(YT 0545) FLuido 2 Theorie Deel1 Stromingsleer (21.22) PDF

Preview

Summary

curus voor het eerste jaar in 2021. dit...

Description

FLUÏDOMECHANICA 2 deel 1 Stromingsleer L. VERSTRAETEN

Professionele Bachelor EM & OP(IT) Technologie - Campus De Nayer fase 2 Fluïdomechanica Theorie AJ 2021-2022

OPO

Fluïdomechanica 2

YT0545

6 SP

OLA

Theorie

YT5552

4SP

OLA

Labo

YT5553

2SP

EVA

Evaluatie

YT7545

Naam : Klas + Groep :

FLUÏDOMECHANICA 2 – Theorie Deel 1 Stromingsleer 2e fase Prof. Bachelor – Technologie EM / OPI Deel 1 : T2.00 Richtlijnen Fluïdomechanica 2. T2.01 Leidingverliezen met grafieken. T2.02 Aanvullingen omtrent leidingverliezen. T2.03 Inleiding tot pompen en pompinstallaties. T2.04 Zuiger- en plunjerpompen : Beknopte bespreking. T2.05 Zuiger- en plunjerpompen : Soorten – Indicatordiagram – Waterslag. T2.06 Centrifugaalpompen : Beknopte bespreking. T2.07 Centrifugaalpompen : Dampspanning, cavitatie en NPSH. T2.08 Centrifugaalpompen : Benamingen en constructieve opbouw. T2.09 Centrifugaalpompen : Constructieve aspecten – Rendementen. T2.10 Centrifugaalpompen : Karakteristieken en werkingspunt. T2.11 Asafdichtingen : Stopbuspakkingen. T2.12 Asafdichtingen : Glijringafdichtingen. Deel 2 : T2.20 Basisprincipes elektropneumatische besturingen met contactoren. T2.21 Volgordebesturingen zonder problemen. T2.22 Volgordebesturingen met problemen. T2.23 Besturingstechniek met het Grafcetsysteem. T2.24 Eenvoudige automatiseringsprojecten.

FLUÏDOMECHANICA 2

L. Verstraeten

T2.00 Richtlijnen

2

RICHTLIJNEN FLUÏDOMECHANICA 2 Professionele Bachelor - Technologie Beschrijving : Het doel van de lessen Fluïdomechanica 2 in de Professioneel gerichte Bachelor is enerzijds het uitdiepen van de kennis omtrent leidingsystemen, pompen en pompinstallaties. Anderzijds worden pneumatische, elektropneumatische, hydropneumatische en hydraulische (volgorde)schakelingen en automatiseringsprojecten behandeld. Doelstellingen : De student moet: •

leidingverliezen kunnen bepalen, o.a. met de methode van Darcy-Weisbach en de methode van Hazen-Williams;

•

de werking en het gebruik van pompen kennen, begrijpen en duidelijk kunnen uitleggen;

•

de werkwijze voor het ontwerpen van een pompinstallatie kennen, begrijpen, duidelijk kunnen omschrijven en vooral kunnen toepassen;

•

alle pneumatische en elektropneumatische volgordebesturingen kunnen ontwerpen met de fasediagrammethode, kunnen tekenen met de correcte, genormaliseerde symbolen volgens de geziene richtlijnen, en kunnen bouwen;

•

eenvoudige automatiseringsprojecten kunnen ontwerpen met Grafcet, kunnen tekenen met de correcte, genormaliseerde symbolen volgens de geziene richtlijnen, en kunnen bouwen en programmeren;

•

eenvoudige hydraulische besturingen kunnen ontwerpen, kunnen tekenen met de correcte, genormaliseerde symbolen volgens de geziene richtlijnen, en kunnen bouwen.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.00 Richtlijnen

