Давление жидкости в трубопроводе при истечении

75. Гидравлика: Понятие потерь давления

Отсюда делаем вывод: как только вода пришла в движение, появились потери давления.Эти потери обусловлены вязкостью воды и за-висят от ее скорости. В основном, потери давления определяются силой трения движущейся воды о внутреннюю поверхность стенок трубопровода, которая имеет ту или иную шероховатость.Потери давления растут:► с ростом длины трубы;► с падением внутреннего диаметра (площади проходного сечения) трубы;► с ростом скорости воды (то есть расхода) в трубе.Потери давления приводят к дополнительным затратам энергии. Они порождают шумы в трубопроводах и незначительный нагрев воды. Чем больше скорость воды, тем больше шум, особенно там, где поток испытывает сужения. Например, в кранах, вентилях и т.п. Этот шум может доставлять определенные неудобства в тех случаях, когда трубопроводы проложены в жилых помещениях или поблизости от них.Поэтому диаметры трубопроводов должны выбираться таким образом, чтобы скорость жидкости в них не превышала определенных значений при максимальных потребных расходах. Например, сегодня существуют такие рекомендации:► Для труб с внутренним диаметром 15 мм максимальная скорость жидкости равна 0,5 м/с.► Для труб с внутренним диаметром 80 мм максимальная скорость жидкости равна 1,2 м/с.Такая разница в рекомендуемых значениях скоростей обусловлена следующим В трубах диаметром 15 мм периметр поверхности трения П=1,5смх7г«5 см, площадь проходного сечения S1 « 2 см2, а в трубах диаметром 80 мм периметр поверхности трения П = 8 см х п к 25 см при площади проходного сечения S2 * 50 Таким образом, при переходе от трубы с внутренним диаметром D1 = 15 мм к трубе с диаметром D2 = 80 ммпериметр поверхности трения возрастает в 5 раз, тогда как площадь проходного сечения увеличивается в 25 раз. В результате сила трения (а следовательно, и потери давления) в трубе диаметром 15 мм при скорости потока 0,5 м/с будет примерно такой же, как и в трубе диаметром 80 мм при скорости потока 1,2 м/с. Поэтому чем больше диаметр трубы, тем больше в ней может быть скорость потока при одной и той же величине потерь давления на трение.

В существующих сегодня установках диаметры жидкостных трубопроводов выбирают с таким расчетом, чтобы при максимальном расходе скорость потока в них приводила бы к потерям давления, как правило, в диапазоне от 10 до 20 мм вод. ст. на погонный метр длины трубопровода.

75.1. УПРАЖНЕНИЕ 1. Оценка потерь давления

Решение упражнения 1

При условии, что диаметр трубы определен правильно, можно предположить, что потери давления на трение составляют от 10 до 20 мм вод. ст. на погонный метр длины трубы. При выполнении оценки допустим, что потери давления на трение равны среднему значению указанного диапазона, то есть 15 мм вод. ст./м.

В тоже время, 6 поворотов на 90° эквивалентны по величине потерь давления участку прямой трубы того же диаметра длиной 6 х 0,8 м = 4,8 м. Следовательно, полная эквивалентная длина нашей трубы будет равна 50 м + 4,8 м « 55 м. Таким образом, полные потери давления в этой трубе составят 55 м х 15 мм вод. ст/м = 825 мм вод. ст « 0,8 м вод. ст.

* Это утверждение не всегда справедливо. В общем случае длину участка прямой трубы, эквивалентную по величине потерь давления какому-либо местному сопротивлению, находят по формуле Ьэкв = Щм/Ялтл Т№ D — внутренний диаметр трубы, §м — коэффициент местных потерь и Ятр — коэффициент трения жидкости о внутреннюю поверхность стенок трубы (прим. ред.).

