3.4: Sieci rurociągów i straty ciśnienia

1. Wykonanie instalacji rurowej (patrz schemat i zdjęcie, rys. 2)

1. Przymocuj (przyklej lub przyklej) mały plastikowy zbiornik na wodę do powierzchni roboczej. Jeśli jest to pojemnik zakryty, wywierć otwory w pokrywie na przewody wodne doprowadzające i wylotowe oraz kabel zasilający pompę.
2. Zamontuj małą pompę głębinową w zbiorniku.
3. Zamontuj rotametr (przepływomierz wody) pionowo w obszarze roboczym. Pomocne może być przymocowanie rotametru do małej pionowej belki lub wspornika L, aby utrzymać go w pozycji pionowej. Podłącz rurkę przepływową od wylotu pompy do wlotu rotametru (dolny port).
4. Podłącz plastikowe trójniki złączki zaciskowej do obu końców odcinka sztywnej rurki z tworzywa sztucznego (zalecana długość L ~ 0,3 m, średnica rury wewnętrznej D ~ 6,4 mm). Zamontuj trójniki na rurach clamps. Podłącz gumową rurkę z jednego trójnika (wlotu) do wylotu rotametru. Podłącz gumową rurkę z drugiego trójnika (wylotu) do zbiornika.
5. Zbuduj drugi zespół z dwoma zamontowanymi trójnikami. Owiń odcinek miękkiej plastikowej rurki zwinięty spiralnie wokół cylindrycznego rdzenia (zaleca się rurkę kartonową, R ~ 30 mm i ~5 owijek rurowych). Opaski zaciskowe lub zaciski mogą pomóc w utrzymaniu zwijania rurki. Zamontuj dwa wolne końce rurki do trójników.
6. Zbuduj trzeci zespół z dwoma zamontowanymi trójnikami. Połącz cztery (lub więcej) kolanka z krótkimi odcinkami sztywnej plastikowej rurki między trójnikami. Zastosowanie wielu kolanek zwiększa odczyt spadku ciśnienia, poprawiając dokładność pomiaru.
7. Zamontuj przezroczyste, sztywne rurki z tworzywa sztucznego (~0,6 m) do otwartych portów na sześciu trójnikach. Użyj poziomicy, aby upewnić się, że rurki są pionowe. Rurki te będą manometrami (urządzeniami do pomiaru ciśnienia).
8. Napełnij zbiornik wodą.

2. Operacja

1. Prosta rurka: Włącz pompę i wyreguluj zawór rotametru, aby zmienić natężenie przepływu wody. Dla każdego przypadku zapisz natężenie przepływu wody i pionowy poziom wody w każdej rurce manometru. Zapisać spadek ciśnienia w oparciu o różnicę poziomów manometru (równanie 1).
2. Zwinięta rurka: Podłącz wlot zwijanej sekcji testowej do wylotu rotametru, a wylot sekcji testowej do zbiornika. Podobnie jak w kroku 2.1, zapisz natężenie przepływu wody i spadki ciśnienia dla kilku natężeń przepływu.
3. Złączki kolankowe: Podłącz sekcję testową złączki kolankowej do rotametru i zbiornika. Zbierz zestaw pomiarów natężenia przepływu i ciśnienia, jak w kroku 2.2.

3. Analiza

1. Dla przypadku rury prostej oceń liczbę Reynoldsa i współczynnik tarcia f (równanie 2). Oceń niepewności liczby Reynoldsa i współczynnika tarcia (równanie 6). Tutaj e_ΔP to niepewność w pomiarach ciśnienia (, to niepewność poziomu manometru), a e_U to niepewność średniej prędkości kanału (z karty danych rotametru, z typową niepewnością 3 - 5% zakresu). Dla wody o temperaturze pokojowej (22°C), ρ = 998 kg m^-3 i μ = 0,001 kg m^-1 s^-1.
   (6)
2. Porównaj wyniki współczynnika tarcia z kroku 3.1 z modelami analitycznymi (równanie 3).
3. Powtórz krok 3.1 dla obudowy zwijanej rury. Tym razem odejmij przewidywany spadek ciśnienia (równanie 2-3) dla prostej części odcinka testowego od ΔP. W tym przypadku zakładamy, że niepewność w korekcie ciśnienia na długości prostej jest znikoma. Porównaj zmierzone współczynniki tarcia z wartościami z korelacji (równanie 4).
4. Powtórz krok 3.2 dla przypadku mocowania kolankowego. Odejmij przewidywany spadek ciśnienia dla prostych odcinków rur między złączkami kolankowymi, aby uzyskać skorygowaną stratę ciśnienia . Oceń równoważną długość i niepewność dla każdego łokcia. Tutaj N_e to liczba kolanek rurowych.
   (7)
5. Porównaj wynik równoważnej długości (L_e/D) z typowymi raportowanymi wartościami (~30).

