Redes de tuberías y pérdidas de presión

Mechanical Engineering
 

Overview

Fuente: Alexander S Rattner, Departamento de mecánica e Ingeniería Nuclear, Pennsylvania State University, University Park, PA

Este experimento introduce la medición y modelización de las pérdidas de presión en redes de tuberías y sistemas de flujo interno. En tales sistemas, resistencia al flujo por fricción de las paredes del canal, accesorios y obstrucciones causa la energía mecánica en forma de presión del líquido se convertirá en calor. Análisis de ingeniería están necesario para hardware de flujo tamaño para garantizar pérdidas de presión por fricción aceptable y seleccionar bombas que cumplen con requisitos de caída de presión.

En este experimento, se construye una red de tuberías con características de flujo comunes: tramos rectos de tubería, bobinas de tubo helicoidal y accesorios de codo (codos afilados 90°). Las mediciones de pérdida de presión se recogen a través de cada conjunto de componentes usando manómetros - dispositivos simples que miden la presión del líquido por el nivel de líquido en una columna vertical abierto. Curvas de pérdida de presión resultantes se comparan con las predicciones de los modelos de flujo interno.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería mecánica. Redes de tuberías y pérdidas de presión. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Cuando el líquido fluye a través de canales cerrados (p. ej., tuberías, tubos, vasos sanguíneos) debe superar la resistencia a la fricción de las paredes del canal. Esto causa una pérdida continua de la presión en la dirección del flujo como energía mecánica se convierte en calor. Este experimento se centra de la medición y modelación de esas pérdidas de presión en sistemas de flujo interno.

Para medir la caída de presión a lo largo de canales, este experimento utiliza el principio de la variación de la presión hidrostática. En fluido estacionario, presión sólo varía con la profundidad debido al peso de líquido (ecuación 1, Figura 1a).

Equation 1(1)

Aquí Equation 2 y Equation 3 son las presiones en dos puntos, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad, y h1 y h2 son las profundidades (medidas en la dirección de la gravedad) de los puntos de un nivel de referencia. En condiciones ambientales típicas, la densidad del agua es ρw = 998 kg m-3 y la densidad del aire es ρa = 1,15 kg m-3. Porque ρun << ρw, variaciones de la presión hidrostática en el aire pueden ser descuidadas en comparación con las variaciones de la presión hidrostática del líquido y la presión atmosférica ambiente puede suponerse uniforme (P cajeros automáticos ~ 101 kPa). Siguiendo este principio, la caída de presión a lo largo de un flujo de canal puede medirse por la diferencia de niveles de fluidos en tubos verticales de tragante abierto conectados al canal: Equation 4 (Fig. 1b). Estos dispositivos de medición basado en el nivel de líquido la presión se llaman manómetros.

La pérdida de presión a lo largo de una longitud de un canal puede predecirse con la fórmula de factor de fricción de Darcy (ecuación. 2). Aquí, Equation 5 es la pérdida de presión a lo largo de una longitud (L) del canal con diámetro interno D. U es la velocidad del canal promedio, definida como la tasa de flujo de volumen de líquido (p. ej., en m3 s-1) dividida por el área de sección transversal de canal (p. ej., en m2, Equation 6 para canales circulares). f es el factor de fricción de Darcy, que sigue las diferentes tendencias para canal diferentes geometrías y las tasas de flujo. En este experimento, factores de fricción medidos experimentalmente para tramos rectos y helicoidal en espiral de tubo y en comparación con fórmulas previamente publicados.

Equation 7(2)

Tendencias de factor de fricción de flujo en canales dependen del número de Reynolds (Re), que mide la fuerza relativa de los efectos de inercia del fluido a los efectos de la viscosidad del fluido (rozamientos). Re se define como Equation 8 , donde Equation 9 es la viscosidad dinámica del fluido (~0.001 kg m-1 s-1 para el agua en condiciones ambientales). En el Re bajo (Equation 10 2000 en canales rectos), efectos viscosos son lo suficientemente fuertes como para fuera húmedo remolinos en el flujo, lleva a Lisa laminar flujo. En Re mayor (Equation 112000), al azar remolinos puede formar en el flujo, lleva a un comportamiento turbulento. Usan modelos de factor de fricción para el canal recto circular flujos se presentan en la ecuación 3.

Equation 12(3)

Cuando el líquido fluye a través de serpentines de tubo helicoidal, secundarios internos vórtices forman (Fig. 1C). Como resultado, el factor de fricción Equation 13 también depende del número de Dean, que explica la relativa influencia de la curvatura del tubo: Equation 14 . Aquí R es el radio de la bobina del tubo, medido desde el eje central hasta la mitad en el tubo. Una correlación común para Equation 13 es:

Equation 15(4)

Accesorios de tubería, válvulas, expansiones/contracciones y otras obstrucciones también causan pérdidas de presión. Un enfoque para modelar tales pérdidas menores es en términos de la longitud equivalente de canal normal necesaria para producir la misma caída de presión (Le/D). Aquí, Equation 13 y Equation 16 son la velocidad de flujo y factor de fricción en la entrada / salida canal longitudes (Fig. 1D).

Equation 17(5)

Tablas de longitudes de canal equivalente representativo se divulgan en manuales de componentes comunes de cañerías (c.f., [1]). Este experimento mide las longitudes equivalentes para sharp curva 90° accesorios (codos). Típico reportado longitudes equivalentes para tales conexiones son Le/D ~ 30.

Procedure

1. fabricación del sistema de tuberías (ver esquema y fotografía, Fig. 2)

  1. Afijo (cinta o goma) un depósito de agua plástico pequeño para la superficie de trabajo. Si es un recipiente cubierto, perforar agujeros en la tapa de entrada y salida agua líneas y cable de alimentación de la bomba.
  2. Montar la bomba sumergible pequeña en el depósito.
  3. Monte el rotámetro (medidor de caudal de agua) verticalmente en el área de trabajo. Puede ayudar a correa el rotámetro a un pequeño haz vertical o soporte en L para mantenerlo vertical. Conecte un tubo de flujo de la salida de la bomba a la entrada del rotámetro (puerto menor).
  4. Conectar compresión plástico tes a ambos extremos de un tramo de tubo de plástico rígido (recomendamos longitud L ~ 0,3 m, diámetro del tubo interno D ~ 6.4 mm). Monte el tes sobre abrazaderas de tubos. Conecte el tubo de goma de una salida (entrada) a la salida del rotámetro. Conecte el tubo de goma de otros t (salida) al depósito.
  5. La construcción de una segunda Asamblea con dos accesorios tee montado. Envuelva una longitud de tubería enrollada helicoidalmente alrededor de un núcleo cilíndrico de plástico suave (recomendamos el tubo de cartón, R ~ 30 m m y ~ 5 tubos envolturas). Ataduras de cremallera o pinzas pueden ayudar a mantener la tubería en espiral. Instale los dos extremos libres del tubo los accesorios tee.
  6. Construir una tercera Asamblea con dos accesorios tee montado. Conectar los codos cuatro (o más) con pequeños tramos de tubo de plástico rígido entre las tes. Utilizando múltiples codos amplifica la caída de presión de lectura, mejorar la exactitud de la medida.
  7. Instalar tubos de plástico transparente rígidos (~0.6 m) a los puertos abiertos de las conexiones seis tee. Utilice un nivel para asegurarse de que los tubos son verticales. Estos tubos serán los manómetros (medidores de presión).
  8. Llene el depósito con agua.

2. operación

  1. Tubo recto: Encienda la bomba y ajuste la válvula del rotámetro para variar el caudal de agua. Para cada caso, registrar el flujo de agua y el nivel vertical del agua en cada tubo de manómetro. Registrar la caída de presión basada en la diferencia de niveles del manómetro (ecuación. 1).
  2. En espiral de tubo: Conecte la entrada de la sección de prueba en espiral a la salida del rotámetro y la salida de la sección de prueba para el depósito. Como en el paso 2.1, registro el caudal y la presión cae por una serie de caudales.
  3. Guarniciones de codo: Conecte el codo de montaje de la sección de la prueba para el rotámetro y el depósito. Recoge un conjunto de medidas presión y tasa de flujo, como en el paso 2.2.

3. Análisis

  1. Para el caso de tubo recto, evaluar el número de Reynolds y factor de fricción f (ecuación. 2). Evaluar la Reynolds número y fricción factor incertidumbre (ecuación. 6). Aquí eΔP es la incertidumbre en las mediciones de presión (Equation 18, Equation 19 es la incertidumbre en el nivel de manómetro), y eU es la incertidumbre en la velocidad media del canal (de hoja de datos de rotámetro, con incertidumbre típica de 3-5% del rango). Para agua a temperatura ambiente (22° C), ρ = 998 kg m-3 y μ = 0,001 kg m-1 s-1.
    Equation 20(6)
  2. Comparar los resultados de factor de fricción de paso 3.1 con los modelos analíticos (ecuación. 3).
  3. Repita el paso 3.1 para el caso de tubo en espiral. Esta vez, restar el descenso de la presión prevista (Eqns. 2-3) para la parte recta de la sección de prueba de ΔP. Aquí asumimos que la incertidumbre en la corrección de presión recto de longitud es insignificante. Comparar factores de fricción medidos con los valores de la correlación (ecuación. 4).
  4. Repita el paso 3.2 para el codo montaje caso. Restar el descenso de la presión prevista para los tramos rectos de tubería entre las guarniciones de codo para obtener una pérdida de presión corregido Equation 21 . Evaluar la longitud equivalente y la incertidumbre para cada codo. Aquí, Ne es el número de codos de tubo.
    Equation 22(7)
  5. Comparar el resultado de la longitud equivalente (Le/D) con los típicos registrados valores (~ 30).

