rahlo p dopiran (vijolična barva), nato pa ga še površinsko n dopirajo (turkizna barva). Ravne črne puščice prikazujejo svetlobo, ki pade na sončno celico. Del svetlobe se odbije, del ne vzbudi para elektron/vrzel, del pa vzbudi par elektron vrzel. Mesto, kjer se to zgodi, je označeno z rumeno zvezdico. Elektron in vrzel potujeta v električnem polju vsaka proti svoji elektrodi. Elektron potuje proti n dopirani plasti polprevodnika in zgornji mreži električnih kontaktov, medtem ko vrzel v p plasti potuje proti spodnjemu električnemu kontaktu. Fotogeneracija nosilcev naboja Ko foton zadane sončno celico, se lahko zgodi ena izmed naslednjih treh stvari: - foton lahko potuje skozi silicij, kar se običajno zgodi s fotoni z nizko energijo, - foton se odbije od površine sončne celice, - silicij absorbira foton, če je fotonova energija višja kot je silicijeva potencialna bariera oziroma prepovedani pas. To generira par elektron/vrzel, del energije pa se lahko pretvori v toploto. Ko se foton absorbira, njegovo energijo prevzame elektron v kristalni rešetki polprevodnika. Običajno je ta elektron v valenčnem pasu, in je tesno vezan s kovalentnimi vezmi med sosednje atome, zato se ne more gibati daleč. Energija, ki mu jo preda foton, ga vzbudi v prevodni pas, kjer se lahko prosto premika po polprevodniku. Kovalentna vez, katere del je bil prej elektron, ima zdaj en elektron manj, kar imenujemo vrzel. Prisotnost manjkajoče kovalentne vezi na posameznem mestu omogoči bližnjim elektronom, da preskakujejo na manjkajoče mesto, kar pusti za sabo vrzel na drugem mestu. Tako se lahko vrzel premika po kristalni rešetki polprevodnika. Na ta način absorbirani fotoni v polprevodniku omogočijo nastanek parov elektron/vrzel. 9

10 Fotoni morajo imeti večjo energijo, kot jo ima potencialna bariera oziroma prepovedani pas. V svetlobnem frekvenčnem spektru, ki ga lahko približno opišemo s sevanjem črnega telesa pri 6000K, ima velik delež fotonov več energije, kot jo zahteva potencialna bariera. Energija fotonov z večanjem valovne dolžine svetlobe pada, največja valovna dolžina, pri kateri imajo fotoni še dovolj veliko energijo za silicij znaša 1.15 μm. Delež energije fotona, ki ustreza potencialni barieri oz. prepovedanem pasu, se pretvori v električno energijo, presežek energije fotona nad energijo potencialne bariere pa se preko vibracij kristalne rešetke pretvori v toploto. Nosilce naboja, to je elektrone in vrzeli, je potrebno ločiti, preden se rekombinirajo. To se zgodi na p-n spoju. Slika: Energijski pasovi v sončni celici. Fermijeva energija je energija najvišjega zasedenega kvantnega stanja v sistemu. Z rdečo barvo so označeni energijski nivoji v p- dopiranem delu polprevodnika, z modro barvo pa so označeni energijski nivoji v n- dopiranem delu polprevodnika. Ločevanje nosilcev naboja Poznamo dva osnovna načina ločevanja nosilcev naboja v sončnih celicah - preko električnega polja (drift) - difuzija nosilcev naboja zaradi njihovega naključnega termičnega gibanja, dokler jih ne zajame električno polje na robu aktivnega področja na p-n spoju sončne celice V debelih sončnih celicah ni električnega polja, zato je dominanten način prenosa difuzija. V takih celicah mora biti difuzijska dolžina (dolžina, katero fotogenerirani nosilci naboja prepotujejo, preden se rekombinirajo), velika v primerjavi z debelino celice. V tankofilmskih sončnih celicah (npr. iz amorfnega silicija) je difuzijska dolžina nosilcev naboja zelo kratka zaradi velikega števila nečistoč, ki se nahajajo v 10

11 polprevodniški plasti, dominanten način ločevanja naboja pa je drift, ki ga poganja elektrostatično polje spoja, to električno polje pa se razteza čez celotno debelino plasti sončne celice. p-n spoj Najpogostejši tip sončne celice je izveden kot p-n spoj z veliko površino, narejen iz silicija. Poenostavljeno si to lahko predstavljamo, da je n-tip silicija v direktnem stiku s p-tipom silicija. V praksi to ni izvedeno z bližanjem obeh dopiranih spojev, temveč je dopant n-tipa z difuijo dopiran v substrat p-tipa. Če je kos p-dopiranega silicija postavljen v tesen stik z n-dopiranim silicijem, pride do difuzije elektronov iz mesta z visoko koncentracijo elektronov (to je v n-tipu spoja) v področje nizke koncentracije elektronov (p-del spoja). Ko elektroni difundirajo preko p-n spoja, se rekombinirajo z vrzelmi na p-strani. Difuzija se ne dogaja neskončno, ker se naboj nabere na vsaki od strani in nastane električno polje. Z nastankom električnega polja nastane dioda, oziroma so sončne celice v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Področje, kjer so elektroni in vrzeli difundirali preko spoja, ne vsebuje mobilnih nosilcev naboja. Na p-n spoju pride do dveh hkratnih pojavov, difuzije in električne sile električnega polja, ki si po smeri nasprotujeta. Slika. Rekombinacija nosilcev naboja v polprevodniku sončne celice. Z modro barvo je označeno število elektronov, z rdečo barvo pa število vrzeli. Siva barva predstavlja področji, ki sta po naboju nevtralni. Rdeče obarvano področje je pozitivno nabito, modro obarvano področje pa negativno nabito. Povezava na zunanje breme Na p-stran in n-stran sončne celice sta pritrjeni bakreni žici: Bakreni žici sta omski prevodnik, s katerima elektrodi sončne celice pritrdimo na zunanje breme. Elektroni nastanejo na n-strani sončne celice, oziroma so bili zbrani preko spoja na n-strani 11

12 polprevodnika. Ti elektroni lahko potujejo čez bakreno žico, poganjajo breme, ter nadaljujejo pot po bakreni žici do p-tipa polprevodnika sončne celice. Na tem mestu se rekombinirajo z vrzelmi, ki so nastale kot par elektron/vrzel na p-strani sončne celice. Izkoristek sončnih celic Izkoristek sončnih celic lahko razdelimo na izkoristek zaradi odboja, termodinamski izkoristek, izkoristek ločevanja nosilcev naboja in izkoristek zaradi prevodnosti. Skupen izkoristek je produkt navedenih delnih izkoristkov. Skupen izkoristek lahko zapišemo z naslednjo enačbo η = m EP A Izkoristek se navede za delovno točko, kjer je električna moč P m [W] največja. E je vhodna energija svetlobe [W/m 2 ], A pa površina [m 2 ]. Standard za merjenje predpisuje naslednje pogoje: temperaturo 25 C, energijo vpadne svetlobe 1000 W/m 2 in spekter vhodne svetlobe AM1.5 (air mass, ovrednoti spekter svetlobe, potem ko je svetloba potovala skozi atmosfero, AM je v resnici dolžina optične poti). Pri potovanju svetlobe skozi atmosfero spojine v njej reagirajo s svetlobo in absorbirajo določene valovne dolžine, npr. zmanjševanje deleža UV svetlobe na ozonu. Absorpcija določenih valovnih dolžin svetlobe se torej zmanjšuje od AM0 v vesolju do približno AM1.5 na površju zemlje. Večina izkoristkov sončnih celic je v vesolju (AM0) manjša kot na zemlji (AM1.5). Veliko faktorjev vpliva na proizvedeno električno moč, med njimi so spektralna porazdelitev svetlobe, temperatura in uporovno breme (oziroma kombinacija uporovnega bremena in pretvornika), ki ga poganja sončna celica. Termodinamska meja izkoristka Sončna celica je kvantna naprava za pretvorbo energije, zato zanjo velja termodinamska meja izkoristka. Fotoni z energijo, manjšo od potencialne bariere, ne morejo povzročiti nastanka para elektron/vrzel, zato se njihova energija ne more pretvoriti v koristno električno energijo, temveč zgolj v toploto. Če sončna celica absorbira foton z večjo energijo od energije potencialne bariere (energije prepovedanega pasu), se presežek fotonove energije pretvori v kinetično energijo kristalne rešetke oziroma para elektron/vrzel, ta pa z njihovim upočasnjenjem v toploto. Sončne celice z več različnimi absorbcijskimi materiali in posledično z več različnimi potencialnimi barierami, razdelijo spekter svetlobe v več pasov, kjer je termodinamska meja za vsak posamezen pas večja. Kvantni izkoristek sončnih celic Ko se foton absorbira, povzroči nastanek para elektron/vrzel. Eden izmed nosilcev lahko doseže p-n spoj in prispeva k količini proizvedenega električnega toka, za tak nosilec 12

13 pravimo, da je bil zbran, lahko pa se nosilca rekombinirata, še preden dosežeta p-n spoj, na ta način ne prispevata h količini proizvedenega električnega toka. Kvantna učinkovitost se nanaša na procent fotonov, ki se pretvorijo v električni tok, kadar celica obratuje tako, da sta oba priključka kratko sklenjena. Nekaj svetlobe, ki zadane celico se odbije, ali potuje skozi celico. Zunanji kvantni izkoristek je delež fotonov, ki se pretvorijo v električni tok. Nekateri fotoni, ki jih celica absorbira, ne prispevajo k električnemu toku, notranji kvantni izkoristek je delež aborbiranih fotonov, ki jih celica pretvori v električni tok. Kvantni izkoristek najbolje prikažemo na podlagi spektra, to je kot funkcijo energije oziroma valovne dolžine fotonov. Nekatere valovne dolžine se absorbirajo bolje kot druge. Kvantni izkoristek ni enak kot skupen izkoristek, saj ne podaja skupne energije, ki se pretvori v električno moč. Največja moč sončne celice Sončna celica lahko deluje v širokem obsegu napetosti in tokov. Napetost na uporovnem bremenu na osvetljeni celici lahko spreminjamo od 0 V (kratko sklenjeni kontakti) do velikih vrednosti (razklenjeni kontakti). Produkt toka in napetosti je električna moč, ki jo sončna celica proizvaja. Med delovanjem pri kratko sklenjenih kontaktih (napetost 0 in velik tok) ali razklenjenih kontaktih (velika napetost in tok 0A) je točka, kjer je produkt toka in napetosti največji. Ta točka predstavlja optimalno obremenitev sončne celice, kjer sončna celica proizvaja največjo moč pri dani osvetlitvi. Visokokvalitetna sončna celica iz silicijevega monokristala pri 25 C daje pri razklenjenih sponkah napetost 0.6 V. Temperatura celice pri temperaturi 25 v okolici bo približno 45, kar bo zmanjšalo napetost pri razklenjenih sponkah na 0.55V. Pri tej celici se s povečevanjem toka pri priključitvi bremena napetost zniža zelo malo, vse dokler se povsem ne približamo kratkostičnemu toku pri sklenjenih kontaktih. Največjo moč dosežemo običajno pri 75% do 80% napetosti odprtih sponk, v primeru sončne celice iz monokristalnega silicija je to 0.43 V. Pri vsakdanji uporabi sončnih celic jih več vežemo zaporedno, zato lahko dosegamo višje napetosti. Z uporabo regulatorja omogočimo, da se kolikor je mogoče, približamo delovanju v delovni točki, kjer je moč sončne celice največja. 13

14 Slika. Določanje točke največje moči sončne celice. Primerjava izkoristkov različnih tipov sončnih celic Izkoristek je definiran kot oddana električna moč ulomljeno z močjo svetlobe, ki pade na sončno celico. Primerjavo različnih tipov svetlobnih celic omogoča standard IEC Izkoristki sončnih celic so od 6% za amorfni silicij do 40.7 % za hibridne laboratorijske celice, ki delujejo z več p-n spoji in več substrati. Komercialno dostopne polikristalne silicijeve sončne celice je od 14-19%. Sončne celice z največjim izkoristkom običajno niso najbolj ekonomične, npr. celica s 30% izkoristkom in z več p-n spoji in eksotičnimi materiali kot so galijev arzenid ali indijev selenid, lahko stane 100x več kot celica iz amorfnega silicija in 8% izkoristkom. Izkoristek sončnih celic je mogoče povečati s koncentriranjem intenzitete svetlobe. S povečevanjem intenzitete svetlobe, se število fotogeneriranih nosilcev elektron/vrzel poveča, kar poveča izkoristek za do 15%. Cene sistemov za koncentriranje svetlobe so visoke, zato so uporabni samo za Ga As celice z visokim izkoristkom in visoko ceno. 14

15 Slika. Izkoristek komercialno dostopnih sončnih celic. Slika: Izkoristek raziskovalnih sončnih celic. Meritev Za merjenje imaš na razpolago solarni modul SINODEU ZD10-12M na stojalu, reflektorje za osvetlitev, 3 kose, ter merilno opremo in material za priključitev. Lastnosti solarnega modula so po navedbah proizvajalca naslednje: - število celic: 36 (4x9) - nazivna moč (P max ): 10 W - nazivna napetost (U n ): 12 V 15

16 - napetost odprtih sponk (U oc ): 22 V - napetost v točki največje moči (U mp ): 17,4 V - kratkostični tok (I sc ): 0,63 A - tok pri največji moči (I mp ): 0,57 A Na solarnem modulu sta dva priključka 4 mm za povezavo na električno breme. Pri meritvi toka in izračunu moči iz sončne celice upoštevaj, da je tok enosmeren. Merilna oprema Na voljo imaš naslednjo merilno opremo: - merilnik eletrične moči NORMA 4000 in priključne kable, - univerzalni električni merilnik Fluke, - kleščni merilnik električnega toka Velleman, - merilnik osvetlitve TESTO 540 z največjo osvetlitvijo lux in filter ND8, - drsni spremenljivi upor. Merilnik osvetlitve meri osvetlitev v luxih (lm/m 2 ), iz česar lahko izračunaš moč, ki pada na sončno celico. Filter ND8 znanjša količino vpadne svetlobe za faktor 8, ne da bi pri tem spremenil frekvenčni spekter vpadne svetlobe. Naloga Nariši električno shemo priključitve. Izmeri izkoristek energijske pretvorbe sončnih celic. Pri pretvorbi določi karakteristiko sončne celice in nariši njen diagram. Iz karakteristike določi točko največje moči sončne celice. Nariši krivuljo izkoristka glede na napetost na bremenu. Izkoristek določi za točko največje moči. Izkoristek določi na dva načina, za električni tok v reflektorje, ter za svetlobno moč, ki pade na sončno celico. Karakteristiko, krivuljo izkoristka in točko največje moči določi za tri različne osvetlitve. Opozorilo Pri priključitvi in meritvi moči električnih svetilk nastopajo napetosti do 230 V, pazi na nevarnost električnega udara. Uporabljaj merilne kable s ščitenimi priključki. Reflektor se sčasoma zelo segreje, zato ga ne prijemajte. 16

17 Laboratorijska vaja 2. Meritev izkoristka turbinskega stroja Datum: do Uvod Izkoristek v energetskem strojništvu merimo tako, da izmerimo dovedeno in odvedeno delo stroja oziroma naprave. Dovedeno delo večinoma daje elektromotor ali motor z notranjim izgorevanje in ga merimo mehansko ali električno. Odvedeno delo merimo ustrezno glede na proces. Za preračun izkoristka uporabljamo osnovni enačbi M = F r in P = M ω, kar pomeni, da merimo vrtilno frekvenco, silo, ročico ali navor. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka, - merjenje pretoka zraka z merilniki na principu zastojnega tlaka, - merjenje vrtilne frekvence, - merjenje sile in navora, uporaba mostičnih ojačevalnikov. Meritev mehanske moči Mehansko moč merimo z merilniki sile in navora. Oba tipa temeljita večinoma na principu merjenja deformacije z merilnimi lističi. Merilni pretvorniki z merilnimi lističi se priključujejo na ustrezne pretvornike, ki jih imenujemo mostični ojačevalniki. Merilnike sile priključimo običajno tako, da merijo samo del navora, ostalo odpade na uteži z znano maso. Na ta način izboljšamo merilno negotovost. Pri merilnikih navora ločimo statični in dinamični način merjenja. Pri statičnem načinu merjenja moramo upoštevati izgube v ležajih, če elektromotor ni del stroja. 17

18 merilna celica za navor ležaj sklopka elektromotor breme sklopka merilna celica za navor elektromotor breme Slika: Meritev navora preko merjenja sile (zgoraj). Merjenje navora na statični (v sredini) in dinamični (spodaj) način. Pri statičnem načinu merjenja je elektromotor uležajen in ni trdno pritrjen na tla. Merilna celica za navor preprečuje, da bi se elektromotor zavrtel. Meritev električne moči Za določanje električne moči porabnikov merimo tok I in napetost U, ki v vsakem času t dajo trenutno moč P P( t) = U ( t) I( t) 18

19 Slika. Meritev električnih spremenljivk z dvema različnima vrstama inštrumentov, merjenje moči elektromotorja, priključenega na frekvenčni pretvornik. Na zgornji način lahko merimo moč porabnikov enosmernega toka (DC), ki se s časom ne spreminja. Če so porabniki priključeni na izmenični tok (AC), gornji izraz velja zgolj v vsakem posameznem trenutku. V tem primeru moramo gornjo enačbo povprečiti, to pa lahko izvedemo na različne načine, in sicer kot AC povprečenje in True RMS povprečenje. Do dodatnih problemov pride pri meritvi induktivnih bremen (to so motorji, v nasprotju z Ohmskimi bremeni, npr. grelniki), kjer se fazni zamik med tokom in napetostjo spreminja. AC povprečeneje : true RMS RMS (root mean square) vrednost izmeničnega toka je ekvivalentna vrednosti enosmernega toka, ki da enako količino toplote v uporovnem bremenu. RMS ( x) = 2 x ( t) n, pri čemer je spremenljivka x tok ali napetost. Količina toplote, ki nastane, je sorazmerna kvadratu toka, povprečena čez celotno periodo. Pravi True RMS merilniki delujejo tako, da računajo povprečno vrednost v skladu z gornjo enačbo. Merilniki, ki delujejo na principu AC povprečenja, so cenejši in uporabljajo enostavnejšo metodo povprečenja. Merilniki na principu AC povprečenja predpostavijo, da je časovno spreminjanje merjene spremenljivke sinusno. Za sinusni val na sliki je RMS vrednost x največja vrednost. Če vrednost samo povprečimo in obrnemo predznak pri negativni vrednosti (absolutna vrednost), je povprečna vrednost x največja vrednost, oziroma 0.9 x RMS vrednost. Tak inštrument nato množi vrednost največjo vrednost merjene spremenljivke z

20 Na splošno velja, da v primeru, če merjeni tok ali napetost nista sinusna, meritev z AC povprečenjem ni možna. Do drugačne oblike toka ali napetosti pride, če za pogon uporabljamo frekvenčne ali PWM pretvornike. Slika: spreminjanje izmenične napetosti ali toka s časom Slika : Odziv merilnika z AC povprečenjem na različne oblike merjenega signala toka ali napetosti. Moč trifaznega asinhronega elektromotorja Izraz za moč asinhronega trifaznega elektromotorja je P = 3 U I cosϕ. Tok I in napetost U lahko pomerimo s True RMS merilnikom ali merilnikom povprečne vrednosti, ne poznamo pa cos ϕ, kosinusa faznega kota med tokom in napetostjo. cos ϕ je enak nazivnemu na ploščici elektromotorja samo pri nazivnem toku, sicer pa je manjši (glej umeritveni diagram za elektromotor). 20

21 Moč elektromotorjev merimo (1) s trifaznimi merilnki moči in (2) z voltmetrom in ampermetrom. Sodobni trifazni merilniki moči delujejo na podoben način kot digitalni osciloskopi, saj merijo signal toka in napetosti v odvisnosti od časa in ga sharanijo v obliki diskretnih digitalnih vrednosti. Nato merilnik moči zmnoži obe vrednosti za vsak čas in te vrednosti povpreči. Če nimamo na voljo analizatorja moči, tok merimo s tokovnimi kleščami, napetosti z univerzalnim inštrumentom - voltmetrom, cos ϕ pa lahko samo ocenimo na podlagi izkušenj. Če je motor priključen na frekvenčni ali PWM pretvornik, taka meritev ni možna. Priključitev merilnika moči na trifazni asinhroni elektromotor Merilnik moči lahko priključimo enofazno, trifazno, ali z Aronovo vezavo (meritev vseh treh faz z dvema merilnikoma). Ker je meritev moči sestavljena tudi iz meritve toka, pri meritvi toka pa merilnik priključen zaporedno, teče skozi merilnik enak tok kot skozi motor. Pri močnik motorjih je lahko tok skozi elektromotor premočan, zato se uporabljajo v teh primerih tokovni pretvorniki - tokovniki. Največji dovoljeni tokovi skozi merilnike so od 5 do 20 A. Pri vaji bomo merilni tok 1 A na prvi fazi, merilnik pa dovoljuje meritve do 10 A po vsaki fazi. Uporabljali bomo enofazno priključitev. Slika. Direktna trifazna priključitev merilnika moči (brez tokovnikov). Pri vaji uporabljaj enofazno priključitev. 21

22 Merilna postaja Merilna postaja je sestavljena iz umirjevalne komore z ustjem, merilne zaslonke za pretok, pomožnega ventilatorja. Pomožni ventilator priključi na ustje vstopne cevi na umirjevalni komori preko fleksibilne cevi. Ventilator je montiran na Priključi tlačne merilnike, merilnik električne moči, merilnik navora, merilnik vrtilne frekvence na merilno postajo. Slika. Merilna postaja. Meritev izvedi tako, da zmontiraš ventilator na pozicionirno mizo preko držala in senzorja za meritev navora. Pri vaji boš uporabil senzor navora Futek TFF 400 in mostični ojačevalnik Weidmuller WAS5 Pro Bridge. Mostični ojačevalnik moraš priključiti na senzor za navor, napajanje in merilnik napetosti. Ventilator je v serijski izvedbi pritrjen na merilno postajo s štirimi plastičnimi nosilci. Za potrebe vaje boš imel na voljo ventilator z odrezanimi nosilci, zato ga moraš pritrditi na pozicionirno mizo in sicer tako, da med držalo na pozicionirni mizi in ventilator daš merilno celico za navor. S pozicionirno mizo celico z ventilatorjem natančno pripelji v ustje ventilatorja, tako da se ventilator ne bo dotikal ohišja. Električno napetost povečuj počasi, da ne boš uničil merilne celice za silo. Za montažo imaš na voljo dva plastična čepa, ki se vstavita v dve držali, ki imata izvrtine na ustreznih mestih za merilno celico. Vsak se pritrdi na eno stran celice. En plastični čep ima nanj prilepljen ventilator, drugi čep pa držalo, ki se vstavi v pozicionirno mizo. Pri delu pazi, da ne poškoduješ merilne celice za navor, ker je njen obseg samo 70 Ncm. Ce jo preobremeniš za 200 %, se trajno okvari. Pazi predvsem takrat, ko na merilno celico za navor privijačiš držalo. Na merilno celico za navor ne pritiskaj z izvijačem s preveliko silo. 22

23 Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne vlažnosti in barometrskega tlaka. Naloga 1. Mehansko zmontiraj ventilator EBM Papst 4412H v ustjena merilni postaji, uporabi pozicionirno mizo in merilno celico za navor Futek TFF 400 z obsegom 70 Ncm. Merilno celico priključi na mostični ojačevalnik Weidmuller WAS5 Pro Bridge. Uporabi kabel, ki ima konektor za priključitev na merilno celico, na drugi strani pa proste posamezne žice. Določi skupno ojačanje merilne celice in mostičnega ojačevalnika. 2. Priključi ventilator na napajalnik Agilent E3620A. Priključitev izvedi preko merilnika moči Norma. Priključitev izvedi s 4 mm kabli, zato ne potrebuješ priključne plošče. 3. Priključi opremo, namenjeno za merjenje aerodinamskih parametrov. Premer zaslonke v merilni postaji znaša 60,2 mm, premer cevi pred zaslonko pa 160 mm. Izmeri gostoto zraka v prostoru. Izmeri mere merilne postaje, da boš lahko določil izgube. 4. Izmeri vrtilno frekvenco z optičnim merilnikom vrtilne frekvence Telemecanique Osiris XUDA1 z optičnim vlakom XUF N5P01L2 in inštrumentom Agilent 34970A. 5. Izmeri karakteristiko ventilatorja. Mehansko izmeri navor ventilatorja za vsako delovno točko iz karakteristike. Za vsako delovno točko izmeri tudi tok, napetost in moč elektromotorja ventilatorja z merilnikom moči in z merilnikom na principu AC povprečenja (Velleman), izmerjene vrednosti pa nato primerjaj med seboj. Upoštevaj izgube v merilni postaji in prispevek dinamičnega tlaka. Upoštevaj spremembo gostote glede na mesto meritve. Po potrebi za merjenje karakteristike uporabi pomožni ventilator. 6. Izračunaj karakteristiko ventilatorja in izkoristek, posamezne meritve primerjaj med seboj. Preračunaj karakteristiko na konstantno vrtilno frekvenco. 7. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi rezultate. 23

24 Laboratorijska vaja 3. Pnevmatski transport Datum: do Uvod Pnevmatski transport se uporablja v kemični, farmacevtski, prehrambeni in plastični industriji za premikanje in transportiranje drobnih predmetov in sipkih tovorov: cementa, plastike, pepela, živil, žitaric itd. Pri transportu trdnih delcev z zrakom se spremeni karakteristika generatorja pretoka glede na količino dodanega transportiranega materiala. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev in uporaba merilnih pretvornikov za merjenje statičnega tlaka, Merilna postaja Merilna postaja je zaprtega tipa. Sestavljena je iz ventilatorja s frekvenčnim pretvornikom, ventila za regulacijo dušenja, čepa za dodajanje transportiranega materiala, Pitotove cevi za totalni in statični tlak in povezovalnih cevi. Hitrost zraka reguliramo z dušilnim ventilom na ravnem delu kovinske cevi. Na vrhi cevi iz pleksi stekla sta priključka za merjenje totalnega in statičnega tlaka, ki ju je potrebno umeriti. Pred in za ventilatorjem sta priključka za merjenje statičnega tlaka na ventilatorju. Običajno se razmerje masnega pretoka transportiranega materiala proti masnemu pretoku m& s transportirnega medija določi z razmerjem ε = (s=solid, g=gas). V našem primeru to m& g ni mogoče, ker ne moremo meriti masnega pretoka transportiranega materiala. Zato bomo za določitev uporabili naslednjo spremenljivko m ~ s ε =. m& g Spremenljivka zdaj ni več brezdimenzijska. Ventilator kot generator pretoka V merilno postajo je vgrajen ventilator Klima Celje tip 104CVX 140/4 s spremenjenim rotorjem. Rotor je brez sprednje stene in ima nazaj zakrivljene lopatice. Zaradi sprememb na rotorju karakteristika ventilatorja ni znana in jo je potrebno izmeriti. Izmeri porast 24

25 tlaka in pretok na ventilatorju. Za meritev pretoka uporabi odjema za statični in totalni tlak, ki ju pred tem umeri z zaslonko. Slika. Merilna postaja za pnevmatski transport. Meritev pretoka Meritev pretoka izvedi z odjemoma za statični in totalni tlak, ki sta nameščeni na pleksi cevi. Odjema umeri tako, da uporabiš zaslonko na vstopu v ventilator. Meritev z zaslonko ti poda pretok v sistemu, s čimer dobiš diagram pretok/dinamični tlak. Pri tem odstrani cev na vstopu v ventilator, na ta način merilno postajo odpreš. Zaslonko namesti na vstop v ventilator, izberi ustrezno zaslonko in priključi tlačni merilnik. Predpostavi, da se karakteristika tlačnih odjemov ne spremeni, če dodajaš transportirani material. Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne vlažnosti in barometrskega tlaka. 25

26 Slika. Umerjanje odjemov za statični in totalni tlak. Levo: mesto vgradnje, desno: meritev pretoka z zaslonko na vstopu. Transportirani material Uporabi transportirani material Durethan ECO PA GF Določi njegovo gostoto s tehtanjem in določanjem volumna in primerjaj z vrednostjo iz kataloga. Do razlike lahko pride zaradi spremembe granulacije pri obraztovanju v merilni postaji Naloga 1. Izmeri karakteristiko ventilatorja brez dodanega materiala za transport. Za to uporabi merilno zaslonko na cevi, ki jo priključiš na ventilator na vstopu. Umeri statični in dinamični priključek za tlak v merilni postaji glede na pretok na zaslonki na vstopu v ventilator. Predpostavi, da se karakteristika obeh odjemov ne spremeni, če dodaš delce v tok. 2. Določi gostoto transportiranega materiala. 3. Izmeri karakteristiko ventilatorja pri treh masah dodanega materiala, 200 g, 400 g in 600g. Določi masna razmeja ~ ms ε = (s=solid, g=gas). m& g 4. Določi, pri katerem pretoku zraka pride do usedanja materiala za vse tri količine dodanega transportiranega materiala. 26

27 5. Izmeri uporovno karakteristiko ravne cevi, če je v njej dodan material. Uporovno karakteristiko določi pri treh masah dodanega materiala, 200 g, 400 g in 600g. V v ta namen imaš na cevi iz pleksi stekla na tlačni strani ventilatorja na voljo dva priključka za statični tlak. 6. Očisti merilno postajo in zberi transportirani material. 7. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi rezultate. 27

28 Laboratorijska vaja 4. Izmenjevalnik toplote in multiregresijska analiza Datum: do Uvod Izmenjevalniki toplote delujejo v različnih delovnih točkah, pogosto tudi pri spremenljivi obrementitvi. Pri vaji bomo izmerili delovanje v stacionarnih pogojih na merilni postaji in uporabili metodo multiregresijske analize za napoved delovanja izmenjevalnika toplote izven izmerjenih vrednosti. Potrebna predznanja: - merjenje temperature z uporovnimi merilniki, - merjenje pretoka z merilniki zastojnega tlaka. Izmenjevalnik toplote v sušilniku perila Pri vaji bomo uporabili izmenjevalnik toplote, ki se vgrajuje v sušilnike perila Gorenje kot kondenzator vlage, ki je v perilu. Izmenjevalnik je prečnega tipa, sekundarni hladilni zrak teče pravokotno glede na primarni tok zraka. Omejili se bomo na primer, ko v sistem ne dovajamo vlage. Kondenzator v tem primeru deluje kot toplotni izmenjevalnik. Slika. Izmenjevalnik toplote služi v sušilniku perila kot kondenzator. Sliki levo in v sredini prikazujeta mesto vgradnje v merilno postajo. Pri vgradnji je odstranjen ročaj kondenzatorja. Desna slika prikazuje dva tipa kondenzatorjev in sicer AKG (zgoraj) in Bleckmann (spodaj). V sušilniku perila vroč primarni zrak iz ventilatorja mimo grelnika vstopa v boben sušilnega stroja, kjer se navlaži skoraj do 100% rel. vlažnosti. Iz bobna gre zrak preko filtra, ki zadrži vlakna iz perila, ki so nastala zaradi vrtenja perila v bobnu. Primarni zrak nato vstopi v kondenzator, kjer se ohladi s hladnim sekundarnim zrakom. Na izstopu iz 28

29 kondenuzatorja ima primarni zrak še vedno 100% vlažnost, vendar nižjo temperaturo. Po izstopu iz kondenzatorja ventilator primarni zrak spet potisne preko grelnika v boben. Sekundarni zrak ventilator na vstopni strani potisne v kondenzator, kjer ohladi primarni zrak, zato ima sekundarni zrak na izstopu višjo temperaturo kot na vstopu. V kondenzatorju se zračna toka ne mešata. primarni ventilator grelnik smer toka, sekundarni kondenzator sekundarni vent ilator boben s perilom smer toka, primarni filter Slika. Shema vgradnje kondenzatorja v sušilnik perila. prim. ventilator T, T 1 22 T 5 T 6 dp sekundarni V sekundarni T, T 3 4 dp primarni V primarni sek. ventilator Slika. Slika merilne postaje (levo) in mesto vgradnje kondenzatorja v merilno postajo (desno). Merilna postaja ima ločeni električni omarici za močnostni in merilni del. Električna omarica za močnosti del, na kateri so stikala za električne grelnike in napajanje frekvenčnih pretvornikov za pogon primarnega in sekundarnega ventilatorja, je montirana na steni laboratorija. Električna omarica za merilni del je postavljena na sredini ob postaji. Omogoča priklop tlačnih pretvornikov in uporovnih merilnikov temperature Pt 100 s štirižilno priključitvijo. Oba tipa meritev sta v omarici prikljopljena na ustrezna merilna pretvornika. 29

30 Meritev Izhodni signali iz merilnih pretvornikov se zberejo v električni omarici, ki je vidna na zgornji sliki v desnem spodnjem kotu. Izmerili bomo naslednje spremenljivke: - pretok primarnega zraka, - pretok sekundarnega zraka, - temperaturo primarnega zraka na vstopu, - temperaturo primarnega zraka na izstopu, - temperaturo sekundarnega zraka na vstopu, - temperaturo sekundarnega zraka na izstopu. Meritev pretoka izvedi z merjenjem zastojnega tlaka na zaslonki z diferencialnimi tlačnimi pretvorniki. Tlačne merilnike priključi na tlačne odjeme na merilni postaji. Električno priključi tlačne merilnike dvožilno na NI Fieldpoint modul NI FP-AI-110. Meritev temperatur naj bo izvedena z uporovnimi merilniki Pt 100 s štirižilno priključitvijo na data acquisition Agilent 34970A. Za povezavo obeh tipov merilnikov na inštrument preberi navodila. Povezava modula NI Fieldpoint in Agilent 34970A z merilnim računalnikom za shranjevanje podatkov je serijska RS232. Za posnemanje merjenih spremenljivk uporabi programsko opremo NI Labview. Meritve izvedi tako, da nastaviš čas delovanja grelnikov in spreminjaš vrtilno frekvenco ventilatorjev primarnega in sekundarnega tokokroga. Na voljo imaš dva grelnika po 2000 W in enega po 1000 W, regulacija je ročna vklop/izklop. Oba se vklapljata v omarici na steni laboratorija. Merilna postaja ima velike toplotne izgube preko sten in veliko maso, zato je potrebno dolgo časa čakati, da se razmere v postaji stabilizirajo. Preglej smer vrtenja obeh ventilatorjev. Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne vlažnosti in barometrskega tlaka. 30

31 Slika. Uporabniški vmesnik v programu NI Labview. Oblikovanje fenomenološkega multiregresijskega modela Z multiregresijsko analizo modeliramo temperaturo sekundarnega zraka na izstopu. Postopek lahko strnemo v naslednjih 8 točk: 1. Izbor odvisne spremenljivke y = f(x 1, x 2, x 3,...) 2. Izbor vplivnih parametrov procesa x 1, x 2, x 3,... : v, T, f,.. 3. Oblikovanje brezdimenzijskih števil Π: v Re = Π 1, T T/To = Π 2, Postavitev fenomenološkega modela y = f(x) = F(Π) : a b c Potenčni zakon: y = k Π1 Π2 Π Sistem nelinearnih enačb: a b c y j = k Π1, j Π2, j Π3, j..., j = 1, 2,... n n v gornjem izrazu označuje število meritev. 6. Reševanje sistema enačb določitev neznank k, a, b, c,... Reševanje poteka tako, da sistem prevedemo na sistem linearnih enačb s pomočjo logaritmiranja: ln y j = ln k + a ln( Π1, j ) + b ln( Π2, j ) + c ln( Π3, j )..., j = 1, 2,... n 7. Numerično reševanje sistema linearnih enačb 31

32 8. Testiranje ujemanja dejanskih (izmerjenih) vrednosti y s tistimi, ki jih napoveduje model (stopnja zaupanja): 2 χ = n ( yizmerjeni, j yizracunani, j ) y j = 1 izracunani, j 2 V nadaljevanju lahko primerjamo dobljene vrednosti χ2 s kritičnim področjem statistike χa2 (tabele) in določimo stopnjo zaupanja ustreznosti fenomenološkega modela za popis 2 2 fizikalnega procesa, kjer velja χ < χ a. Naloga 1. Aerodinamsko priključi tlačne pretvornike na ustrezna mesta za merjenje pretoka. 2. Električno priključi merilnike pretoka na modul Fieldpoint NI FP-AI-110. Delovanje preveri v programu NI MAX. Modul Fieldpoint je v električni omari ob merilni postaji. Za ustrezno priključitev uporabi navodila za uporabo. 3. Priključi merilnike temperature Pt-100 na inštrument data acquisition Agilent 34970A. Za ustrezno priključitev uporabi navodila za uporabo. 4. Meritve izvedi tako, da vklapljaš grelnike in spreminjaš vrtilno frekvenco ventilatorja primarnega in sekundarmega tokokroga. Na voljo imaš dva grelnika po 2000 W in enega po 1000 W, regulacija je ročna vklop/izklop. Merilna postaja ima velike toplotne izgube preko sten in veliko maso, zato je potrebno dolgo časa čakati, da se razmere v postaji stabilizirajo. 5. Izmeri odvedeno toploto pri pretokih primarnega zraka 120, 145 in 170 m 3 /h. Uporabi kondenzator tip AKG. Meri pri temperaturi primarnega zraka 50 C. Če ne moreš natančno vzdrževati temperature, se to lahko upošteva pri izdelavi parametričnega modela. 6. Nariši diagram delovanja kondenzatorja in sicer kot (a) razliko temperatur na primarni strani v odvisnosti od pretoka sekundarnega zraka in (b) odvedeno moč v odvisnosti od pretoka sekundarnega zraka. 7. Izdelaj parametrični model iz vseh meritev vseh treh skupin. Modeliraj razliko temperatur primarnega toka med vstopom in izstopom v odvisnosti od vseh ostalih parametrov. 8. Določi ujemanje χ Komentiraj napomembnejše razloge za merilno negotovost. 10. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih inštrumentov, nariši shemo eksperimenta, zapiši postopek analize in enačbe za preračun, ter grafično predstavi rezultate. 32

33 Vaja 5. Kontrola elektronskega korektorja prostornine zemeljskega plina, Geoplin plinovodi Datum: do Uvod Cilj vaje je spoznati metrološke lastnosti elektronskih korektorjev zemeljskega plina in osnovne značilnosti ter prednosti preizkuševališča za kontrolo korektorjev. Metrološke lastnosti in delovanje elektronskih korektorjev plina Na merilnem preizkuševališču v Geoplin plinovodi d.o.o. se lahko preverjajo elektronski korektorji zemeljskega plina, ki se uporabljajo za preračun prostornin zemeljskega plina V(p,t) pri tlaku p in temperaturi t na standardne pogoje V s (p s,t s ) pri standardnem tlaku p s = 1,01325 bar in standardni temperaturi t s =15 C. Dejansko prostornino V zazna plinomer, standardno prostornino V s pa preračuna elektronski korektor na podlagi enačbe: = T p z s s Vs V T p s z, (1) kjer sta z s in z faktorja realnosti pri standardnih in delovnih pogojih, ki sta odvisnost od tlaka p, temperature t in sestave zemeljskega plina.. Razmerje faktorjev realnosti z imenujemo tudi stisljivost K=z/z s. V literaturi je večkrat definirano tudi število stanja Z = 1/K. Tako lahko enačbo (1) zapišemo tudi z Ts p z s Ts p 1 Ts p Vs = V = V = Z V T ps z T ps K T ps 8. (2) Izraz v oklepaju enačbe (2) imenujemo tudi korekcijski faktor, ki ga izračunava korektor plina. Definiran je z izrazom Ts p zs Ts p 1 Ts p C = = = T p z T p K T p s s s Z. (3) Funkcijsko odvisnost stisljivosti K(p,t) določajo veljavni algoritmi, npr. S-GERG ali pa AGA NX-19, pri katerih moramo poznati: gostoto zemeljskega plina pri standardnih pogojih, delež ogljikovega dioksida CO 2 v volumskih % ali pa molskih % in delež dušika N 2 v volumskih % ali pa molskih %. Pri izračunu stisljivosti K po AGA NX 19 ni potrebno poznati kurilnosti zemeljskega plina pri standardnih pogojih H s. Prikaz merilnega mesta za merjenje standardnega volumna plina je prikazan na sliki 1. 33

34 AGA NX-19 ali S-GERG relativma gostota d deležco 2 deležn 2 kurilnosth s,n p, t, V V s PTZ-korektor merilnik tlaka p plinomer K(p,t) t merilnik temperature V masni tok plina Slika 1. Shema merilnega sistema za merjenje standardne prostornine zemeljskega plina. Na podlagi enačbe (3) lahko ugotovimo, da elektronski korektor sestoji iz: 1. elektronske računske enote; 2. temperaturnega zaznavala in 3. tlačnega zaznavala. Namen uporabe elektronske računske enote ni samo zajemanje merilnih veličin tlaka, temperature in prostornine zemeljskega plina, ampak tudi preračun zaznane prostornine zemeljskega plina na standardne pogoje. Med korektorji plina razlikujemo: ptz -korektor plina, pt-korektor plina, t-korektor plina. Merilna območja tlačnih zaznaval zajemajo absolutne tlake od 1 bar do 90 bar. Temperaturna merilna območja pa zajemajo temperature od -20 C do +60 C. Meja dovoljenih relativnih merilnih pogreškov je v celotnem merilnem območju korektorja enaka ±1 %. Po veljavnih MID predpisih oziroma na podlagi zahtev Pravilnika o merilnih instrumentih so največji dopustni pogreški za korektor podani v tabeli 1. 34

35 Tabela 1. Največji dopustni merilni pogreški po MID oziroma Pravilniku o merilnih instrumentih pri kontroli korektorjev. Tip Pogoji Največji dopustni pogrešek Vsi - temperatura okolice: 22 ºC±3 ºC, ±0,5 % - vlažnost: 60 % ± 15 %, - nazivna vrednost električnega napajanja. t - mesto vgradnje ±0,7 % p,t,z - mesto vgradnje ±1,0 % Za vse korektorje plina, ki niso bili izdelani na podlagi MID zahtev, je največji dopustni merilni pogrešek ±1 %. Kontrola elektronskih korektorjev Pri kontroli elektronskih korektorjev zemeljskega plina preverjamo metrološke lastnosti korektorjev. V ta namenem potrebujemo preizkuševališče za umerjanje korektorjev zemeljskega plina, ki sestoji iz: 1. Etalonskega tlačnega sistema. 2. Etalonskih temperaturnih zaznaval in temperaturnih kopeli. 3. Merjenca. 4. Merilnega sistema za merjenje parametrov okolice. 5. Nadzornega računalnika. Preizkuševališče je shematično prikazano na sliki 2. Kontrola korektorja sestoji iz: - zunanjega pregleda: z zunanjim pregledom se ugotovi, če ima korektor uradno oznako, ki je bila izdana s certifikatom o odobritvi. Preveri se, ali na korektorju ni opaznih zunanjih poškodb. - Pregleda vhodnih in izhodnih konstant: preveri se nastavitev vhodnih parametrov in impulzne konstante [imp/m 3 ]. - Postopka ugotavljanja merilnih pogreškov: Relativne merilne pogreške ugotavljamo pri treh temperaturah, npr.: 0 ºC, 15 ºC in 30 ºC ter pri petih različnih tlakih za vsako od zgoraj navedenih temperatur. Zaporedje merilnih točk je prikazano v tabeli 2. Tabela 2. Merilne točke pri kontroli korektorja. p1min p2 p3 p4 p5max o t 1 C o t 2 C o t 3 C

36 Merilni pogrešek f c v % izračunamo na podlagi enačbe (4), f C Cm Cp = 100 %, (4) C p kjer je Cm korekcijski faktor merjenca, Cp pa je prava vrednost korekcijskega faktorja, ki ga določimo na podlagi etalonskega merilnega sistema in ga izračunamo na podlagi enačbe (3). Meja dovoljenih relativnih merilnih pogreškov je v celotnem merilnem območju korektorja enaka ±1 %. Po veljavnih MID predpisih oziroma na podlagi zahtev Pravilnika o merilnih instrumentih so največji dopustni pogreški za korektor podani v tabeli 1. Kontrola elektronskega korektorja prostornine zemeljskega plina Preizkus Na preizkuševališču za kontrolo elektronskih korektorjev zemeljskega plina preverite elektronski korektor. Kontrolo izvedite na podlagi veljavnega postopka. V vsaki merilni točki določite relativni pogrešek na podlagi enačbe 4. Merilni sistem Tip elektronskega korektorja: Izdelovalec: Tlačno merilno območje: Temperaturno merilno območje: Dopustni merilni pogrešek: 36

37 6 V, p, t, z, K 5 7 p o t o ϕ t 1 t 2 t 3 2 Legenda: Rezultati meritev Tabela 3. Izračun relativnih merilnih pogreškov v %, enačba (4). f C v % p 1 = p 2 = p 3 = p 4 = p 5 = o t 1 = C o t 2 = C o t = 3 C a izbrano merilno točko določite izračun korekcijskega faktorja na podlagi etalonskega merilnega sistem! t [ C] p o [bar] p n [bar] p [bar] K [/] C p [/] C m [/] 37

38 Merilni pogrešek: f C Cm Cp = 100 % = C p Narišite diagram relativnih merilnih pogreškov! Kaj lahko ugotovite? Koliko sme znašati merilna negotovost preizkuševališča za kontrolo elektronskih korektorjev? 38

39 V čem se razlikujeta algoritma za izračun stisljivosti zemeljskega plina S-GERG in AGA NX-19? Kdaj in zakaj se uporabljajo elektronski korektorji zemeljskega plina? Literatura [1] Ur. L. RS št. 42/2006, Pravilnik o merilnih inštrumentih, Ur. L. RS št. 42/2006, Priloga 1, Pravilnik o merilnih inštrumentih, [2] SIST EN :2005/A1:2007 Plinomeri korektorji 1 del: Volumska konverzija. [3] BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML: Guide to the expression of uncertainty in measurement. ISO, Geneva, first edition, [4] Blagojevič Bogdan in sodelavci: Strokovno izobraževanje dispečerjev, Meritve interno gradivo, Geoplin plinovodi d.o.o.,

40 Projektna vaja 1. Energetska analiza kondenzacijskega sušilnika perila Datum: (termini se prestavijo za en teden zaradi prestavitve vaje v Geoplinu) 1. teden: do teden: do teden: do Uvod Kondenzacijski sušilnik perila je namenjen sušenju perila v prostorih, ki nimajo možnosti izpusta vlažnega zraka v okolico. Voda iz perila se kondenzira v kondenzatorju, črpalka pa jo črpa v posodo na vrhu stroja. Kondenzacijski sušilnik perila sestavljajo iz naslednji najpomembnejši deli: - boben - kondenzator - elektromotor - ventilator primarnega toka zraka - grelnik - ventilator sekundarnega toka zraka Primarni tok zraka poteka od ventilatorja primarnega toka skozi grelnik, boben, filter in kondenzator ponovno v ventilator (zaprt tok). Sekundarni tok zraka poteka od ventilatorja sekundarnega toka zraka skozi kondenzator v okolico in je odprtega tipa. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev, - preračun delovanja turbinskih strojev s teorijo podobnosti, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje sile, - merjenje električne moči, - merjenje vrtilne frekvence. Kondenzacijski sušilnik perila Kondenzacijski sušilnik perila jeeden izmed največjih porabnikov energije v gospodinjstvih. Namenjen je sušenju perila, pri čemer vlago iz perila kondenzira in transportira v zbirno posodo na vrhu stroja. Kondenzacijski sušilni stroj mora z inženirskega vidika opravljati naslednje najpomembnejše funkcije: - transport zraka v primarnem tokokrogu, ki poteka skozi boben, - gretje primarnega zraka pred vstopom v boben, - vrtenje bobna v obe smeri, 40

41 - transport zraka v sekundarnem tokokrogu za kondenzacijo v kondenzatorju, - prilagajanje parametrov sušenja stanju in količini perila v bobnu, izklop grelnika, merjenje preostale vlage itd., - transport kondenzata v zbirno posodo na vrhu stroja. Slika. Kondenzacijski sušilnik perila Gorenje s tesno notranjostjo zraka in vstopom zraka v sekundarni kanal kondenzatorja s sprednje strani (merjeni stroj je brez) s 6 kg bobnom in z zaslonom na dotik. Pri načrtovanju strojev želimo doseči čim nižjo porabo energije in nizke proizvodne stroške. Zaradi nizkih proizvodnih stroškov je sušilni stroj Gorenje zasnovan tako, da uporablja samo en elektromotor. Ta zato poganja boben in oba ventilatorja za primarni in sekundarni tokokrog. Boben se mora vrteti v obe smeri, sicer se perilo v stroju zavozla, kar onemogoči učinkovito sušenje. To pomeni, da se oba ventilatorja vrtita v različnih smereh glede na program sušenja. Na začetku sešenja se približno 20 minut perilo v bobnu segreva na delovno temperaturo, ki znaša med 50 C in 60 C. V tem času se vrti boben, delujeta pa tudi primarni in sekundarni ventilator. Pri tem sekundarni ventilator hladi zrak v primarnem tokokrogu, kar energijsko ni ugodno. Ko perilo doseže delovno temperaturo, grelnik deluje intermitentno in vzdržuje temperaturo v željenem intervalu. Primarni ventilator je narejen iz kovine, ker je blizu grelnika. Zahteva po kovinskem ventilatorju izvira iz varnostnih razlogov. Zaradi tehnologije izdelave ima ravne lopatice, zato vrtenje levo/desno ne predstavlja velike ovire. Spirala primarnega ventilatorja je optimirana tako, da favorizira vrtenje v eno smer, v to smer se tudi večino časa vrti boben. 41

42 Sekundarni ventilator je iz plastike, zato ima zakrivljene lopatice in spiralo, ki sta optimirana za vrtenje v eno smer. Ventilator ima veliko število lopatic zaradi zmanjšanja hrupa. Sekundarni tokokrog je odprt in zaradi tega se hrup sekundarnega ventilatorja sliši v okolici stroja. Stroj ima na bobnu tesnilo, ki je približno tako veliko, kot so velika vrata stroja. Vrata stroja so na modernih strojih velika zaradi prodajnih razlogov. Na tem tesnilu je potrebno zagotoviti, da je uhajanje vlažnega zraka v okolico čim manjša, s čimer se poveča stopnja kondenzacije. Uhajanje je zmanjšano tudi zaradi podpornih koles, ki zmanjšujejo obremenitve na tesnilo. To je možno zagotoviti samo tako, da se stroj dizajnira tako, da je na tem mestu razlika tlakov med notranjostjo in zunanjostjo kanala čim manjše. To je možno napraviti tako, da se ustrezno razporedi generator tlaka - ventilator in upore v primarnem tokokrogu. Upori v primarnem tokokrogu se med ciklom sušenja spreminjajo, saj se perilo suši in zavzema čedalje večji volumen v bobnu, filter pa se maši. Filter preprečuje, da bi vlakna iz perila prišla z zračnim tokom na grelnik, kjer bi se zažgala, perilo pa bi zaradi tega smrdelo. Flow direction into the plane of the figure Flow direction out of the plane of the figure Secondary air-flow Primary air-flow Secondary air-flow exit Clothes drum Primary air-flow fan Door Heat Exchanger Electric motor Secondary air-flow fan Filter Inlet cone Secondary air-flow inlet - basic version Slika. Shema delovanja sušilnik perila. 42

43 Slika. Sušilnik perila z odstranjema stranskima stranicama, pogled z leve (detajl elektromotorja in sekundarnega ventilatorja, levo), pogled z desne strani (izstop sekundarnega toka iz kondenzatorja, desno). Slika. Sušilnik perila z odstranjenim pokrovom grelnika, pogled z zadnje strani. Viden je primarni ventilator in grelnik z bimetalnimi stikali. 43

