Лабораторна робота № 3 вивчення втрат енергії при транспортуванні рідин і газів по трубопроводу

 

Мета роботи: експериментальне визначення втрат енергії на транспортування рідин і газів по складному трубопроводу, що включає магістральний трубопровід і ділянки з різкою зміною геометрії потоку: різким розширенням, різким звуженням, різким і плавним поворотами потоку.

 

Загальні відомості

Транспортування плинних середовищ (рідин і газів) по трубопроводах здійснюється за допомогою нагнітальних пристроїв (насосів, вентиляторів і т.п.). Для того, щоб переміщати плинне середовище, нагнітальний пристрій повинен витрачати деяку енергію. Виявляється, ця енергія залежить не тільки від фізичних властивостей плинного середовища, але і від характеристик трубопровідної системи. Експлуатаційні витрати енергії на транспортування можна істотно скоротити за рахунок вибору оптимальної геометрії трубопровідної системи, що може бути реалізоване тільки після вивчення основних закономірностей перебігу рідин і газів по трубопроводах.

Потік рідини або газу можна характеризувати об'ємною витратою Q (м³/с) і середньою по перетину труби швидкістю V (м/с). Витрата є однією з основних характеристик потоків рідини або газу. Витратою називається кількість рідини або газу, яка переміщається через поперечний перетин трубопроводу в одиницю часу. Витрата і швидкість зв'язані між собою співвідношенням, де S – площа поперечного перетину труби (м²).

Під час руху реальних рідин і газів частина механічної енергії руху необоротно перетворюється на теплову. Ця частина енергії називається втратою енергії . Втрати енергії обумовлені існуванням сил в'язкого тертя в рідинах і газах, тобто в'язкості. З втратами енергії пов'язані втрати тиску і втрати натиску , де – щільність рідини або газу; – прискорення вільного падіння. Втрати тиску вимірюються в Па, втрати натиску – в м.

Існування сил в'язкості приводить до витрат енергії на переміщення плинних середовищ. Частина потужності, що витрачається нагнітальним пристроєм на транспортування по трубопроводу плинних середовищ з витратою Q, визначається виразом

 

Вт.

 

Гідравлічні втрати тиску (натиску) зазвичай ділять на два види. Перший тип є втратами тиску на тертя р_тр під час стабілізованого руху рідини в довгих трубах. Ці втрати рівномірно розподіляються по всій довжині труби. Втрати другого вигляду (D рм) зосереджені на порівняно коротких ділянках трубопроводів і викликаються місцевими змінами конфігурації каналу. Ці опори називаються місцевими. Прикладами місцевих опорів можуть служити ділянки різкого розширення і звуження трубопроводу, місця злиття і розділення потоків, різного роду трубопровідна апаратура (вентилі, клапани, засувки, дроселі і т.п.). Характерною особливістю руху рідини через місцеві опори є утворення вихорів в потоці, що викликає значні втрати енергії (тиску, натиску).

Таким чином, повні втрати тиску і натиску визначаються виразами:

;

 

.

 

Втрати натиску по довжині для випадку сталого руху рідини по трубопроводу круглого перетину визначаються за формулою Дарси-Вейсбаха:

 

,

 

де l – коефіцієнт гідравлічного тертя (коефіцієнт втрат натиску по довжині);

l – довжина даної ділянки труби, м;

d – діаметр трубопроводу, м;

V – середня швидкість руху рідини, м/с.

З формули видно, що величина втрат натиску по довжині зростає із збільшенням швидкості потоку, довжини труби і зменшується із збільшенням діаметра трубопроводу.

Місцеві втрати визначаються по формулою

 

,

 

де – коефіцієнт місцевого опору.

Коефіцієнт гідравлічного тертя l залежить від режиму перебігу рідини і шорсткості труби. Ця залежність називається законом опору.

Коефіцієнт місцевого опору також залежить від режиму течії і від вигляду і конструктивного виконання місцевого опору.

Порівняльний аналіз різних гідравлічних опорів показує, що втрати енергії значно зростають при різкій зміні діаметра труби, при різких поворотах і т.п.

Значення коефіцієнтів опору, як правило, визначаються досвідченим шляхом і в узагальненому вигляді містяться в довідниках у вигляді емпіричних формул, таблиць, графіків. У додатку до роботи приведені деякі дані щодо гідравлічних опорів.

Основні методи зниження втрат енергії при транспортуванні рідин і газів по складних трубопроводах: використання труб з гладкою внутрішньою поверхнею; забезпечення плавних поворотів потоку; пристрій плавної зміни поперечного перетину потоку рідини; пристрій плавних входів і виходів з труб; розігрівання при перекачуванні високов'язких рідин; введення полімерних добавок в потік рідини.

 

Експериментальна установка

Схема установки приведена на рис. 3.1. Вода з напірного бака 1 проходить послідовно через вхідний вентиль 2, магістральний трубопровід 3, ділянки трубопроводу з різким 4 і плавним 5 поворотами, різким розширенням 6 і різким звуженням 7, діафрагму 8 і зливається в бак 10. Витрата води регулюється вентилем 9 і визначається за перепадом тиску на діафрагмі 8 за допомогою тарифового графіка. Рівень в баку 1 підтримується постійним за допомогою насоса 11.

 

 

Рис. 3.1. Схема експериментальної установки.

Довжина магістральної ділянки трубопроводу l = 1,7 м; довжина d = 1,6*10^{-2 м} ; щільність води – 1000 кг/м³

П'єзометричний натиск в рідині на різних ділянках трубопроводу визначається за свідченнями п'єзометричних трубок h1 - h10, виведених на загальний щит і встановлених на досліджуваних ділянках трубопроводу.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Включити насос 11 і заповнити напірний бак 1.

2. Відкрити вентиль 2 повністю і за допомогою вентиля 9 встановити задане значення витрати води. Величина витрати визначається за різницею h9,10 свідчень п'єзометрів h9 і h10 (D h9,10 = h9 - h10) і тарифовим графіком.

3. При даному значенні витрати зняти свідчення всіх п'єзометрів, дані занести до табл. 3.1.

4. Змінити витрату рідини і при кожному значенні витрати зняти свідчення всіх п'єзометрів, дані занести до табл. 3.1.

5. Після виконання роботи закрити вентилі 2 і 9 і відключити насос.

 

 

Таблиця 3.1

№ досліду	Свідчення п'єзометрів
h1, мм	h2, мм	h3, мм	h4, мм	h5, мм	h6, мм	h7, мм	h8, мм	h9, мм	h10, мм
...