Zależność współczynnika oporu rury. Wyznaczanie współczynnika lokalnego oporu

Wszystkie straty energii hydraulicznej dzielą się na dwa rodzaje: straty tarcia na długości rurociągów (omówione w pkt 4.3 i 4.4) oraz straty lokalne powodowane przez takie elementy rurociągów, w których ze względu na zmianę wielkości lub konfiguracji kanału, następuje zmiana natężenia przepływu, oddzielenie przepływu od ścianek kanałów i powstanie wirów.

Najprostsze lokalne opory hydrauliczne można podzielić na rozszerzenia, zwężenia i zakręty kanałów, z których każde może być nagłe lub stopniowe. Bardziej złożone przypadki lokalnej odporności to związki lub kombinacje wymienionych najprostszych odporności.

Rozważmy najprostsze lokalne opory w reżimie turbulentnego przepływu w rurze.

1. Nagła ekspansja kanału. Utrata ciśnienia (energii) podczas gwałtownego rozszerzania się kanału jest zużyta na tworzenie się wirów związanych z oddzieleniem przepływu od ścianek, tj. utrzymać ciągły ruch obrotowy płynnych mas z ich ciągłym odnawianiem.

Ryż. 4.9. Nagłe rozszerzenie tuby

Przy nagłym rozszerzeniu kanału (rury) (ryc. 4.9) przepływ odrywa się od narożnika i rozszerza się nie nagle, jak kanał, ale stopniowo, a w przestrzeni pierścieniowej między przepływem a ścianą rury tworzą się wiry, które są przyczyną strat energii. Rozważ dwie sekcje przepływu: 1-1 - w płaszczyźnie dylatacji rury i 2-2 - w miejscu, w którym przepływ po rozszerzeniu wypełnił cały odcinek szerokiej rury. Ponieważ przepływ między rozważanymi sekcjami rozszerza się, jego prędkość maleje, a ciśnienie wzrasta. Dlatego drugi piezometr pokazuje wysokość w Δ H większy niż pierwszy; ale gdyby w tym miejscu nie było strat ciśnienia, to drugi piezometr pokazywałby wyższą wysokość o kolejny h wew. Ta wysokość to lokalna strata głowicy rozprężnej, którą określa wzór:

gdzie S1, S2- powierzchnia przekroju 1-1 oraz 2-2 .

To wyrażenie jest konsekwencją Twierdzenia Bordy, w którym stwierdza się, że strata głowy podczas gwałtownego rozszerzania się kanału jest równa głowicy prędkości określonej z różnicy prędkości

Wyrażenie (1 - S 1 /S 2) 2 jest oznaczane grecką literą ζ (zeta) i nazywane jest współczynnikiem strat, stąd

2. Stopniowe poszerzanie kanału. Stopniowo rozszerzająca się rura nazywana jest dyfuzorem (ryc. 4.10). Przepływowi prędkości w dyfuzorze towarzyszy jej spadek i wzrost ciśnienia, aw konsekwencji zamiana energii kinetycznej cieczy na energię ciśnienia. W dyfuzorze, podobnie jak w przypadku gwałtownego poszerzenia kanału, główny przepływ zostaje oddzielony od ścianki i powstaje wir. Intensywność tych zjawisk wzrasta wraz ze wzrostem kąta rozszerzalności dyfuzora α.

Ryż. 4.10. Stopniowe rozszerzanie się rury

Ponadto w dyfuzorze występują zwykłe straty kolców, podobne do tych, które występują w rurach o stałym przekroju. Całkowity spadek ciśnienia w dyfuzorze jest traktowany jako suma dwóch składników:

gdzie h tr oraz h wew- utrata ciśnienia na skutek tarcia i rozszerzania (tworzenie wirów).

gdzie n = S 2 /S 1 = (r 2 /r 1) 2 - stopień rozszerzenia dyfuzora. Utrata głowicy ekspansyjnej h wew ma taki sam charakter jak w przypadku nagłego poszerzenia kanału

gdzie k- współczynnik zmiękczania, przy α= 5…20°, k= sinα.

Biorąc to pod uwagę, całkowitą utratę głowy można przepisać jako:

stąd współczynnik oporu dyfuzora można wyrazić wzorem

Ryż. 4.11. Zależność ζ diff od kąta

Funkcja ζ = f(α) ma minimum przy pewnej najkorzystniejszej optymalnej wartości kąta α, którego optymalna wartość jest określona następującym wyrażeniem:

Podstawiając do tego wzoru λ T=0,015…0,025 i n= 2…4 otrzymujemy α Hurt= 6 (rys.4.11).

3. nagłe zwężenie kanału. W tym przypadku strata ciśnienia jest spowodowana tarciem przepływu na wejściu do węższej rury oraz stratami spowodowanymi tworzeniem się wirów, które powstają w pierścieniu wokół zwężonej części przepływu (rys. 4.12).

Ryż. 4.12. Nagłe zwężenie rurki

4.13. mylić

Całkowitą stratę ciśnienia określa wzór;

gdzie współczynnik oporu zwężenia jest określony przez półempiryczną formułę I.E. Idelczik:

w którym n \u003d S 1 / S 2- stopień zwężenia.

Kiedy rura wychodzi z dużego zbiornika, kiedy można założyć, że S2/S1= 0, a także przy braku zaokrąglenia narożnika wejściowego współczynnik oporu ζ wąska = 0,5.

