Rutenbeck; GLR Pressure Drop

14
Group Leader Report Julianne Rutenbeck CHEN 3130004 Dr. Wendy Young 02/10/2015

Transcript of Rutenbeck; GLR Pressure Drop

Page 1: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

                                   

Group  Leader  Report  Julianne  Rutenbeck  CHEN  3130-­‐004  Dr.  Wendy  Young  02/10/2015  

   

Page 2: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  2  

Table  of  Contents Objectives    ….………………………………………………………………………………………………………………  3 Apparatus  and  Equipment    ………………………………………………………………………………………….  4  

Process  Flow  Diagram    ………………………..………………………………………………………………….  4 Operating  Instructions    ……………………………………………………………………………………………….  5

Start  up    ………….…………………………………………………………………………………………………….    5  Calibrations    ………………………………………………………………………………………………......................  5 Data  Collection    ………………………..………………………………………………………………….....................  6  Shut  Down    …………………………………………………………………………………………………………...    6  Safety    …………………………………………………………………………………………………………………..  6

Calculations  …………………………………………………………………………………………………....................  7 Calculation  Flowcharts  …..………………………………………………………………………………………  7  

Error  Analysis  ……………………………………………………………………………………………………………  9 Bibliography    …………………………………………………………………………………………………………...    10 Appendices    ……………………………………………………………………………………………………………...  11

Appendix  I:  Table  of  Nomenclature  and  Physical  Properties  ……………………………………...  11 Appendix  II:  Instrument  Specifications      ……………………………………………………………............  12 Appendix  III:  Specified  flow  rates  to  be  studied…………………………………………………………..  12  Appendix  IV:  Pipe  Specifications  ………………………………………………………………………………..  13 Appendix  V:  Example  Moody  Diagram    ……………………………………………………………………...  14  

   

Page 3: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  3  

Objectives  This  experiment  will   investigate  how  physical  parameters  affect  the  pressure  drop  

in   pipes.   The   pressure   drop   in   straight   pipes   over   a   given   length   will   be   measured   for  various  pipe  diameters  and  volumetric  flow  rates.  With  these  data,  an  experimental  moody  chart  will   be   created   and   compared   to   typical   versions.  A   typical  moody   chart   plots   the  Reynolds  number  –  a  dimensionless  parameter  used  to  characterize  fluid  flow  –  versus  the  friction  factor,  at  various  values  of  the  relative  roughness  (ϵ/D),  which  is  characteristic  of  the  piping  material   (Refer   to  Appendix  V   for   an   example  Moody   chart).  The  plot   created  from   this   experiment  will   have  only  one  value  of   the   roughness   factor   and   therefore   the  relative   roughness   will   depend   only   on   the   pipe   diameter.   The   Reynolds   number   and  friction  factor  can  both  be  calculated  from  properties  of  the  fluid  and  knowledge  of  the  flow  rate,  pipe  diameter,  and  the  pressure  change  over  a  given  length  of  tube  (equations  5,  8;  see  Calculations,  Flow  Chart  II,  pg.  8).  Flow  rate  and  diameter  will  be  varied  and  the  pressure  drop  for  each  combination  will  be  recorded.    

Pressure   changes   through   a   number   of   flow   components   will   also   be   observed.  Similar   to   the  method  used   for   straight  pipes,   the  pressure  drop  around   the  components  will  be  measured  as  a  function  of  flow  rate.  These  components  consist  of  a  ball  valve  (H),  a  bonnet  valve  (G),  a  90o  bend  (K),  a  venturi  meter  (I),  and  an  orifice  meter  (J,  see  Figure  1,  pg.  4).  Once  the  data  have  been  obtained,  a  plot  will  be  created  for  each  of  the  two  valves  and   the   bend,   showing   equivalent   length   versus   the   Reynolds   number.   The   equivalent  length  is  an  effective  distance,  equivalent  to  the  length  of  straight  pipe  that  would  cause  the  same   change   in   pressure   at   the   given   flow   rate   and   diameter;   it   can   be   calculated   from  these   three   parameters   (equation   10,   Calculation   Flow   Chart   III,   pg.   9).   The   venturi   and  orifice   meters   will   each   be   analyzed   with   a   plot   of   the   discharge   coefficient   versus   the  Reynolds  number  at  various   flow  rate  and  diameter  values.  The  discharge  coefficient   is  a  dimensionless  parameter  used  to  describe  the  relative  efficiency  of  a  valve  discharging  to  a  reservoir  (equation  11,  Calculation  Flow  Chart  IV,  pg.  9).  By  the  end  of  the  experiment,  the  dependence  of  the  pressure  drop  on  diameter  and  flow  rate  will  be  approximately  known.  The  resulting  correlations  and  relationships  may  be  used  in  the  future  to  help  design  a  new  piping  network  with  this  piping  material.  

