ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSİK FAKÜTESİ MAKİNE MÜHENDİSİĞİ MAK 41 MAKİNE ABORATUVARI II BASINÇ KAYIPARI EĞİTİM SETİ DENEY FÖYÜ

2 018 İÇİNDEKİER TEORİK BİGİER... 3 Yerel Kayıplar... 3 Eşdeğer Uzunluk eşd... 4 Toplam Yük Kaybı... 4 Akış kayıplarını azaltmak... 4 Notlar... 4 Sürtünme kaybının bulunması... 5 TESİSATIN TANITIMI DENEYER ) Bağlantı elemanlarında yük kaybının deneysel olarak bulunması ) Farklı düz borularda sürekli kayıpların deneysel olarak bulunması TABOAR-ŞEKİER Şekil 1. Moody Diyagramı... 6 Tablo 1. Bağlantı tiplerine göre K faktörleri... 7 Şekil. Basınç kayıpları eğitim seti şeması_ Tablo. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu... 1 Tablo 3. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu Tablo 4. Bazı malzemelerin mutlak pürüzlülük değerleri tablosu

3 TEORİK BİGİER Yerel Kayıplar: Yaygın karşılaşılan borulama sistemlerinde akışkan borunun düz kısımlarına ek olarak birçok bağlantı elemanı, vana, dönüş, dirsek, T, giriş, çıkış, genişleme ve daralmadan geçer. Bu parçalar akışkanın düzgün akışını bozar; akışı ayırdıkları ve akışın karışmasına yol açtıkları için ilave kayıplara neden olur. Uzun borulardan oluşan bir sistemde bu kayıplar borunun düz kısımlarındaki toplam yük kaybı (sürekli yük kayıpları) ile karşılaştırıldığında küçük kalır ve bunlara yerel kayıplar denir. Bu durum genellikle doğru olmasına rağmen, bazen de bunun tersi olarak yerel kayıplar sürekli kayıplardan daha büyük olabilir. Örneğin kısa sistemlerde birçok dönüş ve vana varsa durum böyledir. Tamamen açık bir vananın yol açacağı yük kaybı ihmal edilebilecek kadar küçükken kısmen kapalı bir vana sisteki en büyük yük kaybına yol açabilir ve bu durum kendisini debideki düşüş ile gösterir. Vana ve bağlantı elemanlarındaki akış çok karmaşıktır ve teorik analizlerine kalkışmak çoğu durumda pek mantıklı değildir. Bu nedenle yerel kayıplar genellikle parçaların imalatçıları tarafından deneysel olarak bulunur. Yerel kayıplar çoğunlukla kayıp katsayısı K cinsinden (direnç katsayısı olarak da bilinir) şöyle ifade edilebilir: h Kayıp katsayısı: K (1) V / ( g) Aküçük (ani genişleme için) K (1 )...() A büyük Burada h boruya parça takılmasının yol açtığı ilave tersinmez yük kaybıdır ve olarak tanımlanır. h P g Elemanın aşağıakımındaki boru çapı değiştiğinde, yerel kaybın hesaplanması daha da karmaşık hale gelir. Bununla birlikte tüm hallerde bu hesap yöntemi, yerel kayıp elemanının sebep olduğu ilave tersinmez mekanik enerji kaybına dayanır. Kolaylık olması bakımında yerel kaybın, yerel kayıp elemanı boyunca etkili olduğunu da hatırdan çıkarmamak gerekir. (Çoğu debi ölçer imalatçıları bu nedenden ötürü cihazlarını herhangi bir dirsek veya vanadan 10 ila 0 boru çapı uzaklıktaki aşağıakım üzerine montajının yapılmasını tavsiye ederler; bu ise dirsek veya vananın oluşturduğu dönen türbülans girdaplarının çoğunun ortadan kaybolmasını sağlar ve böylece hız profili debi ölçere girmeden tam gelişmiş hale gelir. Çoğu debi ölçer, debi ölçer girişinde tam gelişmiş hız profili olduğu düşünülerek kalibre edilir ve gerçek uygulamalarda da bu şartlar mevcut olduğunda en iyi doğruluğu verir). Giriş çapı çıkış çağına eşit olduğunda bir elemanın kayıp katsayısı, o eleman boyunca meydana P gelen basınç kaybının ölçülmesi ve dinamik basınca bölünmesi ile K olarak bulunabilir. 1 ( V ) Elemanın kayıp katsayısı bilindiğinde ise yük kaybı 1. formül düzenlenerek: V h K... (3) g Bu katsayı elemanın geometrisine ve akışın Reynolds sayısına bağlıdır fakat uygulamada çoğu akışın Reynolds sayısı büyük olduğundan (yerel kayıp katsayısı büyük Reynolds sayılarında, Reynolds sayısından bağımsız olmaya eğilimlidir) Reynolds sayısından bağımsız olarak kabul edilir.

4 Eşdeğer Uzunluk eşd: Yerel kayıplar aşağıda tanımlanan eşdeğer uzunluk eşd cinsinden de ifade edilebilir. Eşdeğer Uzunluk: V eşd V D h K f => eşd K.(4) g D g f Burada elemanın bulunduğu borunun çapı D ve sürtünme faktörü f dir. Elemanın neden olduğu yük kaybı, uzunluğu eşd olan düz bir boru parçasından kaynaklanan yük kaybına eşdeğerdir. Bu nedenle parçanın yük kaybına etkisi, basitçe eşd nin toplam boru uzunluğuna eklenmesi ile hesaba katılabilir. Toplam Yük Kaybı: Bütün kayıp katsayıları belirlendiğinde, borulama sistemindeki toplam yük kaybı aşağıdaki denklemden elde edilebilir: Toplam yük kaybı(genel): h,toplam = h,sürekli+h,yerel = V Vj f D g g i i i i K, j i j i: Sabit çaplı boru bölümlerinin her birini, j: yerel kayba yol açan her bir elemanı, temsil etmektedir. O halde boru çapı sabit olduğu bir uygulamada; Toplam yük kaybı (D=sbt): V h, toplam ( f K) D g. (5) Akış kayıplarını azaltmak: *Akış hızını düşürün. Çünkü basma kayıpları laminar akışta hıza eşit olarak değişirken türbülanslı akışta hızın karesiyle orantılı değişir. Akış hızı bir sistemde debi azaltılarak veya sabit bir debi için boru çapı büyültülerek düşürülür. *Sıvının viskozitesinin düşürülmesi. Fuel-oil gibi viskozitesi çok yüksek olan sıvılarda onları ısıtmak akışkanlıklarını arttırır. Ancak ısıtarak viskozite düşürmek genelde pratik bir uygulama değildir. *Girdap ve türbülansların en aza indirilmesi. Bu, boru ve elemanlarında keskin köşelerden, ani kesit değişimlerinden, pürüzlü iç yüzeylerden kaçınmak suretiyle dikkatli sistem tasarımıyla sağlanabilir. Buna rağmen, standart boru ve bağlantı elemanlarının kullanılması ekonomik olacaksa bunları basınç kayıplarını en aza indirecek şekilde seçmek gerekir. Notlar: *Ani duraklama ve genişlemelerde K faktörü giriş A1 yüzeyi ile çıkış A yüzeyi oranına bağlıdır. Ani genişleme durumunda Tablo 1.1 de K faktörünü belirlemek için basit bir formül verilmiştir. Ani daralma durumunda aynı formül kullanılmaz ve K değeri tablodan uygun olan oranına göre seçilir. *Şayet boru tank veya depoya bağlanıyorsa, A1/A oranı sıfır alınabilir. Bundan dolayı K=1 alınır. Bir tank veya depodan bir boruya girişte A/A1 oranı sıfır alınabilir, böylece K=0,5 alınır.

