مهندسی نساجی گیلان:. گیل تکس

سایت تخصصی نساجی و پوشاک

مهندسی نساجی گیلان:. گیل تکس

سایت تخصصی نساجی و پوشاک

آزمایش یازدهم :اندازه گیری دبی در لوله ها

آزمایش یازدهم :اندازه گیری دبی در لوله ها

هدف آزمایش :

 آشنایی با روش های متداول اندازه گیری شدت جریان یا دبی در لوله ها

تئوری آزمایش :
 در دستگاه ها و سیستم های مختلف اعم ازباز و بسته  که به نوعی با جریان سیال در ارتباط هستند، عموما˝ لازم است که میزان سیال عبوری از یک محل اندازه گیری شود. اندازه گیری میزان جریان آب، نفت و گاز در لوله ها یا کانال ها را می توان به عنوان نمونه های بارز برشمرد.

   روش های متنوعی جهت اندازه گیری شدت جریان سیال یا دبی وجود دارد. شاید بتوان گفت که ساده ترین راه اندازه گیری دبی، سنجش حجم یا وزن سیال عبوری در مدت زمان مشخص است که روش اول را دبی سنجی حجمی و روش دوم را دبی سنجی وزنی می نامیم. در دبی سنج های حجمی و وزنی مدت زمان لازم برای پر شدن ظرفی با حجم یا وزن مشخص اندازه گیری می شود و با استفاده از روابط زیر میزان دبی محاسبه می شود:

                                            (1-11)                                                

در روابط فوق، t زمان پر شدن ظرف، V حجم سیال پرشده داخل ظرف، w وزن سیال پر شده داخل ظرف و ρ وزن مخصوص سیال و Q دبی جریان می باشد.

   در این آزمایش با پنج وسیله مختلف اندازه گیری شدت جریان در لوله ها آشنا می شویم. این وسایل عبارتند از: ونتوری متر، پخش کننده (Diffuser) یا بازشدگی، روزنه (Orifice)، زانویی یا خم (Bend or Elbow)، و دوارسنج (Rotameter). در شکل(1)  مشخصات وسیله آزمایشی به صورت شماتیک ارائه گردیده است.

 


شکل (1-a)

 


شکل (1-b)

   جهت محاسبه دبی از چهار روش اول مذکور در فوق از حل هم زمان معادلات انرژی و پیوستگی استفاده می کنیم. اگر رابطه برنولی را با فرض عدم تلفات انرژی بین دو مقطع متوالی 1و2 بنویسیم (بعنوان مثال بین مقطع A و B در شکل (1) خواهیم داشت:

                                                         (11-2)                                  

  رابطه پیوستگی بین دو مقطع 1 و 2 نیز به صورت زیر می باشد:

                                                        (11-3)                                                     

با ترکیب دو رابطه (2) و (3) خواهیم داشت:     

                     (11-4)      

 

 در رابطه فوق h مقدار ارتفاع نظیر فشار نسبت به سطح مبنا می باشد. (h = Z – p / γ) که مقدار نسبی آن از لوله پیزومتر قابل خواندن است.

تئوری مربوط به افت انرژی در هر قسمت و تعیین ضرایب افت :

 در روزنه و خم، مقدار تلفات انرژی قابل توجه بوده و اگر ار آن صرفنظر شود خطای قابل ملاحظه ای در اندازه گیری بوجود می آید. به منظور کاربردی نمودن رابطه (4) در عمل از ضریب تصحیح استفاده می شود که برای هر یک از دستگاه ها با استفاده از رابطه زیر قابل محاسبه است:

                                                                     (11-5)                                                                           

که در آن   دبی محاسبه شده از رابطه (11-4) و  دبی اندازه گیری شده واقعی می باشد. مقدار K عموما˝ تابع شکل و مشخصات دستگاه و میزان دبی و مشخصات سیال عبوری است.

 به کمک رابطه برنولی می توان مقدار افت انرژی در هر قسمت را محاسبه نمود. از طرف دیگر معمولاً افت انرژی را بصورت مضربی از انرژی جنبشی ورودی به آن قسمت به صورت رابطه (11-6) نشان میدهد.

