Dependencia del coeficiente de resistencia de la tubería. Determinación del coeficiente de resistencia local.

Todas las pérdidas de energía hidráulica se dividen en dos tipos: pérdidas por fricción a lo largo de las tuberías (discutidas en los párrafos 4.3 y 4.4) y pérdidas locales causadas por elementos de la tubería en los que, debido a cambios en el tamaño o configuración del canal, un cambio En la velocidad del flujo se produce la separación del flujo de las paredes de los canales y la formación de vórtices.

La resistencia hidráulica local más simple se puede dividir en expansiones, contracciones y giros del canal, cada uno de los cuales puede ser repentino o gradual. Los casos más complejos de resistencia local son compuestos o combinaciones de las resistencias más simples enumeradas.

Consideremos las resistencias locales más simples en un régimen de flujo turbulento en una tubería.

1. Ampliación repentina del canal.. La pérdida de presión (energía) durante una expansión repentina del canal se gasta en la formación de vórtices asociados con la separación del flujo de las paredes, es decir, mantener el movimiento rotacional continuo de masas líquidas con su constante renovación.

Arroz. 4.9. Expansión repentina de la tubería.

Con una expansión repentina del canal (tubería) (Fig. 4.9), el flujo se separa de la esquina y no se expande repentinamente, como un canal, sino gradualmente, y se forman vórtices en el espacio anular entre el flujo y la pared de la tubería. , que son la causa de las pérdidas de energía. Consideremos dos secciones de flujo: 1-1 - en el plano de expansión de la tubería y 2-2 - en el lugar donde el flujo, al expandirse, llenó toda la sección transversal de la tubería ancha. A medida que el flujo entre las secciones consideradas se expande, su velocidad disminuye y la presión aumenta. Por lo tanto, el segundo piezómetro muestra la altura por Δ h mayor que el primero; pero si no hubiera pérdidas de presión en este lugar, entonces el segundo piezómetro mostraría una altura mayor en otro texto h. Esta altura es la pérdida de presión de expansión local, que está determinada por la fórmula:

Dónde T1, T2- área de sección transversal 1-1 Y 2-2 .

Esta expresión es una consecuencia teoremas de borda, que establece que la pérdida de presión durante una expansión repentina del canal es igual a la presión de velocidad determinada a partir de la diferencia de velocidades

Expresión (1 - S 1 /S 2) 2 se denota con la letra griega ζ (zeta) y se llama factor de pérdida, por lo tanto

2. Ampliación gradual del canal. El tubo que se expande gradualmente se llama difusor (Fig. 4.10). El flujo de velocidad en el difusor va acompañado de su disminución y aumento de presión y, en consecuencia, de la conversión de la energía cinética del líquido en energía de presión. En el difusor, al igual que en una expansión repentina del canal, el flujo principal se separa de la pared y se produce la formación de vórtices. La intensidad de estos fenómenos aumenta al aumentar el ángulo de expansión del difusor α.

Arroz. 4.10. Expansión gradual de la tubería.

Además, el difusor también presenta las habituales pérdidas por espinas, similares a las que se producen en tuberías de sección constante. La pérdida total de presión en el difusor se considera como la suma de dos términos:

Dónde h tr Y texto h- pérdida de presión por fricción y expansión (formación de vórtices).

donde norte = S 2 /S 1 = (r 2 /r 1) 2 - grado de expansión del difusor. Pérdida de presión de expansión. texto h tiene la misma naturaleza que durante una ampliación repentina del canal

Dónde k- coeficiente de reblandecimiento, a α= 5…20°, k= senα.

Teniendo esto en cuenta, la pérdida total de presión se puede reescribir como:

de donde el coeficiente de resistencia del difusor puede expresarse mediante la fórmula

Arroz. 4.11. Dependencia de ζ diff del ángulo

Función ζ = F(α)tiene un mínimo en algún valor óptimo más favorable del ángulo α, cuyo valor óptimo está determinado por la siguiente expresión:

Al sustituir λ en esta fórmula t=0,015…0,025 y norte= 2…4 obtenemos α venta al por mayor= 6 (figura 4.11).

3. Estrechamiento repentino del canal.. En este caso, la pérdida de presión es causada por la fricción del flujo en la entrada de la tubería más estrecha y las pérdidas debido a la formación de vórtices, que se forman en el espacio anular alrededor de la parte estrecha del flujo (Fig. 4.12).

Arroz. 4.12. Estrechamiento repentino de la tubería.

4.13. Confundido

La pérdida total de presión está determinada por la fórmula;

donde el coeficiente de resistencia al estrechamiento está determinado por la fórmula semiempírica de I.E. Idelchika:

donde norte = S 1 /S 2- grado de estrechamiento.

Cuando una tubería sale de un tanque grande, cuando se puede suponer que T2/T1= 0, y también en ausencia de redondeo del ángulo de entrada, coeficiente de resistencia ζ estrechamiento = 0,5.

4. Estrechamiento gradual del canal.. Esta resistencia local es un tubo convergente cónico llamado un confuso(Figura 4.13). El flujo de líquido en el confusor va acompañado de un aumento de velocidad y una caída de presión. Sólo hay pérdidas por fricción en el confusor.

donde el coeficiente de resistencia del confusor está determinado por la fórmula

donde norte = S 1 /S 2- grado de estrechamiento.

Una ligera formación de vórtice y separación del flujo de la pared con compresión simultánea del flujo ocurre solo a la salida del confusor en la unión del tubo cónico con el cilíndrico. Redondeando la esquina de entrada se puede reducir significativamente la pérdida de presión en la entrada de la tubería. Un confusor con partes cilíndricas y cónicas que se acoplan suavemente se llama boquilla(Figura 4.14).

Arroz. 4.14. Boquilla

5. Giro brusco de la tubería (codo). Este tipo de resistencia local (figura 4.15) causa pérdidas de energía significativas, porque En él se produce la separación del flujo y la formación de vórtices, y cuanto mayor es el ángulo δ, mayores son las pérdidas. La pérdida de presión se calcula mediante la fórmula

donde ζ contar- coeficiente de resistencia de una curvatura circular, que se determina a partir de un gráfico en función del ángulo de curvatura δ (Fig. 4.16).

6. Rotación gradual de la tubería (codo redondeado o curva). La suavidad del giro reduce significativamente la intensidad de la formación de vórtices y, por tanto, la resistencia de la salida en comparación con el codo. Esta disminución es mayor cuanto mayor es el radio de curvatura relativo del doblez. I/D Figura 4.17). Coeficiente de resistencia de rama ζ otv depende de la actitud I/D, ángulo δ, así como la forma de la sección transversal de la tubería.

Para curvas redondas con ángulo δ= 90 y I/D 1 en flujo turbulento, se puede utilizar la fórmula empírica:

Para ángulos δ 70° coeficiente de arrastre

y en δ 100°

La pérdida de presión en la rodilla se determina como

Todo lo anterior se aplica al movimiento turbulento de fluidos. Con el flujo laminar, las resistencias locales juegan un papel pequeño en la determinación de la resistencia general de la tubería. Además, la ley de la resistencia en modo laminar es más compleja y ha sido menos estudiada.

Las resistencias locales son aquellas que son causadas por algún obstáculo local al libre flujo de líquido, por ejemplo, flexión de una tubería o grifo, expansión o contracción del flujo, etc. Estas resistencias surgen sólo en determinados lugares del flujo a lo largo de una corta distancia, en esta sección.

El líquido, al superar la resistencia local, pierde parte de su energía y se producen pérdidas locales de energía (presión).

La pérdida de presión h debida a la resistencia local se expresa en fracciones de la presión de velocidad y está determinada por la fórmula de Weisbach:

Dónde ζ – coeficiente de resistencia local; V– velocidad media del flujo.

El coeficiente de resistencia local depende del diseño (tipo) de resistencia local y del número de Reynolds. Con un régimen turbulento desarrollado (aproximadamente Re> 10000) coeficiente ζ del numero Re Prácticamente no depende, pero depende del diseño de la resistencia local.

En la fórmula de Weisbach, la velocidad antes y después de la resistencia se puede tomar como V, y el valor del coeficiente cambiará. ζ. Por lo tanto, siempre indican con respecto a qué velocidad se determina el coeficiente. ζ .

Los valores de los coeficientes de resistencia locales obtenidos experimentalmente para varios tipos de resistencia están contenidos en libros de referencia hidráulicos. El flujo de fluidos en resistencias locales es muy complejo y la determinación de los coeficientes ζ es prácticamente imposible analíticamente, por lo que se determinan a partir de experimentos. Al determinar experimentalmente los coeficientes. ζ las ecuaciones principales son la ecuación de continuidad (5), la ecuación de Bernoulli (7) y la fórmula (21).

Tenga en cuenta que la tarea principal es determinación independiente de los coeficientes de resistencia local ζ empíricamente. Después de resolver este problema, se comparan los valores. ζ obtenidos en la experiencia, con los que pueden determinarse a partir de dependencias analíticas o de libros de referencia.

La ecuación de Bernoulli se puede aplicar a cualquier flujo que contenga resistencia local (Figura 8):

¿de dónde lo sacamos? z 1 = z 2 , α 1 = α 2 ≈ 1 (tubo horizontal),

Para determinar las pérdidas, todos los valores experimentales se sustituyen en la fórmula para hM. En particular, la lectura del primer piezómetro (en la primera sección) es igual a pag 1/ ρg=h 1, lectura del segundo piezómetro – pag 2 /ρg=h 2, y su diferencia está determinada por una escala (regla). Velocidades medias V 1 Y V 2 están determinados por las fórmulas:

donde Q es el caudal; S 1 Y S 2– áreas de viviendas de las secciones 1 y 2.

Si la resistencia local es tal que antes y después el flujo no cambia su sección transversal (como en la Figura 8), entonces en la fórmula para h M V 1 =V 2 y las pérdidas se definen de la siguiente manera:

(22)

Las resistencias de este tipo incluyen giros de tuberías, válvulas de varios tipos, etc.