4. Stopniowe zwężenie kanału. Ten lokalny opór to stożkowa, zbieżna rura zwana mylić(rys.4.13). Przepływowi cieczy w konfurze towarzyszy wzrost prędkości i spadek ciśnienia. W konfuzorze występują tylko straty tarcia

gdzie współczynnik oporu konfusera jest określony wzorem

w którym n \u003d S 1 / S 2- stopień zwężenia.

Jedynie na wylocie konfusera na styku rury stożkowej z cylindryczną występuje niewielkie tworzenie się wirów i oddzielenie przepływu od ścianki z równoczesnym ściskaniem przepływu. Dzięki zaokrągleniu narożnika wejściowego można znacznie zmniejszyć utratę głowy na wejściu do rury. Nazywa się konfuser z gładko dopasowanymi częściami cylindrycznymi i stożkowymi dysza(rys.4.14).

Ryż. 4.14. Dysza

5. Nagłe wygięcie rury (łokieć). Ten rodzaj rezystancji lokalnej (rys. 4.15) powoduje znaczne straty energii, ponieważ występuje w nim separacja przepływu i tworzenie wirów, a im większa strata, tym większy kąt δ. Stratę głowy oblicza się według wzoru

gdzie liczyć- współczynnik oporu kolana o przekroju kołowym, który wyznacza się z wykresu w zależności od kąta kolana δ (rys. 4.16).

6. Stopniowe zginanie rury (kolano lub kolano zaokrąglone). Gładkość skrętu znacznie zmniejsza intensywność powstawania wirów, a co za tym idzie opór cofania w porównaniu z kolanem. Spadek ten jest tym większy, im większy jest względny promień krzywizny zakrętu R & D rys.4.17). Współczynnik oporu wylotowego ζ reprezentant zależy od relacji R & D, kąt δ, a także kształt przekroju rury.

Do łuków okrągłych o kącie δ= 90 i R & D 1 przy przepływie turbulentnym, możesz użyć wzoru empirycznego:

Dla kątów δ współczynnik oporu 70°

i przy 100°

Spadek ciśnienia w kolanie określa się jako

Wszystko to dotyczy turbulentnego ruchu płynu. W przypadku ruchu laminarnego opory lokalne odgrywają niewielką rolę w określaniu całkowitego oporu rurociągu. Ponadto prawo oporu w reżimie laminarnym jest bardziej złożone i zostało zbadane w mniejszym stopniu.

Lokalne opory to te, które są spowodowane przez jakąś lokalną przeszkodę w swobodnym przepływie płynu, na przykład zagięcie rury lub kranu, rozszerzenie lub skurcz przepływu itp. Te opory występują tylko w niektórych miejscach przepływu na niewielkiej odległości, na tym odcinku.

Ciecz pokonując lokalny opór traci część swojej energii i powstają lokalne straty energii (ciśnienie).

Utrata głowy h spowodowana lokalnymi oporami jest wyrażona w ułamkach prędkości głowy i jest określona wzorem Weisbacha:

gdzie ζ jest współczynnikiem lokalnego oporu; V to średnie natężenie przepływu.

Współczynnik oporu lokalnego zależy od projektu (rodzaju) oporu lokalnego i liczby Reynoldsa. Z rozwiniętym turbulentnym reżimem (około około Odnośnie> 10000) współczynnik ζ od numeru Odnośnie praktycznie nie zależy, ale zależy od projektu lokalnego oporu.

We wzorze Weisbacha prędkość przed i po oporze można przyjąć jako V, w tym przypadku zmieni się wartość współczynnika ζ. Dlatego zawsze wskazuje się, względem jakiej prędkości wyznaczany jest współczynnik ζ .

Wartości współczynników oporu miejscowego, uzyskane empirycznie dla różnych rodzajów oporu, zawarte są w podręcznikach hydraulicznych. Przepływ cieczy w lokalnych rezystancjach jest bardzo złożony, a wyznaczenie współczynników ζ analitycznie praktycznie niemożliwe, więc są określane na podstawie eksperymentów. Podczas eksperymentalnego wyznaczania współczynników ζ główne równania to równanie ciągłości (5), równanie Bernoulliego (7) i wzór (21).

Pamiętaj, że głównym zadaniem jest: niezależne wyznaczanie lokalnych współczynników oporu ζ empirycznie. Po rozwiązaniu tego problemu wartości są porównywane ζ uzyskane w eksperymencie, z tymi, które można określić na podstawie zależności analitycznych lub z podręczników.

Dla dowolnego przepływu zawierającego lokalne opory można zastosować równanie Bernoulliego (Rysunek 8):

skąd otrzymujemy z 1 = z 2 , α 1 = α 2 ≈ 1 (rura pozioma),

Aby określić straty, wszystkie wartości eksperymentalne są podstawiane do wzoru na h M . W szczególności odczyt pierwszego piezometru (w pierwszej części) jest p 1/ ρg=h 1, odczyt drugiego piezometru wynosi p 2 /ρg=h 2, a ich różnicę określa podziałka (linijka). Średnie prędkości V 1 oraz V 2 określają wzory:

gdzie Q jest natężeniem przepływu; S1 oraz S2 to powierzchnie sekcji mieszkalnych 1 i 2.

Jeżeli opór lokalny jest taki, że przed i po nim przepływ nie zmienia swojego przekroju (jak na rysunku 8), to we wzorze na h M V 1 = V 2 a straty definiuje się w następujący sposób:

(22)

Do tego typu oporów należą łuki rurowe, różnego rodzaju zawory itp.

Po obliczeniu strat w danym rezystancji lokalnej i wyrażeniu ich w jednostkach długości współczynnik oporu lokalnego określa się wzorem:

który w tym celu jest konwertowany do postaci:

Jeśli prędkości przed i po lokalnym oporze nie są równe, to znaczy V1 ≠V2, następnie na polecenie nauczyciela wybierany jest jeden z nich (lub V 1, lub V 2).

Jedną z nielicznych zależności teoretycznych do wyznaczania strat lokalnych jest wzór Bordy dla przypadku nagłego rozszerzenia przepływu (rys. 3):

(24)

W przypadku rur okrągłych wzór Borda można przedstawić w następujący sposób:

(25)

Z (25) wynika, że ​​współczynnik lokalnego oporu podczas gwałtownej ekspansji ma postać

Te opory obejmują gwałtowne zmiany kształtu powierzchni granicznych przepływu (rozszerzenie, zwężenie, zagięcia, załamania itp.). Ogólną zależnością do wyznaczania strat ciśnienia w lokalnych rezystancjach jest wzór

gdzie jest współczynnikiem lokalnego oporu, który generalnie zależy od liczby Re i konfiguracji powierzchni granicznych.

Ogólny charakter tej zależności dla kilku rodzajów lokalnych rezystancji pokazano na ryc. 6.8. Krzywe te są zadowalająco opisane wzorem postaci

(6.18)

gdzie są stałe w zależności od kształtu geometrycznego lokalnego oporu.

Tabela 6.3

Wartości i dla niektórych lokalnych oporów

* Stosunek powierzchni przekroju przelotu otwieranego przez zawór lub otworu membrany do pola przekroju rury jest wskazany poprzez.

Tabela 6.3 przedstawia stałe dla kilku typów lokalnych rezystancji. Wartość pełni funkcję współczynnika oporu lokalnego przy bardzo dużych liczbach Re (w obszarze oporu kwadratowego). Wartości odnoszą się do głowicy prędkości przed lokalnym oporem.

W większości przypadków lokalne rezystancje działają przy dużych liczbach Re lub w warunkach kwadratowych, gdy .

Tabela 6.4

Wzory obliczeniowe dla współczynnika związanego z przekrojem

Gdy przepływ przechodzi z rury o polu powierzchni przez membranę o polu otworu do rury o polu (Tabela 6.4), wzór na współczynnik oporu, odniesiony do wysokości prędkości za oporem, ma postać

(6.19)

gdzie jest współczynnik lokalnego oporu przy wejściu do przepony; współczynnik korygujący straty rozszerzalności (w dużej mierze dopuszcza się );

Stopień sprężania za membraną, gdzie pole przekroju strumienia za membraną po wejściu do rury o przekroju ma wartości:

Wzory do wyznaczania współczynnika podano w tabeli 6.4.

Stopniowa ekspansja (dyfuzor) może być również uważana za formę lokalnego oporu. Straty w dyfuzorach można wyrazić jako ułamki nagłych strat rozszerzalności:

(6.20)

(6.21)

(6.22)

Współczynnik jest powiązany ze współczynnikiem oporu, odniesionym do prędkości, wzorem

(6.23)

a przy stałych warunkach wejściowych (w tym liczba Re) zależy głównie od kąta otwarcia nawiewnika (rys. 6.9).

Jeżeli na rurociągu występuje kilka lokalnych oporów, oddzielonych odcinkami o równomiernym ruchu, całkowitą stratę ciśnienia można określić na podstawie zasady dodawania strat

(6.24)

gdzie jest liczba odcinków równomiernego przepływu;

Liczba lokalnych oporów.

Rys.6.9. Zależność współczynnika strat w dyfuzorze kołowym

od kąta jego otwarcia przy trzech wartościach stopnia rozszerzalności

W tym przypadku sumowanie strat w rezystancjach lokalnych jest dopuszczalne tylko pod warunkiem, że znajdują się one w takiej odległości od siebie, że zniekształcenie wykresu ustabilizowanej prędkości spowodowane przejściem przepływu przez rezystancję staje się nieistotne przy zbliżaniu się Następna. Minimalne wymagane odległości między lokalnymi rezystancjami są określane na podstawie warunku

gdzie jest promień rury.

W przybliżeniu dla dużych liczb Re można wziąć

6.5. Obliczenia hydrauliczne systemów rurociągowych

Obliczenia hydrauliczne systemów rurociągowych opierają się na określeniu strat oporów hydraulicznych. Gdy można pominąć straty w rezystancjach lokalnych, na wartość strumienia objętości zapisuje się wyrażenie

gdzie moduł przepływu (charakterystyka przepływu) to pole przekroju rury.

Dla trybu kwadratowego wartość zależy od parametrów geometrycznych rury (średnica i chropowatość), w innych trybach zależy również od liczby Reynoldsa. W niektórych obliczeniach (6.26) jest używany w postaci

gdzie jest impedancja rurociągu.

Nachylenie hydrauliczne lub nachylenie tarcia, tj. strata ciśnienia na jednostkę długości rurociągu jest określona wzorem

(6.28)

gdzie .

Wartości modułu płynięcia dla rur przemysłowych są zestawione i podane w podręcznikach hydraulicznych. W przypadku nowych rur stalowych wartości obliczone za pomocą wzoru Shifrinsona (tabela 6.2) podano w tabeli 6.6.

Jeżeli na długim rurociągu występują lokalne opory, straty w nich można uwzględnić stosując metodę długości ekwiwalentnej, która polega na wprowadzeniu ekwiwalentnej długości rury zamiast oporów lokalnych o współczynniku

gdzie utrata głowy jest równa utracie lokalnego oporu. Ta długość jest dodawana do długości odcinka cylindrycznego (), a suma jest następnie podmieniana w (6.26).