               

Page 4: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  4  

Apparatus  and  Equipment  

 

 Figure  1.  Process  Flow  Diagram.    

Orifice MeterVenturi Meter

Air release valvesBonnet Valve

Ball ValvePressure Gauge/Transducer Connection

Gate valve

Rotameter switch valve

Rotameter

Flow inFlow out

Line 6

Line 5

Line 4

Line 3

Line 2

Line 1

Reservoir

PumpA

B

CD

E

F

G H

I J

2 psid pressure transducer

5 psid pressure transducer

10 psid pressure transducer

L

K

Entrance length L=length of P dropExit Length

M

Page 5: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  5  

Apparatus  &  Equipment  The  Process  Flow    

The  pump  pushes  water  up  from  the  reservoir,  through  one  of  the  rotameters  (M),  and  up  the  left  side  of  the  apparatus.  The  air  release  valves  (F),  allow  the  water  to  air  push  up  and  out  of  the  system.  Each  line  has  a  ball  valve  that  controls  the  flow  into  that  tube.  Lines  one,  four,  five,  and  six  are  just  straight  pipes  with  pressure  sensor  ports  on  opposite  ends.  Line  two  has  the  Venturi  meter  (I),  the  orifice  meter  (J),  and  the  bend  (K).  Line  three  has  two  different  kinds  of  valves  –  Ball  (H)  and  Bonnet  (G).  Each  of  these  components  has  pressure  sensor  ports  on  either  side  of  them.  The  water  flows  out  on  the  opposite  side  of  the  apparatus,  passes  through  the  gate  valve  (L),  and  drains  back  into  the  reservoir  to  be  recycled.  

 Table  1.  Process  Flow  Diagram  Components  

  Component   G   Bonnet  valve  A   Pump   H   Ball  valve    B   Valve  to  switch  rotameters;  Orifice  0.01905  m     I   Venturi  Meter  C   Ball  valve  to  open  each  line   J   Orifice  Meter  D   Pressure  sensor  connection  port   K   Bend  E   Brass  Alloy  260  Tubing   L   Gate  valve    F   Air  release  valves   M   Rotameter  

 Operating  Instructions  and  Safety  Start  Up     Before  engaging  the  pump  and  beginning  data  collection,  the  apparatus  must  be  in  the  proper  state.  One  of  the  rotameter  valves  should  be  open  and  the  other  closed  (B;  see  figure  1,  pg.  4);  if  both  are  in  the  same  position,  damage  to  the  pump  may  occur.  The  entry  valves  to  each  pipe  should  be  such  that  the  lines’  under  study  are  open  and  the  rest  are  closed  (C).  On  the  exiting  side,  the  gate  valve  leading  into  the  drain  tub  (L)  should  be  all  the  way  open  and  secured  to  the  reservoir.  Once  the  water  has  established  full  flow  and  the  experiment  begun,  the  exit  valve  may  be  adjusted  accordingly  to  avoid  vacuum  pressures.  When  all  of  this  has  been  accomplished,  the  pump  is  ready  to  be  engaged.  When  the  pump  is  started,  the  lines  must  be  cleared  of  air  to  avoid  hammering  and  equipment  damage.  To  clear  the  line,  open  the  air  release  valves  on  each  side  of  the  apparatus  (F).  When  water  can  be  seen  in  the  tube,  all  the  air  has  been  cleared  from  the  lines  and  the  valve  can  be  shut.  Calibration     The  rotameters  (M)  will  be  calibrated  with  a  catch  and  weigh.  Once  full  flow  has  been  established  –  the  ¾”  lines  may  take  several  minutes  –  the  process  can  begin.  The  information  being  recorded  will  be  the  time  for  which  water  is  allowed  to  flow  into  the  bucket,  along  with  the  mass  of  the  bucket,  before  and  after  the  water  is  allowed  to  drain  into  it.  With  this  information,  equation  (1)  can  be  used  to  calculate  the  actual  flow  rate  and  compare  it  to  the  rotameter  reading.  For  each  rotameter,  five  different  flow  rates  will  be  measured,  and  three  replicates  will  be  performed  at  each  level.  This  data  should  then  be  

