Учет местных сопротивлений трубопровода движению жидкости

Гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление или гидравлические потери – это суммарные потери при движении жидкости по водопроводящим каналам. Их условно можно разделить на две категории:

Потери трения – возникают при движении жидкости в трубах, каналах или проточной части насоса.

Потери на вихреобразование – возникают при обтекании потоком жидкости различных элементов. Например, внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п. Такие потери принято называть местными гидравлическими сопротивлениями.

Содержание статьи

Коэффициент гидравлического сопротивления

Гидравлические потери выражают либо в потерях напора Δh в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления ΔP:

где ρ — плотность среды, g — ускорение свободного падения.

В производственной практике перемещение жидкости в потоках связано с необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление трубы по длине потока, а также различные местные сопротивления:
Поворотов
Диафрагм
Задвижек
Вентилей
Кранов
Различных ответвлений и тому подобного

На преодоление местных сопротивлений затрачивается определенная часть энергии потока, которую часто называют потерей напора на местные сопротивления. Обычно эти потери выражают в долях скоростного напора, соответствующего средней скорости жидкости в трубопроводе до или после местного сопротивления.

Аналитически потери напора на местные гидравлические сопротивления выражаются в виде.

где ξ – коэффициент местного сопротивления (обычно определяется опытным путем).

Данные о значении коэффициентов различных местных сопротивлений приводятся в соответствующих справочниках, учебниках и различных пособиях по гидравлике в виде отдельных значений коэффициента гидравлического сопротивления, таблиц, эмпирических формул, диаграмм и т.д.

Исследование потерь энергии (потери напора насоса), обусловленных различными местными сопротивлениями, ведутся уже более ста лет. В результате экспериментальных исследований, проведенных в России и за рубежом в различное время, получено огромное количество данных, относящихся к разнообразнейшим местным сопротивлениям для конкретных задач. Что же касается теоретических исследований, то им пока поддаются только некоторые местные сопротивления.

В этой статье будут рассмотрены некоторые характерные местные сопротивления, часто встречающиеся на практике.

Местные гидравлические сопротивления

Как уже было написано выше, потери напора во многих случаях определяются опытным путем. При этом любое местное сопротивление похоже на сопротивление при внезапном расширении струи. Для этого имеется достаточно оснований, если учесть, что поведение потока в момент преодоления им любого местного сопротивления связано с расширением или сужением сечения.

Гидравлические потери на внезапное сужение трубы

Сопротивление при внезапном сужении трубы сопровождается образованием в месте сужения водоворотной области и уменьшения струи до размеров меньших, чем сечение малой трубы. Пройдя участок сужения, струя расширяется до размеров внутреннего сечения трубопровода. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубы можно определить по формуле.

Значение коэффициента ξвн. суж от значения отношения (F2/F1)) можно найти в соответствующем справочнике по гидравлике.

Гидравлические потери при изменении направления трубопровода под некоторым углом

В этом случае вначале происходит сжатие, а затем расширение струи вследствие того, что в месте поворота поток по инерции как бы отжимается от стенок трубопровода. Коэффициент местного сопротивления в этом случае определяется по справочным таблицам или по формуле

ξ поворот = 0,946sin(α/2) + 2.047sin(α/2) 2

где α – угол поворота трубопровода.

Местные гидравлические сопротивления при входе в трубу

В частном случае вход в трубу может иметь острую или закругленную кромку входа. Труба, в которую входит жидкость, может быть расположена под некоторым углом α к горизонтали. Наконец, в сечении входа может стоять диафрагма, сужающая сечение. Но для всех этих случаев характерно начальное сжатие струи, а затем её расширение. Таким образом и местное сопротивление при входе в трубу может быть сведено к внезапному расширению струи.

Если жидкость входит в цилиндрическую трубу с острой кромкой входа и труба наклонена к горизонту под углом α, то величину коэффициента местного сопротивления можно определить по формуле Вейсбаха:

ξвх = 0,505 + 0,303sin α + 0,223 sin α 2

Местные гидравлические сопротивления задвижки

На практике часто встречается задача расчета местных сопротивлений, создаваемых запорной арматурой, например, задвижками, вентилями, дросселями, кранами, клапанами и т.д. В этих случаях проточная часть, образуемая разными запорными приспособлениями, может иметь совершенно различные геометрические формы, но гидравлическая сущность течения при преодолении этих сопротивлений одинакова.

Гидравлическое сопротивление полностью открытой запорной арматуры равно

ξвентиля = от 2,9 до 4,5

Величины коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для каждого вида запорной арматуры можно определить по справочникам.

Гидравлические потери диафрагмы

Процессы, происходящие в запорных устройствах, во многом похожи на процессы при истечении жидкости через диафрагмы, установленные в трубе. В этом случае также происходит сужение струи и последующее её расширение. Степень сужения и расширения струи зависит от ряда условий:
режима движения жидкости
отношения диаметров отверстия диафрагмы и трубы
конструктивных особенностей диафрагмы.

Для диафрагмы с острыми краями:

Местные гидравлические сопротивления при входе струи под уровень жидкости

Преодоление местного сопротивления при входе струи под уровень жидкости в достаточно большой резервуар или в среду, не заполненную жидкостью, связано с потерей кинетической энергии. Следовательно, коэффициент сопротивления в этом случае равен единице.

Видео о гидравлическом сопротивлении

На преодоление гидравлических потерь затрачивается работа различных устройств (насосов и гидравлических машин)

Для снижения влияния гидравлических потерь рекомендуется в конструкции трассы избегать использования узлов способствующих резким изменениям направления потока и стараться применять в конструкции тела обтекаемой формы.

Даже применяя абсолютно гладкие трубы приходится сталкиваться с потерями: при ламинарном режиме течения(по Рейнольдсу) шероховатость стенок не оказывает большого влияния, но при переходе к турбулентному режиму течения как правило возрастает и гидравлическое сопротивление трубы.

Гидравлический расчет трубопровода.

Гидравлический расчет обычного бытового трубопровода выполняется при помощи уравнения Бернулли:

(z 1 + p 1 /ρg + α 1 u 2 1 /2g) – (z 2 + p 2 /ρg + α 2 u 2 2 /2g) = h 1-2 ­.

Для гидравлического расчета трубопровода вы можете воспользоваться калькулятором гидравлического расчета трубопровода.

В данном уравнении h1-2 – потери напора (энергии) на преодоление всех видов гидравлического сопротивления, которое приходится на единицу веса перемещающейся жидкости.

h 1-2 = h t + Σh м .

  • ht – потери напора на трение по длине потока.
  • Σhм – суммарные потери напора на местном сопротивлении.

Потери напора на трение по длине потока вы можете рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха

h t = λ(L/d)(v 2 /2g).

  • где L –длина трубопровода.
  • d -диаметр участка трубопровода.
  • v — средняя скорость перемещения жидкости.
  • λ -коэффициент гидравлического сопротивления, который в общем случае зависит от числа Рейнольдса (Re=v*d/ν), и относительной эквивалентной шероховатости труб (Δ/d).

Значения эквивалентной шероховатости Δ внутренней поверхности труб разных типов и видов указаны в таблице 2. А зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Re и относительной шероховатости Δ/d указаны в таблице 3.

В случае, когда режим движения ламинарный, то для труб некруглого сечения коэффициент гидравлического сопротивления λ находится по персональным для каждого отдельного случая формулам (табл. 4).

Читайте также  Фитинги в индивидуальной упаковке

Если турбулентное течение развито и функционирует с достаточной степенью точности, то при определении λ можно использовать формулы для круглой трубы с заменой диаметра d на 4 гидравлических радиуса потока Rг (d=4Rг)

R г = w / c .

  • где w– площадь «живого» сечения потока.
  • c- «смоченный» его периметр (периметр «живого» сечения по контакту жидкость – твердое тело)

Потери напора в местных сопротивлениях можно определить по форм. Вейсбаха

h м = ζ v 2 /2g.

  • где ζ – коэффициент местного сопротивления, который зависит от конфигурации местного сопротивления и числа Рейнольдса.

При развитом турбулентном режиме ζ = const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления Lэкв. т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого ht = hм. В данном случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к фактической длине трубопровода добавляется сумма их эквивалентных длин

  • где Lпр – приведенная длина трубопровода.

Зависимость потерь напора h1-2 от расхода называется характеристикой трубопровода.

В случаях когда движение жидкости в трубопроводе обеспечивает центробежный насос, то для определения расхода в системе насос – трубопровод выстраивается характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок ∆z (h1-2 + ∆z при z1 z2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q), которая приведена в паспортных данных насоса (смотреть рисунок). Точка пересечения таких кривых указывает на максимально возможный расход в системе.

Сортамент труб.

Наружный диаметр dн, мм

Внутренний диаметр dвн, мм

Толщина стенки d. мм

Наружный диаметр dн, мм

Внутренний диаметрdвн, мм

Толщина стенки d, мм

1. Трубы стальные бесшовные общего назначения

3. Трубы насосно-компрессорные

Учет местных сопротивлений трубопровода движению жидкости

К местным гидравлическим сопротивлениям относятся различные устройства и элементы, устанавливаемые на трубопроводах, в которых происходит нарушение нормального движения потока в результате его деформации с изменением направления и значения средней скорости и возникновением вихреобразования. В результате деформации турбулентного потока происходит интенсивное перемешивание частиц и обмен количеством движения между частицами жидкости.

К элементам и устройствам относятся фасонная и трубопроводная арматура: отводы (колена), переходники, тройники, крестовины, диафрагмы, сетки, запорные регулирующие вентили (краны), задвижки, затворы, предохранительные и регулирующие клапаны, всасывающие наконечники, устанавливаемые на входе в трубу насосов, и т.д.

Самые простые местные гидравлические сопротивления можно разделить по направлению вектора средней скорости.

1.Скорость переменна при неизменном направлении движения потока жидкости.

Например, расширение трубы (русла) может быть плавное или внезапное; сужение трубы (русла) — плавное или внезапное.

2.Скорость постоянна при изменении направления движения потока.

Например, поворот трубы (русла) в виде плавного или резкого (см. рис.).

К более сложным местным сопротивлениям относятся сопротивления, в которых вектор скорости изменяется по значению и направлению, а также при слиянии или разделении потоков. Например, задвижки, клапаны, вентили и т.д., а также тройники, крестовины (см. рис.).

В таких сопротивлениях в результате резких изменений направления и скорости происходит весьма значительная деформация потока с возникновением интенсивного вихреобразования.

Местными потерями напора называют затраты удельной механической энергии, обусловленные работой сил трения и вихреобразованием на преодоление потоком жидкости местного сопротивления. На поддержание вихрей в определенной зоне затрачивается энергия потока.

Вейсбах предложил местные потери напора определять по формуле:

h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
ζ-Это коэффициент сопротивления, он будет находится дополнительными формулами о которых напишу ниже.
V-скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
g-ускорение свободного падения равен 9,81 м/с 2

Коэффициент ζ, показывает количество скоростного напора, затрачиваемого на преодоление какого-либо местного сопротивления. В местном сопротивлении потери механической энергии при движении потока через него превращаются в тепловую энергию.

Коэффициент местных сопротивлений зависит:

  • от формы и геометрических размеров;
  • шероховатости внутренней поверхности сопротивления;
  • режима движения.

    В общем виде коэффициент ζ, можно представить в следующем виде:

    В — безразмерный коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления при ламинарной и переходной области сопротивления;
    Re — число Рейнольдса;
    ζкв — коэффициент местных сопротивлений для квадратичной области, т.е. не зависящий от Re.

    Для квадратичной области сопротивления ζ = ζкв. Обычно при гидравлических расчетах принимается ζкв.

    Коэффициент ζ, находится опытным путем, а значения ζкв для различных местных сопротивлений, В приводятся в гидравлических справочниках.

    Ниже мы разберем основные встречающиеся задачи по местным сопротивлениям, которые следует учитывать.

    Рассмотрим два варианта местных сопротивлений это варинты закругления трубы:

    1. Закругленным углом (а)

    2. Прямым углом — коленом (б)

    Разберем сначала второй вариант, так как он вызывает большое гидравлическое сопротивление нежели с закругленным углом.

    Для нахождения коэффициента местного сопротивления ввиде коленного поворота(см.рис.[б]), используем формулу:

    ζ-коеффициент местного сопротивления.
    β-угол отвода(колена).

    Также для наглядного понимания приведу таблицу:

    Видно что при 90° коеффициент местного сопротивления приблизительно равен единице.

    Полученный коэффициент местного сопротивления вставляем в формулу:

    И получаем потерю напора в метрах.

    Не мало важная формула для нахождения местного сопротивления на отводах с закруленным углом(см.рис.[а]). Это могут быть и гнутые трубы под определенным радиусом и определенным углом.

    d-внутренний диаметр трубы, в переводе на метры.
    R-радиус скругления угла, в переводе на метры.
    β-угол сгибания трубы.

    Для тех, кто хочет сделать теплый водяной пол своими рукам, вот здесь подробнее: Водяной теплый пол своими руками.

    Таблица: (Значение коэффициента сопротивления ζ для отвода на 90° при различных закруглениях).

    Я думаю вы уже запомнили, что полученный коэффициент вставляем в формулу:

    и получаем потерю напора на местном сопротивлении. Если их много, а их много особенно в теплых полах. Просто необходимо найти потерю напора на одном местном сопротивлении и полученный ответ помножить на количество поворотов.

    Гидравлическое сопротивление труб

    Гидравлическое сопротивление – это сопротивление движению потока рабочей среды, которое оказывается со стороны трубопроводной системы и оценивается количеством потерянной удельной энергии, безвозвратно расходуемой на работу сил трения. При этом гидропотери могут возникать в результате:

    • Трения по длине. Даже на прямых отрезках трубопровода создаётся противодействие движущемуся потоку. Это возникает на фоне появления сил вязкого трения. Причём с увеличением длины прямолинейного участка повышается сопротивление внутри трубопровода на данном участке.
    • Местных факторов. Это могут быть повороты, различные сужения, тройники, краны и прочее.
    • Расчет гидравлического сопротивления и его роль
    • Коэффициент гидравлического сопротивления трубы
    • Коэффициент гидравлического сопротивления различных труб
    • Трубы с низким коэффициентом гидравлического сопротивления
    • Вопросы, комментарии, отзывы

    Расчет гидравлического сопротивления и его роль

    Любая трубопроводная коммуникация имеет не только прямолинейные участки, но и повороты, ответвления, для создания которых используются различные фитинги. А для регулирования потока рабочей среды устанавливается запорная арматура. Всё это создаёт сопротивление, поэтому очень важно перед тем, как приступать к монтажу трубопровода, необходимо выполнить ряд расчётов, в том числе определить гидравлическое сопротивление. Это позволит в будущем сократить теплопотери и, соответственно, избежать лишних энергозатрат.

    Гидравлический расчёт выполняется с целью:

    • Вычисления потерь давления на конкретных отрезках системы отопления;
    • Определения оптимального диаметра трубопровода с учётом рекомендованной скорости перемещения рабочего потока;
    • Расчёта тепловых потерь и величины наименьшего давления в трубопроводе;
    • Правильного выполнения увязки параллельно расположенных гидравлических ветвей и закреплённой на ней запорной арматуры.
    Читайте также  Сварка стали 09г2с

    Во время движения по замкнутому контуру рабочему потоку приходится преодолевать определённое гидравлическое сопротивление. Причём с увеличением его значения, должна увеличиваться мощность насоса. Только правильные расчёты помогут выбрать оптимальный вариант насоса. Нет смысла покупать слишком мощное оборудования для трубопроводов с низким гидравлическим сопротивлением, ведь, чем больше мощность, тем выше энергозатраты.

    А если мощность будет, наоборот, недостаточной, то насосное оборудование не сможет обеспечить достаточный напор теплоносителя, что приведёт к увеличению тепловых потерь.

    Коэффициент гидравлического сопротивления трубы

    Это безмерная величина, показывающая, каковы потери удельной энергии.

    Ламинарное перемещение рабочего потока

    При ламинарном (равномерном) перемещении рабочей среды по трубопроводу круглого сечения потери давления по длине вычисляется по формуле Дарси-Вейсбаха:

    — потери давления по длине;

    — коэффициент гидравлического сопротивления;

    v – скорость движения рабочей среды;

    g – ускорение силы тяжести;

    d – диаметр трубопроводной магистрали.

    Практически определено, что на коэффициент гидравлического сопротивления непосредственное влияние оказывает число Рейнольдса (Re) – безмерная величина, которая характеризует поток жидкости и выражается отношением динамического давления к касательному напряжению.

    Если Re меньше, чем 2300, то для расчёта применяется формула:

    Для трубопроводов в форме круглого цилиндра:

    Для трубопроводных коммуникаций с другим (не круглым) сечением:

    Где А=57 – для квадратных труб.

    Турбулентное течение рабочего потока

    При турбулентном (неравномерном, беспорядочном) перемещении рабочего потока коэффициент сопротивления вычисляют опытным путём, как функцию от Re. Если необходимо определить коэффициент гидравлического сопротивления для магистрали круглого сечения с гладкими поверхностями при

    , то для расчёта применяется формула Блаузиуса:

    В случае турбулентного перемещения рабочей среды на величину коэффициента трения влияет число Рейнольдса (характер течения) и насколько гладкая внутренняя поверхность трубопроводной коммуникации.

    Коэффициент местного сопротивления

    Это безмерная величина, которая устанавливается экспериментальным путём с помощью формулы:

    – коэффициент местного сопротивления;

    – потеря напора;

    – отношение скорости потока к ускорению силы тяжести – скоростной поток.

    При неизменной скорости перемещения рабочей среды по всему сечению применяется формула:

    , где

    – энергия торможения.

    Местные потери напора

    На этой странице собрана информация по коэффициентам местного сопротивления, которые могут быть использованы для расчета местных потерь напора в задачах инженерной практики

    Задвижка

    При расчете трубопроводных систем коэффициент сопротивления открытой задвижки принимается ζзадв = 0,1 — 0,2. Если задвижка прикрыта на определенную величину, то коэффициент сопротивления напрямую зависит от степени закрытия. Ниже представлена таблица зависимости коэффициента сопротивления задвижки от степени закрытия. Чем больше степень закрытия — тем больше коэффициент сопротивления.

    Степень закрытия
    (d-h)/d
    1/8 2/8 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8
    ζзадв 0,07 0,26 0,81 2,06 5,52 17,0 97,8

    Шаровой кран

    Коэффициент сопротивления шарового крана зависит от его диаметра (условного прохода). Ниже представлена таблица с коэффициентами. Диаметр крана приведен в дюймах (т.к. чаще всего он соединяется с трубами на резьбе), но ниже дан соответствующий диаметр в мм

    D, дюймы 1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2
    D, мм 15 20 25 32 40 50
    ζ 0,26 0,13 0,12 0,11 0,103 0,101

    По правилам русского языка, в отношении, в данном случае, запорной арматуры, элементом которой является шар, правильное произношение и написание будет шаровой кран, а не шаровый кран. Шаровый означает цвет (дымчато-серый)

    Вентиль

    Коэффициент местного сопротивления вентиля для расчетов может быть принят равным 6

    ζвент = 6

    Поворотный затвор

    Коэффициент сопротивления поворотного затвора для технических расчетов может быть принят равным 0,15 — 0,25

    Обратный клапан

    Коэффициент сопротивления обратного клапана для технических расчетов может быть принят равным 1,7

    Плавный поворот

    Коэффициент сопротивления при плавном повороте потока зависит от угла поворота ( α ) . Для стандартных отводов на 90 о коэффициент ζ = 0,5 — 0,6. Коэффициент сопротивления при повороте на произвольный угол ( α ) может быть найден по формуле: ζпов = ζ90·α/90

    Резкий поворот

    Коэффициент местного сопротивления при резком повороте зависит от угла поворота ( α ). Эта зависимость представлена в табличной форме ниже

    α 20 30 45 60 75 90 110 130 150 180
    ζпов 0,13 0,16 0,32 0,56 0,81 1,19 1,87 2,59 3,20 3,60

    Внезапное расширение

    Потеря напора может быть рассчитана по скорости до (v₁) или после изменения диаметра (v₂)

    Внезапное сужение

    Потеря напора на внезапное сужение может быть также рассчитана по скорости (v₂) после сужения по формуле ниже:

    Плавное расширение (переход расширяющийся)

    Коэффициент местного сопротивления для стандартного расширяющегося перехода может быть принят ζпер.расш. = 0,25

    ! При вычислении потери напора скорость берется по меньшему диаметру !

    Плавное сужение (переход сужающийся)

    Коэффициент местного сопротивления для стандартного сужающегося перехода может быть принят ζпер.суж. = 0,1

    При вычислении потери напора скорость также берется по меньшему диаметру

    Обратный клапан с сеткой

    При вычислении потерь напора на обратном клапане с сеткой, который устанавливается в определенных случаях на всасывающем трубопроводе от насоса для забора воды из водных объектов, коэффициент местного сопротивления может быть принят: ζобр.кл = 5,0 – 10,0

    Вход в трубу

    Коэффициент местного сопротивления при входе в трубу из резервуара зависит от того, как «оформлено» место входа. Скругленные кромки (вариант Б) уменьшают гидравлическое сопротивление. Если труба заведена вовнутрь (вариант Г), то коэффициент сопротивления, напротив, больше.

    Вход в трубу с поворотом

    Коэффициент сопротивления при входе в трубу из резервуара ζвх.α также зависит от угла поворота α. Чем больше угол — тем больше местное сопротивление.

    α 90 75 60 45
    ζвх.α 0,50 0,59 0,70 0,81

    Выход в резервуар под уровень жидкости

    Потери напора при выходе из трубопровода в резервуар под уровень жидкости равняются скоростному напору потока в месте выхода, т.е. коэффициент сопротивления ζвых = 1

    Потери, связанные с течением жидкости через тройники

  • Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: