שימור הגישה האנרגטית לניתוח מערכות

שימור אנרגיה הוא עיקרון פיזיקלי מבוסס היטב המיושם לעתים קרובות בתכנון וניתוח של מערכות מכניות. מכיוון שהאנרגיה נשמרת, חשבונאות מדוקדקת של האופן שבו היא מתווספת למערכת ומתפזרת ממנה, כמו גם הטרנספורמציות הפנימיות לצורות השונות, יכולה להניב פרטים חשובים על תנאי ההפעלה. היתרון בגישה זו הוא שלעתים קרובות היא מאפשרת להתעלם מפרטים רבים של המערכת. לכן, ניתן לפשט מאוד את הניתוח. סרטון זה ימחיש את היישום של שימור אנרגיה על מערכת זרימה עם שסתום שער. והראה כיצד ניתן להשתמש בגישה זו כדי לקבוע את נקודת ההפעלה של המערכת כמו גם את מקדם האובדן של השסתום.

שקול את מתקן הזרימה המוצג בסכימה זו. אוויר נשאב למליאה מתנאים אטמוספריים וזורם לחדר המקלט דרך קטע צינור קצר עם כניסה חדה, שסתום שער ופריקה פתוחה. לאחר מכן האוויר זורם דרך לוח פתח ומאוורר צנטריפוגלי לפני שהוא חוזר לתנאים אטמוספריים. האנרגיה הכוללת הנישאת על ידי הזרימה היא שילוב של רכיבים קינטיים, פוטנציאליים ותרמודינמיים כפי שמוצג במשוואה עבור האנרגיה הספציפית בנקודה בזרימה. רכיבים אלה יכולים להשתנות בחופשיות מסוג אחד למשנהו דרך המערכת. שימו לב שאלפא הוא גורם תיקון שיש לקחת בחשבון שהמהירות אינה קבועה על פני קטע הזרימה. עבור זרימה טורבולנטית, אלפא נלקח בדרך כלל כאחד. ועבור זרימות למינריות, הוא גדול יותר באופן ניכר. בזרימות צינור במספרי ריינולדס מתונים, אלפא הוא בערך 1.1. מכיוון שהאנרגיה נשמרת, כל הבדל באנרגיה הספציפית בין שתי נקודות בזרימה חייב להיות תוצאה של עבודה חיצונית על הנוזל או פיזור. בנוסף, אם הניתוח מוגבל לנקודות באותו גובה, פוטנציאל הכבידה לא יתרום להבדל. זוהי משוואת האנרגיה של המערכת. עכשיו קחו בחשבון את הפסדי המערכת. ההפסדים המשמעותיים ביותר יתרחשו בכניסה לצינור, בשסתום ובפריקה. הפסדים אלה פרופורציונליים לאנרגיה הקינטית של הזרימה ויכולים להיות קשורים לקצב הזרימה באמצעות המשכיות. ניתן להראות כי מקדם ההפסד לכניסה ולפריקה הוא חצי ואחד בהתאמה. שקול מה קורה כשהאוויר זורם מהמליאה לקטע הצינור. לא מתווספת אנרגיה, אבל יש פיזור מסוים בכניסה. בנוסף, מכיוון שמהירות הזרימה במליאה זניחה בהשוואה למהירות בקטע הצינור, ניתן להתעלם ממנה. ניתן לסדר מחדש את המונחים הנותרים כדי להניב את קצב הזרימה מבחינת הפרש הלחץ בין אותן נקודות. כעת שקול את ירידת הלחץ מקטע הצינור במעלה הזרם של השסתום למקלט. שוב, לא מתווספת אנרגיה והפסדים יתרחשו בשסתום ובפריקה. מהירות הזרימה במקלט זניחה בהשוואה לקטע הצינור, כך שהמשוואה מפשטת שוב. במקרה זה, אובדן השסתום הוא פונקציה של קצב הזרימה וניתן לקבוע את הפרש הלחץ. לבסוף, חשבו על המערכת כולה. הנוזל נכנס ויוצא מהמערכת באותו לחץ ומהירות. לכן העבודה שנוסף הפיר חייבת להיות שווה לסך ההפסדים במערכת. אם עקומת הביצועים של המאוורר ידועה, ניתן לחזות את נקודת ההפעלה, או קצב הזרימה הצפוי של המערכת עבור גורם אובדן כולל נתון. ניתן לקבוע את נקודת ההפעלה באופן גרפי על ידי התוויית עקומת ביצועי המאוורר עם עקומת ביצועי המערכת. בקצב זרימה נתון, עקומת המאוורר מייצגת את האנרגיה הספציפית שנוספה במונחים של קפיצת לחץ, בעוד שעקומת המערכת מייצגת את אובדן האנרגיה הספציפי. במצב יציב, שתי התרומות הללו חייבות להיות שוות. כעת, לאחר שהבנתם כיצד להשתמש בשימור אנרגיה כדי לנתח את המערכת, בואו נשתמש בטכניקה זו כדי לכייל את השסתום ולקבוע את נקודת ההפעלה.