                                                             (11-6)                                                                   

حال با تعیین افت انرژی و انرژی جنبشی ورودی می توان ضریب افت (K) هر قسمت رابه کمک روابط زیر بدست آورد.

الف- ونتوری متر :

به کمک رابطه برنولی و با صرفنظر کردن از افت انرژی بین مقاطع ورودی و گلوگاه ونتوری میتوان رابطه (11-7) را جهت محاسبه دبی در ونتوری بکار برد.

                                             (11-7)                                         

که در آن AA و AB به ترتیب سطح مقطع A  و B و همچنین hA و hB ارتفاع آب در لوله های پیزومتری می باشد.

نظر به اینکه قطر ونتوری در مقاطع ورودی و خروجی آن برابر است، لذا افت انرژی آن از رابطه (11-8) بدست می آید.

                                             (11-8)                                                                                        

از طرف دیگر با توجه به رابطه پیوستگی بین مقاطع ورودی و گلوگاه ونتوری و رابطه برنولی و معلوم بودن نسبت سطوح دو مقطع که برابر با 0.38 است (قطر ورودی ونتوری 26 میلیمتر و قطر گلوگاه ونتوری 16 میلیمتر است) انرژی جنبشی ورودی محاسبه می گردد.

                                              (11-9)                                              

به کمک روابط (11-8) و (11-9) میتوان ضریب افت انرژی ونتوری را  از رابطه (11-6) بدست آورد.

ب- دیفیوزر (انبساط مخروطی) :

 به کمک معادله برنولی افت انرژی در انبساط مخروطی از رابطه (11-10) قابل محاسبه است. 

                                           (11-10)                                      

ضمناً بعلت مساوی بودن قطر ورودی و خروجی، انرژی جنبشی آنها هم یکسان است. پس به سهولت می توان ضریب افت آن را از رابطه (6) بدست آورد.

                                          (11-11)                                                                    

 

 

ج- اوریفیس متر :

به علت شکل خاص اوریفیس متر که بین مقاطع F و E نصب شده است افت انرژی جزئی نیست و نمی توان در بکاربردن رابطه برنولی از آن صرفنظر نمود. نظر به اینکه اختلاف ارتفاع پیزومترهای E و F  خود ناشی از افت انرژی بین این مقاطع هم می باشد. لذا می توان به کمک رابطه برنولی نتیجه گرفت که :

                                        (11-12)                                                     

در آن K‌ به نام ضریب تخلیه دستگاه می باشد و برای اوریفیس خاص نصب شده روی دستگاه مقدار آن برابر با 0.601 می باشد.

با توجه به نسبت قطر ورودی اوریفیس متر به ونتوری متر که تقریباً عدد 2 است می توان دریافت که انرژی جنبشی ورودی آن  انرژی جنبشی ورودی به ونتوری متر است. ضمناً افت انرژی در اوریفیس متر از رابطه (11-13) محاسبه می شود.

 

                                        (11-13)                                                            

حال با تعیین این مقادیر میتوان ضریب افت انرژی در اوریفیس متر را بدست آورد. 

د – زانوئی 90 درجه :

 به کمک رابطه برنولی بین نقاط Gو H (ورودی و خروجی زانوئی و همچنین رابطه تعادلی در لوله های پیزومتری- فشار در روی سطح مایع در لوله های G و H یکسان است)، می توان افت انرژی در زانوئی با قطر تبدیلی را از رابطه (14) بدست آورد.

                                      (11-14)                                        

ضمناً انرژی جنبشی ورودی به زانوئی   انرژی جنبشی ورودی به ونتوری است.

