Ontwerp van een testsectie die geschikt is voor het observeren van belmigraties

observeren van belmigraties

Citation for published version (APA):

Op den Camp, O. M. G. C., & Peters, G. (1989). Ontwerp van een testsectie die geschikt is voor het observeren van belmigraties. (Report WOP-WET; Vol. 89.020). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1989

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

OLAF OP DEN CAMP GUIDO PETERS

Eindhoven University of Technology Faculty of Mechanical Engineering

Subgroup: TwoPhase Flow

gesch.'ikt 'is

'l)OOT

h·ef

o

b

serlJere'rl.va·rl.

b

eIIJl'

ig'Ta.i

'ie

s

r·. V (...-...\ \'.'-_J-) ·c· (-·'1 i I ~-_ i { :' ! '-' ". __ .. .'

-{ ! _... / r·· 0.-' , '. " " ':" ... _.-_4./ i C

I

I

01

I

I

,-.. ! { "', I

,-->

I

I

Olaf op de·n Camp

G·u·ido Peters

T[TE

t

Tech,TI,isch,e

Uni'versi,teit

1 2 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3

Lijst van gebruikte symbolen

Inleiding

Puntsgewijze samenvatting van de eisen

Algemene beschrijving van de opstelling voor het meten aan belmigraties.

Testopstelling bij lage drukken Het concept

Het verkrijgen van een stabiele stroming de testsectie

De bevestiging aan de vaste wereld De balg

De straightner 3.2.4 De uitstroombakken

in

3.3 Overzichtstekening van de lagedrukopstelling

3.4 Constructie van de testsectie en montage aan

de f loop'

3.4.1 Mogelijke constructies van de testsectie 3.4.2 Manieren van monteren van de testsectie aan

de 'loop'

3.5 Berekeningen

3.5.1 De glasdikte 3.5.2 De pomp

3.5.3 De straightner

3.5.4 De inlooplengte in de glazen testsectie 3.6 3.7 Detailtekeningen Conclusies 0.0 -- 1.1 -- 2.1 -- 3.1 -- 3.1 -3.2 3.2 3.2 3.3 3.4 3.6 -- 3.7 - 3.7 3.8 3.10 3.10 -- 3.10 -- 3.11 -3.12 3.14 -- 3.15

-4.2

4.3 4.4

Uitbreiding van de bevestiging en trillings-invloedeneliminatie bij de

hogedruk-testopstelling ten opzichte van de lagedruk-testopstelling

Overzicht van de hogedruktestopstelling Mogelijke constructies voor een meetsectie voor hoge drukken

4.4.1 'Buisje in buis'

4.4.2 Constructie met een vlakke glasplaat

4.4.3 Constructie met twee glasplaten en klemmetjes 4.4.4 Constructie met sponningglazen

4.4.5 De bevestiging van de afdekplaat

4.5 De berekeningen

4.5.1 Het glas

4.5.2 De draadeinden

4.5.3 De dikte (d) van de afdekplaat 4.5.4 De balgen

4.5.5 De pakking

4.6 Opmerkingen bij de detailtekening

4.7 Suggesties

4.7.1 Glazen van ongelijke lengten

4.7.2 Afmetingen van het glas bij nog hogere drukken

4.8 Conclusies

5 Korte samenvatting van de ontwerpcyclus

6 Lijst van informatiebronnen

Bijlage A Pieterman Hardglas katalogus

Bijlage B Frenzelit katalogus

Bijlage C Turboflex Hamburg katalogus

4.2 -- 4.3 -- 4.5 -- 4.5 -- 4.6 -- 4.7 4.7 -- 4.9 -- 4.11 -- 4.11 -- 4.18 -- 4.20 -- 4.22 -- 4.22 -- 4.24 - 4.25 -- 4.25 -- 4.27 -- 4.28 -- 5.1 6.1

-procesdruk bar, N/m 2 p rho dichtheid kg/m 3 v snelheid m/s valversnelling m/s 2 9 h hoogte m Q_v volumestroom m3/uur Dh hydraulische diameter mm A oppervlakte mm 2 P omtrek mm a diagonaal mm L lengte mm

A. oppervlakte per gedeelte i mm2

l. L inlooplengte m e L uitlooplengte m u f weerstandsfactor e wandruwheid m

dikte T absolute temperatuur

°c

1 lengte m 11 lengte mm 12 lengte mm F

tot totale kracht N

F _max maximale kracht N

F afschuifkracht N

P geconcentreerde kracht N

A _min minima dwarsdoorsnede mm 2

cJ

_t toelaatbare trekspanning N/mm 2

R _e vloeigrens N/mm 2

v veiligheidsfactor

Zmax maximale afstand m

n aantal

E elasticiteitsmodulus N/mm 2

I oppervlaktetraagheidsmoment mm 4

Inleiding.

De opdracht die ens is toegewezen luidt:

Ontwerp een testsectie, die geschikt is voor het observeren van belmigraties in een verticaal doorstroomde buis.

In een eerste gesprek met onze begeleiders, Dhr. van der Geld en Dhr. Boot, is ens verteld, dat we niet aIleen de testsectie maar ook de 'loop', waarin de testsectie zal worden opgenomen, moeten ontwerpen. Gegeven randvoorwaarden zijn, dat gemeten moet kunnen worden tot een zo hoog mogelijke druk ( ongeveer 10 bar ), dat de maximale snelheid in de meetsectie 1.2 tot 1.4 m/s zal

bedragen en dat er pijpen voorhanden zijn met een inwendige diameter van 39 mm.

Om de bellen nauwkeurig te kunnen volgen ( eventueel met behulp van een camera ) moet de meetsectie rechthoekig zijn en ten minste twee glazen wanden hebben. Een ronde testsectie is niet mogelijk, want door het verschil in brekingsindex van lucht en glas worden lichtstralen, wanneer ze niet loodrecht op het glas invallen, op het grensvlak tussen lucht en water afgebogen en weI des te sterker naarmate de hoek tussen de lichtstraal en de normaal van het glas groter wordt. Bij een ronde glazen buis is de hoek tussen de normaal van het glas en de invallende

lichtstralen niet constant Iangs de omtrek van de buis, zodat licht in aIle richtingen afgebogen wordt, wat nauwkeurige plaatsbepaling van bellen in de buis in de weg staat. Het zou ideaal zijn als loodrecht invallende lichtstralen de meetsectie zouden verlaten zonder afgebogen te worden. Dit stelt hoge eisen aan de parallelliteit van twee evenwijdige glasplaten in de

meetsectie, maar ook de dikte van en het dikteverloop over de gebruikte glasplaten moet binnen nauwkeurige toleranties

Aan het glas worden hoge eisen gesteld. Zo moet het glas sterk genoeg zijn om de verschillende drukken te kunnen weerstaan, het moet bestand zijn tegen hoge temperaturen en

temperatuur-gradienten en tegen de chemische invloeden van gedemineraliseerd water. Vooral aan de laatste eis blijkt moeilijk voldaan te

kunnen worden. Bet water kan het glas aantasten, zodat dit dof wordt. Dit proces van aantasting verloopt sneller naarmate de

temperatuur hoger wordt. Tenslotte moet het glas bij een bepaalde dikte voldoende licht doorlaten.

Om een goed resultaat te kunnen bereiken bij de studie naar belmigraties is het zeer belangrijk, dat de turbulente stroming door de meetsectie mooi stationair blijft. Storende invloeden op de stroming, die zowel van binnen als van buiten het systeem kunnen komen ( denk aan drukstoten en trillingen, maar ook aan oneffenheden van de wand die het stromingsprofiel kunnen

beinvloeden ) moeten daarom tot een minimum teruggebracht worden met behulp van verschillende 'trues', die in het ontwerp

duidelijk naar voren komen.

TUE, Nederland

Olaf op den Camp Guido Peters

april 1989

237708 236934

Hoofdstuk 1.

Puntsgewijze samenvatting van de eisen.

1. De testsectie wordt verticaal doorstroomd.

2. De testsectie moet twee parallel wanden bevatten waar

doorheen gekeken moet kunnen worden.

3. Bellen moeten over een voldoende lengte te volgen zijn ( ongeveer een meter ).

4. De stroming moet zo stationair mogelijk zijn.

5. Het doorstromende medium is gewoon water, gedemineraliseerd water of binaire stroomstoffen.

6. In eerste instantie zal uitgegaan worden van atmosferische omstandigheden.

7. De mogelijkheden v~~r een testsectie bij hogere drukken moet ook bekeken worden ( 10 bar, 200 gr. Celcius of meer ).

8. De snelheid van het medium is ten minste 0.2

mfs

en ten hoogste 1.4

mfs.

