3.13: Энергосберегающий подход к системному анализу

1. Настройка объекта

1. Следите за тем, чтобы вентилятор не работал, чтобы в помещении не было потока.
2. Убедитесь, что система сбора данных (Рисунок 4(A)) соответствует схеме, показанной на рисунке 2B.
   1. Подсоедините положительный порт датчика давления #1 (см. рис. 2B для справки) к крану давления перед клапаном ().
   2. Оставьте отрицательный порт датчика давления #1 открытым для использования в помещении (приемник:). Следовательно, показания этого преобразователя будут напрямую .
   3. Подсоедините положительный порт датчика давления #2 (см. рис. 2B для справки) к штуцеру давления в камере ().
   4. Подсоедините отрицательное отверстие преобразователя давления #2 (см. рис. 2B для справки) к штуцеру давления перед клапаном (). Следовательно, показания этого преобразователя будут непосредственно , как того требует уравнение (10).
3. Убедитесь, что виртуальный канал 0 в системе сбора данных (Рисунок 4(B)) соответствует преобразователю давления #1 (), а виртуальный канал 1 соответствует преобразователю давления #2 ().
4. Настройте систему сбора данных на частоту дискретизации 100 Гц, что в сумме составит 500 выборок (т.е. 5 секунд данных).

Таблица 1. Основные параметры для экспериментального исследования.

Рисунок 4. Проточный объект. (А): вид на нагнетание приточного клапана в секцию ресивера перед установкой комплекта клапанов, подлежащих исследованию. (B): три различных типа клапанов внутри ресивера. Слева направо: задвижка, шаровая заслонка, дроссельная заслонка. (C): выходные порты из ресивера. Клапаны выпускают поток внутрь ресивера, а вентилятор всасывает поток из ресивера через перфорированную пластину на рисунке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Измерения

1. Запишите диаметр трубы, подключенной к клапану, и рассчитайте площадь ее поперечного сечения.
2. Определите максимальное количество полных оборотов рукоятки, необходимое для перевода клапана из полностью закрытого положения в полностью открытое. Если это число не является целым числом, исключите последний дробный оборот для упрощения анализа. Для текущего эксперимента максимальное количество полных витков составляет 12.
3. Полностью закройте клапан.
4. Вращайте ручку клапана до полного открытия, подсчитывая количество полных оборотов. Для простоты используйте для эксперимента только целое число витков. Например, требуется примерно 12 оборотов и 1/3 оборота, чтобы полностью открыть клапан, используемый в этом эксперименте. Следовательно, мы повернем ручку этого клапана всего на 12 полных оборотов от его полностью закрытого положения и определим его как начальное положение ().
5. Включите функцию расхода.
6. Используйте систему сбора данных для записи показаний и .
7. Введите в таблицу 2 средние значения и , полученные с помощью системы сбора данных.
8. Закройте вентиль на 1,5 оборота.
9. Повторяйте шаги с 2.6 по 2.8 до тех пор, пока таблица 2 не будет полностью заполнена.
10. Выключите функцию потока.

3. Анализ данных

1. Определить коэффициент потерь клапана для каждого углового положения с помощью уравнения (5). Заведем эти значения в таблицу 2.
2. Определите расход для каждого углового положения клапана с помощью уравнения (10). Заведем эти значения в таблицу 2.
3. Определите рабочую точку с помощью уравнения (7). Заведем эти значения в таблицу 2.
4. Рассчитайте относительную разницу между измеренным расходом и рабочей точкой
5. Используйте уравнение (3) для построения графика кривых системы для всех значений . Рассмотрим коэффициент общего убытка как .
6. Прибавьте характеристическую кривую веера к этому же графику с помощью уравнения (2).

Таблица 2. Репрезентативные результаты. Измерения перепадов давлений и оценка расхода и коэффициентов потерь.

Сохранение энергии является хорошо известным физическим принципом, который часто применяется при проектировании и анализе механических систем. Поскольку энергия сохраняется, тщательный учет того, как она добавляется в систему и рассеивается из нее, а также внутренних преобразований в различные формы, может дать важные детали об условиях эксплуатации. Преимущество такого подхода в том, что он часто позволяет игнорировать многие детали системы. Таким образом, анализ можно значительно упростить. В этом видео будет показано применение метода сохранения энергии в проточной системе с задвижкой. И показать, как этот подход может быть использован для определения рабочей точки системы, а также коэффициента потерь клапана.

