Boru Şebekeleri ve Basınç Kayıpları

Boru ağları, sıvıları verimli bir şekilde taşıyabildikleri, dolaştırabildikleri ve dağıtabildikleri için mühendislik ve doğal sistemlerde yaygın olarak bulunur. Evinizdeki musluktan çıkan su, mühendislik ürünü bir boru şebekesinin mükemmel bir örneği olan karmaşık bir şehir su tedarik sisteminden geçer. Akışkan bir boru ağı boyunca dolaşırken, kanal duvarlarından ve bağlantı parçalarından gelen sürtünme direnciyle karşılaşır ve akışkan akışı bu akış dirençlerinin üstesinden gelirken basınç kaybeder. Bu basınç kayıplarını karakterize etmek ve anlamak, yeni bir tasarımda doğru bileşenleri ve boyutları belirlemek veya mevcut bir sistemdeki sorunları teşhis etmek için gereklidir. Bu videoda, bir boru ağındaki basınç düşüşünü ölçmek için basit bir yaklaşımı göstereceğiz ve kayıpları tahmin etmek için bazı standart modelleri ve birkaç yaygın geometriyi tartışacağız. Daha sonra, modellerle karşılaştırmak için basınç kayıplarını deneysel olarak ölçmek için bu yöntemler kullanılacaktır. Son olarak, boru ağları ve basınç kayıplarının diğer birkaç uygulamasını tartışacağız.

Bir sıvı kapalı bir kanaldan her geçtiğinde, kanal duvarlarından bir miktar sürtünme direnciyle karşılaşır. Sonuç olarak, sıvının mekanik enerjisinin bir kısmı ısıya dönüştürülür ve bu da akış yönünde sürekli bir basınç kaybına neden olur. Bu basınç kaybı, belirli bir sistemde, genellikle manometre adı verilen basit sıvı seviyesi cihazları kullanılarak yapılan, kanal boyunca ayrı noktalardaki sıvı basıncının ölçülmesiyle karakterize edilebilir. Manometre, kısmen sıvı ile dolması için boru kanalına bağlanan borunun açık, dikey veya eğimli bir bölümüdür. Sıvı kolonunun yüksekliği, kanal boyunca o noktadaki sıvı seviyesi ile doğru orantılıdır. Bu nedenle, iki nokta veya Delta P arasındaki basınç farkı, iki manometre arasındaki sıvı yüksekliğindeki veya Delta H'deki değişiklikten belirlenebilir. Ne yazık ki, doğrudan ölçümler yapmak her zaman pratik değildir ve yeterli sıvı akış hızlarını sağlamak için bir sistem inşa edilmeden önce basınç kayıplarının genellikle tahmin edilmesi gerekir. Bu durumlarda, sürtünme basıncı kaybını tahmin etmek için Darcy Sürtünme Faktörü formülü kullanılabilir. Bu denklemde Delta P, dairesel kesitli ve iç çapı D'li bir kanal için L uzunluğu üzerindeki basınç kaybıdır, sıra sıvı yoğunluğudur ve U, hacim akış hızının kanalın kesit alanına bölünmesiyle tanımlanan ortalama akış hızıdır, f, Reynolds sayısı ve kanal geometrisine dayalı olarak ampirik ve teorik olarak türetilmiş farklı eğilimleri takip eden Darcy Sürtünme Faktörüdür. Düz dairesel kanallar ve sarmal bobinler için kullanılan modeller için metne bakın. Bir boru ağındaki çeşitli kanal bölümleri, aynı zamanda basınç kaybına katkıda bulunan vanalar, genişleticiler ve dirsekler gibi ayrı bağlantı parçalarıyla bağlanır. Bu bağlantı parçalarından kaynaklanan basınç kayıpları, küçük kayıplar olarak bilinir ve bazen aynı basınç düşüşünü sağlamak için gereken düz bir kanalın eşdeğer uzunluğu cinsinden rapor edilir. Bu kayıplar, bağlantı kanallarının sürtünme faktörü ve akış hızı ve bağlantı parçası için iç çap ile ölçeklendirilen eşdeğer uzunluğun tablo değeri kullanılarak Darcy Sürtünme Faktörü formülü ile modellenmektedir. Boru sistemindeki toplam kayıplar, tek tek bölümlerden ve bağlantı parçalarından kaynaklanan tüm kayıpların toplamıdır. Aşağıdaki bölümde, sürtünme faktörlerini ve eşdeğer uzunlukları belirlemek için bu kayıpları farklı temsili boru konfigürasyonlarında ölçeceğiz.

Kuruluma başlamadan önce, çalışmak için temiz bir alanınız ve bileşenleri monte etmek için düz bir yüzeyiniz olduğundan emin olun. Su haznesini yüzeye sabitleyin ve gerekirse su girişi ve çıkışı ile pompa güç kablosu için delikler açın. Dalgıç pompayı rezervuara monte edin. Şimdi rezervuarın yanına küçük bir dikey kiriş veya L braketi takın. Rotametre akış ölçeri kirişe dikey olarak monte edin ve pompa çıkışını rotametre girişine bağlamak için bir boru bölümü kullanın. Rotametre, küçük bir boncuğun yüzer seviyesine bağlı olarak bir sıvının hacimsel akış hızını gösteren bir araçtır. Üç borulu test bölümlerini metinde açıklandığı gibi oluşturun. İşiniz bittiğinde, düz bir bölüme, sarmal bir bölüme ve birden fazla dirsek kıvrımına sahip bir bölüme sahip olmalısınız. Bobinin merkezi ekseninden borunun orta noktasına kadar ölçülen tüp bobininin yarıçapının yanı sıra herhangi bir düz bölümün uzunluklarını dikkatlice kaydedin. Her üç bölümü de boru kelepçeleri ile yüzeye monte edin. Uçlardaki T bağlantı parçalarını, dallanma yan bağlantı noktaları yukarı bakacak şekilde ayarlayın ve ardından manometreleri oluşturmak için bu bağlantı noktalarına şeffaf çıkıntılı borular takın. Manometre tüplerinin dikey olduğundan emin olmak için bir terazi kullanın. Son olarak, tüpün bir bölümünü rotametrenin çıkışına bağlayın ve rezervuara geri dönen ikinci bir tüp yerleştirin. Bu iki tüp, deney sırasında tam bir döngü oluşturmak için test bölümlerinin giriş ve çıkışlarına bağlanacaktır. Rezervuarı suyla doldurun ve hazırlık tamamlanmıştır.

Rotametre çıkışından gelen tüpü düz test bölümünün bir ucuna bağlayın ve dönüş tüpünü diğer ucuna bağlayın. Şimdi pompayı açın ve akış hızını en üst düzeye çıkarmak için rotametre valfini ayarlayın. Havanın tamamı boru döngüsünden dışarı atıldıktan sonra pompayı kapatın. Akış döngüsü dolduktan sonra rezervuara ek su eklemeniz gerekebilir. Havanın tamamı boru döngüsünden dışarı atıldıktan sonra, pompayı kapatın ve T bağlantı parçasının üstünden ölçerek iki manometredeki suyun yüksekliğini karşılaştırın. İki yükseklik farklıysa, ölçülen yükseklikler aynı olana kadar test yüzeyini düzleştirmek için şimler kullanın. Pompayı tekrar açın ve akışın çökmesi için bir süre bekledikten sonra, akış hızını ve dikey su seviyesini her iki manometre tüpüne kaydedin. Şimdi akışı biraz kısıtlamak ve yeni akış hızını ve manometre seviyelerini kaydetmek için rotametre valfini ayarlayın. Düz test bölümü için altı veya yedi akış hızında veri toplamak için bu prosedürü tekrarlayın. Bitirdiğinizde, gerekirse her yeni bölüm için test yüzeyinin yeniden ayarlanması da dahil olmak üzere deneyi diğer iki test bölümüyle tekrarlayın.

İlk olarak, düz test bölümü için verilerinize bakın. Her akış hızında, her manometrede su yüksekliği için ölçümleriniz vardır. Test bölümündeki toplam basınç düşüşünü belirlemek için manometre yüksekliklerindeki farkı kullanın. Daha sonra rotametreden ölçülen akış hızını tüpün kesit alanına bölerek tüpteki ortalama akış hızını belirleyin. Ardından, bu akış hızındaki akış için Reynolds sayısını hesaplayın. Sürtünme faktörünü çözmek için sonuçlarınızı Darcy Sürtünme Faktörü formülü ve test bölümündeki ölçümlerinizle birleştirin. 284 milimetre uzunluğunda ve 6,4 milimetre iç çapa sahip düz bir bölüm için, dakikada dörtte üç ila iki litre arasında ölçülen akış hızları türbülanslı koşullara karşılık gelir. Metinde açıklandığı gibi Reynolds sayısındaki toplam belirsizliği ve sürtünme faktörünü belirlemek için belirsizlikleri yaymak ve ardından sonucu düz bir bölüm için model tahminiyle birlikte çizin. Deneysel belirsizlik içinde, sürtünme faktörleri modelin tahminiyle eşleşti. Düşük akış hızlarında sürtünme faktöründeki nispeten yüksek belirsizlik, akış ölçerin sınırlı doğruluğundan kaynaklanmaktadır. Şimdi sarmal test bölümü için verilerinize bakın. Daha önce olduğu gibi, her akış hızında toplam basınç düşüşünü, ortalama akış hızını ve Reynolds sayısını belirleyin. Bu bölümdeki toplam basınç düşüşü, düz kısımdan ve sarmal kısımdan gelen düşüşün toplamıdır, bu nedenle düz bölümden gelen katkıyı tahmin etmek ve bunu toplamdan çıkarmak için Darcy Sürtünme Faktörü formülünü ve düz kanal modelini kullanın. Sarmal kısımdaki sürtünme faktörünü belirlemek için kalan basınç düşüşünü ve bobin yarıçapı ölçümünüzü kullanın. Reynolds sayısı ve sürtünme faktörü için belirsizlikleri bir kez daha yayın, düz bölüm için düzeltmeden ihmal edilebilir bir belirsizlik olduğunu varsayarsak. Bu sonuçları, sarmal bir bölüm için model tahminiyle birlikte çizin. Reynolds sayısı 1,700 ile 5,200 arasındadır, bu da verilen tüp çapı ve bobin yarıçapı ile 500 ile 1,600 arasındaki Dean sayılarına karşılık gelir. Bu değerler, bobin sürtünme faktörü formülünün Laminer kısmı içindedir. Ölçülen bu sürtünme faktörleri aynı zamanda deneysel belirsizlik içinde modelle eşleşir ve belirli bir akış hızı için düz kesitte bulunanlardan önemli ölçüde daha yüksektir. Bu, türbülanslı akışa geçişi geciktiren sarmal boru geometrisinin dengeleyici etkisi nedeniyle artar ve bu geometri için yaklaşık 9.900 olan daha yüksek Reynolds sayılarına dönüşür. Şimdi üçüncü test bölümü için verilere bir göz atın. Bir kez daha, her akış hızında toplam basınç düşüşünü, ortalama akış hızını ve Reynolds sayısını belirleyin. Bu bölümdeki toplam basınç düşüşü, düz bölümlerin toplamından ve N dirseğin her birinden kaynaklanan küçük kayıplardan kaynaklanmaktadır. Düz bölümlerden katkıyı tahmin etmek ve çıkarmak için Darcy Sürtünme Faktörü formülünü ve düz kanal modelini tekrar kullanın. Kalan basınç düşüşü, test bölümündeki N dirsek bağlantılarından kaynaklanmaktadır. Tek bir dirsek bağlantısı için eşdeğer uzunluğu hesaplamak için bu basınç düşüşünü sürtünme faktörü ve düz bölümlerin çapı ile kullanın. Reynolds sayısı ve eşdeğer uzunluk için belirsizlikleri yaymak ve sonuçlarınızı çizmek. Reynolds sayısı arttıkça, eşdeğer uzunluğun iç boru çapına oranı, tablo değerlerinden beklendiği gibi 30'a yaklaşır. Gerçek sürtünme direncinin bağlantı geometrisine özgü olduğunu ve bu nedenle bu tablo halinde verilen değerlerin yalnızca kılavuz olarak kabul edilmesi gerektiğini unutmayın.

Artık boru ağlarına ve basınç kayıplarına daha aşina olduğunuza göre, bu kavramların gerçek dünyadaki bazı uygulamalarına bakalım. Isı eşanjörleri tipik olarak, sıcak ve soğuk sıvıyı karışmalarına izin vermeden yakın termal temas halinde getiren iki ayrı boru ağından oluşur. Pompaların yeterli akışkan akış hızlarını sağlayabildiğinden ve istenen ısı transfer hızına ulaşabildiğinden emin olmak için ısı eşanjörleri tasarlanırken basınç düşüşü analizi yapılmalıdır. Arterlerde plak birikmesi, kanın akması için etkili çapı azaltır. Sonuç olarak, kalbin ek basınç kaybını telafi etmek için daha fazla çalışması gerekir. Aşırı durumlarda, birikme, arterin tamamen tıkanması veya kalp yetmezliği riskini artırır. Bir anjiyoplasti prosedürü sırasında, arteri yeniden genişletmek ve normal kan akışını eski haline getirmek için bir stent yerleştirilir.

Jove'un boru ağlarına ve basınç kayıplarına girişini yeni izlediniz. Artık, ayrık bağlantı parçalarından kaynaklanan küçük kayıplar da dahil olmak üzere Darcy Sürtünme Faktörü formülünü kullanarak bir boru ağındaki basınç kayıplarını nasıl belirleyeceğinizi anlamalısınız. Son olarak, manometre tüpleri kullanarak bir kanaldan basınç kaybının deneysel olarak nasıl belirleneceğini gördünüz. İzlediğiniz için teşekkürler.