GRUPPE NR. DATO STUD.ASS. DELTATT: Arbeid, Effekt og Virkningsgrad Mål Gi en forståelse for de sentrale begrepene arbeid, effekt, og virkningsgrad. Motivasjon/Innledning Arbeid og effekt er kjente begreper fra videregående skole. Men begrepene defineres forskjellig avhengig av anvendelse. For en mariningeniør er dette definisjoner som MÅ kunnes og forstås uavhengig av studieretning. Begrepene brukes ikke bare om motorer og maskiner, men også i et bredt spekter av fag fra kjemi til konstruksjonsteknikk! Virkningsgrad er også et meget sentralt begrep. Det brukes for å vise hvor effektivt et system er. Altså hvor mye man får ut i forhold til hva man putter inn. Dere vil høre mye om virkningsgrad ved snakk om maskiner, pumper og framdriftssystemer (propeller og vannjet). Med andre ord systemer som omdanner én type energi til en annen. Fortrengningspumper I denne oppgaven skal dere jobbe med fortrengningspumper. Det finnes en rekke forskjellige designprinsipper for fortrengningspumper. De forskjellige størrelsene og konstruksjonsmessige løsningene fører til at pumpene har ulik leveringsmengde, leveringstrykk og rotasjonshastighet, alt etter hva de skal benyttes til. Fortrengningspumper kan pumpe alle typer væske og gass, men fluidene må fortrinnsvis ikke inneholde partikler. Disse skaper slitasje på pumpens deler og fører til større lekkasjer i pumpa og dermed redusert virkningsgrad. Større elementer i fluider kan for enkelte pumper føre til totalhavari fordi partikkelen ikke får plass inne i pumpa. Dermed må enten partiklene eller pumpa deformeres. Fortrengningspumpene kan deles inn i 4 hovedgrupper: Stempelpumper, tannhjulspumper, impellerpumper og skruepumper. TMR4100 Marin teknikk intro 1
Stempelpumper Stempelpumpene er bygd opp på samme måte som en forbrenningsmotor med veivaksel, stempelstenger (råde), stempler og ventiler. Men en stempelpumpe blir i motsetning til motoren dreid rundt av ekstern kraftkilde og har kun to takter; innsugning og utblåsning (se Ottomotoren i lab 3 - motorlab). Slike pumper blir ofte benyttet til saktegående hydraulikk og til kompressorer. Figur 1 Stempelpumpe Tannhjulspumper Det finnes ulike utforminger av disse også, men alle har roterende tannhjul, hvor tennenes inngrep med hverandre skaper endring i volum. Bruksområde for slike pumper er i likhet med stempelpumpen ofte i kompressorer, men i motsetning til stempelpumpene blir den hovedsaklig benyttet i hurtiggående hydraulikk ettersom internlekkasjene ofte er større for slike pumper. Se figur 2 for eksempel på utforming av tannhjulspumpe. Legg merke til hvilken vei tannhjulene går i forhold til retningen på strømmen. Figur 2 Tannhjulspumpe TMR4100 Marin teknikk intro 2
Skruepumper Prinsippet for skruepumper er det samme som for tannhjulspumper, men væsken fraktes her aksialt. Fordelen med skruepumper er blant annet at man får jevn flyt av væske uten pulseringer som i både stempel- og tannhjulspumpene (ut fra figur 3 er det bortimot umulig å forstå hvordan en skruepumpe virker, men husk at det er en fortrengingspumpe og hvilke fordeler den har i forhold til de andre fortregningspumpene). Figur 3 Skruepumpe Arbeid Arbeid er et kjent begrep både fra fysikken og fra dagliglivet. Det er to måter å regne ut arbeid på: Nm F N sm Arbeid Kraft Vei TMR4100 Marin teknikk intro 3
r F Arbeid Kraft Vei Nm FN sm Dersom vi sveiver en omdreining, vil loddet heves med en strekning som tilsvarer omkretsen av tommelen. Omkretsen av en sirkel er som kjent 2 r. Arbeid Kraft Radius 2 Nm FN rm 2 Moment Kraft arm M d Nm FN lm F M d g Arbeidet pr. omdreining blir da: Arbeid Moment 2 Nm M Nm 2 d Figur 4 Arbeid fra dreiemoment I denne labben blir dere kjent med begge måtene å regne ut arbeid på. Ved å sveive en trommel tilfører dere dreiemoment og yter dermed et arbeid på loddet. Effekt Effekt er også et kjent begrep fra videregående. Ofte er vi mer interessert i hvor lang tid vi trenger på å utføre et arbeid, enn hvor stort arbeidet er. Vi vil vite hvor raskt vi kan tømme en tank, hvor fort vi kan varme opp en væskemengde eller hvor raskt vi kan forflytte oss fra A til B. Effekt er med andre ord hvor raskt du kan gjøre et arbeid. Matematisk beskrives arbeid slik: Arbeid Effekt Tid P att Nm t s TMR4100 Marin teknikk intro 4
Virkningsgrad Virkningsgrad sier noe om hvor energigunstig et system virker. En motor med 100% virkningsgrad ville vært optimal og umulig å forbedre ettersom den ville produsert like mye rotasjonsenergi som energien til drivstoffet den hadde forbrent. I virkeligheten ligger derimot virkningsgraden til en motor på ca 25%! I denne labben er internlekkasje hovedårsaken til redusert virkningsgrad. Ved pumping har man også tap til såkalt strømningsarbeid. Dette er energi benyttet til å skape interne strømninger i væska vi pumper. Eller for å ta et eksempel fra en robåt, effekten du bruker til å skape bevegelse rundt årene i vannet når du ror. Hadde man utviklet en åre som ikke skapte slik bevegelse, ville man kunne rodd mye raskere. Dette samme gjelder for propeller. Her er fremdriftseffekten over 50 % lavere enn hva motoren leverer inn på propellen. Virkningsgraden sier noe om hvor mye av produsert effekt som blir utnyttet. Når man har et system ønsker man høyets mulig virkningsgrad for å utnytte energien best mulig. P P ut inn att att TMR4100 Marin teknikk intro 5
Lab: Kontaktperson: Sted: Utstyr: Litteratur: Knut Aaberge Dahl Introlab Lodd, styrepumper, wire, kraftmåler Hvis du har lyst til å se noen enkle animasjoner av ulike typer fortrengningspumper, kan du gå inn på www.axflow.no. Gå inn på Produkter Pumper Fortrengningspumper, og se på Bredel, ilden og Mono. Forberedelser: Sikkerhet: Orden: Se opp for loddet og vær forsiktig under sveivingen. Si ifra til stud.ass. dersom noe er galt med utstyret. Sørg for at papirer og lignende blir ryddet vekk. TMR4100 Marin teknikk intro 6
Oppgaver: 1) Beregn teoretisk arbeid som skal til for å løfte loddet 1 meter. Loddets vekt er 16 kg. 2) Ved hjelp av den mekaniske sveiva A (til høyre på figur 5) som er direkte koblet til trommelen skal dere nå heise opp loddet. Beregn faktisk arbeid som skal til for å løfte loddet 1 meter. Bruk en fiskevekt til å måle kraften på sveiva. 3) Hva er virkningsgraden til den mekaniske sveiva? Hvorfor er den ikke 100 %? Figur 5 Trommel, mekanisk sveiv og hydraulisk vinsj (pumper) 4) Ta tiden mens du løfter loddet. Hvor stor effekt klarer du å yte på sveiva? 5) Regn ut momentet på akslingen. Bruk en fiskevekt til å måle kraften på sveiva. Multipliser kraften med kraftens arm, dvs avstanden fra sveivas håndtak til sentrum av akslingen. 6) Juster lengden på armen til sveiva. Blir det lettere eller tyngre å sveive? Hvorfor? Endres momentet på akslingen? Endres arbeidet som skal til får å løfte loddet 1 meter? Vi skal nå se på den hydrauliske vinsjen B (til venstre på figur 5). Denne består av to tannhjulspumper, den ene er koblet direkte på sveiva, den andre er koblet til wiretrommelen og virker som en motor i systemet. Hydraulikkslanger under benken leder hydraulikkoljen fra pumpa gjennom motoren og tilbake igjen. 7) Lag en prinsippskisse for den hydrauliske vinsjen. Tegn inn retningen på sveiva og på wiretrommelen. Tegn også inn retningen på hydraulikkolja. 8) Nå skal dere heise opp loddet ved hjelp av den hydrauliske vinsjen. Beregn arbeidet som skal til for å løfte loddet 1 meter. Bruk en fiskevekt til å måle krafta på sveiva. Figur 6 Pumpene sett fra siden 9) Hva er virkningsgraden til den hydrauliske sveiva? Er den bedre eller dårligere enn virkningsgraden til den mekaniske vinsjen? 10) Nevn noen fordeler og ulemper med hydraulikksystemer generelt. TMR4100 Marin teknikk intro 7
PS! Grunnen til at den hydrauliske sveiva ikke går rundt når vi bruker den mekaniske sveiva er fordi det er koblet inn en frikrans mellom wiretrommelen og tannhjulpumpa til høyre på figur 5. Dermed pumpes ikke olje gjennom den høyre pumpa når den mekaniske sveiva brukes. Samme prinsipp som på sykkel, pedalene går ikke rundt når du triller med en bakke. TMR4100 Marin teknikk intro 8