Závislosť koeficientu odporu potrubia. Stanovenie koeficientu lokálneho odporu

Všetky straty hydraulickej energie sa delia na dva typy: straty trením pozdĺž dĺžky potrubí (diskutované v odsekoch 4.3 a 4.4) a miestne straty spôsobené takými prvkami potrubia, v ktorých v dôsledku zmien veľkosti alebo konfigurácie kanála dôjde k zmene pri rýchlosti prúdenia dochádza k oddeľovaniu prúdenia od stien kanálov a vzniku vírov.

Najjednoduchší lokálny hydraulický odpor možno rozdeliť na expanzie, kontrakcie a otáčky kanála, z ktorých každé môže byť náhle alebo postupné. Zložitejšie prípady lokálnej rezistencie predstavujú zlúčeniny alebo kombinácie najjednoduchších uvedených odporov.

Uvažujme o najjednoduchších lokálnych odporoch v režime turbulentného prúdenia v potrubí.

1. Náhle rozšírenie kanála. Strata tlaku (energie) pri náhlej expanzii kanála sa vynakladá na vytváranie vírov spojených s oddelením prúdu od stien, t.j. udržiavať rotačný nepretržitý pohyb kvapalných hmôt s ich neustálou obnovou.

Ryža. 4.9. Náhle rozšírenie potrubia

Pri náhlom rozšírení kanála (potrubia) (obr. 4.9) sa tok odtrhne od rohu a nerozšíri sa náhle, ako kanál, ale postupne a v prstencovom priestore medzi tokom a stenou potrubia sa vytvárajú víry. , ktoré sú príčinou energetických strát. Zoberme si dve časti toku: 1-1 - v rovine dilatácie potrubia a 2-2 - v mieste, kde tok po expanzii vyplnil celý prierez širokej rúry. Keďže sa prietok medzi uvažovanými úsekmi rozširuje, jeho rýchlosť klesá a tlak stúpa. Preto druhý piezometer ukazuje výšku pomocou Δ H väčší ako prvý; ale ak by v tomto mieste neboli tlakové straty, tak druhý piezometer by ukazoval väčšiu výšku o ďalší h ext. Táto výška je lokálna expanzná tlaková strata, ktorá je určená vzorcom:

Kde S1, S2- plocha prierezu 1-1 A 2-2 .

Tento výraz je dôsledkom Bordove vety, ktorý hovorí, že strata tlaku pri náhlom roztiahnutí kanála sa rovná rýchlostnému tlaku určenému z rozdielu rýchlostí

Výraz (1 - S 1 /S 2) 2 sa označuje gréckym písmenom ζ (zeta) a nazýva sa stratový faktor, teda

2. Postupné rozširovanie kanála. Postupne sa rozširujúce potrubie sa nazýva difúzor (obr. 4.10). Prúdenie rýchlosti v difúzore je sprevádzané jeho znižovaním a zvyšovaním tlaku a tým aj premenou kinetickej energie kvapaliny na tlakovú energiu. V difúzore, rovnako ako pri náhlom rozšírení kanála, sa hlavný prúd oddelí od steny a vzniká vír. Intenzita týchto javov sa zvyšuje s rastúcim uhlom roztiahnutia difúzora α.

Ryža. 4.10. Postupné rozširovanie potrubia

Okrem toho má difúzor aj obvyklé straty tŕňov, podobné tým, ktoré sa vyskytujú v potrubiach konštantného prierezu. Celková tlaková strata v difúzore sa považuje za súčet dvoch pojmov:

Kde h tr A h ext- strata tlaku v dôsledku trenia a expanzie (tvorba víru).

kde n = S 2 /S 1 = (r 2 /r 1) 2 - stupeň roztiahnutia difúzora. Strata expanzného tlaku h ext má rovnaký charakter ako pri náhlom rozšírení kanála

Kde k- koeficient mäknutia, pri α= 5…20°, k= sinα.

Ak to vezmeme do úvahy, celkovú tlakovú stratu možno prepísať ako:

odkiaľ možno koeficient odporu difúzora vyjadriť vzorcom

Ryža. 4.11. Závislosť ζ diff od uhla

Funkcia ζ = f(α) má minimum pri nejakej najpriaznivejšej optimálnej hodnote uhla α, ktorého optimálna hodnota je určená nasledujúcim výrazom:

Pri dosadení λ do tohto vzorca T=0,015…0,025 a n= 2…4 dostaneme α veľkoobchod= 6 (obr. 4.11).

3. Náhle zúženie kanála. V tomto prípade je strata tlaku spôsobená trením prúdu na vstupe do užšej rúry a stratami v dôsledku tvorby vírov, ktoré sa vytvárajú v prstencovom priestore okolo zúženej časti prúdu (obr. 4.12).

Ryža. 4.12. Náhle zúženie potrubia

4.13. Zmätený

Celková tlaková strata je určená vzorcom;

kde koeficient odporu zúženia je určený semiempirickým vzorcom I.E. Idelchika:

kde n = Si/S2- stupeň zúženia.

Keď potrubie vychádza z veľkej nádrže, keď sa dá predpokladať, že S2/S1= 0 a tiež pri absencii zaoblenia vstupného uhla koeficient odporu ζ zúženie = 0,5.

