MAKİNE MÜHENDİSLİĞİmakine.adiyaman.edu.tr/Files/makine/belgeler/MAK421_Lab2/...2) Örnek...

ADIYAMAN ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ

MAK 421

MAKİNE LABORATUVARI II

BASINÇ KAYIPLARI EĞİTİM SETİ

DENEY FÖYÜ

2018

İÇİNDEKİLER

TEORİK BİLGİLER ............................................................................................................................... 3

Yerel Kayıplar ..................................................................................................................................... 3

Eşdeğer Uzunluk Leşd .......................................................................................................................... 4

Toplam Yük Kaybı .............................................................................................................................. 4

Akış kayıplarını azaltmak .................................................................................................................... 4

Notlar ................................................................................................................................................... 4

Sürtünme kaybının bulunması ............................................................................................................. 5

TESİSATIN TANITIMI ........................................................................................................................ 10

DENEYLER .......................................................................................................................................... 12

1) Bağlantı elemanlarında yük kaybının deneysel olarak bulunması ................................................ 13

2) Farklı düz borularda sürekli kayıpların deneysel olarak bulunması .............................................. 13

TABLOLAR-ŞEKİLLER

Şekil 1. Moody Diyagramı ...................................................................................................................... 6 Tablo 1. Bağlantı tiplerine göre K faktörleri ........................................................................................... 7 Şekil 2. Basınç kayıpları eğitim seti şeması_1. ..................................................................................... 10 Tablo 2. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu ................................... 12 Tablo 3. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu. .................................. 13 Tablo 4. Bazı malzemelerin mutlak pürüzlülük değerleri tablosu. ........................................................ 13

TEORİK BİLGİLER

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 KL cinsinden (direnç katsayısı olarak da bilinir) şöyle

ifade edilebilir:

Kayıp katsayısı: 2 / (2 )

LL

hK

V g ……………………………………………………………………(1)

(ani genişleme için) (1 )küçük

L

büyük

AK

A ……………………………………………………………...(2)

Burada hL boruya parça takılmasının yol açtığı ilave tersinmez yük kaybıdır ve LL

Ph

g

olarak tanımlanır.

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 20 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

gelen basınç kaybının ölçülmesi ve dinamik basınca bölünmesi ile 21

( )2

LL

PK

V

olarak bulunabilir.

Elemanın kayıp katsayısı bilindiğinde ise yük kaybı 1. formül düzenlenerek:

2

2L L

Vh K

g ………………………………………………………...………………………(3)

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.

Eşdeğer Uzunluk Leşd:

Yerel kayıplar aşağıda tanımlanan eşdeğer uzunluk Leşd cinsinden de ifade edilebilir.

Eşdeğer Uzunluk: 2 2

2 2

eşd

L L

LV Vh K f

g D g =>

eşd L

DL K

f …………………………….(4)

Burada elemanın bulunduğu borunun çapı D ve sürtünme faktörü f’dir. Elemanın neden olduğu

yük kaybı, uzunluğu Leşd olan düz bir boru parçasından kaynaklanan yük kaybına eşdeğerdir. Bu nedenle

parçanın yük kaybına etkisi, basitçe Leşd ‘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): hL,toplam = hL,sürekli+hL,yerel

=

22

,2 2

ji ii L j

i ji

VL Vf K

D g g

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): 2

, ( )2

L toplam L

L Vh 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 A2 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/A2 oranı sıfır alınabilir. Bundan dolayı K=1 alınır. Bir

tank veya depodan bir boruya girişte A2/A1 oranı sıfır alınabilir, böylece K=0,5 alınır.

*Yavaş daralmalar için, gittikçe incelen veya iyi yuvarlatılmış geçişlerde basma kaybı ihmal edilebilir.

Kademeli genişlemelerde K faktörü duvarın eğimine bağlıdır. Şayet açı 500’yi aşarsa etkisi ani

genişleme gibi olur ve K=1 alınabilir. Şayet açı çok keskin ise ve 100’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:

R

( ) ( )

(D)

Mutlak pürüzlülükBağıl pürüzlülük

Boru çapı

…………………………………………….…..(6)

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 2000’ın altında ise akış Laminar’dır. Laminar akışta sürtünme faktörü,

pürüzlülükten bağımsız olarak sadece Reynolds sayısına bağlıdır. Bu, diyagramın sol tarafında aşağıya

doğru düz bir çizgi olarak gösterilmiştir. Sadece Laminar akış için;

min

64

Rela arf ……………………………………………………………………………………...…(7)

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: 2

2

ortLL

VP Lh f

g D g

……………………………………………..(8)

Şekil 1. Moody Diyagramı

Tablo 1. Bağlantı tiplerine göre K faktörleri

Örnekler:

1) Uzunluğu 1km, çapı 100mm olan borudan 20 L/s su geçmesi durumunda basma yüksekliği

kaybını ve böylece basınç kayıplarını hesaplayınız. Sürtünme faktörünü 0,02 ve yoğunluğu

1000 kg/m3 kabul edin.

3

2

20*102,55

0,1

4

Vu

A

m/s 21000 2,55

0,02 66,30,1 2*9,81

LH m

L

PH hp

g * * LP g H 310 *9,81*66,3 650P kPa

2) 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.

2 210000,02

2* 0,1 2*9,81L

L u uH f

d g

210,2LH u

U (m/s) 0 1 2 3 4 5

HL (m) 0 10,2 40,8 91,8 163,2 255

*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), 120mm 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 = 0,26mm bulunur. (Dökme demir için)

Bağıl pürüzlülük ise;0,26

0,00216120

Rd

olarak bulunur.

BY=0,9 ρ=1000*0,9=900kg/m3

a) u=1m/s için;

1*0,12*900Re 1800

0,06

ud

Akış laminar

f=64/Re=64/1800=0,0356

2 2100 10,0356 1,51

2* 0,12 2*9,81L

L uH f

d g m

b) u=3m/s için;

3*0,12*900Re 5400

0,06

ud

Akış türbülanslı (Moody diyagramı kullanılır)

f=0,0395 ;ɛ/d=0,0021 ve Re=5400

2 2100 30,0395 15,1

2* 0,12 2*9,81L

L uH f

d g m

c) u=10m/s için;

310*0,12*900Re 18*10

0,06

ud

Akış türbülanslı (Moody diyagramı kullanılır)

f=0,031 ;ɛ/d=0,0021 ve Re=18*103

2 2100 100,031 132

2* 0,12 2*9,81L

L uH f

d g m

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

2 adet kapama valfi

1 adet ani genişleme (basınçlı tanka)

Kapama valfi yarım açık konumda iken 20 L/s debide sistemdeki basma kayıplarını

hesaplayınız. Suyun viskozitesini 0,9*10-3 Pa.s kabul edin.

3

2

20*102,55

0,1

4

Vu

A

m/s

5

3

2,55*0,1*1000Re 2,83*10

0,9*10

ud

(Akış türbülanslı)

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=0,0225 sürtünme faktörü değeri Re=2,83*105 ve ɛ/d=0,0015 değerleri aracılığı ile okunur.

2 260 2,550,0225 4,47

2* 0,1 2*9,81L

L uH f

d g m

Tablo 1 deki faktörler kullanılarak aşağıdaki tablo elde edilir.

Bağlantı Sayısı K Faktörü Toplam K Faktörü

Dip vanası 1 2,0 2,0

Dirsek 4 0,9 3,6

Ünyon 4 0,05 0,2

Burgulu vana 1 açık, 1 yarım açık 5,0 ve 1,0 5,0

Genişleme 1 1,0 1,0

Toplam 12,0

3 numaralı formülden: 2 22,55

12 3,982 2*9,81

L

uH K

g m ve Toplam kayıp=4,47m+3,98m=8,45m

5) 100 mm çaplı tamamen açık ve küresel vananın eşdeğer uzunluğunu bulunuz.

.

0,110 50

0,02eşd

dL k

f m (Tablodan K=10)

6) Örnek 4’ü eşdeğer uzunluğu kullanarak çözünüz.

K=12, f=0,0225, d=0,1m bulmuştuk.

.

0,112 53,3

0,0225eşd

dL k

f m

Ltoplam=60m+53,3m=113,3m

2 2113,3 2,550,0225 8,45

2* 0,1 2*9,81L

L uH f

d g m (Önceki bulduğumuz toplam kayıp ile aynı)

TESİSATIN TANITIMI

Şekil 2. Basınç kayıpları eğitim seti şeması_1.

Tesisat; 450 ve 900 dirsek, T bağlantı, U bağlantı, 32mm-25mm şeffaf boru, 25mm 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 :1800*1200 mm

Pano malzemesi :Kompozit panel

Deneysel ölçüm sayısı :20

Debi ölçüm aralığı :0,6-6 m3/h

32mm şeffaf boru dış/iç çap :25mm

25mm şeffaf boru dış/iç çap :20mm

25mm PVC boru dış/iç çap :21mm

Pompa maks. basma yüksekliği :21 mSS

Pompa maks. debisi :160 L/h

DENEYLER

Aşağıdaki maddelerde bulunan talimatları izleyerek verilen tabloyu elde ettiğiniz deneysel

verilerle doldurun.

I. Ana şalter ve pompa anahtarını açık konuma getirin.

II. Gösterge paneli üzerindeki ölçüm menüsüne girin.

III. Deneyi yapılacak olan bağlantı elemanı için gereken su hattını açın ve debiyi 2,4 m3/h değerine

ayarlayın.

IV. Basınç bağlantı hortumunu bağlantı elemanının girişine bağlayıp gösterge paneline kaydedin.

V. Basınç bağlantı hortumunu bağlantı elemanının çıkışına bağlayıp gösterge paneline kaydedin.

VI. Ölçüm değerlerini, gösterge panelinde hesaplanan basınç farkını aşağıdaki Tablo 3.’e kaydedin.

VII. Su debisini 1,8 ve 1,2 m3/h değerlerine ayarlayarak ölçümleri tabloya kaydedin.

VIII. u=V/A formülünden yararlanarak akış hızlarını hesaplayın, tabloya yazın.

IX. 1 numaralı formül yardımı ile K değerini farklı akış hızları ve basınç kayıpları için hesaplayın.

Tablo 2. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu

Bağlantı ElemanıDebi

[m3/h]

Çap

[m]

Kesit

[m2]

Hız

[m/s]

Pgiriş

[bar]

Pçıkış

[bar]

∆P

[bar]

∆P

[m]Kdeneysel Ktablo

90o Dirsek 2,4 0,021

90o Dirsek 1,8 0,021

90o Dirsek 1,2 0,021

PVC TE, 3/4” (Düşey Akış) 2,4 0,021



Küresel Vana, PVC 2,4 0,021



Küresel Vana 2,4 0,021



Şiber Vana 2,4 0,021



Diskli Vana 2,4 0,021



Çalpara Çek Valf 2,4 0,021



45o Dirsek 2,4 0,021

45o Dirsek 1,8 0,021

45o Dirsek 1,2 0,021

U Bağlantı 2,4 0,021



Ortalama

Ortalama

Ortalama

Ortalama

0,9

0,05

0,05

2,0

0,2

10,0

Ortalama

Ortalama

Ortalama

Ortalama

Ortalama

2,0

1,5

0,4

Tablo 3. Hesaplamalarda kullanılmak üzere elde edilen deney verileri tablosu.

1) Bağlantı elemanlarında yük kaybının deneysel olarak bulunması

Tablo 2. ‘yi talimatları izleyip deneyi yaparak deneyden elde ettiğiniz verilerle doldurunuz. 2,4-

1,8-1,2 m3/h debiler için karşılık gelen basınç kayıplarına göre K değerlerini bulunuz. Her bağlantı

elemanı için bu K değerlerinin ortalamasını alınız ve tabloya işleyiniz. (10,2mSS =1 bar olarak alınız)

2) Farklı düz borularda sürekli kayıpların deneysel olarak bulunması

Tablo 3. ‘ü talimatları izleyip deneyi yaparak deneyden elde ettiğiniz verilerle doldurunuz. 1-2-

3 ve 4 m3/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. (10,2mSS =1 bar, Kinematik viskozite=9*10-7m2/s, Boruların pürüzlülüğü=0,0000015m,

Yerçekimi ivmesi=9,81m/s2 olarak alınız)

Malzeme ɛ (mm)

Beton 0,9-9

Tahta fıçı 0,5

Lastik (kauçuk 0,01

İşlenmiş bakır/pirinç 0,0015

Dökme demir 0,26

Galvanizli çelik 0,15

Ticari çelik 0,046

Paslanmaz çelik 0,002

Plastik, Cam 0,0015-Pürüzsüz

Tablo 4. Bazı malzemelerin mutlak pürüzlülük değerleri tablosu.

ElemanDi, iç çap

[m]

A, kesit

alanı [m2]

Debi

[m3/h]

Hız

[m/s]

Reynold

sayısı

ɛ/D, Bağıl

Pürüzlülük

f, Sürtünme

faktörü

L, Uzunluk

[m]

HL

[m]

HL

[bar]

∆P

(deneysel)

[bar]

PVC şeffaf boru 32mm 0,025 4 0,97








PVC boru 25mm 0,021 4 0,97

PVC boru 25mm 0,021 3 0,97

PVC boru 25mm 0,021 2 0,97

PVC boru 25mm 0,021 1 0,97

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİmakine.adiyaman.edu.tr/Files/makine/belgeler/MAK421_Lab2/...2) Örnek...

Documents

Transcript of MAKİNE MÜHENDİSLİĞİmakine.adiyaman.edu.tr/Files/makine/belgeler/MAK421_Lab2/...2) Örnek...