شبكات الأنابيب وخسائر الضغط

توجد شبكات الأنابيب بشكل شائع في الأنظمة الهندسية والطبيعية لأنها تستطيع نقل السوائل وتدويرها وتوزيعها بكفاءة. تنتقل المياه التي تخرج من الصنبور في منزلك عبر نظام إمداد المياه المعقد في المدينة والذي يعد مثالا ممتازا على شبكة الأنابيب الهندسية. عندما يدور السائل عبر شبكة الأنابيب ، فإنه يواجه مقاومة احتكاك من جدران القناة والتجهيزات ويفقد تيار السائل الضغط أثناء التغلب على مقاومة التدفق هذه. يعد توصيف وفهم خسائر الضغط هذه أمرا ضروريا لتحديد المكونات والأحجام الصحيحة في تصميم جديد أو لتشخيص المشكلات في نظام موجود. في هذا الفيديو ، سنوضح نهجا بسيطا لقياس انخفاض الضغط داخل شبكة الأنابيب ونناقش بعض النماذج القياسية للتنبؤ بالخسائر وبعض الأشكال الهندسية الشائعة. بعد ذلك ، سيتم استخدام هذه الطرق لقياس خسائر الضغط تجريبيا للمقارنة مع النماذج. أخيرا ، سنناقش بعض التطبيقات الأخرى لشبكات الأنابيب وخسائر الضغط.

في أي وقت يتدفق فيه السائل عبر قناة مغلقة ، فإنه يواجه بعض مقاومة الاحتكاك من جدران القناة. نتيجة لذلك ، يتم تحويل جزء صغير من الطاقة الميكانيكية للسائل إلى حرارة ، مما يؤدي إلى فقدان مستمر للضغط في اتجاه التدفق. يمكن تمييز فقدان الضغط هذا في نظام معين عن طريق قياس ضغط السائل عند نقاط منفصلة على طول القناة والذي يتم غالبا باستخدام أجهزة بسيطة لمستوى السائل تسمى مقاييس الضغط. مقياس الضغط هو قسم رأسي مفتوح أو مائل من الأنبوب متصل بقناة الأنابيب بحيث يمتلئ جزئيا بالسائل. يتناسب ارتفاع عمود السائل طرديا مع مستوى السائل عند تلك النقطة على طول القناة. لذلك ، يمكن تحديد الفرق في الضغط بين نقطتين أو دلتا P من التغير في ارتفاع السائل أو دلتا H بين مقياسين للضغط. لسوء الحظ ، ليس من العملي دائما إجراء قياسات مباشرة ويجب التنبؤ بخسائر الضغط في كثير من الأحيان قبل بناء النظام لضمان معدلات تدفق السوائل الكافية. في هذه الحالات ، يمكن استخدام صيغة عامل الاحتكاك دارسي للتنبؤ بفقدان ضغط الاحتكاك. في هذه المعادلة ، دلتا P هي فقدان الضغط على طول L لقناة ذات مقطع عرضي دائري وقطر داخلي D ، والصف هو كثافة السائل ، و U هو متوسط سرعة التدفق ، والذي يعرف بأنه معدل التدفق الحجمي مقسوما على مساحة المقطع العرضي للقناة ، و f هو عامل احتكاك دارسي الذي يتبع اتجاهات مختلفة مشتقة تجريبيا ونظريا بناء على رقم رينولدز وهندسة القناة. راجع نص النماذج المستخدمة للقنوات الدائرية المستقيمة والملفات الحلزونية. ترتبط أقسام القنوات المختلفة في شبكة الأنابيب بتركيبات منفصلة مثل الصمامات والموسعات والانحناءات التي تساهم أيضا في فقدان الضغط. تعرف خسائر الضغط من خلال هذه التركيبات بالخسائر الطفيفة ويتم الإبلاغ عنها أحيانا من حيث الطول المكافئ للقناة المستقيمة المطلوبة لإنتاج نفس انخفاض الضغط. لا تزال هذه الخسائر مصممة بصيغة Darcy Friction Factor باستخدام عامل الاحتكاك وسرعة التدفق لقنوات التوصيل والقيمة المجدولة للطول المكافئ المقاسة بواسطة القطر الداخلي للتركيب. إجمالي الخسائر في نظام الأنابيب هو ببساطة مجموع جميع الخسائر من الأقسام والتجهيزات الفردية. في القسم التالي ، سنقوم بقياس هذه الخسائر في تكوينات مختلفة للأنابيب التمثيلية لتحديد عوامل الاحتكاك والأطوال المكافئة.