Page 6: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  6  

consolidated  into  a  calibration  curve,  which  then  can  be  used  for  the  duration  of  the  experiment.  Table  5  in  appendix  III  shows  the  specified  levels  to  be  calibrated.     At  each  of  the  flow  rates,  the  pressure  transducers  will  also  be  calibrated.  Using  the  same  gauge,  measurements  will  be  taken  across  the  pipe  at  the  same  sites  that  the  transducers  connect  to.  Since  there  are  two  rotameters  and  two  pressure  transducers  that  require  calibration,  the  ten-­‐psid  transducer  will  be  calibrated  with  the  0.2-­‐2  gpm  rotameter,  and  the  five-­‐psid  transducer  with  the  2-­‐15  gpm  rotameter.  The  gauge  and  transducer  data  will  be  compared  in  a  calibration  curve.  Between  each  replicate  of  the  calibrations,  the  flow  rate  should  be  varied  slightly  and  brought  back  to  the  original  level.  Data  Collection     Since  the  aim  of  this  experiment  is  to  explore  a  wide  range  of  Reynolds  numbers  and  pressure  changes,  a  wide  variety  flow  rates  will  be  investigated.  For  each  straight  tube,  four  flow  rates  have  been  specified  and  three  replicates  will  be  performed  at  each.  If  time  does  not  permit  for  this  many  trials,  one  flow  rate  for  each  line  has  been  specified  as  being  less  necessary;  table  6  (appendix  III)  shows  the  specified  flow  rates  to  be  studied.  At  each  specified  flow  rate,  the  actual  flow  reading  and  pressure  drop  across  the  appropriate  transducer  will  be  recorded.  Pressure  drop  will  be  measured  via  LabView  Software.  The  experiment  will  generate  between  thirty-­‐six  and  forty-­‐eight  data  points.  These  will  be  used  to  create  an  experimental  moody  chart  (see  calculations  flow  chart  II  for  more  information).  The  generated  plot  will  be  compared  to  typical  ones  found  in  literature.  An  example  Moody  chart  has  been  attached  in  Appendix  V  for  comparison  with  the  results  obtained.  Since  all  the  lines  will  be  used,  when  switching  between  them,  one  must  open  the  next  valve  before  closing  the  current  one.  If  all  entry  valves  are  closed,  damage  to  the  equipment  may  result.       After  the  straight  pipe  data  have  been  taken,  lines  two  and  three  will  be  studied.  Again,  flow  rate  and  pressure  drop  around  each  component  will  be  varied  and  recorded.  These  data  will  be  used  to  make  two  more  plots  –  discharge  coefficient  (calculation  flow  chart  IV)  versus  Reynolds  number  for  the  venturi  and  orifice  meters  and  equivalent  length  (calculation  flow  chart  III)  versus  Reynolds  number  for  the  valves  and  bend.    Shut  Down     To  shut  down  the  apparatus,  simply  turn  off  the  pump.  After  this,  shut  all  the  gate  valves  to  the  lines  and  all  other  valves  should  be  in  safe  positions  for  future  use.  Because  water  may  leak  from  the  lines  or  reservoir,  dry  the  surrounding  area  for  the  safety  of  others  in  the  lab.  Safety  

• As  stated  above,  water  leakage  increases  the  risk  of  slipping  in  the  lab.    • The  pump  is  an  electrical  component  in  a  water  reservoir.  Be  careful  not  to  allow  

loose  wires,  or  other  conductors  that  have  electricity  running  through  them,  to  come  into  contact  with  the  water.    