לפני שתתחיל בהתקנה, הכיר את הפריסה ונהלי הבטיחות של המתקן. בדוק שהמאוורר אינו פועל ואין זרימה דרך אזור הבדיקה. כעת הגדר את מערכת רכישת הנתונים כפי שמוצג בתרשים בטקסט. חבר את לשונית הלחץ במליאה ליציאה החיובית של מתמר הלחץ השני. ולאחר מכן חבר את לשונית הלחץ במעלה הזרם של השסתום ליציאה השלילית של המתמר השני וכן ליציאה החיובית של המתמר הראשון. השאר את היציאה השלילית של המתמר פתוחה לתנאי החדר. תוכנת רכישת הנתונים מבטיחה שהערוץ הווירטואלי אפס ואחד יתאימו למתמרי לחץ אחד ושניים בהתאמה. לבסוף, הגדר את קצב הדגימה ל-100 הרץ ואת סך הדגימות ל-500. לאחר הגדרת מערכת רכישת הנתונים, מדוד את הקוטר הפנימי של צינור הבדיקה וחשב את שטח החתך שלו. לאחר מכן, סובב את ידית השסתום בכיוון השעון עד שהשסתום סגור לחלוטין. ואז פתח את השסתום בסיבוב מלא אחד של הידית בכל פעם, תוך שמירה על ספירה של מספר הסיבובים השלמים הנדרשים לפתיחת השסתום במלואו. אם נותרה סיבוב חלקי, החזר את הידית לסיבוב המלא הקרוב ביותר. בחר תוספת נוחה על סמך מספר הסיבובים שנספרו זה עתה. לדוגמה, אם מספר הסיבובים היה 12, תוספת של 1.5 סיבובים נותנת שמונה נקודות בדיקה מפתיחה מלאה לסגירה כמעט מלאה. השאר את השסתום במצב פתוח לחלוטין והפעל את מתקן הזרימה. כעת, השתמש במערכת רכישת הנתונים כדי לקבוע את הפרשי הלחץ הממוצעים הנמדדים על ידי שני המתמרים במיקום שסתום זה ולרשום ערכים אלה. סגור את השסתום במרווח אחד וחזור על המדידה. המשך לסגור את השסתום במרווחים ולבצע מדידות עד שהשסתום נסגר כמעט לחלוטין. לאחר איסוף כל הנתונים, כבה את מתקן הזרימה.

בכל מיקום שסתום הנמדד לפי מספר הסיבובים מהמצב הפתוח במלואו, יש לך מדידה של הפרשי הלחץ בין המליאה לקטע הצינור במעלה הזרם של השסתום ומדידת הפרש הלחץ בין קטע הצינור במעלה הזרם של השסתום למקלט. בצע את החישובים הבאים עבור כל מיקום של השסתום. ראשית חשב את קצב הזרימה מירידת הלחץ בין המליאה לקטע הצינור במעלה הזרם באמצעות המשוואה שנגזרה קודם לכן. לאחר שקצב הזרימה ידוע, ניתן לחשב את מקדם ההפסד של השסתום מירידת הלחץ בין קטע הצינור במעלה הזרם למקלט. השתמש במקדם האובדן כדי לקבוע את נקודת ההפעלה או את זרימת האוויר הצפויה במיקום שסתום זה. לבסוף, השווה את נקודת ההפעלה לקצב הזרימה הניסיוני על ידי חישוב ההבדל היחסי בין השניים. עכשיו תסתכלו על התוצאות שלכם.

שרטט את העקומה האופיינית המתוארת בטקסט עבור המאוורר ולאחר מכן הוסף את עקומות המערכת עבור סך ההפסדים בכל מיקום של השסתום. גם שיפוע עקומת המערכת וגם מקדם האובדן של השסתום גדלים, השסתום סגור, מה שמדגים עלייה בפיזור האנרגיה ככל שהזרימה מוגבלת. מבחינה רעיונית, כאשר KV מתקרב לאינסוף, כל האנרגיה מתפזרת בשסתום. בטווח קצבי הזרימה שנצפו, השגיאה באחוזים נמוכה אך תמיד מוערכת בחסר. בנוסף, השגיאה פוחתת ככל שהשסתום סגור. התנהגות זו צפויה מכיוון שגורם התיקון אלפא גדל מעט עם מספר ריינולדס.

שימור אנרגיה משמש לעתים קרובות לניתוח מערכות הנדסיות מורכבות. את האנרגיה הקינטית הנישאת על ידי הרוח ניתן לקצור על ידי טורבינות רוח כדי לייצר חשמל. על ידי השוואת תנאי זרימה במעלה הזרם עם במורד הזרם, ניתן להשתמש במשוואת האנרגיה כדי להעריך כמה אנרגיה הוסרה מהרוח. גודל האנרגיה המוחזרת יינתן על ידי העבודה המזעזעת. שינוי הוא אנרגיה פוטנציאלית כבידתית שניתן להשתמש בה כדי להעריך את קצב הזרימה של מים מעל שפך. זה נעשה בשילוב עם משוואת שימור המסה על ידי מדידת העומקים במעלה הזרם ובמורד הזרם של השפך.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לניתוח שימור אנרגיה. כעת עליך להבין כיצד להחיל משוואת אנרגיה על מערכת זרימה, לכייל מקדמי הפסדים ולקבוע את נקודת ההפעלה. תודה שצפית.