5 *Yavaş daralmalar için, gittikçe incelen veya iyi yuvarlatılmış geçişlerde basma kaybı ihmal edilebilir. Kademeli genişlemelerde K faktörü duvarın eğimine bağlıdır. Şayet açı 50 0 yi aşarsa etkisi ani genişleme gibi olur ve K=1 alınabilir. Şayet açı çok keskin ise ve 10 0 nin altında ise basma kayıpları ihmal edilebilir ve K = 0 alınabilir. *Vana için K faktörü (ve ayrıca basma kaybı) valfin açılma oranına bağlıdır. Valf tamamen kapalı olduğunda K faktörü sonsuz olduğunda tam basma kaybı vardır (akış olmaz). Tam akış olan bir sistemde valf normal olarak tamamen açıktır. Buna rağmen, tasarım mühendisleri valfleri seçerken ayar emniyeti sağlamak üzere ½ veya ¾ açık olarak dikkate alırlar. Bazı durumlarda kısma, kontrolün önemli bir parçasıdır, sıvı akış sistemini tasarlarken düşük bir kısma gerekebilir. *Sabit boru çaplarında uygun boyutlu bağlantı elemanları kullanılabilir. u hızı bütün bağlantı elemanlarında sabit kabul edilir. Böylece toplam K faktörü bütün bağlantı elemanlarının K değerlerinin toplamı olarak alınabilir. Sürtünme kaybının bulunması: Sürtünme kaybının bulunması ile ilgili bazı tablo diyagramlar bulunmaktadır. Fakat bunların içinden Şekil-1.de gösterilen Moody diyagramı çok geniş kullanıma sahiptir. Moody diyagramı aslında sürtünme faktörü (sol y ekseninde) ve Reynolds sayısı (x ekseninde) nın logoritmik ölçekte çizimidir. Sağ taraftaki y ekseni şu şekilde tanımlanan bağıl pürüzlülük değerini verir: Mutlak pürüzlülük ( ) Bağıl pürüzlülük ( R )...(6) Boru çapı(d) Mutlak pürüzlülük yüzeydeki girinti çıkıntıların ortalama yüksekliğidir ve borunun malzemesine ve üretim yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Tipik mutlak pürüzlülük değerleri Moody diyagramı içinde gösterilmiştir. Ekstrüzyonla üretilen (demir dışı) borular, cam ve plastik borular çok hassas yüzeye sahiptir ve tamamen sürtünmesiz olarak kabul edilebilir. En düşük sürtünme faktörü (verilen bir Reynolds sayısı ile) en aşağıdaki eğri pürüzsüz borular ı göstermektedir. Reynolds sayısı 000 ın altında ise akış aminar dır. aminar akışta sürtünme faktörü, pürüzlülükten bağımsız olarak sadece Reynolds sayısına bağlıdır. Bu, diyagramın sol tarafında aşağıya doğru düz bir çizgi olarak gösterilmiştir. Sadece aminar akış için; 64 flamin ar... (7) Re Diyagramda sağa yatay olarak tamamen Türbülanslı bölgeye gelindiğinde, sürtünme faktörü Reynolds sayısından bağımsız hale gelir. Bu bölge diyagramda kesikli çizgiler halinde ayrılmıştır. Sadece bu bölge için sürtünme faktörü hızın değişmesi ile değişmez ve basma kayıpları eğrisi yatayda sabit ilerleyen bir parabol olacaktır. Sürtünmeye bağlı yük kaybı: P Vort h f..(8) g D g

6 Şekil 1. Moody Diyagramı

7 Tablo 1. Bağlantı tiplerine göre K faktörleri Örnekler: 1) Uzunluğu 1km, çapı 100mm olan borudan 0 /s su geçmesi durumunda basma yüksekliği kaybını ve böylece basınç kayıplarını hesaplayınız. Sürtünme faktörünü 0,0 ve yoğunluğu 1000 kg/m 3 kabul edin. 3 V 0*10 u,55 m/s A 0, ,55 H 0, 0 66,3 m 0,1 *9,81 H P hp P * g * H g 3 P 10 *9,81*66, kpa

8 ) Örnek 1 de verilen boru için akış hızlarına karşı basma yüksekliği kayıplarını bir tablo halinde, akış hızını 0 ve 5m/s aralığında 1m/s lik adımlarla çiziniz. Sürtünme kaybını sabit kabul ediniz. u 1000 u f 0,0 d * g 0,1 *9,81 10,u U (m/s) H (m) 0 10, 40,8 91,8 163, 55 *Sürtünme kaybı sabit kabul edildiğinde, basma kayıpları hızın karesiyle değişir. Böylelikle uzun borularda yüksek akış hızlarından kaçınmak gerektiğini görmekteyiz. 3) Viskozitesi 0,06 Pa.s olan yağ (BY=0,9), 10mm çapında, 100m uzunluğunda dökme demir bir boru içinden akmaktadır. Basma kayıplarını su hızlar için hesaplayınız. a) 1m/s b) 3m/s c) 10m/s Tablo 4. den mutlak pürüzlülük ɛ = 0,6mm bulunur. (Dökme demir için) 0,6 Bağıl pürüzlülük ise; R 0, 0016 olarak bulunur. d 10 BY=0,9 ρ=1000*0,9=900kg/m 3 a) u=1m/s için; ud 1*0,1*900 Re 1800 Akış laminar 0,06 f=64/re=64/1800=0,0356 u f 0, ,51 m d * g 0,1 *9,81 b) u=3m/s için; ud 3*0,1*900 Re 5400 Akış türbülanslı (Moody diyagramı kullanılır) 0,06 f=0,0395 ;ɛ/d=0,001 ve Re=5400 u f 0, ,1m d * g 0,1 *9,81

