Трубопроводные сети и потери давления

Трубопроводные сети обычно используются в инженерных и естественных системах, поскольку они могут эффективно транспортировать, циркулировать и распределять жидкости. Вода, которая течет из-под крана в вашем доме, проходит через сложную городскую систему водоснабжения, которая является отличным примером инженерной трубопроводной сети. Когда жидкость циркулирует по сети трубопроводов, она сталкивается с сопротивлением трения со стороны стенок канала и фитингов, и поток жидкости теряет давление при преодолении этих сопротивлений потоку. Определение характеристик и понимание этих потерь давления необходимо для определения правильных компонентов и размеров в новой конструкции или для диагностики проблем в существующей системе. В этом видео мы проиллюстрируем простой подход к измерению перепада давления в трубопроводной сети и обсудим некоторые стандартные модели для прогнозирования потерь и несколько распространенных геометрий. Впоследствии эти методы будут использоваться для экспериментального измерения потерь давления для сравнения с моделями. Наконец, мы обсудим несколько других применений трубопроводных сетей и потерь давления.

Каждый раз, когда жидкость протекает через закрытый канал, она сталкивается с некоторым сопротивлением трения со стороны стенок канала. Как следствие, часть механической энергии жидкости преобразуется в тепло, что приводит к непрерывной потере давления в направлении потока. Эту потерю давления можно охарактеризовать в данной системе путем измерения давления жидкости в дискретных точках вдоль канала, что часто делается с помощью простых устройств для измерения уровня жидкости, называемых манометрами. Манометр представляет собой открытый вертикальный или наклонный участок трубки, соединенный с каналом трубопровода таким образом, что он частично заполняется жидкостью. Высота столба жидкости прямо пропорциональна уровню жидкости в этой точке вдоль канала. Таким образом, разница в давлении между двумя точками или дельта Р может быть определена по изменению высоты жидкости или дельта Н между двумя манометрами. К сожалению, не всегда целесообразно проводить прямые измерения, и потери давления часто необходимо прогнозировать до того, как будет построена система, обеспечивающая достаточную скорость потока жидкости. В таких ситуациях для прогнозирования потерь давления на трение можно использовать формулу коэффициента трения по Дарси. В этом уравнении дельта P — потеря давления на длине L для канала с круглым поперечным сечением и внутренним диаметром D, row — плотность жидкости, а U — средняя скорость потока, определяемая как объемный расход, деленный на площадь поперечного сечения канала, f — коэффициент трения Дарси, который следует различным эмпирически и теоретически выведенным трендам на основе числа Рейнольдса и геометрии канала. В тексте приведены модели, используемые для прямых круглых каналов и спиральных катушек. Различные участки канала в трубопроводной сети соединены дискретными фитингами, такими как клапаны, детандеры и отводы, которые также способствуют потере давления. Потери давления через эти фитинги известны как незначительные потери и иногда выражаются в виде эквивалентной длины прямого канала, необходимой для получения такого же перепада давления. Эти потери по-прежнему моделируются с помощью формулы коэффициента трения по Дарси с использованием коэффициента трения и скорости потока соединительных каналов, а также табличного значения эквивалентной длины, масштабированного по внутреннему диаметру фитинга. Общие потери в системе трубопроводов представляют собой просто сумму всех потерь от отдельных секций и фитингов. В следующем разделе мы измерим эти потери в различных типичных конфигурациях труб, чтобы определить коэффициенты трения и эквивалентную длину.

Прежде чем приступить к настройке, убедитесь, что у вас есть свободное место для работы и плоская поверхность для сборки компонентов. Прикрепите резервуар для воды к поверхности и при необходимости просверлите отверстия для входа и выхода воды, а также кабель питания насоса. Установите погружной насос в резервуар. Теперь прикрепите небольшую вертикальную балку или L-образный кронштейн возле водоема. Установите расходомер ротаметра вертикально на балку и с помощью секции трубки соедините выходное отверстие насоса с входом ротаметра. Ротаметр — это прибор, который показывает объемный расход жидкости на основе плавающего уровня небольшой бусины. Постройте тестовые секции с тремя трубами, как описано в тексте. Когда вы закончите, у вас должен получиться прямой участок, спиральный участок и участок с несколькими сгибаниями локтя. Тщательно записывайте длины любых прямых участков, а также радиус катушки трубки, измеренный от центральной оси катушки до середины трубки. Закрепите все три секции на поверхности с помощью трубных хомутов. Отрегулируйте Т-образные фитинги на концах так, чтобы боковые порты разветвляющихся были направлены вверх, а затем установите на эти отверстия прозрачные ребристые трубки, чтобы сформировать манометры. Используйте уровень, чтобы убедиться, что трубки манометра расположены вертикально. Наконец, подсоедините одну секцию трубки к выходному отверстию ротаметра и поместите вторую трубку, возвращающуюся к резервуару. Эти две трубки будут подключаться к входам и выходам тестовых секций, чтобы сформировать полный цикл во время эксперимента. Наполните резервуар водой и подготовка завершена.