Tabela 6.4

Moduły przepływowe do nowych rur stalowych

Szeregowe połączenie rur o różnych średnicach(ryc. 6.10, a). W tym przypadku sumuje się straty ciśnienia w poszczególnych odcinkach. Ponieważ natężenie przepływu dla wszystkich sekcji jest takie samo, to

(6.30)

gdzie jest liczba segmentów o stałej średnicy.

Wraz ze wzorami strat dla poszczególnych odcinków zależność ta tworzy wyliczony układ równań. Inną formą tej zależności jest:

(6.31)

gdzie jest powierzchnia przekroju rury w głównej (obliczonej) sekcji; natężenie przepływu w systemie,

(6.32)

Rys.6.10. Schematy projektowe systemów rurociągowych

z szeregowym (a) i równoległym (b) połączeniem rurowym

Oto liczba lokalnych oporów, współczynnik strat.

Połączenie rur równoległych(ryc. 6.10, b). Strata ciśnienia na każdej z gałęzi jest taka sama. Konsumpcja w branży

(6.33)

gdzie a jest całkowitym natężeniem przepływu systemu

(6.34)

Równania te tworzą układ, z którego można wyznaczyć niewiadomą.

6.6. Wypływ płynu nieściśliwego

Wypływ przy stałym ciśnieniu. Taki wypływ przez otwory i dysze może nastąpić do ośrodka gazowego lub pod poziomem tej samej lub innej cieczy. W pierwszym przypadku otwór lub dysza nazywa się niezalaną, w drugim - zalaną. Otwór uważa się za mały, jeśli jego maksymalny rozmiar nie przekracza (ryc. 6.11).

Rys.6.11. Przepływ nieściśliwego płynu przez mały otwór w cienkiej ścianie

Przy przepływie przez mały niezalany otwór strumień ulega ściśnięciu na wyjściu, a jego pole przekroju staje się mniejsze niż pole otworu. Stosunek nazywa się stosunkiem kompresji.

Przepływając przez mały, niezalany otwór, strumień ulega ściśnięciu, a jego pole przekroju maleje w stosunku do powierzchni otworu.Przełożenie to nazywamy stopniem sprężania.

Przepływ przez mały otwór z dużego zbiornika na stałym poziomie

(6.35)

gdzie jest współczynnik prędkości; współczynnik strat na wejściu do otworu; oraz - nacisk odpowiednio na wolną powierzchnię iw środowisku zewnętrznym.

Opór hydrauliczny w rurociągach

Obliczenie oporów hydraulicznych jest jednym z ważniejszych zagadnień w hydrodynamice, konieczne jest określenie strat ciśnienia, energochłonności ich kompensacji oraz doboru napędu oporowego.

Straty ciśnienia w rurociągach są spowodowane oporem tarcie oraz lokalny opory. Wprowadzają równanie Bernoulliego dla rzeczywistych cieczy.

a) Odporność na tarcie istnieje podczas ruchu płynu rzeczywistego na całej długości rurociągu i zależy od trybu przepływu płynu.

b) lokalny opór wystąpić z każdą zmianą. prędkość przepływu w wielkości i kierunku(wlot i wylot rur, kolanka, kolanka, trójniki, kształtki, rozszerzenia, przewężenia).

Utrata głowy tarcia

1) przepływ laminarny.

Pod przepływem laminarnym można obliczyć teoretycznie za pomocą równania Poiseuille'a:

;

Zgodnie z równaniem Bernoulliego dla rurociągu poziomego o stałym przekroju, ciśnienie utracone na skutek tarcia:

;

;

;

Podstawiając wartość do równania Poiseuille'a i podstawiając otrzymujemy:

;

;

;

Tak więc, z ruchem laminarnym wzdłuż prostej okrągłej rury:

;

wartość nazywa się współczynnikiem tarcia hydraulicznego.

Równanie Darcy-Weisbacha:

;

Równanie to można uzyskać w inny sposób - za pomocą teorii podobieństwa.

Wiadomo, że

;

Dla przepływu laminarnego znaleziono: .

;

;

Równanie Darcy-Weisbacha:

;

Zdefiniujmy stratę ciśnienia: .

Równanie Darcy-Weisbacha:

Podstawiając wartość dla trybu laminarnego, otrzymujemy:

;

Tak więc dla reżimu laminarnego:

Równanie Hagena-Poiseuille'a:

;

Równanie to jest ważne i jest szczególnie ważne przy badaniu przepływu płynu w rurach o małej średnicy, a także w kapilarach i porach

Dlatego dla stałego ruchu laminarnego:

Dla przekroju nieokrągłego: , gdzie zależy od kształtu przekroju:

;

Wyrażenie nazywa się współczynnikiem oporu.

W konsekwencji:

;

;

2) Tryb turbulentny.

Dla reżimu turbulentnego obowiązuje również równanie Darcy-Weisbacha:

;

Jednak współczynnika tarcia nie można w tym przypadku teoretycznie określić ze względu na złożoność struktury przepływu turbulentnego. Równania obliczeniowe do oznaczenia uzyskuje się przez uogólnienie danych doświadczalnych metodami teorii podobieństwa.

a) Rury gładkie.

;

;

;

Dlatego dla przepływu turbulentnego w gładkich rurach:

Formuła Blasiusa:

b) Szorstkie rury.