Рассмотрим средство управления потоком, показанное на этой схеме. Воздух всасывается в камеру из атмосферных условий и поступает в приемное помещение через короткий участок трубы с острым входом, задвижкой и открытым выпуском. Затем воздух проходит через диафрагму и центробежный вентилятор, прежде чем вернуться в атмосферные условия. Общая энергия, переносимая потоком, представляет собой комбинацию кинетической, потенциальной и термодинамической составляющих, как показано в уравнении для удельной энергии в точке потока. Эти компоненты могут свободно трансформироваться из одного типа в другой по всей системе. Обратите внимание, что альфа — это поправочный коэффициент, который учитывает, что скорость не постоянна на участке потока. Для турбулентного потока альфа обычно принимается как единое целое. А для ламинарных течений она заметно больше. В течениях в трубах при умеренных числах Рейнольдса альфа составляет примерно 1,1. Поскольку энергия сохраняется, любая разница в удельной энергии между двумя точками потока должна быть результатом внешнего воздействия на жидкость или диссипации. Кроме того, если анализ ограничен точками на одной высоте, гравитационный потенциал не будет влиять на разницу. Это энергетическое уравнение для системы. Теперь рассмотрим потери системы. Наиболее значительные потери будут происходить на входе в трубу, клапане и на выпуске. Эти потери пропорциональны кинетической энергии потока и могут быть связаны со скоростью потока с помощью непрерывности. Можно показать, что коэффициент потерь на входе и выходе составляет половину и единицу соответственно. Рассмотрим, что происходит, когда воздух поступает из камеры в секцию трубы. Энергия не добавляется, но есть некоторое рассеивание на входе. Кроме того, поскольку скорость потока в камере пренебрежимо мала по сравнению со скоростью в сечении трубы, ее можно игнорировать. Остальные члены могут быть переставлены таким образом, чтобы получить скорость потока в терминах разницы давлений между этими точками. Теперь рассмотрим перепад давления от участка трубы до клапана до ресивера. Опять же, энергия не добавляется, и потери будут происходить на клапане и выпуске. Скорость потока в ресивере пренебрежимо мала по сравнению с сечением трубы, поэтому уравнение снова упрощается. В этом случае потери в клапане являются функцией расхода, и можно определить разницу давлений. Наконец, рассмотрим систему в целом. Жидкость входит и выходит из системы с одинаковым давлением и скоростью. Таким образом, работа, добавляемая валом, должна быть равна общим потерям в системе. Если кривая производительности вентилятора известна, то можно спрогнозировать рабочую точку или ожидаемый расход системы для заданного общего коэффициента потерь. Рабочую точку можно определить графически путем построения кривой производительности вентилятора с кривой производительности системы. При заданной скорости потока кривая вентилятора представляет собой удельную добавленную энергию в виде скачка давления, в то время как кривая системы представляет собой удельные потери энергии. В устойчивом состоянии эти два вклада должны быть равны. Теперь, когда вы понимаете, как использовать принцип сохранения энергии для анализа системы, давайте воспользуемся этим методом для калибровки клапана и определения рабочей точки.

Прежде чем приступить к настройке, ознакомьтесь с планировкой и процедурами безопасности объекта. Убедитесь, что вентилятор не работает и нет потока через испытательную зону. Теперь настройте систему сбора данных, как показано на схеме в тексте. Подсоедините язычок приточного давления к положительному порту второго преобразователя давления. А затем подсоедините напорный язычок перед клапаном к отрицательному порту второго датчика, а также к положительному порту первого датчика. Оставьте отрицательный порт преобразователя открытым для использования в помещении. Программное обеспечение для сбора данных гарантирует, что виртуальные нулевой и первый каналы соответствуют преобразователям давления один и два соответственно. Наконец, установите частоту дискретизации на 100 герц и общее количество выборок на 500. После того, как система сбора данных настроена, измерьте внутренний диаметр тестовой трубы и рассчитайте площадь ее поперечного сечения. Далее поворачивайте ручку клапана по часовой стрелке до полного закрытия клапана. А затем открывать клапан одним полным оборотом ручки за раз, подсчитывая количество полных оборотов, необходимых для полного открытия клапана. Если остался частичный оборот, верните ручку на ближайший полный оборот. Выберите удобный шаг на основе количества только что подсчитанных ходов. Например, если количество оборотов было 12, то шаг в 1,5 оборота дает восемь контрольных точек от полностью открытых до почти полностью закрытых. Оставьте клапан в полностью открытом положении и включите проточную установку. Теперь используйте систему сбора данных для определения средней разницы давлений, измеренной обоими датчиками в этом положении клапана, и запишите эти значения. Закройте клапан на один шаг и повторите измерение. Продолжайте закрывать клапан с шагом и проводить измерения до тех пор, пока клапан не будет почти полностью закрыт. Когда все данные будут собраны, выключите проточную установку.

В каждом положении клапана, измеряемом количеством оборотов от полностью открытого положения, вы измеряете разницу давлений между камерой и участком трубы перед клапаном и измеряете разницу давлений между участком трубы перед клапаном и ресивером. Выполните следующие расчеты для каждого положения клапана. Сначала рассчитайте расход от перепада давления между камерой и участком трубы выше по течению, используя уравнение, выведенное ранее. После того, как скорость потока известна, коэффициент потерь клапана может быть рассчитан на основе перепада давления между участком трубы выше по потоку и ресивером. Используйте коэффициент потерь для определения рабочей точки или ожидаемого расхода воздуха в этом положении клапана. Наконец, сравните рабочую точку с экспериментальным расходом, рассчитав относительную разницу между ними. Теперь посмотрите на свои результаты.

Постройте характеристическую кривую, описанную в тексте для вентилятора, а затем сложите системные кривые для общих потерь в каждом положении клапана. Как наклон кривой системы, так и коэффициент потерь клапана увеличиваются: клапан закрывается, демонстрируя увеличение рассеиваемой энергии при ограничении потока. Концептуально, когда КВ приближается к бесконечности, вся энергия рассеивается в клапане. В наблюдаемом диапазоне скоростей потока процентная погрешность низкая, но всегда недооценивается. Кроме того, погрешность уменьшается при закрытии клапана. Такое поведение является ожидаемым, так как поправочный коэффициент альфа немного увеличивается с числом Рейнольдса.

Метод сохранения энергии часто используется для анализа сложных инженерных систем. Кинетическая энергия, переносимая ветром, может быть собрана ветряными турбинами для производства электроэнергии. Сравнивая условия течения вверх и вниз по течению, уравнение энергии можно использовать для оценки того, сколько энергии было удалено от ветра. Величина восстановленной энергии будет дана ударной работой. Изменение — это гравитационная потенциальная энергия, которая может быть использована для оценки скорости потока воды через водосброс. Это делается в сочетании с уравнением сохранения массы путем измерения глубины вверх и вниз по течению от водосброса.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в анализ энергосбережения. Теперь вы должны понять, как применить уравнение энергии к системе потока, откалибровать коэффициенты потерь и определить рабочую точку. Спасибо за просмотр.