9. De oppervlaktedoorsnede van de testsectie moet gelijk zijn aan die van de aan- en afvoerpijpen.

10. Maak een gefundeerde keuze voor het soort glas, zowel voor hoge als v~~r lage drukken.

atmosferische omstandigheden: minder dan 0.5 bar overdruk hoge druk: meer dan 0.5 bar overdruk

11. Bellen moe ten na het passeren van de testsectie uit het medium verwijderd worden, zodat deze geen storende invloed meer kunnen hebben op de stroming in de rest van de 'loop' bijvoorbeeld cavitatie.

12. Er moet gekeken kunnen worden over de hele breedte van de meetsectie zodat ook bellen aan de wand bestudeerd kunnen worden.

Hoofstuk 2.

Algemene beschrijving van de opstelling voor het meten aan belmigraties.

Als centrum van de opstelling wordt natuurlijk de testsectie genomen, die verticaal van beneden naar boven doorstroomd wordt met een van de in punt 5 van het vorige hoofdstuk genoemde

stroomstoffen. Om het water door de testsectie te laten stromen wordt een pomp gebruikt die voor de testsectie is geplaatst, omdat dit het laagste punt van de opstelling is. De pomp staat dan altijd onder water, zodat de aanzuigcondities voor de pomp optimaal zijn. Het is ook handig voor eventueel onderhoud van de pomp, dat de pomp laag bij de grond staat.

Tussen pomp en testsectie zal het water door pijpen stromen met een inwendige diameter van 39 mm. Parallel aan de pomp zal een

leiding met regelbare afsluiter geplaatst moeten worden om de volumestroom door de testsectie te kunnen regelen.

De overgang tussen de pijpen, die rond zijn en de testsectie, die rechthoekig is wordt gevormd door elementen met een

oppervlaktedoorsnede die geleidelijk van rond naar rechthoekig verloopt ( zie figuur 2.1 ). Deze verloopstukken worden met

behulp van flenzen aan de pijpen en de elementen bevestigd ( zie figuur 2.2 ).

Nadat de stroming in het rechthoekig gedeelte gekomen is, is een zekere inlooplengte vereist, voordat de stroming volledig

ontwikkeld is. Er kan van een straightner gebruik gemaakt worden om de storingen ten gevolge van zowel de overgang van rond naar vierkant als de bocht tussen pomp en meetsectie te elimineren.

Bij het ontwerpen van de testopstelling wordt onderscheid gemaakt in een lagedruk-testopstelling en een hogedruk-testopstelling, waarbij lage druk staat voor atmosferische

omstandigheden. V~~r de uitwerking van deze verschillende

testopstellingen wordt verwezen naar Hoofdstuk 3 respectievelijk Hoofdstuk 4.

De inwendige afmetingen van de meetsectie voor zowel lage als hoge drukken zijn 45X28 mm. Dit is zo gekozen omdat de

oppervlaktedoorsnede van de testsectie dan ongeveer gelijk is aan die van de aanwezige pijpen ( 28

*

45

=

pi/4

*

392 ). De maten zijn ook voortgekomen uit een compromis tussen de en de hogedruk-testopstelling. De

lagedruk-testopstelling moet zo eenvoudig mogelijk om te bouwen zijn naar een testopstelling die geschikt is voor hoge druk. Dit kan als de flenzen waarmee de testsectie in de testopstelling wordt vastgezet voor hoge en lage druk gelijk zijn. Ook de inwendige afmetingen van de meetsectie voor hoge en lage druk moe ten gelijk zijn.

De testsectie voor hoge drukken heeft slechts twee doorzichtige wanden die je graag zo breed mogelijk kiest, zodat de

oppervlakte waarover je kunt kijken zo groot mogelijk is. Dit probleem heeft de lagedruk-testopstelling niet omdat hier aIle vier de wanden doorzichtig zijn. De doorzichtige wanden van de hogedruk-testopstelling kunnen echter niet te breed gekozen worden, omdat het glas dan te zwaar wordt belast en daardoor te dik moet zijn. Hoe dikker het glas, hoe slechter er doorheen gekeken kan worden. In overleg is gekozen voor de afmetingen 45X28 mm voor de meetsectie. Het water wordt, na de meetsectie en een bepaalde uitlooplengte te hebben doorstroomd via een pijpensysteem en ontluchtingsmogelijkheden, weer teruggevoerd naar de pomp.

Hoofdstuk 3.

Testopstelling bij lage drukken.

3.1 Ret concept.

Het te kiezen concept is in sterke mate afhankelijk van de

overdruk in de meetsectie. Is deze overdruk laag dan kan gekozen worden voor een meetsectie die geheel uit glas is vervaardigd. Mocht echter de druk in de testsectie oplopen boven een bepaalde

( nog onbekende ) druk dan zal al snel gekozen moe ten worden voor een stalen constructie met kijkvensters zoals zal blijken bij de hogedrukopstelling. In eerste benadering kan er voor lage drukken van uit worden gegaan dat de overdruk in de meetsectie zal bestaan uit een snelheidsdruk en een statische druk. De snelheidsdruk heeft een grootte van 0.5*rho*v*v en de statische druk heeft een grootte van rho*g*h. Maximaal is deze overdruk in het onderste deel van de meetsectie bij de grootste

stroomsnelheid van het water. De snelheid is daar maximaal 1.4 meter per seconde en de hoogte h is daar ongeveer 2 meter. De overdruk wordt hiermee 0.3 bar.

Deze overdruk is zo laag dat als concept gekozen kan worden voor een gehele glazen rechthoekige buis. Het voordeel van een gehele glazen buis is dat van twee kanten door de buis heen gekeken kan worden en dus de positie van de bellen, eventueel in de tijd, in aIle drie de coordinaatrichtingen in principe bepaald kan

3.2 Het verkrijgen van een stabiele stroming in de testsectie.

3.2.1 De bevestiging aan de vaste wereld.

De bevestiging van de testsectie aan de vaste wereld dient op een zodanige wijze te gebeuren dat ze voldoende stevig is, maar ook zo veerkrachtig dat trillingen vanuit de omgeving de

testsectie niet in trilling brengen, waardoor immers de gewenste stabiele stroming niet meer gewaarborgd kan worden. Onze

oplossing hiervoor is om aan de stalen pijp, onder het

overgangsstuk van de meetsectie, twee steunen te lassen die moeten gaan rusten op in hoogte verstelbare blokken. Een schets van de situatie is te zien in figuur 3.2.1.1. Hoe dit er in praktijk precies uit gaat zien zal ter plekke bekeken moeten worden daar dit geheel afhankelijk is van de

bevestigingsmogelijkheden.

Ook dient ervoor gezorgd te worden dat de toch lange glazen buis ( zie 3.5.4 ) in dwarsrichting ingeklemd wordt om 'zwabberen' te voorkomen. Daartoe wordt de buis geplaatst in enkele ringen met steunvoetjes die tegen de buis gedraaid kunnen worden. Een

tekening hiervan vind u in figuur 3.2.1.2

3.2.2 De balg.

Een belangrijke bron van storingen die in de testsectie

ongewenste trillingen tot gevolg kunnen hebben is de pomp die 20rgt voor de circulatie van het water. De pomp zal op twee manieren trillingen doorleiden naar het systeem:

a. De pomp zelf staat te trillen op z'n ondergrond.

b. De karakteristiek van de pomp zal niet geheel glad verlopen maar zal drukstootjes in zich bergen, samenhangend met de omwentelingsfrequentie van de pompas ( zie figuur 3.2.2 ).

Om t llingen van het soort a. weg te werken kan de pomp op rubbers geplaatst worden ( schippers plaatsen hun waterpomp altijd op een oude autoband zodat het dek trillingsvrij blijft ).

De trillingen van soort b. hangen nauw samen met het soort pomp dat gekozen wordt. Een verdringerpomp zal grotere drukstoten

leveren dan een waaierpomp die op zijn beurt weer meer drukfluctuaties in het systeem introduceerd dan een

centrifugaalpomp. Mede met het oog op de toch lage volumestroom ( zie 3.5.2 ) kan hier gekozen worden voor de centrifugaalpomp. Eventueel toch nog aanwezige drukstoten worden geelimineerd met een balg van kunststof die direct achter de pomp geplaatst

wordt. De balg zal ook nog de overgebleven trillingen van soort a. opvangen.

De balg die we gekozen hebben kan besteld worden bij Eriks in Alkmaar onder bestelnummer 5601.25 ( zie bijlage C ).

3.2.3 De straightner.

Om nuttige en betrouwbare metingen te verrichten in de

meetsectie is het belangrijk dat het snelheidsprofiel in het meetgedeelte van de meetsectie netjes symmetrisch is ten

opzichte van het midden. De centrifugaalpomp levert echter een scheef snelheidsprofiel ( zie figuur 3.2.3.1 ).

De balg die direct achter de pomp geplaatst is zorgt voor een verdere verwarring van het snelheidsprofiel. Na de balg

gepasserd te zijn stroomt het water door een bocht van 90 graden waarna het verticaal omhoog gaat stromen. Het snelheidsprofiel zal nu verre van symmetrisch zijn, terwijl achter de bocht ook nog secundaire stromingen in de pijp aanwezig zullen zijn

( figuur 3.2.3.2 ).

Als er nu niets gedaan wordt zal het lang duren voordat het

gewenste snelheidsprofiel bereikt zal worden, waardoor de gehele 'loop' zeer hoog wordt. Het snelheidsprofiel moet dus een

Om er nu voor te zorgen dat de inlooplengte in de meetsectie beperkt blijft tot een acceptabele lengte ( kleiner dan 1

meter ) wordt vlak voordat het water de meetsectie binnenstroomt een gecombineerde straightner geplaatst die voldoet aan de

normen van VDI 2040. Deze gecombineerde straightner zal bestaan

uit:

a. tegen elkaar gelegen vierkante en rechthoekige buisjes.

b. een plaatje dat voor de buisjes geplaatst wordt, waarin ronde gaatjes zijn aangebracht die van binnen naar buiten steeds kleiner worden.

De rechthoekige buisjes zullen de draaistromingen elimineren, terwijl het plaatje met gaatjes ervoor zorgt dat het

snelheidsprof I netjes symmetrisch wordt ten opzichte van de as

van de rechthoekige buis.

3.2.4 De uitstroombakken.

Er zijn nu nog twee verschijnselen die goede metingen in de testsectie kunnen verhinderen. Deze verschijnselen zijn:

a. Drukstoten in de leiding achter de testsectie, bijvoorbeeld onstaan door plotseling veranderende diameter, welke hun invloed zullen hebben op het stromingsgedrag in de

testsectie.

b. Wanneer geen mogelijkheid was om te ontluchten zouden

geinitieerde bellen voor een tweede of meerdere maal door de testsectie heen kunnen stromen .Hierdoor kan cavitatie

optreden in de pomp, waardoor deze aan extra slijtage onderhevig is. Een tweede nadeel van verschijnsel b. is dat na verloop van tijd er een harrewar van bellen

aanwezig zal zijn in de testsectie, waardoor meten onmogelijk wordt.

De invloed van drukstoten in de vervolgleidingen wordt vermeden door het water uit de testsectie vrij te laten uitstromen in een opvangbak. De uitstroom zal verticaal naar boven gericht zijn dus om een acceptabele hoogte van de 'loop' te kunnen handhaven zal de stroom door middel van 'ombuigplaten' naar beneden

gericht worden. Een vrije uitstroom is hiermee gegarandeerd. Om dit geheel aan elkaar te koppelen zal er een rechthoekig gat, van ongeveer 60X45 milimeter, gemaakt dienen te worden in de bodem van de uitstroombak waar de glazen testsectie doorheen wordt gestoken. De opengebleven spleet kan worden afgedicht met gewone siliconenkit. Nadeel van deze constructie is dat als de bak trillingen ondervindt van de omgeving deze doorgeleid worden naar de testsectie. Een logische oplossing voor dit probleem is om de bak, net als de meetsectie, op rubbers te plaatsen.

Er moet nu nog gezorgd worden dat het water dat door de pomp aangezogen wordt bellenvrij is. Dit wordt bereikt door voor de pomp een groot vat te plaatsen waar het water dat uit de

uitstroombak komt in kan stromen. Als deze bak groot genoeg is ( bijvoorbeeld ter grootte van een flinke regenton ) zal het water genoeg tot rust kunnen komen om aIle aanwezige bellen er uit te laten ontsnappen.

De koppeling tussen deze bak en de 'loop' is veel makkelijker. Er kan een gat gemaakt worden aan de zijkant van de bak van waaruit een pijp naar de pomp aangelegd wordt. Nog eenvoudiger is een flexibele slang vanuit de aanzuigzijde van de pomp in de bak te hangen, zodat het uiteinde ongeveer 5 a 10 centimeter boven de bodem hangt. Om de slang op z'n plaats te houden kan een stuk staal met een redelijk gewicht aan het einde bevestigd worden. Ook kan in de bak een klem aangebracht worden waar de slang in vastgeklemd wordt. De laatste oplossing is het beste omdat gegarandeerd is dat de slang op zijn plaats blijft.

3.3 Overzichtstekening van de lagedrukopstelling.

V~~r deze tekening wordt verwezen naar figuur 3.3.

Rierin is te zien dat de stroomstof vrij uit de testsectie kan uitstromen. Vanuit de uitstroombak stroomt het medium naar de opvangbak, beneden in de 'loop'. Ret is belangrijk dat er geen niveau ontstaat in de uitstroombak, omdat de uitstroom naar de opvangbak dan moeilijker verloopt. Gevolg zou kunnen zijn dat zich na verloop van tijd te weinig water in de opvangbak bevindt om de pomp nog goed te laten functioneren ( de pomp staat

3.4 Constructie van de testsectie en montage aan de 'loop'.

3.4.1 Mogelijke constructies van de testsectie.

De testsectie zelf bestaat uit een rechthoekig glazen gedeelte. Dit glazen gedeelte kan bestaan uit een stuk of uit meerdere delen die dan aan elkaar worden gelijmd. Als de testsectie uit een stuk wordt gefabriceerd, zal het de vorm hebben van een buis. Deze buis wordt getrokken over een doorn waardoor er strepen achter zullen bIijven in het glas. Tijdens het trekken van de buis wordt deze ook geroteerd om de temperatuursverdeling over een doorsnede zo constant mogelijk te houden wat belangrijk is voor een constante glasdikte. Ret gevolg van dit roteren kan zijn dat door de geintroduceerde torsiekrachten de testsectie een 'spiraalvorm' aanneemt. Dit is uiteraard niet acceptabel. De maximaal te behalen Iengte is ongeveer 1 a 1.5 meter wat te kort blijkt te zijn ( zie 3.5.4 voor de benodigde lengte van de testsectie ).

Een testsectie bestaande uit meerdere delen zal moe ten bestaan uit vier glasstrippen die aan elkaar gelijmd worden tot een rechthoek. Deze glasstrippen kunnen gesneden worden uit

glasplaat, iets dat met grote nauwkeurigheid geschiedt. Ook de dikte van de oorspronkelijke glasplaat en de parallelliteit van de plaatwanden kunnen nauwkeurig gefabriceerd worden.

De voorkeur gaat dan ook zeker uit naar een testsectie bestaande uit vier glasstrippen. De benodigde lengte ( zie 3.5.4 ) is

hiermee ook goed haalbaar. Uiteraard is voorzichtigheid geboden bij het aan elkaar lijmen.

Ret soort glas dat gekozen is, is gewoon venstergIas, welk een goede Iichtdoorlaatbaarheid heeft. Ook de parallelliteit van de glaswanden is goed, terwijl in vensterglas vrijwel geen

3.4.2 Manieren van monteren van de meetsectie aan de 'loop'.

In figuur 3.4.2A, B, C en D staan vier alternatieven, die onafhankelijk van de wijze van fabriceren van de testsectie

zelf, verschillende manieren aangeven van monteren van de glazen testsectie aan de stalen flens van het verloopstuk. Deze

alternatieven zullen nu achtereenvolgens behandeld worden.

A. Aan het glas wordt een gegoten glazen voet gelast of gelijmd. Met een flensverbinding wordt nu de sectie aan de loop

bevestigd.

B. HetzeIfde wordt gedaan als bij alternatief A echter nu wordt de flensverbinding vervangen door een schroefdop.

Opmerking: bij alternatief A is de voet met rechte hoek aangegeven. Dit bleek niet te fabriceren dus is in

alternatief B die voet afgerond.

