Réseaux de canalisations et pertes de charge

Réseaux de tuyauterie sont fréquents dans les systèmes machinés et naturels, car elles peuvent efficacement transporter, faire circuler et distribuer les fluides. L’eau qui sort de l’eau du robinet à vos déplacements domicile grâce à un système d’approvisionnement en eau ville complexe qui est un excellent exemple d’un réseau de tuyauterie machiné. Comme fluide circule dans un réseau de canalisations, il rencontre la résistance de frottement entre les parois du canal et raccords et le flux de fluide perd la pression qu’il surmonte ces résistances de flux. Caractériser et comprendre ces pertes de pression est nécessaire pour spécifier les composants appropriés et les tailles dans un nouveau design ou pour diagnostiquer les problèmes dans un système existant. Dans cette vidéo, nous illustrer une approche simple pour mesurer la chute de pression au sein d’un réseau de canalisations et nous discuterons de certains modèles standards pour prédire les pertes et quelques communes géométries. Par la suite, ces méthodes seront utilisées pour mesurer expérimentalement les pertes de pression pour la comparaison avec les modèles. Enfin, nous aborderons quelques autres applications de réseaux de tuyauterie et de pertes de pression.

N’importe quel moment un fluide s’écoule à travers une voie fermée, il rencontre une résistance de frottement entre les parois du canal. En conséquence, une fraction de l’énergie mécanique du fluide est convertie en chaleur, entraînant une perte continue de la pression dans le sens d’écoulement. Cette perte de pression peut être caractérisée dans un système donné en mesurant la pression du fluide aux points discrets le long du canal qui se fait souvent à l’aide de simples dispositifs de niveau liquides appelé manomètres. Un manomètre est une section verticale ou inclinée ouverte du tube relié au canal tuyauterie afin qu’il remplisse partiellement avec le liquide. La hauteur de la colonne de liquide est directement proportionnelle au niveau fluid à ce moment-là le long du canal. Par conséquent, la différence de pression entre deux points ou Delta P peut être déterminée de la modification de la hauteur de liquide ou Delta H entre deux manomètres. Malheureusement, il n’est pas toujours pratique d’effectuer des mesures directes et les pertes de pression doivent souvent être prédite avant un système est conçu pour garantir des taux de débit de fluide adéquat. Dans ces situations, la formule de Darcy coefficient de frottement permet de prédire la perte de charge par frottement. Dans cette équation, Delta P est la perte de pression sur une longueur L pour une chaîne avec une section circulaire et d’un diamètre intérieur D, rangée est la densité du fluide, et U est la vitesse de débit moyen, définie comme le débit volumique, divisé par la section transversale de la cha nnel, f est le coefficient de frottement de Darcy qui suit différents empiriquement et théoriquement dérivés tendances basées sur la géométrie de nombre et canal de Reynolds. Se reporter au texte pour les modèles utilisés pour les canaux droit circulaire et spires hélicoïdales. Les différentes sections de canal d’un réseau de canalisations sont reliées par des raccords discrets tels que vannes, détendeurs et virages qui contribuent également à la perte de pression. Les pertes de pression par le biais de ces raccords sont appelées pertes mineures et sont parfois signalés en ce qui concerne la longueur équivalente d’un canal rectiligne pour produire la même chute de pression. Ces pertes sont encore modélisés avec la formule de coefficient de frottement de Darcy en utilisant le coefficient de frottement et débit vitesse des voies interlacustres et la valeur tabulée de longueur équivalente réduite par le diamètre intérieur pour le montage. Total des pertes dans le système de tuyauterie sont simplement la somme de toutes les pertes de différentes sections et accessoires. Dans la section suivante, nous allons mesurer ces pertes dans des configurations de tuyau représentant différents pour déterminer les facteurs de frottement et des longueurs équivalentes.

Avant de commencer la mise en place, assurez-vous que vous avez une zone dégagée au travail et une surface plane sur laquelle assembler les composants. Fixer le réservoir d’eau à la surface et le cas échéant, percer des trous d’eau entrée et sortie ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Monter la pompe immergée dans le réservoir. Maintenant, fixez un petit Faisceau vertical ou support en L près du réservoir. Monter le débitmètre rotamètre verticalement sur la poutre et une section de tube permet de raccorder la sortie de la pompe à l’entrée de rotamètre. Le rotamètre est un instrument qui indique le débit volumétrique d’un fluide selon le niveau flottant d’un petit cordon. Construire les sections de trois tubes essai tel que décrit dans le texte. Lorsque vous avez terminé, vous devriez avoir une section droite, une section enroulée et une section avec plusieurs coudes. Soigneusement noter les longueurs de toutes les sections droites, ainsi que le rayon de la bobine de tube, mesurée à partir de l’axe central de la bobine au milieu du tube. Monter les trois sections de la surface avec colliers de serrage. Ajuster les raccords en T sur les extrémités pour que les orifices latéraux ramification point vers le haut et puis installer les tubes striées claires sur ces ports pour former les manomètres. Utilisez un niveau pour s’assurer que les tubes de manomètre sont verticaux. Enfin, se connecter à une section du tube à la sortie de la rotamètre et placer un second tube de retour au réservoir. Ces deux tubes seront connectera aux entrées et sorties des sections test pour former une boucle complète pendant l’expérience. Remplir le réservoir avec de l’eau et la préparation est terminée.

