Akışkanlar Mekaniği Deney Föyü - Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Transkript
Akışkanlar Mekaniği Deney Föyü - Ondokuz Mayıs Üniversitesi
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. Şekil1. Ekipman Gösterimi Water inlet: su girişi Water outlet : su çıkışı Uzunluk : 2300 mm boy: 1000 mm 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 Ekipman Tamamen açık küresel vana Tamamen açık düz açılı vana Tamamen açık güvenlik vanası Tamamen açık sürgülü vana ¾ açık sürgülü vana ½ açık sürgülü vana ¼ açık sürgülü vana Tamamen açık kelebek vana Kısa çaplı 90 ˚’lik dirsek Düz açılı 90 ˚’lik dirsek Uzun çaplı 90 ˚’lik dirsek Kısa çaplı 45 ˚’lik dirsek Düz açılı 45 ˚’lik dirsek Uzun çaplı 45 ˚’lik dirsek T çıkışı Kayıplarda K değerleri K 10 5 2,5 2 1,15 5,6 24 0,9 0,75 0,6 0,45 0,40 0,35 1,80 L/D 350 175 135 35 160 900 40 32 27 20 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. 𝛱∗𝐷𝑖 2 Q= A. v = ∗ 𝑣 (Eş.1) 4 Q= Akışkanın hacimsel akış hızı A= Alan v= Akışkanın Çizgisel Akış hızı Her bir uygulamayı 5 farklı akış hızında gerçekleştiriniz. UYGULAMALAR Uygulama no 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Ekipman Di: 17 mm D0: 25 mm PVC kaplı sürtünmeli boru Di: 23 mm D0: 32 mm PVC kaplı sürtünmeli boru Di: 6,5 mm D0: 10 mm Metakrilat boru Di: 16,5 mm D0: 20 mm PVC kaplı düz boru Di: 26,5 mm D0: 32 mm PVC kaplı düz boru Di:20 mm Açılı vana Di:20 mm Sürgülü vana Di:20 mm Diyafram vana Di:20 mm Küresel vana Di:20 mm süzgeç hattı Di:20 mm 90˚’lik dirsek Di:20 mm 45˚’lik dirsek Açılacak vana Yapılacaklar V1 V2 V3 V4 – V6 V5 – V7 V4 – Açılı Vana V5 – Sürgülü vana V6 – Diyafram vana V7 – Küresel vana V6 – Süzgeç hattı V7 – v16 V7 – v19 Di:20 mm 45˚’lik T bağlantısı V7 ve 45˚’lik T bağlantısı Di:20 mm 90˚’lik T bağlantısı V7 ve 90˚’lik T bağlantısı Daralma D1= 40 mm D2 =25 mm V6 – Daralma Verileri Çizelge 1 ‘e kaydediniz. log(v)yatay eksende olacak şekilde log(v) – log(hf) grafiği çiziniz. 16 17 18 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 ΔPT ve hesaplayınız. Verileri Çizelge 1 ve 2’yi doldurunuz. Dbüyük= 25 mm Dküçük =20 mm Diyafram V6 – Diyafram Eş. 1 yardımıyla V1 ve V2 hesaplayınız. Eşirlik 5 ile λ Eşitlik 6 ile ΔPT ve hesaplayınız. Verileri Çizelge 1 ve 2’yi doldurunuz V6 - Ventürimetre Ventürimetre D1= 32 mm D2 =20 mm V6 – Pitot Tüp Pitot Tüo 19 V2’yi hesaplayınız. Eşitlik 7 ile C hesaplayınız. Eşitlik 1 ile Qv hesaplayarak Çizelge 1 ve 3’ü doldurunuz V2’yi hesaplayınız. Eşitlik 8 ile C hesaplayınız. Eşitlik 1 ile Qp hesaplayarak Çizelge 1ve 3’ü doldurunuz --- 1. ve 2. uygulama için log(v) – log(hf) grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmeli ortamda hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. --- 3., 4., ve 5. uygulama için log(v) – log(hf) grafiklerini göz önünde bulundurarak sürtünmesiz ortamda hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. ---- 1.,2., 3., 4., ve 5. uygulama için log(v) – log(hf) grafiklerini göz önünde bulundurarak hangi boru çapında kayıp daha fazladır? Yorumlayınız. Pürüzlülük konusunun basınç düşüşüne etkisini tartışınız. log(hf) log (v) Çizelge 1: Veri Tablosu Akışkanın hacimsel akış hızı Q - (l/dk) Uygulama no Akışkanın hacimsel akış hızı Q (m3/dk) Akışkanın çizgisel hızı v (m/s) h1 akışkanın giriş basıncı mm H2O h2 akışkanın giriş basıncı mm H2O Basınç Düşüşü - hf mm H2O h2 - h1 log(hf) log(v) Re Uygulama B: Sürtünme katsayısı(K) hesabı Eşitlik 2’i kullanarak f’i hesaplayınız ve Çizelge 1’e kaydediniz. 𝐷 2∗𝑔 𝐿 𝑣2 f= hf* ( ) ∗ ( ) (Eş.2) Eşitlik 3’i kullanarak n’i hesaplayınız ve Çizelge 1’e kaydediniz. 2 hf = 10,3 * n * ( 𝑄2 𝐷𝑖 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: h2 – h1 f: sürtünme katsayısı (boyutsuz) L: boru uzunluğu Di: borunun içi çapı (m) v: çizgisel hız (m/s) 2 g: yerçekimi ivmesi (9,81 m/s ) 3 Q: hacimsel akış hızı (m /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 f n ε K --- 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. 𝑣2 hf = K* 2∗𝑔 hf= λ*(1- (Eş.4) 𝐷12 𝑉12 ) 𝐷22 2∗𝑔 (Eş.5) 𝜌 ΔPT = (𝑣12 − 𝑣22 ) (Eş.6) 2 2∗𝑔∗(ℎ1−ℎ2) V= C. √ V= 𝐶. 𝐷2 2 ) 𝐷1 1−( 1 2(𝑃0−𝑃𝑠) ⁄2 𝜌 (Eş.7) – Ventürimetre için (Eş. 8) – Pitot Tüp için ΔPT: 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 Qv: Ventürimetre için hacimsel akış hızı QP: 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. Q – (l/dk) V1 – m/s V2 – m/s Çizelge 2 ΔPr= hf (mm) ΔPt ΔPt - ΔPr λ K Q Q (l/dk) 3 Q (m /dk) Çizelge 3 V2 (m/s) QV QP 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 3 m /s’dir. Aşağıdaki verileri kullanarak borunun çapını hesaplayınız. Khç= 0,5 ; Kdirsek= 1,5; Khg=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