работе №10 для студентов всех форм обучения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Ракетно-космическая техника и энергетические системы"

направление "Гидравлика и гидравлические машины"

ГРАДУИРОВКА НЕСТАНДАРТНОЙ ДИАФРАГМЫ

Методические указания к лабораторной работе №10

для студентов всех форм обучения

Пермь 2017

УДК 535.5

Рецензент

д. т. н., профессор

(Кафедра "Ракетно-космическая техника

и энергетические системы" ПНИПУ)

, , .

Градуировка нестандартной диафрагмы: Методические указания к лабораторной работе №10 для студентов всех форм обучения / Составители , , . Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017г. – 15 с.

Приведены основные сведения об измерении расхода жидкости в трубопроводах методом сужения потока нестандартной диафрагмой, дано описание учебной установки "Гидродинамика ГД-04М", изложена последовательность проведения эксперимента и порядок обработки опытных данных.

Иллюстраций 6. Библиография 6 назв. Таблицы 2.

Ó Пермский национальный исследовательский

политехнический университет, 2017г.

1  Цели работы

1.1  Провести градуировку диафрагмы – прибора для определения расхода и количества жидкости.

1.2  Определить зависимость коэффициента расхода нестандартной диафрагмы от числа Рейнольдса.

2  Общие сведения

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Расход – количество жидкости или газа проходящее через живое сечение в единицу времени.

Количество жидкости или газа может быть измерено в единицах объема, массы или веса, поэтому различают расход объемный (Q), массовый (QM) и весовой (QG).

Объемный расход характерен для малосжимаемых жидкостей, массовым расходом оперируют для газов, весовым – для систем топливопитания (или подачи).

Наиболее распространенные способы измерения расхода:

–  объёмный (мерники, счётчики, объемные расходомеры),

–  сужающими устройствами (диафрагмы, трубы Вентури, сопла и сопла Вентури),

–  устройствами обтекания (ротаметры).

Наиболее простым и надёжным способом измерения расхода жидкости является способ "переменного перепада давления", принцип действия которого основан на измерении разности давлений в установленном внутри трубопровода сужающем устройстве. При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие местного сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепаду давлений), которая определяется при помощи дифференциального манометра (пьезометров). Так как согласно закону сохранения энергии суммарная энергия движущейся среды уменьшается только на величину потерь на трение, удар и завихрение, то по измеренному перепаду давлений может быть определена кинетическая энергия потока при прохождении через сужающее устройство, а по ней – средняя скорость и расход вещества.

Наибольшее распространение в измерительной технике получил метод сужения потока при помощи диафрагм (рис. 1), как наиболее простого и дешёвого устройства.

Диафрагма представляет собой плоский диск из нержавеющей стали с круглым отверстием, сечение которого меньше сечения трубопровода, в котором она устанавливается. Центр отверстия диафрагмы должен совпадать с центром сечения трубопровода. Отверстие имеет со стороны входа струи цилиндрическую форму с острой прямоугольной входной кромкой и коническое расширение в сторону выхода струи.

Рис. 1. Диафрагма в круглом

трубопроводе

Угол конусности находится в пределах 60° – 120°. Отбор давления производится через отверстия в трубопроводе непосредственно у плоскостей диафрагмы.

По ГОСТ 8.586.2-2005 "Измерение расхода жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств" Госстандарта РФ нормализованы диафрагмы, устанавливаемые в трубопроводах диаметром 50 мм и более, которые называют стандартными. Диафрагмы, устанавливаемые в трубопроводы диаметром менее 50 мм, называют нестандартными и для их использования необходима индивидуальная градуировка.

На рис. 2 показаны вид струи жидкости и характер изменения давления до и после диафрагмы, установленной в круглом трубопроводе.

Рис. 2 Вид струи и характер изменения давления и скорости
на участке установки диафрагмы.

Перед диафрагмой поток сужается от полного сечения трубопровода до сечения отверстия диафрагмы . Под действием сил инерции и центробежных сил струя продолжает сужаться и за диафрагмой и достигает наименьшего сечения на некотором расстоянии от диафрагмы. Далее струя постепенно расширяется и снова заполняет всё сечение трубы. Перед и за диафрагмой образуются углы с вихревым движением, причем зона вихрей после диафрагмы более значительна, чем до неё.

Соответственно уменьшению сечения струи изменяются скорость (кинетическая энергия) и давление (потенциальная энергия) протекающей жидкости. В сечении скорость больше, чем в сечении , а давление , наоборот, в сечении меньше, чем в сечении . Далее струя достигает наибольшей скорости в наименьшем своём сечении , и в этом сечении получаем, соответственно, наименьшее давление . Далее, по мере расширения струи, давление её около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения ввиду наличия гидравлических потерь .

Для случая несжимаемой жидкости и отсутствия теплообмена между жидкостью и стенками трубопровода можно для сечений 1 и 2 потока на основании уравнения Бернулли записать изменение удельной механической энергии в следующем виде

, (1)

где , – давления в сечениях 1-1 и 2-2;

, – средние скорости потока в сечениях 1-1 и 2-2;

, - коэффициент Кориолиса для сечений 1-1 и 2-2;

g – ускорение свободного падения;

– плотность жидкости;

- коэффициент местного сопротивления;

, - геометрический напор в сечениях 1-1 и 2-2 (при горизонтальном положении трубы плоскость сравнения - ось трубы = = 0 );

, - пьезометрический напор в сечениях 1-1 и 2-2;

, - скоростной напор в сечениях 1-1 и 2-2;

– потерянный напор в диафрагме (потери удельной энергии в диафрагме).

В непрерывном установившемся потоке средние скорости обратно пропорциональны площадям S живых сечений (уравнение расхода)

. (2)

Если из (2) выразить скорости и через и принять , то после подстановки полученных выражений в (1) последнее примет вид

, (3)

где – коэффициент расхода диафрагмы,

.

Расход диафрагмы

или ,

где – разность пьезометрических напоров на входе и на выходе

диафрагмы, откуда

. (4)

Значения коэффициента расхода для нестандартной диафрагмы определяются опытным путем при градуировке прибора.

3  УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
УЧЕБНОЙ УСТАНОВКИ

3.1  Устройство установки.

Учебная установка предназначена для экспериментального определения коэффициентов сопротивления трения труб различного диаметра и градуировки нестандартной диафрагмы.

Установка состоит из 3-х труб 1, 2 и 3 (рис. 3) разного диаметра, к которым присоединены пьезометры П1н, П2н, П3н в начальных сечениях труб и пьезометры П1к, П2к, П3к в конечных сечениях труб, и приемного бачка Б1 с мерным отсеком. В трубе 1 установлена диафрагма ДФ1, к входу и выходу которой присоединены пьезометры П4 и П5.

Верхние концы пьезометров П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к присоединены к воздушному коллектору 8, который через вентиль ВН6 может соединяться с атмосферой, а верхние концы пьезометров П4 и П5 присоединены к воздушному коллектору 9, который с атмосферой может соединяться через вентиль ВН7.

Трубы одним концом присоединены через коллектор и вентили ВН4 и ВН9 к напорному баку Б2 системы оборотного водоснабжения лаборатории. Другие концы труб присоединены через вентили ВН1, ВН2, ВН3 к коллектору с трубой 4, заканчивающейся поворотным патрубком ПТ1.

Приёмный бачок Б1 разделен на два отсека: проточный, который соединён напрямую со сливным баком Б3 системы оборотного водоснабжения, и мерный объёмом 9,8 л, который соединён со сливным баком Б3 системы оборотного водоснабжения лаборатории через вентиль ВН5.

Вентилями ВН4 и ВН1 (ВН2, ВН3) можно регулировать расход воды в трубе 1 (2, 3).

Диаметры и длины исследуемых участков труб приведены в табл. 1.

Табл. 1

Геометрические размеры исследуемых труб и диафрагмы.

№ трубы

Диаметр, мм

Длина, мм

Диаметр отверстия диафрагмы, мм

1

21

6170

14

2

27

6310

диафрагмы нет

3

36

6330

диафрагмы нет

Рис. 3.  Схема гидравлическая принципиальная учебной установки

«Гидродинамика ГД – 04М»

3.2  Принцип действия установки.

К установке вода подводится по трубопроводу от напорного бака Б2 системы оборотного водоснабжения лаборатории. В нем с помощью насоса Н1 и автоматики (или переливной трубы 12) поддерживается неизменный уровень воды, и, таким образом, при любом открытии вентилей ВН4 и ВН1, ВН2, ВН3, обеспечивается постоянный напор на входе в исследуемые трубы.

Вода из системы оборотного водоснабжения лаборатории поступает в трубы 1, 2, 3 через вентиль ВН9 системы оборотного водоснабжения лаборатории, входной вентиль ВН4 учебной установки и течёт через трубу, у которой открыт выходной вентиль (у двух других труб выходные вентили должны быть в это время закрыты), в трубу 4 коллектора.

Направляя струю воды с помощью поворотного патрубка ПТ1 в проточный отсек бачка Б1, можно отрегулировать вентилями ВН4 и ВН1 (ВН2 или ВН3) нужный расход воды через трубу 1 (2 или 3 соответственно).

Пьезометры П1н (П2н или П3н) измеряют пьезометрические напоры в начальных сечениях труб, а пьезометры П1к (П2к или П3к) – в конечных сечениях труб; пьезометры П4 и П5 измеряют перепад давления на диафрагме ДФ1. Воздушный коллектор 8, соединяющий верхние концы пьезометров П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к, и воздушный коллектор 9, соединяющий верхние концы пьезометров П4 и П5, позволяют уменьшить габариты учебной установки, т. к. измерение пьезометрического давления производится при повышенном внешнем (выше атмосферного) давлении, что не влияет на величину перепада давления между соответствующими пьезометрами. Вентили ВН6 и В7 предназначены для регулирования положения пьезометрических линий путём выпуска воздуха из воздушных коллекторов.

Внимание! Пользуясь вентилями ВН6 и ВН7, не допускайте попадания воды из пьезометров в воздушные коллекторы 8 и 9, соответственно.

Для удобства снятия показаний, пьезометры, присоединенные в начальном и коечном сечениях каждой трубы, конструктивно расположены рядом.

При работе с трубой 1, можно одновременно проводить измерения пьезометрических напоров в начальном и в конечном сечениях трубы, на входе и выходе диафрагмы.

Расход воды всех трёх труб может измеряться объёмным способом с использованием мерного отсека бачка Б1 и секундомера. Для этого необходимо закрыть вентиль ВН5, с помощью поворотного патрубка ПТ1 направить воду в мерный отсек бачка Б1 и замерить секундомером время его заполнения до момент начала перелива воды через перегородку.

Температура воды измеряется термометром Т1.

4 Охрана труда при выполнении лабораторной работы

4.1  Не загромождайте рабочее место около установки.

4.2  Не опирайтесь на стеклянные трубки пьезометров.

4.3  Следите за отсутствием течи воды на стыках труб и вентилей.

4.4 К работе с использованием учебной установки, разрешается приступать после:

–  прохождения инструктажа по "Инструкции по охране труда при работе студентов на учебных установках в лаборатории гидравлики и гидравлических машин. ИОТ-495-2015";

–  изучения методических указаний к лабораторной работе, разработанной с применением учебной установки "Гидродинамика ГД-04М";

4.5  Не работайте на неисправной учебной установке, не ремонтируйте её.

4.6  Не включайте насосы системы оборотного водоснабжения лаборатории, это разрешается делать обученному персоналу лаборатории.

4.7  Лабораторную работу разрешается выполнять в соответствии с методическими указаниями к ней и только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

5  ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1  Расположение органов управления, настройки и приборов измерений приведено на рис.4.

Рис.4 . Общий вид учебной установки «Гидродинамика ГД-04М»

5.2  Подготовка к работе.

5.2.1  Проверьте, что рабочее место установки не загромождено и нормально освещено.

5.2.2  Проверьте исходное состояние установки: вентили ВН1, ВН2, ВН3, ВН4, ВН5, ВН6, ВН7 закрыты, мерный отсек бачка Б1 пуст, а поворотный патрубок ПТ1 трубы 4 направлен в проточный отсек бачка.

5.2.3  Приготовьте к работе секундомер.

5.2.4  Установите уровень воды в пьезометрах П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к на высоте 55 – 58 см., а в пьезометрах П4, П5 на высоте 36 – 38 см, для чего откройте вентиль ВН4:

5.2.4.1 Если уровень воды в пьезометрах П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к ниже 55 см, приоткройте вентиль ВН6 – уровень воды в пьезометрах станет подниматься. Когда вода поднимется в заданную область 55 – 58 см, закройте вентиль ВН6.

Если при этом уровень воды в пьезометрах П4, П5 ниже 36 см, приоткройте вентиль ВН7 – уровень воды в пьезометрах станет подниматься. Когда вода поднимется в заданную область 36 – 38 см, закройте вентиль ВН7.

5.2.4.2  Если уровень воды в пьезометрах П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к выше 58 см, Закройте вентиль ВН4, откройте вентиль ВН1 и подождите пока выровняются уровни воды в пьезометрах. Приоткройте вентиль ВН6 – уровень воды в пьезометрах станет опускаться, когда вода опустится в до уровня 35 см., закройте вентиль ВН6.

Если уровень воды в пьезометрах П4 и П5 выше 38 см. Приоткройте вентиль ВН7 – уровень воды в пьезометрах станет опускаться, когда вода опустится до уровня 23 см., закройте вентиль ВН7.

Закройте вентиль ВН1 и откройте вентиль ВН4 – уровень воды в пьезометрах П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к установится в заданную область 55 – 58 см, а пьезометров П4, П5 – в область 36 – 38 см.

5.2.5  Установку уровней воды в пьезометрах П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к необходимо производить для того, чтобы при работе с диафрагмой ДФ1 первой трубы вода не попала в коллектор 8 или не ушла полностью из пьезометров.

5.2.6  Включить автоматику поддержания постоянного уровня воды в напорном баке Б2 насосом Н1 (рис.3) системы оборотного водоснабжения лаборатории. Включение автоматики производит преподаватель или работник лаборатории.

5.3  Проведение работ.

Работу проводите на трубе 1.

5.3.1  Откройте полностью выходной вентиль ВН1 первой трубы, для получения максимального расхода воды через трубу.

5.3.2  Измерьте пьезометрические напоры: пьезометром П4 и пьезометром П5, после того как показания стабилизируются. При измерениях фиксируйте среднее положение уровня воды в них.

5.3.3  Измерьте время t, наполнения мерного отсека бачка Б1:

–  проверьте, что вентиль ВН5 закрыт;

–  направьте воду из трубы 4 в мерный отсек бачка Б1, повернув туда поворотный патрубок ПТ1 трубы 4 и включив одновременно секундомер;

–  выключите секундомер, когда вода заполнит мерный отсек до края перегородки, возьмите отсчёт.

5.3.4  Направьте поворотный патрубок ПТ1 в проточный отсек бачка Б1, откройте вентиль ВН5. Опорожните мерный отсек бачка Б1.

5.3.5  Занесите результаты измерений в таблицу протокола эксперимента.

5.3.6  Установите новый расход в системе таким образом, чтобы новое показание пьезометра П5 стало больше предыдущего на 5 см, и повторите пункты 5.3.2 – 5.3.5.

5.3.7  Проведите опыт для шести разных расходов.

5.3.8  Измерьте температуру воды по термометру Т1, занесите результат измерения в таблицу протокола эксперимента.

5.4  Выключение установки.

5.4.1  Поверните патрубок ПТ1 трубы 4 в проточный отсек бачка Б1, откройте вентиль ВН5.

5.4.2  Закройте вентиль ВН1.

5.4.3  Закройте вентиль ВН4 подачи воды в установку.

5.4.4  Закройте вентиль ВН5, после опустошения от воды мерного отсека бачка Б1.

5.4.5  Сдайте секундомер.

5.4.6  Выключить автоматику оборотного водоснабжения лаборатории. Выключение автоматики производит преподаватель или работник лаборатории.

Табл. 2.

Протокол испытаний

 

 

Труба: № 1: диаметр d1 = 21 мм, площадь сечения S1 = см2,

Отверстие диафрагмы: диаметр = 14 мм, площадь сечения = см2,

температура воды = °С, кинематическая вязкость воды = см2/с

 

Re

 

см

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

Средний коэффициент расхода :

6  ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

6.1  Вычислите объёмный расход жидкости в трубе 1 для каждого опыта

где – расход, ;

– объём мерника, см3; ( = 9,8л = 9800 см3)

t – время заполнения мерника, с.