قبل البدء في الإعداد ، تأكد من أن لديك مساحة واضحة للعمل وسطح مستو لتجميع المكونات عليه. قم بتثبيت خزان المياه على السطح وإذا لزم الأمر ، قم بحفر ثقوب لمدخل ومخرج المياه بالإضافة إلى كابل طاقة المضخة. قم بتركيب المضخة الغاطسة في الخزان. الآن قم بإرفاق شعاع رأسي صغير أو قوس L بالقرب من الخزان. قم بتركيب مقياس تدفق مقياس الدوران عموديا على الحزمة واستخدم قسما من الأنبوب لتوصيل مخرج المضخة بمدخل مقياس الدوران. مقياس الدوران هو أداة تشير إلى معدل التدفق الحجمي للسائل بناء على المستوى العائم لحبة صغيرة. قم ببناء أقسام الاختبار ثلاثية الأنابيب كما هو موضح في النص. عند الانتهاء ، يجب أن يكون لديك قسم مستقيم وقسم ملفوف وقسم به انحناءات متعددة للكوع. سجل بعناية أطوال أي أقسام مستقيمة بالإضافة إلى نصف قطر ملف الأنبوب المقاس من المحور المركزي للملف إلى نقطة منتصف الأنبوب. قم بتركيب جميع الأقسام الثلاثة على السطح باستخدام مشابك الأنابيب. اضبط تركيبات T على الأطراف بحيث تشير المنافذ الجانبية المتفرعة لأعلى ثم قم بتثبيت أنابيب مموجة شفافة على هذه المنافذ لتشكيل مقاييس الضغط. استخدم مستوى للتأكد من أن أنابيب مقياس الضغط عمودية. أخيرا ، قم بتوصيل قسم واحد من الأنبوب بمخرج مقياس الدوران وضع أنبوبا ثانيا يعود إلى الخزان. سيتصل هذان الأنبوبان بمدخلات ومخرجات أقسام الاختبار لتشكيل حلقة كاملة أثناء التجربة. املأ الخزان بالماء واكتمل التحضير.

قم بتوصيل الأنبوب من خرج مقياس الدوران إلى أحد طرفي قسم الاختبار المستقيم وقم بتوصيل أنبوب الإرجاع بالطرف الآخر. الآن قم بتشغيل المضخة واضبط صمام مقياس الدوران لزيادة معدل التدفق. بمجرد إخراج كل الهواء من حلقة الأنبوب ، قم بإيقاف تشغيل المضخة. قد تحتاج إلى إضافة مياه إضافية إلى الخزان بمجرد ملء حلقة التدفق. بمجرد إخراج كل الهواء من حلقة الأنبوب ، قم بإيقاف تشغيل المضخة وقارن ارتفاع الماء في مقياسي الضغط ، والقياس من أعلى التركيب T. إذا كان الارتفاعان مختلفين ، فاستخدم الحشوات لتسوية سطح الاختبار حتى تصبح الارتفاعات المقاسة متساوية. أعد تشغيل المضخة وبعد الانتظار لحظة حتى يستقر التدفق ، سجل معدل التدفق ومستوى الماء الرأسي في كلا أنبوبي مقياس الضغط. الآن اضبط صمام مقياس الدوران لتقييد التدفق قليلا وتسجيل معدل التدفق الجديد ومستويات مقياس الضغط. كرر هذا الإجراء لجمع البيانات بستة أو سبعة معدلات تدفق لقسم الاختبار المستقيم. عند الانتهاء، كرر التجربة مع قسمي الاختبار الآخرين بما في ذلك إعادة ضبط سطح الاختبار لكل قسم جديد إذا لزم الأمر.

