Podejście do zasady zachowania energii w analizie systemu

Zasada zachowania energii jest dobrze ugruntowaną zasadą fizyczną, która jest często stosowana w projektowaniu i analizie układów mechanicznych. Ponieważ energia jest zachowana, dokładne obliczenie, w jaki sposób jest ona dodawana i rozpraszana w systemie, a także wewnętrzne przemiany w różne formy, może dostarczyć ważnych informacji na temat warunków pracy. Zaletą tego podejścia jest to, że często pozwala ono na zignorowanie wielu szczegółów systemu. Tak więc analizę można znacznie uprościć. Ten film zilustruje zastosowanie zasady zachowania energii w układzie przepływowym z zasuwą. I pokaż, w jaki sposób można wykorzystać to podejście do określenia punktu pracy systemu, a także współczynnika strat zaworu.

Weźmy pod uwagę urządzenie przepływu pokazane na tym schemacie. Powietrze jest zasysane do komory z warunków atmosferycznych i przepływa do pomieszczenia odbiornika przez krótki odcinek rury z ostrym wejściem, zasuwą i otwartym wylotem. Następnie powietrze przepływa przez kryzę i wentylator odśrodkowy, zanim powróci do warunków atmosferycznych. Całkowita energia przenoszona przez przepływ jest kombinacją składowych kinetycznych, potencjalnych i termodynamicznych, jak pokazano w równaniu energii właściwej w danym punkcie przepływu. Komponenty te mogą swobodnie przekształcać się z jednego typu w drugi za pośrednictwem systemu. Należy pamiętać, że alfa jest współczynnikiem korygującym, który należy uwzględnić, że prędkość nie jest stała w całym odcinku przepływu. W przypadku przepływu turbulentnego alfa jest zwykle traktowana jako jeden. A w przypadku przepływów laminarnych jest zauważalnie większy. W przepływach rurowych przy umiarkowanych liczbach Reynoldsa alfa wynosi około 1,1. Ponieważ energia jest zachowana, każda różnica w energii właściwej między dwoma punktami przepływu musi być wynikiem zewnętrznej pracy na płyn lub rozproszenia. Dodatkowo, jeśli analiza jest ograniczona do punktów na tej samej wysokości, potencjał grawitacyjny nie będzie miał wpływu na różnicę. To jest równanie energii dla systemu. Zastanówmy się teraz nad stratami systemu. Największe straty wystąpią na wejściu do rury, zaworze i wylocie. Straty te są proporcjonalne do energii kinetycznej przepływu i mogą być powiązane z natężeniem przepływu za pomocą ciągłości. Można wykazać, że współczynnik strat dla wejścia i wylotu wynosi odpowiednio połowę i jeden. Zastanów się, co się dzieje, gdy powietrze przepływa z komory do odcinka rury. Nie jest dodawana żadna energia, ale przy wejściu występuje pewne rozproszenie. Dodatkowo, ponieważ prędkość przepływu w komorze jest znikoma w porównaniu z prędkością w odcinku rury, można ją zignorować. Pozostałe warunki można przegrupować, aby uzyskać natężenie przepływu pod względem różnicy ciśnień między tymi punktami. Teraz rozważ spadek ciśnienia od odcinka rury przed zaworem do odbiornika. Ponownie, nie jest dodawana żadna energia i wystąpią straty na zaworze i rozładowaniu. Prędkość przepływu w odbiorniku jest znikoma w porównaniu z odcinkiem rury, więc równanie ponownie się upraszcza. W tym przypadku strata zaworu jest funkcją natężenia przepływu i można określić różnicę ciśnień. Na koniec rozważmy cały system. Płyn wchodzi i wychodzi z układu przy tym samym ciśnieniu i prędkości. Tak więc praca dodana przez wał musi być równa całkowitym stratom w układzie. Jeśli znana jest krzywa wydajności wentylatora, można przewidzieć punkt pracy lub oczekiwane natężenie przepływu systemu dla danego współczynnika strat całkowitych. Punkt pracy można określić graficznie, wykreślając krzywą wydajności wentylatora z krzywą wydajności systemu. Przy danym natężeniu przepływu krzywa wentylatora reprezentuje określoną energię dodaną w postaci skoku ciśnienia, podczas gdy krzywa systemu reprezentuje określoną stratę energii. W stanie ustalonym te dwa wkłady muszą być równe. Teraz, gdy już wiesz, jak wykorzystać zasadę zachowania energii do analizy systemu, użyjmy tej techniki do kalibracji zaworu i określenia punktu pracy.

Zanim zaczniesz ustawiać, zapoznaj się z układem i procedurami bezpieczeństwa w obiekcie. Sprawdź, czy wentylator nie działa i czy nie ma przepływu przez obszar testowy. Teraz skonfiguruj system akwizycji danych, jak pokazano na schemacie w tekście. Podłącz klapkę ciśnienia w komorze do dodatniego portu przetwornika ciśnienia dwa. A następnie podłącz klapkę ciśnieniową przed zaworem do ujemnego portu przetwornika drugiego, a także dodatniego portu przetwornika pierwszego. Pozostaw ujemny port przetwornika otwarty na warunki pokojowe. Oprogramowanie do akwizycji danych zapewnia, że wirtualny kanał zero i jeden odpowiadają odpowiednio przetwornikom ciśnienia numer jeden i dwa. Na koniec ustaw częstotliwość próbkowania na 100 Hz, a łączną liczbę próbek na 500. Po skonfigurowaniu systemu akwizycji danych zmierz wewnętrzną średnicę rury testowej i oblicz jej pole przekroju poprzecznego. Następnie obróć uchwyt zaworu zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż zawór zostanie całkowicie zamknięty. A następnie otwórz zawór o jeden pełny obrót uchwytu na raz, licząc liczbę pełnych obrotów wymaganych do pełnego otwarcia zaworu. Jeśli pozostał częściowy obrót, przywróć uchwyt do najbliższego pełnego obrotu. Wybierz dogodny przyrost w oparciu o liczbę właśnie zliczonych zwojów. Na przykład, jeśli liczba zwojów wynosiła 12, przyrost o 1,5 obrotu daje osiem punktów testowych od pełnego otwarcia do prawie całkowitego zamknięcia. Pozostaw zawór w pozycji całkowicie otwartej i włącz urządzenie przepływowe. Teraz użyj systemu akwizycji danych, aby określić średnie różnice ciśnień mierzone przez oba przetworniki w tym położeniu zaworu i zapisać te wartości. Zamknij zawór o jeden przyrost i powtórz pomiar. Kontynuuj stopniowe zamykanie zaworu i wykonywanie pomiarów, aż zawór zostanie prawie całkowicie zamknięty. Gdy wszystkie dane zostaną zebrane, wyłącz urządzenie przepływowe.

Przy każdej pozycji zaworu mierzonej liczbą obrotów od pozycji całkowicie otwartej, masz pomiar różnic ciśnień między komorą a odcinkiem rury przed zaworem oraz pomiar różnicy ciśnień między odcinkiem rury przed zaworem a odbiornikiem. Wykonaj następujące obliczenia dla każdej pozycji zaworu. Najpierw oblicz natężenie przepływu ze spadku ciśnienia między komorą a odcinkiem rury przed nim, korzystając z równania wyprowadzonego wcześniej. Gdy znane jest natężenie przepływu, współczynnik strat zaworu można obliczyć na podstawie spadku ciśnienia między odcinkiem rury wylotowej a odbiornikiem. Użyj współczynnika strat, aby określić punkt pracy lub oczekiwany przepływ powietrza w tym położeniu zaworu. Na koniec porównaj punkt operacyjny z eksperymentalnym natężeniem przepływu, obliczając względną różnicę między nimi. Teraz spójrz na swoje wyniki.

Wykreślić krzywą charakterystyki opisaną w tekście dla wentylatora, a następnie dodać krzywe układu dla całkowitych strat w każdym położeniu zaworu. Zarówno nachylenie krzywej układu, jak i współczynnik strat zaworu wzrastają, zawór jest zamknięty, co wskazuje na wzrost rozpraszania energii wraz z ograniczeniem przepływu. Koncepcyjnie, gdy KV zbliża się do nieskończoności, cała energia jest rozpraszana w zaworze. W zakresie obserwowanych natężeń przepływu błąd procentowy jest niski, ale zawsze niedoszacowany. Dodatkowo błąd zmniejsza się wraz z zamknięciem zaworu. Takie zachowanie jest oczekiwane, ponieważ współczynnik korekcyjny alfa nieznacznie wzrasta wraz z liczbą Reynoldsa.

Zasada zachowania energii jest często wykorzystywana do analizy złożonych systemów inżynieryjnych. Energia kinetyczna przenoszona przez wiatr może być zbierana przez turbiny wiatrowe w celu wytworzenia energii elektrycznej. Porównując warunki przepływu w górę i w dół, równanie energii można wykorzystać do oceny, ile energii zostało usunięte z wiatru. Wielkość odzyskanej energii zostanie podana przez wstrząsającą pracę. Zmiana polega na tym, że grawitacyjna energia potencjalna może być wykorzystana do oceny natężenia przepływu wody przez przelew. Odbywa się to w połączeniu z równaniem zachowania masy poprzez pomiar głębokości przed i za przelewem.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie Jowisza do analizy zasady zachowania energii. Powinieneś teraz zrozumieć, jak zastosować równanie energii do systemu przepływu, skalibrować współczynniki strat i określić punkt pracy. Dzięki za oglądanie.