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Enfoque de conservación de la energía al análisis de sistemas
 

Enfoque de conservación de la energía al análisis de sistemas

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Conservación de la energía es un bien establecido principio físico que se aplica con frecuencia en el diseño y análisis de sistemas mecánicos. Puesto que la energía se conserva, contabilidad cuidadosa de cómo es agregado a y disipada de un sistema, así como las transformaciones internas a las distintas formas puede producir importantes detalles sobre las condiciones de funcionamiento. La ventaja de este enfoque es que permite a menudo muchos detalles del sistema para ser ignorado. Por lo tanto, el análisis puede simplificarse enormemente. Este video ilustra la aplicación de la conservación de la energía a un sistema de flujo con una válvula de compuerta. Y mostrar cómo este enfoque puede utilizarse para determinar el punto de operación del sistema, así como el coeficiente de pérdida de la válvula.

Considerar la facilidad de flujo que se muestra en este esquema. Aire es aspirado en el pleno de las condiciones atmosféricas y las corrientes en el local receptor a través de una sección de tubo corto con una entrada fuerte, una válvula de compuerta y una descarga abierta. El aire fluye entonces a través de una placa orificio y un ventilador centrífugo antes de regresar a las condiciones atmosféricas. La energía total por el flujo es una combinación de los componentes cinéticas, potencial y termodinámicas como se muestra en la ecuación de la energía específica en un punto en el flujo. Estos componentes pueden transformar libremente de un tipo a otro a través del sistema. Tenga en cuenta que alfa es un factor de corrección para tener en cuenta que la velocidad no es constante a través de la sección de flujo. Para flujo turbulento, alfa generalmente se toma como uno. Y para flujos laminares, es notablemente mayor. En flujos de tuberías en moderado número de Reynolds, alfa es aproximadamente 1.1. Puesto que la energía se conserva, cualquier diferencia en la energía específica entre dos puntos en el flujo debe ser el resultado del trabajo externo en el fluido o disipación. Además, si el análisis es restringido a los puntos a la misma altura, el potencial gravitatorio no contribuye a la diferencia. Esta es la ecuación de energía para el sistema. Consideremos ahora las pérdidas del sistema. Las pérdidas más significativas se producen en la entrada de la tubería y la válvula de la descarga. Estas pérdidas son proporcionales a la energía cinética del flujo y pueden estar relacionada con la velocidad de flujo con continuidad. Puede demostrarse que el coeficiente de pérdida para la entrada y la descarga son uno medio y uno respectivamente. Considere lo que sucede como los flujos de aire de la cámara en la sección de tubo. No se agrega ninguna energía, pero hay algunos disipación en la entrada. Además, puesto que la velocidad del flujo en el pleno es insignificante en comparación con la velocidad en la sección de tubo, puede ser ignorada. Los términos restantes pueden ordenarse para producir el flujo en términos de la diferencia de presión entre los puntos. Ahora considere la caída de presión en la sección de tubería aguas arriba de la válvula al receptor. Otra vez, no se agrega ninguna energía y las pérdidas se producirán en la válvula y se descarga. Velocidad de flujo en el receptor es insignificante en comparación con la sección del tubo, por lo que la ecuación se simplifica más. En este caso, la pérdida de la válvula es una función del caudal y la diferencia de presión puede determinarse. Finalmente, considerar todo el sistema. El fluido entra y sale del sistema a la presión y velocidad. Así el trabajo añadido por el eje debe ser igual a las pérdidas totales en el sistema. Si se conoce la curva de desempeño del ventilador, luego el punto de funcionamiento, o flujo esperado del sistema se puede predecir para un factor determinado pérdida total. El punto de operación puede determinarse gráficamente mediante el trazado de la curva de rendimiento del ventilador con la curva de rendimiento del sistema. Con un caudal determinado, la curva del ventilador representa la energía específica añadida en términos de un salto de presión, mientras que la curva del sistema representa la pérdida de energía específica. En un estado estacionario, estas dos aportaciones deben ser iguales. Ahora que comprende cómo utilizar la conservación de la energía para analizar el sistema, vamos a usar esta técnica para calibrar la válvula y determinar el punto de operación.

