APLICATII ALE MECANICII FLUIDELOR IN TEHNICA

Aplicatii ale mecanicii fluidelor in tehnica

1. Sonda de presiune

Sonda de presiune (fig.1) consta dintr-un tub manometric montat perpendicular pe o conducta prin care curge un fluid. Sonda de presiune este utilizata pentru determinarea presiunii statice a fluidului.

2. Tubul Venturi

Tubul Venturi (fig.2) este utilizat pentru determinarea debitului fluidelor. Pentru masurare se inlocuieste o portiune orizontala de conducta cu tubul Venturi, care are sectiunea de intrare S₁, iar sectiunea portiunii inguste S₂. Debitul de volum se determina cu relatia:

, in care k este constanta aparatului.

3. Castelul de apa

Castelul de apa (fig.3) consta in principal dintr-un rezervor cu apa, de capacitate mare (care se stabileste in functie de consumul de apa din reteaua pe care o alimenteaza), amplasat la o anumita inaltime h (care se stabileste in functie de presiunea necesara in reteaua pe care o alimenteaza), pe o structura de sustinere. Castelul de apa este utilizat pentru alimentarea gravitationala cu apa potabila a unor consumatori casnici sau industriali. Alimentarea castelului cu apa se face din puturi forate sau sapate in teren, utilizand pompe de apa. Castelul poate fi prevazut cu o instalatie de automatizare, care la scaderea nivelului apei din rezervor, permite pornirea automata a pompelor de alimentare a rezervorului.

4. Hidroforul

Hidroforul (fig.4) este utilizat pentru alimentarea unor consumatori cu apa sub presiune. Hidroforul consta, in principal, dintr-o pompa de apa, rezervor metalic, motor (in general este electric, dar poate fi si termic) pentru actionarea pompei de apa si circuit electronic de automatizare. In principiu, pompa de apa aspira apa dintr-un put si o trimite (sub presiune) in rezervorul metalic, in care se gaseste un anumit volum de aer. Prin intrarea apei in rezervorul metalic, volumul de aer existent in acesta este comprimat, formandu-se o perna de aer sub presiune (p = 2 2,5 bar), care se mentine atata timp cat nu se consuma apa din rezervorul metalic. Pe masura ce se consuma apa din rezervor, presiunea din acesta scade, iar cu ajutorul circuitului electronic de automatizare se comanda actionarea pompei de apa de catre motor. Optional, perna de aer din rezervor poate fi creata cu ajutorul unui compresor de aer.

Filtrarea apei

Filtrarea apei este un procedeu de eliminare a suspensiilor din apa ce consta in trecerea acesteia printr-o masa de material poros denumit strat filtrant (fig.5).

Dupa modul de realizare, filtrarea poate fi:

filtrare rapida (de suprafata) - este o operatie ce se realizeaza cu o viteza mare (5 15 m/h) si in care se actioneaza asupra lichidului cu un gradient de presiune, care face posibila trecerea apei prin stratul filtrant;

filtrare lenta (de adancime) - este o operatie ce se realizeaza cu o viteza mica (0,1 0,3 m/h) si care se realizeaza numai in cazul in care diametrul particulelor solide este mult mai mic decat diametrul porilor materialului filtrant. Curgerea lichidului are loc gravitational, fara a aplica o diferenta de presiune.

Materiale filtrante: nisip, pietris, hartie, granit concasat, antracit granulat, marmura, panze filtrante, polistiren expandat, etc.

6. Debitmetrul rotametric

Rotametrele (fig.6) sunt debitmetre cu diferenta constanta de presiune si plutitor rotativ. Aceste aparate sunt utilizate la masurarea debitului lichidelor sau gazelor, pe baza deplasarii unui plutitor intr-un tub tronconic gradat, dispus vertical, prin care circula fluidul al carui debit se masoara. Plutitorul se gaseste in interiorul tubului tronconic si are forma cilindrica, de diferite diametre, fiind prevazut la partea superioara cu o serie de fante care au rolul sa-i imprime o miscare de rotatie in jurul axei proprii, pentru ca plutitorul sa se mentina in centrul curentului de fluid.

Rotametrele functioneaza pe principiul echilibrarii fortei gravitationale G, a plutitorului, cu forta ascensionala data de suma dintre forta arhimedica F_A si forta rezistenta dinamica F_D (opusa de plutitor la trecerea curentului de lichid). Plutitorul fiind in tubul tronconic, este deplasat in sus de curentul ascendent de fluid, iar nivelul de ridicare h este cu atat mai mare cu cat viteza de curgere a fluidului (respectiv debitul de fluid) prin tub este mai mare.

Debitul volumic de fluid vaiaza direct proportional cu nivelul pana la care se ridica plutitorul h, dupa o relatie de forma , care reprezinta relatia fundamentala functionala a rotametrului.