C. Het glas wordt rechtstreeks op het metaal gelijmd ( dit is zeer weI mogelijk ! ) en de overgebleven ruimte wordt met kit opgevuld, om eventueel verschuiven ten gevolge van loslaten van de Iijm te voorkomen.

D. Het glas wordt op een pakking geplaatst waarna rondom het glas rubberen ringen gelegd worden, die met een stalen ring aangedrukt worden.

De alternatieven A en B moe ten worden verworpen omdat het fabriceren en aanlassen van de glazen voet een onnauwkeurige bezigheid is. Alternatief C moet, ondanks dat het door z'n eenvoud een zeer aantrekkelijk alternatief is, ook verworpen worden. De reden hiervoor is dat het geheel zeer onstabiel is en er zeer voorzichtig mee omgesprongen moet worden, want een

kleine tik tegen de buis zorgt ervoor dat de lijmlaag breekt. Zowel de axiale als de radiale inklemming vervallen dan meteen.

Via alternatieven A I B en C is alternatief D tot stand gekomen.

Deze bevestiging is in zowel axiale als radiale chting stevig.

Ook de stabiliteit is gegarandeerd, want de glazen buis wordt van vier kanten stevig vastgedrukt ( radiaal ) en door de wrijving tussen rubber en glas is axiaal ook geen beweging mogelijk.

Bij alternatieven A tot en met D is de bevestiging aan het verloopstuk nog niet bekeken. Deze bevestiging dient met een flens te gebeuren. Daartoe is het definitieve alternatief E ontworpen welk te zien is in figuur 3.4.2E

E. De glazen testsectie wordt op een pakking geplaatst die in bevestigingsstuk (2) ligt. Samen met flens (1) die aan het uiteinde van het verloopstuk van rond naar rechthoekig gelast

is zal dit de verbinding vormen met dat verloopstuk. De glazen testsectie wordt op zijn plaats gehouden door de bij alternetief D besproken bevestiging.

3.5 Berekeningen.

3.5.1 De glasdikte.

Uit de ervaringswereld van de glasblazerij van de TUE blijkt dat voor atmosferische omstandigheden een glasdikte van vijf

millimeter voldoende is bij gebruik van vensterglas. Dit stemt overeen met door ons gemaakte berekeningen ( welliswaar met een andere glassoort namelijk borosilikaat ) voor glasdikten aan de hogedrukopstelling. Bij een druk van een bar is daar een

glasdikte berekend van ongeveer zes millimeter. De overdruk bij de lagedrukopstelling is echter maar drietiende bar echter

vensterglas is zwakker dan borocilicaatglas dus vijf millimeter is alles overziende een reele waarde voor de glasdikte.

3.5.2 De pomp.

De grootte van de pomp zal bepaald worden door de te leveren volumestroom Q • Deze volumestroom is afhankelijk van de

v

stroomsnelheid van het water alsmede van het doorsnedeoppervlak van de leidingen. De snelheid van het water door de testsectie zal varieren tussen 0.2 m/s en 1.4 m/s. Het doorsnedeoppervlak is constant en wordt bepaald door lengte*breedte van de

testsectie.

De minimaal/maximaal te leveren volumestroom worden nu ( met

Q _v

=

A

*

v ) respectievelijk 0.91 en 6.35 kubieke meters per uur.

De druk die de pomp daarbij zal moeten leveren ligt in de orde van 1.5 bar. Deze druk bestaat uit de snelheidsdruk, de

statische druk ( samen ongeveer 0.3 bar ) en de drukverliezen van leidingen en appendages. Vooral de straightner heeft met zijn weerstandsgetal van 6 een groot aandeel in de

weerstandsdruk en wel 1.2 bar bij de maximale volumestroom. In een van de gesprekken met Dhr. Boot bleek dat een meesleurpomp

die aan deze eisen voldoet nog aanwezig is binnen de vakgroep. Een pomp hoeft dus niet besteld te worden.

3.5.3 De straightner.

De afmetingen v~~r de rechthoekige kanaaltjes van onze

straightner zijn ontleend aan de eisen van Entwurf VDI 2040 Blatt 1, waarin de volgende afmetingen van belang zijn:

a. De diagonaal van de rechthoekige kanaaltjes a b. De Iengte van de rechthoekige kanaaltjes L

c. De oppervlakte van de doorsnede van een rechthoekig kanaaltje

Deze maten zijn allemaal een functie van de hydraulische

diameter D_h, waarvoor geldt: Dh = 4*A/P met A het oppervlak van het grote rechthoekige kanaal en P de omtrek ervan.

V~~r onze rechthoekige buis van 45X28 mm voIgt dan dat Dh gelijk is aan 34.5 mm.

De exacte ontwerpeisen voor de rechthoekige kanaaltjes van de straightner zijn:

D

h/4 > a L > 10*a

1/16 * pi/4

*

Dh * Dh > Ai

V~~r een hydraulische diameter Dh

=

34.5 mm zullen de afmetingen van de straightner dus moeten voldoen aan:

8.6 mm > a L > 86 mm 58 mm2 > A.

~

De rechthoekige kanaaltjes zijn opgebouwd uit metalen plaatjes van 0.5 mm dik met gleufjes erin die eveneens 0.5 mm breed zijn. De straightner ontstaat nu door de plaatjes 'in elkaar te

schuiven'. In figuur 3.5.3.1A en B is aangegeven hoe de plaatjes gedimensioneerd zijn. Deze plaatjes worden omgeven door vier plaatjes voor de stevigheid, maar vooral om de straightner klem vast te kunnen schroeven zoals aangegeven is in figuur 3.4.2E.

Het tweede belangrijke deel van de straigtner is het plaatje met gaatjes dat voor de rechthoekige buisjes wordt geplaatst

( gezien vanuit de 'ogen' van het stromende medium ). In figuur 3.5.3.2 zijn in een doorsnede van de straightner nummers

aangegeven die elk een bepaalde gatdiameter in het plaatje voor de rechthoekige buisjes weergeven. De nummers zijn met hun

bijbehorende gatdiameter aangegeven onder de doorsnede. Verder is in figuur 3.5.3.3 een detailtekening gemaakt van het plaatje zelf.

Het aan elkaar zetten van al deze losse plaatjes kan gebeuren middels puntlassen. Deze lassen geven geen dikke lasnaden zodat de stroming door de rechthoekige buisjes niet wordt verstoord. De sterkte van puntlassen is voor deze toepassing ruimschoots voldoende daar de mechanische belasting nihil is.

Na het nog te berekenen inloopgedeelte achter de straightner zullen draaistromingen ( wervels ) en ook het asymmetrische

snelheidsprofiel gereduceerd zijn tot 1% van hun oorspronkelijke waarde.

3.5.4 De inlooplengte in de glazen testsectie.

Met behulp van een schattingsformule v~~r de inlooplengte in een

buis bij turbulente stroming uit het boek Internal Fluid Flow van A.J.Ward-Smith, komen we tot een inlooplengte van 0.83 meter.

De formules en gegevens die hiervoor gebruikt zijn

bIz. 162

bIz. 233

weerstandsfactor f

= (

4Iog(a/e) + 3.48 )-2

-6

met e = wandruwheid ( glas ) = 1.5

*

10 m

a

=

0.5

*

Dh

. l I t L = 1.22

*

Dh

*

f-1/2

Bij de berekening van de inlooplengte hierboven is geen rekening gehouden met het feit dat een straightner geplaatst wordt, die de inlooplengte aanzienlijk verkort. Volgens VDI 2040 is er achter de straightner slechts een inlooplengte benodigd van 3 tot 5 maal de hydraulische diameter, dus

=

5

*

34.5

*

10-3

=

0.17 m.

De formule in Internal Fluid Flow is een schattingsformule en de formule uit VDI is er een gebaseerd op metingen. Om nu aan de redelijk veilige kant te blijven nemen we het gemiddelde van de beide berekende waarden. De inlooplengte wordt dus:

=

0.5

* (

0.83 + 0.17 )

=

0.5 m.

Achter het meetgedeelte is ook nog een uitlooplengte nodig om de kleine drukfluctuaties, die optreden door de uitstroom in de uitstroombak, die ook invloed kunnen hebben op de stroming in

'stroomopwaardse' richting te dempen. Volgens VDI normen is deze uitlooplengte altijd korter dan de inlooplengte. Gekozen is hier voor dezelfde lengte als de inlooplengte dus:

Lu = 0.5 m.

