Réseaux de tuyauterie et de pertes de pression

Mechanical Engineering
 

Overview

Source : Alexander S Rattner, département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Cette expérience a introduit la mesure et la modélisation des pertes de charge dans les réseaux de canalisations et systèmes d’écoulement interne. Dans de tels systèmes, résistance à l’écoulement par frottement des parois du canal, raccords et obstruction provoque l’énergie mécanique sous forme de pression du fluide à être convertie en chaleur. Analyses de génie sont nécessaires au matériel de flux de taille pour s’assurer que les pertes de charge par frottement acceptable et sélectionner les pompes qui répondent aux exigences de baisse de pression.

Dans cette expérience, un réseau de tuyauterie est construit avec des caractéristiques communes de flux : longueurs droites de tubes, bobines de tube hélicoïdal et raccords coudés (coudes pointus de 90°). Mesures de perte de pression sont prélevés sur chaque ensemble de composants à l’aide de manomètres - simples dispositifs qui mesurent la pression du liquide par le niveau du liquide dans une colonne verticale ouverte. Les courbes de perte de pression qui en résulte sont comparés avec les prédictions des modèles d’écoulement interne.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Réseaux de tuyauterie et de pertes de pression. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Lorsque le fluide s’écoule par la voie privée (p. ex., tuyaux, tubes, vaisseaux sanguins) il doit surmonter la résistance de frottement entre les parois du canal. Cela provoque une perte continue de la pression dans le sens d’écoulement comme de l’énergie mécanique est convertie en chaleur. Cette expérience met l’accent de la mesure et la modélisation de ces pertes de pression dans les systèmes d’écoulement interne.

Pour mesurer la chute de pression le long des canaux, cette expérience utilise le principe de la variation de la pression hydrostatique. Dans un fluide stationnaire, pression seulement varie avec la profondeur en raison du poids de fluide (Eqn. 1, Fig. 1 a).

Equation 1(1)

Ici Equation 2 et Equation 3 sont les pressions en deux points, ρ est la densité du fluide, g est l’accélération gravitationnelle et h1 et h2 sont les profondeurs (mesurées dans le sens de la gravité) des points d’un niveau de référence. Dans les conditions ambiantes typiques, la densité de l’eau est ρw = 998 kg m-3 et la densité d’air ρun = 1,15 kg m-3. Parce que ρun << ρw, variations de la pression hydrostatique dans l’air peuvent être négligées par rapport aux variations de pression hydrostatique liquide et la pression atmosphérique ambiante peut supposer uniforme (P ATM ~ 101 kPa). Suivant ce principe, la chute de pression le long d’un écoulement peut être mesurée par la différence de niveau des liquides dans les tubes verticaux de toit ouvrant connectés au canal : Equation 4 (Fig. 1 b). Ces appareils de mesure de pression liquide-niveau-base sont appelés des manomètres.

La perte de pression sur une longueur d’une chaîne peut être prédite avec la formule de facteur de friction Darcy (Eqn. 2). Ici, Equation 5 est la perte de pression sur une longueur (L) du canal avec diamètre intérieur D. U est la vitesse moyenne de canal, définie comme le débit volumique du fluide (p. ex., en m3 s-1) divisé par la surface de section transversale de canal (p. ex., en m2, Equation 6 pour les canaux circulaires). f est le coefficient de frottement de Darcy, qui suit des tendances différentes géométries de canal différent et débits. Dans cette expérience, facteurs de frottement seront mesurés expérimentalement pour des longueurs droites et hélicoïdaux de tube et comparés avec des formules déjà publiés.

Equation 7(2)

Les tendances de facteur de friction-écoulement dépendent du nombre de Reynolds (Re), qui mesure la force relative des effets de l’inertie fluide aux effets de la viscosité du fluide (frottements). Re est défini comme Equation 8 , où Equation 9 est la viscosité dynamique du fluide (~0.001 kg m-1 s-1 pour l’eau à une température ambiante). À faible Re (Equation 10 2000 dans les canaux de droite), les effets visqueux sont assez forts pour out humide tourbillons dans le flux, menant à lisser laminaire flux. À Re plus élevée (Equation 112000), random tourbillons peuvent former des flux, menant au comportement turbulent. Couramment utilisé les modèles de facteur de friction pour canal circulaire directement les flux sont présentés en Eqn. 3.

Equation 12(3)

Lorsque le fluide circule dans les bobines de tube hélicoïdal, tourbillons internes secondaires forment (Fig. 1c). En conséquence, le coefficient de frottement Equation 13 dépend aussi du nombre de Dean, qui tient compte de l’influence relative de la courbure du tube : Equation 14 . Ici, R est le rayon de la bobine de tube, mesurée entre l’axe central et à mi-chemin dans le tube. Une corrélation commune pour Equation 13 est :

Equation 15(4)

Raccords de tuyauterie, vannes, dilatations/contractions et autres obstacles aussi causent des pertes de pression. Une approche pour modéliser ces pertes mineures est en fonction de la longueur équivalente du canal simple requis pour produire la même chute de pression (Le/D). Ici, Equation 13 et Equation 16 sont la vitesse de frottement facteur et le débit à l’entrée / sortie canal longueurs (Fig. 1D).