3

Het vak Fluïdomechanica 2 is in de 2e fase Professioneel gerichte Bachelor een gemeenschappelijk semestervak. De hoorcolleges omvatten theorie en oefeningen (3 h/wk), de praktijkzittingen omvatten laboratoriumzittingen pneumatica en hydraulica (2 h/wk). De uren voor de oefeningen en laboratoria worden besteed aan het praktisch toepassen van de bestudeerde theorie. Voor de hoorcolleges, oefeningen en laboratoria zijn er respectievelijk een cursus, een oefeningbundeltje en een laboratoriumbundel ter beschikking. Het is mogelijk dat je hierin niet alle behandelde vakkennis aantreft. In dat geval is het aan de student om aanvullende nota’s te nemen tijdens de zittingen. Te samen met je eigen nota’s vormt het aangeboden cursusmateriaal een waardevol naslagwerk. Aan al het cursusmateriaal is veel tijd en werk besteed, en het is zeer overdacht samengesteld. Opmerkingen hieromtrent zijn meer dan welkom ! De theoriecursus is behoorlijk uitgebreid uitgewerkt om zo nodig (een stukje) zelfstudie mogelijk te maken. Ieder hoofdstuk wordt afgesloten met denkvragen (“Stof tot nadenken”) over de behandelde materie als hulp voor het verwerken ervan. De theorie moet enerzijds gezien worden als vakkennis en anderzijds in functie van de oefeningen (zie “Oefeningbundeltje”) en toepassing ervan in de praktijk (zie “Laboratoriumbundeltje”). Tijdens de hoorzittingen wordt de leerstof geanalyseerd en verder uitgediept, en/of gesynthetiseerd en samengevat. Dank zij de hoorzittingen krijg je zicht op hoofdzaken en bijzaken, en wordt je een heel eind op weg geholpen in het leerproces dat hoe dan ook alleen maar door jezelf kan gebeuren.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.00 Richtlijnen

Kopiëren, uitknippen en boven uw bed hangen aub.



4

Tijdens alle zittingen bestaat er de mogelijkheid om vragen te stellen. Ook buiten de zittingen staat het de student vrij de betreffende docenten te contacteren aangaande problemen met de vakkennis. Daarenboven kan iedere student steeds terecht bij STUVO (STudentenVOorzieningen = Sociale Dienstverlening, Studentenbegeleiding, …) voor problemen in verband met studieplanning en methode, en voor lichamelijke, psychische en sociale bekommernissen. Vergeet echter niet dat, niettegenstaande alle mogelijke ondersteuning, het eigenlijke studeren alleen maar door jezelf kan gebeuren. Voor dit alles is het onnodig continu de cursus “te blokken”, maar je moet wel de aangeboden vakkennis (wekelijks) bijhouden. Voorzie dus in je studieplanning per week voldoende tijd voor het verwerken van de vereiste materie en de voorbereiding van de volgende zitting. Zorg dat de reeds behandelde vakkennis voldoende is begrepen. Vraag indien nodig tijdig bijkomende uitleg tot je alles begrijpt ! Eigen aanvullende nota’s en samenvattingen zullen van groot nut zijn, en vooral : zélf oefeningen maken ! Wanneer je je hier tijdens de loop van het academiejaar stelselmatig aan houdt, zal het instuderen van de examenleerstof reeds voor een groot deel op voorhand gebeurd zijn, en kom je dus niet voor onoverkomelijke problemen tijdens blok en examenperiode. Denk eraan dat het eigenlijke studeren (inclusief het inoefenen van vaardigheden en attitudes) alleen maar door jezelf kan gebeuren, en dat dit een proces is waarin herhaaldelijk (= wekelijks) tijd moet worden geïnvesteerd.

Voor studenten die meer informatie zoeken is de mediatheek van het instituut de aangewezen plaats. Over een brede waaier aan onderwerpen staan er zowel handboeken, naslagwerken als tijdschriften en multimediamateriaal ter beschikking. Maak er gebruik van. Ook internet kan een nuttige informatiebron zijn. Vermeld in elk geval de herkomst van alle gebruikte informatie.

De evaluatie gebeurt volgens het studiecontract (ECTS-fiche).

Hierna volgen enige richtlijnen voor de oefeningen. Voor de laboratoriumrichtlijnen verwijzen we naar het labobundeltje. Het zich houden aan deze richtlijnen waarborgt voor ieder een aangename studiesfeer, hetgeen een noodzakelijke voorwaarde is voor het verrijken van je kennis, en het behalen van goede studieresultaten. Ongemotiveerde studenten kan de toegang tot oefen- en laboratoriumzittingen worden ontzegd. Wij wensen je een leerzame en inspirerende studietijd toe.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.00 Richtlijnen