44 Opozorilo V stroju so napetosti do 230 V, pazi na nevarnost električnega udara. Kabli v notranjosti stroja nimajo zaščitenih priključkov. Merilna oprema Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema: - uporovni merilniki temperature Pt 100, štirižilni, - merilnik napetosti do 230 V, - data acquisition enota za počasno posnemanje podatkov, - tehtnica za tehtanje perila in kondenzata, - merilnik električne moči, trikanalni s tokovniki, - ročni merilnik vlažnosti, - tlačni pretvorniki, priključki in povezovalne cevke. Naloga 1. Določi merilna mesta in sestavi merilno verigo. 2. Izvedi energetsko analizo sušilnika perila in ovrednoti rezultate. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve. 44

45 Projektna vaja 2. Energetska analiza sušilnika perila s toplotno črpalko Datum: 1. teden: do teden: do teden: do Uvod 45

46 Projektna vaja 3. Model trdilne komore Datum: 1. teden: do teden: do teden: do Uvod V trdilni komori v proizvodnji kamene volne poteka polimerizacija veziva. Trdilna komora je zaprt prostor, kjer poteka polimerizacija polnil. Kot polimer se večinoma uporablja fenol. Določeni tipi izolacij iz kamene volne ne vsebujeo veziva. Za večino trdnost takih izdelkov se uporablja šivanje. V trdilni komori se kamena volna stisne na željeno debelino, s čimer se doseže tudi izbrana gostota. Na izhodu iz trdilne komore je kamena volna kompaktna in ohrani obliko in debelino, nastavljeno v trdilni komori. Trdilna komora je običajno narejena tako, da je sestavljena iz treh zaporednih delov, v katerih je omogočena neodvisna regulacija temperature in pretoka. Trdilna komora je velik porabnik energije, zato proizvajalci želijo doseči za vsak posamezen produkt najmanjši možen vnos energije, ki še zagotavlja dovolj dobre rezultate polimerizacije. V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz trdilne komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje. Proizvodnja kamene volne V kupolki se raztalijo sestavine kamene volne, silikatne kamenine, koks za dovajanje itd. Iz kupolke teče talina na kolesa centrifuge, kjer talina zaradi centrifugalne sile zapusti kolesa. Ko kapljice taline zapustijo kolesa centrifuge, pridejo v območje koaksialnega tračnega toka, ki kapljice pospeši, pri čemer se kapljice razvlaknijo in vstopijo v usedalno komoro. Koaksialnemu zračnemu toku s šobami primešamo polimerno vezivo fenol. Vlakna zrači tok odnese na rešetke primarne plasti, kjer zapustijo primarno komoro. Več primarnih plasti se naloži v sekundarno plast, ki potuje preko tehtnice v trdilno komoro. Proizvodnja kamene volne je predstavljena na sliki. 46

47 reservoir of molten blow away air flow melted jet flow spining machine formation of mineral wool primary layer suction channel secondary air flow (suction) perforated mesh Slika. Nastanek primarne plasti kamene volne. Slika prikazuje sistem, preden kamena volna vstopi v trdilno komoro. Puščica prikazuje smer potovanja plasti kamene volne. Merilna postaja Model trdilne komore posnema dejansko trdilno komoro. Največja razlika med izvedbo in modelom je, da v izvedbi plast tervola potuje skozi komoro na tekočem traku, pri modelu pa ga vstavimo vanjo na začetku, nato pa v njej miruje. Druga pomembna razlika je način dovajanja energije, pri izvedbi je to s plinskimi gorilniki, pri modelu pa z električnimi grelniki. Model trdilne komore je narejen tako, da je vanj plast kamene volne vstavljena tesno, tako da celoten zračni tok potuje skozi plast. Energijo dovajamo v model trdilne komore s štirimi električnimi grelniki. Vse štiri grelnike lahko ročno vklapljamo in izklapljamo. Četrti grelnik je priklopljen preko napetostnega regulatorja - variaka, ki omogoča brezstopenjsko regulacijo dovedene električne moči. Moč grelnikov 1 in 2 je približno 2200W, moč grelnikov 3 in 4 pa 1800 W. Pri uporabi variaka se lahko zgodi, da zaradi velike trenutne obremenitve pri vklopu pregori varovalka. Na trdilni komori sta vgrajeni dve električni omarici. Spodnja električna omarica služi za napajanje grelnikov, priključitev variaka in merjenje napetosti z univerzalnim merilnikom. Zgornja električna omarica služi priključitvi merine opreme. Spodnjo električno omarico priključi s kablom preseka 6 mm 2 na električno omarico na steni. Temperatura, pri kateri se polimerizacija začne, je približno 200 C. Na izstopu iz trdilne komore v tovarni Termo ima plast kamene volne približno 250 C. Pri delu uporabljaj zaščitne rokavice. 47

48 grelnika 1,2 radialni ventilator grelnika 3,4 plast kamene volne meritev temperature toka meritev temperature v plasti Slika. Shema modela trdilne komore. Slika. Slika modela trdilne komore (levo), električni omarici za meritve in vklapljanje grelnikov. Na modelu trdilne komore je možno nastavljati naslednje spremenljivke: - pretok zraka skozi plast kamene volne oziroma tlak na plasti kamene volne, - moč posameznih grelnikov (prve tri grelnike je mogoče vklapljati in izklapljati, četrti grelnik ima brezstopenjsko regulacijo). Povezavo med tlakom na plošči in pretokom bo priskrbel asistent. 48

49 Izvedba meritev Pri trdenju fenola nastajajo strupeni plini, ki se pri proizvodnji zažgejo pri zelo visoki temperaturi v čistilni napravi. Zaradi tega meritve trdenja s fenolom pri študentskih laboratorijskih vajah niso možne. Pri vaji bomo uporabili namesto fenola vodo. Vodo bo potrebno nanesti enakomerno po površini plošče tervola pred meritvami. Količino vode glede na debelino bo določil asistent. Model trdilne komore ima veliko maso in zato veliko toplotno kapaciteto glede na količino vode, ki jo lahko vsebuje posamezna plošča. Zaradi tega je potrebno menjave plošč izvesti vedno na enak način. Pri meritvi spreminjaj naslednje parametre procesa, vsi parametri pa naj nastopajo v parametričnem modelu: - debelina plošč, - hitrost prepihavanja, - čas trdenja, - količina vode v plošči na začetku trdenja, - količina vode v plošči na koncu trdenja, - temperatura v plošči, - temperature zračnega toka. Proces vsebuje veliko spremenljivk, vseh ni mogoče sistematično spreminjati, medtem ko so ostale spremenljivke konstantne. Parametrični model kljub temu lahko pove, katere spremenljivke so reprezentativne in katere ne, ter kako vplivajo na proces. S parametrični modelom je mogoče izračunati vpliv posmezne spremenljivke na proces, kot da bi bile vse ostale spremenljivke konstantne. Merilna oprema Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema: - tehtnica, - merilnik električne moči, - termočleni, - merilnik napetosti do 230 V, - data acquisition enota za počasno posnemanje podatkov, - tlačni pretvorniki, priključki in povezovalne cevke, odporne na visoko temperaturo. Opozorilo V komori na električnih grelnikih so napetosti do 230 V, pazi na nevarnost električnega udara. Kabli v notranjosti nimajo zaščitenih priključkov. 49

50 Pazi, da se ne dotakneš notranjosti modela trdilne komore, ker med delovanjem temperatura sten in materialalahko doseže preko 200 C. Naloga 1. Oceni specifično dovedeno energijo za izbrani material pri trdenju v modelu trdilne komore. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve. 2. S pomočjo modela določi, kakšna specifična dovedena energija je potrebna za trdenje poljubnega materiala. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve. 50

51 Projektna vaja 4. Energetska analiza sadjarskega pršilnika Datum: 1. teden: do teden: do teden: do Uvod Varstvo rastlin pred boleznimi, škodljivci in pleveli je nujno za količinsko in kakovostno dober pridelek. Lahko se izvaja na različne načine, danes pa so še vedno prevladajoči kemični postopki zaščite. V kmetijstvu se uporablja pršilnike za nanašanje fitofarmacevtskih sredstev na ciljne površine. Pršilnike imenujemo stroje za nanašanje, ki imajo prigrajen ventilator, ki generira zračni tok, ki nosi kapljice fitofarmacevtskega sredstva proti ciljni površini. Poznamo nošene in vlečene izvedbe pršilnikov. Pri delu bomo uporabili traktor Agromehanika AGT 835 in nošeni pršilnik Agromehanika AGP 200. Meritve bodo potekale na Kmetijskem inštitutu Slovenije, laboratorij za kmetijsko tehniko, Jable. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev, - preračun delovanja turbinskih strojev s teorijo podobnosti, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje navora, - uporaba merilnih pretvornikov za merjenje pretoka, - merjenje vrtilne frekvence, - merjenje hitrosti zračnega toka. Pršilniki in pomen zračnega toka Pršilniki z visokotlačno črpalko razpršijo fitofarmacevtsko sredstvo na šobah, zračni tok pa odnese kapljice fitofarmacevtskega sredstva na ciljne površine. Energija nosilnega zračnega toka omogoča usmerjen transport kapljic fitofarmacevtskih sredstev na večjih razdaljah, dobro prodiranje v krošnje oz. v habitus nasada in dobro porazdelitev po vseh straneh delov rastlin. Ima pa tak način distribucije pesticidov veliko stranskih, predvsem negativnih učinkov. Močan zračni tok lahko poškoduje dele rastlin, ki se nahajajo preblizu izstopnega ustja ventilatorja in zaradi velike hitrosti se kapljice ne morejo prijeti površine rastlin. Kapljice lahko odnese daleč stran od ciljne površine, kar zmanjšuje učinkovitost ukrepov varstva in po nepotrebnem obremenjuje okolje. Manjše kapljice 51

52 imajo v zračnem toku večji domet, kar še poveča izgube in ogroža sosednje posevke ali nasade. Pršilniki so velik porabnik električne energije, njihova poraba znaša za velike izvedbe tudi preko 30 kw. Največji del pri tem odpade na ventilator, manjši pa na vlečenje ali nošenje rezervoarja in visokotlačno črpalko za fitofarmacevtsko sredstvo. Slika. Traktor Agromehanika AGT 835 z nošenim pršilnikom. Slika. Pršilnik Agromehanika AGP 200. Slika levo: pogled s stani, ki je priključena na traktor, viden je rezervoar za fitofarmacevtsko sredstvo in visokotlačna črpalka pod njim, ventilator za nosilni zračni tok je nameščen z zadnje strani, izstopni kanali so sive barve. Slika desno: pršilnik med delovanjem. Meritev Z meritvijo želimo energetsko analizirati porabnike na pršilniku AGP200. Analizirali bomo naslednje spremenljivke - porabo goriva na traktorju, - moč pogonske gredi preko vrtilne frekvence in navora pogonske gredi, 52

53 - aerodinamske parametre ventilatorja, - tlak in pretok črpalke za fitofarmacevtsko sredstvo, - hitrost zračnega toka na mestu sprejema fitofarmacevtskega sredstva. Meritve bodo izvedene v mirovanju. Pri meritvi hitrosti zračnega toka pazi, da ne poškoduješ vetrnice, saj jo smeš uporabljati le do hitrosti 20 m/s. Pri merjenju velikih hitrosti ne obračaj vetrnice okrog osi držala, saj pri tem močno obremenjuješ ležaje. Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne vlažnosti in barometrskega tlaka. Merilna oprema Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema: - ročni laserski merilnik vrtilne frekvence, - merilnik navora za priključno gred, ki jo bo priskerbel Kmetijski inštitut Slovenije, - menzura, - ročni merilnik hitrosti zračnega toka na vetrnico, - pitotova cev, priključne cevke in ročni tlačna pretvornika, - tlačni pretvornik za merjenje tlaka na šobah fitofarmacevtskega sredstva, - merilnik pretoka fitofarmacevtskega sredstva. Opozorilo Ventilator pršilnika je odprt, ne posegaj z roko v notranjost stroja med delovanjem. Pri meritvi navora na gredi traktorja prav tako ne posegaj z roko v bližino gredi med delovanjem. Ne nosi ohlapnih oblek, obstaja možnost navitja na vrteče dele. Naloga 1. Določi merilna mesta in sestavi merilno verigo. 2. Izvedi energetsko analizo sadjarskega nošenega pršilnika. 3. Izmeri hitrost zračnega toka v mreži 20x10 točk na oddaljenosti 1 m od pršilnika pri izbrani vrtilni frekvenci gredi. 53

54 Projektna vaja 5. Analiza dinamičnih lastnosti kavitacije Datum: 1. teden: do teden: do teden: do Uvod Večina signalov je v osnovi v časovni domeni. Matematične trasformacije signalov uporabljamo zato, da bi dobili dodatne informacije o signalu, ki jih v časovni domeni ne moremo ugotoviti. Primeri : EKG vibracije strojev hrup ugotavljanje lastnih frekvenc analiza podobnosti signalov določanje prostorskih in časovnih premikov Slika. Primeri signalov za frekvenčno analizo. 54

55 Seminarska vaja bo potekala v laboratoriju za vodne in turbinske stroje. Pri vaji bomo izmerili hitrost v zračnem kanalu z anemometrom na vročo žičko. Izmerjene signale bomo analizirali s programsko opremo Matlab. Fourierjeva transformacija Uporabnost Fourierjeve analize je v frekvenčni analizi signala v neki časovni domeni. Transformacijo pretvori funkciji iz časovne domene v frekvenčno. Fourierjevi koeficienti transformirane funkcije so porispevki cos in sin funkcije pri vsaki frekvenci. Slika. Različni tipi Fourierovih transformacij. Za analizo merjenih signalov se večinoma uporablja diskretna časovna Fourierjeva transformacija. Diskretna Fourierjeva transformacija je podobna kot navadna Fourierjeva Transformacija, vendar temelji na diskretnih vrednostih funkcije. Fourierjeva transformacija z okni (Windowed Fourier transform -WFT, Short time Fourier Transform STFT)Če je f(t)neperidična funkcija, s sumacijo periodičnih funkcij sin in cos ne moremo točno popisati signala. Fourierjevetransformacije z okni so ena od možnih rešitev tega problema. Fourierjeve transformacije z okni podajajo informacijo o funkciji v časovni in frekvenčni domeni. S Fourierjevimi transformacijami z okni razdelimo vhodni signal v časovni domeni na več delov, nato pa izvedemo frekvenčno analizo v vsakem delu posebej. Vhodni signal razdelimo z utežno funkcijo. Hitra Fourierjeva transformacija (Fast Fourier Transform) Algoritem za hitrejše izračunavanje forurierjeve analize, če ima vhodna funkcija dolžino 2 n. nepretrgano: 55

56 = = df e f X t x dt e t x f X ft i ft i π π 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( diskretno: [] [] = = = ) ( L n n N k i k e n x X k X π ω k n k π ω 2 = za k=0,1,2,... (n-1) Slika. Primer vsote štirih sinusnih nihanj, vhodni signal za frekvenčno analizo. Levo: časovna vrsto, desno: frekvenčni spekter. 56

57 Slika. Primer signala s širokopasovnim spektrom sinusnih nihan.. Levo: časovna vrsto, desno: frekvenčni spekter. Valčna transformacija Prednost valčne transformacije pred Fourierjevo transformacijo je ta, da je uporabna v primerih, ko se podatki s časom spreminjajo oziroma, kadar vsebujejo nezveznosti ali ostre vrhove. Valčna analiza je uporabna tudi pri stiskanju slik, odstranjevanju šuma, turbulenci, napovedi potresov itd. Valčna analiza temelji na dveh parametrih τ (translation - premik) in s (scale - skala). Ψ je funkcija transformacije (mother wavelet). Velike skale ustrezajo nizkim, majhne skale pa visokim frekvencam. Premik ima podobno vlogo kot pri WFT sli STFT. CWT ψ x ( τ, s) = Ψ ψ x ( τ, s) = 1 s t τ x( t) ψ dt s Slika. Vačna analiza. Reprezentacija visokih in nizkih frekvenc 57

58 Slika. Vačna analiza. Primer spreminjanja frekvence v času. Korelacija, časovna in prostorska Za stohastične procese, vključujoč s tistimi, ki se pojavljajo v statistični mehaniki, je korelacija orodje za določanje podobnosti med dvema naključnima spremenljivkama v dveh časih in na dveh mestih v prostoru. Če gledamo korelacijsko funkcijo med naključnimi spremenljivkami v isti točki prostora in ob dveh različnih časih, potem to imenujemo avtokorelacijska funkcija. Če imamo več naključnih spremenljivk, lahko avtokorelacija imenujemo tudi korelacijske funkcije iste spremenljivke. Avtokorelacijo lahko intuitivno razumemo kot indikator spreminjanja naključne spremenljivke v času, oziroma njene podobnosti s samo seboj, ko se čas spreminja. Korelacijske funkcije različnih naključnih spremenljivk imenujemo križna korelacija. Križna korelacija je učinkovito merilo za podobnost med različnimi spremenljivkami v času. Dvotočkovne korelacijske funkcije so pomembni elementi v teoriji turbulence. Predpostavimo, da imamo izmerke hitrosti fluida na dveh mestih in sicer x in x'. Korekacijska funkcija na mestih x in x' se izračuna tako, da oba signala pomnožimo in povprečimo, kar nam da 9 komponent korelacijskega tenzorja, oziroma skalar, če imamo podatek za hitrost samo v 1D: Q ( x, x'; t, t') u ( x, t) u ( x', t') αβ = α β 58