Después de calcular las pérdidas en una resistencia local dada y expresarlas en unidades de longitud, el coeficiente de resistencia local se determina mediante la fórmula:

que se transforma para este fin a la forma:

Si las velocidades antes y después de la resistencia local no son iguales, es decir V 1 ≠ V 2, luego, según las indicaciones del profesor, se selecciona uno de ellos (o V 1, o V 2).

Una de las pocas dependencias teóricas para determinar las pérdidas locales es la fórmula de Borda para el caso de una expansión repentina del flujo (Fig. 3):

(24)

Para tubos redondos, la fórmula de Borda se puede representar de la siguiente manera:

(25)

De (25) se deduce que el coeficiente de resistencia local durante una expansión repentina tiene la forma.

Estas resistencias incluyen cambios repentinos en la forma de las superficies límite del flujo (expansión, contracción, curvaturas, torceduras, etc.). La relación general para determinar las pérdidas de presión en resistencias locales es la fórmula

donde es el coeficiente de resistencia local, que generalmente depende del número Re y de la configuración de las superficies límite.

La naturaleza general de esta dependencia para varios tipos de resistencia local se muestra en la figura 6.8. Estas curvas se describen satisfactoriamente mediante una fórmula de la forma

(6.18)

donde son constantes que dependen de la forma geométrica de la resistencia local.

Tabla 6.3

Valores y para algunas resistencias locales

* Se indica la relación entre el área de la sección transversal abierta por la válvula o la apertura del diafragma y el área de la sección transversal de la tubería.

La tabla 6.3 muestra constantes para varios tipos de resistencias locales. La cantidad actúa como un coeficiente de resistencia local en números Re muy grandes (en la región de resistencia cuadrática). Los valores están relacionados con la presión de velocidad antes de la resistencia local.

En la mayoría de los casos, las resistencias locales operan con números Re grandes o en condiciones de modo cuadrático, cuando .

Tabla 6.4

Fórmulas de cálculo del coeficiente relacionado con la sección.

Cuando un flujo pasa desde una tubería con un área a través de un diafragma con un área de abertura hacia una tubería con un área (Tabla 6.4), la fórmula para el coeficiente de resistencia, relacionada con la presión de velocidad detrás de la resistencia, tiene la forma

(6.19)

¿Dónde está el coeficiente de resistencia local en la entrada del diafragma? factor de corrección para pérdidas por expansión (para los grandes se permite aceptar);

Coeficiente de compresión detrás del diafragma, donde es el área de la sección transversal del chorro detrás del diafragma después de salir a una tubería con una sección transversal. Tiene los siguientes valores:

Las fórmulas para determinar el coeficiente se dan en la Tabla 6.4.

La expansión gradual (difusor) también puede considerarse un tipo de resistencia local. Las pérdidas en los difusores se pueden expresar como fracciones de las pérdidas por expansión repentina:

(6.20)

(6.21)

(6.22)

El coeficiente está relacionado con el coeficiente de resistencia dividido por la velocidad mediante la fórmula

(6.23)

y en condiciones de entrada fijas (incluido el número Re) depende principalmente del ángulo de apertura del difusor (Fig. 6.9).

Si hay varias resistencias locales en la tubería, separadas por secciones de movimiento uniforme, las pérdidas de presión totales se pueden determinar basándose en el principio de suma de pérdidas.

(6.24)

¿Dónde está el número de secciones de flujo uniforme?

Número de resistencias locales.

Fig.6.9. Dependencia del coeficiente de pérdidas en un difusor redondo.

desde el ángulo de su apertura en tres valores del grado de expansión

En este caso, la suma de pérdidas en las resistencias locales está permitida sólo con la condición de que estén ubicadas a distancias tales entre sí que la distorsión del diagrama de velocidad estabilizado causada por el paso del flujo a través de la resistencia se vuelva insignificante al acercarse a la siguiente. uno. Las distancias mínimas requeridas entre resistencias locales se determinan a partir de la condición

¿Dónde está el radio de la tubería?

Aproximadamente en números Re grandes se puede tomar

6.5. Cálculo hidráulico de sistemas de tuberías.

El cálculo hidráulico de los sistemas de tuberías se basa en la determinación de las pérdidas de resistencia hidráulica. Cuando las pérdidas en las resistencias locales pueden despreciarse, se escribe una expresión para el caudal volumétrico

donde el módulo de flujo (característica de flujo) es el área de la sección transversal de la tubería.

Para el modo cuadrático, el valor depende de los parámetros geométricos de la tubería (diámetro y rugosidad), para otros modos, también depende del número de Reynolds; En algunos cálculos (6.26) se utiliza en la forma

¿Dónde está la resistencia total de la tubería?

Pendiente hidráulica o pendiente de fricción, es decir La pérdida de presión por unidad de longitud de tubería está determinada por la fórmula

(6.28)

Dónde .

Los valores del módulo de flujo para tuberías industriales están tabulados y figuran en libros de referencia hidráulica. Para tubos de acero nuevos, los valores calculados mediante la fórmula de Shifrinson (Tabla 6.2) se dan en la Tabla 6.6.

Si en una tubería larga existen resistencias locales, las pérdidas en las mismas se pueden tener en cuenta mediante el método de longitud equivalente, que consiste en introducir la longitud equivalente de tubería en lugar de la resistencia local con un coeficiente

en el cual la pérdida de presión es igual a la pérdida de resistencia local. Esta longitud se suma con la longitud de la sección cilíndrica () y luego la suma se sustituye en (6.26).

Tabla 6.4

Módulos de flujo para tuberías de acero nuevas.

Conexión en serie de tuberías de diferentes diámetros.(Figura 6.10, a). En este caso se suman las pérdidas de presión en áreas individuales. Dado que el consumo para todas las secciones es el mismo, entonces

(6.30)

donde es el número de secciones de diámetro constante.

Junto con las fórmulas de pérdidas para secciones individuales, esta dependencia forma un sistema de ecuaciones de diseño. Otra forma de esta dependencia tiene la forma.

(6.31)

¿Dónde está el área de la sección transversal de la tubería en la sección principal (de diseño); coeficiente de flujo del sistema,

(6.32)

Fig.6.10. Diagramas de diseño de sistemas de tuberías.

con conexión de tuberías en serie (a) y en paralelo (b)

Aquí está el número de resistencias locales, el coeficiente de pérdida.

Conexión de tubería paralela(Figura 6.10, b). La pérdida de presión en cada una de las ramas es la misma. Flujo en la rama

(6.33)

¿Dónde está el caudal total del sistema?

(6.34)

Estas ecuaciones forman un sistema a partir del cual se puede determinar la incógnita.

6.6. Flujo de fluido incompresible

Flujo a presión constante. Tal salida a través de orificios y toberas puede ocurrir en un ambiente gaseoso o bajo el nivel del mismo u otro líquido. En el primer caso, el orificio o boquilla se llama no inundado, en el segundo, inundado. Un agujero se considera pequeño si no excede su tamaño máximo (Fig. 6.11).

Fig.6.11. Flujo de fluido incompresible a través de un pequeño agujero en una pared delgada.

Cuando fluye a través de un pequeño orificio no inundado, el chorro se comprime al salir y su área de sección transversal se vuelve más pequeña que el área del orificio. La relación se llama relación de compresión.

Cuando fluye a través de un pequeño orificio no inundado, el chorro se comprime y su área de sección transversal disminuye en relación con el área del orificio. La relación se llama relación de compresión.

Velocidad de salida a través de un pequeño orificio de un tanque grande a un nivel constante

(6.35)

¿Dónde está el coeficiente de velocidad? coeficiente de pérdida en la entrada del hoyo; y son la presión sobre la superficie libre y en el ambiente externo, respectivamente.

Resistencia hidráulica en tuberías.

El cálculo de la resistencia hidráulica es una de las cuestiones más importantes en hidrodinámica; es necesario determinar las pérdidas de presión, el consumo de energía para compensarlas y seleccionar un estimulador de tracción.

Las pérdidas de presión en las tuberías son causadas por la resistencia. fricción Y local resistencias. Están incluidos en la ecuación de Bernoulli para líquidos reales.

a) Resistencia a la fricción existe cuando el fluido real se mueve a lo largo de toda la longitud tubería y depende del régimen de flujo del fluido.

b) Resistencia local ocurrir con cualquier cambio velocidad del flujo en magnitud y dirección(entrada y salida de tuberías, codos, codos, tes, accesorios, dilataciones, contracciones).

Pérdida de cabeza por fricción.

1) Modo laminar.

En modo laminar se puede calcular teóricamente mediante la ecuación de Poiseuille:

;

Según la ecuación de Bernoulli para una tubería horizontal de sección transversal constante, la presión perdida debido a la fricción es:

;

;

;

Sustituyendo el valor en la ecuación de Poiseuille y reemplazando obtenemos:

;

;

;

Así, con flujo laminar a través de un tubo circular recto:

;

Tamaño llamado coeficiente de fricción hidráulica.

Ecuación de Darcy-Weisbach:

;

Esta ecuación se puede obtener de otra forma: utilizando la teoría de la similitud.

Se sabe que

;

Para flujo laminar encontrado: .

;

;

Ecuación de Darcy-Weisbach:

;

Determinemos la pérdida de presión: .

Ecuación de Darcy-Weisbach:

Sustituyendo el valor del modo laminar obtenemos:

;

Así, para modo laminar:

Ecuación de Hagen-Poiseuille:

;

Esta ecuación es válida y es especialmente importante cuando se estudia el flujo de fluidos en tuberías de pequeño diámetro, así como en capilares y poros.

Por tanto, para flujo laminar estable:

Para sección transversal no circular: , donde depende de la forma de la sección:

;

La expresión se llama coeficiente de arrastre.

Por eso:

;

;

2) Modo turbulento.

Para el régimen turbulento, la ecuación de Darcy-Weisbach también es válida:

;

Sin embargo, en este caso el coeficiente de fricción no se puede determinar teóricamente debido a la complejidad de la estructura del flujo turbulento. Las ecuaciones de cálculo para la determinación se obtienen generalizando los datos experimentales utilizando los métodos de la teoría de la similitud.

a) Tuberías lisas.

;

;

;

Por tanto, para flujo turbulento en tuberías lisas:

Fórmula de Blasius:

b) Tuberías rugosas.

Para tuberías rugosas, el coeficiente de fricción depende no sólo de , sino también de la rugosidad de las paredes.

La característica de las tuberías rugosas es rugosidad relativa: relación entre la altura promedio de las protuberancias (tubérculos) en las paredes de la tubería (rugosidad absoluta) y el diámetro equivalente de la tubería:

Ejemplo valores aproximados de rugosidad absoluta:

· Tuberías de acero nuevas ;

· Tuberías de acero con corrosión menor;

· Tubos de vidrio;

· Tuberías de hormigón;

El efecto de la rugosidad sobre el valor está determinado por la relación entre la rugosidad absoluta y el espesor de la subcapa laminar.

1. Cuando, cuando el líquido fluye suavemente alrededor de las protuberancias, se puede despreciar la influencia de la rugosidad y las tuberías se consideran como hidráulicamente suave(condicionalmente) – zona de fricción suave.

2. A medida que el valor aumenta, el valor disminuye y las pérdidas por fricción aumentan debido a la formación de vórtices cerca de las protuberancias de rugosidad. zona de fricción mixta.

3. Para valores grandes, , deja de depender y está determinada únicamente por la rugosidad de las paredes, es decir el modo es autosimilar en - zona de automodelo.

Cabe señalar que, desde , una tubería puede ser rugosa para un caudal de fluido y hidráulicamente lisa para otro.

Para una tubería dada aproximadamente:

;

Para tuberías rugosas en movimiento turbulento, se aplica la siguiente ecuación:

;

Para la región de fricción suave– ya sea según la ecuación de Blasius, o según la ecuación:

;

;

Dividiendo por 1,8 se obtiene la fórmula de Filonenko.

Fórmula de Filonenko:

;

Para el área de automodelo:

;

Prácticamente El cálculo se realiza según nomogramas. Dependencia del coeficiente de fricción del criterio y grado de rugosidad - Fig. 1.5, Pavlov, Romankov.

Para flujo no isotérmico la viscosidad del líquido cambia a lo largo de la sección transversal de la tubería, el perfil de velocidad y.

Se introducen factores de corrección especiales en las ecuaciones de determinación (excepto para la región autosemejante) (Pavlov, Romankov)

Pérdida de presión debido a resistencia local.

En varias resistencias locales, se produce la medición de velocidad:

a) en tamaño =>

b) en dirección =>

c) en magnitud y dirección =>

Además de las pérdidas asociadas con la fricción, surgen pérdidas de presión adicionales (formación de vórtices debido a la acción de fuerzas de inercia (al cambiar de dirección), formación de vórtices debido a flujos inversos de líquido, etc. (con expansión repentina)).

Las pérdidas de presión debidas a la resistencia local se expresan en términos de presión de velocidad. La relación entre la pérdida de presión en una resistencia local dada y la presión de velocidad en ella se llama coeficiente de resistencia local:

Para todas las resistencias locales de tuberías:

(resumido si hay tramos rectos de al menos 5d de longitud)

Los coeficientes se dan en tablas, por ejemplo:

· entrada a la tubería;

salir de la tubería

· válvula a => ;

· toque, =>

· válvula =>

· válvula =>

Pérdida completa de presión.

El valor se expresa en metros de columna de líquido y no depende dependiendo del tipo de líquido y de la cantidad de pérdida de presión depende sobre la densidad del líquido.

Los cálculos hidráulicos de dispositivos, en principio, no se diferencian de los cálculos de tuberías.

Cálculo del diámetro de la tubería.

El costo de los oleoductos representa una parte importante de la inversión de capital y los altos costos operativos. Por ello, la elección correcta del diámetro de la tubería es de gran importancia.

El diámetro está determinado por la velocidad del fluido. Si se selecciona una velocidad alta, el diámetro de la tubería disminuye, esto asegura:

Reducir el consumo de metales;

Reducción de costes de fabricación, instalación y reparación.

Sin embargo, al mismo tiempo, aumenta la caída de presión necesaria para mover el líquido. Esto requiere grandes cantidades de movimiento de fluido.

Diámetro óptimo debe proporcionar un mínimo costos de operacion. (suma de costos de energía, depreciación y reparaciones).

Costos operativos anuales => M (frotos/año) = A+E;

A – costos de depreciación (coste/años) y reparaciones;

E – costo de energía.

Por consideraciones técnicas y económicas, se recomiendan los siguientes límites de velocidad:

Líquidos por goteo:

Por gravedad = 0,2 – 1 m/s

Al bombear = 2 – 3 m/s

gases:

Con tiro natural = 2 – 4 m/s

A baja presión (ventilador) = 4 – 15 m/s

A alta presión (compresor) = 15 – 25 m/s

parejas:

Vapor de agua saturado = 20 – 30 m/s

Vapor de agua sobrecalentado = 30 – 50 m/s.

Normalmente, las pérdidas de presión no deben superar el 5-15% de la presión de descarga.

El diámetro óptimo de la tubería debe cumplir con GOST. GOST establece el concepto diámetro nominaldy. Este es el diámetro interno nominal de la tubería. De acuerdo con este diámetro también se seleccionan las piezas de conexión: bridas, T, tapones, etc., así como accesorios: grifos, válvulas, válvulas de compuerta, etc.

Cada diámetro nominal corresponde a un diámetro exterior determinado y el espesor de la pared puede ser diferente. Por ejemplo (mm) (puede haber desviaciones de esta tabla).

Material de la tubería

Se utilizan diversos materiales, lo que se asocia a diferentes temperaturas ambientales y agresividad.

Los tubos de acero más utilizados son:

Tuberías de hierro fundido hasta 300 0 C.

También se utilizan otros tubos metálicos => cobre, aluminio, plomo, titanio, etc. Y tubos no metálicos => polietileno, fluoroplástico, cerámica, fibrocemento, vidrio, etc.

Métodos de conexión de tuberías

a) De una pieza – soldada

b) Desmontable

Brida

roscado

En forma de campana (utilizada para tuberías de hierro fundido, hormigón y cerámica)

Accesorios de tuberia

1. Trampas de vapor.

En las comunicaciones de vapor y gas, debido al enfriamiento, siempre puede producirse la condensación de agua, alquitrán u otro líquido contenido en el gas en forma de vapor. La acumulación de condensado es muy peligrosa, ya que, al desplazarse por las tuberías a gran velocidad ( ), un tapón de líquido con alta inercia causará fuertes golpe de ariete. Aflojan las tuberías y pueden provocar su destrucción.

Por lo tanto, las tuberías de gas se instalan con una ligera pendiente y se instala una tubería de drenaje de condensado en el punto más bajo.

Sello hidráulico. Para líneas de vacío =>

a través de un tubo barométrico.

A altas presiones, se utilizan diseños especiales de trampas de vapor (que se analizan a continuación).

2. Válvulas.

1 - cuerpo;

3 - válvula;

4 - husillo;

5 - sello de aceite.

La válvula está fijada al asiento y bloquea herméticamente el movimiento del medio.

El husillo tiene una parte roscada y está conectado al volante. La estanqueidad está garantizada por la junta.

Las válvulas son válvulas de cierre y control, es decir. Le permite regular suavemente el flujo.

3. Grúas.

En el cuerpo gira un tapón esférico o cónico rectificado con un orificio pasante. Las grúas se utilizan principalmente como válvulas de cierre. Es difícil regular el flujo.

4. Válvulas.

Shibernaya

Hay válvulas planas paralelas y de cuña. La compuerta se mueve mediante un husillo perpendicular al eje de la tubería y se bloquea.

Estas válvulas son válvulas de cierre y control. Para fines de automatización, el accionamiento puede ser neumático, eléctrico, hidráulico, etc.

5. También hay accesorios de seguridad y protección(válvulas de seguridad y retención), válvula de control(indicadores de nivel, grifos de prueba, etc.)

Todos los accesorios están indexados:

por ejemplo: 15 kch 2br.

15=>válvula; kch => hierro fundido maleable (material del cuerpo); 2=>número de modelo de catálogo; br=>superficie de sellado de bronce.

Los accesorios se seleccionan según la presión en la tubería.

Hay:

1) Presión operacional– la sobrepresión más alta a la que la válvula funciona durante mucho tiempo a temperatura de funcionamiento.

2) Presión condicional– la presión más alta (g.) creada por el medio a 20 0 C.

Hay una serie de presiones condicionales según las cuales se fabrican los accesorios:

P y =1;2.5;4;6;10;16;25;40;64;100;160;200;250;320;400…atm.

La elección de P y se realiza según las tablas en función del grado de acero, la temperatura más alta del medio y la presión de funcionamiento.

Ejemplo: Acero X12H10T

t ambiente = 400 0 C P esclavo =20 atm: P y =25 atm

P esclavo =80 atm: P y =100 atm

t ambiente = 660 0 C P esclavo = 20 atm: P y = 64 atm

P esclavo =80 atm: P y =250 atm

TRABAJO DE LABORATORIO No. 4

Determinación del coeficiente de resistencia local en la tubería.

Objetivo del trabajo:

1. determinar experimentalmente la pérdida de presión durante una expansión (constricción) repentina de la tubería y un giro brusco del canal, comparándola con el valor de las pérdidas calculadas mediante fórmulas teóricas;

2. determinar los coeficientes de resistencia local basándose en resultados experimentales y fórmulas teóricas, comparar los valores.

Equipos y dispositivos : instalación para estudiar pérdidas de presión locales, termómetro, regla de medición, recipiente medidor, cronómetro.

4.1. Introducción teórica

La resistencia hidráulica se divide en resistencia de las fuerzas de fricción viscosas a lo largo de la tubería y resistencia local.

Las pérdidas de presión por fricción se consideran para el caso de movimiento uniforme del fluido, es decir, la sección transversal efectiva a lo largo de la tubería permanece constante. Cuando un fluido se mueve entre resistencias locales, el flujo sufre una deformación, lo que provoca un cambio en la forma y el tamaño de la sección viva, etc. En consecuencia, el movimiento del líquido se vuelve desigual, lo que resulta en un cambio en la velocidad del flujo. En los lugares donde cambia la sección transversal abierta o la dirección del flujo, este se separa de las paredes y se forman los llamados vórtices o zonas estancadas. Existe un intenso intercambio de partículas de fluido entre las zonas de flujo principal y de vórtice, que es la principal fuente de pérdidas de energía local.

La cantidad de energía (presión) gastada en superar la resistencia local en las tuberías de presión (contracción y expansión repentinas, giro brusco del flujo, etc.) en la mayoría de los casos se determina utilizando coeficientes obtenidos experimentalmente.

Las pérdidas de presión en resistencias locales en condiciones turbulentas se calculan mediante la fórmula de Weisbach:

Por tanto, las pérdidas de carga locales son proporcionales a la carga de velocidad.

Los valores de los coeficientes de resistencia local se obtienen experimentalmente a partir de la fórmula (4.1)

Si una resistencia local (por ejemplo, válvula, diafragma, codo, etc.) está ubicada en una tubería horizontal de sección transversal constante, entonces la pérdida de presión será igual a la diferencia en las lecturas de los piezómetros instalados en ambos lados del local. resistencia.

Entonces, sustituyendo este valor en la fórmula 4.2, obtenemos una fórmula para determinar experimentalmente el coeficiente de resistencia:

¿Dónde está el área de la sección transversal de la tubería antes de la resistencia?

– flujo de fluido a través de la resistencia.

Debido a la complejidad de los fenómenos que ocurren en un fluido cuando se mueve a través de resistencias locales, las fórmulas teóricas para determinar las pérdidas de presión y los coeficientes de resistencia local se obtuvieron solo para los tipos más simples, como expansión y contracción repentina, expansión o contracción suave, diafragma, etc. .

Expansión repentina.

Con una expansión repentina del flujo en el tubo de la sección 1 a la sección 2, el líquido no fluye a lo largo de todo el contorno de las paredes, sino que se mueve a lo largo de líneas de corriente suaves. Cerca de las paredes, donde el diámetro de la tubería aumenta repentinamente, se forma un espacio en el que el líquido se encuentra en intenso movimiento de rotación. Con una mezcla tan intensa, se produce una fricción muy activa del líquido contra las paredes sólidas de la tubería, así como una fricción dentro de los flujos giratorios, lo que resulta en importantes pérdidas de energía. Debido a la acción de las fuerzas de inercia del flujo de un fluido en movimiento, la formación de vórtices se detiene a una cierta distancia suficientemente grande de la zona por donde el fluido sale a una sección más grande. Como resultado, la presión aumenta gradualmente.

La figura muestra que las lecturas del piezómetro en la segunda sección son mayores que en la primera. Las lecturas del piezómetro en este caso dependen no solo de las pérdidas de energía, sino también del valor de la presión. La presión en la segunda sección aumenta debido a una disminución en la presión de velocidad debido a la expansión del flujo y una caída en la velocidad. En este caso, si no hubiera pérdidas de presión debido a la resistencia local, entonces la altura del líquido en el segundo piezómetro sería aún mayor. Coeficiente teórico de resistencia local en expansión repentina el flujo es igual a:

(4.4)

si está determinado por la velocidad.

si está determinado por la velocidad.

Fórmula para la determinación teórica de la pérdida de presión en expansión repentina tiene la forma:

El ingeniero francés Borda también obtuvo una fórmula de cálculo para la determinación teórica de las pérdidas de carga en tubos redondos.

es decir, la pérdida de carga debido a la expansión repentina es igual a la carga de velocidad de la velocidad perdida.

Constricción repentina del flujo

Con un estrechamiento repentino, así como con una expansión repentina del flujo, se crean espacios con vórtices de un fluido en rotación, que se forman en el espacio de la pared de la parte ancha de la tubería. Los mismos vórtices se forman al inicio de la parte estrecha de la tubería debido a que al entrar en ella (la parte estrecha), el líquido continúa moviéndose durante un tiempo por inercia hacia el centro de la tubería, y el canal principal del flujo continúa estrechándose durante algún tiempo. En consecuencia, ante un estrechamiento repentino del flujo, aparecen dos resistencias locales consecutivas. Resistencia local por el estrechamiento del canal principal e inmediatamente detrás de él la expansión local, ya comentada anteriormente.

estrechamiento repentino del flujo

Al realizar transformaciones y sustituir ciertos valores en la fórmula de Borda (4.6), se puede obtener otra fórmula para la determinación teórica del coeficiente de resistencia en estrechamiento repentino del flujo:

La fórmula general para la determinación teórica de la pérdida de presión en estrechamiento repentino del flujo en ambos casos será:

¿Dónde está el coeficiente adimensional de resistencia local?

Velocidad promedio del flujo detrás de la resistencia local.

Gira el flujo

Girar el flujo (desviación o codo redondeado) aumenta significativamente la formación de vórtices y, en consecuencia, la pérdida de energía. La cantidad de pérdida depende significativamente de la relación y el ángulo.

El coeficiente de resistencia teórico al girar se puede determinar mediante la fórmula experimental. Para una rotación en un ángulo de 900 y es igual a:

(4.10)

Coeficiente de resistencia teórico en cambiando el flujo También puede ser determinado por la relación empírica propuesta:

¿Dónde está el coeficiente empírico? A tomado de la tabla 4.1.

cambiando el flujo tiene la forma:

Tabla 4.1.

Tabla para calcular el factor adicional.

Expansión de flujo suave

La suave expansión del canal se llama difusor. El flujo de fluido en el difusor es complejo. Dado que la sección transversal efectiva del flujo aumenta gradualmente, la velocidad del movimiento del fluido disminuye correspondientemente y la presión aumenta. Dado que, en este caso, en las capas de líquido cercanas a las paredes del difusor la energía cinética es mínima (baja velocidad), el líquido puede detenerse y es posible la formación intensiva de vórtices. Por este motivo, la pérdida de energía de presión en el difusor dependerá de la pérdida de presión por fricción y por pérdidas durante la expansión:

Coeficiente de resistencia teórico en suave expansión del flujo puede ser determinado por la relación empírica propuesta:

(4.14)

donde: es el área de la sección transversal abierta a la entrada del difusor,

- área de sección libre a la salida del difusor,

- ángulo del cono del difusor,

- factor de corrección en función de las condiciones de expansión del flujo en el difusor.

El ángulo se calcula mediante la fórmula:

¿Dónde está la longitud del confusor o difusor?

Fórmula para calcular la pérdida de carga teórica en suave expansión del flujo tiene la forma:

Estrechamiento suave del flujo.

Esta resistencia es un tubo convergente cónico. vergüenza. El flujo en el confusor va acompañado de un aumento gradual de la velocidad y una disminución simultánea de la presión. Por este motivo, no existen condiciones para la formación de vórtices en la superficie cónica. Las pérdidas en esta parte de la resistencia local se producen únicamente por fricción. La formación de vórtices sólo puede ocurrir en una parte estrecha de la tubería. Su naturaleza es similar a la de un vórtice similar durante un estrechamiento repentino del flujo, pero la magnitud es significativamente menor.

El coeficiente de pérdida de presión en el confusor se puede determinar mediante la fórmula:

(4.17)

El ángulo se calcula usando la fórmula (4.14)

Fórmula para calcular la pérdida de carga teórica en estrechamiento suave del flujo tiene la forma:

Nota: en las fórmulas (4.14) y (4.16) el valor es el coeficiente de fricción hidráulica, determinado por las fórmulas:

Para números Re inferiores a 2300

Para números Re en el rango 2300 – 100000;

4.2. Esquema de una instalación de laboratorio universal.

Los experimentos se llevan a cabo en una instalación universal (ver párrafo 2.2. y Fig. 2.1), en la que se instala una tubería compuesta con modelos de resistencia local integrados. La tubería está conectada a los tanques receptores y de presión.

Arroz. Diagrama de instalación para calcular resistencias locales.

Los modelos de resistencia local están ubicados en el plano horizontal del montaje del laboratorio y representan secuencialmente ubicados 2 vueltas de 90° (1), 2 vueltas de 45° (2), estrechamiento repentino (3), expansión repentina (4). Se colocan modelos de contracción y expansión suave de flujos en una tubería de sección transversal variable para estudiar la ecuación de Bernoulli.

En la sección de expansión repentina de la tubería compuesta, se instalan 6 piezómetros: 1 piezómetro - en una tubería de pequeño diámetro d, 5 piezómetros - en una tubería de gran diámetro (D) para observar visualmente la curva de cambios hidrodinámicos presión en esta sección del flujo de fluido.

1. El grupo se divide en 3 unidades.

2. Todos los enlaces estudian material teórico, instrucciones metodológicas, anotan fórmulas de cálculo y elaboran una tabla de medidas.

3. El primer eslabón realiza un experimento para determinar el coeficiente de resistencia local con un estrechamiento y expansión repentinos del flujo, el segundo eslabón con un estrechamiento y expansión suaves del flujo y el tercero con un giro brusco del flujo.

La rotación de experimentos se puede cambiar según las indicaciones del profesor.

4. Todos los enlaces realizan cálculos, intercambiando datos obtenidos durante el experimento.

4.4. Orden de trabajo

La preparación de la instalación se realiza según el método descrito en el punto 2.3. Cuando la unidad de laboratorio está lista para funcionar, se realizan las siguientes operaciones:

1. las lecturas del piezómetro y los diámetros de las secciones se miden antes y después de probar la resistencia; consumo de líquido, tiempo de llenado del recipiente de medición y se ingresan en la tabla. 4.1;

2. se calculan el caudal de agua, las áreas de sección transversal, las velocidades promedio, los números de Reynolds y los radios de giro del canal; los resultados del cálculo se ingresan en la tabla 4.3;

3. Se calculan las pérdidas de presión experimentales: los resultados del cálculo se ingresan en la tabla 4.3;

4. Los coeficientes de resistencia local se calculan según los datos experimentales (4.3) y la pérdida de presión experimental según la fórmula (4.1).