 

Page 7: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  7  

Calculations  -­‐Refer  to  Appendix  I  for  variable  definitions  and  physical  property  values.  

I.  Calibration  of  Rotameter  

 II.  Experimental  Moody  Chart  

     

Catch  &  Weigh  

• Measure  mass  of  empty  bucket.  • Time  how  long  water  llows  into  the  bucket.  • Measure  the  mass  of  the  bucket  and  water(m).  

Obtain  Flow  Rates  

• Q=(m/t)(1/ρ)          (1)  

• Record  observed  llow  rate  from  rotameter.  

Callibration  Curve  

• Plot  Q  vs.  the  readings  from  the  rotameter.  

Velocity  •  ν=Q/A                        (2)  

Pipe  properties  

• A=π(D/2)2              (3)  • Relative  Roughness  =  ϵ/D    (4)      

Reynolds  Number  

• Re=ρνD/μ                          (5)  • τw=  -­‐(dP/dz)(D/4)                            (6)  

Friction  Factor  

•  ff=2τw/ρν2                            (7)  • Assuming  the  shear  stress  is  constant.  •  ff    =  (ΔP)D/2ρν2L  =    (P1-­‐P2)D/2ρν2L                    (8)  

Moody  Chart  

• Plot  ff  vs.  Re  for  different  experimental  values  of  ν,  ΔP/L,  and  D.  Compare  this  with  charts  found  in  literature.  

Page 8: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  8  

Assume  

• Horizontal  llow  • Uniform  velocity  prolile  upstream  and  downstream  

Discharge  Coeflicient  

Reynolds  Number  

• Re=ρνD/μ        (4)    

Graph  

• Plot  Cd  vs.  Re  for  each  meter  at  various  llow  rates.  Analyze  the  graphs.  

III.  Bend  and  Valves      

 IV.  Venturi  meter  and  Orifice  meter                                                                                                                        

                                                       𝐶! =!!!!!!

!(!!(!!!!)!)

! !"                                                   11      

Reynolds  Number    

• Re=ρνD/μ              (4)  • Use  this  along  with  the  experimental  moody  chart  to  get  ff    

Loss  Coeflicient  

• Assuming  fully-­‐developed,  steady,  incompressible  llow.  • KL  =  2Ploss/ρν2    =  2(P1-­‐P2)/ρν2                (9)  

Equivalent  Length  

•  leq=KLD/ff                      (10)  • Graph  leq  vs.  Re  for  the  bend  and  both  valves  at  various  values  of  ΔP,  ff,  and  ν.  

Page 9: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  9  

Error  Propagation     Three  replicates  will  be  done  for  each  measurement.  The  data  taken  from  these  measurements  will  be  analyzed  with  the  equations  and  graphs  mentioned  previously.  The  error  associated  with  the  measurements  will  propagate  when  these  calculations  are  performed,  so  the  equations  below  should  be  used  to  estimate  the  error  associated  with  a  calculated  value.  

𝛿𝑄 =1𝜌𝑡

!

(𝛿𝑚)! + (−𝑚𝜌𝑡!)

!(𝛿𝑡)!                  (1)  

𝛿𝑉 =𝛿𝑄𝐴                                (2)  

𝛿𝑓! =𝐷

2𝜌𝑣!𝐿

!

𝛿Δ𝑃 ! + (−Δ𝑃𝐷𝜌𝑣!𝐿 )

! 𝛿𝑣 !                                            (8)  

𝛿𝐾! =2𝜌𝑣!

!

(𝛿Δ𝑃)! +−4Δ𝑃𝜌𝑣!

!

(𝛿𝑣)!                                                  (9)  

𝛿𝑙!" =𝐷𝑓!

!