4. Postupné zužovanie kanála. Tento lokálny odpor je kužeľovité zbiehajúce sa potrubie tzv zmätok(obr. 4.13). Prúdenie kvapaliny v zmätku je sprevádzané zvýšením rýchlosti a poklesom tlaku. V zmätku sú len straty trením

kde koeficient odporu zmätku je určený vzorcom

kde n = Si/S2- stupeň zúženia.

K miernemu vytváraniu vírov a oddeľovaniu prúdu od steny pri súčasnom stláčaní prúdu dochádza až na výstupe z konfuzéra v mieste spojenia kužeľovej rúry s valcovou. Zaoblením vstupného rohu môžete výrazne znížiť tlakovú stratu na vstupe do potrubia. Zmätač s hladko sa spájajúcimi valcovými a kužeľovými časťami sa nazýva tryska(obr. 4.14).

Ryža. 4.14. Tryska

5. Náhle otočenie potrubia (lakťa). Tento typ lokálneho odporu (obr. 4.15) spôsobuje značné straty energie, pretože dochádza v ňom k separácii prúdenia a tvorbe vírov a čím väčší je uhol δ, tým väčšie sú straty. Strata tlaku sa vypočíta pomocou vzorca

kde ζ počítať- koeficient odporu kruhového ohybu, ktorý sa určí z grafu v závislosti od uhla ohybu δ (obr. 4.16).

6. Postupné otáčanie potrubia (zaoblené koleno alebo ohyb). Hladkosť zákruty výrazne znižuje intenzitu tvorby víru, a tým aj odpor vývodu oproti lakťu. Tento pokles je tým väčší, čím väčší je relatívny polomer zakrivenia ohybu R/d Obr.4.17). Koeficient odporu vetvy ζ otv závisí od postoja R/d, uhol δ, ako aj tvar prierezu potrubia.

Pre kruhové oblúky s uhlom δ= 90 a R/d 1 v turbulentnom prúdení, môžete použiť empirický vzorec:

Pre uhly δ 70° koeficient odporu vzduchu

a pri 5 100°

Strata tlaku v kolene sa určuje ako

Všetko vyššie uvedené platí pre turbulentný pohyb tekutín. Pri laminárnom prúdení hrajú lokálne odpory malú úlohu pri určovaní celkového odporu potrubia. Okrem toho je zákon odporu v laminárnom režime zložitejší a bol skúmaný v menšom rozsahu.

Miestne odpory sú tie, ktoré sú spôsobené nejakou lokálnou prekážkou voľného toku kvapaliny, napríklad ohybom potrubia alebo kohútika, expanziou alebo kontrakciou toku atď. Tieto odpory vznikajú len v určitých miestach prúdenia na krátku vzdialenosť, v tomto úseku.

Kvapalina, prekonávajúc lokálny odpor, stráca časť svojej energie a dochádza k lokálnym energetickým (tlakovým) stratám.

Strata tlaku h v dôsledku lokálneho odporu je vyjadrená v zlomkoch rýchlostného tlaku a je určená Weisbachovým vzorcom:

Kde ζ – koeficient lokálneho odporu; V– priemerná rýchlosť prúdenia.

Koeficient lokálneho odporu závisí od konštrukcie (typu) lokálneho odporu a od Reynoldsovho čísla. S rozvinutým turbulentným režimom (približne Re> 10000) koeficient ζ z čísla Re prakticky nezávisí, ale závisí od konštrukcie lokálneho odporu.

Vo Weisbachovom vzorci možno rýchlosť pred a za odporom brať ako V a hodnota koeficientu sa zmení ζ. Preto vždy uvádzajú relatívne k akej rýchlosti je koeficient určený ζ .

Hodnoty lokálnych koeficientov odporu, získané experimentálne pre rôzne typy odporu, sú obsiahnuté v hydraulických referenčných knihách. Prúdenie tekutín v miestnych odporoch je veľmi zložité a stanovenie koeficientov ζ analyticky je to prakticky nemožné, preto sa stanovujú z experimentov. Pri experimentálnom stanovení koeficientov ζ hlavné rovnice sú rovnica kontinuity (5), Bernoulliho rovnica (7) a vzorec (21).

Upozorňujeme, že hlavnou úlohou je nezávislé stanovenie koeficientov lokálneho odporu ζ empiricky. Po vyriešení tohto problému sa hodnoty porovnajú ζ získané na základe skúseností s tými, ktoré možno určiť z analytických závislostí alebo z referenčných kníh.

Bernoulliho rovnicu možno použiť na akýkoľvek prietok obsahujúci lokálny odpor (obrázok 8):

odkiaľ to máme? z 1 = z 2 , α 1 = α 2 ≈ 1 (horizontálne potrubie),

Na určenie strát sa všetky experimentálne hodnoty nahradia do vzorca pre hM. Najmä údaj prvého piezometra (v prvej časti) sa rovná p 1/ ρg=h 1, čítanie druhého piezometra – p2/ρg=h 2, a ich rozdiel je určený mierkou (pravítkom). Priemerné rýchlosti V 1 A V 2 sa určujú podľa vzorcov:

kde Q je prietoková rýchlosť; S 1 A S 2– plochy obytných častí 1 a 2.

Ak je lokálny odpor taký, že pred ním a za ním prúdenie nemení svoj prierez (ako na obrázku 8), potom vo vzorci pre h M V 1 = V 2 a straty sú definované takto:

(22)

Medzi odpory tohto typu patria závity rúr, ventily rôznych typov atď.