9 c) u=10m/s için; ud 10*0,1*900 Re 18*10 0,06 3 Akış türbülanslı (Moody diyagramı kullanılır) f=0,031 ;ɛ/d=0,001 ve Re=18*10 3 u f 0, m d * g 0,1 *9,81 4) Bir sistemde su 60m yükseğe 100mm çaplı galvanizli boru ile pompalanmakta ve aşağıdaki bağlantı elemanları bulunmaktadır: 1 adet klapeli valf ve pislik tutucu 4 adet standart 900 dirsek 4 adet dişli ünyon adet kapama valfi 1 adet ani genişleme (basınçlı tanka) Kapama valfi yarım açık konumda iken 0 /s debide sistemdeki basma kayıplarını hesaplayınız. Suyun viskozitesini 0,9*10-3 Pa.s kabul edin. 3 V 0*10 u,55 m/s A 0,1 4 ud,55*0,1*1000 Re,83*10 0,9*10 5 (Akış türbülanslı) 3 Tablo 4 ten galvanizli boru için 0,15mm mutlak pürüzlülük değeri okunur. Burdan bağıl pürüzlülük değeri ɛ/d=0,15/100=0,0015 bulunur. Moody diyagramından; f=0,05 sürtünme faktörü değeri Re=,83*10 5 ve ɛ/d=0,0015 değerleri aracılığı ile okunur. u 60,55 f 0,05 4,47 m d * g 0,1 *9,81 Tablo 1 deki faktörler kullanılarak aşağıdaki tablo elde edilir. Bağlantı Sayısı K Faktörü Toplam K Faktörü Dip vanası 1,0,0 Dirsek 4 0,9 3,6 Ünyon 4 0,05 0, Burgulu vana 1 açık, 1 yarım açık 5,0 ve 1,0 5,0 Genişleme 1 1,0 1,0 Toplam 1,0 3 numaralı formülden: u,55 K 1 3,98 m ve Toplam kayıp=4,47m+3,98m=8,45m g *9,81

10 5) 100 mm çaplı tamamen açık ve küresel vananın eşdeğer uzunluğunu bulunuz. eşd. d 0,1 k m (Tablodan K=10) f 0,0 6) Örnek 4 ü eşdeğer uzunluğu kullanarak çözünüz. K=1, f=0,05, d=0,1m bulmuştuk. eşd. d 0,1 k 1 53,3 m f 0, 05 toplam=60m+53,3m=113,3m u 113,3,55 f 0,05 8,45 m (Önceki bulduğumuz toplam kayıp ile aynı) d * g 0,1 *9,81 TESİSATIN TANITIMI Şekil. Basınç kayıpları eğitim seti şeması_1.

11 Tesisat; 45 0 ve 90 0 dirsek, T bağlantı, U bağlantı, 3mm-5mm şeffaf boru, 5mm PVC boru, PVC küresel vana, küresel vana, şiber vana, diskli vana, kosva vana, pislik tutucu, basınç regülatörü, sayaç, köşe tipi radyatör vanası, mini küresel vana, yaylı çek valf, çalpara çek valf, su haznesi, pompa ve debimetreden oluşmaktadır. Pano boyutları Pano malzemesi :1800*100 mm :Kompozit panel Deneysel ölçüm sayısı :0 Debi ölçüm aralığı :0,6-6 m 3 /h 3mm şeffaf boru dış/iç çap 5mm şeffaf boru dış/iç çap 5mm PVC boru dış/iç çap :5mm :0mm :1mm Pompa maks. basma yüksekliği :1 mss Pompa maks. debisi :160 /h