Redes de tuberías se encuentran comúnmente en sistemas diseñados y naturales puesto que pueden eficientemente transporte, hacer circular y distribuir fluidos. El agua que sale del grifo en su casa viaja a través de un sistema de abastecimiento de agua del complejo de la ciudad que es un excelente ejemplo de una red de tubería diseñada. Como fluido circula a través de una red de tuberías, se encuentra con resistencia a la fricción de las paredes del canal y conexiones y el flujo de fluido pierde presión y supera estas resistencias de flujo. Caracterizar y entender estas pérdidas de presión es necesario para especificar los componentes correctos y los tamaños en un diseño nuevo o para diagnosticar problemas en un sistema existente. En este video, vamos a ilustrar un enfoque simple para medir la caída de presión dentro de una red de tuberías y discutir algunos modelos estándar para predecir pérdidas y unas geometrías comunes. Luego, estos métodos se emplearán para medir experimentalmente las pérdidas de presión por comparación con los modelos. Por último, analizaremos algunas otras aplicaciones de redes de tuberías y pérdidas de presión.

Cualquier momento que un fluido fluye a través de un canal cerrado, encuentra cierta resistencia a la fricción de las paredes del canal. Como consecuencia, una fracción de la energía mecánica del fluido se convierte en calor, resultando en una pérdida continua de la presión en la dirección del flujo. Esta pérdida de presión puede caracterizarse en un sistema dado por la medición de la presión del fluido en puntos discretos a lo largo del canal que se hace a menudo usando dispositivos de nivel de líquidos simples llamados manómetros. Un manómetro es una sección abierta vertical o inclinada del tubo conectado al canal de tubería que parcialmente llena de líquido. La altura de la columna líquida es directamente proporcional al nivel del líquido en ese punto a lo largo del canal. Por lo tanto, se puede determinar la diferencia de presión entre dos puntos o Delta P del cambio en altura de líquido o Delta H entre dos manómetros. Lamentablemente, no siempre es práctico hacer mediciones directas y a menudo deben predecir las pérdidas de presión antes de que se construye un sistema para asegurar las tasas de flujo de fluidos adecuada. En estas situaciones, la fórmula del Factor de fricción de Darcy puede utilizarse para predecir la pérdida de presión por fricción. En esta ecuación, Delta P es la pérdida de presión sobre una longitud L de un canal con una sección circular y diámetro interior D, fila es la densidad del fluido y U es la velocidad de flujo promedio, definida como la tasa de flujo de volumen dividida por el área transversal del cha nnel, f es el Factor de fricción de Darcy que sigue diferentes empíricamente y las tendencias derivadas teóricamente basadas en la geometría de canal y número de Reynolds. Consulte el texto de los modelos utilizados para canales rectos circulares y bobinas helicoidales. Las diferentes secciones de canal en una red de tuberías están conectadas por discretos accesorios tales como válvulas, expansores y curvas que también contribuyen a la pérdida de presión. Las pérdidas de presión a través de estas conexiones se conocen como pérdidas menores y a veces son registradas en términos de la longitud equivalente de un canal recto, necesaria para producir la misma caída de presión. Estas pérdidas aún están modeladas con la fórmula de Factor de fricción de Darcy con el factor de fricción y fluyen el valor tabulado de longitud equivalente escalado por el diámetro interno para la conexión y velocidad de los canales de conexión. Las pérdidas totales del sistema de tuberías son simplemente la suma de todas las pérdidas de secciones individuales y accesorios. En la siguiente sección, medimos estas pérdidas en configuraciones diferentes tubos representativas para determinar los factores de fricción y longitudes equivalentes.

Antes de comenzar la instalación, asegúrese de que tienen un área clara al trabajo y a una superficie plana sobre la que montar los componentes. Coloque el depósito de agua a la superficie y si es necesario, taladre los agujeros para la entrada de agua y salida así como el cable de alimentación de la bomba. Montar la bomba sumergible en el depósito. Ahora coloque una pequeña viga vertical o L soporte cerca del embalse. Monte el medidor de flujo del rotámetro verticalmente en la viga y utiliza un trozo de tubo para conectar la salida de la bomba a la entrada del rotámetro. El rotámetro es un instrumento que indica la tasa de flujo volumétrico de un fluido basado en el nivel flotante de una pequeña cantidad. Construir las secciones de prueba de tres tubos como se describe en el texto. Cuando haya terminado, debe tener una sección recta, una sección en espiral y una sección con múltiples curvas de codo. Registrar cuidadosamente la longitud de las secciones rectas, así como el radio de la bobina del tubo medido desde el eje central de la bobina hasta el punto medio del tubo. Monte las tres secciones a la superficie con abrazaderas. Ajuste las conexiones T en los extremos para que las salidas laterales ramificadas apuntan hacia arriba y luego instalación tubos ranurados claro en estos puertos para formar los manómetros. Utilice un nivel para asegurar que los tubos de manómetro vertical. Por último, conectar una sección del tubo a la salida del rotámetro y colocar un segundo tubo que regresar al depósito. Estos dos tubos se conectan a las entradas y salidas de las secciones de prueba para formar un círculo completo durante el experimento. Llene el depósito con agua y la preparación es completa.