Po výpočte strát v danom miestnom odpore a ich vyjadrení v jednotkách dĺžky sa koeficient lokálneho odporu určí pomocou vzorca:

ktorý sa na tento účel transformuje do podoby:

Ak rýchlosti pred a za miestnym odporom nie sú rovnaké, tzn V 1 ≠ V 2, potom sa podľa pokynov učiteľa vyberie jeden z nich (príp V 1, alebo V 2).

Jednou z mála teoretických závislostí na určenie lokálnych strát je Bordov vzorec pre prípad náhleho rozšírenia prietoku (obr. 3): Obr.

(24)

Pre okrúhle rúry môže byť Bordov vzorec reprezentovaný takto:

(25)

Z (25) vyplýva, že koeficient lokálneho odporu pri náhlom roztiahnutí má tvar.

Tieto odpory zahŕňajú náhle zmeny tvaru hraničných plôch toku (expanzia, kontrakcia, ohyby, zlomy atď.). Všeobecný vzťah na určenie tlakových strát v miestnych odporoch je vzorec

kde je koeficient lokálneho odporu, ktorý vo všeobecnosti závisí od počtu Re a konfigurácie hraničných plôch.

Všeobecný charakter tejto závislosti pre niekoľko typov lokálneho odporu je znázornený na obr. 6.8. Tieto krivky sú uspokojivo opísané vzorcom formulára

(6.18)

kde sú konštanty závislé od geometrického tvaru lokálneho odporu.

Tabuľka 6.3

Hodnoty a pre niektoré miestne odpory

* Je uvedený pomer plochy prierezu otvorenej ventilom alebo otvorom membrány k ploche prierezu potrubia.

Tabuľka 6.3 ukazuje konštanty pre niekoľko typov lokálnych odporov. Veličina pôsobí ako lokálny koeficient odporu pri veľmi veľkých číslach Re (v oblasti kvadratického odporu). Hodnoty súvisia s rýchlostným tlakom pred lokálnym odporom.

Vo väčšine prípadov lokálne odpory pracujú pri veľkých číslach Re alebo v podmienkach kvadratického režimu, keď .

Tabuľka 6.4

Výpočtové vzorce pre koeficient týkajúci sa úseku

Keď prúdenie prechádza z potrubia s plochou cez membránu s plochou otvoru do potrubia s plochou (tabuľka 6.4), vzorec pre koeficient odporu súvisiaci s rýchlostným tlakom za odporom má tvar

(6.19)

kde je koeficient lokálneho odporu na vstupe do membrány; korekčný faktor pre straty z expanzie (pri veľkých je prípustné akceptovať);

Koeficient kompresie za membránou, kde je plocha prierezu prúdu za membránou po výstupe do potrubia s prierezom Má nasledujúce hodnoty:

Vzorce na určenie koeficientu sú uvedené v tabuľke 6.4.

Za druh lokálneho odporu možno považovať aj postupné rozširovanie (difúzor). Straty v difúzoroch možno vyjadriť ako zlomky strát v dôsledku náhlej expanzie:

(6.20)

(6.21)

(6.22)

Koeficient súvisí s koeficientom odporu vzduchu deleným rýchlosťou podľa vzorca

(6.23)

a pri pevných vstupných podmienkach (vrátane Re čísla) závisí hlavne od uhla otvorenia difúzora (obr. 6.9).

Ak je na potrubí niekoľko lokálnych odporov oddelených úsekmi rovnomerného pohybu, celkové tlakové straty možno určiť na princípe sčítania strát

(6.24)

kde je počet sekcií rovnomerného toku;

Počet miestnych odporov.

Obr.6.9. Závislosť stratového koeficientu v kruhovom difúzore

z uhla jeho otvorenia pri troch hodnotách stupňa roztiahnutia

V tomto prípade je sčítanie strát lokálnych odporov prípustné len za podmienky, že sú umiestnené v takých vzájomných vzdialenostiach, že skreslenie stabilizovaného rýchlostného diagramu spôsobené prechodom prúdenia cez odpor sa pri priblížení k ďalšiemu odporu stane nevýznamným. jeden. Minimálne požadované vzdialenosti medzi lokálnymi odpormi sa určujú z podmienky

kde je polomer potrubia.

Približne pri veľkých číslach Re je možné prijať

6.5. Hydraulický výpočet potrubných systémov

Hydraulický výpočet potrubných systémov je založený na stanovení strát hydraulického odporu. Keď možno zanedbať straty v miestnych odporoch, zapíše sa výraz pre objemový prietok

kde modul toku (charakteristika toku) je plocha prierezu potrubia.

Pre kvadratický režim závisí hodnota od geometrických parametrov potrubia (priemer a drsnosť), pre ostatné režimy závisí aj od Reynoldsovho čísla. V niektorých výpočtoch (6.26) sa používa vo forme

kde je celkový odpor potrubia.

Hydraulický sklon, alebo trecí sklon, t.j. tlaková strata na jednotku dĺžky potrubia je určená vzorcom

(6.28)

Kde .

Hodnoty modulov prietoku pre priemyselné potrubia sú uvedené v tabuľke a uvedené v hydraulických referenčných knihách. Pre nové oceľové rúry sú hodnoty vypočítané pomocou Shifrinsonovho vzorca (tabuľka 6.2) uvedené v tabuľke 6.6.

