Sistem Analizinde Enerjinin Korunumu Yaklaşımı

Enerjinin korunumu, mekanik sistemlerin tasarımında ve analizinde sıklıkla uygulanan iyi bilinen bir fiziksel ilkedir. Enerji korunduğundan, bir sisteme nasıl eklendiğinin ve bir sistemden nasıl dağıtıldığının yanı sıra çeşitli formlara yapılan iç dönüşümlerin dikkatli bir şekilde hesaplanması, çalışma koşulları hakkında önemli ayrıntılar verebilir. Bu yaklaşımın avantajı, çoğu zaman sistemin birçok detayının göz ardı edilmesine izin vermesidir. Böylece, analiz büyük ölçüde basitleştirilebilir. Bu video, bir sürgülü vana ile bir akış sistemine enerji korunumu uygulamasını gösterecektir. Ve bu yaklaşımın sistemin çalışma noktasını ve vananın kayıp katsayısını belirlemek için nasıl kullanılabileceğini gösterin.

Bu şemada gösterilen akış tesisini göz önünde bulundurun. Hava, atmosferik koşullardan plenuma çekilir ve keskin bir giriş, bir sürgülü vana ve açık bir deşarj ile kısa bir boru bölümünden alıcı odaya akar. Hava daha sonra atmosferik koşullara dönmeden önce bir orifis plakasından ve bir santrifüj fandan akar. Akış tarafından taşınan toplam enerji, akışın bir noktasındaki özgül enerji denkleminde gösterildiği gibi kinetik, potansiyel ve termodinamik bileşenlerin bir kombinasyonudur. Bu bileşenler, sistem aracılığıyla bir türden diğerine serbestçe dönüşebilir. Alfa'nın, akış bölümü boyunca hızın sabit olmadığını hesaba katmak için bir düzeltme faktörü olduğunu unutmayın. Türbülanslı akış için, alfa genellikle bir olarak alınır. Ve laminer akışlar için gözle görülür şekilde daha büyüktür. Orta derecede Reynolds sayılarında boru akışlarında alfa yaklaşık 1.1'dir. Enerji korunduğundan, akıştaki iki nokta arasındaki özgül enerjideki herhangi bir fark, sıvı üzerindeki harici çalışmanın veya dağılmanın sonucu olmalıdır. Ek olarak, analiz aynı yükseklikteki noktalarla sınırlıysa, yerçekimi potansiyeli farka katkıda bulunmayacaktır. Bu, sistem için enerji denklemidir. Şimdi sistem kayıplarını düşünün. En önemli kayıplar boru girişinde, vanada ve tahliyede meydana gelecektir. Bu kayıplar akışın kinetik enerjisi ile orantılıdır ve süreklilik kullanılarak akış hızı ile ilişkilendirilebilir. Giriş ve akıntı için kayıp katsayısının sırasıyla bir buçuk ve bir olduğu gösterilebilir. Hava plenumdan boru bölümüne akarken ne olduğunu düşünün. Enerji eklenmez, ancak girişte bir miktar dağılma olur. Ek olarak, plenumdaki akış hızı, boru bölümündeki hıza göre ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, göz ardı edilebilir. Kalan terimler, bu noktalar arasındaki basınç farkı açısından akış hızını verecek şekilde yeniden düzenlenebilir. Şimdi, vananın yukarısındaki boru bölümünden alıcıya giden basınç düşüşünü düşünün. Yine herhangi bir enerji ilave edilmez ve vana ile deşarjda kayıplar meydana gelir. Alıcıdaki akış hızı, boru kesitine kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir, bu nedenle denklem tekrar basitleştirilir. Bu durumda, valf kaybı akış hızının bir fonksiyonudur ve basınç farkı belirlenebilir. Son olarak, tüm sistemi düşünün. Akışkan sisteme aynı basınç ve hızda girer ve çıkar. Bu nedenle, şaft tarafından eklenen iş, sistemdeki toplam kayıplara eşit olmalıdır. Fanın performans eğrisi biliniyorsa, belirli bir toplam kayıp faktörü için sistemin çalışma noktası veya beklenen akış hızı tahmin edilebilir. Çalışma noktası, fan performans eğrisi ile sistem performans eğrisi çizilerek grafiksel olarak belirlenebilir. Belirli bir akış hızında, fan eğrisi, bir basınç sıçraması açısından eklenen özgül enerjiyi temsil ederken, sistem eğrisi özgül enerji kaybını temsil eder. Kararlı bir durumda, bu iki katkı eşit olmalıdır. Artık sistemi analiz etmek için enerjinin korunumunu nasıl kullanacağınızı anladığınıza göre, valfi kalibre etmek ve çalışma noktasını belirlemek için bu tekniği kullanalım.

Kuruluma başlamadan önce, tesisin yerleşimi ve güvenlik prosedürleri hakkında bilgi edinin. Fanın çalışmadığını ve test alanından akış geçmediğini kontrol edin. Şimdi veri toplama sistemini metindeki şemada gösterildiği gibi kurun. Plenum basınç tırnağını basınç dönüştürücü iki'nin pozitif portuna bağlayın. Ardından, valfin yukarı akışındaki basınç tırnağını, dönüştürücü iki'nin negatif portuna ve dönüştürücü bir'in pozitif portuna bağlayın. Dönüştürücünün negatif portunu oda koşullarına açık bırakın. Veri toplama yazılımı, sanal kanal sıfır ve bir'in sırasıyla bir ve iki basınç transdüserlerine karşılık gelmesini sağlar. Son olarak, örnekleme hızını 100 hertz'e ve toplam örnekleri 500'e ayarlayın. Veri toplama sistemi kurulduktan sonra, test borusunun iç çapını ölçün ve kesit alanını hesaplayın. Ardından, valf tamamen kapanana kadar valf kolunu saat yönünde çevirin. Ardından, valfi tamamen açmak için gereken tam dönüş sayısını koruyarak, bir seferde tutamağın bir tam dönüşüyle valfi açın. Kalan kısmi bir dönüş varsa, kolu en yakın tam dönüşe getirin. Az önce sayılan dönüş sayısına göre uygun bir artış seçin. Örneğin, dönüş sayısı 12 ise, 1,5 turluk bir artış, tamamen açıktan neredeyse tamamen kapalıya kadar sekiz test noktası verir. Vanayı tamamen açık konumda bırakın ve akış tesisini açın. Şimdi, bu valf konumunda her iki dönüştürücü tarafından ölçülen ortalama basınç farklarını belirlemek ve bu değerleri kaydetmek için veri toplama sistemini kullanın. Vanayı bir artışla kapatın ve ölçümü tekrarlayın. Vanayı kademeli olarak kapatmaya ve vana neredeyse tamamen kapanana kadar ölçüm yapmaya devam edin. Tüm veriler toplandıktan sonra akış tesisini kapatın.

Tam açık konumdan dönüş sayısıyla ölçülen her valf konumunda, plenum ile valfin yukarı akışındaki boru bölümü arasındaki basınç farklarının bir ölçümüne ve valfin yukarı akışındaki boru bölümü ile alıcı arasındaki basınç farkının ölçümüne sahip olursunuz. Vananın her konumu için aşağıdaki hesaplamaları yapın. İlk olarak, daha önce türetilen denklemi kullanarak plenum ile yukarı akış borusu bölümü arasındaki basınç düşüşünden akış hızını hesaplayın. Akış hızı bilindikten sonra, vananın kayıp katsayısı, yukarı akış borusu bölümü ile alıcı arasındaki basınç düşüşünden hesaplanabilir. Bu valf konumunda çalışma noktasını veya beklenen hava akışını belirlemek için kayıp katsayısını kullanın. Son olarak, ikisi arasındaki nispi farkı hesaplayarak çalışma noktasını deneysel akış hızıyla karşılaştırın. Şimdi sonuçlarınıza bakın.

Fan için metinde açıklanan karakteristik eğriyi çizin ve ardından vananın her bir konumundaki toplam kayıplar için sistem eğrilerini ekleyin. Hem sistem eğrisinin eğimi hem de vananın kayıp katsayısı artar, vana kapanır ve akış kısıtlandıkça enerji dağılımında bir artış olduğunu gösterir. Kavramsal olarak, KV sonsuza yaklaştıkça, tüm enerji valfte dağılır. Gözlemlenen akış hızları aralığında, hata yüzdesi düşüktür ancak her zaman hafife alınır. Ek olarak, vana kapatıldıkça hata azalır. Düzeltme faktörü alfa Reynolds sayısı ile biraz arttığı için bu davranış beklenir.

Enerjinin korunumu, karmaşık mühendislik sistemlerini analiz etmek için sıklıkla kullanılır. Rüzgarın taşıdığı kinetik enerji, elektrik enerjisi üretmek için rüzgar türbinleri tarafından hasat edilebilir. Yukarı akış ile aşağı akış koşullarını karşılaştırarak, enerji denklemi rüzgardan ne kadar enerji çıkarıldığını değerlendirmek için kullanılabilir. Geri kazanılan enerjinin büyüklüğü şoklu çalışma tarafından verilecektir. Değişim, yerçekimi potansiyel enerjisidir, bir dolusavak üzerindeki suyun akış hızını değerlendirmek için kullanılabilir. Bu, dolusavak yukarı ve aşağı derinliklerini ölçerek kütle koruma denklemi ile birlikte yapılır.

Jove'un enerjinin korunumu analizine giriş tanıtımını az önce izlediniz. Artık bir enerji denklemini bir akış sistemine nasıl uygulayacağınızı, kayıp katsayılarını nasıl kalibre edeceğinizi ve çalışma noktasını nasıl belirleyeceğinizi anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.