𝛿𝐾! ! + (−𝐷𝐾!𝑓!!

)!(𝛿𝑓!)!                                  (10)  

𝛿𝐶! =4𝜋𝐷!!

𝜌(1− (𝐷!𝐷!)!)

2 𝛥𝑃

!

(𝛿𝑄)! +−2𝑄𝜋𝐷!!

𝜌(1− (𝐷!𝐷!)!)

2(Δ𝑃)!

!

(𝛿Δ𝑃)!                          (11)  

 The  equations  for  which  these  errors  should  be  used  are  noted  on  the  right  of  the  

equation.  The  error  for  each  measurement  will  be  the  greater  of  two  errors:  the  error  associated  with  reading  the  measurement  and  random  error  between  measurements  due  to  random  fluctuations  (standard  deviation).  The  error  associated  with  equation  one  should  not  be  used  as  the  error  value  in  the  latter  equations;  it  is  only  for  the  catch  and  weigh.  Manufacturer  data  are  shown  in  appendix  II,  table  4.  The  precision  is  an  estimate  based  on  the  markings  on  the  instrument.  No  measurements  were  taken  with  them  in  order  to  verify  the  estimates.  The  systematic  error  for  measurements  of  volumetric  flow  rate  and  pressure  drop  should  be  eliminated  with  the  calibration  of  the  instruments.                  

Page 10: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  10  

Bibliography  Kestin,  J.,  Sokolov,  M.,  Wakeham,  W.  A.  (1978).  Viscosity  of  Liquid  Water  in  the  Range  -­‐8oC  

to  150oC.  J.  Phys.  Chemical  Reference  Data,  Vol.  7.  Retrieved  from:  http://www.nist.gov/data/PDFfiles/jpcrd121.pdf  

The  Engineering  Page.  Retrieved  from:        http://www.the-­‐engineering-­‐page.com/forms/dp/typ_eps.html  

The  Engineering  Toolbox.  Retrieved  from:  http://www.engineeringtoolbox.com/moody-­‐diagram-­‐d_618.html  

                                                 

Page 11: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  11  

Appendices  Appendix  I  

Table  2.  Table  of  Nomenclature.  Symbol   Definition   Units   Obtained  by:  

Q   Volume  flow  rate   m3/s   Calculated/measured  m   Mass  of  water   kg   Measured  ρ     Density  of  water  @  Twater  ≅  25oC   kg/m3   Constant  (varies  with  T)  t   time   s   Measured  T   Temperature  of  water   oC   Measured  (LabView)  τw   Shear  stress  at  the  wall   N/m2   Calculated  A   Cross  sectional  area  of  pipe   m2   Calculated  D   Diameter  of  pipe   in   Constant  ν     Velocity   m/s   Calculated  ff   Fanning  friction  factor   -­‐-­‐   Calculated  ΔP   Differential  pressure   psid   Measured  (LabView)  P1   Upstream  pressure   psig   Measured  P2   Downstream  pressure   psig   Measured  L   Length  of  pipe  between  P1  &  P2   in   Constant  Re   Reynolds  number   -­‐-­‐   Calculated  μ     Dynamic  viscocity  of  water  at  25oC   Ns/m2   Constant  (varies  with  T)  D1   Large  diameter  of  venturi/orifice  meter   in   Constant  D2   Small  diameter  of  venturi/orifice  meter   in   Constant  Cd     Discharge  Coefficient   -­‐-­‐   Calculated  KL     Loss  Coefficient   -­‐-­‐   Calculated  leq   Equivalent  length  of  straight  pipe   m   Calculated  ϵ     Roughness  Factor   m   Constant  

     

Table  3.  Table  of  Physical  Properties.  Property   Value   Units  1ρ  (at  25oC)   997.1   kg/m3  

1μ  (at  25oC)   8.902E-­‐4   Ns/m2  

2ϵ  (Brass)   1.0E-­‐7–1.5E-­‐7   m                    1-­‐  Kestin  et  al.,  1978  2-­‐  “The  Engineering  Page”    