ВЛИЯНИЕ РАЗНОСТИ УРОВНЕЙ НА ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ

Продолжим наши мысленные эксперименты. На рис. 75.5 представлены две абсолютно одинаковые схемы, отличающиеся только тем, что высота бака градирни на схеме 1 над сливным краном больше, чем высота бака на схеме 2.Длина сливных труб в обеих схемах одна и та же, диаметры труб также одинаковы. Из-за разности уровней давление в точке В схемы 1 будет выше, чем давление в точке В схемы 2.

Следовательно, если полностью открыть сливные краны в обеих схемах, расход Qvl будет выше, чем расход Qv2. Для того, чтобы сравнивать величины потерь давления в зависимости от разности уровней, необходимо прикрыть кран схемы 1 с целью выравнивания расходов, а следовательно, и скоростей потоков жидкости в трубопроводах схем 1 и 2.Как только мы это сделаем, то сразу же увидим, что при равенстве расходов Qvl и Qv2 потери давления для обеих схем будут в точности совпадать: Ahl = Ah2.

Вывод: потери давления на трение и местные сопротивления никоим образом не зависят от разности уровней трубопровода. Они определяются только расходом жидкости, длиной трубопровода, внутренним диаметром и шероховатостью стенок трубы.

75.2. УПРАЖНЕНИЕ 2. Влияние потерь давления на характеристики потока

Решение упражнения 2

Фильтр, установленный на трубопроводе (см. рис. 75.7 справа), ведет себя точно так же, как любое местное сопротивление (поворот, вентиль и др.

): он является дополнительным препятствием потоку жидкости, то есть создает дополнительные потери давления при прохождении воды. Эти потери добавляются к потерям на трение. В результате полные потери давления на участке от точки С до точки В возрастут (Ah2 > Ah 1).

Поскольку при этом в обоих случаях внутренний диаметр трубы на участке С-В не меняется, уменьшение расхода приводит к снижению скорости потока воды в трубе: скорость V2 будет заметно ниже сорости VI.

При росте потерь давления в контуре расход жидкости падает. Поскольку расход падает, неизбежно снижается и скорость потока.

Обратите внимание на дополнительные условия: следует отчетливо понимать, что скорость потока воды абсолютно одинакова на входе в фильтр и на выходе из него. Поскольку внутренний диаметр трубы одинаков по всей длине, скорость будет в точности одна и та же в каждом сечении трубы.

Скорость потока жидкости при постоянном расходе строго одна и та же в каждом сечении трубы постоянного внутреннего диаметра.

75.3. УПРАЖНЕНИЕ 3. Изменение расхода при изменении скорости

По трубе длиной 50 м с внутренним диаметром 80 мм вода течет со скоростью 1 м/с.

Как по-вашему, что произойдет с расходом, если скорость удвоится?Решение на следующей странице…

Решение упражнения 3

Мы нарушим традицию, которая действует в нашем руководстве, поскольку здесь мы вынуждены привести несложные формулы и выполнить очень простые расчеты.

Пожалуйста, извините нас за это, но вопросы гидравлики довольно сложны и иногда вам могут потребоваться отдельные базовые понятия для того, чтобы разобраться в некоторых явлениях, которые, тем не менее, мы будем стараться объяснять как можно проще.

Для начала вы должны вспомнить, что объемный расход, как правило, измеряется в м3/ч или м3/с (см. раздел 41 «Измерение расхода воздуха»}.Скорость потока и расход воды находятся в тесной взаимосвязи:Qv                        V         х        S(м3/с)       =           (м/с)      х      (м2)Расход      =        Скорость   х ПлощадьРассчитаем площадь проходного сечения трубы диаметром 80 мм (см. рис. 75.9): Рис. 75.9.                                 S = 3,14 х 0,082 / 4 = 0,005 м2.Теперь можно найти расходы:► Qvl = 1 м/с х 0,005 м2 = 0,005 м3/с   = 0,005 х 3600 = 18 м3/ч.► Qv2 = 2 м/с х 0,005 м2 =   0,01 м3/с   =   0,01 х 3600 = 36 м3/ч.Таким образом, для данного диаметра трубы расход прямо пропорционален скорости потока.

 При удвоении скорости потока жидкости в трубе расход также удваивается.

75.4. УПРАЖНЕНИЕ 4. Изменение расхода при изменении диаметра трубы

Мы только что нашли, что при скорости потока жидкости 1 м/с в трубе диаметром 80 мм расход жидкости равен 18 м3/ч.Теперь удвоим внутренний диаметр трубы, то есть возьмем трубу с внутренним диаметром 160 мм. Чему будет равен расход жидкости в этой трубе при той же скорости потока

Решение упражнения 4

При скорости потока 1 м/с расход в трубе с внутренним диаметром 80 мм равен 18 м3/ч. Если внутренний диаметр трубы будет равен 160 мм, то площадь ее проходного сечения станет S = 3,14 х 0,1 б2 / 4 = 0,02 м2.

При скорости потока 1 м/с расход в этой трубе будет равен 1 х 0,02 = 0,02 м3/с или 0,02 х 3600 = 72 м3/ч вместо прежних 18 м3/ч. Иначе говоря, расход вырастет в 4 раза.

Внимание! Не путайте понятие «внутренний диаметр » и площадь проходного сечения: если диаметр удваивается, то площадь проходного сечения увеличивается в 4 раза!

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ РАСХОДОМ И ДАВЛЕНИЕМ

Рассмотрим поплавковый клапан, предназначенный для подачи водопроводной воды в бак градирни (см. рис. 75.11). Допустим, что полностью открытый клапан при давлении воды в сети 2 бара обеспечивает расход 10 л/мин.

Запомните! При слабом давлении воды в водопроводной сети расход будет небольшим. Чтобы удвоить расход, давление в сети нужно повысить в 4 раза.

Разумеется, что на практике для удвоения расхода так не поступают. Если бы на самом деле повышали давление в сети, это породило бы многие проблемы: диаметр трубопровода пришлось бы делать очень малым, вода бы в трубах сильно «гудела» и т. д.

Проведем такую аналогию: если автомагистраль загружена, то для того, чтобы повысить ее пропускную способность, водителей не заставляют ехать быстрее, а либо делают новую полосу, либо строят объездной путь! То же самое предпринимают и для увеличения расхода жидкости в трубе: увеличивают площадь проходного сечения трубы.

При заданном расходе это приводит к снижению скорости потока воды в трубе (и, следовательно, шума), а потребное для обеспечения этого расхода давление уменьшается

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ РАСХОДОМ И ПОТЕРЯМИ ДАВЛЕНИЯ

В трубе с внутренним диаметром 80 мм предполагается удвоить расход. Что произойдет с потерями давления? На первый взгляд может показаться, что поскольку при удвоении расхода скорость потока удваивается, то и потери давления также должны удваиваться. К сожалению, это не так.

При удвоении расхода потери не удваиваются, а увеличиваются в четыре раза: если расход вырос в 2 раза, потери давления возрастут в 4 раза!

В примере на рис. 75.13 при скорости потока 1 м/с потери давления АР = 2 м вод. ст., а при увеличении скорости до 2 м/с потери давления умножаются на 4: АР = 2 х 4Потери давления пропорциональны квадрату расхода.

Для получения дополнительной информации см. раздел 95 «Несколько примеров расчета потерь давления «.

75.5. УПРАЖНЕНИЕ 5. Изменение потерь давления при изменении расхода

 Показан участок трубопровода, пропускающий воду со скоростью I м/с. Манометры показывают давление в различных точках этого трубопровода. Из показаний манометров можно сделать следующие выводы.

При скорости водяного потока 1 м/с потери давления составляют:- на фильтре АРф = 2 — 1,8 = 0,2 бар;- на вентиле АРв = 1,8 — 1,7 = 0,1 бар.

