Экспериментальное определение гидравлического сопротивления трубопровода

Лабораторная работа. № 1

Экспериментальное определение гидравлического сопротивления трубопровода.

Цель работы: Изучить влияние нивелирных напоров и расхода жидкости на потери давления (гидравлические сопротивления) и перепад давления в трубопроводе.

Приборы и оборудование:

Ротаметр 1 шт., Пьезометр 1 шт., Вентиль регулирующий 1 шт.

Описание экспериментальной установки: В качестве экспериментального участка в работе используется система охлаждения теплообменного аппарата 8, схема которого представлена на рис 1. Трубопровод, состоит из крана шарового 1, вентиля 2 регулирующего расход жидкости, ротаметра 3, для измерения объемного расхода жидкости, пьезометра 4, U-образного трубопровода 5 с внутренним диаметром 8 мм длиной 961 мм, подвижного участка трубопровода 6 с внутренним диаметром 10 мм длиной 1100 мм и слива 7, который подключен к канализации.

Рис.1 Схема экспериментальной установки. 1 –запорный кран шаровой, 2 – регулировочный вентиль, 3 – ротаметр, 4 – пьезометр, 5 – U-образный участок трубопровода, 6 – подвижный участок трубопровода, 7 – сливная канализация, 8 – теплообменный аппарат.

I – нижнее положение трубопровода, II – верхнее положение трубопровода.

Методика проведения работы.

Установить подвижный участок 6 в нижнее положение I . При помощи регулировочного вентиля 2 установить расход жидкости в трубопроводе таким образом, чтобы показания пьезометра 4 находились вблизи нулевой отметки (примерно 40 делений по ротаметру). Снять показания ротаметра 3 и соответствующую высоту водяного столба пьезометра 4. Данные занести в таблицу. Увеличивая расход воды с шагом 5 делений по ротаметру получить экспериментальные точки для нижнего положения трубопровода. I.

Изменить положение подвижного участка трубопровода 6 в верхнее положение II и снять показания ротаметра и соответствующую высоту водяного столба пьезометра. Данные занести в таблицу. Увеличивая расход воды с шагом 5 делений по ротаметру получить экспериментальные точки для верхнего положения трубопровода. I

№	Число делений ротаметра n, дел	Высота водяного столба в пьезометре H, мм	Расход воды чрез трубопровод Q, м3/с	Скорость воды UСР, м/с	Перепад давления ΔР , Па	Потери давления PП, Па
1

Расчетные уравнения

1.  Зная число делений ротаметра рассчитать объемный расход жидкости по уравнению:

Зная объемный расход жидкости рассчитать скорость воды в трубопроводе из уравнения:

, где - средняя скорость течения жидкости, м/с;

S - поперечное сечение потока жидкости, м2;

d=8 мм внутренний диаметр трубопровода.

3.  По показаниям пьезометра (по высоте водяного столба в пьезометре) вычислить перепад давления на рабочем участке трубопровода.

, H - уровень водяного столба, м; где - плотность воды;

4.  Пользуясь уравнением Бернулли для реальной жидкости из экспериментальных значений определить потери давления на рабочем участке трубопровода.

Потери давления в трубопроводе ; - потеря напора, м; в верхнем сечении трубопровода ; в нижнем положении выходного сечения .

5.  Построить график ΔР=f(UСР), PП=f(UСР).

6.  Объяснить полученные результаты.

7.  Оценить потери давления на U-образном трубопроводе 5 на местные сопротивления и сопротивления трения по имеющимся в литературе зависимостям. Принять скорость движения воды 1, 2 и 3 м/с, плотность воды 103 кг/м3, динамическая вязкость 10-3 Па·с. Длина U-образного трубопровода 961 мм, внутренний диаметр трубопровода d=8 мм, на трубопроводе имеются два плавных поворота под углом 900.

8.  Сделать выводы о проделанной работе.

Z1= мм - нивелирный напор относительно пола в месте, где установлен пьезометр

Нивелирный напор выходного сечения трубопровода относительно пола:

Z2низ= мм - высота трубопровода в нижнем положении.

Z2верх= мм - высота трубопровода в верхнем положении

Теория.

Движение жидкостей возникает из-за разности давления, которое создается насосами, компрессорами, или разностью высоты.

Сечение потока, перпендикулярное оси трубы, через которое протекает жидкость, называют живым или поперечным сечением потока.

Определение: Количество жидкости, протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени, называется расходом.

Объемный расход: Объем жидкости протекающий через живое сечение потока в единицу времени, называется объемным расходом:

,

где - средняя скорость течения жидкости, м/с; S - поперечное сечение потока, м2; размерность [Q]=м3/с.

Массовый расход: , где r - плотность, кг/м3; размерность [G]=кг/с.

- средняя скорость течения жидкости, м/с.

Уравнение неразрывности потока

Расход жидкости через любое сечение трубы остается постоянным:

Рис.1. К выводу уравнения неразрывности.

Уравнение Бернулли для движения реальной жидкости.

При течении реальной жидкости в трубопроводах из-за вязкости в потоке возникают силы вязкого трения, которые оказывают гидравлическое сопротивление потоку. На преодоление этого сопротивления теряется часть энергии движущейся жидкости. При этом для двух произвольных сечений потока можно записать равенство:

Если умножить на левую и правую часть уравнения на

Это уравнение называется уравнением Бернулли для движения реальной жидкости, где z - нивелирная высота, или геометрический напор; - статический, или пьезометрический напор; P – давление, Па; r - плотность, кг/м3; g - ускорение свободного падения м/с2; - скоростной, или динамический напор; uср - средняя скорость потока, м/с. hП - потерянный напор, и РП - потери давления.

Без расчета гидравлических потерь невозможно правильно подобрать насос или компрессор, предназначенный для перемещения жидкости или газов.

Гидравлические потери подразделяют на два вида:

или

1.  сопротивления трения потеря напора на преодоление сил вязкого трения

2.  сопротивления местные потеря напора на преодоление местных сопротивлений (повороты, сужения, расширения, вентили, краны, задвижки, и т. д.)

Перепад давления между сечениями 1 и 2 в соответствии с рис. 1

где

Сопротивления трения

Сопротивления трения вычисляют по уравнению Дарси:

- длина трубопровода, м; d - диаметр трубопровода, м; g=9,81- ускорение свободного падения, м/с2; - средняя скорость потока, м/с; l - коэффициент гидравлического трения; - коэффициент гидравлического сопротивления трения.

Коэффициент гидравлического трения зависит от режима течения:

- ламинарный режим; при

- турбулентный режим, гладкие трубы формула Блазиуса) при

- турбулентный режим, шероховатые трубы, , где D - средняя высота выступов неровностей в трубе, м; d - диаметр трубы, м.

Если трубы не круглого сечения, то в расчетных формулах надо использовать эквивалентный диаметр , где S – площадь сечения трубы, П - смоченный периметр.

Местные гидравлические сопротивления

При изменении скорости потока по величине или по направлению происходит потеря в местных сопротивлениях, к которым относятся: вход и выход потока из трубы, внезапные сужения и расширения труб, колена, отводы, тройники, диафрагмы, запорные и регулирующие устройства (краны, вентили, задвижки и т. п.)

Отношение потери напора в местном сопротивлении к скоростному напору в нем называется коэффициентом местного сопротивления и обозначается . Потеря напора в местном сопротивлении, выраженная в метрах столба протекающей жидкости, определяется по формуле

Обычно коэффициенты местных сопротивлений определяют из экспериментов. Наиболее часто встречающиеся коэффициенты местных сопротивлений приведены в таблице 1. Значения в расширениях и сужениях относятся к скоростному напору в узком сечении, т. е. u - скорость в узком сечении.

Полная потеря напора складывается из потерь напора на трение и суммы потерь на местных сопротивлениях

Потери давления в трубопроводе

Таблица 1. Коэффициенты местных сопротивлений

№ местного сопротивления на рис. 2	Вид местного сопротивления	Коэффициент местного сопротивления
1	Вход в трубу при острой входной кромке С закругленными краями При острой входной кромке и выступе трубы внутрь сосуда	0,5 0,2 1,0
2	Выход из трубы в сосуд большого объема	1,0
3	Плавный поворот на	0,15
4	Колено при	1,1…1,3
5	Пробочный кран Открытый, от 20 до	0,05 от 2 до 95
6	Вентиль стандартный, = 20 мм = 40 мм и более	8 4…6
7	Внезапное расширение
8	Внезапное сужение

Контрольные вопросы.

1.  Дать определение величинам объемный расход жидкости, массовый расход жидкости. Записать единицы измерения.

2.  Записать уравнение неразрывности потока при движении жидкости в трубе. Расписать на примере движения жидкости по трубопроводу переменного сечения.

3.  Различие в свойствах идеальной и реальной жидкостях. Режимы движения реальной жидкости.

4.  Записать уравнение Бернули для реальной жидкости.

5.  Из чего складывается потерянный напор при движении жидкости в трубопроводе. Дать определение, записать расчетные уравнения.

6.  Объясните причины различия в графиках перепада давления для двух положений трубопровода.

7.  Как влияет нивелирная высота на потери напора в трубопроводе.

8.  Расчетные формулы для нахождения потерянного напора местных сопротивлений.

9.  Какое влияние оказывает скорость жидкости на потерянный напор.

10.  Метод расчета потерянного напора в трубах «неправильной» формы.

1 2

3 4

5 6

7 8

Рис. 2. Местные сопротивления.