Sieci rurociągów są powszechnie spotykane w systemach inżynieryjnych i naturalnych, ponieważ mogą wydajnie transportować, krążyć i rozprowadzać płyny. Woda, która wypływa z kranu w Twoim domu, przepływa przez złożony miejski system zaopatrzenia w wodę, który jest doskonałym przykładem zaprojektowanej sieci rurociągów. Gdy płyn krąży w sieci rurociągów, napotyka opór tarcia ze strony ścianek kanału i złączek, a strumień płynu traci ciśnienie, pokonując te opory przepływu. Scharakteryzowanie i zrozumienie tych strat ciśnienia jest niezbędne do określenia prawidłowych komponentów i rozmiarów w nowym projekcie lub do zdiagnozowania problemów w istniejącym systemie. W tym filmie przedstawimy proste podejście do pomiaru spadku ciśnienia w sieci rurociągów i omówimy niektóre standardowe modele przewidywania strat oraz kilka popularnych geometrii. Następnie metody te zostaną wykorzystane do eksperymentalnego pomiaru strat ciśnienia w celu porównania z modelami. Na koniec omówimy kilka innych zastosowań sieci rurociągów i strat ciśnienia.

Za każdym razem, gdy płyn przepływa przez zamknięty kanał, napotyka pewien opór tarcia ze strony ścianek kanału. W konsekwencji część energii mechanicznej płynu jest przekształcana w ciepło, co powoduje ciągłą utratę ciśnienia w kierunku przepływu. Ten spadek ciśnienia można scharakteryzować w danym układzie poprzez pomiar ciśnienia płynu w dyskretnych punktach wzdłuż kanału, co często odbywa się za pomocą prostych urządzeń do pomiaru poziomu cieczy zwanych manometrami. Manometr to otwarty pionowy lub nachylony odcinek rurki połączony z kanałem rurowym tak, że częściowo napełnia się cieczą. Wysokość kolumny cieczy jest wprost proporcjonalna do poziomu płynu w tym miejscu wzdłuż kanału. W związku z tym różnicę ciśnień między dwoma punktami lub Delta P można określić na podstawie zmiany wysokości cieczy lub Delta H między dwoma manometrami. Niestety, nie zawsze praktyczne jest dokonywanie bezpośrednich pomiarów, a straty ciśnienia często muszą być przewidywane przed zbudowaniem systemu, aby zapewnić odpowiednie natężenie przepływu płynu. W takich sytuacjach wzór na współczynnik tarcia Darcy'ego można wykorzystać do przewidywania utraty ciśnienia w wyniku tarcia. W tym równaniu Delta P to strata ciśnienia na długości L dla kanału o przekroju kołowym i średnicy wewnętrznej D, row to gęstość płynu, a U to średnia prędkość przepływu, zdefiniowana jako objętościowe natężenie przepływu podzielone przez pole przekroju kanału, f to współczynnik tarcia Darcy'ego, który podąża za różnymi empirycznie i teoretycznie wyprowadzonymi trendami w oparciu o liczbę Reynoldsa i geometrię kanału. Zapoznaj się z tekstem, aby zapoznać się z modelami używanymi do prostych kanałów okrągłych i spiralnych cewek. Różne odcinki kanałów w sieci rurociągów są połączone dyskretnymi łącznikami, takimi jak zawory, ekspandery i kolana, które również przyczyniają się do strat ciśnienia. Straty ciśnienia przez te złączki są znane jako niewielkie straty i czasami są podawane jako równoważna długość prostego kanału wymagana do uzyskania tego samego spadku ciśnienia. Straty te są nadal modelowane za pomocą wzoru na współczynnik tarcia Darcy'ego przy użyciu współczynnika tarcia i prędkości przepływu kanałów łączących oraz tabelarycznej wartości równoważnej długości przeskalowanej przez średnicę wewnętrzną złączki. Całkowite straty w systemie rurowym są po prostu sumą wszystkich strat z poszczególnych sekcji i kształtek. W następnej sekcji zmierzymy te straty w różnych reprezentatywnych konfiguracjach rur, aby określić współczynniki tarcia i równoważne długości.

