רשתות צנרת והפסדי לחץ

רשתות צנרת נמצאות בדרך כלל במערכות מהונדסות וטבעיות מכיוון שהן יכולות להעביר, להפיץ ולהפיץ נוזלים ביעילות. המים שיוצאים מהברז בביתכם עוברים דרך מערכת אספקת מים עירונית מורכבת המהווה דוגמה מצוינת לרשת צנרת מהונדסת. כאשר הנוזל מסתובב דרך רשת צנרת, הוא נתקל בהתנגדות חיכוך מדפנות התעלה והאביזרים וזרם הנוזל מאבד לחץ כשהוא מתגבר על התנגדות הזרימה הללו. אפיון והבנת הפסדי לחץ אלה נחוצים כדי לציין את הרכיבים והגדלים הנכונים בתכנון חדש או לאבחון בעיות במערכת קיימת. בסרטון זה, נדגים גישה פשוטה למדידת ירידת הלחץ בתוך רשת צינורות ונדון בכמה מודלים סטנדרטיים לחיזוי הפסדים וכמה גיאומטריות נפוצות. לאחר מכן, שיטות אלו ישמשו למדידה ניסויית של הפסדי לחץ להשוואה עם המודלים. לבסוף, נדון בכמה יישומים אחרים של רשתות צנרת והפסדי לחץ.

בכל פעם שנוזל זורם דרך תעלה סגורה, הוא נתקל בהתנגדות חיכוך מסוימת מדפנות התעלה. כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה המכנית של הנוזל מומר לחום, וכתוצאה מכך אובדן לחץ מתמשך בכיוון הזרימה. ניתן לאפיין אובדן לחץ זה במערכת נתונה על ידי מדידת לחץ הנוזל בנקודות נפרדות לאורך התעלה, מה שנעשה לרוב באמצעות התקני מפלס נוזל פשוטים הנקראים מנומטרים. מנומטר הוא קטע צינור פתוח, אנכי או נוטה המחובר לתעלת הצנרת כך שהוא מתמלא חלקית בנוזל. גובה עמוד הנוזל עומד ביחס ישר למפלס הנוזל באותה נקודה לאורך התעלה. לכן, ניתן לקבוע את ההבדל בלחץ בין שתי נקודות או דלתא P מהשינוי בגובה הנוזל או בדלתא H בין שני מנומטרים. למרבה הצער, לא תמיד מעשי לבצע מדידות ישירות ולעתים קרובות יש לחזות הפסדי לחץ לפני בניית מערכת כדי להבטיח קצבי זרימת נוזלים נאותים. במצבים אלה, ניתן להשתמש בנוסחת גורם החיכוך של דארסי כדי לחזות אובדן לחץ חיכוך. במשוואה זו, דלתא P הוא אובדן הלחץ לאורך L עבור תעלה עם חתך מעגלי וקוטר פנימי D, שורה היא צפיפות הנוזל, ו-U היא מהירות הזרימה הממוצעת, המוגדרת כקצב זרימת הנפח חלקי שטח החתך של התעלה, f הוא גורם החיכוך של דארסי העוקב אחר מגמות שונות הנגזרות אמפירית ותיאורטית המבוססות על מספר ריינולדס וגיאומטריית הערוץ. עיין בטקסט עבור הדגמים המשמשים לתעלות עגולות ישרות וסלילים סליליים. קטעי התעלות השונים ברשת צינורות מחוברים באמצעות אביזרים נפרדים כגון שסתומים, מרחיבים וכיפופים התורמים גם הם לאובדן לחץ. הפסדי הלחץ דרך אביזרים אלה ידועים כהפסדים קלים ולעיתים מדווחים במונחים של אורך שווה ערך של תעלה ישרה הנדרשת כדי להניב את אותה ירידת לחץ. הפסדים אלה עדיין מודלים עם נוסחת גורם החיכוך של דארסי תוך שימוש בגורם החיכוך ומהירות הזרימה של התעלות המחברות והערך הטבלה של אורך שווה ערך בקנה מידה של הקוטר הפנימי להתאמה. סך ההפסדים במערכת הצנרת הוא פשוט סיכום של כל ההפסדים מחלקים ואביזרים בודדים. בסעיף הבא, נמדוד הפסדים אלה בתצורות צינור מייצגות שונות כדי לקבוע את גורמי החיכוך ואורכים שווי ערך.