Equation 17(5)

Tableaux des longueurs de chaîne équivalente représentant est rapportés dans les manuels pour les composants communs de plomberie (c.f., [1]). Cette expérience permettra de mesurer les longueurs équivalentes pour sharp-coude à 90°, raccords (coudes). Typical rapporté longueurs équivalentes pour ces raccords sont Le/D ~ 30.

Procedure

1. fabrication de tuyauterie (voir schéma et photo, Fig. 2)

  1. Coller (colle ou l’adhésif) un petit réservoir en plastique à la surface de travail. Si c’est un récipient couvert, percer des trous dans le couvercle pour l’entrée et la sortie conduites d’eau et le câble d’alimentation de pompe.
  2. Montez la petite pompe immergée dans le réservoir.
  3. Monter le rotamètre (compteur de débit de l’eau) verticalement dans la zone de travail. Il peut aider pour cercler le rotamètre à une petite poutre verticale ou support en L pour le maintenir debout. Raccorder un tube de flux de sortie de la pompe à l’entrée de rotamètre (port inférieur).
  4. Connecter le raccord tees aux deux extrémités d’une section de tube en plastique de compression plastique (recommander longueur L ~ 0,3 m, diamètre de tube intérieur D ~ 6,4 mm). Monter des tertres de départ sur les colliers de fixation. Raccorder les tubes en caoutchouc d’un té (entrée) à la sortie de rotamètre. Connecter les tubes en caoutchouc du autre té (sortie) vers le réservoir.
  5. Construction d’une deuxième Assemblée avec deux raccords té monté. Enrouler une longueur de plastique souple tube enroulé en spirale autour d’un noyau cylindrique (recommander tube carton, R ~ 30 mm et ~ 5 tubes roulés). Attaches ou colliers peuvent aider à garder le tuyau enroulé. Installer les deux extrémités libres de la tubulure à l’aménagement de tee.
  6. Construire une troisième Assemblée avec deux raccords té monté. Raccorder les coudes quatre (ou plus) avec courtes longueurs de tube en plastique entre les tees. À l’aide de plusieurs coudes amplifie la chute de pression, lecture, amélioration de la précision des mesures.
  7. Installer des tubes en plastique transparent rigides (~0.6 m) sur les ports ouverts sur les raccords six té. Utilisez un niveau pour s’assurer que les tubes sont verticaux. Ces tubes seront les manomètres (appareils de mesure de pression).
  8. Remplissez le réservoir avec de l’eau.

2. opération

  1. Tube droit : Mettre en marche la pompe et réglez le robinet rotamètre pour faire varier les débits d’eau. Pour chaque cas, enregistrer le débit de l’eau et le niveau d’eau vertical dans chaque tube de manomètre. Enregistrer la chute de pression basée sur la différence de niveaux de manomètre (Eqn. 1).
  2. Coiled tube : Connecter l’entrée de la section test lové à la sortie de rotamètre et la sortie de section de test vers le réservoir. Comme dans l’étape 2.1, enregistrement du débit de l’eau et la pression diminue pour un certain nombre de débits.
  3. Garnitures de coude : Raccordez le coude raccord section d’essai pour le rotamètre et le réservoir. Collecte d’un ensemble de mesures de pression et des taux de débit, comme dans l’étape 2.2.

3. analyse

  1. Dans le cas de tube droit, évaluer le nombre de Reynolds et facteur de frottement f (Eqn. 2). Évaluer les incertitudes de facteur de Reynolds nombre et frottement (Eqn. 6). Ici eΔP est l’incertitude dans les mesures de pression (Equation 18, Equation 19 y a une incertitude au niveau du manomètre), et eU l’incertitude dans la vitesse moyenne de canal (à partir de rotamètre fiche, avec une incertitude de 3 à 5 % de la gamme typique). Pour l’eau à température ambiante (22° C), ρ = 998 kg m-3 et µ = 0,001 kg m-1 s-1.
    Equation 20(6)
  2. Comparer les résultats de facteur de friction d’étape 3.1 avec les modèles analytiques (Eqn. 3).
  3. Répétez l’étape 3.1 pour le cas de serpentins. Cette fois, soustrayez la chute de pression estimée (Eqns. 2-3) pour la partie droite de la section test de ΔP. Ici, nous supposons que l’incertitude sur la correction de longueur droite pression est négligeable. Comparer les facteurs de frottement mesuré par des valeurs de la corrélation (Eqn. 4).
  4. Répétez l’étape 3.2 pour le coude de l’affaire. Soustraire la chute de pression prévue pour les longueurs droites de tuyau entre les raccords coudés d’obtenir une perte de pression corrigé Equation 21 . Évaluer la longueur équivalente et l’incertitude pour chaque coude. Ici, Ne est le nombre de coudes de tuyaux.
    Equation 22(7)
  5. Comparer le résultat de la longueur équivalente (Le/D) avec le typique a indiqué des valeurs (~ 30).

Réseaux de tuyauterie sont fréquents dans les systèmes machinés et naturels, car elles peuvent efficacement transporter, faire circuler et distribuer les fluides. L’eau qui sort de l’eau du robinet à vos déplacements domicile grâce à un système d’approvisionnement en eau ville complexe qui est un excellent exemple d’un réseau de tuyauterie machiné. Comme fluide circule dans un réseau de canalisations, il rencontre la résistance de frottement entre les parois du canal et raccords et le flux de fluide perd la pression qu’il surmonte ces résistances de flux. Caractériser et comprendre ces pertes de pression est nécessaire pour spécifier les composants appropriés et les tailles dans un nouveau design ou pour diagnostiquer les problèmes dans un système existant. Dans cette vidéo, nous illustrer une approche simple pour mesurer la chute de pression au sein d’un réseau de canalisations et nous discuterons de certains modèles standards pour prédire les pertes et quelques communes géométries. Par la suite, ces méthodes seront utilisées pour mesurer expérimentalement les pertes de pression pour la comparaison avec les modèles. Enfin, nous aborderons quelques autres applications de réseaux de tuyauterie et de pertes de pression.

N’importe quel moment un fluide s’écoule à travers une voie fermée, il rencontre une résistance de frottement entre les parois du canal. En conséquence, une fraction de l’énergie mécanique du fluide est convertie en chaleur, entraînant une perte continue de la pression dans le sens d’écoulement. Cette perte de pression peut être caractérisée dans un système donné en mesurant la pression du fluide aux points discrets le long du canal qui se fait souvent à l’aide de simples dispositifs de niveau liquides appelé manomètres. Un manomètre est une section verticale ou inclinée ouverte du tube relié au canal tuyauterie afin qu’il remplisse partiellement avec le liquide. La hauteur de la colonne de liquide est directement proportionnelle au niveau fluid à ce moment-là le long du canal. Par conséquent, la différence de pression entre deux points ou Delta P peut être déterminée de la modification de la hauteur de liquide ou Delta H entre deux manomètres. Malheureusement, il n’est pas toujours pratique d’effectuer des mesures directes et les pertes de pression doivent souvent être prédite avant un système est conçu pour garantir des taux de débit de fluide adéquat. Dans ces situations, la formule de Darcy coefficient de frottement permet de prédire la perte de charge par frottement. Dans cette équation, Delta P est la perte de pression sur une longueur L pour une chaîne avec une section circulaire et d’un diamètre intérieur D, rangée est la densité du fluide, et U est la vitesse de débit moyen, définie comme le débit volumique, divisé par la section transversale de la cha nnel, f est le coefficient de frottement de Darcy qui suit différents empiriquement et théoriquement dérivés tendances basées sur la géométrie de nombre et canal de Reynolds. Se reporter au texte pour les modèles utilisés pour les canaux droit circulaire et spires hélicoïdales. Les différentes sections de canal d’un réseau de canalisations sont reliées par des raccords discrets tels que vannes, détendeurs et virages qui contribuent également à la perte de pression. Les pertes de pression par le biais de ces raccords sont appelées pertes mineures et sont parfois signalés en ce qui concerne la longueur équivalente d’un canal rectiligne pour produire la même chute de pression. Ces pertes sont encore modélisés avec la formule de coefficient de frottement de Darcy en utilisant le coefficient de frottement et débit vitesse des voies interlacustres et la valeur tabulée de longueur équivalente réduite par le diamètre intérieur pour le montage. Total des pertes dans le système de tuyauterie sont simplement la somme de toutes les pertes de différentes sections et accessoires. Dans la section suivante, nous allons mesurer ces pertes dans des configurations de tuyau représentant différents pour déterminer les facteurs de frottement et des longueurs équivalentes.

Avant de commencer la mise en place, assurez-vous que vous avez une zone dégagée au travail et une surface plane sur laquelle assembler les composants. Fixer le réservoir d’eau à la surface et le cas échéant, percer des trous d’eau entrée et sortie ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Monter la pompe immergée dans le réservoir. Maintenant, fixez un petit Faisceau vertical ou support en L près du réservoir. Monter le débitmètre rotamètre verticalement sur la poutre et une section de tube permet de raccorder la sortie de la pompe à l’entrée de rotamètre. Le rotamètre est un instrument qui indique le débit volumétrique d’un fluide selon le niveau flottant d’un petit cordon. Construire les sections de trois tubes essai tel que décrit dans le texte. Lorsque vous avez terminé, vous devriez avoir une section droite, une section enroulée et une section avec plusieurs coudes. Soigneusement noter les longueurs de toutes les sections droites, ainsi que le rayon de la bobine de tube, mesurée à partir de l’axe central de la bobine au milieu du tube. Monter les trois sections de la surface avec colliers de serrage. Ajuster les raccords en T sur les extrémités pour que les orifices latéraux ramification point vers le haut et puis installer les tubes striées claires sur ces ports pour former les manomètres. Utilisez un niveau pour s’assurer que les tubes de manomètre sont verticaux. Enfin, se connecter à une section du tube à la sortie de la rotamètre et placer un second tube de retour au réservoir. Ces deux tubes seront connectera aux entrées et sorties des sections test pour former une boucle complète pendant l’expérience. Remplir le réservoir avec de l’eau et la préparation est terminée.

Connecter le tuyau de la sortie de rotamètre à une extrémité de la section droite et connecter le tuyau de retour à l’autre extrémité. Maintenant, allumez la pompe et régler la vanne de rotamètre afin de maximiser la vitesse d’écoulement. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe. Vous devrez peut-être ajouter ajoutant de l’eau dans le réservoir une fois que la boucle de circulation est remplie. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe et comparez la hauteur de l’eau dans les deux manomètres, mesure du haut du raccord en T. Si les deux hauteurs sont différentes, utiliser des cales pour niveler la surface d’essai jusqu'à ce que les hauteurs mesurées sont les mêmes. Remettez la pompe en marche et après avoir attendu un moment pour le débit à régler, enregistrer le débit et le niveau d’eau vertical dans les deux tubes de manomètre. Régler la vanne de rotamètre pour restreindre le flux légèrement et enregistrer les nouveaux niveaux de débit taux et manomètre. Répétez cette procédure pour recueillir des données à six ou sept débits pour la section droite. Lorsque vous avez terminé, répétez l’expérience avec les deux autres sections test y compris un réajustement de la surface d’essai pour chaque nouvel article si nécessaire.

Tout d’abord, regardez vos données pour la section droite. Pour chaque débit, vous avez les mesures pour la hauteur d’eau dans chaque manomètre. La différence dans les hauteurs de manomètre permet de déterminer la chute de la pression totale dans la section de l’essai. Ensuite, déterminer la vitesse de débit moyen dans le tube en divisant le débit mesuré à partir du rotamètre par la section transversale du tube. Puis, calculez le nombre de Reynolds de l’écoulement à ce débit. Combinez vos résultats avec la formule du coefficient de frottement de Darcy et vos mesures de la section test de résoudre pour le coefficient de frottement. Pour une section droite de longueur 284 millimètres et diamètre intérieur de 6,4 millimètres, les débits mesurés de trois quarts à deux litres par minute correspondent à des conditions turbulentes. Propagez les incertitudes pour déterminer l’incertitude totale du nombre de Reynolds et le coefficient de frottement, comme décrit dans le texte et ensuite tracer le résultat ainsi que la prédiction de modèle pour une section droite. Au sein de l’incertitude expérimentale, les facteurs de frottement correspondant à la prédiction du modèle. L’incertitude relativement élevée sur le coefficient de frottement à faibles débits est en raison de la précision limitée du débitmètre. Maintenant, regardez vos données pour la section enroulée. Comme avant, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section est la somme de la chute de la partie droite et la partie enroulée donc utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne pour estimer la contribution de la section droite et il déduit de la somme . Utilisez la chute de pression restante et la mesure du rayon bobine pour déterminer le coefficient de frottement dans la partie enroulée. Propager les incertitudes concernant le facteur de nombre et de la friction de Reynolds une fois de plus, en supposant négligeable incertitude de la correction de la section droite. Tracer ces résultats ainsi que la prédiction de modèle pour une section enroulée. Le nombre de Reynolds est entre 1 700 et 5 200 qui correspond aux nombres de Dean entre 500 et 1 600 avec un rayon de diamètre et bobine de tube donné. Ces valeurs sont dans la partie laminaire de la formule de facteur de friction de bobine. Ces mesuré des facteurs de friction également match le modèle au sein de l’incertitude expérimentale et pour un débit donné sont sensiblement plus élevés que ceux trouvés dans la section droite. Cela augmente en raison de l’effet stabilisant de la géométrie de serpentins qui retarde le passage à un écoulement turbulent à nombre de Reynolds plus élevé, environ 9 900 pour cette géométrie. Maintenant Regardez les données pour la troisième partie du test. Une fois de plus, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section provient de la somme des sections droites et légères pertes de chacun des coudes N. Utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne à nouveau afin d’estimer et de soustraire la contribution provenant des sections droites. La chute de pression restante tient les raccords coudés de N dans la section test. Utilisez cette chute de pression avec le coefficient de frottement et le diamètre des sections droites pour calculer la longueur équivalente pour un raccord en coude individuels. Propagation des incertitudes quant au nombre de Reynolds et de la longueur équivalente et tracer vos résultats. Comme l’augmentation de nombre de Reynolds, le ratio de la longueur équivalente au diamètre du tuyau interne approche 30 comme prévu des valeurs tabulés. Notez que la réelle résistance de frottement est spécifique à la géométrie de l’ajustage de précision et donc ces tabulés valeurs ne doivent être envisagées comme lignes directrices.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec les réseaux de canalisation et de pertes de pression, regardons quelques applications réelles de ces concepts. Échangeurs de chaleur sont généralement composés de deux réseaux de canalisations séparées qui apportent des fluides chauds et froids en contact thermique étroit sans leur permettant de mélanger. La pression chute analyse doit être effectuée lorsque la conception des échangeurs de chaleur pour s’assurer que les pompes peuvent fournir suffisamment fluide débits et atteindre le taux souhaité de transfert de chaleur. Accumulation de plaque dans les artères réduit le diamètre effectif pour le sang de circuler. Ainsi, cœur doit travailler plus fort pour compenser la perte de pression supplémentaire. Dans les cas extrêmes, l’accumulation augmente le risque d’un blocage total de l’artère ou d’insuffisance cardiaque. Au cours d’une angioplastie, un stent est inséré pour re-développer l’artère et de restaurer le flux sanguin normal.

Vous avez juste regardé introduction de Jove aux réseaux de tuyauterie et de pertes de pression. Vous devez maintenant comprendre comment déterminer les pertes de pression dans un réseau de canalisations en utilisant la formule de coefficient de frottement de Darcy y compris les pertes mineures des essayages discrets. Enfin, vous avez vu comment déterminer expérimentalement la perte de pression à travers un canal à l’aide de tubes de manomètre. Merci de regarder.

Results

Frottement mesuré facteur et équivalent longueur données sont présentées dans la figure 3 a-c. Pour la section de tube droit, un PVC transparent tube avec D = 6,4 mm et L = 284 mm est utilisé. Les débits mesurés (0,75 - 2,10 l min-1) correspondent aux conditions turbulentes (Re = 2600-7300). Facteurs de frottement correspond à des prédictions du modèle analytique vers dans l’incertitude expérimentale. Incertitude relativement élevé f se trouve à faibles débits en raison de la précision limitée des débitmètres de sélectionnés (faible coût) (± 0,15 l min-1).

Résultats de facteur de friction pour le cas de bobine de tube également correspondant à la corrélation fournie (Eqn. 4) au sein de l’incertitude expérimentale (Fig. 3 b). Cinq bobines de boucles de rayon R = 33 mm avec diamètre intérieur du tube D = 6,4 mm sont employés. Ici, le nombre de Dean est 500-5600, qui correspond à la partie laminaire de Eqn. 4. Facteurs de frottement mesurées sont significativement plus élevés que pour la section droite à des débits égaux. Cela résulte de l’effet stabilisant de la géométrie de tube de bobine, qui retarde la transition vers la turbulence à haute Re.

Pour le cas du coude, 4 coude raccords (numéro de pièce dans la liste du matériel) sont employées, connectés par des longueurs courtes de D = tube de 6,4 mm. La longueur équivalente de frottement de chaque coude approches (Le/D) ~ 30-40 à haute Re (Fig. 3C). Ceci est similaire à une valeur couramment rapportée de 30. Notez que la réelle résistance de frottement est spécifique à la géométrie de montage et signalé Le/D valeurs ne doivent être envisagées que comme des lignes directrices.

Figure 1
Figure 1 : a. schématique de la variation de la pression hydrostatique dans un corps stationnaire de fluide. b. changement de pression le long d’une longueur droite de tube, mesurée à l’aide de manomètres de toit ouvrant. c. représentation schématique du tube spiralé, avec tourbillons internes indiqué en vue de la coupe transversale.

Figure 2
Figure 2 : (un) photographie schématique et (b) de l’installation de mesure de chute de pression. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Mesures de longueur facteur et équivalent de friction et modélisées pour : a. tube droit, b. Coiled tube, c. garnitures de coude.

Applications and Summary

Résumé

Cette expérience montre des méthodes de mesure facteurs de friction de chute de pression et de longueurs équivalentes dans les réseaux d’écoulement interne. Des méthodes de modélisation sont présentés pour les configurations courantes de flux, y compris les tubes droits, lové par tubes et raccords de tuyauterie. Ces techniques expérimentales et d’analyse sont les principaux outils d’ingénierie pour la conception des systèmes d’écoulement du fluide.

Applications

Réseaux d’écoulement interne se posent dans de nombreuses applications, y compris les centrales de production, traitement chimique, distribution du débit à l’intérieur des échangeurs de chaleur et la circulation sanguine dans les organismes. Dans tous les cas, il est essentiel d’être en mesure de prévoir et de modéliser les pertes de pression et les exigences de pompage. Ces systèmes d’écoulement peuvent être décomposées en sections de voies droites et courbes, reliés par des raccords ou des jonctions. En appliquant le coefficient de frottement et des modèles de perte mineure à ces composants, les descriptions de l’ensemble du réseau peuvent être formulées.

Liste du matériel

Nom Compagnie Numéro de catalogue Commentaires
Matériel
Pompe à eau submersible Uniclife B018726M9K
Récipient en plastique couvert Réservoir d’eau, récipient de nourriture en plastique utilisée dans cette étude.
Compteur de débit de l’eau UXCell LZM-15 Rotamètre, 0,5 4,0 l min1
Tube de PVC transparent rigide McMaster 53945K 13 Pour les sections d’essai et manomètres, 1/4" ID, 3/8" OD
Tuyaux flexible de PVC souple McMaster 5233 63 K

5233K 56

Pour les tuyaux de raccordements et bobine section d’essai
T de raccord de tube en plastique McMaster 5016K 744 Pour tester les sections d’entrée et de sortie des connexions/manomètres
Coude de raccord de tube en plastique McMaster 5016K 133 Pour la section d’essai avec les coudes

References

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

1. fabrication de tuyauterie (voir schéma et photo, Fig. 2)

  1. Coller (colle ou l’adhésif) un petit réservoir en plastique à la surface de travail. Si c’est un récipient couvert, percer des trous dans le couvercle pour l’entrée et la sortie conduites d’eau et le câble d’alimentation de pompe.
  2. Montez la petite pompe immergée dans le réservoir.
  3. Monter le rotamètre (compteur de débit de l’eau) verticalement dans la zone de travail. Il peut aider pour cercler le rotamètre à une petite poutre verticale ou support en L pour le maintenir debout. Raccorder un tube de flux de sortie de la pompe à l’entrée de rotamètre (port inférieur).
  4. Connecter le raccord tees aux deux extrémités d’une section de tube en plastique de compression plastique (recommander longueur L ~ 0,3 m, diamètre de tube intérieur D ~ 6,4 mm). Monter des tertres de départ sur les colliers de fixation. Raccorder les tubes en caoutchouc d’un té (entrée) à la sortie de rotamètre. Connecter les tubes en caoutchouc du autre té (sortie) vers le réservoir.
  5. Construction d’une deuxième Assemblée avec deux raccords té monté. Enrouler une longueur de plastique souple tube enroulé en spirale autour d’un noyau cylindrique (recommander tube carton, R ~ 30 mm et ~ 5 tubes roulés). Attaches ou colliers peuvent aider à garder le tuyau enroulé. Installer les deux extrémités libres de la tubulure à l’aménagement de tee.
  6. Construire une troisième Assemblée avec deux raccords té monté. Raccorder les coudes quatre (ou plus) avec courtes longueurs de tube en plastique entre les tees. À l’aide de plusieurs coudes amplifie la chute de pression, lecture, amélioration de la précision des mesures.
  7. Installer des tubes en plastique transparent rigides (~0.6 m) sur les ports ouverts sur les raccords six té. Utilisez un niveau pour s’assurer que les tubes sont verticaux. Ces tubes seront les manomètres (appareils de mesure de pression).
  8. Remplissez le réservoir avec de l’eau.

2. opération

  1. Tube droit : Mettre en marche la pompe et réglez le robinet rotamètre pour faire varier les débits d’eau. Pour chaque cas, enregistrer le débit de l’eau et le niveau d’eau vertical dans chaque tube de manomètre. Enregistrer la chute de pression basée sur la différence de niveaux de manomètre (Eqn. 1).
  2. Coiled tube : Connecter l’entrée de la section test lové à la sortie de rotamètre et la sortie de section de test vers le réservoir. Comme dans l’étape 2.1, enregistrement du débit de l’eau et la pression diminue pour un certain nombre de débits.
  3. Garnitures de coude : Raccordez le coude raccord section d’essai pour le rotamètre et le réservoir. Collecte d’un ensemble de mesures de pression et des taux de débit, comme dans l’étape 2.2.

3. analyse

  1. Dans le cas de tube droit, évaluer le nombre de Reynolds et facteur de frottement f (Eqn. 2). Évaluer les incertitudes de facteur de Reynolds nombre et frottement (Eqn. 6). Ici eΔP est l’incertitude dans les mesures de pression (Equation 18, Equation 19 y a une incertitude au niveau du manomètre), et eU l’incertitude dans la vitesse moyenne de canal (à partir de rotamètre fiche, avec une incertitude de 3 à 5 % de la gamme typique). Pour l’eau à température ambiante (22° C), ρ = 998 kg m-3 et µ = 0,001 kg m-1 s-1.
    Equation 20(6)
  2. Comparer les résultats de facteur de friction d’étape 3.1 avec les modèles analytiques (Eqn. 3).
  3. Répétez l’étape 3.1 pour le cas de serpentins. Cette fois, soustrayez la chute de pression estimée (Eqns. 2-3) pour la partie droite de la section test de ΔP. Ici, nous supposons que l’incertitude sur la correction de longueur droite pression est négligeable. Comparer les facteurs de frottement mesuré par des valeurs de la corrélation (Eqn. 4).
  4. Répétez l’étape 3.2 pour le coude de l’affaire. Soustraire la chute de pression prévue pour les longueurs droites de tuyau entre les raccords coudés d’obtenir une perte de pression corrigé Equation 21 . Évaluer la longueur équivalente et l’incertitude pour chaque coude. Ici, Ne est le nombre de coudes de tuyaux.
    Equation 22(7)
  5. Comparer le résultat de la longueur équivalente (Le/D) avec le typique a indiqué des valeurs (~ 30).

Réseaux de tuyauterie sont fréquents dans les systèmes machinés et naturels, car elles peuvent efficacement transporter, faire circuler et distribuer les fluides. L’eau qui sort de l’eau du robinet à vos déplacements domicile grâce à un système d’approvisionnement en eau ville complexe qui est un excellent exemple d’un réseau de tuyauterie machiné. Comme fluide circule dans un réseau de canalisations, il rencontre la résistance de frottement entre les parois du canal et raccords et le flux de fluide perd la pression qu’il surmonte ces résistances de flux. Caractériser et comprendre ces pertes de pression est nécessaire pour spécifier les composants appropriés et les tailles dans un nouveau design ou pour diagnostiquer les problèmes dans un système existant. Dans cette vidéo, nous illustrer une approche simple pour mesurer la chute de pression au sein d’un réseau de canalisations et nous discuterons de certains modèles standards pour prédire les pertes et quelques communes géométries. Par la suite, ces méthodes seront utilisées pour mesurer expérimentalement les pertes de pression pour la comparaison avec les modèles. Enfin, nous aborderons quelques autres applications de réseaux de tuyauterie et de pertes de pression.

N’importe quel moment un fluide s’écoule à travers une voie fermée, il rencontre une résistance de frottement entre les parois du canal. En conséquence, une fraction de l’énergie mécanique du fluide est convertie en chaleur, entraînant une perte continue de la pression dans le sens d’écoulement. Cette perte de pression peut être caractérisée dans un système donné en mesurant la pression du fluide aux points discrets le long du canal qui se fait souvent à l’aide de simples dispositifs de niveau liquides appelé manomètres. Un manomètre est une section verticale ou inclinée ouverte du tube relié au canal tuyauterie afin qu’il remplisse partiellement avec le liquide. La hauteur de la colonne de liquide est directement proportionnelle au niveau fluid à ce moment-là le long du canal. Par conséquent, la différence de pression entre deux points ou Delta P peut être déterminée de la modification de la hauteur de liquide ou Delta H entre deux manomètres. Malheureusement, il n’est pas toujours pratique d’effectuer des mesures directes et les pertes de pression doivent souvent être prédite avant un système est conçu pour garantir des taux de débit de fluide adéquat. Dans ces situations, la formule de Darcy coefficient de frottement permet de prédire la perte de charge par frottement. Dans cette équation, Delta P est la perte de pression sur une longueur L pour une chaîne avec une section circulaire et d’un diamètre intérieur D, rangée est la densité du fluide, et U est la vitesse de débit moyen, définie comme le débit volumique, divisé par la section transversale de la cha nnel, f est le coefficient de frottement de Darcy qui suit différents empiriquement et théoriquement dérivés tendances basées sur la géométrie de nombre et canal de Reynolds. Se reporter au texte pour les modèles utilisés pour les canaux droit circulaire et spires hélicoïdales. Les différentes sections de canal d’un réseau de canalisations sont reliées par des raccords discrets tels que vannes, détendeurs et virages qui contribuent également à la perte de pression. Les pertes de pression par le biais de ces raccords sont appelées pertes mineures et sont parfois signalés en ce qui concerne la longueur équivalente d’un canal rectiligne pour produire la même chute de pression. Ces pertes sont encore modélisés avec la formule de coefficient de frottement de Darcy en utilisant le coefficient de frottement et débit vitesse des voies interlacustres et la valeur tabulée de longueur équivalente réduite par le diamètre intérieur pour le montage. Total des pertes dans le système de tuyauterie sont simplement la somme de toutes les pertes de différentes sections et accessoires. Dans la section suivante, nous allons mesurer ces pertes dans des configurations de tuyau représentant différents pour déterminer les facteurs de frottement et des longueurs équivalentes.

Avant de commencer la mise en place, assurez-vous que vous avez une zone dégagée au travail et une surface plane sur laquelle assembler les composants. Fixer le réservoir d’eau à la surface et le cas échéant, percer des trous d’eau entrée et sortie ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Monter la pompe immergée dans le réservoir. Maintenant, fixez un petit Faisceau vertical ou support en L près du réservoir. Monter le débitmètre rotamètre verticalement sur la poutre et une section de tube permet de raccorder la sortie de la pompe à l’entrée de rotamètre. Le rotamètre est un instrument qui indique le débit volumétrique d’un fluide selon le niveau flottant d’un petit cordon. Construire les sections de trois tubes essai tel que décrit dans le texte. Lorsque vous avez terminé, vous devriez avoir une section droite, une section enroulée et une section avec plusieurs coudes. Soigneusement noter les longueurs de toutes les sections droites, ainsi que le rayon de la bobine de tube, mesurée à partir de l’axe central de la bobine au milieu du tube. Monter les trois sections de la surface avec colliers de serrage. Ajuster les raccords en T sur les extrémités pour que les orifices latéraux ramification point vers le haut et puis installer les tubes striées claires sur ces ports pour former les manomètres. Utilisez un niveau pour s’assurer que les tubes de manomètre sont verticaux. Enfin, se connecter à une section du tube à la sortie de la rotamètre et placer un second tube de retour au réservoir. Ces deux tubes seront connectera aux entrées et sorties des sections test pour former une boucle complète pendant l’expérience. Remplir le réservoir avec de l’eau et la préparation est terminée.

Connecter le tuyau de la sortie de rotamètre à une extrémité de la section droite et connecter le tuyau de retour à l’autre extrémité. Maintenant, allumez la pompe et régler la vanne de rotamètre afin de maximiser la vitesse d’écoulement. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe. Vous devrez peut-être ajouter ajoutant de l’eau dans le réservoir une fois que la boucle de circulation est remplie. Une fois que tout l’air est forcé hors de la boucle de tuyaux, arrêter la pompe et comparez la hauteur de l’eau dans les deux manomètres, mesure du haut du raccord en T. Si les deux hauteurs sont différentes, utiliser des cales pour niveler la surface d’essai jusqu'à ce que les hauteurs mesurées sont les mêmes. Remettez la pompe en marche et après avoir attendu un moment pour le débit à régler, enregistrer le débit et le niveau d’eau vertical dans les deux tubes de manomètre. Régler la vanne de rotamètre pour restreindre le flux légèrement et enregistrer les nouveaux niveaux de débit taux et manomètre. Répétez cette procédure pour recueillir des données à six ou sept débits pour la section droite. Lorsque vous avez terminé, répétez l’expérience avec les deux autres sections test y compris un réajustement de la surface d’essai pour chaque nouvel article si nécessaire.

Tout d’abord, regardez vos données pour la section droite. Pour chaque débit, vous avez les mesures pour la hauteur d’eau dans chaque manomètre. La différence dans les hauteurs de manomètre permet de déterminer la chute de la pression totale dans la section de l’essai. Ensuite, déterminer la vitesse de débit moyen dans le tube en divisant le débit mesuré à partir du rotamètre par la section transversale du tube. Puis, calculez le nombre de Reynolds de l’écoulement à ce débit. Combinez vos résultats avec la formule du coefficient de frottement de Darcy et vos mesures de la section test de résoudre pour le coefficient de frottement. Pour une section droite de longueur 284 millimètres et diamètre intérieur de 6,4 millimètres, les débits mesurés de trois quarts à deux litres par minute correspondent à des conditions turbulentes. Propagez les incertitudes pour déterminer l’incertitude totale du nombre de Reynolds et le coefficient de frottement, comme décrit dans le texte et ensuite tracer le résultat ainsi que la prédiction de modèle pour une section droite. Au sein de l’incertitude expérimentale, les facteurs de frottement correspondant à la prédiction du modèle. L’incertitude relativement élevée sur le coefficient de frottement à faibles débits est en raison de la précision limitée du débitmètre. Maintenant, regardez vos données pour la section enroulée. Comme avant, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section est la somme de la chute de la partie droite et la partie enroulée donc utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne pour estimer la contribution de la section droite et il déduit de la somme . Utilisez la chute de pression restante et la mesure du rayon bobine pour déterminer le coefficient de frottement dans la partie enroulée. Propager les incertitudes concernant le facteur de nombre et de la friction de Reynolds une fois de plus, en supposant négligeable incertitude de la correction de la section droite. Tracer ces résultats ainsi que la prédiction de modèle pour une section enroulée. Le nombre de Reynolds est entre 1 700 et 5 200 qui correspond aux nombres de Dean entre 500 et 1 600 avec un rayon de diamètre et bobine de tube donné. Ces valeurs sont dans la partie laminaire de la formule de facteur de friction de bobine. Ces mesuré des facteurs de friction également match le modèle au sein de l’incertitude expérimentale et pour un débit donné sont sensiblement plus élevés que ceux trouvés dans la section droite. Cela augmente en raison de l’effet stabilisant de la géométrie de serpentins qui retarde le passage à un écoulement turbulent à nombre de Reynolds plus élevé, environ 9 900 pour cette géométrie. Maintenant Regardez les données pour la troisième partie du test. Une fois de plus, déterminer la chute de pression totale, la vitesse de débit moyen et nombre de Reynolds pour chaque débit. La chute de la pression totale dans cette section provient de la somme des sections droites et légères pertes de chacun des coudes N. Utiliser la formule du coefficient de frottement de Darcy et le modèle de canal rectiligne à nouveau afin d’estimer et de soustraire la contribution provenant des sections droites. La chute de pression restante tient les raccords coudés de N dans la section test. Utilisez cette chute de pression avec le coefficient de frottement et le diamètre des sections droites pour calculer la longueur équivalente pour un raccord en coude individuels. Propagation des incertitudes quant au nombre de Reynolds et de la longueur équivalente et tracer vos résultats. Comme l’augmentation de nombre de Reynolds, le ratio de la longueur équivalente au diamètre du tuyau interne approche 30 comme prévu des valeurs tabulés. Notez que la réelle résistance de frottement est spécifique à la géométrie de l’ajustage de précision et donc ces tabulés valeurs ne doivent être envisagées comme lignes directrices.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec les réseaux de canalisation et de pertes de pression, regardons quelques applications réelles de ces concepts. Échangeurs de chaleur sont généralement composés de deux réseaux de canalisations séparées qui apportent des fluides chauds et froids en contact thermique étroit sans leur permettant de mélanger. La pression chute analyse doit être effectuée lorsque la conception des échangeurs de chaleur pour s’assurer que les pompes peuvent fournir suffisamment fluide débits et atteindre le taux souhaité de transfert de chaleur. Accumulation de plaque dans les artères réduit le diamètre effectif pour le sang de circuler. Ainsi, cœur doit travailler plus fort pour compenser la perte de pression supplémentaire. Dans les cas extrêmes, l’accumulation augmente le risque d’un blocage total de l’artère ou d’insuffisance cardiaque. Au cours d’une angioplastie, un stent est inséré pour re-développer l’artère et de restaurer le flux sanguin normal.

Vous avez juste regardé introduction de Jove aux réseaux de tuyauterie et de pertes de pression. Vous devez maintenant comprendre comment déterminer les pertes de pression dans un réseau de canalisations en utilisant la formule de coefficient de frottement de Darcy y compris les pertes mineures des essayages discrets. Enfin, vous avez vu comment déterminer expérimentalement la perte de pression à travers un canal à l’aide de tubes de manomètre. Merci de regarder.

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