Ak existujú lokálne odpory na dlhom potrubí, straty v nich môžu byť zohľadnené pomocou metódy ekvivalentnej dĺžky, ktorá pozostáva zo zavedenia ekvivalentnej dĺžky potrubia namiesto lokálneho odporu s koeficientom

pri ktorej sa tlaková strata rovná strate lokálneho odporu. Táto dĺžka sa sčíta s dĺžkou valcového úseku () a súčet sa potom dosadí do (6.26).

Tabuľka 6.4

Prietokové moduly pre nové oceľové rúry

Sériové pripojenie rúrok rôznych priemerov(obr. 6.10, a). V tomto prípade sa sčítajú tlakové straty v jednotlivých oblastiach. Keďže spotreba pre všetky úseky je rovnaká, tak

(6.30)

kde je počet sekcií s konštantným priemerom.

Spolu so stratovými vzorcami pre jednotlivé úseky tvorí táto závislosť návrhový systém rovníc. Ďalšou formou tejto závislosti je forma

(6.31)

kde je plocha prierezu potrubia v hlavnej (konštrukčnej) časti; systémový prietokový koeficient,

(6.32)

Obr.6.10. Návrhové schémy potrubných systémov

so sériovým (a) a paralelným (b) pripojením potrubí

Tu je počet miestnych odporov, stratový koeficient.

Paralelné pripojenie potrubia(obr. 6.10, b). Strata tlaku na každej z vetiev je rovnaká. Tok v tej vetve

(6.33)

kde je celkový prietok systémom

(6.34)

Tieto rovnice tvoria systém, z ktorého možno určiť neznámu.

6.6. Prúdenie nestlačiteľnej tekutiny

Prietok pri konštantnom tlaku. Takýto výtok cez otvory a dýzy môže nastať do plynného prostredia alebo pod hladinu tej istej alebo inej kvapaliny. V prvom prípade sa otvor alebo tryska nazýva nezaplavená, v druhom - zaplavená. Otvor sa považuje za malý, ak jeho maximálna veľkosť nepresahuje (obr. 6.11).

Obr.6.11. Prúdenie nestlačiteľnej tekutiny cez malý otvor v tenkej stene

Pri prúdení cez malý nezaplavený otvor sa prúd pri výstupe stlačí a jeho prierez sa zmenší ako plocha otvoru. Pomer sa nazýva kompresný pomer.

Pri prúdení malým nezaplaveným otvorom sa prúd stláča a jeho prierezová plocha sa zmenšuje v porovnaní s plochou otvoru. Pomer sa nazýva kompresný pomer.

Rýchlosť odtoku cez malý otvor z veľkej nádrže na konštantnej úrovni

(6.35)

kde je rýchlostný koeficient; stratový koeficient na vstupe do otvoru; a sú tlakom na voľnú hladinu a vo vonkajšom prostredí, resp.

Hydraulický odpor v potrubiach

Výpočet hydraulického odporu je jednou z najdôležitejších otázok v hydrodynamike, je potrebné určiť tlakové straty, spotrebu energie na ich kompenzáciu a vybrať trakčný stimulátor.

Tlakové straty v potrubiach sú spôsobené odporom trenie A miestne odporov. Sú zahrnuté v Bernoulliho rovnici pre reálne kvapaliny.

a) Odolnosť proti treniu existuje, keď sa skutočná tekutina pohybuje po celej dĺžke potrubí a závisí od režimu prúdenia tekutiny.

b) Miestny odpor nastať pri akýchkoľvek zmenách rýchlosť prúdenia vo veľkosti a smere(vstup a výstup potrubia, ohyby, kolená, T-kusy, tvarovky, dilatácie, kontrakcie).

Strata hlavy v dôsledku trenia

1) Laminárny režim.

V laminárnom režime sa dá vypočítať teoreticky pomocou Poiseuilleho rovnice:

;

Podľa Bernoulliho rovnice pre horizontálne potrubie konštantného prierezu je strata tlaku v dôsledku trenia:

;

;

;

Dosadením hodnoty do Poiseuilleovej rovnice a nahradením dostaneme:

;

;

;

Takže pri laminárnom prúdení cez priamu kruhovú rúrku:

;

Veľkosť nazývaný koeficient hydraulického trenia.

Darcy-Weisbachova rovnica:

;

Túto rovnicu možno získať aj iným spôsobom – pomocou teórie podobnosti.

To je známe

;

Pre laminárne prúdenie zistené: .

;

;

Darcy-Weisbachova rovnica:

;

Stanovme tlakovú stratu: .

Darcy-Weisbachova rovnica:

Nahradením hodnoty pre laminárny režim dostaneme:

;

Takže pre laminárny režim:

Hagen-Poiseuilleova rovnica:

;

Táto rovnica platí a je obzvlášť dôležitá pri štúdiu prietoku tekutín v potrubiach s malým priemerom, ako aj v kapilárach a póroch.

Preto pre stabilné laminárne prúdenie:

Pre nekruhový prierez: , kde závisí od tvaru sekcie:

;

Výraz sa nazýva koeficient odporu.

Preto:

;

;

2) Turbulentný režim.

Pre turbulentný režim platí aj Darcyho-Weisbachova rovnica:

;

Koeficient trenia sa však v tomto prípade nedá určiť teoreticky z dôvodu zložitosti štruktúry turbulentného prúdenia. Výpočtové rovnice na stanovenie sa získajú zovšeobecnením experimentálnych údajov pomocou metód teórie podobnosti.

a) Hladké rúry.

;

;

;

Preto pre turbulentné prúdenie v hladkých potrubiach:

Blasiov vzorec:

b) Hrubé rúry.

Pre hrubé rúry koeficient trenia závisí nielen od , ale aj od drsnosti stien.

Charakteristickým znakom hrubých rúr je relatívna drsnosť: pomer priemernej výšky výčnelkov (tuberkulóz) na stenách potrubia (absolútna drsnosť) k ekvivalentnému priemeru potrubia:

Príklad približné hodnoty absolútnej drsnosti:

· Nové oceľové rúry ;

· Oceľové rúry s miernou koróziou;

· Sklenené fajky;

· Betónové rúry;

Vplyv drsnosti na hodnotu je určený vzťahom medzi absolútnou drsnosťou a hrúbkou laminárnej podvrstvy.

1. Keď , keď kvapalina hladko obteká výčnelky, vplyv drsnosti možno zanedbať a potrubia sa považujú za hydraulicky hladká(podmienečne) - hladká trecia zóna.

2. Keď sa hodnota zvyšuje, hodnota klesá a straty trením sa zvyšujú v dôsledku vytvárania vírov v blízkosti výstupkov drsnosti - zmiešaná trecia zóna.

3. Pri veľkých hodnotách, , prestáva závisieť a je určená len drsnosťou stien, t.j. režim je podobný v - zóna automodelov.

Je potrebné poznamenať, že vzhľadom na to, že potrubie môže byť drsné pri jednom prietoku tekutiny a pri druhom hydraulicky hladké.

Pre dané potrubie približne:

;

Pre hrubé rúry v turbulentnom pohybe platí nasledujúca rovnica:

;

Pre oblasť hladkého trenia– buď podľa Blasiovej rovnice, alebo podľa rovnice:

;

;

Delením 1,8 získate Filonenkov vzorec.

Filonenko vzorec:

;

Pre oblasť automobilových modelov:

;

Prakticky výpočet sa vykonáva podľa nomogramov. Závislosť koeficientu trenia od kritéria a stupňa drsnosti - obr. 1.5, Pavlov, Romankov.

Pre neizotermické prúdenie viskozita kvapaliny sa mení naprieč prierezom potrubia, rýchlostný profil a .

Do rovníc na určenie sú zavedené špeciálne korekčné faktory (okrem sebepodobnej oblasti) (Pavlov, Romankov)

Strata tlaku v dôsledku lokálneho odporu

Pri rôznych lokálnych odporoch dochádza k meraniu rýchlosti:

a) vo veľkosti =>

b) v smere =>

c) vo veľkosti a smere =>

Okrem strát spojených s trením vznikajú dodatočné tlakové straty (vznik vírov pôsobením zotrvačných síl (pri zmene smeru), vznik vírov spätným prúdením kvapaliny a pod. (s náhlou expanziou)).

Straty tlaku v dôsledku lokálneho odporu sú vyjadrené ako rýchlostný tlak. Pomer tlakovej straty v danom miestnom odpore k rýchlostnému tlaku v ňom sa nazýva koeficient lokálneho odporu:

Pre všetky lokálne odpory potrubí:

(sčítané, ak existujú rovné úseky s dĺžkou aspoň 5d)

Koeficienty sú uvedené v tabuľkách, napr.

· vstup do potrubia;

výstup z potrubia

· ventil do => ;

· klepnite na , =>

· ventil =>

· ventil =>

Úplná strata tlaku

Hodnota je vyjadrená v metroch stĺpca kvapaliny a nezávisí v závislosti od typu kvapaliny a veľkosti straty tlaku závisí na hustote kvapaliny.

Hydraulické výpočty zariadení sa v zásade nelíšia od výpočtov potrubí.

Výpočet priemeru potrubia

Náklady na potrubia tvoria významnú časť kapitálových investícií a vysokých prevádzkových nákladov. Správny výber priemeru potrubia je preto veľmi dôležitý.

Priemer je určený rýchlosťou tekutiny. Ak je zvolená vysoká rýchlosť, priemer potrubia sa zmenšuje, čo zabezpečuje:

Zníženie spotreby kovov;

Zníženie nákladov na výrobu, inštaláciu a opravy.

Súčasne sa však zvyšuje pokles tlaku potrebný na pohyb kvapaliny. To si vyžaduje veľké množstvo pohybu tekutín.

Optimálny priemer musí poskytnúť minimum prevádzkové náklady. (súčet nákladov na energie, odpisov a opráv).

Ročné prevádzkové náklady => M (rub/rok) = A+E;

A – náklady na odpisy (náklady/roky) a opravy;

E – náklady na energiu.

Na základe technických a ekonomických úvah sa odporúčajú nasledujúce rýchlostné limity:

Kvapkanie tekutín:

Podľa gravitácie = 0,2 – 1 m/s

Pri čerpaní = 2 – 3 m/s

Plyny:

Pri prirodzenom ťahu = 2 – 4 m/s

Pri nízkom tlaku (ventilátor) = 4 – 15 m/s

Pri vysokom tlaku (kompresor) = 15 – 25 m/s

Páry:

Nasýtená vodná para = 20 – 30 m/s

Prehriata vodná para = 30 – 50 m/s.

Typické tlakové straty by nemali byť väčšie ako 5-15% výtlačného tlaku.

Optimálny priemer potrubia musí byť v súlade s GOST. GOST stanovuje koncepciu menovitý priemerD Y. Toto je menovitý vnútorný priemer potrubia. Podľa tohto priemeru sa vyberajú aj spojovacie diely - príruby, T-kusy, zátky atď., Ako aj armatúry: kohútiky, ventily, posúvače atď.