Conecte el tubo de la salida del rotámetro a un extremo de la sección recta de la prueba y conecte el tubo de retorno al otro extremo. Ahora encienda la bomba y ajuste la válvula del rotámetro para maximizar la velocidad de flujo. Una vez que todo el aire es forzado a salir del bucle de la pipa, apague la bomba. Puede que necesite añadir agua al depósito una vez se llena el circuito de flujo. Una vez que todo el aire es forzado a salir del bucle de la pipa, apague la bomba y comparar la altura del agua en los dos manómetros, midiendo desde la parte superior de la guarnición de T. Si las dos alturas son diferentes, use cuñas para nivelar la superficie de prueba hasta las alturas de medición son los mismos. Vuelva a encender la bomba y después de esperar un momento para el flujo, a registrar el caudal y el nivel vertical del agua en ambos tubos de manómetro. Ajustar la válvula del rotámetro para restringir el flujo un poco y grabar los nuevos niveles de tasa y manómetro de flujo. Repita este procedimiento para recolectar datos a velocidades de flujo de seis o siete de la sección recta de la prueba. Cuando termines, repite el experimento con las otras dos secciones de la prueba incluyendo un reajuste de la superficie de prueba para cada sección nueva si es necesario.

En primer lugar, mirar los datos de la sección recta de la prueba. A cada velocidad de flujo, tienes las medidas de la altura de agua en cada manómetro. Usar la diferencia de alturas de manómetro para determinar la caída de presión total en la sección de prueba. Luego, determine la velocidad promedio del flujo en el tubo dividiendo el caudal medido desde el rotámetro por el área transversal del tubo. A continuación, calcular el número de Reynolds para el flujo en este caudal. Combinar los resultados con la fórmula del Factor de fricción de Darcy y sus medidas de la sección de prueba para resolver para el factor de fricción. Para tramo recto de longitud 284 mm y diámetro interno de 6,4 milímetros, los caudales medidos de tres cuartos a dos litros por minuto corresponden a condiciones turbulentas. Propagar la incertidumbre para determinar la incertidumbre total en el número de Reynolds y el factor de fricción como se describe en el texto y luego trazar el resultado junto con la predicción del modelo para una sección recta. Dentro de la incertidumbre experimental, los factores de fricción emparejar la predicción del modelo. La incertidumbre relativamente alta en el factor de fricción a velocidades de flujo bajo es debido a la limitada precisión del medidor de flujo. Ahora mire sus datos para la sección de prueba en espiral. Como antes, determinar el número de Reynolds en cada flujo, caída de presión total y la velocidad de flujo promedio. La caída de presión total en esta sección es la suma de la caída de la parte recta y la porción en espiral así que utilizar la fórmula del Factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto para estimar la contribución de la sección recta y esto restar del total . Utilizar la gota de presión restante y la medición del radio de la bobina para determinar el factor de fricción en la porción en espiral. Propagar las incertidumbres para el factor de número y de la fricción de Reynolds una vez más, asumiendo despreciable incertidumbre de la corrección de la sección recta. Representar estos resultados junto con la predicción del modelo para una sección en espiral. El número de Reynolds es entre 1.700 y 5.200 que corresponde al decano números entre 500 y 1.600 con el radio de la bobina y diámetro de tubo dado. Estos valores están dentro de la porción Laminar de la fórmula de factor de fricción de la bobina. Estos miden factores de fricción también combate el modelo dentro de la incertidumbre experimental y para un caudal dado son significativamente mayores que las que se encuentran en la sección recta. Esto aumenta debido al efecto estabilizador de la geometría del tubo en espiral que retrasa la transición al flujo turbulento a números de Reynolds más altos, aproximadamente 9.900 para esta geometría. Ahora mira los datos de la tercera sección de la prueba. Una vez más, determinar el número de Reynolds en cada flujo, caída de presión total y la velocidad de flujo promedio. La caída de presión total en esta sección es debido a la suma de las secciones rectas y las pérdidas menores de cada uno de los codos de N. Utilizan la fórmula de Factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto otra vez a calcular y restar la contribución de las secciones rectas. La pérdida de presión restante es debido a las conexiones de codo de N en la sección de prueba. Utilice esta caída de presión con el diámetro de las secciones rectas y factor de fricción para calcular la longitud equivalente para un codo individuales. Propagación de incertidumbres para el número de Reynolds y la longitud equivalente y trazar los resultados. Como el aumento del número de Reynolds, el cociente de la longitud equivalente al diámetro de la tubería interna acerca a 30 como era de esperarse el valores tabulate. Tenga en cuenta que la resistencia friccional real es específica de la geometría de conexión y así estos tabulan valores sólo puede considerarse pautas.

Ahora que estás más familiarizado con redes de tuberías y pérdidas de presión, vamos a ver algunas aplicaciones del mundo real de estos conceptos. Intercambiadores de calor consisten en típicamente dos redes de tubería separados que traen líquidos fríos y calientes en contacto térmico sin permitirles que se mezclan. Análisis de caída de presión deben realizarse cuando diseño intercambiadores de calor para asegurar que las bombas pueden proporcionar suficiente líquido caudales y lograr la deseada tasa de transferencia de calor. La acumulación de placa en las arterias reduce el diámetro eficaz para el flujo de sangre. Como resultado, el corazón tiene que trabajar más duro para compensar la pérdida de presión adicional. En casos extremos, la acumulación aumenta el riesgo de una obstrucción total de la arteria o insuficiencia cardíaca. Durante un procedimiento de angioplastia, stent se inserta para volver a expandir la arteria y restablecer el flujo sanguíneo normal.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a las redes de tuberías y pérdidas de presión. Ahora debería entender cómo determinar las pérdidas de presión en una red de tuberías utilizando la fórmula de Factor de fricción de Darcy incluyendo las pérdidas menores ocasionadas por accesorios discretos. Por último, hemos visto como determinar experimentalmente la pérdida de presión a través de un canal mediante manómetro de tubos. Gracias por ver.

Results

Datos de fricción medido factor y equivalente longitud se presentan en la figura 3a-c. Para la sección de tubo recto, un PVC transparente tubo d = 6.4 mm y L = 284 mm se utiliza. Caudales medidos (0.75 - 2,10 l min-1) corresponden a condiciones turbulentas (Re = 2600-7300). Factores de fricción coincide con las predicciones del modelo analítico a dentro de la incertidumbre experimental. Relativamente alta f incertidumbre se encuentra en caudales bajos debido a la limitada precisión del medidor de flujo (bajo costo) seleccionado (± 0,15 l min-1).

Resultados del factor de fricción para el caso de bobina de tubo también coincide con la proporcionada correlación (ecuación. 4) dentro de la incertidumbre experimental (Fig. 3b). Cinco anillos de radio R de la bobina = 33 mm con diámetro interno del tubo D = 6,4 mm se emplean. Aquí, el número de Dean es 500-5600, que corresponde a la porción laminar de la ecuación 4. Factores de fricción medidos son significativamente mayores que para la sección recta a velocidades de flujo igual. Esto se deriva el efecto estabilizador de la geometría del tubo de bobina, que retrasa la transición a turbulencia a Re alta.

Para el caso del codo, 4 codo se emplean accesorios (número en la lista de materiales), conectados por pequeños tramos de D = tubo de 6,4 mm. La longitud equivalente de la fricción de cada codo montaje enfoques (Le/D) ~ 30-40 en alta Re (Fig. 3 c). Esto es similar a un valor comúnmente divulgado de 30. Tenga en cuenta que la resistencia friccional real es específica de la geometría de la instalación, informó Ley valoresD se deben considerar sólo como guías.

Figure 1
Figura 1: a. esquema de variación de la presión hidrostática en un cuerpo inmóvil del fluido. b. variación de la presión a lo largo de una longitud recta del tubo, medida con manómetros abiertos. c. esquema de tubo en espiral, con vórtices internos indicados en la vista de sección transversal.

Figure 2
Figura 2: (a) esquemático y (b) fotografía de instalación de medición de caída de presión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Fricción factor y equivalente longitud mediciones y predicciones del modelo para: a. tubo recto, b. en espiral de tubo, c. codo conexiones.

Applications and Summary

Resumen

Este experimento muestra métodos para medir factores de fricción de caída de presión y longitudes equivalentes en redes de flujo interno. Se presentan métodos de modelado para configuraciones de flujo comunes, incluyendo tubos rectos, en espiral de tubos y accesorios de tubería. Estas técnicas experimentales y el análisis son fundamentales herramientas de ingeniería para el diseño de sistemas de flujo de fluidos.

Aplicaciones

Redes de flujo interno se presentan en numerosas aplicaciones, incluyendo plantas de generación de energía, procesamiento de productos químicos, distribución del flujo dentro de intercambiadores de calor y circulación de la sangre en los organismos. En todos los casos, es fundamental para poder predecir y modelar las pérdidas de presión y bombeos requisitos. Tales sistemas se pueden descomponer en las secciones de canales rectos y curvos, conectadas por conexiones o uniones. Aplicando factor de fricción y pérdida menor modelos a esos componentes, se pueden formular descripciones de toda la red.

Lista de materiales

Nombre Empresa Número de catálogo Comentarios
Equipo
Bomba de agua sumergible Uniclife B018726M9K
Recipiente plástico cubierto Tanque de agua, envase de alimento plástico utilizado en este estudio.
Medidor de flujo de agua UXCell LZM-15 Rotámetro, 0.5 4.0 l min1
Tubo de PVC transparente rígida McMaster 53945K 13 Para las secciones de la prueba y manómetros, 1/4" ID, OD 3/8''
Tubería flexible de PVC blando McMaster 5233 63 K

5233K 56

Bobina y las conexiones de la tubería de prueba sección
Tee ajuste de tubo de plástico McMaster 5016K 744 Para las secciones de entrada y salida de conexiones/manómetros de prueba
Codo de conexión del tubo de plástico McMaster 5016K 133 Para la sección de la prueba con los codos

References

  1. Perry, D.W. Green, J.O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Editio, McGraw-Hill, New York, NY, 1984.

1. fabricación del sistema de tuberías (ver esquema y fotografía, Fig. 2)

  1. Afijo (cinta o goma) un depósito de agua plástico pequeño para la superficie de trabajo. Si es un recipiente cubierto, perforar agujeros en la tapa de entrada y salida agua líneas y cable de alimentación de la bomba.
  2. Montar la bomba sumergible pequeña en el depósito.
  3. Monte el rotámetro (medidor de caudal de agua) verticalmente en el área de trabajo. Puede ayudar a correa el rotámetro a un pequeño haz vertical o soporte en L para mantenerlo vertical. Conecte un tubo de flujo de la salida de la bomba a la entrada del rotámetro (puerto menor).
  4. Conectar compresión plástico tes a ambos extremos de un tramo de tubo de plástico rígido (recomendamos longitud L ~ 0,3 m, diámetro del tubo interno D ~ 6.4 mm). Monte el tes sobre abrazaderas de tubos. Conecte el tubo de goma de una salida (entrada) a la salida del rotámetro. Conecte el tubo de goma de otros t (salida) al depósito.
  5. La construcción de una segunda Asamblea con dos accesorios tee montado. Envuelva una longitud de tubería enrollada helicoidalmente alrededor de un núcleo cilíndrico de plástico suave (recomendamos el tubo de cartón, R ~ 30 m m y ~ 5 tubos envolturas). Ataduras de cremallera o pinzas pueden ayudar a mantener la tubería en espiral. Instale los dos extremos libres del tubo los accesorios tee.
  6. Construir una tercera Asamblea con dos accesorios tee montado. Conectar los codos cuatro (o más) con pequeños tramos de tubo de plástico rígido entre las tes. Utilizando múltiples codos amplifica la caída de presión de lectura, mejorar la exactitud de la medida.
  7. Instalar tubos de plástico transparente rígidos (~0.6 m) a los puertos abiertos de las conexiones seis tee. Utilice un nivel para asegurarse de que los tubos son verticales. Estos tubos serán los manómetros (medidores de presión).
  8. Llene el depósito con agua.

2. operación

  1. Tubo recto: Encienda la bomba y ajuste la válvula del rotámetro para variar el caudal de agua. Para cada caso, registrar el flujo de agua y el nivel vertical del agua en cada tubo de manómetro. Registrar la caída de presión basada en la diferencia de niveles del manómetro (ecuación. 1).
  2. En espiral de tubo: Conecte la entrada de la sección de prueba en espiral a la salida del rotámetro y la salida de la sección de prueba para el depósito. Como en el paso 2.1, registro el caudal y la presión cae por una serie de caudales.
  3. Guarniciones de codo: Conecte el codo de montaje de la sección de la prueba para el rotámetro y el depósito. Recoge un conjunto de medidas presión y tasa de flujo, como en el paso 2.2.

3. Análisis

  1. Para el caso de tubo recto, evaluar el número de Reynolds y factor de fricción f (ecuación. 2). Evaluar la Reynolds número y fricción factor incertidumbre (ecuación. 6). Aquí eΔP es la incertidumbre en las mediciones de presión (Equation 18, Equation 19 es la incertidumbre en el nivel de manómetro), y eU es la incertidumbre en la velocidad media del canal (de hoja de datos de rotámetro, con incertidumbre típica de 3-5% del rango). Para agua a temperatura ambiente (22° C), ρ = 998 kg m-3 y μ = 0,001 kg m-1 s-1.
    Equation 20(6)
  2. Comparar los resultados de factor de fricción de paso 3.1 con los modelos analíticos (ecuación. 3).
  3. Repita el paso 3.1 para el caso de tubo en espiral. Esta vez, restar el descenso de la presión prevista (Eqns. 2-3) para la parte recta de la sección de prueba de ΔP. Aquí asumimos que la incertidumbre en la corrección de presión recto de longitud es insignificante. Comparar factores de fricción medidos con los valores de la correlación (ecuación. 4).
  4. Repita el paso 3.2 para el codo montaje caso. Restar el descenso de la presión prevista para los tramos rectos de tubería entre las guarniciones de codo para obtener una pérdida de presión corregido Equation 21 . Evaluar la longitud equivalente y la incertidumbre para cada codo. Aquí, Ne es el número de codos de tubo.
    Equation 22(7)
  5. Comparar el resultado de la longitud equivalente (Le/D) con los típicos registrados valores (~ 30).

Redes de tuberías se encuentran comúnmente en sistemas diseñados y naturales puesto que pueden eficientemente transporte, hacer circular y distribuir fluidos. El agua que sale del grifo en su casa viaja a través de un sistema de abastecimiento de agua del complejo de la ciudad que es un excelente ejemplo de una red de tubería diseñada. Como fluido circula a través de una red de tuberías, se encuentra con resistencia a la fricción de las paredes del canal y conexiones y el flujo de fluido pierde presión y supera estas resistencias de flujo. Caracterizar y entender estas pérdidas de presión es necesario para especificar los componentes correctos y los tamaños en un diseño nuevo o para diagnosticar problemas en un sistema existente. En este video, vamos a ilustrar un enfoque simple para medir la caída de presión dentro de una red de tuberías y discutir algunos modelos estándar para predecir pérdidas y unas geometrías comunes. Luego, estos métodos se emplearán para medir experimentalmente las pérdidas de presión por comparación con los modelos. Por último, analizaremos algunas otras aplicaciones de redes de tuberías y pérdidas de presión.

Cualquier momento que un fluido fluye a través de un canal cerrado, encuentra cierta resistencia a la fricción de las paredes del canal. Como consecuencia, una fracción de la energía mecánica del fluido se convierte en calor, resultando en una pérdida continua de la presión en la dirección del flujo. Esta pérdida de presión puede caracterizarse en un sistema dado por la medición de la presión del fluido en puntos discretos a lo largo del canal que se hace a menudo usando dispositivos de nivel de líquidos simples llamados manómetros. Un manómetro es una sección abierta vertical o inclinada del tubo conectado al canal de tubería que parcialmente llena de líquido. La altura de la columna líquida es directamente proporcional al nivel del líquido en ese punto a lo largo del canal. Por lo tanto, se puede determinar la diferencia de presión entre dos puntos o Delta P del cambio en altura de líquido o Delta H entre dos manómetros. Lamentablemente, no siempre es práctico hacer mediciones directas y a menudo deben predecir las pérdidas de presión antes de que se construye un sistema para asegurar las tasas de flujo de fluidos adecuada. En estas situaciones, la fórmula del Factor de fricción de Darcy puede utilizarse para predecir la pérdida de presión por fricción. En esta ecuación, Delta P es la pérdida de presión sobre una longitud L de un canal con una sección circular y diámetro interior D, fila es la densidad del fluido y U es la velocidad de flujo promedio, definida como la tasa de flujo de volumen dividida por el área transversal del cha nnel, f es el Factor de fricción de Darcy que sigue diferentes empíricamente y las tendencias derivadas teóricamente basadas en la geometría de canal y número de Reynolds. Consulte el texto de los modelos utilizados para canales rectos circulares y bobinas helicoidales. Las diferentes secciones de canal en una red de tuberías están conectadas por discretos accesorios tales como válvulas, expansores y curvas que también contribuyen a la pérdida de presión. Las pérdidas de presión a través de estas conexiones se conocen como pérdidas menores y a veces son registradas en términos de la longitud equivalente de un canal recto, necesaria para producir la misma caída de presión. Estas pérdidas aún están modeladas con la fórmula de Factor de fricción de Darcy con el factor de fricción y fluyen el valor tabulado de longitud equivalente escalado por el diámetro interno para la conexión y velocidad de los canales de conexión. Las pérdidas totales del sistema de tuberías son simplemente la suma de todas las pérdidas de secciones individuales y accesorios. En la siguiente sección, medimos estas pérdidas en configuraciones diferentes tubos representativas para determinar los factores de fricción y longitudes equivalentes.

Antes de comenzar la instalación, asegúrese de que tienen un área clara al trabajo y a una superficie plana sobre la que montar los componentes. Coloque el depósito de agua a la superficie y si es necesario, taladre los agujeros para la entrada de agua y salida así como el cable de alimentación de la bomba. Montar la bomba sumergible en el depósito. Ahora coloque una pequeña viga vertical o L soporte cerca del embalse. Monte el medidor de flujo del rotámetro verticalmente en la viga y utiliza un trozo de tubo para conectar la salida de la bomba a la entrada del rotámetro. El rotámetro es un instrumento que indica la tasa de flujo volumétrico de un fluido basado en el nivel flotante de una pequeña cantidad. Construir las secciones de prueba de tres tubos como se describe en el texto. Cuando haya terminado, debe tener una sección recta, una sección en espiral y una sección con múltiples curvas de codo. Registrar cuidadosamente la longitud de las secciones rectas, así como el radio de la bobina del tubo medido desde el eje central de la bobina hasta el punto medio del tubo. Monte las tres secciones a la superficie con abrazaderas. Ajuste las conexiones T en los extremos para que las salidas laterales ramificadas apuntan hacia arriba y luego instalación tubos ranurados claro en estos puertos para formar los manómetros. Utilice un nivel para asegurar que los tubos de manómetro vertical. Por último, conectar una sección del tubo a la salida del rotámetro y colocar un segundo tubo que regresar al depósito. Estos dos tubos se conectan a las entradas y salidas de las secciones de prueba para formar un círculo completo durante el experimento. Llene el depósito con agua y la preparación es completa.

Conecte el tubo de la salida del rotámetro a un extremo de la sección recta de la prueba y conecte el tubo de retorno al otro extremo. Ahora encienda la bomba y ajuste la válvula del rotámetro para maximizar la velocidad de flujo. Una vez que todo el aire es forzado a salir del bucle de la pipa, apague la bomba. Puede que necesite añadir agua al depósito una vez se llena el circuito de flujo. Una vez que todo el aire es forzado a salir del bucle de la pipa, apague la bomba y comparar la altura del agua en los dos manómetros, midiendo desde la parte superior de la guarnición de T. Si las dos alturas son diferentes, use cuñas para nivelar la superficie de prueba hasta las alturas de medición son los mismos. Vuelva a encender la bomba y después de esperar un momento para el flujo, a registrar el caudal y el nivel vertical del agua en ambos tubos de manómetro. Ajustar la válvula del rotámetro para restringir el flujo un poco y grabar los nuevos niveles de tasa y manómetro de flujo. Repita este procedimiento para recolectar datos a velocidades de flujo de seis o siete de la sección recta de la prueba. Cuando termines, repite el experimento con las otras dos secciones de la prueba incluyendo un reajuste de la superficie de prueba para cada sección nueva si es necesario.

En primer lugar, mirar los datos de la sección recta de la prueba. A cada velocidad de flujo, tienes las medidas de la altura de agua en cada manómetro. Usar la diferencia de alturas de manómetro para determinar la caída de presión total en la sección de prueba. Luego, determine la velocidad promedio del flujo en el tubo dividiendo el caudal medido desde el rotámetro por el área transversal del tubo. A continuación, calcular el número de Reynolds para el flujo en este caudal. Combinar los resultados con la fórmula del Factor de fricción de Darcy y sus medidas de la sección de prueba para resolver para el factor de fricción. Para tramo recto de longitud 284 mm y diámetro interno de 6,4 milímetros, los caudales medidos de tres cuartos a dos litros por minuto corresponden a condiciones turbulentas. Propagar la incertidumbre para determinar la incertidumbre total en el número de Reynolds y el factor de fricción como se describe en el texto y luego trazar el resultado junto con la predicción del modelo para una sección recta. Dentro de la incertidumbre experimental, los factores de fricción emparejar la predicción del modelo. La incertidumbre relativamente alta en el factor de fricción a velocidades de flujo bajo es debido a la limitada precisión del medidor de flujo. Ahora mire sus datos para la sección de prueba en espiral. Como antes, determinar el número de Reynolds en cada flujo, caída de presión total y la velocidad de flujo promedio. La caída de presión total en esta sección es la suma de la caída de la parte recta y la porción en espiral así que utilizar la fórmula del Factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto para estimar la contribución de la sección recta y esto restar del total . Utilizar la gota de presión restante y la medición del radio de la bobina para determinar el factor de fricción en la porción en espiral. Propagar las incertidumbres para el factor de número y de la fricción de Reynolds una vez más, asumiendo despreciable incertidumbre de la corrección de la sección recta. Representar estos resultados junto con la predicción del modelo para una sección en espiral. El número de Reynolds es entre 1.700 y 5.200 que corresponde al decano números entre 500 y 1.600 con el radio de la bobina y diámetro de tubo dado. Estos valores están dentro de la porción Laminar de la fórmula de factor de fricción de la bobina. Estos miden factores de fricción también combate el modelo dentro de la incertidumbre experimental y para un caudal dado son significativamente mayores que las que se encuentran en la sección recta. Esto aumenta debido al efecto estabilizador de la geometría del tubo en espiral que retrasa la transición al flujo turbulento a números de Reynolds más altos, aproximadamente 9.900 para esta geometría. Ahora mira los datos de la tercera sección de la prueba. Una vez más, determinar el número de Reynolds en cada flujo, caída de presión total y la velocidad de flujo promedio. La caída de presión total en esta sección es debido a la suma de las secciones rectas y las pérdidas menores de cada uno de los codos de N. Utilizan la fórmula de Factor de fricción de Darcy y el modelo de canal recto otra vez a calcular y restar la contribución de las secciones rectas. La pérdida de presión restante es debido a las conexiones de codo de N en la sección de prueba. Utilice esta caída de presión con el diámetro de las secciones rectas y factor de fricción para calcular la longitud equivalente para un codo individuales. Propagación de incertidumbres para el número de Reynolds y la longitud equivalente y trazar los resultados. Como el aumento del número de Reynolds, el cociente de la longitud equivalente al diámetro de la tubería interna acerca a 30 como era de esperarse el valores tabulate. Tenga en cuenta que la resistencia friccional real es específica de la geometría de conexión y así estos tabulan valores sólo puede considerarse pautas.

Ahora que estás más familiarizado con redes de tuberías y pérdidas de presión, vamos a ver algunas aplicaciones del mundo real de estos conceptos. Intercambiadores de calor consisten en típicamente dos redes de tubería separados que traen líquidos fríos y calientes en contacto térmico sin permitirles que se mezclan. Análisis de caída de presión deben realizarse cuando diseño intercambiadores de calor para asegurar que las bombas pueden proporcionar suficiente líquido caudales y lograr la deseada tasa de transferencia de calor. La acumulación de placa en las arterias reduce el diámetro eficaz para el flujo de sangre. Como resultado, el corazón tiene que trabajar más duro para compensar la pérdida de presión adicional. En casos extremos, la acumulación aumenta el riesgo de una obstrucción total de la arteria o insuficiencia cardíaca. Durante un procedimiento de angioplastia, stent se inserta para volver a expandir la arteria y restablecer el flujo sanguíneo normal.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a las redes de tuberías y pérdidas de presión. Ahora debería entender cómo determinar las pérdidas de presión en una red de tuberías utilizando la fórmula de Factor de fricción de Darcy incluyendo las pérdidas menores ocasionadas por accesorios discretos. Por último, hemos visto como determinar experimentalmente la pérdida de presión a través de un canal mediante manómetro de tubos. Gracias por ver.

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