Przed rozpoczęciem konfiguracji upewnij się, że masz wolny obszar do pracy i płaską powierzchnię, na której możesz zmontować komponenty. Przymocuj zbiornik na wodę do powierzchni i w razie potrzeby wywierć otwory na wlot i odpływ wody, a także kabel zasilający pompę. Zamontuj pompę głębinową w zbiorniku. Teraz przymocuj małą pionową belkę lub wspornik L w pobliżu zbiornika. Zamontuj przepływomierz rotametru pionowo na belce i użyj odcinka rurki, aby połączyć wylot pompy z wlotem rotametru. Rotametr to przyrząd, który wskazuje objętościowe natężenie przepływu płynu na podstawie pływającego poziomu małej kulki. Skonstruuj trzyrurowe sekcje testowe zgodnie z opisem w tekście. Kiedy skończysz, powinieneś mieć sekcję prostą, sekcję zwijaną i sekcję z wieloma zagięciami kolankowymi. Dokładnie zapisz długości wszystkich odcinków prostych, a także promień cewki rury mierzony od środkowej osi cewki do punktu środkowego rury. Zamontuj wszystkie trzy sekcje na powierzchni za pomocą zacisków rurowych. Wyreguluj złączki T na końcach tak, aby rozgałęziające się boczne porty były skierowane do góry, a następnie zainstaluj przezroczyste prążkowane rurki na tych portach, aby utworzyć manometry. Użyj poziomicy, aby upewnić się, że rurki manometru są pionowe. Na koniec podłącz jedną sekcję rurki do wylotu rotametru i umieść drugą rurkę powracającą do zbiornika. Te dwie lampy połączą się z wejściami i wyjściami sekcji testowych, tworząc pełną pętlę podczas eksperymentu. Napełnij zbiornik wodą i przygotowanie jest zakończone.

Podłącz rurkę z wyjścia rotametru do jednego końca prostej sekcji testowej i podłącz rurkę powrotną do drugiego końca. Teraz włącz pompę i wyreguluj zawór rotametru, aby zmaksymalizować natężenie przepływu. Gdy całe powietrze zostanie wypchnięte z pętli rury, wyłącz pompę. Może być konieczne dodanie dodatkowej wody do zbiornika po napełnieniu pętli przepływu. Gdy całe powietrze zostanie wypchnięte z pętli rury, wyłącz pompę i porównaj wysokość wody w dwóch manometrach, mierząc od góry złączki T. Jeśli dwie wysokości są różne, użyj podkładek, aby wyrównać powierzchnię testową, aż zmierzone wysokości będą takie same. Ponownie włącz pompę i po odczekaniu chwili, aż przepływ się ustabilizuje, zapisz natężenie przepływu i pionowy poziom wody w obu rurkach manometru. Teraz wyreguluj zawór rotametru, aby nieznacznie ograniczyć przepływ i zapisz nowe natężenie przepływu i poziomy manometru. Powtórz tę procedurę, aby zebrać dane przy sześciu lub siedmiu natężeniach przepływu dla prostego odcinka testowego. Po zakończeniu powtórz eksperyment z pozostałymi dwiema sekcjami testowymi, w tym w razie potrzeby ponownie dostosuj powierzchnię testową dla każdej nowej sekcji.

Najpierw spójrz na swoje dane w sekcji testu prostego. Przy każdym natężeniu przepływu masz pomiary wysokości wody w każdym manometrze. Użyj różnicy wysokości manometru, aby określić całkowity spadek ciśnienia w sekcji testowej. Następnie określ średnią prędkość przepływu w rurze, dzieląc natężenie przepływu mierzone z rotametru przez pole przekroju poprzecznego rury. Następnie oblicz liczbę Reynoldsa dla przepływu przy tym natężeniu przepływu. Połącz swoje wyniki ze wzorem współczynnika tarcia Darcy'ego i pomiarami sekcji testowej, aby obliczyć współczynnik tarcia. Dla odcinka prostego o długości 284 milimetrów i średnicy wewnętrznej 6,4 milimetra zmierzone natężenia przepływu od trzech czwartych do dwóch litrów na minutę odpowiadają warunkom turbulentnym. Propaguj niepewności, aby określić całkowitą niepewność liczby Reynoldsa i współczynnika tarcia zgodnie z opisem w tekście, a następnie wykreśl wynik wraz z prognozą modelu dla odcinka prostego. W ramach niepewności eksperymentalnej czynniki tarcia były zgodne z przewidywaniami modelu. Stosunkowo duża niepewność współczynnika tarcia przy niskich natężeniach przepływu wynika z ograniczonej dokładności przepływomierza. Teraz spójrz na swoje dane dla sekcji testu zwiniętego. Tak jak poprzednio, określ całkowity spadek ciśnienia, średnią prędkość przepływu i liczbę Reynoldsa dla każdego natężenia przepływu. Całkowity spadek ciśnienia w tej sekcji jest sumą spadku z części prostej i części zwiniętej, więc użyj wzoru na współczynnik tarcia Darcy'ego i modelu kanału prostego, aby oszacować wkład odcinka prostego i odjąć go od sumy. Użyj pozostałego spadku ciśnienia i pomiaru promienia zwoju, aby określić współczynnik tarcia w zwiniętej części. Ponownie propaguj niepewności dla liczby Reynoldsa i współczynnika tarcia, zakładając znikomą niepewność z poprawki dla odcinka prostego. Wykreśl te wyniki wraz z przewidywaniami modelu dla przekroju zwiniętego. Liczba Reynoldsa wynosi od 1,700 do 5,200, co odpowiada liczbom Deana od 500 do 1,600 przy podanej średnicy rury i promieniu cewki. Wartości te mieszczą się w części laminarnej wzoru na współczynnik tarcia cewki. Te zmierzone współczynniki tarcia są również zgodne z modelem w ramach niepewności eksperymentalnej i dla danego natężenia przepływu są znacznie wyższe niż te znalezione na odcinku prostym. Zwiększa się to ze względu na stabilizujący efekt geometrii zwiniętej rury, która opóźnia przejście do przepływu turbulentnego do wyższych liczb Reynoldsa, około 9,900 dla tej geometrii. Teraz spójrz na dane z trzeciej sekcji testowej. Ponownie określ całkowity spadek ciśnienia, średnią prędkość przepływu i liczbę Reynoldsa przy każdym natężeniu przepływu. Całkowity spadek ciśnienia w tym przekroju wynika z sumy odcinków prostych i niewielkich strat z każdego z kolanek N. Użyj ponownie wzoru na współczynnik tarcia Darcy'ego i modelu kanału prostego, aby oszacować i odjąć udział odcinków prostych. Pozostały spadek ciśnienia wynika ze złączek kolankowych N w sekcji testowej. Użyj tego spadku ciśnienia ze współczynnikiem tarcia i średnicą odcinków prostych, aby obliczyć równoważną długość dla pojedynczego łącznika kolankowego. Propaguj niepewności dla liczby Reynoldsa i jej równoważnej długości, a następnie wykreśl wyniki. Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa stosunek równoważnej długości do wewnętrznej średnicy rury zbliża się do 30, zgodnie z oczekiwaniami na podstawie wartości tabelarycznych. Należy pamiętać, że rzeczywisty opór tarcia jest specyficzny dla geometrii dopasowania, dlatego te wartości tabelaryczne należy traktować jedynie jako wskazówki.

Teraz, gdy jesteś już bardziej zaznajomiony z sieciami rurociągów i stratami ciśnienia, przyjrzyjmy się niektórym rzeczywistym zastosowaniom tych koncepcji. Wymienniki ciepła zazwyczaj składają się z dwóch oddzielnych sieci rurowych, które doprowadzają gorący i zimny płyn w bliski kontakt termiczny, nie dopuszczając do ich mieszania. Podczas projektowania wymienników ciepła należy przeprowadzić analizę spadku ciśnienia, aby upewnić się, że pompy mogą zapewnić wystarczające natężenie przepływu płynu i osiągnąć pożądaną szybkość wymiany ciepła. Nagromadzenie blaszki miażdżycowej w tętnicach zmniejsza efektywną średnicę przepływu krwi. W rezultacie serce musi pracować ciężej, aby zrekompensować dodatkową utratę ciśnienia. W skrajnych przypadkach nagromadzenie zwiększa ryzyko całkowitego zablokowania tętnicy lub niewydolności serca. Podczas zabiegu angioplastyki wprowadza się stent w celu ponownego rozszerzenia tętnicy i przywrócenia prawidłowego przepływu krwi.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do sieci rurociągów i strat ciśnienia. Powinieneś teraz zrozumieć, jak określić straty ciśnienia w sieci rurociągów za pomocą wzoru na współczynnik tarcia Darcy'ego, w tym niewielkie straty z łączników dyskretnych. Wreszcie widziałeś, jak eksperymentalnie określić stratę ciśnienia przez kanał za pomocą rurek manometru. Dzięki za oglądanie.