5

Richtlijnen voor de oefenzittingen : De oefenzittingen zijn geïntegreerd in de hoorcollege’s. Je moet voorbereid naar de zittingen komen. Dit betekent dat je met de theorie, waarop de oefeningen betrekking hebben, voldoende moet vertrouwd zijn. Het is sterk aangeraden de opgegeven oefeningen schriftelijk te hebben voorbereid. Uiteraard moet je zelf in het bezit zijn van de nodige documentatie (zoals cursus, oefeningbundeltje, tabellen, enz...) en een rekenmachine. Er wordt verlangd dat je elke oefening op een methodische en beredeneerde wijze probeert op te lossen. (Een jager schiet toch ook niet zomaar in het wilde weg !) Praktisch betekent dit : 1. Opgave begrijpen → duidelijke figuur. 2. Methode, strategie → recept (formule). 3. Uitwerking → gepaste eenheden !!!!!!! 4. Controle + interpretatie. Je moet positief meewerken tijdens de oefenzittingen. Zelfwerkzaamheid is immers de enige manier om zich daadwerkelijk de aangeboden vakkennis eigen te maken. Samenwerking met medestudenten dient beperkt te blijven tot de naaste omgeving, en de communicatie moet hierbij vanzelfsprekend op een gepast geluidsniveau plaatsvinden. Ook in de oefenzittingen wensen we je een leerzame en inspirerende studietijd toe.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

1

BEPALEN VAN LEIDINGVERLIEZEN MET GRAFIEKEN Leerdoelen : -

Leidingverliezen kunnen bepalen met de grafieken van paragraaf 1.

-

De toepassingsvoorwaarden van deze grafieken kennen en begrijpen.

-

De met de grafieken gevonden resultaten kunnen controleren d.m.v. leidingverliesberekening met de methode van Darcy-Weisbach.

-

Zelfstandig in staat zijn om andere grafieken dan die van paragraaf 1 te begrijpen, te gebruiken en te controleren.

1 Grafiek voor het bepalen van leidingverliezen : 1.1 Inleiding : Het leidingverlies in een rechte, cirkelvormige leiding met (inwendige) diameter D en lengte L kan bepaald worden aan de hand van de formule van Darcy-Weisbach :

𝑝𝑉 =  .

𝐿 𝐷

.

𝜌 . 𝑣2 2

Hierin is  de dichtheid van het fluïdum en v de (gemiddelde) stromingssnelheid in de leiding. De leidingverliescoëfficiënt  kan gevonden worden in het Moody-diagram in functie van het Reynoldsgetal Re =v.D/ (met =de kinematische viscositeit van het fluïdum) en de relatieve ruwheid =k/D (met k= de absolute ruwheidshoogte van de leidingwand). Fabrikanten van leidingen en pompinstallaties hebben grafieken ontwikkeld waarmee men vrij snel het drukverlies of de drukverlieshoogte in een leiding kan ramen. Zo’n grafiek geldt voor één bepaalde vloeistof (van gegeven temperatuur en viscositeit) en voor buizen met één bepaalde wandruwheid k. Tevens kan men uit de grafiek de vloeistofsnelheid in de buizen bepalen. De getoonde grafiek is voor het aflezen van het drukverschil voor zuiver water met een temperatuur van 10 °C en een kinematische viscositeit  = 1,31 mm2/s en geldt voor buizen met een wandruwheid k= 0,2 mm.

1.2 Voorbeeld : Voor een debiet qV = 140 m3/h en een buisdiameter d = 150 mm is volgens de grafiek het drukverlies pV = 35 kPa/100m. Uitgaande van de reële lengte van de leiding kan dan het totale drukverlies worden bepaald. Voor de stromingssnelheid lezen we een waarde af van ongeveer 2,2 m/s. Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

2

Voor een andere ruwheidshoogte dan k = 0,2 mm gaat men als volgt te werk. Bij het drukverlies voor wandruwheid k = 0,2 mm hoort een verliescoëfficiënt 0,2. Voor een andere wandruwheidshoogte x is de bijbehorende verliescoëfficiënt X. Door het uit de grafiek verkregen drukverlies te vermenigvuldigen met de verhouding f= X/0,2 wordt de gezochte waarde voor het leidingsysteem verkregen. De correctiefactor f als functie van k is weergegeven in bijgevoegde grafiek onderaan. Voor bijvoorbeeld een wandruwheid k = 1 mm vinden we een correctiefactor f = 1,4. In het voorgaande voorbeeld zou het drukverlies in een leiding met deze ruwheid dan : pV = 1,4 . 35 kPa/100 m = 49 kPa/100 m bedragen.