Page 12: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  12  

Appendix  II  Table  4.  Instrument  Specifications  

Instrument   Mfr.1   Range   Units   3Accuracy/Bias   Precision   Tolerance  Pressure  Gauge  

WIKA   0-­‐15   psig   ±  2.5%   ±0.5   If  the  same  gauge  is  used  to  measure  pressure  in  both  positions,  the  bias  should  be  

eliminated  Pressure  Gauge  

WIKA   0-­‐30   psig   ±  2.5%   ±1.0  

Pressure  Transducer  

Dwyer   0-­‐2   psid   ±  .25%   ±0.02    The  transducers  can  be  

calibrated  using  the  gauges  to  measure  P1  and  P2    

Pressure  Transducer  

Dwyer   0-­‐5   psid   ±  .25%   ±0.02  

Pressure  Transducer  

Dwyer   0-­‐10     psid   ±  .25%   ±0.02  

Rotameter   King   0.2-­‐2   gpm   ±  5%   ±  0.5   The  rotameters  will  be  calibrated  Rotameter   King   1.5-­‐15   gpm   ±  5%   ±  0.5  

____________________________________  1-­‐Manufacturer  2-­‐The  data  are  collected  using  Labview  software.  3-­‐Estimates  based  on  multiple  possible  models  

     Appendix  III  

Table  5.  Calibration  flow  rate  specifications  Rotameter   Flow  rates  to  be  calibrated  (gpm)  0.2-­‐2  gpm   0.35   0.8   1.2   1.6   2.0  2-­‐15  gpm   2.1   4.3   6.5   8.7   11  

 Table  6.  Data  collection  flow  rates  

  Flow  Rates  to  be  studied  (gpm)   Possible  flow  rates  

Line  1   4     5.2     8     11  gpm  Line  4   3     4.5   8.5   5.3  gpm  Line  5   0.8     1   4.5   1.85  gpm  Line  6   0.35   0.5   1.3   0.9  gpm            

 

Page 13: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  13  

Appendix  IV  Table  7.  Straight  Tube  Specifications  and  Recommendations.     Line  1   Line  4   Line  5   Line6  

I.D.  (m)   0.015748   0.0110744   7.8994E-­‐3   4.7244E-­‐3  Recommended  Gauge   15  psig   15  psig   30  psig   30  psig  

Recommended  Transducer   5  psid   5  psid   10  psid   10  psid  Recommended  Flow  Rate  

(m3/s)*104  6.94–2.52   5.36–1.89   2.84–0.505   0.82–0.221  

Length  between  psid  measurements  (m)  

1.0922   1.09855   1.09855   1.09855  

Entry  Ball  Valve  Orifice  (m)   0.019304   0.0103124   7.1374E-­‐3   4.7498E-­‐3  Relative  Roughness  (x105)   0.64–0.95   0.9–1.35   1.27–1.9   2.12–3.18  

   

Table  8.  Component  Specifications  and  Recommendations.     Venturi  

Meter  Orifice  Meter  

Bonnet  Valve  

Ball  Valve  

Line   2   2   3   3  Length   0.0889  m   n/a   n/a   n/a  Throat  1L   0.022225  m   n/a   n/a   n/a  

Throat/Bore  Diameter  

9.525E-­‐3  m   0.014732  m    

n/a   n/a  

1L  across   0.4572  m   0.34925  m   0.34925  m   0.3556  m  1L  upstream   .22225  m   0.18415  m   n/a   n/a  

1L  down-­‐stream   .23495  m   0.1651  m   n/a   n/a  Entry  valve  orifice  (m)  

0.019304   -­‐-­‐   0.0103124   -­‐-­‐  

2Flow  Rate*104   5.68–2.52  m3/s   4.1–1.89  m3/s   -­‐-­‐   -­‐-­‐  2P  Gauge   15  psig   15  psig   30  psig   30  psig  

2Transducer   5  psid   5  psid   10  psid   10  psid    

   

Page 14: Rutenbeck; GLR Pressure Drop

  14  

Appendix  V  

 Figure  2.  Example  experimental  Moody  Chart  (The  Engineering  Toolbox).