Každý menovitý priemer zodpovedá určitému vonkajšiemu priemeru a hrúbka steny môže byť rôzna. Napríklad (mm) (môžu existovať odchýlky od tejto tabuľky).

Materiál potrubia

Používajú sa rôzne materiály, s čím sú spojené rôzne teploty prostredia a agresivita.

Najčastejšie používané oceľové rúry sú:

Liatinové rúry do 300 0 C

Používajú sa aj iné kovové rúry => medené, hliníkové, olovené, titánové atď. A nekovové rúry => polyetylénové, fluoroplastové, keramické, azbestocementové, sklenené atď.

Spôsoby pripojenia potrubia

a) Jednodielne – zvárané

b) Odnímateľné

Prírubové

Závitové

Zvonovitý (používa sa na liatinové, betónové a keramické rúry)

Potrubné armatúry

1. Lapače pary.

V paroplynových komunikáciách môže v dôsledku chladenia vždy dôjsť ku kondenzácii vody, dechtu alebo inej kvapaliny obsiahnutej v plyne vo forme pary. Hromadenie kondenzátu je veľmi nebezpečné, pretože sa pohybuje potrubím vysokou rýchlosťou ( ), kvapalinová zátka s vysokou zotrvačnosťou spôsobí silné vodne kladivo. Uvoľňujú potrubia a môžu spôsobiť ich zničenie.

Preto sa plynové potrubia inštalujú s miernym sklonom a v najnižšom bode je inštalované potrubie na odvod kondenzátu.

Hydraulické tesnenie. Pre vákuové vedenia =>

cez barometrickú trubicu.

Pri vysokých tlakoch sa používajú špeciálne konštrukcie odvádzačov kondenzátu (diskutované nižšie).

2. Ventily.

1 - telo;

3 - ventil;

4 - vreteno;

5 - olejové tesnenie.

Ventil je brúsený k sedlu a tesne blokuje pohyb média.

Vreteno má závitovú časť a je spojené so zotrvačníkom. Tesnosť je zabezpečená tesnením.

Ventily sú uzatváracie a regulačné ventily, t.j. umožňujú plynule regulovať prietok.

3. Žeriavy.

V tele sa otáča brúsená kužeľová alebo guľôčková zátka s priechodným otvorom. Žeriavy sa používajú predovšetkým ako uzatváracie ventily. Je ťažké regulovať prietok.

4. Ventily.

Shibernaya

Existujú planparalelné a klinové ventily. Brána sa posúva pomocou vretena kolmo na os potrubia a je zablokovaná.

Tieto ventily sú uzatváracie a regulačné ventily. Pre účely automatizácie môže byť pohon pneumatický, elektrický, hydraulický atď.

5. Existuje tiež bezpečnostné a ochranné armatúry(bezpečnostné a spätné ventily), ovládací ventil(ukazovatele hladiny, testovacie kohútiky atď.)

Všetky armatúry sú indexované:

napríklad: 15 kch 2br.

15=>ventil; kch => tvárna liatina (materiál tela); 2=>katalogové číslo modelu; br=>tesniaca plocha z bronzu.

Tvarovky sa vyberajú v závislosti od tlaku v potrubí.

Existujú:

1) Prevádzkový tlak– najvyšší pretlak, pri ktorom ventil pracuje dlhú dobu pri prevádzkovej teplote.

2) Podmienený tlak– najvyšší tlak (g.) vytvorený médiom pri 20 0 C.

Existuje niekoľko podmienených tlakov, podľa ktorých sa tvarovky vyrábajú:

Py = 1;2,5;4;6;10;16;25;40;64;100;160;200;250;320;400...atm.

Voľba P y sa vykonáva podľa tabuliek v závislosti od triedy ocele, najvyššej teploty média a prevádzkového tlaku.

Príklad: Oceľ X12H10T

t prostredie = 400 0 C P slave = 20 atm: P y = 25 atm

P slave = 80 atm: Py = 100 atm

t prostredie = 660 0 C P slave = 20 atm: P y = 64 atm

P slave = 80 atm: Py = 250 atm

LABORATÓRNE PRÁCE č.4

Stanovenie koeficientu lokálneho odporu v potrubí.

Cieľ práce:

1. experimentálne určiť stratu tlaku pri náhlom roztiahnutí (zúžení) potrubia a prudkom otočení kanála porovnaním s hodnotou strát vypočítanou pomocou teoretických vzorcov;

2. určiť lokálne koeficienty odporu na základe experimentálnych výsledkov a teoretických vzorcov, porovnať hodnoty.

Vybavenie a nástroje : inštalácia na štúdium miestnych tlakových strát, teplomer, meracie pravítko, meracia nádoba, stopky.

4.1. Teoretický úvod

Hydraulický odpor sa delí na odpor viskóznych trecích síl po dĺžke potrubia a lokálny odpor.

Straty trecieho tlaku sa berú do úvahy pre prípad rovnomerného pohybu tekutiny, t.j. účinný prierez pozdĺž potrubia zostáva konštantný. Keď sa tekutina pohybuje v lokálnych odporoch, prúdenie podlieha deformácii, čo vedie k zmene tvaru a veľkosti obytnej časti atď. V dôsledku toho sa pohyb kvapaliny stáva nerovnomerným, čo vedie k zmene rýchlosti prúdenia. V miestach, kde sa mení otvorený prierez alebo smer prúdenia, sa oddeľuje od stien a vznikajú takzvané vírové alebo stojaté zóny. Medzi zónami hlavného toku a víru dochádza k intenzívnej výmene častíc tekutiny, čo je hlavným zdrojom lokálnych strát energie.

Množstvo energie (tlaku) vynaloženej na prekonanie lokálneho odporu v tlakovom potrubí (náhla kontrakcia a expanzia, prudké otočenie prúdenia atď.) sa vo väčšine prípadov určuje pomocou koeficientov získaných experimentálne.

Tlakové straty v lokálnych odporoch za turbulentných podmienok sa vypočítajú pomocou Weisbachovho vzorca:

Lokálne straty hlavy sú teda úmerné výške rýchlosti.

Hodnoty lokálnych koeficientov odporu sa získajú experimentálne zo vzorca (4.1)

Ak je lokálny odpor (napríklad ventil, membrána, koleno atď.) umiestnený na vodorovnom potrubí konštantného prierezu, potom sa tlaková strata bude rovnať rozdielu v odčítaní piezometrov inštalovaných na oboch stranách miestneho potrubia. odpor.

Pretože potom nahradením tejto hodnoty do vzorca 4.2 získame vzorec na experimentálne určenie koeficientu odporu:

kde je plocha prierezu potrubia pred odporom.

– prietok tekutiny cez odpor.

Vzhľadom na zložitosť javov vyskytujúcich sa v kvapaline pri pohybe lokálnymi odpormi boli teoretické vzorce na určenie tlakových strát a lokálnych koeficientov odporu získané len pre najjednoduchšie typy, ako je náhla expanzia a kontrakcia, plynulá expanzia alebo kontrakcia, membrána atď. .

Náhle rozšírenie.

Pri náhlom rozšírení toku v trubici z úseku 1 do úseku 2 kvapalina netečie pozdĺž celého obrysu stien, ale pohybuje sa pozdĺž hladkých prúdových línií. V blízkosti stien, kde sa priemer potrubia náhle zväčší, sa vytvorí priestor, v ktorom je kvapalina v intenzívnom rotačnom pohybe. Pri takomto intenzívnom miešaní dochádza k veľmi aktívnemu treniu kvapaliny o pevné steny potrubia a tiež k treniu vo vnútri rotujúcich tokov, čo má za následok značné straty energie. Pôsobením zotrvačných síl prúdenia pohybujúcej sa tekutiny sa tvorba vírov zastaví v určitej dostatočne veľkej vzdialenosti od zóny, kde tekutina vystupuje do väčšieho úseku. V dôsledku toho sa tlak postupne zvyšuje.

Obrázok ukazuje, že hodnoty piezometra v druhej časti sú väčšie ako v prvej. Údaje piezometra v tomto prípade závisia nielen od energetických strát, ale aj od hodnoty tlaku. Tlak v druhej sekcii sa zväčší v dôsledku poklesu rýchlostného tlaku v dôsledku expanzie toku a poklesu rýchlosti. V tomto prípade, ak by nedochádzalo k tlakovým stratám v dôsledku lokálneho odporu, potom by výška kvapaliny v druhom piezometri bola ešte väčšia. Teoretický koeficient lokálneho odporu pri náhle rozšírenie prietok sa rovná:

(4.4)

ak je určené rýchlosťou.

ak je určené rýchlosťou.

Vzorec pre teoretické určenie tlakovej straty pri náhle rozšírenie má tvar:

Francúzsky inžinier Borda získal aj výpočtový vzorec na teoretické určenie tlakových strát vo vzťahu k kruhovým rúram.

t.j. strata hlavy v dôsledku náhlej expanzie sa rovná hlave rýchlosti stratenej rýchlosti.

Náhle zúženie prietoku

Pri náhlom zúžení, ako aj pri náhlom rozšírení prúdenia vznikajú priestory s vírmi rotujúcej tekutiny, ktoré sa vytvárajú v priestore steny širokej časti potrubia. Rovnaké víry sa vytvárajú na začiatku úzkej časti potrubia v dôsledku skutočnosti, že pri vstupe do nej (úzka časť) sa kvapalina ešte nejaký čas pohybuje zotrvačnosťou smerom k stredu potrubia a k hlavnému kanálu tok sa ešte nejaký čas zužuje. Následne sa pri náhlom zúžení prietoku objavia dva po sebe idúce lokálne odpory. Miestny odpor v dôsledku zúženia hlavného kanála a bezprostredne za ním lokálnej expanzie, o ktorej sme už hovorili vyššie.

náhle zúženie prietoku

Uskutočnením transformácií a dosadením určitých hodnôt do vzorca Borda (4.6) môžeme získať ďalší vzorec na teoretické určenie koeficientu odporu pri náhle zúženie prietoku:

Všeobecný vzorec pre teoretické určenie tlakovej straty pri náhle zúženie prietoku v oboch prípadoch to bude:

kde je bezrozmerný koeficient lokálneho odporu,

Priemerná rýchlosť prúdenia za miestnym odporom.

Otočte tok

Otáčanie prúdu (vychýlenie alebo zaoblené koleno) výrazne zvyšuje tvorbu vírov a následne stratu energie. Výška straty výrazne závisí od pomeru a uhla.

