Тема 5. Изучение потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по трубопроводу.

 

 

Ключевыепонятия: трубопровод, расход энергии на транспортирование, объемный расход, потери энергии, потери давления, напора, вязкость, гидрав-лические потери, потери напора по длине, местные потери, коэффициент гид-равлического трения, коэффициент местного сопротивления, пьезометр.

 

 

Цель работы:

 

 

1. Ознакомиться с методами транспортирования жидкостей и газов по трубопроводу и основными затратами энергии на транспортировку.

2. Изучить основные методы снижения потерь энергии при транспорти-ровании жидкостей и газов по трубопроводам.

3. Исследовавние потерь энергии на транспортирование жидкостей и га-зов по сложному трубопроводу, включающему в себя магистральный трубопровод и участки с резким изменением геометрии потока.

 

Содержание работы

 

1. Ознакомиться с теоретической частью, основными понятиями и опре-делениями.

2. На основании полученных теоретических знаний выполнить необхо-димые расчеты.

3. Внеаудиторная работа предполагает дополнительную проработку тео-ретических вопросов, а также доработку и оформление результатов практических занятий.

 

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 трубопро-водной системы. Эксплуатационные расходы энергии на транспортирование можно существенно сократить за счет выбора оптимальной геометрии трубо-проводной системы, что может быть реализовано только после изучения основ-ных закономерностей течения жидкостей и газов по трубопроводам.

 

Поток жидкости либо газа можно характеризовать объемнымрасходом Q (м3/с) и средней по сечению трубы скоростью V (м/с). Расход является од-ной из основных характеристик потоков жидкости либо газа. Расходом называ-ется количество жидкости или газа, которое перемещается через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Расход и скорость связаны между собой соотношением Q = VS, где S - площадь поперечного сечения трубы (м 2).

 

При движении реальных жидкостей и газов часть механической энергии движения необратимо превращается в тепловую. Эта часть энергии называется потерейэнергии Ä Е. Потери энергии обусловлены существованием сил вяз-кого трения в жидкостях и газах, т.е. вязкости. С потерями энергии связаны потеридавления Ä рпот = ñÄ Е и потеринапора hпот = Ä рпот/ ñ g = Е / g, где ñ - плотность жидкости либо газа; g - ускорение свободного падения. По-

 

тери давления рпот измеряются в Па, потери напора hпот - в м. Существование сил вязкости приводит к затратам энергии на перемеще-

ние текучих сред. Часть мощности, затрачиваемая нагнетательным устройством на транспортирование по трубопроводу текучих сред с расходом Q, определя-ется выражением

N = pпотQ, Вт.

 

 

Гидравлические потери давления (напора) обычно делят на два вида. Первый вид представляет собой п о т е р и д а в л е н и я н а т р е н и е Ä ртр при стабилизированном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распределяются по всей длине трубы. Потери второго вида (Ä рм) сосредоточены на сравнительно коротких участках трубопроводов и вызывают-ся местными изменениями конфигурации канала. Эти сопротивления называ-ются м е с т н ы м и. Примерами местных сопротивлений могут служить участ-ки резкого расширения и сужения трубопровода, места слияния и разделения потоков, различного рода трубопроводная аппаратура (вентили, клапаны, за-движки, 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 выраже-ниями:

рпот = Ä ртр +Ä рм;

 

 

hпот = Ä hтр + Ä hм.

 

 

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

 

l

Ä hтр = ë dvg,

 

где ë - 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 диа-метра трубопровода.

 

Местные потери определяются по формуле

 

v

2 Ä hм =V 2 g

 

где V - коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент гидравлического трения ë зависит от режима течения жид-кости и шероховатости трубы. Эта зависимость называется законом сопротив-

ления.

Коэффициент местного сопротивления также зависит от режима тече-

 

ния и от вида и конструктивного исполнения местного сопротивления. Сравнительный анализ различных гидравлических сопротивлений пока-

зывает, 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 эмпи-рических формул, таблиц, графиков. В приложении к работе приведены неко-торые данные по гидравлическим сопротивлениям.

Основныеметодысниженияпотерьэнергии при транспортировании жидкостей и газов по сложным трубопроводам:

• использование труб с гладкой внутренней поверхностью; • обеспечение плавных поворотов потока;

• установка в трубопроводы устройств, обеспечивающих плавное измене-ние 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. 1. Вода из напорного бака 1 проходит последовательно через входной вентиль 2, магистральный трубопровод 3, уча-стки трубопровода с резким 4 и плавным 5 поворотами, резким расширением 6

и резким сужением 7, диафрагму 8 и сливается в бак 10. Расход воды регулиру-

ется вентилем 9 и определяется по перепаду давления на диафрагме 8 с помо-

щью тарировочного графика. Уровень в баке 1 поддерживается постоянным с помощью насоса 11.

 

 

1

2 3 4 h 1 h 2 h 3

 

 

 

11 l

 

 

h 10 h 9 h 8 h 7 h 6 h 5

 

	h 4

 

 

10 9 8 7 6 5

 

 

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

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

 

 

Пьезометрический напор в жидкости на различных участках трубопрово-да определяется по показаниям пьезометрических трубок h 1 - h 10, выведенных на общий щит и установленных на исследуемых участках трубопровода.

 

Порядок выполнения работы

 

 

1. Включается водяной насос 11 и заполняется напорный бак 1.

2. После заполнения напорного бака открывается запорный кран 2 и с по-мощью расходного крана 9 устанавливается требуемый значение расхода воды. Величина расхода определяется по разности Ä h 9,10 показаний пьезометров h 9 и h 10 (Ä h 9,10 = h 9 - h 10) и тарировочному графику.

3. При данном значении расхода снимаются показания всех пьезометров и эти значения заносятся в табл. 1.

4. Изменяют расход жидкости и новые показания всех пьезометров зано-сят в табл. 1.

5. Исходные данные, необходимые для выполнения расчетов, приведены в табл. 3.

 

Т а б л и ц а 1

№ опыта	Показания пьезометров
h 1, мм	h 2, мм	h 3, мм	h 4, мм	h 5, мм	h 6, мм	h 7, мм	h 8, мм	h 9, мм	h 10, мм
1 2 3