آزمایش افت انرژی موضعی

///آزمایش افت انرژی موضعی

آزمایش افت انرژی جزئی (موضعی)

(Losses in Piping System)

هدف آزمایش

آزمایش افت انرژی جزئی (موضعی) از آزمایش های هیدرولیک می باشد. هدف از این آزمایش تعیین افت انرژی ناشی از اجزای سیستم لوله کشی (مانند زانویی، شیر و تغییررات ناگهانی سطح مقطع لوله) محاسبه رابطه ی بین افت انرژی و سرعت میباشد. همچنین تغییرات ضریب اصطکاک با عدد رینولدز، ضرریب افرت برا انرژی جنبشی و تأثیر شعاع انحنای یک خم در مقدار افت انرژی محلی آن نیز بررسی میگردد.

تئوری آزمایش

افت انرژی کلی در یک سیستم لوله کشی ناشی از دو عامل میباشد:

  1. افت انرژی طولی در اثر مقاومت نیروی چسبندگی سیال
  2. افت انرژی موضعی در اثر عواملی از قبیل زانویی، شیر، تغییرات سطح مقطع مسیر و …

حال هر کدام از این افتها را به طور جداگانه بررسی میکنیم.

الف) افت انرژی طولی

افت انرژی طولی در لولهای مستقیم به طول L و قطر ثابت d از رابطه زیر به دست می آید.

فرمول افت انرژی طولی

که در آن f در محدوده آزمایش تقریباً ثابت و بدون بعد است. مقدار ضریب اصطکاک f تابعی از عدد رینولدز جریان و زبری نسبی لوله میباشد. در لوله های نسبتاً صاف و جریانی با عدد رینولردر بین ۳۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ مقدار f را می توان از رابطه بلازیوس زیر به دست آورد.

فرمول ضریب اصطکاک

ب) افت انرژی در اثر تغییر ناگهانی سطح مقطع لوله

مطابق شکل زیر جریان آب در داخل لوله ای که سطح مقطع آن به طور ناگهانی تغییر میکند را در نظر بگیرید.

اگر افت انرژی در طول L از لوله برابر با Δhf باشد و از افت انرژی طولی و انرژی جنبشی در قسمت با قطر بزگتر لوله صرف نظر شود با نوشتن رابطه برنولی بین پیزومترهای نشان داده شده میتوان افت جزئی هررقسمت را از روابط زیر به دست آورد.

انبساط ناگهانیفرمول انبساط ناگهانی

انقباض ناگهانی

فرمول انقباض ناگهانی

در روابط فوق u سرعت جریان در قسمت باریکتر لوله و Δh’ اختلاف ارتفاع پیزومترهای ورودی و خروجی میباشند.

در عمل افت انرژی جزئی را به صورت رابطه زیر نشان میدهند.

فرمول افت انرژی موضعی

که در آن K ضریب افت نامیده میشود.

ج) افت انرژی در زانوییها و خمها

اگر در دو نقطه از مسیر لوله که بین آن دو نقطه زانویی یا خم وجود داشته باشد دو پیزومتر نصب شود اختلاف ارتفاعی که توسط دو پیزومتر مشخص میشود مربوط به دو عامل است. یکی افت انرژی طولی و دیگری افت جزئی در اثر زانویی. اگر افت انرژی طولی بین دو نقطهΔhf ، افت جزئی Δhb و اختلاف ارتفاع پیزومترها Δh’ باشرد رابطه زیر بین دو نقطه برقرار است

فرمول افت جزیی

در عمل افت انرژی جزئی زانویی را از رابطه زیر به دست میآورند.

فرمول افت انرژی جزیی

که در آن K ضریب افت و ثابت میباشد. مقدار ضریب افت زانویی یا خم به نسبت شعاع انحنای زانوییr و قطرر زانرویی d بستگی دارد. شکل زیر تغییرات ضریب افت  K را بر حسب نسبت r/d نشان میدهد.

