4. kísérlet: Energiaveszteség a csövekben

A csőrendszer teljes energiavesztesége a nagyobb és a kisebb veszteség összege. A nagyobb veszteségek súrlódási energiaveszteséggel járnak, amelyet a folyadék viszkózus hatása és a csőfal érdessége okoz. A nagyobb veszteségek nyomásesést okoznak a cső mentén, mivel a nyomásnak működnie kell a súrlódási ellenállás leküzdésében. A Darcy-Weisbach-egyenlet a legelterjedtebb képlet a csőáramlás energiaveszteségének meghatározására. Ebben az egyenletben az (f) súrlódási tényezőt, egy dimenzió nélküli mennyiséget alkalmazzák a cső súrlódási veszteségének leírására. Lamináris áramlásokban f csak a Reynolds-szám függvénye, és független a cső felületi érdességétől. Teljesen turbulens áramlások esetén f függ a Reynolds-számtól és a csőfal relatív érdességétől is. A mérnöki problémáknál az f-et a Moody-diagram segítségével határozzuk meg.

A mérnöki alkalmazásokban fontos növelni a csövek termelékenységét, vagyis maximalizálni az áramlási sebességet és minimalizálni az egységnyi hosszra eső fejveszteséget. A Darcy-Weisbach-egyenlet szerint egy adott áramlási sebességnél a fejveszteség a csőátmérő fordított ötödik teljesítményével csökken. A cső átmérőjének megduplázása azt eredményezi, hogy a fejveszteség 32-szeresére csökken (≈ 97% -os csökkenés), míg a cső egységnyi hosszúságához szükséges anyagmennyiség és annak beszerelési költsége közel megduplázódik. Ez azt jelenti, hogy az energiafogyasztás, hogy leküzdje a súrlódási ellenállást egy bizonyos áramlási sebességet szállító csőben, jelentősen csökkenthető viszonylag kis tőkeköltséggel.

Ennek a kísérletnek a célja a cső súrlódása miatti fejveszteség vizsgálata, és a kapcsolódó súrlódási tényező meghatározása az áramlási sebességek és az áramlási rendszerek tartományában, azaz lamináris, átmeneti és turbulens.

A súrlódási tényezőt úgy határozzuk meg, hogy az egyenletes áramlás érdekében egy kör alakú keresztmetszetű egyenes csőben két rögzített pont közötti nyomásfej különbséget mérünk.

A csövek energiaveszteségének elvégzéséhez a következő berendezésre van szükség:

F1-10 hidraulikus pad,
F1-18 cső-súrlódó készülék,
Stopper az áramlásmérés időzítéséhez,
Mérőhenger nagyon alacsony áramlási sebességek mérésére,
Vízszint, és
Hőmérő.

A cső súrlódó készüléke egy tesztcsőből áll (függőlegesen a fúrótoronyra szerelve), egy állandó fejű tartályból, egy áramlásszabályozó szelepből, egy légtelenítő szelepből és két manométerkészletből a cső fejveszteségeinek mérésére (4.1. Ábra). . Két víz-higany manométer készletet használnak a nagy nyomáskülönbségek mérésére, és két víz manométert használnak a kis nyomáskülönbségek mérésére. Ha nem használják, a manométereket el lehet különíteni Hoffman-bilincsekkel.

Mivel a higany veszélyes anyagnak tekinthető, nem alkalmazható egyetemi folyadékmechanikai laboratóriumokban. Ezért ennél a kísérletnél a higany feletti víz manométereket helyettesítő nyomásmérővel helyettesítik a nagy nyomáskülönbségek közvetlen mérésére.

Ezt a kísérletet két áramlási körülmény között hajtják végre: nagy áramlási sebességgel és alacsony áramlási sebességgel. Nagy áramlási sebességű kísérletekhez a bemeneti csövet közvetlenül a pad vízellátásához kell csatlakoztatni. Alacsony áramlási sebességű kísérletekhez az állandó fejű tartály bemenete csatlakozik a pad tápellátásához, a fejtartály alján lévő kimenet pedig a tesztcső tetejéhez csatlakozik [4].

A készülék áramlásszabályozó szelepét a kémcsövön keresztüli áramlás szabályozására használják. Ennek a szelepnek a volumetrikus tartály felé kell néznie, és egy rövid hosszú csövet kell hozzá erősíteni, hogy megakadályozza a fröccsenést.

A légtelenítő szelep megkönnyíti a rendszer tisztítását és a vízszintmérők kényelmes vízszintbe állítását, lehetővé téve a levegő belépését.

4.1. Ábra: F1-18 csövek súrlódásmérő készüléke

A csőben az energiaveszteség meghatározható az egyenlet keresztmetszetű egyenes csőszakaszra történő energiaegyenletének alkalmazásával:

Ha a cső vízszintes:

A cső két pontja közötti nyomáskülönbség (Pout-Pin) a súrlódási ellenállásnak köszönhető, és a hL fejveszteség egyenesen arányos a nyomáskülönbséggel.

A súrlódás miatti fejveszteség a Darcy-Weisbach egyenletből számolható:

: fejveszteség az áramlási ellenállás miatt

f: Darcy-Weisbach együttható

D: csőátmérő

v: átlagos sebesség

g: gravitációs gyorsulás.

Lamináris áramlás esetén a Darcy-Weisbach együttható (vagy f súrlódási tényező) csak a Reynolds-szám (Re) függvénye, és független a cső felületi érdességétől, azaz:

Turbulens áramlás esetén az f a Reynolds-szám és a cső érdességi magasságának függvénye. Egyéb tényezők, mint például az érdesség távolsága és alakja, szintén befolyásolhatják az f értékét; ezeket a hatásokat azonban nem jól értik, és sok esetben elhanyagolhatóak lehetnek. Ezért f-t kísérletileg kell meghatározni. A Moody diagram f-et viszonyít a csőfal relatív érdességéhez (/ D) és a Reynolds-számhoz (4.2. Ábra).

A Moody diagram használata helyett az f empirikus képletek segítségével határozható meg. Ezeket a képleteket a mérnöki alkalmazásokban használják, amikor számítógépes programokat vagy táblázatkezelő számítási módszereket alkalmaznak. A sima csőben zajló turbulens áramláshoz a Moody-diagramhoz jól illeszkedő görbét adjuk meg:

A Reynolds-számot a következő adja:

ahol v az átlagos sebesség, D a csőátmérő, és a folyadék dinamikus és kinematikai viszkozitása. (4.3. Ábra).

Ebben a kísérletben a hL-t közvetlenül a víz manométereivel és a nyomáskülönbség-mérővel mérik, amelyeket nyomáscsatlakozókkal csatlakoztatnak a kémcsőhöz. Az átlagos sebességet, v, a térfogatáram (Q) alapján számítják ki:

A kémcső következő méretei felhasználhatók a megfelelő számításokban [4]:

A kémcső hossza = 0,50 m,

A kémcső átmérője = 0,003 m.

4.2. Ábra: Moody-diagram 4.3. Ábra: A víz kinematikai viszkozitása (v) légköri nyomáson

A kísérlet két részből áll: nagy áramlási sebesség és alacsony áramlási sebesség. Állítsa be a berendezést az alábbiak szerint:

Szerelje fel a próbapadot a hidraulikus padra, és állítsa be a lábakat vízmértékkel annak biztosítására, hogy az alaplap vízszintes és a manométerek függőlegesek legyenek.
Csatlakoztassa a Hoffman bilincseket a víz manométerekhez és a nyomásmérő csatlakozó csövekhez, és zárja le őket.

Nagy áramlási sebességű kísérlet

A nagy áramlási sebesség a tesztszakaszba kerül, ha a berendezés bemeneti csövét a hidraulika padhoz kapcsoljuk, kikapcsolt szivattyúval. A következő lépéseket kell követni.

Zárja le a pad szelepét, nyissa ki teljesen a készülék áramlásszabályozó szelepét, és indítsa el a szivattyút. Fokozatosan nyissa ki a pad szelepét, és működtesse addig az áramlást, amíg az összes levegőt ki nem öblíti.
Távolítsa el a bilincseket a nyomáskülönbség-mérő csatlakozó csöveiből, és ürítse ki a levegőt a nyomásmérő oldalán található légtelenítő szelepből.
Zárja le a légtelenítő szelepet, ha a csatlakozó csövekben nem észlelhető légbuborék.
Zárja le a készülék áramlásszabályozó szelepét, és vegyen le egy nulla áramlású értéket a nyomásmérőből.
Teljesen nyitott áramlásszabályozó szeleppel mérje meg a nyomásmérő által mutatott fejveszteséget.
Időzített gyűjtéssel határozza meg az áramlási sebességet.
Állítsa be az áramlásszabályozó szelepet lépésről lépésre, hogy megfigyelje a nyomáskülönbségeket 0,05 bar-os lépésekben. Tíz áramlási sebességhez szerezzen be adatokat. Minden lépéshez határozza meg az áramlási sebességet időzített gyűjtéssel.
Zárja le az áramlásszabályozó szelepet, és kapcsolja ki a szivattyút.

A nyomáskülönbség-mérővel mért nyomáskülönbség átalakítható egyenértékű fejveszteséggé (hL) az átalakítási arány használatával:

1 bar = 10,2 m víz

Alacsony áramlási sebességű kísérlet

Az alacsony áramlási sebesség a tesztszakaszba kerül, ha a hidraulika pad kimeneti csövét kikapcsolt szivattyúval a fejtartályhoz csatlakoztatja. Tegye a következő lépéseket.

Kérjük, használja ezt a linket a kísérlet excel munkafüzetének eléréséhez.

9.1. Eredmények

Jegyezze fel a manométer és a nyomásmérő összes leolvasását, a víz hőmérsékletét és a térfogatmérést a Nyers Adattáblákba.

Nyers adattáblák: Nagy áramlási sebességű kísérlet

Tesztszám.	Fejveszteség (bár)	Mennyiség (liter)	Idő (k)
1
2
3
4
5.
6.
7
8.
9.
10.

Nyers adattáblák: Alacsony áramlási sebességű kísérlet

Tesztszám.	h1 (m)	h2 (m)	Fejvesztés hL (m)	Térfogat (liter)	Idő (k)
1
2
3
4
5.
6.
7
8.
Vízhőmérséklet:

9.2. Számítások

Számítsa ki a kisülés értékeit; átlagos áramlási sebesség; és a kísérleti súrlódási tényező, f a 3. egyenlet felhasználásával, és a Reynolds-szám az egyes kísérletekhez. Számítsa ki az elméleti súrlódási tényezőt, f, a 4. egyenlet használatával a lamináris áramláshoz és az 5. egyenlet a turbulens áramláshoz egy Reynolds-számtartományhoz. Jegyezze fel a számításokat az alábbi eredménytáblákba.

Eredménytábla - kísérleti értékek

Tesztszám.	Fejvesztés hL (m)	Térfogat (liter)	Idő (k)	Kibocsátás (m 3/s)	Sebesség (m/s)	Súrlódási tényező, f	Reynolds szám
1
2
3
4
5.
6.
7
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14
15
16.
17.
18.

Eredménytábla - elméleti értékek

Nem.	Áramlási rendszer	Reynolds szám	Súrlódási tényező, f
1	Lamináris (4. egyenlet)	100
2		200
3		400
4		800
5.		1600
6.		2000
7	Turbulens (5. egyenlet)	4000
8.		6000
9.		8000
10.		10000
11.		12000
12.		16000
13.		20000

Használja a mellékelt sablont a laboratóriumi jelentés elkészítéséhez ehhez a kísérlethez. Jelentésének a következőket kell tartalmaznia:

Engedély

Habib Ahmari és Shah Md alkalmazott folyadékmechanikai laboratóriumi kézikönyve Imran Kabir Creative Commons Attribution 4.0 nemzetközi licenc alatt licencelt, hacsak másképp nem jelezzük.