ﮪ - روتامتر :

  دوارسنج از یک لوله شفاف با قطر متغیر و وزنه ای مخروطی شکل در داخل آن تشکیل شده است. وقتی سیال جریان ندارد وزنه مخروطی در پایین ترین وضعیت قرار داشته و هیچگونه فاصله بین وزنه و جداره های لوله وجود ندارد. هنگامی که جریان سیال برقرار است در اثر نیروی وارده و لزوم وجود راهی جهت عبور آب، وزنه مخروطی به سمت بالا حرکت می کند. وزنه تا جایی بالا می رود که نیروهای وزن، شناوری و نیروی ناشی از حرکت سیال با یکدیگر در حالت تعادل باشند. نیروی وارده به وزنه در اثر جریان آب را نیروی دراگ نامیده شده و به صورت زیر نمایش داده می شود:

                                     (11-15)                                                                  

که در آن ضریب کشش (Drag Coefficient)، ρ چگالی، A سطح مقطع وزنه در مقابل آب و V سرعت متوسط سیال است. نیروی وزن و نیروی شناوری مقداری ثابت و تابع جنس و شکل وزنه می باشد. پس از ساخت دوارسنج ها، آنها را مدرج کرده و در کارخانه کالیبره (یا واسنجی) می کنند. بدین معنی که دبی جریان را با وسیله مطمئن دیگری اندازه گیری کرده و برای هر ارتفاع از وزنه عدد مربوطه را یادداشت می کنند. نتایج نهایی به صورت نمودارهایی مطابق شکل3  ارائه می گردد. طبیعتا˝ نمودار مربوط به هر دستگاه باید به صورت مستقل تهیه شود. شکل 3 مربوط به دستگاه این آزمایش می باشد.

    با انتخاب حجم کنترلی مطابق شکل (2) که شامل مخروط شناور باشد وبا به کاربردن رابطه برنولی و تغییرات مقدار حرکت بین مقاطع 1 و 2 می توان نتیجه گرفت که افت انرژی بین این دو مقطع مقداری است ثابت و به L (محل قرارگرفتن شناور) بستگی ندارد. از طرف دیگر چون این افت به سرعت سیال در اطراف شناور بستگی دارد پس می توان نتیجه گرفت که سرعت سیال در اطراف شناور هم ثابت است. اگر مقدار سرعت سیال را با V و سطح مقطع گذر سیال را با Af  نشان دهیم میتوان مقدار دبی سیال را از رابطه (11-16) که در آن θ بر حسب رادیان است بدست آورد.

                                  (11-16)                                                                                                                                                                                       


 

شکل (2)

 

مشاهده می شود که مقدار دبی در روتامتر به L به صورت خطی بستگی دارد.

افت انرژی در روتامتر از رابطه (11-17) قابل مقایسه است.

                                            (11-17)                                                                                                       

همانطور که قبلاً ذکر شد با یک نظر اجمالی در نتایج آزمایش می توان دریافت که افت انرژی در روتامتر مستقل از دبی است و مقدار ثابتی می باشد.

با توجه به قطر ورودی روتامتر می توان دریافت که انرژی جنبشی ورودی آن برابر با انرژی جنبشی ورودی ونتوری متر است.

 

 

روش انجام آزمایش :

1- قبل از شروع آزمایش و اندازه گیری دقت کنید که هیچ حباب هوایی در داخل دستگاه آزمایش و پیزومترها نباشد. در صورت وجود حباب، شیرهای ابتدا و انتهای دستگاه را کاملا˝ باز کنید تا حباب ها به همراه جریان خارج شوند. همچنین می توان با بازکردن پیچ بالای پیزومترها حباب ها را خارج کرد. جهت تسریع در خروج حباب ها به آرامی ضرباتی با انگشت به قسمت های مختلف دستگاه بزنید.

برخی از ابعاد لازم جهت انجام محاسبات در شکل (1) درج شده است.

2- پس از آماده شدن، پمپ دستگاه را روشن کرده و شیر دو طرف را کاملا˝ باز نمایید و برای دبی حداکثر ارتفاع آب در پیزومترهای A تا I (شکل1) و ارتفاع مخروط دوارسنج(یعنی ارتفاع سطح بالای مخروط) را قرائت نموده، یادداشت کنید. ارتفاع آب در کلیه پیزومترها باید در محدوده مدرج شده واقع شوند. دبی جریان را به طریقه حجمی نیز اندازه بگیرید.(توسط میز آزمایشگاهی)

با یادداشت نمودن ارتفاع پیزومترها و مقیاس روتامتر و تعیین دبی توسط میز آزمایشگاهی می توان ضرایب افت هر قسمت ونتوری، دیفیوزر، اوریفیس، زانوئی و روتامتر را تعیین نمود.