شکل تغییرات K

د) افت انرژی در شیرها

افت انرژی جزئی در شیرها بستگی به نوع ساختمان شیر و میزان بازشدگی آن دارد. به طور کلی تحلیل و محاسبات تئوریکی برای تعیین افت شیر وجود ندارد. اگر در قبل و بعد از شیر پیزومترهایی نصب شود میتوان افت جزئی شیرها را به طور تجربی تعیین نمود. مقدار تجربی افت جزئی شیرها از رابطه زیر تبعیت میکند.

فرمول مقدار تجربی افت

که در آن K ضریب افت میباشد. مقدار K در شیرها ثابت نمیباشد. بلکه به نوع شیر و میزان باز بودن آن بستگی دارد.

شرح دستگاه و روش آزمایش

دستگاه مورد آزمایش از دو مدار هیدرولیکی جداگانه به رنگ آبی روشن و آبی تیره تشکیل شده اسرت. در هرر یرک از مردارها تعدادی اتصالات قرار داده شده است. شکل زیر نشان دهنده تابلویی است که مدارها بر روی آن نصب گردیده است.

مدار آبی تیره شامل قسمت های زیر است:

شیر دریچه ای  Gate valve

زانویی ۹۰ درجه استاندارد

زانویی ۹۰ درجه راستگوشه

لوله مستقیم به طول ۹۱۴ میلیمتر و قطر ۱۳.۶ میلیمتر

مدار آبی روشن شامل قسمتهای زیر است:

شیر کروی (Globe valve)

انبساط ناگهانی

انقباض ناگهانی

خم های ۹۰ درجه به شعاع انحنای ۵۰، ۱۰۰ و ۱۵۰ میلیمتر

مشخصات و ابعاد مدارهای آبی تیره و روشن در جدول زیر درج گردیده است.

مشخصات و ابعاد لوله ها

در تمام اتصالات فوق (به جز دو نوع شیر) افت فشار توسط یک جفت پیزومتر تحت فشار نسبی هوا اندازه گیری میشود. در حالیکه افت فشار در شیرها توسط مانومتر تفاضلی جیوه ای تعیین میشود. از آزمایش افت فشار در لوله مستقیم یادآوری میشود که اگر مانومتر تفاضلی جیوهای اختلاف ارتفاع ‘Δh را نشان دهد برای تبدیل آن بر حسب ستون آب میبایست مقدار ‘Δh را در عدد ۱۲.۶ ضرب نمود.

اپ آزمایشگاه مهندس

قبل از شروع آزمایش میبایست دستگاه را تنظیم نموده و سپس آزمرایش را در دو مرحله انجام دهید.

مرحله اول انجام آزمایش افت انرژی موضعی

در مرحله اول شیر کروی را بسته و شیر دریچه ای را به طور کامل باز نموده تا حداکثر جریان آب در مدار آبری تیره برقرار شود. حال توسط خواندن اختلاف ارتفاع پیزومترها میتوان افت انرژی کلی و سپس افت انرژی جزئی هر اتصال موجود در مدار فوق را تعیین نمود.

برای بررسی تغییرات افت انرژی نسبت به انرژی جنبشی آب جاری در لوله به تدریج شیر دریچه ای را ببندید و هر بار سطوح آب در پیزومترها را یادداشت نموده و دبی آب را توسط میز هیدرولیک اندازه بگیرید. این عمل را حدوداً ۱۰ بار تکرار نمایید. در طول مراحل فوق دمای متوسط آب را نیز اندازه گیری نمایید. بعد از انجام مراحل فوق شیر را کاملاً بسته و مرحله دوم آزمایش را به صورت زیر انجام دهید.

مرحله دوم انجام آزمایش افت انرژی موضعی

شیر کروی را کاملاً باز کنید و سپس توسط یادداشت نمودن ارتفاع پیزومترها و اندازه گیری دبی آب، افت انرژی کلی و افت انرژی جزئی هر اتصال موجود در مدار آبی روشن را تعیین کنید.

برای بررسی افت انرژی جزئی نسبت به افت انرژی جنبشی آب جاری در لوله به تدریج شیر کروی را ببندید و هر بار سطوح آب در پیزومترها را یادداشت نموده و دبی آب را نیز اندازه گیری نمایید. این عمل را نیز حدوداً ۱۰ بار تکرار نمایید.

در انتهای آزمایش دو شیر را کاملاً بسته و شیر خروجی پمپ را نیز ببندید و سپس پمپ را خاموش نمایید. توجه داشته باشید که قبل از خاموش کردن پمپ بستن هر دو شیر ضروری است.

نتایج و محاسبات

  1. نتایج حاصل از آزمایش مرحله اول را در جدول زیر و نتایج حاصل از مرحله دوم را در جدول زیر یادداشت نمایید. سپس جداول زیر را تکمیل نمایید.

جدول نتایج مدار آبی

جدول نتایج مدار آبی تیره

  1. محاسبات مربوط به افت انرژی در هر قسمت از سیستم لوله کشی را مطابق ذیل انجام دهید.

الف) محاسبات افت انرژی در لوله مستقیم (مدار آبی تیره)

به کمرک جدول بالا مقدار Log(Δhf) و Log(Q) را در سیستم واحد CGS برای لوله مستقیم تعیین کرده و نمودار Log(Δhf) را بر حسب Log(Q) رسم نمایید. اگر Δhf متناسب با Qn باشد مقدار n را از نمودار رسم شده به دست آورید.

به کمک شکل زیر مقدار ضریب ویسکوزیته آب را در دمای متوسط آزمایش تعیین نمایید.

ویسکوزیته آب برحسب دما

حال با داشتن سرعت و افت انرژی طولی در جدول مدار آبی مقدار عدد رینولدز و ضریب اصطکاک را از رابطه زیر برای هر مرحله به دست آورده و سپس جدول زیر را تکمیل نمایید.

فرمول افت انرژی طولی

جدول ضریب اصطکاک بر حسب رینولدز

نمودار تغییرات ضریب اصطکاک بر حسب عدد رینولدز (شاخهای از دیاگرام مودی) را در نمودار زیر رسم نمایید و با نمودار رسم شده مربوط به لوله های صاف که از رابطه بلازیوس به دست آمده مقایسه و بحث کنید.

تغییرات ضریب اصطکاک بر حسب عدد رینولدز

ب) افت انرژی جزئی در اثر تغییر ناگهانی سطح مقطع

به کمک جدول مربوط به مدار آبی روشن مقادیر انرژی جنبشی در هر مرحله را وارد جدول زیر  نموده و به کمک نمودار رسم شده در قسمت ۲-الف (نمودار تغییرات افت انرژی طولی Δhf بر حسب میلی متر انرژی جنبشی V^2 تقسیم بر ۲g، مقدار افت انرژی طولی متناسب با این انرژی جنبشی را در مدار آبی روشن به دست آورده و در جدول زیر یادداشت نمایید. سپس به کمک معادله های زیر این جدول را کامل نمایید. مقادیر x در اولین شکل نشان داده شده است.

محاسبات انقباض و انبساط

ج) افت انرژی جزئی برای زانوییها

به کمک جدول مربوط به مدار آبی روشن مقادیر انرژی جنبشی، افت انررژی طولیΔhf و افت های زانویی راستگوشه و استاندارد Δh’را وارد جدول زیر نمایید.

حال افت جزئی هر قسمت را در هر مرحله محاسبه و جدول زیر را کامل نمایید. لازم به ذکر است که فواصل پیزومتری های ورودی و خروجی هر زانویی یا خم ۹۱۴ میلیمتر میباشد. لذا افت طولی آن Δhf برابر برا افت طولی لوله مستقیم به طول ۹۱۴ میلیمتر است.

محاسبه افت در زانویی ها و خم ها

د) افت انرژی موضعی در شیرها

به کمک جداول مدارها و رابطه زیر جدول زیر را تکمیل نمایید، سپس تغییررات ضریب افت K را بر حسب نسبت سرعت به سرعت حداکثر  ترسیم و بحث نمایید.

فرمول مقدار تجربی افت

ضریب افت در شیرها

توسط |۱۳۹۷/۱۰/۱۷ ۱۸:۵۹:۱۳۱۷ام, دی ۱۳۹۷|آزمایش های مهندسی, هیدرولیک|بدون ديدگاه

ثبت ديدگاه