ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KMB 305 KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI - 1 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ DENEY FÖYÜ (BORULARDA SÜRTÜNME KAYIPLARI) Hazırlayan: Araş. Gör. Gediz UĞUZ SAMSUN - 2015
Dikkat: Deneye gelirken hesap makinası ve 5 adet küçük boy grafik kağıdı ve cetvel getiriniz. Bu ekipman akışkanın davranışı incelemek için tasarlanmıştır. 2 çeşit akış rejimi vardır. 1- Laminer akış rejimi 2- Türbülent (kargaşalı) akış rejimi 1883 yılında Osborne Reynold yayınladığı makalesinde borularda laminer ve türbülent akış arasındaki farklılıkları göstermiştir. Daha sonra Ludwig Prandtl, Thomas Stanton ve Paul Blasiusson yüzyılın başlarında borularda akış verilerini inceleyerek Stanton Diagramı nı oluşturmuşlardır. Klasik laboratuvar deneylerinden birisi olan borularda sürtünme kayıpları, akışkanlar mekaniğinin uygulamalı olarak öğretilmesinde önemli bir yere sahiptir. Water inlet: su girişi Water outlet : su çıkışı Uzunluk : 2300 mm boy: 1000 mm Şekil1. Ekipman Gösterimi
2: iç yarıçapı 17 mm dış yarı çapı 25 mm olan PVC kaplı sürtünmeli boru 3: iç yarıçapı 23 mm dış yarı çapı 32 mm olan PVC kaplı sürtünmeli boru 4: iç yarıçapı 6,5 mm dış yarı çapı 10 mm olan metakrilat boru 5: iç yarıçapı 16,5 mm dış yarı çapı 20 mm olan PVC kaplı düz boru 6: iç yarıçapı 26,5 mm dış yarı çapı 32 mm olan PVC kaplı düz boru 7: iç yarı çapı 20 mm olan açılı vana 8: iç yarı çapı 20 mm olan sürgülü (gate) vana 9: iç yarı çapı 20 mm olan süzgeç hattı 10: iç yarıçapı 20 mm olan diyafram vana 11: 25 mm den 40 mm ye ani genişleme 12: 30 mm uzunluğunda iç yarı çapı 2,5 mm dış yarı çapı 4 mm olan pitot tüp 13: 180 mm uzunluğunda uzun bölümü 32 mm kısa bölümü 20 mm olan ventüri tüp 14: büyük yarıçapı 25 mm küçük yarıçapı 20 mm olan diyafram 15: 40 mm den 25 mm ye daralma 16: paralel boru sistemi 17: iç yarı çapı 20 mm olan 90 lik dirsek 18: iç yarı çapı 20 mm olan T bağlantısı 19: iç yarı çapı 20 mm olan küresel vana 20: iç yarı çapı 20 mm olan 45 lik dirsek 21: 45 lik T bağlantısı 22: iç yarı çapı 20 mm olan 90 lik dirsek 23: regülatör vana 24: Bourdon manometresi : büyük basınç farklılıklarında kullanılır. 25: Su manometresi: küçük basınç farklılıklarında kullanılır. V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 : küresel vanalar Santrifüj pompa Kayıplarda K değerleri Ekipman K L/D Tamamen açık küresel vana 10 350 Tamamen açık düz açılı vana 5 175 Tamamen açık güvenlik vanası 2,5 - Tamamen açık sürgülü vana 2 135 ¾ açık sürgülü vana 1,15 35 ½ açık sürgülü vana 5,6 160 ¼ açık sürgülü vana 24 900 Tamamen açık kelebek vana - 40 Kısa çaplı 90 lik dirsek 0,9 32 Düz açılı 90 lik dirsek 0,75 27 Uzun çaplı 90 lik dirsek 0,6 20 Kısa çaplı 45 lik dirsek 0,45 - Düz açılı 45 lik dirsek 0,40 - Uzun çaplı 45 lik dirsek 0,35 - T çıkışı 1,80 67