3- جهت تعیین تغییرات این ضرایب با دبی بهتر است با کم کردن دبی توسط شیر خروجی دستگاه، آزمایش را در ده مرحله انجام داده و جدول (1) را تکمیل نمایید.

4- برای دستگاه های ونتوری متر، پخش کننده، روزنه و خم، اختلاف تراز آب در پیزومترهای دوطرف دستگاه، دبی محاسباتی و ضریب تصحیح دبی را برای هر یک از دبی ها محاسبه و در جدول ثبت کنید. در این جدول و  تراز آب در نقاط 1 و 2 در دو طرف هر وسیله بوده که به ترتیب زیر قرائت می شوند:

- برای ونتوری متر در نقاط A و B

- برای پخش کننده در نقاط C و D

- برای روزنه در نقاط F و E (تذکر: برای نقطه E سطح مقطع کل لوله و برای قسمت F سطح مقطع قسمت تنگ شده روزنه را در نظر بگیرید.)

- برای خم در نقاط H و G 

در جدول فوق  دبی اندازه گیری شده به طریقه وزنی یا حجمی و  دبی محاسبه شده با استفاده از رابطه (4) می باشد.

5- جدولی مشابه جدول بالا که حاوی یک ستون دیگر به عنوان " ارتفاع مخروط در دوارسنج (mm)" باشد، تهیه و نتایج و قرائت ها و محاسبات دوارسنج را در آن ثبت کنید. 6- منحنی های زیر را ترسیم کنید:

- منحنی تغییرات - و -K و بهترین خط برازش داده شده بر آنها، برای هر وسیله در یک صفحه

- منحنی تغییرات - کلیه وسایل در یک صفحه

- منحنی تغییرات-K کلیه وسایل در یک صفحه

- منحنی تغییرات - کلیه وسایل در یک صفحه

- منحنی تغییرات - و بهترین خط برازش داده شده بر آنها، برای هر وسیله در یک صفحه

- منحنی تغییرات - برای کلیه وسایل در یک صفحه

7- نتیجه گیری و برداشت شخصی خود را در کنار هر یک از منحنی های ترسیم شده یادداشت کنید.

8- بعد از انجام آزمایش و تکمیل محاسبات جدول، تغییرات دبی جرمی بدست آمده توسط میز آزمایشگاهی را بر حسب دبی جرمی بدست آمده از ونتوری متر، اوریفیس متر و رتامتر تماماً در روی مقیاس 1 رسم نمائید نتیجه ای که از این نمودار بدست می آورید ذکر نمائید. نصب هر سه وسیله دبی سنج را در تاسیسات هیدرولیکی مقایسه کنید.

9-مقدار ضریب سرریز را حساب کرده و منحنی تغییرات دبی و ضریب c را بر حسب ارتفاع پشت سرریز

 رسم  نمایید.

خواسته ها و محاسبات :

1- با توجه به توضیحات رابطه (4)، چرا پیزومتر ارتفاع نظیر فشار را به صورت نسبی می دهد؟

2- مزایا و معایب هر یک از روش های اندازه گیری دبی که در این آزمایش با آن آشنا شدیم چیست؟ (به طور نسبی)

3- چرا هرچه دبی بیشتر می شود وزنه روتامتر بالاتر می رود؟

4- چرا افت فشار در روتامتر تقریبا˝ ثابت است؟

 

اندازه گیری دبی در لوله ها دبی لوله شدت جریان سیال
مدیر سایت دوشنبه 29 آذر‌ماه سال 1389 ساعت 04:17 ب.ظ
نظرات 0 + ارسال نظر
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد