3.13: 시스템 분석에 대한 에너지 보존적 접근 방식

1. 시설 설정

1. 팬이 실행되지 않는지 확인하므로 시설에 흐름이 없습니다.
2. 데이터 수집 시스템(그림 4(A)이 도 2B의 회로도를 따르는지 확인합니다.
   1. 압력 트랜스듀서 #1 양포 포트(참조그림 2B 참조)를 밸브()의 압력 탭 업스트림에 연결합니다.
   2. 압력 변환기의 음수 포트를 실내 조건(수신기:)에 열어 #1 두십시오. 따라서,이 트랜스듀서의 판독은 직접 될 것입니다.
   3. 압력 변환기 #2 양포 포트(참조그림 2B 참조)를 플넘 압력 탭()에 연결합니다.
   4. 압력 변환기 #2 음의 포트(참조그림 2B 참조)를 밸브()의 압력 탭 업스트림에 연결합니다. 따라서 이 트랜스듀서의 판독값은 방정식(10)에 의해 요구되는 대로 직접 다됩니다.
3. 데이터 수집시스템(도4(B)의 가상 채널 0이 압력 트랜스듀서 #1() 및 가상 채널 1이 압력 트랜스듀서 #2()에 해당하는지 확인합니다.
4. 총 500개의 샘플(예: 데이터 5s)에 대해 데이터 수집 시스템을 100Hz 의 속도로 샘플링하도록 설정합니다.

표 1. 실험 연구를 위한 기본 매개 변수입니다.

그림 4. 흐름 시설. (A): 연구할 밸브 세트를 설치하기 전에 수신기 섹션으로 플넘 방전을 볼 수 있습니다. (B): 수신기 내부의 세 가지 종류의 밸브. 왼쪽에서 오른쪽으로: 게이트 밸브, 글로브 밸브, 나비 밸브. (C): 수신기에서 포트를 종료합니다. 밸브는 수신기 내부의 흐름을 배출하고, 팬은 그림의 천포 플레이트를 통해 수신기의 흐름을 짜증. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 측정

1. 밸브에 연결된 파이프의 직경을 기록하고 단면 영역을 계산합니다.
2. 밸브를 완전히 닫힌 위치에서 완전히 열린 위치로 이동하는 데 필요한 핸들의 최대 전체 회전 수를 결정합니다. 이 숫자가 정수가 아닌 경우 이 분석을 단순화하기 위해 마지막 분수 회전을 제외합니다. 현재 실험의 경우 최대 회전 수는 12입니다.
3. 밸브를 완전히 닫습니다.
4. 전체 회전 수를 계산하면서 밸브가 완전히 열릴 때까지 밸브핸들을 회전합니다. 단순성으로 는 실험에 정수 회전 수만 사용하십시오. 예를 들어, 이 실험에 사용되는 밸브를 완전히 열기 위해서는 약 12턴과 1/3턴이 필요합니다. 따라서, 우리는완전히 닫힌 위치에서 12 전체 회전이 밸브의 핸들을 설정하고 초기 위치 ()로 정의합니다.
5. 흐름 시설을 켭니다.
6. 데이터 수집 시스템을 사용하여 및 의 판독값을 기록합니다.
7. 데이터 수집 시스템으로 얻은 평균 값인 표 2에 입력합니다.
8. 밸브를 1.5회전으로 닫습니다.
9. 테이블 2가 완전히 채워지날 때까지 2.6~ 2.8단계를 반복합니다.
10. 흐름 시설을 끕니다.

3. 데이터 분석

1. 방정식(5)을 사용하여 각 각도 위치에 대한 밸브의 손실 계수를 결정합니다. 표 2에 이러한 값을 입력합니다.
2. 방정식(10)을 사용하여 밸브의 각 각도 위치에 대한 유량을 결정합니다. 표 2에 이러한 값을 입력합니다.
3. 방정식(7)을 사용하여 작동 점을 결정합니다. 표 2에 이러한 값을 입력합니다.
4. 측정된 유량과 작동점 간의 상대적 차이 계산
5. 방정식(3)을 사용하여 의 모든 값에 대한 시스템 곡선의 플롯을 생성합니다. 총 손실 계수를 로 고려하십시오.
6. 방정식(2)을 사용하여 동일한 플롯에 팬의 특성 곡선을 추가합니다.

표 2. 대표적인 결과. 압력 차이 및 유량 및 손실 계수의 추정측정.