6.2  Вычислите средние скорости жидкости в трубе для каждого опыта

,

где – средняя скорость жидкости, .

S1 – площадь живого сечения трубы 1, см2.

6.3  Вычислите разность напоров на входе и выходе диафрагмы

,

где – разность напоров на входе и выходе диафрагмы, см;

– показания пьезометров на входе и выходе диафрагмы, см.

6.4  Определите кинематическую вязкость по графику зависимости от температуры воды (рис. 5)

Рис. 5. Зависимость кинематической вязкости воды от температуры.

6.5  Подсчитайте числа Рейнольдса .

6.6 Вычислите коэффициенты расхода нормальной диафрагмы по (4)

,

где g – ускорение свободного падения .

6.7  Вычислите средний коэффициент расхода для диафрагмы

(5)

6.8  Постройте градуировочный график зависимости расхода от перепада напора на диафрагме .

6.9  Постройте график зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса . Определите, в каком диапазоне, изменения числа Рейнольдса , коэффициент расхода , практически, постоянен.

Примечания.

Экспериментальные точки кривых и графически усредняйте плавной линией, лежащей между ними.

Рекомендуемые формы для построения графиков и , приведены на рис. 6.

6.10  Определите по градуировочному графику объемный расход жидкости при перепаде давления на диафрагме см, а затем рассчитайте объемный расход жидкости, при том же перепаде давления, по формуле (4), через, определенный ранее, коэффициент расхода .

Вычислите относительную погрешность измерения объемного расхода по формуле:

,

где – относительная погрешность измерения, %

– объемный расход, определенный по графику, ,

– объемный расход, вычисленный по формуле (4), .

6.11  Сформулируйте и запишите в отчет выводы.

7  СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт, оформляемый каждым студентом, должен содержать:

–  титульный лист с названием кафедры, вуза, исполнителя (номер группы, фамилию и инициалы студента);

–  название работы;

–  цель работы;

–  основные теоретические положения;

–  рисунок диафрагмы;

–  схему учебной установки или её части, используемой для градуировки нестандартной диафрагмы;

–  основные расчётные формулы и пояснения к ним;

–  протокол испытаний;

–  кривые и ;

–  выводы по работе.

Рис. 6 Формы для построения графиков и ;

8  ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

8.1  Что такое средняя скорость? Что такое расход жидкости?

8.2  На каких законах гидравлики основан метод измерения расхода диафрагмой?

8.3  Как устроена диафрагма?

8.4  Какие потери энергии характерны при протекании жидкости через диафрагму?

8.5  Что такое коэффициент расхода, его физический смысл.

8.6  От чего зависит коэффициент расхода диафрагмы?

8.7  Как экспериментально определялись потери напора и расход жидкости?

8.8  Как в опыте определялась кинематическая вязкость?

8.9  Какие способы определения расхода Вы знаете?

8.10  Как определить объемный расход по перепаду напора на диафрагме?

8.11  Какой способ определения объемного расхода по перепаду напора на диафрагме точнее: по градуировочному графику или по формуле с использованием коэффициента расхода?

8.12  Принцип действия учебной установки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Гидравлика: учебник для вузов в 2 т. Т.1: Основы механики жидкости и газов/ (и др.). М. Академия, 2012 г. – 189 с.

2.  Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для втузов / и др. – Москва: Альянс, 2013. – 423 с.

3.  Гидравлика, гидромашины и гидропневмоприводы в примерах решения задач: учебное пособие для вузов. / и др. Под редакцией . М. Академия, 2013 г – 203 с.

4.  Гидравлика: учебное пособие. /Набока : Изд-во ПНИПУ,

2013 г. – 138 с.

5. ГОСТ 8.586.1-2005 (ИСО 5167-1: 2003) Государственная система единства измерений. Измерение расхода жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1.Принцип метода измерения и общие требования.

6  ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167-2: 2003) Государственная система единства измерений. Измерение расхода жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы. Технические требования.