Connecter le tuyau de la sortie de rotamètre à une extrémité de la section droite et connecter le tuyau de retour à l’autre extrémité. Maintenant, allumez la pompe et régler la vanne de rotamètre afin de maximiser la vitesse d’écoulement. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe. Vous devrez peut-être ajouter ajoutant de l’eau dans le réservoir une fois que la boucle de circulation est remplie. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe et comparez la hauteur de l’eau dans les deux manomètres, mesure du haut du raccord en T. Si les deux hauteurs sont différentes, utiliser des cales pour niveler la surface d’essai jusqu’à ce que les hauteurs mesurées sont les mêmes. Remettez la pompe en marche et après avoir attendu un moment pour le débit à régler, enregistrer le débit et le niveau d’eau vertical dans les deux tubes de manomètre. Régler la vanne de rotamètre pour restreindre le flux légèrement et enregistrer les nouveaux niveaux de débit taux et manomètre. Répétez cette procédure pour recueillir des données à six ou sept débits pour la section droite. Lorsque vous avez terminé, répétez l’expérience avec les deux autres sections test y compris un réajustement de la surface d’essai pour chaque nouvel article si nécessaire.

Tout d’abord, regardez vos données pour la section droite. Pour chaque débit, vous avez les mesures pour la hauteur d’eau dans chaque manomètre. La différence dans les hauteurs de manomètre permet de déterminer la chute de la pression totale dans la section de l’essai. Ensuite, déterminer la vitesse de débit moyen dans le tube en divisant le débit mesuré à partir du rotamètre par la section transversale du tube. Puis, calculez le nombre de Reynolds de l’écoulement à ce débit. Combinez vos résultats avec la formule du coefficient de frottement de Darcy et vos mesures de la section test de résoudre pour le coefficient de frottement. Pour une section droite de longueur 284 millimètres et diamètre intérieur de 6,4 millimètres, les débits mesurés de trois quarts à deux litres par minute correspondent à des conditions turbulentes. Propagez les incertitudes pour déterminer l’incertitude totale du nombre de Reynolds et le coefficient de frottement, comme décrit dans le texte et ensuite tracer le résultat ainsi que la prédiction de modèle pour une section droite. Au sein de l’incertitude expérimentale, les facteurs de frottement correspondant à la prédiction du modèle. L’incertitude relativement élevée sur le coefficient de frottement à faibles débits est en raison de la précision limitée du débitmètre. Maintenant, regardez vos données pour la section enroulée. Comme avant, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section est la somme de la chute de la partie droite et la partie enroulée donc utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne pour estimer la contribution de la section droite et il déduit de la somme . Utilisez la chute de pression restante et la mesure du rayon bobine pour déterminer le coefficient de frottement dans la partie enroulée. Propager les incertitudes concernant le facteur de nombre et de la friction de Reynolds une fois de plus, en supposant négligeable incertitude de la correction de la section droite. Tracer ces résultats ainsi que la prédiction de modèle pour une section enroulée. Le nombre de Reynolds est entre 1 700 et 5 200 qui correspond aux nombres de Dean entre 500 et 1 600 avec un rayon de diamètre et bobine de tube donné. Ces valeurs sont dans la partie laminaire de la formule de facteur de friction de bobine. Ces mesuré des facteurs de friction également match le modèle au sein de l’incertitude expérimentale et pour un débit donné sont sensiblement plus élevés que ceux trouvés dans la section droite. Cela augmente en raison de l’effet stabilisant de la géométrie de serpentins qui retarde le passage à un écoulement turbulent à nombre de Reynolds plus élevé, environ 9 900 pour cette géométrie. Maintenant Regardez les données pour la troisième partie du test. Une fois de plus, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section provient de la somme des sections droites et légères pertes de chacun des coudes N. Utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne à nouveau afin d’estimer et de soustraire la contribution provenant des sections droites. La chute de pression restante tient les raccords coudés de N dans la section test. Utilisez cette chute de pression avec le coefficient de frottement et le diamètre des sections droites pour calculer la longueur équivalente pour un raccord en coude individuels. Propagation des incertitudes quant au nombre de Reynolds et de la longueur équivalente et tracer vos résultats. Comme l’augmentation de nombre de Reynolds, le ratio de la longueur équivalente au diamètre du tuyau interne approche 30 comme prévu des valeurs tabulés. Notez que la réelle résistance de frottement est spécifique à la géométrie de l’ajustage de précision et donc ces tabulés valeurs ne doivent être envisagées comme lignes directrices.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec les réseaux de canalisation et de pertes de pression, regardons quelques applications réelles de ces concepts. Échangeurs de chaleur sont généralement composés de deux réseaux de canalisations séparées qui apportent des fluides chauds et froids en contact thermique étroit sans leur permettant de mélanger. La pression chute analyse doit être effectuée lorsque la conception des échangeurs de chaleur pour s’assurer que les pompes peuvent fournir suffisamment fluide débits et atteindre le taux souhaité de transfert de chaleur. Accumulation de plaque dans les artères réduit le diamètre effectif pour le sang de circuler. Ainsi, cœur doit travailler plus fort pour compenser la perte de pression supplémentaire. Dans les cas extrêmes, l’accumulation augmente le risque d’un blocage total de l’artère ou d’insuffisance cardiaque. Au cours d’une angioplastie, un stent est inséré pour re-développer l’artère et de restaurer le flux sanguin normal.

Vous avez juste regardé introduction de Jove aux réseaux de tuyauterie et de pertes de pression. Vous devez maintenant comprendre comment déterminer les pertes de pression dans un réseau de canalisations en utilisant la formule de coefficient de frottement de Darcy y compris les pertes mineures des essayages discrets. Enfin, vous avez vu comment déterminer expérimentalement la perte de pression à travers un canal à l’aide de tubes de manomètre. Merci de regarder.