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系统分析中的能量守恒方法

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能量守恒是一项很好的物理原理, 在机械系统的设计和分析中经常被应用。由于能量是守恒的, 仔细核算它是如何被添加和从系统中消散的, 以及对各种形式的内部转换, 可以产生有关操作条件的重要细节。这种方法的优点是它经常允许忽略系统的许多细节。因此, 可以大大简化分析。这段视频将说明能量守恒在具有闸阀的流量系统中的应用。并说明了该方法可用于确定系统的工作点以及阀的损耗系数。

考虑此示意图中显示的流程设施。空气从大气状态被吸引入充满, 并且流动入接收器房间通过一个短的管子部分与锋利的入口、闸阀门和开放放电。在返回大气状态之前, 空气通过孔板和离心风机流动。流动所携带的总能量是动能、势能和热力学成分的组合, 如在流动点的特定能量方程中所示。这些组件可以通过系统从一种类型自由转换为另一种。请注意, alpha 是一个修正因子, 它考虑到流速在流剖面上不是恒定的。对于湍流, α通常被视为一个。而对于层流, 则明显较大。在中等雷诺数的管流中, α是大约1.1。由于能量守恒, 在流动的两点之间的特定能量的任何区别都必须是流体或耗散的外部工作的结果。此外, 如果分析仅限于同一高度的点, 那么引力势也不会造成差异。这是系统的能量方程。现在考虑系统损失。最重要的损失将发生在管道入口, 阀门和排放。这些损失与流动的动能成正比, 并可与流动率使用连续性相关。结果表明, 入口和流量的损耗系数分别为二分之一和1。考虑当空气从压舱流入管道部分时会发生什么。没有能量添加, 但在入口处有一些耗散。此外, 由于在管腔内的流速与管段内的速度相比是微不足道的, 因此可以忽略不计。其余的条款可以重新安排, 以产生流量的压力差, 从这些点之间。现在考虑的压力下降从管道部分上游的阀门到接收器。再次, 没有能源增加和损失将发生在阀门和放电。与管道断面相比, 接收器中的流速可忽略不计, 因此该方程再次简化。在这种情况下, 阀门的损耗是一个流量的函数, 压力差可以确定。最后, 考虑整个系统。流体以相同的压力和速度进入和退出系统。因此, 轴增加的工作必须等于系统中的总损失。如果已知风扇的性能曲线, 则可以对给定的总损耗因数预测系统的工作点或预期流量。通过用系统性能曲线绘制风扇性能曲线, 可以以图形方式确定操作点。在给定的流速下, 风扇曲线表示在压力跃迁方面增加的特定能量, 而系统曲线代表特定的能量损耗。在稳定的状态下, 这两个贡献必须是平等的。现在, 您已经了解了如何使用能量守恒来分析系统, 让我们使用此技术来校准阀门并确定操作点。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。检查风扇是否未运行, 并且没有流经测试区域的流量。现在设置数据获取系统, 如图中所示的文本。将压力表连接到压力传感器的正端口2。然后将阀门上游的压力标签连接到换能器的负极, 以及换能器的正极端口。将换能器的负端口开到房间条件。数据采集软件确保虚拟通道零和一个对应的压力传感器一和两个分别。最后, 将采样率设置为100赫兹, 样本总数为500。建立数据采集系统后, 测量测试管道的内径, 计算其横截面积。接下来, 顺时针旋转阀门手柄, 直到阀门完全关闭。然后打开阀门的一个完整的手柄, 同时保持计数的整个回合的数量需要完全打开阀门。如果仍有局部转弯, 则将手柄返回到最近的完全转弯。根据刚盘点的转弯次数选择方便的增量。例如, 如果轮数为 12, 则增量为1.5 个回合会使八测试点从完全开放到几乎完全闭合。将阀门放在完全开启的位置, 并打开流量装置。现在, 使用数据采集系统来确定这个阀门位置上的两个传感器测量的平均压力差, 并记录这些值。按一个增量关闭阀门, 然后重复测量。继续关闭阀门的增量和测量, 直到阀门几乎完全关闭。收集所有数据后, 关闭流设备。

在每一个阀门的位置测量的旋转的数量从完全打开的位置, 你有一个测量的压力差异之间的阀门和管道部分上游的阀和测量的压力差之间的管道阀门和接收器的上游部分。对阀门的每个位置执行以下计算。首先用推导出的方程计算了压降与上游管段之间的流量。一旦已知流速, 阀的损耗系数可以从上游管段和接收器之间的压降计算出来。使用损耗系数来确定这个阀门位置上的操作点或预期的气流。最后, 通过计算两者的相对差异, 将操作点与实验流量进行比较。现在看看你的结果。

绘制风扇文本中描述的特征曲线, 然后在阀门的每个位置添加系统曲线以使总损耗增加。系统曲线的斜率和阀的损耗系数都增加了阀门的闭合性, 表明随着流量的限制, 能量耗散增加。从概念上讲, 当 KV 接近无穷大时, 所有的能量都在阀门中消散。在观察到的流速范围内, 百分比误差是低的, 但总是被低估。此外, 当阀门关闭时, 错误也会减小。这一行为是预期的, 因为修正因子α随雷诺数的增加略有提高。

能量守恒常用于分析复杂的工程系统。风力所携带的动能可以通过风力涡轮机获得, 从而产生电力。通过比较上游与下游的水流条件, 能量方程可以用来评估有多少能源已被排除在风。所获得的能量的大小将被震惊的工作给出。变化是重力势能可以用来评估溢洪道的水流流速。这与质量守恒方程相结合, 通过测量溢洪道的上游和下游的深度来完成。

你刚才看了朱庇特的节能分析介绍。现在, 您应该了解如何将能量方程应用于流系统, 校准损耗系数, 并确定操作点。谢谢收看

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