Изучение потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по трубопроводу

Цель работы: экспериментальное определение потерь энергии на транспортирование жидкостей и газов по сложному трубопроводу, включающему в себя магистральный трубопровод и участки с резким изменением геометрии потока: резким расширением, резким сужением, резким и плавным поворотами потока.

Общие сведения

Транспортирование текучих сред (жидкостей и газов) по трубопроводам осуществляется с помощью нагнетательных устройств (насосов, вентиляторов и т.п.). Для того, чтобы перемещать текучую среду, нагнетательное устройство должно затрачивать некоторую энергию. Оказывается, эта энергия зависит не только от физических свойств текучей среды, но и от характеристик трубопроводной системы. Эксплуатационные расходы энергии на транспортирование можно существенно сократить за счет выбора оптимальной геометрии трубопроводной системы, что может быть реализовано только после изучения основных закономерностей течения жидкостей и газов по трубопроводам.

Поток жидкости либо газа можно характеризовать объемным расходом Q (м³/с) и средней по сечению трубы скоростью V (м/с). Расход является одной из основных характеристик потоков жидкости либо газа. Расходом называется количество жидкости или газа, которое перемещается через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Расход и скорость связаны между собой соотношением , где S - площадь поперечного сечения трубы (м²).

При движении реальных жидкостей и газов часть механической энергии движения необратимо превращается в тепловую. Эта часть энергии называется потерей энергии . Потери энергии обусловлены существованием сил вязкого трения в жидкостях и газах, т.е. вязкости. С потерями энергии связаны потери давления и потери напора , где - плотность жидкости либо газа; - ускорение свободного падения. Потери давления измеряются в Па, потери напора - в м.

Существование сил вязкости приводит к затратам энергии на перемещение текучих сред. Часть мощности, затрачиваемая нагнетательным устройством на транспортирование по трубопроводу текучих сред с расходом Q, определяется выражением

, Вт.

Гидравлические потери давления (напора) обычно делят на два вида. Первый вид представляет собой потери давления на трение Dр_тр при стабилизированном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распределяются по всей длине трубы. Потери второго вида (Dр_м) сосредоточены на сравнительно коротких участках трубопроводов и вызываются местными изменениями конфигурации канала. Эти сопротивления называются местными. Примерами местных сопротивлений могут служить участки резкого расширения и сужения трубопровода, места слияния и разделения потоков, различного рода трубопроводная аппаратура (вентили, клапаны, задвижки, дроссели и т.п.). Характерной особенностью движения жидкости через местные сопротивления является образование вихрей в потоке, что вызывает значительные потери энергии (давления, напора).

Таким образом, полные потери давления и напора определяются выражениями:

;

.

Потери напора по длине для случая установившегося движения жидкости по трубопроводу круглого сечения определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

,

где l - коэффициент гидравлического трения (коэффициент потерь напора по длине);

l - длина рассматриваемого участка трубы, м;

d - диаметр трубопровода, м;

V - средняя скорость движения жидкости, м/с.

Из формулы видно, что величина потерь напора по длине возрастает с увеличением скорости потока, длины трубы и уменьшается с увеличением диаметра трубопровода.

Местные потери определяются по формуле

,

где - коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент гидравлического трения l зависит от режима течения жидкости и шероховатости трубы. Эта зависимость называется законом сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления также зависит от режима течения и от вида и конструктивного исполнения местного сопротивления.

Сравнительный анализ различных гидравлических сопротивлений показывает, что потери энергии значительно возрастают при резком изменении диаметра трубы, при резких поворотах и т.п.

Значения коэффициентов сопротивления, как правило, определяются опытным путем и в обобщенном виде содержатся в справочниках в виде эмпирических формул, таблиц, графиков. В приложении к работе приведены некоторые данные по гидравлическим сопротивлениям.

Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по сложным трубопроводам: использование труб с гладкой внутренней поверхностью; обеспечение плавных поворотов потока; устройство более плавного изменения поперечного сечения потока жидкости; устройство плавных входов и выходов из труб; разогрев при перекачивании высоковязких жидкостей; введение полимерных добавок в поток жидкости.

Экспериментальная установка

Схема установки приведена на рис. 3.1. Вода из напорного бака 1 проходит последовательно через входной вентиль 2, магистральный трубопровод 3, участки трубопровода с резким 4 и плавным 5 поворотами, резким расширением 6 и резким сужением 7, диафрагму 8 и сливается в бак 10. Расход воды регулируется вентилем 9 и определяется по перепаду давления на диафрагме 8 с помощью тарировочного графика. Уровень в баке 1 поддерживается постоянным с помощью насоса 11.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки.

Длина магистрального участка трубопровода l = 1,7 м; длина d = 1,6×10^-2 м; плотность воды - 1000 кг/м³

Пьезометрический напор в жидкости на различных участках трубопровода определяется по показаниям пьезометрических трубок h₁ - h₁₀, выведенных на общий щит и установленных на исследуемых участках трубопровода.

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 11 и заполнить напорный бак 1.

2. Открыть вентиль 2 полностью и с помощью вентиля 9 установить заданное значение расхода воды. Величина расхода определяется по разности Dh_9,10 показаний пьезометров h₉ и h₁₀ (Dh_9,10 = h₉ - h₁₀) и тарировочному графику.

3. При данном значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1.

4. Изменить расход жидкости и при каждом значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1.

5. После выполнения работы закрыть вентили 2 и 9 и отключить насос.

Т а б л и ц а 3.1

№ опыта	Показания пьезометров
h1, мм	h2, мм	h3, мм	h4, мм	h5, мм	h6, мм	h7, мм	h8, мм	h9, мм	h10, мм
...