Teoretický koeficient odporu pri zatáčaní je možné určiť pomocou experimentálneho vzorca. Pre rotáciu pod uhlom 900 sa rovná:

(4.10)

Teoretický koeficient odporu pri otáčanie toku možno určiť aj podľa navrhovaného empirického vzťahu:

kde je empirický koeficient A prevzaté z tabuľky 4.1.

otáčanie toku má tvar:

Tabuľka 4.1.

Tabuľka na výpočet dodatočného faktora

Plynulá expanzia toku

Plynulé rozšírenie kanála sa nazýva difúzor. Prúdenie tekutiny v difúzore je zložité. Pretože účinný prierez prúdu sa postupne zvyšuje, rýchlosť pohybu tekutiny sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje a tlak stúpa. Pretože v tomto prípade je kinetická energia vo vrstvách kvapaliny pri stenách difúzora minimálna (nízka rýchlosť), kvapalina sa môže zastaviť a je možné intenzívne vytváranie vírov. Z tohto dôvodu bude strata tlakovej energie v difúzore závisieť od straty tlaku v dôsledku trenia a v dôsledku strát počas expanzie:

Teoretický koeficient odporu pri plynulé rozšírenie toku možno určiť podľa navrhovaného empirického vzťahu:

(4.14)

kde: je otvorená plocha prierezu pri vstupe do difúzora,

- voľná plocha prierezu na výstupe z difúzora,

- uhol kužeľa difúzora,

- korekčný faktor v závislosti od podmienok expanzie prúdenia v difúzore.

Uhol sa vypočíta podľa vzorca:

kde je dĺžka zmätku alebo difúzora,

Vzorec na výpočet teoretickej straty hlavy pri plynulé rozšírenie toku má tvar:

Hladké zúženie toku

Tento odpor je kužeľová zbiehajúca sa trubica - trápnosť. Prúdenie v zmätku je sprevádzané postupným zvyšovaním rýchlosti a súčasným poklesom tlaku. Z tohto dôvodu nie sú na kužeľovej ploche žiadne podmienky pre tvorbu vírov. Straty v tejto časti lokálneho odporu vznikajú len v dôsledku trenia. K tvorbe vírov môže dôjsť len v úzkej časti potrubia. Jeho charakter je podobný charakteru podobného víru pri náhlom zúžení prúdenia, ale veľkosť je výrazne menšia.

Koeficient tlakovej straty v zmätku možno určiť podľa vzorca:

(4.17)

Uhol sa vypočíta pomocou vzorca (4.14)

Vzorec na výpočet teoretickej straty hlavy pri hladké zúženie toku má tvar:

Poznámka: Vo vzorcoch (4.14) a (4.16) je hodnotou koeficient hydraulického trenia určený podľa vzorcov:

Pre čísla Re menšie ako 2300

Pre čísla Re v rozsahu 2300 – 100000;

4.2. Schéma univerzálnej laboratórnej inštalácie

Experimenty sa vykonávajú na univerzálnej inštalácii (pozri odsek 2.2. a obr. 2.1), na ktorej je inštalované kompozitné potrubie so zabudovanými modelmi lokálneho odporu. Potrubie je napojené na prijímaciu a tlakovú nádrž.

Ryža. Inštalačná schéma na výpočet miestnych odporov

Modely lokálneho odporu sú umiestnené v horizontálnej rovine laboratórneho zariadenia a predstavujú postupne umiestnené 2 otáčky o 90° (1), 2 otáčky po 45° (2), náhle zúženie (3), náhle rozšírenie (4). Modely plynulej kontrakcie a expanzie tokov sú umiestnené na potrubí s premenlivým prierezom na štúdium Bernoulliho rovnice.

V úseku náhlej expanzie kompozitného potrubia je inštalovaných 6 piezometrov: 1 piezometer - na rúre malého priemeru d, 5 piezometrov - na rúre veľkého priemeru (D) za účelom vizuálneho sledovania krivky zmien hydrodynamiky. tlak v tejto časti toku tekutiny.

1. Skupina je rozdelená na 3 celky.

2. Všetky odkazy si preštudujú teoretický materiál, metodické pokyny, zapíšu si výpočtové vzorce a pripravia tabuľku meraní.

3. Prvý článok vykonáva experiment na určenie koeficientu lokálneho odporu s náhlym zúžením a rozšírením toku, druhý článok s plynulým zúžením a rozšírením toku a tretí s ostrým otočením toku.

Striedanie experimentov sa môže meniť podľa pokynov učiteľa.

4. Všetky linky vykonávajú výpočty a vymieňajú si údaje získané počas experimentu.

4.4. Zákazka

Príprava inštalácie sa vykonáva podľa metódy opísanej v bode 2.3. Keď je laboratórna jednotka pripravená na prevádzku, vykonajú sa tieto operácie:

1. hodnoty piezometrov a priemer sekcií sa merajú pred a po testovaní odporu; spotreba kvapaliny, čas plnenia odmernej nádoby a sú zapísané v tabuľke. 4,1;

2. vypočíta sa prietok vody, prierezové plochy, priemerné rýchlosti, Reynoldsove čísla a polomery otáčania kanála; výsledky výpočtu sú uvedené v tabuľke 4.3;

3. vypočítajú sa experimentálne tlakové straty: výsledky výpočtu sú uvedené v tabuľke 4.3;

4. lokálne koeficienty odporu sa vypočítajú podľa experimentálnych údajov (4.3) a experimentálne tlakové straty podľa vzorca (4.1).