Theoretical analysis of sudden expansion fittings in pneumatic conveying system

Abstract

Pünömatik tasıma sistemlerindeki ani genislemelerde olusan minor kayıp katsayısınınteorik olarak incelenmesi bu tezin amacıdır. Minor kayıp katsayısı, sistemdeki enerji vebasınç kaybının bir göstergesidir. ki fazlı akıs olarak karakterize edilen pünömatik tasımasistemlerindeki akıs yapıları oldukça karmasık ve deneysel metotlarla arastırılması da zordur.Bu nedenle akıs rejiminin teorik olarak analizi çok önemlidir.lk, ani genislemeler için teorik ve deneysel çalısmaları içeren bir literatür arastırmasıyapılmıstır. Literatür çalısmalarının çogu gaz-sıvı akısları üzerinde oldugu, katı-gaz akısüzerine çalısmaların az oldugu görülmüstür. Gaz-sıvı akısları üzerindeki teorik çalısmalar, gazfazı ?sıkıstırılamayan? olarak farz edildigi zaman, katı-gaz akısları için de uygulanabilir.Deneysel çalısma sonuçları ve teorik modeller incelenmistir ve teorik modellerdeki eksikliklerbelirlenmistir. Bu deneysel çalısmaların ve teorik modellerin bir sonucu olarak, anigenislemelerdeki gaz-katı akıslarının teorik analizi için bir çalısma metodu belirlenmistir.Sonra, homojen akıs ve ayrık akıs yaklasımları katı-gaz akısları için tanımlanmıstır.Temel kanunların (kütle ve momentum) bu yaklasımlarda uygulanmasıyla, anigenislemelerdeki basınç farkı için üç ayrı teorik model tanımlanmıstır. Literatürdeki gaz-sıvıakısları için tanımlanmıs bir teorik model gas-katı akısları için ayriyeten gelistirilmistir. Anigenislemeler boyunca olusan fazlar arasındaki hız farkı için literatürde tanımlanmıs teorikmodeller belirtilmistir.Bu teorik modeller literatürdeki deneysel çalısmalarla karsılastırılmıstır. Sonuçlar; ayrıkakıs modelin olusan teorik modeller içerisinde en iyi oldugunu göstermistir. Bu modelin fazlararasında olusan hız farkı için literatürde tanımlanmıs bir model ile tanımlanmasıyla,sonuçların deneysel verilere daha da yakınlastıgı görülmüstür. Sonuç olarak; ayrık akısmodeli gaz-katı türbülanslı akıs rejimi için en uygun teorik model olarak gösterilebilir.Ani genislemelerde olusan basınç kaybı biri gaz fazdan dolayı ve digeri katı parçacıktandolayı basınç kaybı olarak ikiye ayrılmıstır. Bu yüzden basınç kayıp katsayısı sadece gazfazdan dolayı basınç kayıp katsayısı ve katı parçacıklardan dolayı ek basınç kaybının toplamıolarak tanımlanmıstır. Sonuçlar, katı parçacıkların akısa eklenmesi ani genislemelerde olusanbasınç kaybını azalttıgını göstermis ve bu basınç kaybındaki düsüs miktarının tasınanmalzemenin türüyle alakalı oldugu ve fazlar arasındaki bagıl hıza baglı oldugunu göstermistir.Ayrıca, sonuçlar, teorik olarak tanımlanmıs basınç kayıp katsayısının, sabit bir katı yüklemeoranıyla, Reynolds sayısının bir fonksiyonu olmadıgı göstermistir.Anahtar Kelimeler: ani genisleme, basınç kaybı, gaz-katı akısı, iki fazlı akıs

Theoretical analysis of minor loss coefficient for sudden expansions in pneumaticconveying system is the basic purpose of this thesis. The minor loss coefficient is anindication of the degree of permanent pressure or energy loss in the system. The flowstructure in pneumatic conveying systems characterized as two phase flow (gas-solid particle)is complex and difficult to investigate by experimental methods. Therefore, theoreticalanalysis of this flow regime is important.First, a literature survey on theoretical and experimental studies of sudden expansionpipe flows has been made. There are many studies on gas-liquid flows but scarcely on gassolidflows. Models on gas-liquid flows can be adapted to gas-solid flows when gaseous phaseis assumed incompressible. Experimental results are compared with theoretical models. Thedeficiencies in the theoretical analysis are defined. As a result, a method for the theoreticalanalysis of sudden expansion for gas-solid flows is presented.Then, homogeneous flow and separate flow approaches are utilized for gas-solidflows. By applying global laws (mass, momentum) in both approaches three differenttheoretical models are formed for the calculation of pressure difference arising in suddenexpansion pipe flows and also a theoretical model for gas-liquid flows available in literatureare developed for gas-solid flows. Slip flow models in literature is also shown for the relativevelocity between phases occurring during expansion.All the theoretical models are compared with experimental data of some authors inliterature. Results have shown that the separate flow model is the best among the existingmodels. The slip in velocity between phases is also considered and a hybrid model is formedby combining separate flow model with slip flow model and it has yielded very closeagreement with experimental data. As a result, the hybrid model can be considered as the bestsuitable theoretical model applicable to two phase gas-solid turbulent flow regimes.Finally, the pressure loss due to sudden expansion is divided as one due to gas alone andone due to particles so the pressure loss coefficient is formed as the sum of the pressure losscoefficient due to gas phase and additional pressure loss coefficient due to particles. It isresulted that addition of particles to the flow decreases the pressure loss along the expansionbut this decreasing in pressure loss is related with the material type to be conveyed or with therelative velocity existing between phases. It is also concluded that pressure loss coefficient intheory is not a function of Reynolds number in case of constant solid loading ratio with thesame particle.Keywords: sudden expansion, pressure loss, gas-solid flow, two-phase flow