Antes de comenzar la instalación, familiarícese con los procedimientos de diseño y seguridad de la instalación. Compruebe que el ventilador no está funcionando y no hay flujo a través de la zona de pruebas. Ahora, configurar el sistema de adquisición de datos como se muestra en el diagrama en el texto. Conecte la ficha de presión plenum al puerto positivo del transductor de presión dos. Y conecte la ficha de presión aguas arriba de la válvula al puerto negativo del transductor dos así como el puerto positivo del transductor uno. Salir del puerto negativo de transductor uno abierto a las condiciones de la habitación. El software de adquisición de datos asegurar que canal virtual cero y uno corresponden a los transductores de presión uno y dos respectivamente. Por último, establece la frecuencia de muestreo en muestras total a 500 y 100 hertz. Después se establece el sistema de adquisición de datos, medir el diámetro interno del tubo de prueba y calcular su área seccional transversal. A continuación, gire la manija de la válvula hasta que la válvula está completamente cerrada. Y después abra la válvula por una completo vuelta de la manija a la vez manteniendo el recuento del número de vueltas todo requerida para abrir completamente la válvula. Si hay un giro parcial restante, retomar la manija el giro más cercano. Escoge un incremento conveniente basado en el número de vueltas solo contado. Por ejemplo, si el número de vueltas fue de 12, un incremento de 1,5 vueltas da ocho puntos de prueba de completamente abierto a casi todo cerrado. Dejar la válvula en la posición completamente abierta y encienda la facilidad de flujo. Ahora, utilice el sistema de adquisición de datos para determinar las diferencias de presión media medidas por ambos transductores en esta posición de la válvula y registrar estos valores. Cerrar la válvula por un incremento y repita la medición. Continúe cerrando la válvula por incrementos y tomando medidas hasta que la válvula está casi cerrada. Cuando todos los datos recabados, apague la facilidad de flujo.

En cada posición de la válvula medido por el número de vueltas desde la posición de totalmente abierto, tiene una medida de las diferencias de presión entre el pleno y la sección de tubería aguas arriba de la válvula y la medición de la diferencia de presión entre la tubería de sección aguas arriba de la válvula y el receptor. Realizar los siguientes cálculos para cada posición de la válvula. Primero calcular el caudal de la caída de presión entre el pleno y la sección de la pipa por aguas arriba usando la ecuación derivada anteriormente. Una vez conocido el caudal, se puede calcular el coeficiente de pérdida de la válvula de la caída de presión entre la sección de la pipa por aguas arriba y el receptor. Utilizar el coeficiente de pérdida para determinar el punto de operación o el flujo de aire esperado en esta posición de la válvula. Por último, comparar el punto de funcionamiento a la velocidad de flujo experimental mediante el cálculo de la diferencia relativa entre los dos. Ahora veamos los resultados.

Trazar la curva característica que se describe en el texto para el ventilador y luego añadir las curvas del sistema para las pérdidas totales en cada posición de la válvula. Tanto la pendiente de la curva del sistema y el coeficiente de pérdida de los aumentos de la válvula que se cierra la válvula, demostrando un aumento en la disipación de energía como el flujo es restringidos. Conceptualmente, como KV acerca a infinito, toda la energía se disipa en la válvula. En el rango de tasas de flujo observadas, el error porcentual es baja pero siempre subestimada. Además, el error disminuye a medida que la válvula está cerrada. Este comportamiento se espera ya que la alfa del factor de corrección aumenta ligeramente con el número de Reynolds.

Conservación de la energía se utiliza con frecuencia para analizar sistemas complejos de ingeniería. La energía cinética por el viento puede ser cosecha por las turbinas de viento para producir energía eléctrica. Comparando aguas arriba con condiciones de flujo aguas abajo, la ecuación de energía puede utilizarse para determinar cuánta energía se ha eliminado del viento. La magnitud de la energía recuperada se dará por el trabajo dado una sacudida eléctrica. El cambio es gravitacional energía potencial puede utilizarse para evaluar la tasa de flujo de agua sobre un vertedero. Esto se hace en combinación con la ecuación conservación de masa midiendo las profundidades aguas arriba y aguas abajo del aliviadero.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al análisis de la conservación de la energía. Ahora debería entender cómo aplicar una ecuación de energía para un sistema de flujo, calibrar los coeficientes de pérdida y determinar el punto de operación. Gracias por ver.

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