W przypadku rur chropowatych współczynnik tarcia zależy nie tylko od chropowatości ścian, ale także od jej chropowatości.

Cechą charakterystyczną szorstkich rur jest względna szorstkość: stosunek średniej wysokości występów (wybrzuszeń) na ściankach rury (chropowatość bezwzględna) do równoważnej średnicy rury:

Przykład przybliżone wartości chropowatości bezwzględnej:

Nowe rury stalowe ;

· Rury stalowe z lekką korozją;

· Rury szklane;

· Rury betonowe;

Wpływ chropowatości na wartość określa stosunek chropowatości bezwzględnej do grubości podwarstwy laminarnej.

1. W , gdy płyn płynnie opływa występy, efekt chropowatości można pominąć, a rury uważa się za hydraulicznie gładka(warunkowy) - gładka strefa tarcia.

2. Wraz ze wzrostem wartości wartość maleje, a straty tarcia wzrastają z powodu tworzenia się wirów w pobliżu występów chropowatości - strefa tarcia mieszanego.

3. Przy dużych wartościach przestaje zależeć i zależy tylko od chropowatości ścian, tj. tryb automodelowania według - strefa samopodobna.

Należy zauważyć, że ponieważ rura może być chropowata przy jednym natężeniu przepływu i hydraulicznie gładka przy innym.

Dla tej rury około:

;

W przypadku rur nierównych w ruchu turbulentnym stosuje się następujące równanie:

;

Dla obszaru gładkiego tarcia- albo według równania Blasiusa, albo według równania:

;

;

Dzieląc przez 1,8, możesz otrzymać formułę Filonenko.

Wzór Filonenki:

;

Dla obszaru samopodobnego:

;

Praktycznie obliczenie odbywa się zgodnie z nomogramami. Zależność współczynnika tarcia od kryterium i stopnia chropowatości - ryc. 1.5, Pavlov, Romankov.

Dla przepływu nieizotermicznego lepkość cieczy zmienia się w przekroju rury, zmienia się profil prędkości i .

Do równań w celu określenia (z wyjątkiem regionu samopodobnego) wprowadzane są specjalne współczynniki korygujące (Pavlov, Romankov)

Utrata presji na lokalne opory

W różnych rezystancjach lokalnych pomiar prędkości następuje:

a) w rozmiarze =>

b) w kierunku =>

c) w rozmiarze i kierunku =>

Oprócz strat związanych z tarciem występują dodatkowe straty ciśnienia (powstawanie wirów w wyniku działania sił bezwładności (przy zmianie kierunku), powstawanie wirów w wyniku odwrotnych przepływów płynu itp. (z nagłym rozszerzeniem)).

Strata ciśnienia spowodowana lokalnymi oporami jest wyrażona jako ciśnienie prędkości. Stosunek utraty głowy w danym oporze lokalnym do głowicy prędkości w nim nazywany jest współczynnikiem oporu lokalnego:

Dla wszystkich lokalnych rezystancji rurociągów:

(podsumowane, jeśli występują proste odcinki o długości co najmniej 5d)

Współczynniki podane są w tabelach, na przykład:

· wejście do rury;

Wyjście z rury

· zawór do => ;

dźwig, =>

zawór =>

zawór =>

Całkowita utrata ciśnienia

Wartość wyrażona w metrach słupa cieczy i nie zależy od rodzaju cieczy i wielkości straty ciśnienia zależy na gęstość cieczy.

Obliczenia hydrauliczne urządzeń w zasadzie nie różnią się od obliczeń rurociągów.

Obliczanie średnicy rurociągu

Koszt rurociągów to znacząca część inwestycji kapitałowych i duże koszty eksploatacyjne. W związku z tym duże znaczenie ma prawidłowy dobór średnicy rurociągu.

Wartość średnicy zależy od prędkości płynu. W przypadku wybrania dużej prędkości zmniejsza się średnica rurociągu, co zapewnia:

Zmniejszenie zużycia metalu;

Zmniejszone koszty produkcji, instalacji i naprawy.

Jednocześnie jednak wzrasta spadek ciśnienia wymagany do przemieszczenia cieczy. Wymaga to wysokich kosztów ruchu cieczy.

Optymalna średnica musi zapewnić minimum koszty operacyjne. (suma kosztów energii, amortyzacji i naprawy).

Roczne koszty operacyjne => M (rubli/rok)=A+E;

A - koszty amortyzacji (koszt/lata) i napraw;

E to koszt energii.

Ze względów technicznych i ekonomicznych zalecane są następujące ograniczenia prędkości:

kapanie płynów:

Grawitacja = 0,2 - 1 m/s

Podczas pompowania = 2 - 3 m/s

gazy:

Przy naturalnym zanurzeniu = 2 - 4 m/s

Przy niskim ciśnieniu (wentylator) = 4 – 15 m/s

Przy wysokim ciśnieniu (sprężarka) = 15 - 25 m/s

Pary:

Nasycona para wodna = 20 - 30 m/s

Para wodna przegrzana = 30 - 50 m/s.

Zazwyczaj straty ciśnienia nie powinny przekraczać 5-15% ciśnienia tłoczenia.

Optymalna średnica rurociągu musi być zgodna z GOST. GOST ustanawia koncepcję warunkowa średnicaDy. Jest to nominalna średnica wewnętrzna rurociągu. W zależności od tej średnicy dobierane są również części łączące - kołnierze, trójniki, wtyczki itp., a także armatura: krany, zawory, zasuwy itp.

