Strömungsanlage 1 Fachhochschule Trier Studiengang Lebensmitteltechnik Fluidmechanik -Laborübung-. Semester Thema Erfassung der Druckverluste in verschiedenen Rohrleitungselementen Namen: Datum: Abgabe: Fachhochschule Trier Studiengang Lebensmitteltechnik Prof. Dr. Regier/B.Eng Rebecca Erb 07/2012
Strömungsanlage 2 1. Einleitung In vielen Bereichen müssen flüssige Substanzen über Rohrleitungsstrecken transportiert werden. Hierbei wird die Strömung durch eine Druckdifferenz angetrieben. Allerdings treten in Rohrleitungen und dortigen Einbauten Druckverluste auf, die es in vielen Fällen zu minimieren gilt. Außerdem muss die Pumpenleistung darauf abgestimmt werden. In diesem Versuch werden einige Druckverluste in Bauteilen gemessen und mit Modellrechnungen verglichen. 2. Aufgabenstellung In der linken Grafik ist das Schema des Hauptkreislaufes der Strömungsanlage dargestellt. Die rechte Grafik zeigt die verschiedenen Druckaufnehmer der einzelnen Messstrecken. Ziel des Praktikums ist es, die Druckverluste der unterschiedlichen Rohrleitungselemente bei verschiedenen Volumenströmen zu berechnen und mit Messungen zu vergleichen.. Grundlagen Man unterscheidet grundsätzlich zwei Strömungsformen, die je nach Größe der Reynolds-Zahl, in einem Rohr auftreten können. Für runde Rohre gilt: Laminare Strömung : Re < 220 Übergangsbereich : 220<Re<10000 Turbulente Strömung : Re <10000 Bei der laminaren Strömung ist der Reibungsdruckverlust unabhängig von der Rauigkeit k der Rohrwand und die zeitlichen Schwankungen der Geschwindigkeit sind vernachlässigbar klein. Bei der turbulenten Strömung hängt der Rohrreibungsverlust jedoch von der Wandrauigkeit ab. Für Rohre aus Edelstahl 04L wird die Rauigkeit mit 0,0007mm angenommen.
Strömungsanlage Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit eines Fluids, die auf die innere Reibung der Flüssigkeit zurückzuführen ist. Teilchen zäher Flüssigkeiten sind stärker aneinander gebunden und somit unbeweglicher. Da die dynamische Viskosität η oft in Kombination mit der Fluiddichte ρ auftritt, wird auch die kinematische Viskosität ѵ definiert. Sie beschreibt das Verhältnis zwischen der dynamischen Viskosität und der Dichte. Die meistens Rohrleitungsanlagen bestehen nicht nur aus geraden Rohrstücken, sondern enthalten Rohrformstücke zur Querschnitts- und Richtungsänderung sowie Armaturen wie Ventile, Klappen usw. In diesen Rohrleitungselementen treten zusätzliche Reibungs-, Umlenkungs- und Ablöseverluste auf. Den Druckverlust zwischen Eintritt und Austritt eines Einbaustückes drückt man unter Bezug auf den Staudruck der strömenden Flüssigkeit durch folgende Gleichung aus: p V = Druckverlust [Pa] ζ = Widerstandsbeiwert ρ = Dichte kg m w = mittlere Strömungsgeschwindigkeit m s Der Widerstandsbeiwert ζ wird meist durch Versuche bestimmt und schwankt in weiten Grenzen bei verschiedenen Rohreinbauten. Der gesamte Druckverlust eines Rohres mit Einbau setzt sich aus zwei Teilen zusammen, dem Druckverlust durch Wandreibung und dem Druckverlust durch Umlenkung, Querschnittsänderung usw. Dementsprechend besitzt der Widerstandsbeiwert einen Rohrreibungsanteil ζ d und einen Umlenkungsanteil ζ U, d.h. ζ ζ R + ζ U L d = Rohrreibungszahl = Länge [m] = Durchmesser [m] Bei der ohrreibungszahl für hydraulisch glatte ohre ( e>2 20) gilt: k Abgrenzung: e d Formel nach Blasius für den Bereich 220 < Re < 10 5 : 0, e -0,2 Rohrleitungselemente mit allmählicher, kontinuierlicher Querschnittsverminderung werden als Konfusoren bezeichnet.
Strömungsanlage 4 Der Widerstandsbeiwert ζ 2 (bezogen auf A 2 ) berechnet sich nach folgender Formel: ζ 2 0, 2 Als Diffusor wird hingegen eine stetige Querschnittserweiterung bezeichnet. Bei einem Winkel α> 0 kann der Widerstandsbeiwert (bezogen auf A 1 ) folgendermaßen abgeschätzt werden: ζ d d 2 2 2 Um den Volumenstrom in Rohrleitungen zu ändern werden Absperr- und Regelorgane unterschiedlicher Ausführung eingebaut, was dazu führt, dass die Strömung mehr oder weniger Richtungs- und Querschnittsänderungen unterliegt. Dementsprechend treten zusätzliche Reibungs- und Wirbelverluste auf. 4. Versuchsdurchführung Um Luft aus der Anlage zu Beseitigen müssen zunächst alle Absperrventile geöffnet werden. Anschließend kann der Vorratsbehälter mit Wasser gefüllt werden. Es ist darauf zu achten, dass der Wasserstand im Vorratsbehälter ständig auf 10cm über dem Abflussrohr gehalten wird, um Luftblasen am Ansaugstutzen der Pumpe zu vermeiden. Wenn der Tank voll ist wird die Pumpe angeschaltet und das Regelventil schrittweise geöffnet. Als nächstes werden die vorgegebenen Volumenströme eingestellt und die entsprechenden Absperrventile der zu messenden Messstrecken geöffnet. Die Druckdifferenz der einzelnen Messstellen sowie die aktuelle Temperatur können am Schaltschrank abgelesen werden. Messstrecke 1 - Diffusor zwischen Messstellen 15 & 14 - Stetige Erweiterung (90 ) DN 25 - DN50 (d i = 25mm - d i = 50mm) - α> 0 Messstrecke 2 Konfusor zwischen Messstellen 14 & 1 - Stetige Verengung (90 ) DN 50 DN 25 (d i = 50mm - d i = 25mm)
Strömungsanlage 5 Messstrecke Absperrventil zwischen Messstellen 5 & 6 - Edelstahlrohr 0, DN20 (ζ,2 für das Absperrventil allein) - Abmessungen: 26,9 x 2mm - Innendurchmesser: d=22,9mm - Länge: 0,m Messstrecke 4 Absperrschieber zwischen Messstellen 7 & 8 - Edelstahlrohr 0, DN20 (ζ 0, für den Absperrschieber allein) - Abmessungen: 26,9 x 2mm - Innendurchmesser: d=22,9mm - Länge: 0,m Messstrecke 5 Edelstahlrohr zwischen Messstellen 1 & 2 - Edelstahlrohr 04L, DN10 - Abmessungen: 17,1 x 1,6mm - Innendurchmesser: d=1,9mm - Länge: 1m Messstrecke 6 Glasrohr zwischen Messstellen & 4 - Glasrohr DN15 - Innendurchmesser: d=15mm - Länge: 1m
Strömungsanlage 6 Anschließend wird die Druckdifferenz bei zunehmendem Verschluss des Absperrventils und des Absperrschiebers gemessen. Dazu wird bei gleichbleibendem Volumenstrom das zu messende Bauelement schrittweise je ½ Umdrehung geschlossen. Dieser Vorgang ist so lange zu wiederholen, bis die Druckdifferenz nicht mehr messbar ist. Messstrecke 7 Absperrventil zwischen Messstellen 5 & 6 Volumenstrom Temperatur [ C] Druckverlust [mbar] Öffnungsgrad Messstrecke 8 Absperrschieber zwischen Messstellen 7 & 8 Volumenstrom Temperatur [ C] Druckverlust [mbar] Öffnungsgrad
Strömungsanlage 7 5. Auswertung 5.1. Berechnen Sie den Druckverlust der Messstrecken 1 bis 4 und vergleichen Sie die Werte mit den gemessenen..2. Berechnen Sie die ohrreibungszahl für die Messstrecken und. 5.. Wie entwickelt sich die Druckdifferenz bei zunehmendem Verschluss? Stellen Sie diese für die Messstrecken 7 und 8 als Grafik dar. Anlagen: - Stoffgrößen für Wasser Literatur: S. Fink, Untersuchung der Dynamik von Flüssigkeiten in einem Rohrleitungssystem (Umbau des Versuchstandes im Lebensmitteltechniklabor), Trier (2010)
Strömungsanlage 8 Stoffgrößen für Wasser T [ C] p [bar] ρ ѵ 10-6 0 1 999,8 1,75 10 1 999,7 1, 20 1 998, 1,002 0 1 995,7 0,8 40 1 992, 0,656 50 1 988,0 0,551 60 1 98,2 0,471 70 1 977,7 0,409 80 1 971,6 0,61 90 1 965,2 0,22 100 1,01 958,1 0,291 120 1,985 942,9 0,244 140,614 925,8 0,211 160 6,181 907, 0,186 180 10,027 886,9 0,168 200 15,55 864,7 0,155 220 2,20 840, 0,145 240,48 81,6 0,16 260 46,94 784,0 0,11 280 64,20 750,5 0,128