1.3 Drukverlies bij andere dichtheid en viscositeit : Het drukverlies voor een vloeistof met een andere dichtheid en viscositeit als die van water kan men op dezelfde wijze bepalen als het drukverlies voor water, echter moet, naast het verschil in dichtheid, een correctiefactor worden ingevoerd die de invloed van de kinematische viscositeit tot uiting brengt. Deze correctiefactor is het quotiënt van de verliescoëfficiënten van de beschouwde vloeistof en van water vloeistof/water. Voor een gegeven pijpleiding en debiet is het drukhoogteverlies van een vloeistof met een andere viscositeit gelijk aan :

𝐻𝑉,𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑠𝑡𝑜𝑓 =

𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑠𝑡𝑜𝑓

. 𝐻𝑉,𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

De verhouding van de drukverliezen geeft :

𝑝𝑉,𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑠𝑡𝑜𝑓 =

𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑠𝑡𝑜𝑓  𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

.

 𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑠𝑡𝑜𝑓  𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

. 𝑝𝑉,𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

Voor het snel bepalen van het drukverlies bij een vloeistof met een andere viscositeit wordt uit de eerste grafiek het drukverlies van water afgelezen, en uit de bijkomende grafiek de verliescoëfficiënten vloeistof en water. Met behulp van voorgaande vergelijking kan dan het drukverlies worden berekend. Wanneer bijvoorbeeld door een rechte leiding van nieuwe gietijzeren pijpen met diameter 250 mm een vloeistof stroomt met een kinematische viscositeit 200 mm2/s, een dichtheid van 925 kg/m3 en een debiet van 100 m3/h wordt het drukverlies per 100 m leiding als volgt bepaald : Uit de eerste grafiek vinden we voor q=100 m3/h en d=250 mm een drukverlies pV van 1,4 kPa/100m. Uit de laatste grafiek vinden we voor water water = 0,021 en voor de beschouwde vloeistof vloeistof = 0,08. Het drukverlies voor de beschouwde vloeistof wordt dan 4,93 kPa/100 m.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

3

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

4

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

2

5

Leidingverliezen volgens Technisch Memento Sihi :

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

6

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

7

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

8

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

Fluïdomechanica 2

9

21.22

LVE

T2.01 Leidingverliezen grafieken

10

Stof tot nadenken

1. Voor welke situatie kan het verlies van een leiding bepaald worden met de grafiek bovenaan blz. 3 ? 2. Hoe ga je te werk voor een andere wandruwheid dan 0,2 mm ? 3. Hoe ga je te werk voor een andere dichtheid dan 1000 kg/m3 ? 4. Hoe ga je te werk voor een andere viscositeit dan 1,31 mm2/s ? 5. Kunnen de grafieken gebruikt worden voor laminaire stroming ? 6. Facultatief : Analyseer de bijlage “Technisch Momento Sihi” en vergelijk ze met hetgeen gezien werd in de cursus Fluïdomechanica 1 en 2.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.02 Leidingverliezen aanvullingen

1

AANVULLINGEN OMTRENT LEIDINGVERLIEZEN Leerdoelen : -

De methode van Hazen-Williams voor het berekenen van leidingverliezen kennen, begrijpen, kunnen duiden en kunnen toepassen.

-

De berekeningswijze voor het bepalen van leidingverliezen in niet cirkelvormige leidingen kennen, begrijpen, kunnen duiden en kunnen toepassen.

1 Leidingverliesberekening volgens Hazen-Williams : 1.1 Inleiding : Het totale leidingverlies in rechte, cirkelvormige leidingsystemen kan bepaald worden met de formule (van DarcyWeisbach) :

Hierin is :

𝐻𝑉 = ∑  .

𝐿 𝑣2 𝑣2 + ∑ . . 𝐷 2. 𝑔 2. 𝑔

 = leidingverliescoëfficiënt L = lengte van de (rechte) leiding D = diameter van de leiding v = stromingssnelheid  = plaatselijke verliescoëfficiënt

De eerste term in de formule geeft de primaire verliezen (verliezen in de rechte leidingdelen), de tweede de secundaire verliezen (verliezen in de appendages). Een lastige karwei bij het gebruik van voorgaande formule is de bepaling (raming) van de plaatselijke verliescoëfficiënten voor al de in de installatie voorkomende lokale weerstanden (bochten, afsluiters, diameterveranderingen, enz.). Bij bepaalde installaties kan men de plaatselijke verliezen echter verwaarlozen, en alleen de primaire leidingverliezen (van de rechte leidingen) in rekening brengen. Dit zal onder meer het geval zijn indien een hydraulische installatie is opgebouwd uit één of meer leidingen met aanzienlijke lengte (van enkele honderden of duizenden meter). Voor ieder recht leidingdeel moet de leidingverliescoëfficiënt = f(Re, k/D) bepaald worden (met het Moodydiagram), hetgeen eveneens vrij omslachtig is.

Fluïdomechanica 2

21.22

LVE

T2.02 Leidingverliezen aanvullingen

2

Daarenboven wordt een oplossing soms maar gevonden door al proberend (trial- and-error) te werken, hetgeen vooral vervelend is in het geval van wijzigende (relatieve) ruwheid en Reynoldsgetal. Daarom werden er proefondervindelijk formules ontwikkeld die enkel gelden voor specifieke vloeistoffen en bepaalde condities, maar dewelke handig zijn in het gebruik. Een goed voorbeeld van zulk een empirische formule is die van Hazen-Williams die geldig is voor turbulente stroming van water in leidingen met een diameter groter dan 50 mm en snelheden kleiner dan 3 m/s. Ze wordt veelvuldig gebruikt bij berekeningen van het leidingnet voor drinkwaterdistributie. Bij de methode van HazenWilliams, wordt het vinden van de verliescoëfficiënt  omzeild. Deze formule biedt alzo een handige oplossingsmethode voor de berekening van installaties waarbij de primaire verliezen overheersen.

1.2 Formule van Hazen-Williams : Bij leidingsystemen voor water waarbij men de plaatselijke verliezen kan verwaarlozen, en dus alleen de primaire verliezen bepalend zijn, kan gewerkt worden met de empirische formule van Hazen-Williams :

𝑞𝑉 = 0,2785 . 𝐶1 . 𝐷2,63 . 𝑆 0,54 Hierin is :

qV = debiet doorheen de leiding in m3/s D = diameter van de leiding in m S = slope in mwk/m (verlieshoogtegradiënt) C 1 = verliescoëfficiënt afhankelijk van de leiding.

De slope S is gelijk aan de verlieshoogte per eenheid leidinglengte, en komt dus overeen met de helling van de piëzometrische energielijn.

𝑆=

𝐻𝑉 𝐿

De factor C1 is de verliescoëfficiënt van Hazen-Williams dewelke afhangt van de aard en de staat van de betreffende leiding. Volgende tabel geeft hieromtrent een overzicht. Na omwerking van de hiervoor gegeven formule van Hazen-Williams bekomt men volgende uitdrukkingen :

Fluïdomechanica 2

0,38 𝑞𝑉 𝑞𝑉 ) = ( √ 0,2785 . 𝐶1 . 𝑆 0,54 0,2785 . 𝐶1 . 𝑆0,54

𝐷=

2,63

𝑆=

0,54

1,85 𝑞𝑉 𝑞𝑉 ) = ( √ 0,2785 . 𝐶1 . 𝐷2,63 0,2785 . 𝐶1 . 𝐷2,63

21.22

LVE

T2.02 Leidingverliezen aanvullingen

3

AARD VAN DE LEIDING

C1

Zeer gladde, zuivere leiding

140

Nieuwe stalen en gietijzeren leidingen

130

Gewone leidingen Glad geschaafd hout

120

Glad metselwerk en beton

Matig gladde gietijzeren en stalen leidingen

110

Geglazuurde cementbuizen

Oude leidingen, gietijzeren leidingen met enkele jaren dienst

100

Cementbuizen

Leidingen in slechte staat (oud, gecorrodeerd)

60 - 80

1.3 Leidingkarakteristiek volgens Hazen-Williams : Het verband tussen de verlieshoogte HV en het debiet qV vindt men uit :

𝑞𝑉 = 0,2785 . 𝐶1 . 𝐷 2,63 . 10,67 . 𝐿

Waarui...