Każda warunkowa średnica odpowiada określonej średnicy zewnętrznej, podczas gdy grubość ścianki może być inna. Na przykład (mm) (mogą występować odchylenia od tej tabeli).

Materiał rury

Stosowane są różne materiały, co wiąże się z różnymi temperaturami otoczenia i agresywnością.

Najczęściej stosowane rury stalowe:

Rury żeliwne do 300 0 С

Stosowane są również inne rury metalowe => miedziane, aluminiowe, ołowiane, tytanowe itp. I niemetaliczne => polietylenowe, fluoroplastyczne, ceramiczne, azbestocementowe, szklane itp.

Sposoby łączenia rurociągów

a) Jednoczęściowy - spawany

b) Odpinany

Kołnierzowe

Gwintowany

Kielich (stosowany do rur żeliwnych, betonowych i ceramicznych)

Złączki rurowe

1. Pułapki parowe.

W komunikacji parowej i gazowej, z powodu chłodzenia, zawsze może wystąpić kondensacja wody, żywicy lub innej cieczy zawartej w gazie w postaci pary. Gromadzenie się kondensatu jest bardzo niebezpieczne, ponieważ przemieszczanie się przez rury z dużą prędkością ( ), płynny korek o dużej bezwładności spowoduje najsilniejszy amortyzatory hydrauliczne. Poluzowują rurociągi i mogą spowodować ich zniszczenie.

Dlatego gazociągi montuje się z lekkim nachyleniem, a rurę kondensatu umieszcza się w najniższym punkcie.

Blokada hydrauliczna. Dla linii próżniowych =>

przez rurkę barometryczną.

Przy wysokich ciśnieniach stosuje się specjalne konstrukcje odwadniaczy (omówione poniżej).

2. Zawory.

1 - ciało;

3 - zawór;

4 - wrzeciono;

5 - dławnica.

Zawór dociera do gniazda i szczelnie blokuje ruch medium.

Wrzeciono ma część gwintowaną i jest połączone z kołem zamachowym. Szczelność zapewnia uszczelka olejowa.

Zawory to zawory odcinające i sterujące, tj. umożliwiają płynną kontrolę przepływu.

3. Żurawi.

W korpusie obraca się szlifowany stożkowy lub kulisty korek z przelotowym otworem. Dźwigi są używane głównie jako zawory odcinające. Trudno jest kontrolować przepływ.

4. Zasuwy.

Shibernaya

Występują zasuwy płasko-równoległe i klinowe. Zasuwa przesuwana jest za pomocą trzpienia prostopadłego do osi rurociągu i następuje jej zachodzenie na siebie.

Ten zawór jest odcinający i sterujący. Dla celów automatyzacji napęd może być pneumatyczny, elektryczny, hydrauliczny itp.

5. Jest też okucia zabezpieczające i ochronne,(zawory bezpieczeństwa i zwrotne), armatura sterująca(wskaźniki poziomu, krany testowe itp.)

Wszystkie okucia są indeksowane:

na przykład: 15 cz 2br.

15=>zawór; kch => żeliwo ciągliwe (materiał obudowy); 2=> numer modelu zgodnie z katalogiem; br => powierzchnia uszczelniająca wykonana z brązu.

Kształtki dobierane są w zależności od ciśnienia w rurociągu.

Wyróżnić:

1) Ciśnienie operacyjne- najwyższe nadciśnienie, przy którym zawór pracuje przez długi czas w średniej temperaturze pracy.

2) Ciśnienie nominalne- najwyższe ciśnienie (np.) wytworzone przez medium w temperaturze 20 0 С.

Istnieje szereg ciśnień warunkowych, zgodnie z którymi wykonywane są łączniki:

P y \u003d 1;2,5;4;6;10;16;25;40;64;100;160;200;250;320;400 ... atm.

Doboru P y dokonuje się zgodnie z tabelami w zależności od gatunku stali, najwyższej temperatury medium i ciśnienia roboczego.

Przykład: Stal Х12H10T

t środowisko \u003d 400 0 С P niewolnik \u003d 20 atm: P y \u003d 25 atm

P niewolnik \u003d 80 atm: P y \u003d 100 atm

t środowisko \u003d 660 0 С P niewolnik \u003d 20 atm: P y \u003d 64 atm

P niewolnik \u003d 80 atm: P y \u003d 250 atm

LABORATORIUM #4

Wyznaczanie współczynnika oporu lokalnego w rurociągu.

Cel:

1. empirycznie określić straty ciśnienia podczas gwałtownego rozszerzania (zwężania) rury i ostrego zakrętu kanału, porównując z wartością strat obliczoną ze wzorów teoretycznych;

2. wyznaczyć współczynniki oporów lokalnych na podstawie wyników eksperymentu i wzorów teoretycznych, porównać wartości.

Sprzęt i urządzenia : instalacja do badania lokalnych strat ciśnienia, termometr, linijka pomiarowa, naczynie pomiarowe, stoper.

4.1. Wprowadzenie teoretyczne

Opory hydrauliczne dzielą się na opory sił tarcia lepkościowego wzdłuż długości rury oraz opory lokalne.

Straty ciśnienia tarcia są uwzględniane w przypadku równomiernego ruchu płynu, tj. swobodny przekrój wzdłuż rury pozostaje stały. Gdy płyn porusza się w lokalnych oporach, przepływ ulega deformacji, co prowadzi do zmiany kształtu i wielkości swobodnego przekroju oraz. w konsekwencji ruch płynu staje się nierównomierny, powodując zmianę prędkości przepływu. W miejscach zmiany swobodnego przekroju lub kierunku przepływu jest oddzielony od ścian i tworzą się tak zwane strefy wirowe lub stojące. Pomiędzy głównym przepływem a strefami wirowymi zachodzi intensywna wymiana cząstek cieczy, która jest głównym źródłem lokalnych strat energii.

Ilość energii (ciśnienia) wydatkowaną na pokonanie lokalnych oporów w rurach ciśnieniowych (nagłe zwężenie i rozszerzenie, ostry zwrot w przepływie itp.) jest w większości przypadków określana za pomocą współczynników uzyskanych empirycznie.

Utrata głowy w lokalnych rezystancjach w warunkach turbulentnych jest obliczana za pomocą wzoru Weisbacha:

Zatem lokalna strata głowy jest proporcjonalna do głowy prędkości.

Wartości współczynników oporu lokalnego uzyskuje się eksperymentalnie ze wzoru (4.1)

Jeżeli lokalny opór (na przykład zawór, membrana, kolano itp.) znajduje się na poziomym rurociągu o stałym przekroju, wówczas strata ciśnienia będzie równa różnicy odczytów piezometrów zainstalowanych po obu stronach lokalnego opór.

Ponieważ zatem podstawiając tę ​​wartość do wzoru 4.2, otrzymujemy wzór do empirycznego wyznaczania współczynnika oporu:

gdzie jest pole przekroju rurociągu przed oporem.

- przepływ płynu przez opór.

Ze względu na złożoność zjawisk zachodzących w cieczy podczas przemieszczania się przez lokalne opory, teoretyczne wzory do wyznaczania strat ciśnienia i lokalnych współczynników oporów uzyskano tylko dla najprostszych typów, takich jak gwałtowne rozszerzanie i kurczenie, płynne rozszerzanie lub kurczenie, przepona, itp.

nagła ekspansja.

Przy nagłym rozszerzeniu przepływu w rurze z odcinka 1 do odcinka 2 ciecz nie płynie po całym obrysie ścianek, ale płynie po gładkich liniach prądu. W pobliżu ścian, gdzie średnica rury nagle się zwiększa, tworzy się przestrzeń, w której ciecz jest w intensywnym ruchu obrotowym. Przy tak intensywnym mieszaniu dochodzi do bardzo aktywnego tarcia cieczy o stałe ścianki rury, a także tarcia wewnątrz wirujących przepływów, w wyniku czego dochodzi do znacznych strat energii. W wyniku działania sił bezwładności przepływu poruszającego się płynu, tworzenie wirów zatrzymuje się w pewnej dostatecznie dużej odległości od strefy, w której płyn uchodzi do większego przekroju. W rezultacie ciśnienie stopniowo narasta.

Rysunek pokazuje, że odczyty piezometru w drugiej sekcji są większe niż w pierwszej. Odczyty piezometru zależą w tym przypadku nie tylko od strat energii, ale także od ciśnienia. Ciśnienie w drugiej sekcji staje się większe z powodu spadku ciśnienia prędkości z powodu rozszerzenia przepływu i spadku prędkości. W takim przypadku, gdyby nie było strat ciśnienia z powodu lokalnego oporu, to wysokość cieczy w drugim piezometrze byłaby jeszcze większa. Teoretyczny współczynnik oporu lokalnego przy nagła ekspansja przepływ to:

(4.4)

mierzona prędkością.

jeśli mierzona przez prędkość.

Wzór na teoretyczne wyznaczenie straty głowy przy nagła ekspansja wygląda jak:

Wzór obliczeniowy do teoretycznego wyznaczenia strat ciśnienia w odniesieniu do rur okrągłych uzyskał również francuski inżynier Borda.

tj. utrata głowy spowodowana nagłym rozszerzeniem jest równa głowicy prędkości utraconej prędkości.

Nagłe zwężenie przepływu

Przy nagłym zwężeniu, a także przy nagłym rozszerzeniu przepływu powstają przestrzenie z zawirowaniami wirującego płynu, które tworzą się w przyściennej przestrzeni szerokiej części rury. Te same wiry powstają na początku wąskiej części rury, ponieważ wchodząc do niej (wąska część), ciecz przez pewien czas nadal porusza się bezwładnie w kierunku środka rury, a główny przepływ kanał nadal się zawęża przez jakiś czas. W konsekwencji, przy nagłym zwężeniu przepływu, pojawiają się niejako dwa kolejne lokalne opory. Lokalny opór ze względu na zwężenie głównego kanału, a zaraz po nim lokalną ekspansję, o czym była już mowa powyżej.

nagłe zwężenie przepływu

Po dokonaniu przekształceń i podstawieniu pewnych wartości do wzoru Bordy (4.6), można uzyskać inny wzór na teoretyczne wyznaczenie współczynnika oporu przy nagłe zwężenie przepływu:

Ogólny wzór na teoretyczne wyznaczenie straty głowy przy nagłe zwężenie przepływu w obu przypadkach będzie to:

gdzie jest bezwymiarowy współczynnik lokalnego oporu,

Średnia prędkość przepływu za lokalnym oporem.

Skręt przepływu

Obracanie przepływu (rozgałęzienie lub kolanko zaokrąglone) znacznie zwiększa powstawanie wirów, a tym samym straty energii. Wielkość strat zależy zasadniczo od stosunku i kąta.

Teoretyczny współczynnik oporu podczas skręcania można określić za pomocą wzoru eksperymentalnego. Dla obrotu o kąt 900 i jest równy:

(4.10)

Teoretyczny współczynnik oporu przy obracając strumień można również określić na podstawie zaproponowanej zależności empirycznej:

gdzie jest współczynnik empiryczny A zaczerpnięte z tabeli 4.1.

obracając strumień wygląda jak:

Tabela 4.1.

Tabela do obliczania współczynnika dodatkowego

Płynna ekspansja przepływu

Stopniowa ekspansja kanału nazywa się dyfuzor. Przepływ płynu w dyfuzorze jest złożony. Gdy przekrój przepływu stopniowo się zwiększa, prędkość płynu maleje i odpowiednio wzrasta ciśnienie. Ponieważ w tym przypadku energia kinetyczna w warstwach cieczy w pobliżu ścianek dyfuzora jest minimalna (prędkość jest niska), ciecz może się zatrzymać i możliwe jest intensywne tworzenie się wirów. Z tego powodu straty energii głowicy w dyfuzorze będą zależeć od strat głowicy na skutek tarcia i strat na rozszerzanie:

Teoretyczny współczynnik oporu przy płynna ekspansja przepływu można określić na podstawie zaproponowanej zależności empirycznej:

(4.14)

gdzie: - otwarta przestrzeń na wlocie nawiewnika,

- otwarta przestrzeń na wylocie nawiewnika,

- kąt stożka dyfuzora,

- współczynnik korygujący w zależności od warunków rozszerzania się przepływu w dyfuzorze.

Kąt oblicza się według wzoru:

gdzie jest długość konfusera lub dyfuzora,

Wzór na obliczenie teoretycznej straty głowy przy płynna ekspansja przepływu wygląda jak:

Płynne zwężenie przepływu

Taki opór to stożkowa zbieżna rura - mylić. Przepływowi w konfurze towarzyszy stopniowy wzrost prędkości i równoczesny spadek ciśnienia. Z tego powodu nie ma warunków do tworzenia się wirów na powierzchni stożkowej. Straty w tej części lokalnego oporu powstają tylko w wyniku tarcia. Tworzenie się wirów może wystąpić tylko w wąskiej części rury. Jego natura jest podobna do natury takiego wiru z nagłym zwężeniem przepływu, ale wielkość jest znacznie mniejsza.

Współczynnik utraty głowy w konfuzorze można określić za pomocą wzoru:

(4.17)

Kąt oblicza się ze wzoru (4.14)

Wzór na obliczenie teoretycznej straty głowy przy płynne zwężenie przepływu wygląda jak:

Uwaga: we wzorach (4.14) i (4.16) wartością jest współczynnik tarcia hydraulicznego, określony wzorami:

Dla numerów Re mniejszych niż 2300

Dla numerów Re z zakresu 2300 - 100000;

4.2. Schemat uniwersalnego układu laboratoryjnego

Eksperymenty przeprowadza się na instalacji uniwersalnej (patrz punkt 2.2. i ryc. 2.1), na której montowany jest rurociąg kompozytowy z wbudowanymi lokalnymi modelami oporu. Rurociąg jest podłączony do zbiorników odbiorczych i ciśnieniowych.

Ryż. Schemat instalacji do obliczania lokalnych rezystancji

Modele rezystancji lokalnych znajdują się w płaszczyźnie poziomej układu laboratoryjnego i są rozmieszczone kolejno 2 zwoje o 90° (1), 2 zwoje o 45° (2) nagłe zwężenie (3), nagłe rozszerzenie (4). Modele płynnego zwężania i rozszerzania przepływów są umieszczane na rurociągu o zmiennym przekroju w celu zbadania równania Bernoulliego.

Na odcinku nagłego rozszerzania się rurociągu kompozytowego zainstalowano 6 piezometrów: 1 piezometr - na rurze o małej średnicy d, 5 piezometrów - na rurze o dużej średnicy (D) w celu wizualnej obserwacji krzywej ciśnienia hydrodynamicznego w tym odcinek przepływu płynu.

1. Grupa podzielona jest na 3 linki.

2. Wszystkie jednostki studiują materiał teoretyczny, wytyczne, spisują wzory obliczeniowe i przygotowują tabelę pomiarów.

3. Pierwsze ogniwo przeprowadza eksperyment w celu określenia współczynnika lokalnego oporu z nagłym zwężeniem i rozszerzeniem przepływu, drugie ogniwo - z płynnym zwężeniem i rozszerzeniem przepływu, trzecie - z ostrym zakrętem przepływu.

Naprzemienne eksperymenty można zmienić na polecenie nauczyciela.

4. Wszystkie łącza wykonują obliczenia, wymieniając dane uzyskane podczas eksperymentu.

4.4. Porządek pracy

Przygotowanie instalacji odbywa się zgodnie z metodą opisaną w punkcie 2.3. Gdy sprzęt laboratoryjny jest gotowy do pracy, wykonywane są następujące operacje:

1. odczyty piezometrów i średnice przekrojów są mierzone przed i po badanej rezystancji; natężenie przepływu cieczy, czas napełniania naczynia pomiarowego i wpisuje się do tabeli. 4.1;

2. oblicza się przepływ objętościowy, pola przekroju poprzecznego, prędkości średnie, liczby Reynoldsa, promienie zwojów kanału; wyniki obliczeń podano w tabeli 4.3;

3. oblicza się doświadczalne straty ciśnienia: wyniki obliczeń w tabeli 4.3;

4. Współczynniki lokalnego oporu oblicza się na podstawie danych eksperymentalnych (4.3) i doświadczalnego ubytku głowy zgodnie ze wzorem (4.1).