Подсоедините трубку от выхода ротаметра к одному концу прямой испытательной секции и подсоедините обратную трубку к другому концу. Теперь включите насос и отрегулируйте клапан ротаметра, чтобы максимизировать расход. Как только весь воздух будет вытеснен из контура трубы, выключите насос. Возможно, вам потребуется добавить дополнительную воду в резервуар после заполнения проточной петли. Как только весь воздух будет вытеснен из контура трубы, выключите насос и сравните высоту воды в двух манометрах, измеряя от верхней части Т-образного фитинга. Если две высоты отличаются, используйте прокладки для выравнивания тестовой поверхности до тех пор, пока измеренные высоты не станут одинаковыми. Снова включите насос и, подождав некоторое время, пока поток успокоится, запишите расход и вертикальный уровень воды в обеих трубках манометра. Теперь отрегулируйте клапан ротаметра, чтобы немного ограничить поток и записать новый расход и уровни манометра. Повторите эту процедуру, чтобы собрать данные при шести или семи скоростях потока для прямого испытательного участка. Когда вы закончите, повторите эксперимент с двумя другими тестовыми секциями, включая повторную регулировку тестовой поверхности для каждой новой секции, если это необходимо.

Во-первых, посмотрите на свои данные для прямого тестового участка. При каждой скорости потока в каждом манометре измеряется высота воды. Используйте разницу в высоте манометра для определения общего перепада давления на испытательном участке. Затем определите среднюю скорость потока в трубе, разделив скорость потока, измеренную с помощью ротаметра, на площадь поперечного сечения трубки. Далее рассчитайте число Рейнольдса для потока при этом расходе. Объедините свои результаты с формулой коэффициента трения по Дарси и измерениями на испытательном участке, чтобы рассчитать коэффициент трения. Для прямого участка длиной 284 миллиметра и внутренним диаметром 6,4 миллиметра измеренный расход от трех четвертей до двух литров в минуту соответствует турбулентным условиям. Распространение неопределенностей для определения полной неопределенности числа Рейнольдса и коэффициента трения, как описано в тексте, а затем построение графика результата вместе с модельным прогнозом для прямого участка. В условиях экспериментальной неопределенности коэффициенты трения совпадали с предсказанием модели. Относительно высокая погрешность коэффициента трения при низких скоростях потока обусловлена ограниченной точностью расходомера. Теперь посмотрите на свои данные для тестового участка со спиралью. Как и раньше, определите общий перепад давления, среднюю скорость потока и число Рейнольдса при каждом расходе. Общий перепад давления в этом участке представляет собой сумму падения давления от прямого участка к витковому участку, поэтому используйте формулу коэффициента трения Дарси и модель прямого канала, чтобы оценить вклад прямого участка и вычесть его из общего значения. Используйте оставшийся перепад давления и измерение радиуса катушки, чтобы определить коэффициент трения в спиральной части. Еще раз распространите неопределенности для числа Рейнольдса и коэффициента трения, предполагая пренебрежимо малую неопределенность от поправки для прямого участка. Постройте эти результаты на график вместе с прогнозом модели для спирального сечения. Число Рейнольдса находится в диапазоне от 1,700 до 5,200, что соответствует числу Дина от 500 до 1,600 при заданном диаметре трубки и радиусе катушки. Эти значения находятся в пределах ламинарной части формулы коэффициента трения катушки. Эти измеренные коэффициенты трения также согласуются с моделью в пределах экспериментальной неопределенности и при заданной скорости потока значительно выше, чем те, которые обнаружены на прямом участке. Это увеличивается из-за стабилизирующего эффекта геометрии спиральной трубы, который задерживает переход к турбулентному потоку к более высоким числам Рейнольдса, около 9 900 для этой геометрии. Теперь взгляните на данные для третьего тестового участка. Еще раз определите общий перепад давления, среднюю скорость потока и число Рейнольдса при каждом расходе. Общий перепад давления на этом участке обусловлен суммой прямых участков и незначительными потерями от каждого из N колен. Снова используйте формулу коэффициента трения Дарси и модель прямого канала, чтобы оценить и вычесть вклад прямых участков. Оставшийся перепад давления обусловлен соединением N колен в испытательном участке. Используйте этот перепад давления с коэффициентом трения и диаметром прямых секций, чтобы рассчитать эквивалентную длину для отдельного углового фитинга. Распространите неопределенности для числа Рейнольдса и его эквивалентной длины и постройте график результатов. По мере увеличения числа Рейнольдса отношение эквивалентной длины к внутреннему диаметру трубы приближается к 30, как и ожидалось из табличных значений. Обратите внимание, что фактическое сопротивление трению зависит от геометрии подгонки, поэтому эти табличные значения следует рассматривать только как ориентировочные.

Теперь, когда вы лучше знакомы с трубопроводными сетями и потерями давления, давайте рассмотрим некоторые реальные применения этих концепций. Теплообменники обычно состоят из двух отдельных трубопроводных сетей, которые обеспечивают тесный тепловой контакт горячей и холодной жидкости, не позволяя им смешиваться. При проектировании теплообменников необходимо выполнять анализ перепада давления, чтобы убедиться, что насосы могут обеспечить достаточную скорость потока жидкости и достичь желаемой скорости теплопередачи. Накопление бляшек в артериях уменьшает эффективный диаметр для оттока крови. В результате сердцу приходится работать усерднее, чтобы компенсировать дополнительную потерю давления. В крайних случаях накопление увеличивает риск полной закупорки артерии или сердечной недостаточности. Во время процедуры ангиопластики вставляется стент для повторного расширения артерии и восстановления нормального кровотока.

Вы только что посмотрели введение Джова в трубопроводные сети и потери давления. Теперь вы должны понять, как определить потери давления в трубопроводной сети с помощью формулы коэффициента трения Дарси, включая незначительные потери от дискретных фитингов. Наконец, вы увидели, как экспериментально определить потерю давления через канал с помощью трубок манометра. Спасибо за просмотр.