에너지 보존은 기계 시스템의 설계 및 해석에 자주 적용되는 잘 확립된 물리적 원리입니다. 에너지는 보존되기 때문에 에너지가 시스템에 어떻게 추가되고 소멸되는지와 다양한 형태에 대한 내부 변환을 주의 깊게 계산하면 작동 조건에 대한 중요한 세부 정보를 얻을 수 있습니다. 이 방법의 장점은 시스템의 많은 세부 정보를 무시할 수 있다는 것입니다. 따라서 분석을 크게 단순화할 수 있습니다. 이 비디오는 게이트 밸브가 있는 유량 시스템에 에너지 보존을 적용하는 방법을 보여줍니다. 또한 이 접근 방식을 사용하여 시스템의 작동 지점과 밸브의 손실 계수를 결정하는 방법을 보여줍니다.

이 회로도에 표시된 흐름 기능을 고려하십시오. 공기는 대기 조건에서 플레넘으로 유입되어 날카로운 입구, 게이트 밸브 및 개방 배출구가 있는 짧은 파이프 섹션을 통해 리시버실로 유입됩니다. 그런 다음 공기는 오리피스 플레이트와 원심 팬을 통해 흐르며 대기 상태로 돌아갑니다. 흐름에 의해 전달되는 총 에너지는 흐름의 한 지점에서 특정 에너지에 대한 방정식에 표시된 것처럼 운동, 위치 및 열역학적 구성 요소의 조합입니다. 이러한 구성 요소는 시스템을 통해 한 유형에서 다른 유형으로 자유롭게 변환할 수 있습니다. 알파는 속도가 흐름 단면에서 일정하지 않다는 점을 고려해야 하는 수정 계수입니다. 난류의 경우 알파는 일반적으로 하나로 간주됩니다. 그리고 층류의 경우 눈에 띄게 더 큽니다. 보통 레이놀즈 수에서 파이프 흐름에서 알파는 약 1.1입니다. 에너지가 보존되기 때문에 흐름의 두 지점 간 특정 에너지의 차이는 유체 또는 소산에 대한 외부 작업의 결과여야 합니다. 또한 분석이 동일한 높이에 있는 점으로 제한되는 경우 중력 포텐셜이 차이에 영향을 미치지 않습니다. 이것은 시스템의 에너지 방정식입니다. 이제 시스템 손실을 고려하십시오. 가장 큰 손실은 파이프 입구, 밸브 및 배출구에서 발생합니다. 이러한 손실은 흐름의 운동 에너지에 비례하며 연속성을 사용하여 유속과 관련될 수 있습니다. 입구와 배출에 대한 손실 계수가 각각 1/2과 1임을 나타낼 수 있습니다. 공기가 플레넘에서 파이프 섹션으로 흐를 때 어떤 일이 발생하는지 고려하십시오. 에너지는 추가되지 않지만 입구에 약간의 소산이 있습니다. 또한 플리넘의 유속은 파이프 단면의 속도에 비해 무시할 수 있으므로 무시할 수 있습니다. 나머지 항은 해당 지점 간의 압력 차이 측면에서 유속을 산출하기 위해 재배열할 수 있습니다. 이제 밸브 상류의 파이프 섹션에서 리시버로의 압력 강하를 고려하십시오. 다시 말하지만, 에너지가 추가되지 않으며 밸브 및 방전에서 손실이 발생합니다. 수신기의 유속은 파이프 섹션에 비해 무시할 수 있으므로 방정식이 다시 단순화됩니다. 이 경우 밸브 손실은 유량의 함수이며 압력 차이를 결정할 수 있습니다. 마지막으로 전체 시스템을 고려하십시오. 유체는 동일한 압력과 속도로 시스템에 들어오고 나옵니다. 따라서 샤프트에 의해 추가되는 작업은 시스템의 총 손실과 같아야 합니다. 팬의 성능 곡선을 알고 있는 경우 주어진 총 손실 계수에 대해 시스템의 작동 지점 또는 예상 유량을 예측할 수 있습니다. 작동점은 시스템 성능 곡선과 함께 팬 성능 곡선을 그래프로 표시하여 확인할 수 있습니다. 주어진 유속에서 팬 곡선은 압력 점프와 관련하여 추가된 특정 에너지를 나타내고 시스템 곡선은 특정 에너지 손실을 나타냅니다. 안정적인 상태에서 이 두 기여도는 동일해야 합니다. 이제 에너지 보존을 사용하여 시스템을 분석하는 방법을 이해했으므로 이 기술을 사용하여 밸브를 보정하고 작동점을 결정해 보겠습니다.