DENEYİN YAPILIŞI Deney başlamadan önce ekipmanı elektrik gücüne bağlayınız. V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 ve V23 vanalarının kapalı olduğundan emin olunuz. Button a basarak pompayı çalıştırınız. Not: Basınç farkı 800 mm su sütunu yüksekliğinden düşük olduğu takdirde su manometresini kullanabilrsiniz. Aksi takdirde Bourdan manometresi kullanılacaktır. Basınç ölçerleri giriş ve çıkış ünitesine bağlayınız. 23 numaralı vana ile boru içinden geçen akışkanın akışını düzenleyiniz. Uygulamada 10 l/dk akış hızı ile başlayınız ve hızı 5 er l/dk arttırarak veriler kaydediniz. Uygulama A: Sürtünme Kayıplarının Hesabı Eşitlik 1 yardımıyla v (akışkanın çizgisel hızı) hesaplayarak çizelge 1 e kaydediniz. Q= A. v = Π Di 2 4 v (Eş.1) Q= Akışkanın hacimsel akış hızı A= Alan v= Akışkanın Çizgisel Akış hızı Her bir uygulamayı 5 farklı akış hızında gerçekleştiriniz. UYGULAMALAR Uygulama no Ekipman Açılacak vana Yapılacaklar 1 D i: 17 mm D 0: 25 mm V1 PVC kaplı sürtünmeli boru 2 D i: 23 mm D 0: 32 mm V2 PVC kaplı sürtünmeli boru 3 D i: 6,5 mm D 0: 10 mm V3 Metakrilat boru 4 D i: 16,5 mm D 0: 20 mm V4 V6 PVC kaplı düz boru 5 D i: 26,5 mm D 0: 32 mm V5 V7 PVC kaplı düz boru 6 Di:20 mm V4 Açılı Vana Açılı vana 7 Di:20 mm Sürgülü vana 8 Di:20 mm Diyafram vana 9 Di:20 mm Küresel vana 10 Di:20 mm süzgeç hattı 11 Di:20 mm 90 lik dirsek Di:20 mm 45 lik dirsek 12 13 14 15 Di:20 mm 45 lik T bağlantısı Di:20 mm 90 lik T bağlantısı Daralma D1= 40 mm D2 =25 mm V5 Sürgülü vana V6 Diyafram vana V7 Küresel vana V6 Süzgeç hattı V7 v16 V7 v19 V7 ve 45 lik T bağlantısı V7 ve 90 lik T bağlantısı V6 Daralma Verileri Çizelge 1 e kaydediniz. log(v)yatay eksende olacak şekilde log(v) log(h f) grafiği çiziniz.
16 Ani Genişleme D1= 25 mm D2 =40 mm V6 Ani genişleme Eş. 1 yardımıyla V1 ve V2 hesaplayınız. Eşirlik 5 ile λ Eşitlik 6 ile ΔP T ve hesaplayınız. Verileri Çizelge 1 ve 2 yi doldurunuz. 17 D büyük = 25 mm D küçük =20 mm Diyafram V6 Diyafram Eş. 1 yardımıyla V1 ve V2 hesaplayınız. Eşirlik 5 ile λ Eşitlik 6 ile ΔP T ve hesaplayınız. Verileri Çizelge 1 ve 2 yi doldurunuz 18 Ventürimetre D1= 32 mm D2 =20 mm V6 - Ventürimetre V2 yi hesaplayınız. Eşitlik 7 ile C hesaplayınız. Eşitlik 1 ile Q v hesaplayarak Çizelge 1 ve 3 ü doldurunuz 19 Pitot Tüo V6 Pitot Tüp V2 yi hesaplayınız. Eşitlik 8 ile C hesaplayınız. Eşitlik 1 ile Q p hesaplayarak Çizelge 1ve 3 ü doldurunuz --- 1. ve 2. uygulama için log(v) log(h f ) grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmeli ortamda hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. --- 3., 4., ve 5. uygulama için log(v) log(h f ) grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmesiz ortamda hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. ---- 1.,2., 3., 4., ve 5. uygulama için log(v) log(h f ) grafiklerini göz önünde bulundurarak hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. Pürüzlülük konusunun basınç düşüşüne etkisini tartışınız. log(h f ) log (v)
Çizelge 1: Veri Tablosu Uygulama no Akışkanın hacimsel akış hızı Q - (l/dk) Akışkanın hacimsel akış hızı Q - (m 3 /dk) Akışkanın çizgisel hızı - v (m/s) h 1 akışkanın giriş basıncı mm H2O h 2 akışkanın giriş basıncı mm H2O Basınç Düşüşü - h f - mm H 2O h 2 - h 1 log(h f) log(v) Re f n ε K Uygulama B: Sürtünme katsayısı(k) hesabı Eşitlik 2 i kullanarak f i hesaplayınız ve Çizelge 1 e kaydediniz. f= h f * ( D L ) (2 g v 2 ) (Eş.2) Eşitlik 3 i kullanarak n i hesaplayınız ve Çizelge 1 e kaydediniz. Q 2 h f = 10,3 * n 2 * ( D i 5,33) L (Eş.3) ε: pürüzlülük katsayısı ( boyutsuz) h1: borunun girişindeki su yüksekliği (m) h2: borunun çıkışındaki su yüksekliği (m) hf: basınç düşüşü hf: h 2 h 1 f: sürtünme katsayısı (boyutsuz) L: boru uzunluğu D i : borunun içi çapı (m) v: çizgisel hız (m/s) g: yerçekimi ivmesi (9,81 m/s 2 ) Q: hacimsel akış hızı (m 3 /s) n: deneysel katsayı (boyutsuz) Hesaplanan Re sayısı ve f i kullanarak Moody diyagramı yardımıyla ε yi hesaplayınız. Çizelge 1 e kaydediniz. Re- f grafiğini çiziniz. Grafik yardımıyla sürtünme katsayısı (f) Re sayısı ile nasıl değişir? Yorumlayınız. f Re
--- 1. ve 2. uygulama için Re f grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmeli ortamda hangi boru çapı daha fazla sürtünme katsayısına sahiptir? Yorumlayınız. --- 3., 4., ve 5. uygulama için Re f grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmesiz ortamda hangi boru çapı daha fazla sürtünme katsayısına sahiptir? Yorumlayınız. ---- 1.,2., 3., 4., ve 5. uygulama için Re f grafiklerini göz önünde bulundurarak hangi boru çapı sürtünme katsayısına sahiptir? Yorumlayınız. Pürüzlülük konusunun sürtünme katsayısına etkisini tartışınız. Uygulama C: Ekipmanlarda Basınç Düşüşü Eşitlik 4 yardımıyla K değerlerini hesaplayarak çizelge 1 e kaydediniz. h f = K* v2 2 g (Eş.4) hf= λ*(1- D12 V12 D22) (Eş.5) 2 g ΔP T = ρ 2 (v12 v2 2 ) (Eş.6) V= C. 2 g (h1 h2) 1 ( D2 D1 )2 (Eş.7) Ventürimetre için V= C. 2(P0 Ps) 1 2 ρ (Eş. 8) Pitot Tüp için ΔP T : Basınç Düşüşü λ: Deneysel katsayı (boyutsuz) v1: ani genişleme için akışkanın girişteki çizgisel hızı (m/s) D1: 25 mm v2: ani genişleme için akışkanın çıkıştaki çizgisel hızı (m/s) D2:40 mm C: deşarj faktörü Q v : Ventürimetre için hacimsel akış hızı Q P : Pitot tüp için hacimsel akış hızı Uygulama 6.,7., 8, 9. 10. 11. 12. için Q- K grafiğini çiziniz. K Q 6., 7., 8., ve 9. Uygulamalar K- Q grafiklerini kullanarak için hangi vanadaki basınç düşüsü en fazladır? Yorumlayınız.
Çizelge 2 Q (l/dk) V1 m/s V2 m/s ΔP r = h f (mm) ΔP t ΔP t - ΔP r λ K Q Çizelge 3 Q (l/dk) Q (m 3 /dk) V2 (m/s) Q V Q P HAZIRLIK SORULARI 1- Akış türleri nelerdir? Açıklayınız. 2- Reynold sayısını kim ve ne zaman bulmuştur? 3- Reynold sayısını yazınız. Reynold sayısı neyi ifade eder? Açıklayınız. 4- Reynold sayısı içindeki değişkenleri tanımlayınız. 5- Vizkozite nedir? Formülleri ile çeşitlerini açıklayınız. 6- Kinematik vizkozite sıcaklıkla nasıl değişir? 7- Darcy Weisbach denklemi nasıldır? Neyi ifade eder? Eşitlikleri değişkenleri birimleri ile tanımlayınız. 8- Moody diyagramı ne için kullanılır? Açıklayınız. 9- f Re sayısı arasındaki ilişkiyi açıklayınız. 10- Kaç çeşit vana vardır? Hangi amaçlar için tasarlanmışlardır? 11- Bernoulli denklemi hangi ifadeleri içerir? Bernoulli denklemini yazarak hangi amaç için kullanıldığını açıklayınız. 12- Newtonian akışkan ve newtonian olmayan akışkan nedir? Örneklerle açıklayınız. 13- Newtonian bir akışkanın yatay bir boru içindeki akışı için momentum akısı, hız profili ve duvara uygulanan kuvvet için ifadeler geliştiriniz. 14- Sıkıştırılabilen ve sıkıştırılamayan akışkanlara 2 adet örnek veriniz? 15- Akış ölçerler kaça ayrılır? Şekillerini çiziniz. 16- Akışkanlar mekaniğinde yaygın olarak kullanılan ekipmanlar nelerdir? 17- Endüstride kullanılan pompa çeşitleri nelerdir? 18- Bir akışkanı bir yerden belli bir yüksekliğe taşımak için yapılması gereken boru hattı tasarımı yaparken hangi ekipmanları kullanırsınız? 19- Boru hattı tasarımı yaparken nelere dikkat edilmelidir? 20- İnterpolasyon ve ekstrapolasyon nasıl hesaplanır? Gösteriniz. 21- Aşağıdaki problemleri çözünüz. 1. Geniş bir tankta bulunan su d=100mm çaplı ve L=450m uzunluğundaki bir borudan atmosfere boşalmaktadır. Depodan boruya keskin kenarlı bir giriş olup, H=12 m için, düz boru kayıp katsayısı f=0.04 alınarak sistemin debisini bulunuz. (Kkeskin,giriş=0.5) (Soruyu çözmeden önce şekil çizmek zorunludur.)
2. Şekildeki A ve B tankı arasında bulunan 20 m uzunluğundaki boru dökme demirden yapılmış olup debisi Q= 0,0020 m 3 /s dir. Aşağıdaki verileri kullanarak borunun çapını hesaplayınız. K hç = 0,5 ; K dirsek = 1,5; K hg =1; f=0,032 3. Aşağıdaki şekilde gösterilen su haznesinden sifonlama yoluyla su çekilmektedir, burada sifonun debisini bulunuz. Akışın sürtünmesiz olduğunu kabul ediniz. 4. Aşağıdaki şekil de görülen bir pompa sistemi 45 L/s debide suyu pompalamak için kullanılıyor. Aşağıdaki bilgilere göre; Eğimli Bir Pompada Akışkan Devresi a) 1 ve 2 arasındaki kayıpları ihmal ederek Verim %60 ise pompa basıncını, hesaplayınız. b) 1 ve 2 arasındaki basma kaybı 6m ise Verim %60 ise pompa basıncını, hesaplayınız.
MOODY DİYAGRAMI