أولا ، انظر إلى بياناتك لقسم الاختبار المباشر. في كل معدل تدفق ، لديك قياسات لارتفاع الماء في كل مقياس ضغط. استخدم الفرق في ارتفاعات مقياس الضغط لتحديد انخفاض الضغط الكلي في قسم الاختبار. ثم حدد متوسط سرعة التدفق في الأنبوب بقسمة معدل التدفق المقاس من مقياس الدوران على مساحة المقطع العرضي للأنبوب. بعد ذلك ، احسب رقم رينولدز للتدفق بمعدل التدفق هذا. اجمع بين نتائجك وصيغة Darcy Friction Factor وقياساتك لقسم الاختبار لحل عامل الاحتكاك. بالنسبة لمقطع مستقيم بطول 284 ملم وقطر داخلي يبلغ 6.4 ملم ، تتوافق معدلات التدفق المقاسة من ثلاثة أرباع إلى لترين في الدقيقة مع الظروف المضطربة. انشر أوجه عدم اليقين لتحديد عدم اليقين الكلي في رقم رينولدز وعامل الاحتكاك كما هو موضح في النص ثم ارسم النتيجة جنبا إلى جنب مع تنبؤ النموذج لمقطع مستقيم. ضمن عدم اليقين التجريبي ، تطابقت عوامل الاحتكاك مع تنبؤ النموذج. يرجع عدم اليقين المرتفع نسبيا في عامل الاحتكاك عند معدلات التدفق المنخفضة إلى الدقة المحدودة لمقياس التدفق. انظر الآن إلى بياناتك الخاصة بقسم الاختبار الملفوف. كما كان من قبل ، حدد انخفاض الضغط الكلي ومتوسط سرعة التدفق ورقم رينولدز عند كل معدل تدفق. انخفاض الضغط الكلي في هذا القسم هو مجموع الانخفاض من الجزء المستقيم والجزء الملفوف ، لذا استخدم صيغة Darcy Friction Factor ونموذج القناة المستقيمة لتقدير المساهمة من المقطع المستقيم وطرحها من الإجمالي. استخدم انخفاض الضغط المتبقي وقياس نصف قطر الملف لتحديد عامل الاحتكاك في الجزء الملفوف. نشر أوجه عدم اليقين لرقم رينولدز وعامل الاحتكاك مرة أخرى ، بافتراض عدم اليقين الضئيل من تصحيح المقطع المستقيم. ارسم هذه النتائج جنبا إلى جنب مع تنبؤ النموذج لقسم ملفوف. يتراوح رقم رينولدز بين 1,700 و 5,200 وهو ما يتوافق مع أرقام دين بين 500 و 1,600 مع قطر الأنبوب المحدد ونصف قطر الملف. هذه القيم موجودة ضمن الجزء الرقائقي من صيغة عامل احتكاك الملف. تتطابق عوامل الاحتكاك المقاسة هذه أيضا مع النموذج ضمن عدم اليقين التجريبي وبالنسبة لمعدل تدفق معين أعلى بكثير من تلك الموجودة في المقطع المستقيم. يزداد هذا بسبب تأثير التثبيت لهندسة الأنبوب الملفوف الذي يؤخر الانتقال إلى التدفق المضطرب إلى أرقام رينولدز أعلى ، حوالي 9,900 لهذه الهندسة. الآن ألق نظرة على بيانات قسم الاختبار الثالث. مرة أخرى ، حدد انخفاض الضغط الكلي ومتوسط سرعة التدفق ورقم رينولدز عند كل معدل تدفق. يرجع انخفاض الضغط الكلي في هذا القسم إلى مجموع المقاطع المستقيمة والخسائر الطفيفة من كل مرفق من المرفقين N. استخدم صيغة Darcy Friction Factor ونموذج القناة المستقيمة مرة أخرى لتقدير وطرح المساهمة من المقاطع المستقيمة. يرجع انخفاض الضغط المتبقي إلى تركيبات الكوع N في قسم الاختبار. استخدم انخفاض الضغط هذا مع عامل الاحتكاك وقطر المقاطع المستقيمة لحساب الطول المكافئ لتركيب الكوع الفردي. انشر أوجه عدم اليقين لرقم رينولدز والطول المكافئ وارسم نتائجك. مع زيادة رقم رينولدز ، تقترب نسبة الطول المكافئ إلى قطر الأنبوب الداخلي من 30 كما هو متوقع من قيم الجدولة. لاحظ أن مقاومة الاحتكاك الفعلية خاصة بهندسة التركيب ، وبالتالي يجب اعتبار هذه القيم المجدولة فقط كمبادئ توجيهية.

الآن بعد أن أصبحت أكثر دراية بشبكات الأنابيب وخسائر الضغط ، دعنا نلقي نظرة على بعض التطبيقات الواقعية لهذه المفاهيم. تتكون المبادلات الحرارية عادة من شبكتي أنابيب منفصلتين تجلب السوائل الساخنة والباردة على اتصال وثيق بالحرارة دون السماح لها بالاختلاط. يجب إجراء تحليل انخفاض الضغط عند تصميم المبادلات الحرارية للتأكد من أن المضخات يمكن أن توفر معدلات تدفق سوائل كافية وتحقق المعدل المطلوب لنقل الحرارة. يقلل تراكم البلاك في الشرايين من القطر الفعال لتدفق الدم. نتيجة لذلك ، يتعين على القلب أن يعمل بجدية أكبر للتعويض عن فقدان الضغط الإضافي. في الحالات القصوى، يزيد التراكم من خطر الانسداد الكلي للشريان أو قصور القلب. أثناء إجراء رأب الأوعية الدموية ، يتم إدخال دعامة لإعادة توسيع الشريان واستعادة تدفق الدم الطبيعي.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove لشبكات الأنابيب وخسائر الضغط. يجب أن تفهم الآن كيفية تحديد خسائر الضغط في شبكة الأنابيب باستخدام صيغة Darcy Friction Factor بما في ذلك الخسائر الطفيفة من التركيبات المنفصلة. أخيرا ، لقد رأيت كيفية تحديد فقدان الضغط تجريبيا من خلال قناة باستخدام أنابيب مقياس الضغط. شكرا للمشاهدة.