12 DENEYER Aşağıdaki maddelerde bulunan talimatları izleyerek verilen tabloyu elde ettiğiniz deneysel verilerle doldurun. I. Ana şalter ve pompa anahtarını açık konuma getirin. II. III. IV. Gösterge paneli üzerindeki ölçüm menüsüne girin. Deneyi yapılacak olan bağlantı elemanı için gereken su hattını açın ve debiyi,4 m 3 /h değerine ayarlayın. Basınç bağlantı hortumunu bağlantı elemanının girişine bağlayıp gösterge paneline kaydedin. V. Basınç bağlantı hortumunu bağlantı elemanının çıkışına bağlayıp gösterge paneline kaydedin. VI. VII. VIII. IX. Ölçüm değerlerini, gösterge panelinde hesaplanan basınç farkını aşağıdaki Tablo 3. e kaydedin. Su debisini 1,8 ve 1, m 3 /h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin. u=v/a formülünden yararlanarak akış hızlarını hesaplayın, tabloya yazın. 1 numaralı formül yardımı ile K değerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplayın. Debi Çap Bağlantı Elemanı [m 3 /h] [m] 90 o Dirsek,4 0,01 90 o Dirsek 1,8 0,01 90 o Dirsek 1, 0,01 Kesit [m ] Hız [m/s] P giriş [bar] P çıkış [bar] P [bar] P [m] K deneysel K tablo 0,9 PVC TE, 3/4 (Düşey Akış),4 0,01 PVC TE, 3/4 (Düşey Akış) 1,8 0,01 PVC TE, 3/4 (Düşey Akış) 1, 0,01,0 Küresel Vana, PVC,4 0,01 Küresel Vana, PVC 1,8 0,01 Küresel Vana, PVC 1, 0,01 0,05 Küresel Vana,4 0,01 Küresel Vana 1,8 0,01 Küresel Vana 1, 0,01 0,05 Şiber Vana,4 0,01 Şiber Vana 1,8 0,01 Şiber Vana 1, 0,01 0, Diskli Vana,4 0,01 Diskli Vana 1,8 0,01 Diskli Vana 1, 0,01 10,0 Çalpara Çek Valf,4 0,01 Çalpara Çek Valf 1,8 0,01 Çalpara Çek Valf 1, 0,01,0 45 o Dirsek,4 0,01 45 o Dirsek 1,8 0,01 45 o Dirsek 1, 0,01 0,4 U Bağlantı,4 0,01 U Bağlantı 1,8 0,01 U Bağlantı 1, 0,01 1,5 Tablo. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu

13 Eleman Di, iç çap [m] A, kesit alanı [m ] Debi [m 3 /h] Hız [m/s] Reynold sayısı ɛ/d, Bağıl Pürüzlülük f, Sürtünme faktörü, Uzunluk [m] H [m] H [bar] P (deneysel) [bar] PVC şeffaf boru 3mm 0,05 4 0,97 PVC şeffaf boru 3mm 0,05 3 0,97 PVC şeffaf boru 3mm 0,05 0,97 PVC şeffaf boru 3mm 0,05 1 0,97 PVC şeffaf boru 5mm 0,00 4 0,97 PVC şeffaf boru 5mm 0,00 3 0,97 PVC şeffaf boru 5mm 0,00 0,97 PVC şeffaf boru 5mm 0,00 1 0,97 PVC boru 5mm 0,01 4 0,97 PVC boru 5mm 0,01 3 0,97 PVC boru 5mm 0,01 0,97 PVC boru 5mm 0,01 1 0,97 Tablo 3. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu. 1) Bağlantı elemanlarında yük kaybının deneysel olarak bulunması Tablo. yi talimatları izleyip deneyi yaparak deneyden elde ettiğiniz verilerle doldurunuz.,4-1,8-1, m 3 /h debiler için karşılık gelen basınç kayıplarına göre K değerlerini bulunuz. Her bağlantı elemanı için bu K değerlerinin ortalamasını alınız ve tabloya işleyiniz. (10,mSS =1 bar olarak alınız) ) Farklı düz borularda sürekli kayıpların deneysel olarak bulunması Tablo 3. ü talimatları izleyip deneyi yaparak deneyden elde ettiğiniz verilerle doldurunuz ve 4 m 3 /h debiler için karşılık gelen basınç kayıplarına göre f değerlerini ve oluşturduğu basınç kaybını bulunuz. Her üç boru için bu f değerlerini ve oluşturduğu basınç kaybını hesaplayıp tabloya işleyiniz. (10,mSS =1 bar, Kinematik viskozite=9*10-7 m /s, Boruların pürüzlülüğü=0, m, Yerçekimi ivmesi=9,81m/s olarak alınız) Malzeme ɛ (mm) Beton 0,9-9 Tahta fıçı 0,5 astik (kauçuk 0,01 İşlenmiş bakır/pirinç 0,0015 Dökme demir 0,6 Galvanizli çelik 0,15 Ticari çelik 0,046 Paslanmaz çelik 0,00 Plastik, Cam 0,0015-Pürüzsüz Tablo 4. Bazı malzemelerin mutlak pürüzlülük değerleri tablosu.