7. Debitmetrul cu turbina

Debitmetrul cu turbina se bazeaza pe relatia liniara care exista intre viteza de curgere a unui fluid si turatia unei turbine cu palete cu axul orientat perpendicular pe directia de curgere a fluidului (turbina tangentiala) sau cu axul orientat pe directia de curgere a fluidului (turbina axiala).

8. Turbine eoliene

Turbinele eoliene sunt utilizate pentru valorificarea energiei eoliene sau a energiei cinetice a curentilor de aer atmosferici (sau pentru valorificarea energiei cinetice a vantului). Astfel, turbinele transforma energia eoliana in lucru mecanic util, care poate fi folosit pentru antrenarea pompelor de apa, a morilor sau a generatoarelor de curent electric. Turbinele eoliene pot fi cu rotor cu ax orizontal (cu una, doua sau trei pale) si cu ax vertical.

In prezent prezinta interes, in principal, transformarea energiei eoliene in lucru mecanic util, sub forma miscarii de rotatie, care este folosit pentru actionarea generatoarelor de curent electric alternativ trifazat, in vederea generarii energiei electrice (fig.8).

Pentru a pune in miscare o turbina eoliana este necesara o viteza a vantului de minimum 2,8 m/s, iar din ratiuni economice se impune ca viteza acestuia sa aiba o valoare medie de 3 4 m/s. Optimul tehnologic si economic se atinge la 12 m/s.

Turbinele eoliene de puteri medii si mari se folosesc intr-un sistem centralizat de producere a energiei electrice, sunt instalate grupat (in largul marilor sau oceanelor, respectiv pe uscat) si mai pot fi denumite centrale eoliene.

9. Hidrocentrala

Hidrocentrala transforma energia potentiala a apei in energie electrica. Hidrocentralele (fig.9) se amplaseaza pe cursurile de apa si se compune, in principal, dintr-un lac de acumulare, baraj, sisteme de aductiune a apei, turbine hidraulice si generatoare de curent electric alternativ trifazat.

Partea principala a unei hidrocentrale este constituita de ansamblul format din turbina hidraulica (sau de apa) si generatorul de curent electric, care transforma lucrul mecanic generat de turbina (in urma antrenarii ei in miscare de rotatie de catre curentul de apa) in energie electrica. Principalele tipuri de turbine hidraulice folosite in prezent sunt turbinele Pelton, Francis si Kaplan.

10. Saltul hidraulic

Saltul hidraulic reprezinta forma stabila de trecere de la miscarea in regim rapid la miscarea in    regim lent. Importanta practica pe care o prezinta saltul hidraulic este strans legata de folosirea sa ca instrument de intensa disipare a energiei. Prin salt se poate disipa intre 50 80 % din energia cinetica disponibila in sectiunea de intrare pe o distanta relativ scurta.

Saltul hidraulic (fig.10) se poate produce intr-un canal (albie) daca fundul acestuia prezinta o ridicatura sau o adancitura si poate cauza un salt hidraulic in aval sau in amonte. Fenomenul consta dintr-o ridicare brusca a suprafetei libere a lichidului si are la partea sa superioara o zona de macrovartejuri (vartejuri a caror dimensiuni sunt de acelasi ordin de marime cu adancimea curentului). Prin salt o parte din energia cinetica a curentului de lichid se transforma in energie potentiala (h₂ > h₁), iar o alta parte este disipata si se prezinta ca o pierdere locala de sarcina. Acest ultim aspect ofera saltului hidraulic caracteristica de disipator de energie.

Saltul hidraulic poate fi utilizat ca dispozitiv de amestec al unor substante chimice, ca dispozitiv de masurare a debitului si in procesul de aerare a apei. Spre exemplu, in cadrul utilajelor de aerare a apei (care are drept scop imbogatirea continutului in oxigen al apei in contact cu aerul atmosferic, eliminarea CO₂ liber, a mirosului si gustului neplacut al apei, aerarea apei contribuind la imbunatatirea degradarii biologice a poluantilor din apa), apa trece prin mai multe bazine deschise, aflate la niveluri diferite, realizandu-se o curgere turbulenta si imbunatatindu-se, astfel, transferul oxigenului din aer in apa (fig.11).

Bibliografie selectiva

1. Cioc, D. Hidraulica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1983
2. Iamandi, C. s.a. Hidraulica instalatiilor, Editura Tehnica, Bucuresti, 2002
3. Muntean, M., Molnar, A. Mecanica tehnica, Editura RISOPRINT, Cluj-Napoca, 2004
4. Speranta Coldea, Ionescu, G.C. Elemente de fizica fluidelor si hidraulica, Editura Matrix Rom, Bucuresti, 2005