Conservatieve energiebenadering voor systeemanalyse

Conservatie van energie is een goed gevestigd fysiek principe dat vaak wordt toegepast bij het ontwerp en de analyse van mechanische systemen. Omdat energie behouden blijft, kan zorgvuldige boekhouding van hoe het wordt toegevoegd aan en gedissipeerd uit een systeem, evenals de interne transformaties naar de verschillende vormen, belangrijke details opleveren over de bedrijfsomstandigheden. Het voordeel van deze aanpak is dat het vaak mogelijk maakt om veel details van het systeem te negeren. Dus de analyse kan aanzienlijk worden vereenvoudigd. Deze video zal de toepassing van conservering van energie op een stromingssysteem met een afsluitklep illustreren. En laat zien hoe deze aanpak kan worden gebruikt om het bedrijfspunt van het systeem te bepalen, evenals de verliescoëfficiënt van de klep.

Beschouw de stromingsfaciliteit die in dit schema is weergegeven. Lucht wordt uit atmosferische omstandigheden in de plenum geblazen en stroomt door een korte pijpsectie met een scherpe ingang, een afsluitklep en een open uitlaat naar de ontvangstruimte. De lucht stroomt vervolgens door een ringplate en een centrifugale ventilator voordat deze terugkeert naar atmosferische omstandigheden. De totale energie die door de stroom wordt meegevoerd is een combinatie van kinetische, potentiële en thermodynamische componenten zoals weergegeven in de vergelijking voor de specifieke energie op een punt in de stroom. Deze componenten kunnen vrij van het ene type naar het andere transformeren door het systeem. Merk op dat alpha een correctiefactor is om rekening te houden met het feit dat de snelheid niet constant is over de stroomsnede. Voor turbulente stroming wordt alpha meestal als één genomen. En voor laminaire stromingen is het merkbaar groter. In pijpstromen bij matige Reynolds-getallen is alpha ongeveer 1,1. Omdat energie behouden blijft, moet elk verschil in de specifieke energie tussen twee punten in de stroom het resultaat zijn van externe werk op de vloeistof of dissipatie. Bovendien, als analyse beperkt is tot punten op dezelfde hoogte, zal het zwaartekrachtpotentieel niet bijdragen aan het verschil. Dit is de energievergelijking voor het systeem. Overweeg nu de systeemverschille. De meest significante verliezen zullen optreden bij de pijptoegang, de klep en de uitlaat. Deze verliezen zijn evenredig aan de kinetische energie van de stroom en kunnen worden gerelateerd aan de stromingssnelheid met behulp van continuïteit. Het kan worden aangetoond dat de verliescoëfficiënt voor de toegang en de uitlaat respectievelijk een halve en een zijn. Overweeg wat er gebeurt terwijl de lucht van de plenum in de pijpsectie stroomt. Er wordt geen energie toegevoegd, maar er is enige dissipatie bij de ingang. Bovendien, omdat de stromingssnelheid in de plenum verwaarloosbaar is in vergelijking met de snelheid in de pijpsectie, kan deze worden genegeerd. De resterende termen kunnen worden herschikt om de stromingssnelheid in termen van het drukverschil tussen die punten te verkrijgen. Overweeg nu het drukverschil van de pijpsectie stroomopwaarts van de klep tot de ontvanger. Nogmaals, er wordt geen energie toegevoegd en er zullen verliezen optreden bij de klep en de uitlaat. De stromingssnelheid in de ontvanger is verwaarloosbaar in vergelijking met de pijpsectie, dus de vergelijking vereenvoudigt opnieuw. In dit geval is het klepverlies een functie van de stromingssnelheid en kan het drukverschil worden bepaald. Overweeg ten slotte het hele systeem. De vloeistof komt binnen en verlaat het systeem op dezelfde druk en snelheid. Dus het door de as toegevoegde werk moet gelijk zijn aan de totale verliezen in het systeem. Als de prestatiecurve van de ventilator bekend is, kan het bedrijfspunt, of de verwachte stromingssnelheid van het systeem, worden voorspeld voor een gegeven totale verliesfactor. Het bedrijfspunt kan grafisch worden bepaald door de prestatiecurve van de ventilator te plotten met de prestatiecurve van het systeem. Bij een gegeven stromingssnelheid vertegenwoordigt de ventilatorcurve de specifieke toegevoegde energie in termen van een druksprong, terwijl de systeemcurve de specifieke energieverlies vertegenwoordigt. In een stabiele toestand moeten deze twee bijdragen gelijk zijn. Nu je begrijpt hoe je conservering van energie kunt gebruiken om het systeem te analyseren, laten we deze techniek gebruiken om de klep te kalibreren en het bedrijfspunt te bepalen.

Voordat je begint met het opzetten, maak jezelf vertrouwd met de lay-out en veiligheidsprocedures van de faciliteit. Controleer of de ventilator niet draait en er geen stroming door het testgebied is. Stel nu het data-acquisitiesysteem in zoals getoond in het diagram in de tekst. Verbind het plenumdruktabblad met de positieve poort van druktransmitter twee. En verbind vervolgens het druktabablad stroomopwaarts van de klep met de negatieve poort van transmitter twee en de positieve poort van transmitter een. Laat de negatieve poort van transmitter een open naar kamercondities. Zorg ervoor dat de data-acquisitiesoftware dat virtueel kanaal nul en één respectievelijk overeenkomen met druktransmitters één en twee. Stel ten slotte de bemonsteringssnelheid in op 100 hertz en het totaal aantal monsters op 500. Nadat het data-acquisitiesysteem is ingesteld, meet u de binnendiameter van de testpijp en berekent u het dwarsdoorsnede-oppervlak. Draai vervolgens de klephendel met de klok mee totdat de klep volledig gesloten is. En open vervolgens de klep door één volledige draai van de hendel tegelijk, terwijl u het aantal volledige draaien dat nodig is om de klep volledig te openen, in de gaten houdt. Als er nog een gedeeltelijk draaien overblijft, brengt u de hendel terug naar de dichtstbijzijnde volledige draai. Kies een handige toename op basis van het aantal draaien dat zojuist is geteld. Bijvoorbeeld, als het aantal draaien 12 was, geeft een toename van 1,5 draaien acht testpunten van volledig open tot bijna volledig gesloten. Laat de klep in de volledig geopende positie en zet de stromingsfaciliteit aan. Gebruik nu het data-acquisitiesysteem om de gemiddelde drukverschille