De totale lengte van de glazen testsectie komt hiermee op:

L

=

L _e + L _meetgedeelte + L _u

3.6 Detailtekeningen.

De onderdelen (1), (2) en (3) zoals die staan aangegeven in

figuur 3.4.2E zijn in detail getekend. De figuurnummers die erbij horen zijn 3.6.1, 3.6.2A en B en 3.6.3. De gegeven maten

zijn allemaal met een tolerantie van 0.05 mm. De glazen strippen zijn niet in detail getekend daar ze zeer eenvoudig van vorm zijn. Twee strippen zijn 28 mm breed en de twee andere strippen zijn 55 mm breed. De lengte van aIle strippen is 2 m. De dikte van de glasstrippen is 5 mm.

3.7 Conclusies.

Door de lage overdruk in de 'loop' ter plaatse van de testsectie kan de testsectie geheel van glas gefabriceerd worden, zodat van twee zijden door de testsectie heen gekeken kan worden. Het aan elkaar lijmen van de glasstrippen moet echter wel nauwkeurig

gebeuren v~~r paral liteit van de tegenover elkaar liggende

glasstrippen te waarborgen. Eenvoudig vensterglas is bij

atmosferische omstandigheden een glas dat aan de eisen voldoet.

Met een relati eenvoudige constructie kan een 'zachte ' en toch

stijve verbinding gemaakt worden tussen de glazen testsectie en de stalen 'loop' ( zie figuur 3.4.2E )

De horizontale en verticale ondersteuning van de testsectie, uitstroombakken, de pomp en de overige onderdelen van de 'loop' zijn slechts kort aangestipt of met een figuur aangegeven. De reden hiervoor is dat op dit moment nog niet bekend is waar

precies de I loop' geplaatst wordt en dus heeft een zeer

gedetailleerde uitwerking van aIle ondersteuningen geen practisch nut.

Hoofdstuk 4

Testopstelling voor hoge drukken.

4.1. Ret concept.

Wanneer de druk hoger wordt dan 1.5 bar ( er wordt gedacht aan een druk van ongeveer 10 bar, hetgeen verderop duidelijk zal worden als de glasdikte berekend wordt ) zal een test-sectie, die volledig uit glas bestaat, al snel te zwak blijken. De lijm, die de glasplaten bij elkaar houdt is niet zo sterk, dat de druk in de sectie hoog kan worden. Ook

dunne glasplaten zijn niet sterk. De meetsectie moet dus ge-maakt worden uit een sterker materiaal of uit een combinatie van materialen, zodat hoge drukken weerstaan kunnen worden. Een metalen buis is goed bestand tegen een hoge druk. ZO is het idee opgekomen, om uit te gaan van een metalen meet sec-tie, die voorzien is van glazen kijkvensters. Mogelijke con-structies van een meetsectie worden besproken in hoofstuk 4.4. Met metaal kan de meetsectie erg robuust gemaakt worden,

maar de sterkte van de meetsectie zal toch af blijven hangen van het glas ( het glas is de zwakste schakel in de ketting ).

Om een indruk te krijgen van de sterkte van het glas is een bezoek aan de glasblazerij van het CTD gebracht, alwaar dhr. Kuypers technische informatie heeft verstrekt.

Van hem is ook de folder van 'Pieterman Hardglas', waarvan een afdruk bij dit verslag gevoegd is. AIle gegevens over glas in de hogedruk-testsectie zijn uit deze folder gehaald.

4.2. Uitbreiding van de bevestiging en trillingsinvloeden-eliminatie bij de hogedruk-testsectie t.o.v. de

lagedruk-testsectie.

Bet is begrijpelijk, dat hoe hoger de druk wordt, hoe dikker het glas moet zijn. Omdat ook metaal gebruikt wordt, zal de meetsectie hoogstwaarschijnlijk erg zwaar worden, zodat extra voorzieningen getroffen moeten worden met betrekking tot de bevestiging van de meetsectie aan de vaste wereld. Bij de bevestiging van de meetsectie wordt er gebruik van gemaakt, dat twee van de vier wand en van de meetsectie volledig uit staal gemaakt zijn, zodat aan deze wanden ophangbeugels bevestigd kunnen worden. Een mogelijke manier van ondersteu-ning is geschetst in fig. 3.2.1.1. Bet is mogelijk de meet-sectie verder te ondersteunen door er rubberen blokken tegen aan te zetten, zoals getekend is in fig. 4.2. nit voorkomt zwabberen van de meetsectie.

Trillingen van de buitenwereld,die bv. door een pomp,

venti1atoren of een drukke verkeersweg veroorzaakt worden, kunnen de stroming in de meetsectie negatief belnvloeden en moeten daarom zoveel mogelijk geelimineerd worden. Rubberen blokjes, die bevestigd worden tussen de meetsectie en de ondersteuning, voorkomen, dat trillingen via de ondersteu-ning de meetsectie bereiken. Bet is natuurlijk ook mogelijk in plaats van rubber een ander goed dempend materiaal te gebruiken.

Balgen kunnen er voor zorgen, dat trillingen van de testop-stelling waarin de meetsectie is opgenomen niet naar de meetsectie worden doorgeleid. In tegenstelling tot de lage-druk-testopstelling worden hiervoor metalen balgen gebruikt, die reeds in het laboratorium aanwezig zijn.

4.3. Overzicht van de hogedruk-testopstelling.

Afgezien van de meetsectie zijn er een aantal opvallende verschillen tussen lage- en hogedruk-testopstelling. Allereerst zijn de uitstroombak en de opvangbak vervangen door respectievelijk een uitstroomvat en een ontluchtingsvat, omdat er gemeten moet kunnen worden bij drukken die hoger zijn dan de atmosferische. Een vrije uitstroom is bij hogere druk-ken niet mogelijk.

In het uitstroomvat worden zoveel mogelijk belletjes uit het water gehaald, zodat deze niet voor problemen kunnen zorgen op hUn weg terug naar de pomp ( zoals bv. het vormen van luchtproppen ). Indien belletjes worden geproduceerd door lucht te injecteren in de meetsectie, vindt scheiding van bellen en water in dit vat plaats op basis van een verschil

in dichtheden van lucht en water alsmede door een groot scheidingsoppervlak in het vat. Worden de belletjes echter geproduceerd door de toevoerpijp van de meetsectie te verwar-men, dan bestaan de belletjes uit waterdamp. Waterdampbellen kunnen 'uit' het water verwijderd worden door een condensor in het uitstroomvat te plaatsen.

Sommige belletjes kunnen zo klein zijn, dat ze zich niet tijdig van het water scheiden ( de ervaring leert, dat kleine

belletjes minder snel uit water opstijgen dan grote). Deze belletjes zullen het uitstroomvat gewoon passeren. Om te voorkomen, dat deze belletjes accumuleren en luchtproppen vormen, mogen de pijpen, die het water ( met zeer kleine bel-letjes ) van het uitstroomvat naar de pomp terugvoeren niet horizontaal lopeno Luchtproppen in de leiding veroorzaken namelijk drukstoten, die invloed hebben op de stroming in de meetsectie.

De functie van het ontluchtingsvat is het uit het water laten ontwijken van de hele Kleine belletjes, die hier geen kans toe hebben gekregen in het uitstroomvat. In de 'loop' is een verwijding aangebracht, waarin de stroomsnelheid van bet water veel lager is dan in de rest van de opstelling. Nu zullen ook de heel Kleine belletjes tijdig opstijgen en zich in dit geval verzamelen in het ontluchtingsvat. Het ontluchtingsvat werkt ook als een soort expansievat. Om trillingsoverdracht van de pomp naar de meetsectie te voorkomen, worden er metalen balgen voor en achter de pomp gezet. De rest van de opstelling wordt ondersteund mbv. rubberen blokken zoals besproken onder paragraaf 4.2.

De balg wordt niet tussen de meetsectie en het uitstroomvat geplaatst, omdat dan de uitstroom van de meetsectie te zeer verstoord wordt.

Wanneer lucht geinjecteerd wordt om belletjes te produceren kent dit een aantal problemen. De lucht moet namelijk uit het systeem kunnen ontsnappen anders wordt de druk in het systeem steeds hoger. Dit zou kunnen door overdrukventielen te plaatsen op beide vaten. Er kan echter niet gegarandeerd worden, dat geen water door deze ventielen ontsnapt, hetgeen zeker niet toegestaan is. De druktoename bij het injecteren van lucht in het systeem is misschien zo gering, dat de proef gedaan kan worden met een volledig gesloten systeem waaruit de toegevoegde lucht wordt verwijderd na afloop van de proef. Er moet voor gezorgd worden, dat het waterniveau in het uitstroomvat niet zo laag wordt, dat er lucht terecht komt in de afvoerpijp van het uitstroomvat. Dit in verband met mogelijke drukstoten, die invloed bebben op de stroming in de meetsectie.

De situatie in het systeem, dat wordt voorgesteld, is zeker niet optimaal bij hoge drukken.

4.4. Mogelijke constructies voor een meetsectie v~~r

hoge drukken.

4.4.1 Buisje in buis.

Het eerste 'hersenspinsel', dat op papier gezet is kreeg de naam: 'buisje in buis' ( zie fig. 4.4.1 ).

De bedoe1ing van deze constructie is, een doorzichtige dik-ke rechthoekige buis te verkrijgen om belmigraties te kunnen bekijken in een dunwandig eveneens doorzichtig pijpje, dat vastgezet wordt in de dikke buis. Het voordee1 hiervan is, dat een stroming in een ronde pijp bekeken kan worden, hetgeen veel conventione1er is dan een stroming in een rechthoekige pijp.

De gedachte hierbij was, dat het pijpje misschien heel dun kon worden, omdat dit geen hoge druk behoeft te weerstaan (pI is ongeveer gelijk aan p2), de dikke buis neemt immers de hoge druk voor zijn rekening. Het pijpje zou heel dun moeten zijn om zo min mogelijk last te hebben van breking van de 1icht-stra1en die door het pijpje vallen. Aanvul1end hierop zou de brekingsindex van het gebruikte medium ge1ijk gemaakt moeten worden aan die van het materiaal waaruit het pijpje gemaakt

is.

nit idee leek niet realiseerbaar.

De manier waarop het Kleine pijpje in de grote buis vastgezet moest worden, vormde een eerste probleem. Ben volgend

probleem is, dat het pijpje erg dun moet zijn, zodat de lengte beperkt is, terwijl toch een zekere inlooplengte vereist

4.4.2 Constructie met een v1akke glasp1aat.

Bet vo1gende idee is geschets in de figuren 4.4.2.1 tim 4.4.2.3. Figuur 4.4.2.3c vormt de basis van dit idee. De meetsectie is opgebouwd uit vier stalen platen die tegen elkaar geschroefd worden ( zie fig.4.4.2.3a ). Tussen de roestvast stalen platen wordt een pakking gemonteerd. Op de plaats waar doorheen gekeken moet worden is een gedeelte van twee van de vier platen ( de I ~ ' ) vervangen door

glas. De plaat die in de figuren met ~ is aangegeven heeft een erg ingewikkelde vorm.

Aanvanke1ijk werd gedacht, dat deze meetsectie aan de eisen voldeed, totdat de afdichting ter sprake kwam.

De meetsectie kan ter plaatse van het glas pas afgedicht worden als het glas aan twee zijden tegen metaal aanligt. De ~ pijl in figuur 4.4.2.1 geeft aan waar dit niet het geval is. Tussen de plaat ( in --w~-- aangegeven ) en het glas (-- . ----) zit een pakking, maar deze kan niet aangedrukt worden, omdat de glasplaat aan de andere kant ( stroming-zijde ) niet door metaal ondersteund wordt. De meetsectie gaat op deze plaats lekken.

Een tweede probleem bleek de montage. De hele meetsectie moet in elkaar geschroefd worden. De verbinding tussen een verloopstuk ( van rond naar rechthoekige dwarsdoorsnede ) en de meetsectie levert een probleem op. Dit is aangegeven in figuur 4.4.2.4.

Bij deze constructie is het ook niet mogelijk zomaar een andere glasdikte te gebruiken, want de afmetingen van de stalen platen, waaruit de meetsectie is opgebouwd, hangen af van de dikte van het gebruikte glas.

4.4.3 Constructie met twee glasplaten en klemmetjes. De constructie, die vervolgens is bedacht, voldoet niet, maar leidde weI naar de uiteindelijke oplossing.

De meetsectie is opgebouwd uit vier stalen platen, die tegen elkaar gelast zijn tot een rechthoekige buis. Aan boven- en onderzijde is een flens aan de meetsectie vastgelast. In twee van de vier stalen platen moet glas gemonteerd worden. Dit wordt vaor een plaat aangegeven in figuur 4.4.3.

De dunne glasplaten zorgen ervoor, dat de wanden van de meetsectie vIak zijn. De klemmetjes, die de dunne glasplaten op hun plaats houden zullen de stroming echter verstoren. De montage van de dunne glasplaten zal ook problemen met zich meebrengen. De klemmetjes zullen niet gemakkelijk vast te zetten zijn in het stalen huis en positioneren van de dunne glasplaten zal ook moeilijk zijn. Bovendien moeten de stalen wanden dik zijn om de klemmetjes te kunnen monteren en het gangetje te boren, zodat de constructie erg zwaar wordt.

Bet voordeel van deze constructie is, dat er geen problemen meer zijn met de afdichtingen.

4.4.4 Constructie met sponningglazen.

De uiteindelijke oplossing voIgt direct uit de constructie die onder par. 4.4.3 besproken is. Het ·vlakke-wand-probleem' wordt opgelost door een sponning in het kijkglas, in tegen-stelling tot het gebruik van een extra glasplaat.

Navraag in de glasblazerij wees uit, dat het mogelijk is om een sponning in het glas te slijpen, behalve wanneer

thermisch voorgespannen glas wordt gebruikt. Verder wijkt deze constructie niet af van die uit de vorige paragraaf.

Montage van de meetsectie is nu betrekkelijk eenvoudig en de meetsectie heeft v1akke wand en behoudens een eventueel sp1eetje tussen glas en metaal, wegens een verschil in de lineaire uitzettingscoefficient (~) tussen metaa1 en glas.

IV' 10- 5 m

>

~metaal

=

mK {)(, glas = 10- 6 m'K m

Ais het glas bij 200

c

precies in het metaal past ( kan niet ) dan past het niet meer bij 1000C

Bet is weI mogelijk met verschillende glasdikten te werken als de afmeting van de sponning maar past bij de afmetingen van de uitsparing voor het glas in het stalen huis.

Bet nadeel van deze constructie is, dat spleetcorrosie kan ontstaan.

hier bijvoorbeeld Bier is geen op1ossing v~~r gevonden.

Bet moge duidelijk zijn, dat de oplossing met sponningglazen verkozen is boven de andere 'oplossingen'. Een detai1tekening van deze constructie is weergegeven in paragraaf 4.6. De

bljbehorende berekeningen zijn in de volgende paragraaf opgenomen.

4.4.5 De bevestiging van de afdekplaat.

Met behulp van een afdekplaat wordt het glas in de meet-sectie bevestigd. Deze afdekplaat wordt vastgeschroefd,

zodat deze gemakkelijk te bevestigen alsook te verwijderen is. Het glas kan dus gem~elijk vervangen worden. Uit vier

schroefconstructies welke geschetst zijn in fig. 4.4.5.1 a tim d kan gekozen worden.

Constructie a) heeft als voordeel, dat het draadeind gemakkelijk met een laspistool aangebracht kan worden. Stiftlassen is mogelijk voor draadeinden tot M8. Nog een voordeel is, dat na het wegdraaien van de moertjes de afdekplaat nog steeds ondersteund wordt door de draadeinden.

Er werd echter getwijfeld aan deze methode, met name aan de sterkte die bereikt kan worden en de nauwkeurigheid waarmee het draadeind geplaatst kan worden.

Constructie b) heeft het nadeel, dat het heel wat werk gaat Kosten om voor elk draadeind nauwkeurig een gat te boren en schroefdraad te tappen. Dit moet namelijk gebeuren, nadat de meetsectie

in elkaar gelast is en dat terwijl de meet sec-tie 2 meter lang wordt en behoorlijk zwaar zal zijn ( als de gaten geboord worden veer het lassen en de meetsectie trekt een beetje krom tijdens het lassen dan passen de draad-einden niet meer ).

Het grote voordeel is, net als bij constructie a), dat na het wegdraaien van de moertjes de

afdekplaat ondersteund wordt.

Deze methode is veel conventioneler dan methode a).

Constructie c) heeft hetzelfde grote nadeel als constructie b), maar bovendien heeft het het nadeel, dat de

afdekplaat niet ondersteund wordt als aIle boutjes weggedraaid zijn. Demonteren van het glas door ~~n persoon is daarom bijna

onmogelijk.

