Name: measuring pressure drop in pipe components
Uploaded: 2023-04-30T06:58:15.000Z
Duration: 12 min 27 s
Channel: JoVE

1. Изготовление системы трубопроводов (см. схему и фотографию, рис. 2)
<ol>
	<li>Прикрепите (скотчем или клеем) небольшой пластиковый резервуар для воды к рабочей поверхности. Если это закрытая емкость, просверлите отверстия в крышке для входного и выходного водопроводов и кабеля питания насоса. </li>
	<li>Установите небольшой погружной насос в резервуар. </li>
	<li>Установите ротаметр (расходомер воды) вертикально в рабочей зоне. Может быть полезно прикрепить ротаметр к небольшой вертикальной балке или L-образному кронштейну, чтобы удерживать его в вертикальном положении. Подсоедините проточную трубку от выхода насоса к входу ротаметра (нижний порт). </li>
	<li>Соедините тройники пластикового компрессионного фитинга с обоими концами секции жесткой пластиковой трубы (рекомендуемая длина L ~ 0,3 м, внутренний диаметр трубы D ~ 6,4 мм). Установите тройники на хомуты для труб. Подсоедините резиновую трубку от одного тройника (входа) к выходу ротаметра. Подсоедините резиновую трубку от другого тройника (выхода) к резервуару. </li>
	<li>Соберите вторую сборку с двумя установленными тройниками. Оберните отрезок мягкой пластиковой трубки, спирально обмотанной вокруг цилиндрического сердечника (рекомендуется картонная трубка, R ~ 30 мм и ~5 трубок). Стяжки или зажимы могут помочь удерживать трубку в спирали. Установите два свободных конца трубки на тройниковые фитинги. </li>
	<li>Соберите третий узел с двумя установленными тройниками. Соедините четыре (или более) колена короткими отрезками жесткой пластиковой трубки между тройниками. Использование нескольких колен усиливает показания перепада давления, повышая точность измерений. </li>
	<li>Установите прозрачные жесткие пластиковые трубки (~0,6 м) в открытые отверстия на шести тройниковых фитингах. Используйте уровень, чтобы убедиться, что трубки расположены вертикально. Эти трубки и будут манометрами (приборами для измерения давления). </li>
	<li>Наполните водоем водой. </li>
</ol>
2. Операция
<ol>
	<li>Прямая труба: Включите насос и отрегулируйте клапан ротаметра, чтобы изменить скорость потока воды. Для каждого случая запишите расход воды и вертикальный уровень воды в каждой трубке манометра. Запишите перепад давления на основе разницы в уровнях манометра (уравнение 1). </li>
	<li>Спиральная труба: Подключите вход тестовой секции в спираль к выходу ротаметра, а выход тестовой секции к резервуару. Как и в шаге 2.1, запишите расход воды и перепады давления для ряда значений расхода. </li>
	<li>Угловые фитинги: Подключите испытательную секцию локтевого фитинга к ротаметру и резервуару. Соберите набор измерений расхода и давления, как показано в шаге 2.2. </li>
</ol>
3. Анализ
<ol>
	<li>Для случая с прямой трубой оцените число Рейнольдса и коэффициент трения f (уравнение 2). Оцените число Рейнольдса и неопределенности фактора трения (уравнение 6). Здесь eΔP - погрешность измерений давления (<img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/10389/10389eq18.jpg">, <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/10389/10389eq19.jpg"> - погрешность уровня манометра), а eU - погрешность средней скорости канала (из спецификации ротаметра, с типичной погрешностью 3 - 5% диапазона). Для воды комнатной температуры (22°C) ρ = 998 кг м-3 и μ = 0,001 кг м-1 s-1. 
	<img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/10389/10389eq20.jpg"> (6)</li>
	<li>Сравните результаты коэффициента трения на шаге 3.1 с аналитическими моделями (уравнение 3). </li>
	<li>Повторите шаг 3.1 для корпуса со спиральной трубкой. На этот раз вычтем прогнозируемый перепад давления (уравнения 2-3) для прямой части испытательного участка из ΔP. Здесь мы предполагаем, что неопределенность коррекции давления по прямой незначительна. Сравните измеренные коэффициенты трения со значениями корреляции (уравнение 4). </li>
	<li>Повторите шаг 3.2 для футляра для подгонки локтя. Вычтите прогнозируемый перепад давления для прямых отрезков трубок между коленчатыми фитингами, чтобы получить скорректированную потерю давления <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/10389/10389eq21.jpg">. Оцените эквивалентную длину и погрешность для каждого локтя. Здесь Ne - это количество колен трубы. 
	<img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/10389/10389eq22.jpg"> (7)</li>
	<li>Сравните результат эквивалентной длины (Le/D) с типичными значениями (~30). </li>
</ol>

Сводка
В этом эксперименте демонстрируются методы измерения коэффициентов трения при перепаде давления и эквивалентных длин во внутренних проточных сетях. Представлены методы моделирования для распространенных конфигураций потока, включая прямые трубы, змеевые трубы и фитинги. Эти экспериментальные и аналитические методы являются ключевыми инженерными инструментами для проектирования систем управления потоками жидкостей.
Приложений<...

Трубопроводные сети и потери давления

Источник: Александр С. Раттнер, факультет механической и ядерной инженерии, Университет штата Пенсильвания, Юниверсити-Парк, Пенсильвания
Этот эксперимент знакомит с измерением и моделированием потерь давления в трубопроводных сетях и системах внутренних потоков. В таких системах сопротивление потока трения от стенок канала, фитингов и препятствий приводит к тому, что механическая энергия в виде давления жидкости преобразуется в тепло. Инженерный анализ необходим для определения размеров проточного оборудования, чтобы обеспечить приемлемые потери давления на трение, и выбрать насосы, отвечающие требованиям к перепаду давления.
В этом эксперименте строится сеть трубопроводов с общими характеристиками потока: прямыми отрезками трубок, спиральными трубчатыми катушками и угловыми фитингами (острые изгибы под углом 90°). Измерения потери давления по каждому комплекту компонентов собираются с помощью манометров — простых устройств, которые измеряют давление жидкости по уровню жидкости в открытой вертикальной колонне. Результирующие кривые потерь давления сравниваются с прогнозами моделей внутренних потоков.

Измеренные данные о коэффициенте трения и эквивалентной длине представлены на рисунке 3a-c. Для прямого сечения трубы используется прозрачная трубка из ПВХ с D = 6,4 мм и L = 284 мм. Измеренный расход (0,75 - 2,10 л мин-1) соответствует турбулентным условиям (Re = 2600 - 7300). Коэффициенты трения соответствуют прогнозам аналитической модели с точностью до экспериментальной неопределенности. Относительно высокая погрешность f обнаруживает...

Source: Alexander S Rattner, Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
This experiment ...

Education

JoVE Science Education

Engineering

Инженерия

Mechanical Engineering

Машиностроение

Piping Networks and Pressure Losses

measuring pressure drop in pipe components

This experiment measures pressure drop in pipe components used in internal flow systems. Friction from channel walls, fittings, and obstructions can turn fluid pressure into heat, which reduces the pressure available for flow.

A piping network is built with straight tubing, helical tube coils, and elbow fittings with sharp 90° bends. Pressure loss is measured across each component set with manometers, which show fluid pressure by the height of liquid in an open vertical column.

The measured pressure loss curves are then compared with internal flow models. This helps show how engineers size flow hardware to keep frictional losses acceptable and choose pumps that can meet pressure drop requirements.

Measuring Pressure Drop in Pipe Components

measuring-pressure-drop-in-pipe-components

buoyancy and drag on immersed bodies

Measuring Drag on Rising Bubbles

Objects, vehicles, and organisms in fluids experience buoyancy, drag, and lift. Buoyancy is the upward force from the fluid’s weight. Drag is the resistive force that acts opposite motion. Lift is the force perpendicular to the direction of motion. These forces matter in engineering and in the study of swimming and flying organisms. Predicting and measuring them helps explain how bodies move through a fluid medium. It also supports the design of vehicles that travel through liquids or gases. <br...

stability of floating vessels

How Cargo Changes Boat Stability

Boat stability depends on hull shape and internal mass distribution. A stable vessel can self-right after it is rolled to one side by an outside force. Careful hull design helps seagoing vessels stay stable with a low draft, which is the submerged depth of the hull. That can improve maneuverability and reduce drag. This experiment uses a model boat with an adjustable center of mass, which represents different cargo loadings. The boat is also modified for automated tracking of its roll angle.

propulsion and thrust

Static Thrust Testing in Propulsion Systems

Propulsion systems create thrust by speeding up a surrounding fluid or high-temperature combustion products. Aircraft, rockets, and ships all use this basic idea. When the fluid leaves at high velocity, conservation of momentum produces an effective force on the vehicle. Thrust is often checked with static thrust tests. In these tests, the propulsion system is fixed to an instrumented mount, and the holding force on the mount is measured as thrust. This setup lets the system run while the...

piping networks and pressure losses

This experiment measures pressure drop in pipe components used in internal flow systems. Friction from channel walls, fittings, and obstructions can turn fluid pressure into heat, which reduces the pressure available for flow. A piping network is built with straight tubing, helical tube coils, and elbow fittings with sharp 90° bends. Pressure loss is measured across each component set with manometers, which show fluid pressure by the height of liquid in an open vertical column. The measured...

quenching and boiling

Heat Transfer During Metal Quenching

Controlled heating followed by rapid cooling is a key step in many materials processing applications. This heat-treating process can make a material harder. That matters for cutting tools and for surfaces that must resist wear. The rapid cooling stage is called quenching. It is often done by placing the material in a fluid bath, such as water or oil. Quenching heat transfer can happen by forced convection, when fast movement through the coolant drives heat transfer, or by free convection, when...

hydraulic jumps

Water Flow Slowing in a Hydraulic Jump

Hydraulic jumps show how fast open-channel water can suddenly slow down and rise. When water moves at high velocity along an open channel, the flow can become unstable. Small disturbances can make the upper surface jump to a higher level. This abrupt rise is called a hydraulic jump. As the water level increases, the average flow velocity drops. The fast-moving water also loses kinetic energy, and that energy is dissipated as heat. Engineers often build hydraulic jumps into large water works,...

heat exchanger analysis

Measuring Heat Transfer in a Tube Exchanger

Heat exchangers move thermal energy between two fluid streams and are common in energy systems. They appear in car radiators, refrigerator evaporators, and cooling towers in power plants. In each case, heat moves from one fluid to another, either directly or through a surface. This experiment focuses on a water-to-water tube-in-tube heat exchanger. The setup is built and then tested with temperature and flow rate measurements. These measurements are used to find the heat transfer rate, or Q,...

introduction to refrigeration

Hand-Pump Vapor Compression Refrigeration

Vapor compression refrigeration shows how refrigerators, freezers, air-conditioning systems, and heat pumps remove heat. It is the dominant refrigeration technology used in many everyday devices. In this cycle, cooling happens when refrigerant evaporates at low pressure. The absorbed thermal energy is then released to the surroundings when the refrigerant condenses at high pressure. The compressor is the part that raises the working fluid from low pressure to high pressure. Mechanical work is...

hot wire anemometry

Measuring Turbulent Flow with Hot Wires

Hot-wire anemometry measures fast changes in fluid flow with a thin heated wire. Its very short time response makes it useful for rapidly fluctuating motion, especially turbulent flows. This experiment demonstrates how hot-wire anemometry is used in practice. It shows a method for tracking flow conditions when quick changes matter. The setup highlights why a hot-wire anemometer can capture details that slower sensors may miss.

measuring turbulent flows

Hot-Wire Analysis of a Turbulent Jet

Hot-wire anemometry is used to measure a turbulent jet and study its fast changes in speed. Turbulent flows have very high-frequency fluctuations, so they require instruments with a fast time response for proper measurement. A hot-wire anemometer has that short response time and can capture these rapid velocity changes. A previously calibrated hot-wire probe is used to collect velocity data at different positions within the jet. These measurements show how the flow varies across the turbulent...

visualization of flow past a bluff body

Hydrogen Bubble Flow Around a Cylinder

Hydrogen bubble flow around a circular cylinder shows how fluid moves past a bluff body. A bluff body is an object with a shape that causes separated flow over most of its surface. This is different from a streamlined body, such as an airfoil, which stays aligned with the stream and causes less flow separation. Fluid motion can form complex patterns because its governing laws are non-linear. Scientists have studied these patterns for centuries. Computers and supercomputers can help predict...

jet impinging on an inclined plate

Measuring Jet Force on an Inclined Plate

A plane jet striking an inclined plate shows how fluid flow can exert force on a surface. The experiment focuses on how dynamic pressure changes into static pressure at the plate and how that change affects the load on the structure. Pressure is measured along the plate to build a pressure distribution. The plate has small perforations called pressure taps, and these taps connect through hoses to a scanning valve. The scanning valve sends pressure from one tap at a time to a diaphragm pressure...

conservation of energy approach to system analysis

conservation-of-energy-approach-to-system-analysis

Fan-Pipe Flow and Valve Pressure Loss

This experiment examines steady, incompressible flow in a short pipe with a gate valve. It uses the energy conservation equation to track how pressure and flow change through the system. The gate valve is gradually closed, and its effect on the flow conditions is measured. The setup shows how energy dissipation helps a valve restrict flow. It also links the pipe system to the fan that drives the flow by comparing the system curve with the fan’s characteristic curve. The same pressure-based...

mass conservation and flow rate measurements

mass-conservation-and-flow-rate-measurements

Calibrating a Smooth Contraction Flowmeter

Mass conservation can be used to calibrate a smooth contraction as a flowmeter. The experiment uses a control volume, or CV, formulation. A control volume is a simplified region used to study the macroscopic effect of flow on an engineering system. This approach focuses on the main mass exchange in the system rather than the detailed flow pattern. It is a complementary method to differential analysis, which looks at the flow in more detail. In design work, the CV method can give an engineer an...

determination of impingement forces on a flat plate with the control volume method

determination-impingement-forces-on-flat-plate-with-control-volume

Jet Impact and Plate Force Measurement

A plane jet striking a flat plate creates a force that can be estimated from changes in linear momentum. This experiment uses a control volume formulation to study that force at different angles. A control volume is an imaginary closed surface that surrounds the flow region and helps simplify the analysis. The control volume approach focuses on the macroscopic effect of flow on an engineering system. It does not try to describe every detail of the fluid motion. Instead, it identifies the main...

mechanical engineering

This collection introduces a range of concepts that are essential for understanding and designing mechanical systems. Each video examines a specific topic and describes fundamental analytical methods commonly employed to understand physical behaviors.

Explore how pressure loss is measured in straight tubing, coils, and 90° elbow fittings using manometers, then compared with internal flow models.

Measuring Pressure Drop in Pipe Components

Description

Transcript