№3 – Изучение потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по трубопроводу

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

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 E. 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 р – 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 

Гидравлические потери давления (напора) обычно делят на два вида. Первый вид представляет собой потери давления на трение Dртр при стабилизированном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распределяются по всей длине трубы. Потери второго вида (Dрм) 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 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 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. 

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.

1. Открыть вентиль 2 полностью и с помощью вентиля 9 установить заданное значение расхода воды. Величина расхода Q (м3/с) определяется по разности Dh9,10 показаний пьезометров h9 и h10 (Dh9,10 = h9 – h10) и тарировочному графику.
2. При данном значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1.
3. 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

Обработка экспериментальных данных

1. Определить потери напора на отдельных участках трубопровода, например, Dh1,2 = h1 - h2. Данные занести в табл. 3.2.
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.
3. Определить среднюю скорость воды в трубопроводе

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

4. Для каждого значения скорости потока вычислить потери напора по длине Dhпот, например, Dh2,3 = h2 - h3 и на отдельных участках трубопровода (местных сопротивлениях) в соответствии с табл. 3.2.

Таблица 3.2

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

(3.4) где r - плотность воды 1000 кг/м3; g - ускорение свободного падения 9,8 м/с; Dhпот - потери напора по длине на данном участке трубопровода; Q - объемный расход, м3/с;

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

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 3

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

3. Какие величины характеризуют поток жидкости или газа?

4. Какие устройства используются для перекачивания жидкостей и газов?

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

6. Чем обусловлены потери энергии при транспортировании жидкостей в трубопроводах?

7. Виды гидравлических потерь.

8. Виды местных сопротивлений.

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

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

11. Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов.