Лабораторная работа 3 ИЗУЧЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Лабораторная работа № 3

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.

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. Объемный расход и скорость, связаны между собой соотношением

(3.1)

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, которые находим как

и потери напора, которые определяются как

где – плотность жидкости либо газа, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

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 ртр при стабилизированном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распределяются по всей длине трубы. Потери второго вида (рм) 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:

,	(3.2)
,

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

где  – 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 Дарси-Вейсбаха видно, что величина потерь напора на гидравлическое трение по длине возрастает с увеличением скорости потока и длины трубы и уменьшается с увеличением диаметра трубопровода.

Местные потери напора определяются по формуле

где – коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент гидравлического трения  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.

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.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки.

Диаметр магистрального участка трубопровода d = 1,6102 м; плотность воды – 1000 кг/м3

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 11 и заполнить напорный бак 1.

Открыть вентиль 2 полностью и с помощью вентиля 9 установить заданное значение расхода воды. Величина расхода Q (м3/с) определяется по разности h9,10 показаний пьезометров h9 и h10 (h9,10 = h9 – h10) и тарировочному графику.

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

Изменить расход жидкости и при каждом значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1. После выполнения работы закрыть вентили 2 и 9 и отключить насос.

Таблица 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

Обработка экспериментальных данных

Определить потери напора на отдельных участках трубопровода, например, h1,2 = h1  h2. Данные занести в табл. 3.2.
По перепаду напора на диаграмме h9,10 = h9  h10 с помощью тарировочной кривой (Приложение 1) определить расход воды для всех 7 опытов. Данные занести в табл. 3.2.
Определить среднюю скорость воды в трубопроводе

V = 4Q/d2, м/с.

(3.3)

где d диаметр магистрального участка трубопровода и d = 1,6×10-2 м;

Для каждого значения скорости потока вычислить потери напора по длине hпот, например, h2,3 = h2  h3 и на отдельных участках трубопровода (местных сопротивлениях) в соответствии с табл. 3.2.

Таблица 3.2

№ опыта	1	2	3
Объемный расход	Q, м3/с
Средняя скорость	V, м/с
Входной вентиль	Dh1,2, м
	N1,2, Вт
Магистральный трубопровод	Dh2,3, м
	N2,3, Вт
Резкий поворот на 90о	Dh3,4, м
	N3,4, Вт
Плавный поворот на 90о	Dh4,5, м
	N4,5, Вт
Резкое расширение	Dh6,7, м
	N6,7, Вт
Резкое сужение	Dh7,8, м
	N7,8, Вт
Диафрагма	Dh9,10, м
	N9,10, Вт

Мощность, затрачиваемая на преодоление каждого из гидравлических сопротивлений, определяется по формуле

(3.4)

где   плотность воды 1000 кг/м3;

g  ускорение свободного падения 9,8 м/с;

hпот  потери напора по длине на данном участке трубопровода;

Q  объемный расход, м3/с;

Провести сравнительный анализ потерь энергии на каждом из участков сложного трубопровода. Обратить внимание на влияние скорости течения на потери энергии.

Выводы:

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 3

Цель лабораторной работы и объект исследования.

Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

Какие величины характеризуют поток жидкости или газа?

Какие устройства используются для перекачивания жидкостей и газов?

Расход жидкости. Единицы измерения объемного расхода. Зависимость объемного расхода от скорости.

Чем обусловлены потери энергии при транспортировании жидкостей в трубопроводах?

Виды гидравлических потерь.

Виды местных сопротивлений.

Как определить мощность, затрачиваемую на транспортирование текучих сред по трубопроводу?

Как зависят потери энергии от скорости потока, длины и диаметра трубопровода? Влияние качества поверхности труб, их геометрии на потери энергии.

Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов.