Video: Energy Conservation Equation to Analyze a Flow System

Conservazione dell'energia come approccio all'analisi del sistema

Panoramica

Fonte: Ricardo Mejia-Alvarez e Hussam Hikmat Jabbar, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Michigan State University, East Lansing, MI

Lo scopo di questo esperimento è dimostrare l'applicazione dell'equazione di risparmio energetico per determinare le prestazioni di un sistema di flusso. A tal fine, l'equazione energetica per un flusso costante e incomprimibile viene applicata a un tubo corto con una valvola a saracinesca. La valvola a saracinesca viene quindi gradualmente chiusa e viene caratterizzata la sua influenza sulle condizioni di flusso. Inoltre, l'interazione tra questo sistema di flusso e la ventola che aziona il flusso viene studiata confrontando la curva del sistema con la curva caratteristica della ventola.

Questo esperimento aiuta a capire come la dissipazione di energia viene utilizzata dalle valvole per limitare il flusso. Inoltre, secondo lo stesso principio, questo esperimento offre un metodo semplice per misurare la portata utilizzando la variazione di pressione attraverso un ingresso brusco.

Procedura

1. Impostazione della struttura

Assicurati che la ventola non sia in funzione, quindi non ci sia flusso nella struttura.
Verificare che il sistema di acquisizione dati (Figura 4(A)) segua lo schema di cui alla figura 2B.
1. Collegare la porta positiva del trasduttore di pressione #1 (vedere figura 2B per riferimento) al rubinetto di pressione a monte della valvola ( ).
2. Lasciare la porta negativa del trasdu

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Risultati

La Figura 5 mostra i risultati per le misurazioni correnti. Qui, la linea solida nera è stata generata con l'equazione (2) e ogni linea rossa con l'equazione (3) per diversi valori del coefficiente di perdita della valvola. Dalla figura, è evidente che la curva del sistema aumenta la sua pendenza man mano che la valvola si chiude. In altre parole, questo esperimento dimostra che il principio alla base del funzionamento di una valvola è quello di aumentare la dissipazio...

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Applicazione e Riepilogo

Questo esperimento ha esplorato l'applicazione dell'equazione energetica per caratterizzare l'azione di una valvola sul flusso del tubo. È stato osservato che la valvola induce resistenza al flusso aumentando la dissipazione di energia. Considerando che la caduta di pressione lungo il sistema di flusso è direttamente proporzionale al quadrato della portata, l'effetto della dissipazione di energia è catturato dall'entità del coefficiente di proporzionalità. Questo coefficiente è l'aggiunta dei coefficienti di perdit...

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Riferimenti

White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5^th ed., Wiley, 2006.

1. Impostazione della struttura

Assicurati che la ventola non sia in funzione, quindi non ci sia flusso nella struttura.
Verificare che il sistema di acquisizione dati (Figura 4(A)) segua lo schema di cui alla figura 2B.
1. Collegare la porta positiva del trasduttore di pressione #1 (vedere figura 2B per riferimento) al rubinetto di pressione a monte della valvola ( ).
2. Lasciare la porta negativa del trasduttore di pressione #1 aperta alle condizioni della stanza (ricevitore: ). Quindi, la lettura di questo trasduttore sarà direttamente .
3. Collegare la porta positiva del trasduttore di pressione #2 (vedere la figura 2B per riferimento) al rubinetto di pressione del plenum ( ).
4. Collegare la porta negativa del trasduttore di pressione #2 (vedere figura 2B per riferimento) al rubinetto di pressione a monte della valvola ( ). Quindi, la lettura di questo trasduttore sarà direttamente , come richiesto dall'equazione (10).
Assicurarsi che il canale virtuale 0 nel sistema di acquisizione dati (Figura 4(B)) corrisponda al trasduttore di pressione #1 ( ) e che il canale virtuale 1 corrisponda al trasduttore di pressione #2 ( ).
Impostare il sistema di acquisizione dati per campionare ad una velocità di 100 Hz per un totale di 500 campioni (cioè 5s di dati).

Tabella 1. Parametri di base per lo studio sperimentale.

Parametro	Valore
Diametro tubo (D)	50,8 mm (2 pollici)
Costante di calibrazione #1 del trasduttore (m_p1)	Pa/V
Costante di calibrazione #2 del trasduttore (m_p2)	Pa/V
Pressione atmosferica locale	100.474,15 Pa
Temperatura locale	297,15 K
Densità dell'aria locale	1,186 kg/m³

Figura 4. Impianto di flusso. (A): vista dello scarico del plenum nella sezione del ricevitore prima di installare il set di valvole da studiare. (B): tre diversi tipi di valvole all'interno del ricevitore. Da sinistra a destra: valvola a saracinesca, valvola a globo, valvola a farfalla. (C): porte di uscita dal ricevitore. Le valvole scaricano il flusso all'interno del ricevitore e la ventola aspira il flusso dal ricevitore attraverso la piastra perforata nella foto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Misurazioni

Registrare il diametro del tubo collegato alla valvola e calcolarne l'area della sezione trasversale.
Determinare il numero massimo di giri completi della maniglia necessari per spostare la valvola dalla posizione completamente chiusa alla posizione completamente aperta. Se questo numero non è un numero intero, escludere l'ultima rotazione frazionaria per semplificare l'analisi. Per l'esperimento corrente, il numero massimo di giri completi è 12.
Chiudere completamente la valvola.
Ruotare l'impugnatura della valvola fino a quando non è completamente aperta contando il numero di giri completi. Per semplicità, utilizzare solo un numero intero di giri per l'esperimento. Ad esempio, ci vogliono circa 12 giri e 1/3 di giro per aprire completamente la valvola utilizzata in questo esperimento. Quindi, gireremo la maniglia di questa valvola solo 12 giri completi dalla sua posizione completamente chiusa e la definiremo come la posizione iniziale ( ).
Accendere la struttura di flusso.
Utilizzare il sistema di acquisizione dati per registrare le letture di e .
Inserire nella tabella 2 i valori medi di e ottenuti con il sistema di acquisizione dati.
Chiudere la valvola di 1,5 giri.
Ripetere i passaggi da 2.6 a 2.8 fino a quando la tabella 2 non è completamente popolata.
Spegnere la struttura di flusso.

3. Analisi dei dati

Determinare il coefficiente di perdita della valvola per ogni posizione angolare utilizzando l'equazione (5). Immettere questi valori nella tabella 2.
Determinare la portata per ogni posizione angolare della valvola utilizzando l'equazione (10). Immettere questi valori nella tabella 2.
Determinare il punto operativo utilizzando l'equazione (7). Immettere questi valori nella tabella 2.
Calcolare la differenza relativa tra la portata misurata e il punto operativo
Utilizzate l'equazione (3) per produrre un grafico delle curve di sistema per tutti i valori di . Si consideri il coefficiente di perdita totale come .
Aggiungete la curva caratteristica della ventola a questo stesso plottaggio utilizzando l'equazione (2).

Tabella 2. Risultati rappresentativi. Misurazioni delle differenze di pressione e stime dei coefficienti di portata e di perdita.

[P_pl-P_a ] (Pa)	[P_a-P_r ] (Pa)	Q (m³/s)	Okay	Q_OP (m³/s)	ε (%)
246.75	54.00	0.0327	0.450	0.0316	-3.16
208.62	114.22	0.0301	0.976	0.0293	-2.51
156.19	204.80	0.0260	2.198	0.0254	-2.30
109.30	281.69	0.0218	4.224	0.0214	-1.53
71.82	348.38	0.0176	7.863	0.0174	-1.26
38.72	408.60	0.0129	16.989	0.0128	-0.90
15.00	452.39	0.0081	48.359	0.0080	-0.32
2.51	482.50	0.0033	307.799	0.0033	-0.18

Vai a...

0:07

Overview

1:00

Principles of Conservation of Energy Analysis

4:52

Preparing the Flow Chamber

7:11

Data Analysis

8:17

Results

9:07

Applications

9:55

Summary

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