לפני שתתחיל בהתקנה, ודא שיש לך אזור פנוי לעבודה ומשטח ישר שעליו ניתן להרכיב את הרכיבים. הצמד את מאגר המים לפני השטח ובמידת הצורך קדח חורים לכניסת ויציאת מים וכן את כבל החשמל של המשאבה. התקן את המשאבה הצוללת במאגר. כעת חבר קרן אנכית קטנה או סוגר L ליד המאגר. התקן את מד הזרימה של מד הסיבוב אנכית על הקורה והשתמש בקטע צינור כדי לחבר את יציאת המשאבה לכניסת הסיבוב. מד הסיבוב הוא מכשיר המציין את קצב הזרימה הנפחי של נוזל על סמך המפלס הצף של חרוז קטן. בנה את קטעי הבדיקה של שלושת הצינורות כמתואר בטקסט. כשתסיים, אמור להיות לך קטע ישר, קטע מפותל וקטע עם כיפופי מרפקים מרובים. רשום בזהירות את האורכים של כל החלקים הישרים, כמו גם את רדיוס סליל הצינור הנמדד מהציר המרכזי של הסליל לנקודת האמצע של הצינור. הרכיב את כל שלושת החלקים על פני השטח בעזרת מהדקי צינור. כוונן את אביזרי ה-T בקצוות כך שיציאות הצד המסתעפות יפנו כלפי מעלה ולאחר מכן התקן צינורות מרוכסים שקופים על יציאות אלה כדי ליצור את המונומטרים. השתמש במפלס כדי להבטיח שצינורות המונומטר יהיו אנכיים. לבסוף, חבר קטע אחד של הצינור לשקע הסיבוב והנח צינור שני החוזר למאגר. שני הצינורות הללו יתחברו לכניסות וליציאות של קטעי הבדיקה כדי ליצור לולאה שלמה במהלך הניסוי. מלאו את המאגר במים וההכנה הושלמה.

חבר את הצינור מיציאת הסיבוב לקצה אחד של קטע הבדיקה הישר וחבר את צינור ההחזרה לקצה השני. כעת הפעל את המשאבה והתאם את שסתום הסיבוב כדי למקסם את קצב הזרימה. לאחר שכל האוויר נאלץ לצאת מלולאת הצינור, כבה את המשאבה. ייתכן שיהיה עליך להוסיף מים נוספים למאגר לאחר מילוי לולאת הזרימה. לאחר שכל האוויר נאלץ לצאת מלולאת הצינור, כבה את המשאבה והשווה את גובה המים בשני המונומטרים, מדוד מהחלק העליון של מתקן ה-T. אם שני הגבהים שונים, השתמש בשקעים כדי ליישר את משטח הבדיקה עד שהגבהים הנמדדים זהים. הפעל שוב את המשאבה ולאחר המתנה של רגע עד שהזרימה תתייצב, רשום את קצב הזרימה ואת מפלס המים האנכי בשני צינורות המונומטר. כעת כוונן את שסתום הסיבוב כדי להגביל מעט את הזרימה ולרשום את קצב הזרימה החדש ואת רמות המונומטר. חזור על הליך זה כדי לאסוף נתונים בשישה או שבעה קצבי זרימה עבור קטע הבדיקה הישר. כשתסיים, חזור על הניסוי עם שני חלקי הבדיקה האחרים כולל התאמה מחדש של משטח הבדיקה עבור כל חלק חדש במידת הצורך.

