2. Определение гидравлических сопротивлений

Трубопроводы разделяются на короткие и длинные, простые и сложные. В коротких трубопроводах рассчитывают два вида потерь: по длине и местные. Потери определяются суммой сопротивлений:

h_п = h_тр + h_мс.

Длинными называются трубопроводы, в которых потери напора по длине являются основными. Местные потери в трубопроводах обоих типов составляют 5...10 % от распределенных:

h_п = 1,1 h_тр.

Простые трубопроводы не имеют ответвлений, но могут иметь постоянный или переменный диаметр труб.

Сложные трубопроводы делятся на разветвленные и кольцевые, или замкнутые.

Расход жидкости Q рас­считывается по уравнению:  

Q=W·S,

где W – скорость движения жидкости;

S – площадь поперечного сечения труб.

Диаметр трубопроводов должен выбираться на базе технико-экономического сравнения ряда вариантов, учитывающих все факторы, которые влияют на стоимость сооружения (стоимости трубопроводов и насосной установки, а также эксплуатационные расходы).

Экономичный диаметр трубопровода тот, при котором общая стоимость всей водопроводной системы и эксплуатации будет наименьшей.

Для того чтобы иметь возможность сопоставить единовременные затраты с ежегодными, пользуются понятиями окупаемости капитальных вложений в определённые сроки.

При расчете трубопроводов решают задачи: расчет расхода жидкости через трубопровод заданных размеров; расчет величины гидравлического напора при заданном расходе жидкости; определение диаметра трубопровода при заданных расходе и напоре.

При расчетах простого трубопровода задают перепад давлений на нем и принимают условие, что расход жидкости через него устанавливается таким, при котором сумма всех гидравлических сопротивлений компенсируется располагаемым перепадом давлений. По этим данным находится расход жидкости.

Все формулы для расчетов трубопроводов выводятся из уравнения Бернулли и граничных условий на концах трубопровода, определяющихся его схемой.

Сложный разветвленный трубопровод рассчитывается в форме решения уравнений баланса: расходов, перепадов давлений и гидравлических сопротивлений по ветвям трубопровода.

Лабораторная работа №2 Исследование гидравлических сопротивлений

Цель работы: повышение уровня знаний о гидравлических сопротивле­ниях при движении жидкости по трубам, приобретение навыков их самостоя­тельного определения.

Задачи работы

1. Закрепить сведения о видах гидравлических сопротивлений и спосо­бах их определения.

2. Измерить сопротивление трения движению жидкости по трубе.

3. Измерить местное сопротивление в трубе.

4. Проанализировать причины различий экспериментальных и расчетных данных.

Теоретические основы работы

Существует два вида потерь гидравлического напора при движении жидкости: потери на трение при движении по прямым участкам трубопроводов и потери на вихреобразование при каждом изменении конфигурации проходного сечения. Первые из них называют поте­рями на трение (Р_т), а вторые - потерями на местных сопротивлениях (Р_м), т.е.

Р= Р_т + Р_м. (2.1)

Потери на местных сопротивлениях определяются формулой Вейсбаха, как часть динамического напора потока (н/м²) перед сопротивлением:

(2.2)

где  – плотность жидкости, кг/м³;

– скорость движения жидкости по трубопроводу перед местным сопротивлением, м/с;

 – коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления () зависит от критерия Рей-нольдса (Re) и от конфигурации проходного сечения в устройстве, являющимся местным сопротивлением:

(2.3)

где d – диаметр трубы (м) или другой характерный размер устройства;

 – кинематическая вязкость жидкости, м²/c.

Кинематическая вязкость жидкости зависит от температуры, и зависимость вязкости от температуры представлена на графике рис. 2.1. Зависимость коэффициента местного со­противления от критерия Рейнольдса имеет место лишь при малых скоростях потока, соответствующих значениям критерия Рейнольдса Re<500. При прак­тике местные сопротивления обычно работают при более высоких значениях критерия Рейнольдса.

В этой области коэффициенты сопротивления остаются постоянными. Поэтому данная область (область Re > 500) называется областью автомодельности по критерию Re.

,см²/с

0,020
0 ,015
0 ,010
0,050
	20			40		60		80		t, oC

.

Рис. 2.1. Кинематическая вязкость воды в зависимости

от температуры

В ней местные сопротивления зависят только от конфигурации проходного сечения устройства, определяющего это сопро­тивление. Это позволяет составить справочные таблицы по гидравлическим со­противлениям основных используемых в технике устройств.

Потери гидравлического напора, связанные с распределенными по длине трубопровода потерями на трение, рассчитывают по формуле Дарси-Вейсбаха, так же как часть гидродинамического напора движущегося потока.

(2.4)

где  – коэффициент гидравлического сопротивления трения,

, d – длина и диаметр трубопровода;

 – коэффициент Кориолиса. При Re < 2320 берется 2.

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется двумя факторами – значением числа Рейнольдса и шероховатостью поверхности тру­бопровода. В связи с изменением характера течения при изменении критерия Рейнольдса изменяются также и зависимости для расчета коэффициентов гид­равлического сопротивления. Каждая из расчетных зависимостей применима лишь в соответствующей области значения критерия Рейнольдса. На практике пользуются несколькими записями расчетных формул, наиболее распространенные из которых сведены в табл. 2.1.

Используемые в расчетах величины шероховатости труб, изготовленных из различных материалов, представлены в табл. 2.2.

Описание лабораторной установки

Схема блока лабораторной установки представлена на рис. 7. Она состоит из расходного (1) и сливного (7) кранов, жидкостных манометров (2) и (3), эксперимен­тального участка трубопровода для изучения сопротивлений трения (4) и местных сопротивлений (5), счетчика воды (6).

При открытии кранов (1) и (7) вода проходит через установку и попадает в емкость для слива. Расход воды измеряется счетчиком, а сопротивление трения трубопровода и местные сопротивления – разностью уровней (h) по показаниям манометров (2) и (3).

Таблица 2.1

Формулы для расчета коэффициента гидравлического сопротивления

Формула	Область применимости по критерию Рейнольдса	Область применимости по общей характеристике
=64/Re	Re<2320	Для всех труб при ламинарном режиме течения
Формула Плевако =0,0290,775(Re–2320)10-5	2320<Re<4500	Для всех труб при переходном режиме течения
Формула Блазиуса =0,31/Re0,25	4500<Re<40d/	Для всех гладких труб
Формула Мурина	Re>500d/	Для всех шероховатых труб при развитом турбулентном режиме течения

Таблица 2.2

Средние величины шероховатости труб

Материал и способ изготовления трубы	Состояние трубы	Шероховатости , мм
Тянутые из стекла и цветных металлов	Новые и технически гладкие	0,001–0,002
	Новые и чистые	0,01–0,02
	После нескольких лет эксплуатации	0,15–0,3
	Умеренно ржавые	0,30–0,70
Бетонные	Новые	0,15–0,30

Последовательность проведения работы