Constructie d) heeft als voordeel, dat in plaats van twee maal boren en twee maa1 draadtappen maar

~~n gat geboord moet worden. Draadtappen is he1emaal overbodig geworden.

Nadeel is, dat als het glas links in figuur 4.4.5d vervangen moet worden, ook het glas rechts uitgenomen moet worden.

4.5 De berekeningen.

4.5.1 Het glas.

Glas is een van de welnlge materialen waar goed doorheen gekeken kan worden en dat relatief erg sterk is. Glas is ook best nauwkeurig te bewerken. Behalve aan glas is ook aan perspex ( plexiglas) gedacht. De stijfheid van perspex is echter ongeveer 25 maal zo klein als die van glas.

Perspex buigt dus veel eerder uit dan glas. Bovendien is de maxirnaal toelaatbare temperatuur van perspex veel lager dan die van glas.

In de inleiding werd al naar voren gebracht hoe belangrijk het glas is en welke eisen aan het glas worden gesteld. De eisen zijn zowel mechanisch als optisch van aard. Omdat verbetering van de mechanische eigenschappen van het glas vaak, of de optische eigenschappen negatief beinvIoed, of ontzettend duur is bij behoud van goede optische eigenschap-pen, is het erg moeilijk een glas te kiezen dat aan aIle eisen voldoet. Daarom is er geen definitieve keuze gemaakt omtrent het glas, maar eerder een gedachtengang geschetst waaruit enkele suggesties zijn voortgekomen.

De folder van 'Pieterman hardgIas',waaruit aIle gegevens omtrent het glas komen, is bij dit verslag gevoegd.

In de constructie worden rechthoekige kijkgIazen toegepast. Afgaande op de fysische eigenschappen en de toepassingen van de verschillende glassoorten, lijkt borosilikaatglas, al dan niet thermisch voorgespannen, geschikt voor de meet-sectie ( folder blz. 2 ). Borosilikaatglas ( onder de merk-naam Boronorm of ( indien thermisch voorgespannen ) Borodur wordt namelijk gebruikt wanneer chemische aantasting zou

kunnen optreden, wat bij gebruik van gedemineraliseerd water zeker het geval is. Als glas chemisch aangetast wordt,

wordt het dof, zodat er nauwelijks nog doorheen gekeken kan worden.

In tabel 1 staan de belangrijkste fysische eigenschappen van zowe1 Boronorm als Boroaur.

Boronorm Boroaur

- maximum temperatuur-verschil over het glas

r

°e

] bij glasaikte 6 mm 100 250 bij glasdikte 15 mm 80 225 - maximale gebruiks-temperatuur [

°e

] i 500 300

Tabe1 1 : belangrijke fysische eigenschappen.

Borodur is sterker dan Boronorm en is tevens bestand tegen grotere temperatuurverschil1en over het glas. Het voordee1 van Borodur is, dat er aanmerkelijk dunner glas kan worden gebruikt, hetgeen ae optische eigenschappen van het g1as ten goede komt. Bovenaien is het moge1ijk water met tempera-turen boven de 100

°e

door de meetsectie te laten stromen wanneer Borodur gebruikt wordt. Bij Boronorm is ait niet

mogelijk wanneer uitgegaan wordt van een omgevingstemperatuur van 20

°e

en een maximum temperatuurverschil over het g1as van 80

°e.

Het lijkt dus verstandig om Borodur te nemen. Er moet echter een sponning in het glas ges1epen worden, die bij de constructie past. Wanneer Boronorm toegepast worat kan deze sponning er door de glasblazerij van de TU ingeslepen worden. Ook andere bewerkingen waardoor de opti-sche eigenschappen verbeterd kunnen worden, zoa1s het vlak slijpen van het glas om het dikteverloop over het glas te verkleinen, kunnen op Boronorm worden uitgevoerd. Dit is niet moge1ijk bij thermisch voorgespannen glas zoa1s Borodur. Borodur glazen met sponning kUnnen weI kant en k1aar beste1d worden bij bv. Pieterman, maar dit za1 ten eerste in de

prijs van de glazen tot uitdrukking komen en ten tweede kan de glasblazerij de glazen totaal t meer bewerken.

Borodur heeft nog een nadeel ( folder bIz. 5 ):

" Het fabrikageproces van Borodur kijkg1azen maakt het

veelal noodzake1ijk, dat er in het glas ~~n of meer indrukkingen voorkomen, veroorzaakt door inklemming van het glas tijdens het hardingsproces. Deze puntjes zitten ca. 10 mm uit de rand van het glas aan beide oppervlakken •.. ".

Ter p1aatse van deze putjes ( en in de omgeving daarvan ) is het niet moge1ijk de stroming nauwkeurig te volgen. In de folder wordt gewezen op de mogelijkheid k1eine dikke kijkglazen te harden zonder indrukkingen, hetgeen natuurlijk weI prijsconseguenties heeft.

De optische eigenschappen van het glas zijn afhanke1ijk van:

1. de dikte van het glas ( in verband met transmissie van licht; folder pag. 5 ), die weer afhankelijk is van:

a. de lengte-breedte-verhouding van het glas ( folder pag. 4 )

b. de be1asting ( folder pag. 4 )

c. de glassoort { aIleen de dienst voor het stoomwezen rekent met een universele buigbreeksterkte van 24 N/mm2; pag. 8 2. het diktever100p over ~~n glas ( folder pag. 4 ) 3. de kromming van de glasplaat, die afhankelijk is van

de lengte van de glasplaat ( folder pag. 5 )

In verband met de montage van het glas mag de kromming zoals genoemd onder punt 3 niet groot zijn. De kromming van rechthoekige glazen wordt re1atief groot, wanneer de lengte de 300 mm overschrijdt ( tabel pag. 5 ).

De kukbreedte van het glas is 45 mm. De sponningbreedte,

die noodzakeluk is voor een goede ondersteuning van het glas, zodat het glas niet stuk gaat wanneer het vastgezet wordt, wordt op 10 mm gesteld. De totale breedte van het glas is gelijk aan:

totale breedte van het glas

=

45 + 2* 10 = 65 mm

De lengte-breedte-verhouding is 4.62 ( reciproke is 0.22 ). Bet dikteverloop over een glas is maximaal 0.3 mm ( pag.4 ).

De dikte van de kijkglazen kan berekend worden met behulp van de formules op pagina 4 en 8 van de folder.

1.Dikte berekend met de formule op pagina 4:

voor de symbolen met hun eenheden wordt verwezen naar pagina 4 van de folder )

~= ~(lengte-breedte-verhouding)= OC(4.62)= ~(4.0) + 0.62 (0.864 - 0.860)= 0.860 + 0.62

*

0.004 = 0.863 (lineair interpoleren ) B = 65 mm

s

=

8 ( DIN 7080 )

if (

20

°C,

Boronorm

d (

20

°C,

Borodur

=

70

*

106 N/m2

=

16

*

107 N/m2

Er is niets bekend over het verloop van de buigbreeksterk-te met de buigbreeksterk-temperatuur ( in de folder is aIleen de buigbreeksterk- tempe-ratuurafhankelUkheid van de trekspanning aangegeven in tabel III ).

Boronorm ! I , P 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20 fl4.7 i d 6.0 8.5 10.4 12.0 13.4 17.0 19.0 20.8 23.2 26.8 : P is de procesdruk in 105 N/m2

d is de dikte van het kijkglas in mm

Tabel 2 dikte van Boronorm a1s functie van de procesdruk

Borodur

i

P 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20

d 4.0 5.6 6.9 7.9 8.9 9.7 11.2 12.5 13.7 15.4 17.7

P is de procesdruk in 105 N/m2

d is de dikte van het kijkglas in mm

Tabel 3 dikte van Borodur als functie van de procesdruk

Opmerkingen - De werkelijke dikten van de kijkg1azen worden verkregen door bij de zojuist berekende dikten de sponningsdiepte op te tellen ( zie opm. op pag. 15 onder sponningglazen )

De constructie vereist een sponningdiepte van ongeveer 5 mm. Deze is echter afhankelijk van de pakkingdikte en van de dikte van het metaal dat het glas moet ondersteunen aan de stromingszijde.

In deze berekeningen is geen rekening

gehouden met de invloed van de temperatuur op de sterkte van het glas.

I

-.

I

2.Dikte berekend met de formule op pagina 8, volgens de dienst voor het stoomwezen:

d = C D

V

Pd / ( z f -)'

voor symbolen met hun eenheden wordt verwezen naar pagina 8 van de folder )

C = C(breedte-Iengte-verhouding)= C(0.22)= 0.857 ( lineair interpoleren )

D

=

65 mm

z = 1

f

=

0.33

*

de buigbreeksterkte

( er wordt vermeld, dat voor aIle glassoorten dient

te worden uitgegaan van een buigb~ksterkte van 24 N/mm2 )

p

1 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15

d 6.3 8.9 10.8 12.5 14.0 15.3 17.7 19.8 21. 7 24.2

P is de procesdruk in 105 N/m 2 d is de dikte van het kijkglas in mm

Tabel 4 dikte van het kijkglas volgens de dienst voor het stoomwezen als functie van de procesdruk

Hoe dikker het glas is, des te minder licht laat het glas door. Hoeveel licht wordt doorgelaten bij een bepaalde dikte van het glas kan bepaald worden met behulp van het trans-missie nomogram op pagina 3 van de folder.

20 28.0

De transmissie van Boronorm voor zichtbaar licht ( de trans-missie van Borodur is gelijk aan die van Boronorm ) bij een

glasdikte van 3.2 mm is 90 % (grafiek op page 3 + toelichting). Bij een glasdikte van 20 mm is dit nog maar 80 %. Omdat er

twee glasplaten gebruikt worden, wordt er door het glas in totaal 64 % van het opvallende licht doorgelaten.

A1s de tota1e glasdikte 20 mm is, dan is de dikte die voor sterkteberekeningen gebruikt moet worden 15 mm in verband met de sponning.

De procesdruk mag vol gens de dienst voor het stoomwezen dan maximaal 6 bar bedragen. Ais de buigbreeksterkte van Borodur nauwelijks van de temperatuur afhangt, kan de druk volgens Pieterman zelfs bijna 15 bar bedragen !

De lichttransmissie van het glas moet afgewogen worden tegen de procesdruk, die het glas moet kunnen weerstaan. In een autoclaaf is een stukje borosi1ikaatglas getest, om te zien in hoeverre het wordt aangetast onder invloed van gedeminera1iseerd water en hoge temperaturen ( fig.4.5.1a). Bet temperatuurverloop in de autoc1aaf over de tijd is

getekend in fig. 4.5.1b.

Bet water met T _max

=

210

°c

had het glas na ongeveer 10 dagen nog niet aangetast.

Hetze1fde stukje glas was na ongeveer 9 dagen in de auto-claaf met T _max

=

360

°c

weI aangetast, zodat er niet meer doorheen gekeken kon worden.

Maar het glas is dus weI geschikt voor het relevante temperatuurgebied ( tot ruim 100 0 C ).

4.5.2 De draadeinden

( bevestiging van de afdekplaat, zie fig. 4.4.5b ) Uitgerekend is de maximale afstand

draadeinden ( M5, sterktek1asse 5.6 procesdruk ( 10 bar = 10-10 5 N/m2 ).

z _max ) tussen de bij de maxima1e

Er wordt Veronderste1d, dat de draadeinden,die in fig.4.5.2a met ~ zijn aangegeven, geen krachten opnemen.

De berekeningen zijn gebaseerd op het co11ege'Ontwerpkunde Methodiek & Werktuigonderde1en' en de bijbehorende diktaten

( 4525 en 4527 ).

De totale kracht ( F_tot ) op twee rijen met draadeinden is:

F_tot

=

procesdruk (p) *oppervlakte van de glasplaat (A)

=

10*10 5 * (45*10-3 * 300*10-3 )

=

13500 N

De toelaatbare trekspanning als bij een bout} is:

Re v'

0t) in een draadeind ( idem

I

waarin Re de v10eigrens is in N/mm2 en if een veiligheidsfactor. V~~r ongecontroleerd voorgespannen draadeinden is de

veiligheidsfactor:

if

=

2.25.

De vloeigrens Re voor draadeinden met sterkteklasse 5.6 is: Re

=

5000

*

0.6

=

300 N/mm2

, zodat

7 - 300

De minima1e dwarsdoorsnede ( A. _mln ) van een draadeind M5 is:

De maxima1e kracht ( Fmax ), die een draadeind kan opnemen is ge1ijk aan:

Fmax =

d

t

*

A . mln

=

133

*

12.7

=

1693 N.

Bet minimaal aantal draadeinden ( n. _mln ), verdee1d over twee rijen, is:

n .

mln

=

E~n rij bestaat uit minimaa1

=

13500 ₁₆₉₃

=

8.

n . /2

= )

4 draadeindjes. mln

De maximale afstand tussen de draadeinden ( zmax ) is:

1 ( ~~n _{rij draadeinden}

zmax = 4

235

58.8 mm.

=

-4-

=

V~~r de meetsectie is ( me de uit veiligheidsoverwegingen gekozen voor draadeinden M6 en voor 50 mm afstand tussen de draadeinden.

Een kleine afstand tussen de draadeinden heeft het voordeel, dat de spanning op de rand van het glas goed verdeeld is.

4.5.3 De dikte (d) van de afdekplaat.

De afdekplaat wordt berekend op afschuiving en buiging, waarbij aIleen dat deel van de afdekplaat in beschouwing genomen wordt, dat in figuur 4.5.3.1 aangegeven is met de lengtemaat I I '

11

=

235 mm.

De afdekplaat wordt gemodelleerd door middel van 2 'balken' met lengte 12 en oppervlakte-dwarsdoorsnede

A

=

I _I

*

d.

Dit is een erg eenvoudig model, maar een beter model waarin een torsiestijfheid was meegenomen kon niet gemakkelijk door-gerekend worden.

Afschuiving:

Bet oppervlak (A) waarover afschuiving plaats vindt is:

Op dit oppervlak werkt een afschuifkracht (F), die gelijk is aan:

F

=

j

* (

procesdruk

*

oppervl. v.d. glasplaat )

= j F_tot = 6750 N De afschuifspanning (~) is dus: F A

=

6750 235* d

De kritische afschuifspanning (~) van Fe 310 ( Fe 310 is zwakker dan RVS ) is:

't

= 70 N/mm2 •

Om niet te bezw~ken ten gevo1ge van afschuiving moet de dikte (d) zo groot z~n dat:

ti

<

r(, oftewel 6750

235* d

<

70,

zodat d groter moet z~n dan 0.41 mm. Buiging:

AIleen buiging om de y-as wordt bekeken. Er wordt aangenomen, dat:

- de afdekplaat ideaal wordt ingek1emd ter plaatse van de bevestiging

( zie figuur 4.S.3.2a )

- de kracht, die het glas op de afdekp1aat uitoefent, geconcentreerd is aan het

'uiteinde' ( figuur 4.5.3.2b ), dus aan de 'binnenrand' van de afdekplaat. Dit is het ongunstigste be1astingsgeval.

De kracht (P) wordt gel~k gesteld aan de afschuifkracht (F):

P = 6750 N

De elasticiteitsmodu1us (E) van staal is ongeveer: E

=

2*105 N/mm2

Het oppervlaktetraagheidsmoment voor buiging om de y-as (I) is gelijk aan:

I

=

zie hiervoor dictaat 4413: Continue I-dimensiona1e systemen pagina 2.28 )

De verplaatsing van het uiteinde van de 'balk' (w(12» wordt gegeven door het vergeetmijnietje:

=

3*E*I 3*E*1/12*1 *d3

1

De minima1e dikte (d

min) van de afdekp1aat is dan:

d . _m1n

=

4

*

P

*

13

2

Wanneer w(12)max

=

_{0.01 mm, dan is dmin}

=

6.75 mm. De gekozen afdekplaatdikte is 7 mm.

4.5.4 De balgen.

Bij de lagedruk-testopstelling wordt gebruik gemaakt van een kunststoffen balg. Bij de hogedruk-testopstelling zullen metalen balgen gebruikt moeten worden. Er zijn metalen

balgen van de juiste afmetingen aanwezig in het laboratorium.

4.5.5 De pakking.

Er is in een katalogus van 'Frenzelit' gezocht naar een pakking, die bestand is tegen de temperaturen en drukken waarbij gemeten gaat worden.

De gevonden pakking heeft een grote chemische bestendigheid: Frenzelit-Multi.

De pakking mag zeker niet dikker zijn dan 2mm, omdat anders het metaal waar het glas op rust te dun wordt. In de

detailtekening is voor de pakking een dikte van 1 mm aan-gehouden. De technische gegevens van deze pakking zijn bij dit verslag geVOegd'