گزارش میز هیدرولیکی و کاربرد آن

به نام خدا

جزوه حاضر جهت استفاده دانشجویان رشته های مهندسی عمران و مکانیک تهیه شده است در این جزوه 8 آزمایش مهم که در اکثر دانشگاهها تدریس می شود بیان گردیده  است و هر آزمایش در یک فصل جداگانه آمده است در این مجموعه ضمن آشنا ساختن دانشجویان با دستگاه مورد آزمایش و روش انجام آزمایش ، بصورت خلاصه در مورد تئوری مربوط به آزمایشات توضیحاتی ارائه شده است هم چنین ضمن بیان اهداف آزمایش ، موارد ارائه نتایج که به صورت جداول یا نمودارها است و می بایست توسط دانشجویان تکمیل شود ذکر گردیده است.

بطور کلی جهت فراگیری و درک عمیق از موضوعات پیچیده علمی ، نمی توان فقط از طریق مطالعه و با شنیدن مطالب به این هدف رسید بلکه می بایست با انجام آزمایشات و از روش های تجربی ، پدیده های مختلف را مشاهده و مورد تجزیه و تحلیل قرار داد دانشجویان با انجام آزمایشات ، ضمن آشنا شدن با وسایل مختلف و روشهای مختلف اندازه گیری با تجزیه و تحلیل داده ها و یافته های آزمایشگاهی ، به شناخت و درک عمیق مطالب خواهند رسید.

توصیه می شود دانشجویان قبل از انجام هر آزمایش ، ضمن مطالعه مطالب مربوط به آن آزمایش و اندیشیدن به مطالب تئوری آن ، در حین آزمایش با قسمتها و جزئیات مختلف دستگاه و همچنین روش انجام آزمایشات آشنا گردند.

پس از انجام آزمایشات ضمن درج داده ها و یافته های آزمایشگاهی در جداول ، با انجام محاسبات لازم و با ارائه نمودارها و رسم منحنی ها به شرح و بسط مشاهدات پرداخته و با روشهای مختلف محاسباتی به تجزیه و تحلیل نتایج و بدست آوردن روابط اقدام نمود پس از این مرحله با تنظیم گزارش آزمایشگاهی و با رعایت روشهای صحیح و استاندارد نتایج کار را ارائه نمود .

فصل اول :

آشنایی با میز هیدرولیکی

اجزاء تشکیل دهنده میز هیدرولیکی

هدف از طرح میز هیدرولیکی ، فراهم نمودن وسیله ای برای انجام یک سری آزمایشات ساده در مکانیک سیالات و هیدرولیک می باشد شکل (1) تصویری از یک میز هیدرولیکی را نشان می دهد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1: تصویر یک میزهیدرولیکی

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل2: دیاگرام قسمتهای داخلی یک میزهیدرولیکی

در شکل (2) دیاگرام قسمت داخلی یک میز هیدرولیکی نمایش داده شده است طبق این شکل یک پمپ کوچک سانتریفوژ ، آب را از منبع S که در قسمت پایینی میز هیدرولیکی قرار گرفته است پمپ نموده و از طریق شیر V به دستگاههای مورد آزمایش منتقل می کند.

در این میز هیدرولیکی یک تانک وزنی W قرار دارد که این تانک به منظور اندازه گیری وزن آبی که از دستگاه مورد آزمایش عبور نموده است و از طریق لوله کوتاه D که از قسمت F به تانک وزنی منتهی می شود بکار می رود تانک وزنی W به یک طرف اهرمی متصل است که در طرف دیگر آن آویزی قرار دارد و می توان وزنه هایی را که وزن هر کدام دو کیلوگرم می باشد بر روی آویز قرار دارد نسبت فاصله تانک وزنی تا محل تکیه گاه این اهرم به فاصله تکیه گاه تا محل اتصال آویز برابر نسبت یک به سه است در کف تانک وزنی W یک شیر خروجی B قرار دارد و بسته به موقعیت اهرم باز یا بسته می باشد.

بر روی محفظه این میز هیدرولیکی ، صفحه ای به عنوان درپوش قرار می گیرد که هر زمان لازم باشد می توان با برداشتن این درپوش ، پمپ و دیگر وسایل موجود در داخل میز هیدرولیکی را مورد بررسی و بازدید قرار داد با توجه به بلند بودن لبه های اطراف این صفحه در صورتی که دستگاه دارای نشت باشد آب جمع آوری شده بر روی آن از طریق سوراخی وارد منبع S می شود دستگاه های مورد آزمایش بر روی صفحه میز هیدرولیکی قرار می گیرد لوله ای لاستیکی از پمپ به دستگاه متصل می گردد که معمولاً یک شیر هم به منظور تنظیم مقدار دبی دستگاه بین پمپ و دستگاه قرار دارد در قسمت خروجی دستگاه هم یک لوله پلاستیکی قرار دارد که آب را از دستگاه پس از عبور از یک شیر کنترل ، جهت اندازه گیری دبی به تانک وزنی منتقل می کند بعد از اینکه مقدار دبی مناسب برای دستگاه تنظیم گردید میزان آن به روش زیر اندازه گیری می شود.

اندازه گیری دبی توسط میز هیدرولیکی

زمانی که انتهای بیرونی اهرم میز هیدرولیکی توسط تیغه نگهدارنده بالا نگه داشته شده است شیرخروجی تانک وزنی باز می باشد و آبی در آن انباشته نمی شود با رها ساختن اهرم بوسیله کنار زدن تیغه نگهدارنده وزن آویز باعث می شود تا انتهای بیرونی اهرم به طرف پایین حرکت کند و در این لحظه شیر خروجی تانک وزنی بسته می شود و آب در تانک وزنی جمع آوری می شود.

پس از چند لحظه اهرم به حالت تعادل می رسد (وضعیت تعادل اهرم وقتی است که میله اهرم با زیر تیغه نگهدارنده تماس می یابد که در این لحظه اهرم به حالت افقی قرار می گیرد ) از این لحظه می توان مقدار آبی که در تانک پس از این لحظه وارد می شود را اندازه گیری نمود بنابراین بلافاصله پس از تعادل اهرم ، کرنومتر را راه اندازی می کنیم وبسته به میزان دبی ، چند وزنه دو کیلوگرمی را بر روی آویز اهرم قرار می دهیم و به محض اینکه اهرم دوباره به حالت تعادل رسید کرنومتر را متوقف کرده و زمان نشان داده شده را یادداشت می کنیم برای حصول دقت مطلوب حتی المقدور ، تعداد وزنه ها را چنان انتخاب کنید که زمان جمع شدن آب کمتر از 60 ثانیه نباشد بعد از اینکه مدت زمان جمع شدن مقدار معینی آب مشخص شد می توان مقدار دبی را محاسبه نمود با توجه به اینکه نسبت طولی میله اهرم از محل اتصال تانک وزنی تا محل تکیه گاه به فاصله آویز اهرم با تکیه گاه مساوی یک به سه است بنابراین هر کدام از وزنه های دو کیلوگرمی معادل شش کیلوگرم آب جمع آوری شده داخل تانک می باشد.

اکنون با تقسیم جرم آب جمع آوری شده بر زمان جمع آوری آن ، میزان دبی جرمی و از روی آن مقدار دبی حجمی (دبی ) را محاسبه می کنیم :

دبی جرمی                  تعداد وزنه های دو کیلوگرمی روی آویز  = n

دبی حجمی  = جرم مخصوص سیال/ دبی جرمی   

t = زمانی را که کرنومتر نشان می دهد.

موارد زیر جهت عملکرد صحیح و دقیق میز هیدرولیکی بایستی مورد توجه قرار گیرد:

1- قبل از روشن نمودن پمپ باید مطمئن شد که منبع  S تا ارتفاع تقریبی mm 320 از آب پر بوده و شیر فلکه پمپ هم بسته باشد.

2- در صورت وجود هر گونه نشت و با چکانده شدن قطره آب بر روی موتور الکتریکی و یا استارتر ، دستگاه را از برق قطع کرده و تا اطمینان کامل از رفع عیب ، دستگاه را به برق متصل ننمائید نشت آب بر روی صفحه میز هیدرولیکی در صورتیکه مقدار آن کم باشد با توجه به اینکه آب به منبع بر می گردد خیلی حائر اهمیت نیست .

3- در صورتیکه دستگاه تحت فشار کامل باشد و در صورت نیاز ، محل اتصال لوله های پلاستیکی به لوله های فلزی دستگاه را با بست ، محکم ببندید.

4- در تمامی مواقع به جز زمانهایی که مقدار آب اندازه گیری می شود با بالا نگهداشتن انتهای هرم توسط تیغه نگهدارنده ، شیر تانک وزنی را باز نگه دارید البته اگر تانک وزنی پر و سرریز شود با توجه به اینکه آب به منبع S بر می گردد زیاد اشکالی ندارد.

5- در پایان عملیات اندازه گیری دبی برای جلوگیری از وارد آمدن ضربه به دستگاه انتهای بیرونی اهرم را با دست نگاه داشته و به پائین فشار دهید سپس تیغه نگهدارنده را آزاد نموده و انتهای اهرم را به آرامی به بالا هدایت کنید و سپس وزنه ها را از روی آویز بردارید .

6- پس از اتمام آزمایش شیرهای فلکه را بسته و پس از آن پمپ را خاموش می کنیم.

فصل دوم :

جریان عبوری از ونتوری متر

مقدمه

(ونتوری متر وسیله ایست که برای اندازه گیری شدت جریان در لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد)

جریان سیال از طریق یک لوله همگرا به مقطعی از لوله که سطح مقطع آن کمتر از سطح مقطع لوله اصلی است هدایت می شود که این کاهش سطح مقطع در گلوگاه باعث افزایش سرعت در آن مقطع خواهد شد بنابر معادله برنولی ، افزایش سرعت در مقطعی از لوله با دبی ثابت باعث کاهش فشار در آن مقطع می شود و چون میزان سرعت و فشا رهر دو به مقدار جریان بستگی دارد بنابراین می توان با اندازه گیری تغییرات فشار در دو مقطع مختلف از لوله ونتوری ، میزان شدت جریان را محاسبه نمود.

هدف از انجام این آزمایش مقایسه جریان عبوری محاسبه شده با کمک دستگاه ونتوری متر با میزان جریان واقعی بدست آمده با استفاده از تانک وزنی میزهیدرولیکی و تعیین  ضریب تخلیه (C) جهت این مقایسه می باشد همچنین با کمک دستگاه ونتوری متر که در شکل (1) نشان داده شده می توان توزیع فشار در طول لوله ونتوری را بدست آورده و با توزیع فشار حقیقی (ایده آل ) مقایسه نمود.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل1: دستگاه ونتوری متر

شرح دستگاه

همانطور که در شکل (1) نشان داده است دستگاه ونتوری متر تشکیل شده است از یک لوله همگرا- واگرا که آب از قسمت چپ وارد دستگاه شده و پس از گذشتن از قسمت همگرا و عبور از گلوگاه ونتوری وارد قسمت واگرا شده و سپس با عبور از شیر کنترل به تانک وزنی میز هیدرولیکی جهت اندازه گیری دبی واقعی هدایت می شود در طول لوله ونتوری 11 لوله پیزومتر جهت اندازه گیری فشار در مقاطع مختلف نصب شده است دو پیزومتری که یکی در ابتدای لوله ونتوری و دیگری در گلوگاه ونتوری نصب شده است جهت محاسبه میزان دبی عبوری مورد استفاده قرار می گیرد و پیزومترهای دیگر برای مقاصد آزمایشی و مطالعه تغییرات فشار در طول لوله ونتوری نصب شده است تمامی پیزومترها توسط لوله های مانومتری شفاف به یک محفظه هوای متراکم متصل شده و مجموعه ، روی یک تابلو مدرج شده نصب شده است در ضمن قطر لوله در مقاطع مختلف ونتوری در محل اتصال پیزومترها در جدول (1) مشخص گردیده است .

تئوری آزمایش

لوله ونتوری مطابق شکل (2) را در نظر می گیریم که جریان دائم یک سیال تراکم ناپذیر در آن برقرار است .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2: ونتوی متر

پیزومترهای (1) و (2) به ترتیب در ابتدا و در گلوگاه ونتوری نصب شده اند و پیزومترهای (n) در مقاطعی دلخواه ونتوری قرار گرفته اند تمامی لوله های پیزومتر به یک محفظه هوا متصل هستند که دارای فشار P  می باشد بنابراین با توجه به ارتفاع سیال در لوله متصل به پیزومتر مقطع دلخواه (n) فشار در این مقطع  برابر با  خواهد بود به موجب معادله برنولی در سیستمی مانند لوله ونتوری مذکور که از افت انرژی در طول لوله صرفنظر شده است در هر مقطع دلخواه (n) از این لوله مقدار عبارت برابر با مقداری ثابت است و در نتیجه برای مقاطع (1) ،(2) و (n) می توان نوشت :

                                                (1)

در رابطه بالا  می باشد.

همچنین با توجه به معادله پیوستگی خواهیم داشت :

(2)                                                  

که در معادلات فوق V معرف سرعت جریان و a معرف سطح مقطع می باشد.

با استفاده از معادلات (1) و (2) سرعت در گلوگاه ونتوری از رابطه زیر محاسبه می گردد :

و در نتیجه مقدار شدت جریان را می توان از رابطه زیر محاسبه نمود.

                                                          (3)

علت اینکه از دو مقطع (1) و (2) جهت محاسبه شدت جریان استفاده شده است این موضوع می باشد که جریان در لوله ونتوری بین این دو مقطع در جهت جریان همگراست و آزمایشات نشان می دهد که افت انرژی در طول لوله های همگرا ، ناچیز و قابل صرفنظر می باشد اما همین میزان ناچیز افت ، مقدار اندکی تفاوت در دبی محاسبه شده در مقایسه با دبی واقعی می گذارد که با ضریب C که از آزمایش بدست می آید می توان آنرا تصحیح نمود این ضریب را ضریب تخلیه ونتوری گویند که با بکار بردن این ضریب ، دبی واقعی چنین بدست می آید:

                                                    (4)

مقدار ضریب C برای شدت جریانهای مختلف متفاوت است و معمولاً بین 92/0 تا 99/0 متغیر می باشد.

با صرف نظر از افت انرژی در طول لوله ونتوری و در نتیجه استفاده از رابطه (1) حاصل از معادله برنولی ، اختلاف هد فشار بین دو مقطع (n) و (1) چنین بدست خواهد آمد :

جهت انجام محاسبات و همچنین مقایسه نتایج حاصل از آزمایش با تئوری می توان مقدار  را در رابطه فوق بصورت بخشی از هد سرعت در گلوگاه  نوشت:

با استفاده از معادله پیوستگی (رابطه 2) و جایگزین نمودن سطح مقطع ها به جای نسبت سرعت ها در رابطه فوق به رابطه زیر خواهیم رسید :

                                    (5)

روش آزمایش

ابتدا دستگاه را برای انجام آزمایش چنین تنظیم می کنیم :

با روشن کردن پمپ ، شیرهای کنترل و پمپ را کاملاً باز کرده و اجازه می دهیم که مدت کوتاهی ، آب در ونتوری متر جریان داشته باشد تا حبابهای هوا از دستگاه خارج شود اکنون شیر کنترل را به تدریج می بندیم این کار باعث افزایش فشار و بالا رفتن سطح آب در لوله های مانومتریک متصل به پیزومتر ها خواهد شد و هوای داخل محفظه فوقانی مانومترها متراکم شده و سطح آب در لوله های مانومتر در یک تراز افقی قرار می گیرند در این لحظه شیر پمپ را به تدریج بسته و سپس بوسیله پیچهای پایه ، دستگاه را در حالت افقی تراز می کنیم بدینگونه که تمامی قسمتهای تابلوی مدرج یک ارتفاع را برای سطح آب داخل مانومترها نشان دهند.

پس از حصول اطمینان از تراز بودن دستگاه انجام آزمایشات آغاز می گردد بهتراست آزمایشات را با دبی ماکزیمم شروع نمود ماکزیمم دبی زمانی حاصل می شود که مقدار  بیشترین مقدار باشد برای این منظور می توان با باز نمودن تدریجی شیرهای پمپ و کنترل ، ارتفاع  را در ماکزیمم و ارتفاع  را در پایین ترین قسمت خط کش مدرج تنظیم نمود باز نمودن هم زمان شیرها باعث افزایش دبی و همچنین افزایش اختلاف  و  می شود باز نمودن شیر پمپ باعث بالا آمدن ارتفاع آب در لوله های پیزومتر و باز نمودن شیر کنترل باعث پایین رفتن سطح آب در لوله های پیزومتر می شود در صورت پیش آمدن هر نوع مشکلی برای ایجاد دبی ماکزیمم می توان با وارد کردن هوا به کمک پمپ هوا یا خارج نمودن هوا از قسمت بالای دستگاه به این منظور رسید.