설정을 시작하기 전에 시설의 레이아웃 및 안전 절차를 숙지하십시오. 팬이 작동하지 않고 테스트 영역을 통과하는 흐름이 없는지 확인하십시오. 이제 텍스트의 다이어그램에 표시된 대로 데이터 수집 시스템을 설정합니다. 플레넘 압력 탭을 압력 트랜스듀서 2의 양극 포트에 연결합니다. 그런 다음 밸브의 상류에 있는 압력 탭을 변환기 2의 음극 포트와 변환기 1의 양극 포트에 연결합니다. 트랜스듀서 1의 음극 포트를 실내 조건에 열어 두십시오. 데이터 수집 소프트웨어는 가상 채널 0과 1이 각각 압력 트랜스듀서 1과 2에 해당하는지 확인합니다. 마지막으로, 샘플링 레이트를 100헤르츠로 설정하고 총 샘플을 500으로 설정합니다. 데이터 수집 시스템을 설정한 후 테스트 파이프의 내경을 측정하고 단면적을 계산합니다. 그런 다음 밸브가 완전히 닫힐 때까지 밸브 핸들을 시계 방향으로 돌립니다. 그런 다음 밸브를 완전히 여는 데 필요한 전체 회전 횟수를 세면서 한 번에 핸들을 한 번 완전히 돌려 밸브를 엽니다. 부분 회전이 남아 있으면 핸들을 가장 가까운 전체 회전으로 되돌립니다. 방금 계산된 턴 수에 따라 편리한 증분을 선택합니다. 예를 들어, 회전 수가 12인 경우 1.5회전이 증가하면 완전히 열린 상태에서 거의 완전히 닫힌 상태로 8개의 테스트 지점이 제공됩니다. 밸브를 완전히 열린 위치로 두고 흐름 시설을 켭니다. 이제 데이터 수집 시스템을 사용하여 이 밸브 위치에서 두 트랜스듀서가 측정한 평균 압력 차이를 확인하고 이러한 값을 기록합니다. 밸브를 한 씩 닫고 측정을 반복합니다. 밸브를 점진적으로 계속 닫고 밸브가 거의 완전히 닫힐 때까지 측정합니다. 모든 데이터가 수집되면 흐름 시설을 끕니다.

완전히 열린 위치로부터의 회전 수로 측정된 각 밸브 위치에서 플레넘과 밸브 상류의 파이프 섹션 사이의 압력 차이를 측정하고 밸브의 상류 파이프 섹션과 리시버 사이의 압력 차이를 측정할 수 있습니다. 밸브의 각 위치에 대해 다음 계산을 수행합니다. 먼저 앞에서 도출된 방정식을 사용하여 플레넘과 업스트림 파이프 섹션 사이의 압력 강하로 인한 유량을 계산합니다. 유량이 알려지면 업스트림 파이프 섹션과 수신기 사이의 압력 강하에서 밸브의 손실 계수를 계산할 수 있습니다. 손실 계수를 사용하여 이 밸브 위치에서 작동점 또는 예상 공기 흐름을 결정합니다. 마지막으로, 둘 사이의 상대적 차이를 계산하여 작동점을 실험 유량과 비교합니다. 이제 결과를 살펴보십시오.

팬에 대한 텍스트에 설명된 특성 곡선을 플롯한 다음 밸브의 각 위치에서 총 손실에 대한 시스템 곡선을 추가합니다. 시스템 곡선의 기울기와 밸브의 손실 계수는 모두 밸브가 닫히는 것을 증가시키며, 이는 흐름이 제한됨에 따라 에너지 손실이 증가함을 보여줍니다. 개념적으로 KV가 무한대에 가까워지면 모든 에너지가 밸브에서 소산됩니다. 관찰된 유속 범위에서 백분율 오류는 낮지만 항상 과소평가됩니다. 또한 밸브가 닫히면 오류가 줄어듭니다. 이 동작은 보정 계수 알파가 레이놀즈 수에 따라 약간 증가하기 때문에 예상됩니다.

에너지 보존은 복잡한 엔지니어링 시스템을 분석하는 데 자주 사용됩니다. 바람에 의해 운반되는 운동 에너지는 풍력 터빈에 의해 수확되어 전력을 생산할 수 있습니다. 상류와 다운스트림 흐름 조건을 비교함으로써 에너지 방정식을 사용하여 바람에서 얼마나 많은 에너지가 제거되었는지 평가할 수 있습니다. 회수된 에너지의 크기는 충격을 받은 작업에 의해 주어질 것입니다. 변화는 중력 위치 에너지로 배수로를 통한 물의 유속을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 배수로의 상류와 하류의 깊이를 측정하여 질량 보존 방정식과 함께 수행됩니다.

여러분은 방금 Jove의 에너지 보존 해석에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 에너지 방정식을 유량 시스템에 적용하고, 손실 계수를 보정하고, 작동점을 결정하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.