ראשית, הסתכל על הנתונים שלך עבור קטע המבחן הישר. בכל קצב זרימה, יש לך מדידות לגובה המים בכל מד לחץ. השתמש בהבדל בגבהי המונומטר כדי לקבוע את ירידת הלחץ הכוללת בקטע הבדיקה. לאחר מכן קבע את מהירות הזרימה הממוצעת בצינור על ידי חלוקת קצב הזרימה הנמדד מהסיבוב בשטח החתך של הצינור. לאחר מכן, חשב את מספר ריינולדס עבור הזרימה בקצב זרימה זה. שלב את התוצאות שלך עם נוסחת גורם החיכוך של דארסי והמדידות שלך של קטע הבדיקה כדי לפתור את גורם החיכוך. עבור קטע ישר באורך 284 מילימטרים וקוטר פנימי של 6.4 מילימטרים, קצבי הזרימה הנמדדים משלושת רבעי לשני ליטר לדקה תואמים לתנאים סוערים. הפיץ אי ודאות כדי לקבוע את אי הוודאות הכוללת במספר ריינולדס ואת גורם החיכוך כמתואר בטקסט ולאחר מכן לשרטט את התוצאה יחד עם חיזוי המודל עבור חתך ישר. בתוך אי הוודאות הניסיונית, גורמי החיכוך תאמו את החיזוי של המודל. אי הוודאות הגבוהה יחסית בגורם החיכוך בקצבי זרימה נמוכים נובעת מהדיוק המוגבל של מד הזרימה. כעת עיין בנתונים שלך עבור סעיף הבדיקה המפותלת. כמו קודם, קבע את ירידת הלחץ הכוללת, מהירות הזרימה הממוצעת ומספר ריינולדס בכל קצב זרימה. ירידת הלחץ הכוללת בקטע זה היא סכום הירידה מהחלק הישר והחלק המפותל, לכן השתמש בנוסחת גורם החיכוך של דארסי ובמודל הערוץ הישר כדי להעריך את התרומה מהקטע הישר ולהפחית זאת מהסך הכולל. השתמש בירידת הלחץ שנותרה ובמדידה שלך של רדיוס הסליל כדי לקבוע את גורם החיכוך בחלק המפותל. להפיץ שוב את אי הוודאות עבור מספר ריינולדס ומקדם החיכוך, בהנחה של אי ודאות זניחה מהתיקון עבור הקטע הישר. שרטט את התוצאות הללו יחד עם חיזוי המודל עבור חתך מפותל. מספר ריינולדס הוא בין 1,700 ל-5,200, המקביל למספרי דין בין 500 ל-1,600 עם קוטר הצינור ורדיוס הסליל הנתון. ערכים אלה נמצאים בתוך החלק הלמינרי של נוסחת גורם החיכוך של הסליל. גורמי חיכוך נמדדים אלה תואמים גם את המודל בתוך אי ודאות ניסויית ועבור קצב זרימה נתון גבוהים משמעותית מאלה שנמצאים בקטע הישר. זה גדל עקב ההשפעה המייצבת של גיאומטריית הצינור המפותל המעכבת את המעבר לזרימה טורבולנטית למספרי ריינולדס גבוהים יותר, כ-9,900 עבור גיאומטריה זו. עכשיו תסתכל על הנתונים של סעיף המבחן השלישי. שוב, קבע את ירידת הלחץ הכוללת, מהירות הזרימה הממוצעת ומספר ריינולדס בכל קצב זרימה. ירידת הלחץ הכוללת בקטע זה נובעת מסכום הקטעים הישרים והפסדים קלים מכל אחד ממרפקי ה-N. השתמש שוב בנוסחת גורם החיכוך של דארסי ובמודל הערוץ הישר כדי להעריך ולהחסיר את התרומה מהחתכים הישרים. ירידת הלחץ שנותרה נובעת מאביזרי המרפק N בקטע הבדיקה. השתמש בירידת לחץ זו עם גורם החיכוך והקוטר של החלקים הישרים כדי לחשב את האורך המקביל להתאמת מרפק בודדת. הפיץ אי-ודאות עבור מספר ריינולדס והאורך המקביל ושרטט את התוצאות שלך. ככל שמספר ריינולדס גדל, היחס בין האורך המקביל לקוטר הצינור הפנימי מתקרב ל-30 כצפוי מערכי הטבלאות. שימו לב שהתנגדות החיכוך בפועל היא ספציפית לגיאומטריה המתאימה ולכן יש להתייחס לערכים הטבלה הללו רק כקווים מנחים.

כעת, כשאתה מכיר יותר רשתות צינורות והפסדי לחץ, בואו נסתכל על כמה יישומים בעולם האמיתי של מושגים אלה. מחליפי חום מורכבים בדרך כלל משתי רשתות צנרת נפרדות המביאות נוזל חם וקר במגע תרמי קרוב מבלי לאפשר להם להתערבב. יש לבצע ניתוח ירידת לחץ בעת תכנון מחליפי חום כדי להבטיח שהמשאבות יכולות לספק קצבי זרימת נוזלים מספיקים ולהשיג את קצב העברת החום הרצוי. הצטברות פלאק בעורקים מפחיתה את הקוטר האפקטיבי לזרימת הדם. כתוצאה מכך, הלב צריך לעבוד קשה יותר כדי לפצות על אובדן הלחץ הנוסף. במקרים קיצוניים, ההצטברות מגדילה את הסיכון לחסימה מוחלטת של העורק או לאי ספיקת לב. במהלך הליך אנגיופלסטיקה, מוחדר סטנט להרחבה מחדש של העורק ולהחזרת זרימת הדם התקינה.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לרשתות צנרת והפסדי לחץ. כעת עליך להבין כיצד לקבוע הפסדי לחץ ברשת צינורות באמצעות נוסחת גורם החיכוך של דארסי כולל ההפסדים הקלים מאביזרים בדידים. לבסוף, ראית כיצד לקבוע באופן ניסיוני את אובדן הלחץ דרך תעלה באמצעות צינורות מנומטר. תודה שצפית.