Что покажут манометры на выходе из фильтра и на выходе из вентиля, если скорость потока в трубе удвоится? Решение этого упражнения приведено ниже, однако прежде, чем знакомиться с ним, попробуйте поразмышлять самостоятельно.

• Решение упражнения 5
• Заметьте, что общие потери давления на этом участке вырастут с 0,3 до 1,2 бар: то есть тоже в 4 раза.

Скорость удвоилась, следовательно расход тоже удвоился. В результате потери давления нафильтре и на вентиле вырастут в 4 раза.Теперь потери давления на фильтре АРф = 0,2 бар х 4 = 0,8 бар, то есть манометр на выходеиз фильтра покажет 2 — 0,8 =1,2 бар.Потери давления на вентиле АРв = 0,1 бар х 4 = 0,4 бар, то есть манометр на выходе извентиля покажет 1,2 — 0,4 = 0,8 бар.

Движение жидкости в напорном трубопроводе, страница 15

.                                                           (5.60)

Формула
(5.60) является формулой Ньютона для определения распространения звука в
неограниченной жидкой среде.

Для воды
при температуре ,  Па и плотности  кг/м3 скорость звука  м/с.

Таким
образом, при движении воды по трубопроводу скорость распространения ударной
волны, м/с,

где  — модуль упругости воды.

Соотношение
модулей упругости воды  и материала стенок труб  приводится в табл. 5.7

Таблица 5.7

Материал стенки трубы
Сталь	0,01
Чугун	0,02
Асбоцемент	0,11
Винипласт	0,680,73
Полиэтилен	11,45

5.10. СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ УДАРОМ

Для
обеспечения водоснабжения и водоотведения используются насосные станции в
соответствии с требованиями водопотребления. Насосы входят в состав
оборудования насосных станций.

При внезапной остановке насоса за счет разности
напора остановившегося насоса и напора в трубопроводе жидкость начнет двигаться
по нему в сторону насоса. В результате этого в трубопроводе возникнет
гидравлический удар.

Направление движения гидроудара будет идти от области
повышенного давления (напорный водовод) к области пониженного давления (насос).

Повышение
давления перед насосом может привести к выходу его из строя в результате
деформации и разрушения его деталей. Для предотвращения отрицательного
воздействия гидравлического удара на работу насоса перед ним устанавливают
обратные клапаны или предохранительные клапаны.

При резком повышении давления
обратный клапан перекрывает сечение трубопровода и в результате гидравлического
удара возможно разрушение корпуса клапана. Предохранительные клапаны
автоматически отключаются при возникновении в трубопроводе избыточного
давления, соответствующего настройке клапана, и через клапан произойдет
истечение жидкости.

После снижения давления в трубопроводе клапан закрывается.

Для
полного обеспечения безаварийной и надежной работы трубопровода при возможном
возникновении прямого гидравлического удара проводятся специальные
противоударные технические мероприятия.

Во-первых, при непрямом ударе ударное
повышение давления меньше, чем при прямом, поэтому необходимо увеличивать время
срабатывания задвижек и других запорных устройств в сравнении со временем фазы
гидравлического удара. Во-вторых, применяются предохранительные клапаны и
гасители гидравлического удара различного типа [3, 6].

На характер
гидравлического удара большое влияние может оказывать наличие воздуха в
повышенных сечениях профиля водовода. Для выпуска воздуха, защемленного в
повышенных сечениях профиля трассы водовода, в этих сечениях устанавливаются
воздушные колпаки (вантузы).

♦
Пример 5.8

По
чугунному трубопроводу диаметром  мм подается вода
расходом л/с. Толщина стенки трубы  мм. Начальное, избыточное давление у
затвора трубопровода  атм. Определить значение
повышения давления у затвора при внезапном его закрытии.

Средняя
скорость в трубопроводе до закрытия затвора

Соотношение
модулей упругости воды  и чугунной трубы  согласно табл. 5.7

• .
• Принимаем
  модуль упругости воды  Н/м и плотность воды  кг/м3.
• Скорость
  распространения ударной волны согласно (5.59)
•  м/с.
• Повышение
  давления определяем по формуле Н. Жуковского:

Давление
у затвора

1. ♦
   Пример 5.9
2. Определить
   силу давления на запорный диск задвижки, установленный на конце стального
   трубопровода диаметром  мм, и напряжение в стенках
   трубы.
3. Длина
   трубопровода  м, толщина трубы  мм,
   время закрытия задвижки  с при расходе воды  м3/с.
4. Средняя
   скорость в трубопроводе до закрытия задвижки

Скорость
распространения ударной волны

 м/с;

 Н/м2;
 кг/м3;  (см. табл. 5.7).

Фаза
гидравлического удара

 с.

Так как , то имеет место непрямой гидравлический
удар. Повышение давления при непрямом ударе по формуле (5.56)

• ;
•  Па.
• Сила
  давления на запорный диск
•  H.
• Напряжение
  на стенках определяем по котельной формуле
• ; ;
• ПаМПа.
• Допустимое
  напряжение стали  МПа.

Расчет расхода воды по диаметру трубы и давлению: калькулятор, формула и таблица СНИП 2.04.01-85

Предприятия и жилые дома потребляют большое количество воды. Эти цифровые показатели становятся не только свидетельством конкретной величины, указывающей расход.

Помимо этого они помогают определить диаметр трубного сортамента. Многие считают, что расчет расхода воды по диаметру трубы и давлению невозможен, так, как эти понятия совершенно не связаны между собой.

Но, практика показала, что это не так. Пропускные возможности сети водоснабжения зависимы от многих показателей, и первыми в этом перечне будут диаметр трубного сортамента и давление в магистрали.

Выполнять расчет пропускной способности трубы в зависимости от ее диаметра рекомендуют еще на стадии проектирования строительства трубопровода. Полученные данные определяют ключевые параметры не только домашней, но и промышленной магистрали. Обо всем этом и пойдет далее речь.

Расчитаем пропускную способность трубы с помощью онлайн калькулятора

Чтобы правильно произвести расчет, необходимо обратить внимание, что: – 1кгс/см2 = 1 атмосфер; – 10 метров водяного столба = 1кгс/см2 = 1атм; – 5 метров водяного столба = 0.5 кгс/см2 и = 0.5 атм и т.д.

– Дробные числа в онлайн калькулятор вводятся через точку (Например: 3.5 а не 3,5)

Введите параметры для расчёта:

Какие факторы влияют на проходимость жидкости через трубопровод

Критерии, оказывающие влияние на описываемый показатель, составляют большой список. Вот некоторые из них.

1. Внутренний диаметр, который имеет трубопровод.
2. Скорость передвижения потока, которая зависит от давления в магистрали.
3. Материал, взятый для производства трубного сортамента.

Определение расхода воды на выходе магистрали выполняется по диаметру трубы, ведь эта характеристика совместно с другими влияет на пропускную способность системы. Так же рассчитывая количество расходуемой жидкости, нельзя сбрасывать со счетов толщину стенок, определение которой проводится, исходя из предполагаемого внутреннего напора.

Можно даже заявить, что на определение «трубной геометрии» не влияет только протяженность сети. А сечение, напор и другие факторы играют очень важную роль.

Помимо этого, некоторые параметры системы оказывают на показатель расхода не прямое, а косвенное влияние. Сюда относится вязкость и температура прокачиваемой среды.

Подведя небольшой итог, можно сказать, что определение пропускной способности позволяет точно установить оптимальный тип материала для строительства системы и сделать выбор технологии, применяемой для ее сборки. Иначе сеть не будет функционировать эффективно, и ей потребуются частые аварийные ремонты.

Расчет расхода воды по диаметру круглой трубы, зависит от его размера. Следовательно, что по большему сечению, за определенный промежуток времени будет выполнено движение значительного количества жидкости. Но, выполняя расчет и учитывая диаметр, нельзя сбрасывать со счетов давление.

Если рассмотреть этот расчет на конкретном примере, то получается, что через метровое трубное изделие сквозь отверстие в 1 см пройдет меньше жидкости за определенный временной период, чем через магистраль, достигающей в высоту пару десятков метров. Это закономерно, ведь самый высокий уровень расхода воды на участке достигнет самых больших показателей при максимальном давлении в сети и при самых высоких значениях ее объема.

Измерение расхода воды накладным ультразвуковым расходомером. часть 2

Вычисления сечения по СНИП 2.04.01-85

Прежде всего, необходимо понимать, что расчет диаметра водопропускной трубы является сложным инженерным процессом. Для этого потребуются специальные знания. Но, выполняя бытовую постройку водопропускной магистрали, часто гидравлический расчет по сечению проводят самостоятельно.

Данный вид конструкторского вычисления скорости потока для водопропускной конструкции можно провести двумя способами. Первый – табличные данные. Но, обращаясь к таблицам необходимо знать не только точное количество кранов, но и емкостей для набора воды (ванны, раковины) и прочего.

Только при наличии этих сведений о водопропускной системе, можно воспользоваться таблицами, которые предоставляет СНИП 2.04.01-85. По ним и определяют объем воды по обхвату трубы. Вот одна из таких таблиц:

Внешний объем трубного сортамента (мм) Примерное количество воды, которое получают в литрах за минуту Примерное количество воды, исчисляемое в м3 за час Если ориентироваться на нормы СНИП, то в них можно увидеть следующее – суточный объем потребляемой воды одним человеком не превышает 60 литров. Это при условии, что дом не оборудован водопроводом, а в ситуации с благоустроенным жильем, этот объем возрастает до 200 литров.

Однозначно, эти данные по объему, показывающие потребление, интересны, как информация, но специалисту по трубопроводу понадобятся определение совершенно других данных – это объем (в мм) и внутреннее давление в магистрали. В таблице это можно найти не всегда. И более точно узнать эти сведениям помогают формулы.

Расчет объема воды в трубе

Уже понятно, что размеры сечения системы влияют на гидравлический расчет потребления. Для домашних расчетов применяется формула расхода воды, которая помогает получить результат, имея данные давления и диаметра трубного изделия. Вот эта формула:

Формула для вычисления по давлению и диаметру трубы: q = π×d²/4 ×V

В формуле: q показывает расход воды. Он исчисляется литрами.  d – размер сечению трубы, он показывается в сантиметрах. А V в формуле – это обозначение скорости передвижения потока, она показывается в метрах на секунду.

Если сеть водоснабжения питается от водонапорной башни, без дополнительного влияния нагнетающего насоса, то скорость передвижения потока составляет приблизительно 0,7 – 1,9 м/с.

Если подключают любое нагнетающее устройство, то в паспорте к нему имеется информация о коэффициенте создаваемого напора и скорости перемещения потока воды.

Данная формула не единственная. Есть еще и многие другие. Их без труда можно найти в сети интернета.

В дополнение к представленной формуле нужно заметить, что огромное значение на функциональность системы оказывают внутренние стенки трубных изделий. Так, например, пластиковые изделия отличаются гладкой поверхностью, нежели аналоги из стали.

По этим причинам, коэффициент сопротивления у пластика существенно меньше. Плюс ко всему, эти материалы не подвергаются влиянию коррозийных образований, что также оказывает положительное действие на пропускные возможности сети водоснабжения.

Определение потери напора

Расчет прохода воды производят не только по диаметру трубы, он вычисляется по падению давления. Вычислить потери можно посредством специальных формул. Какие формулы использовать, каждый будет решать самостоятельно. Чтобы рассчитать нужные величины, можно использовать различные варианты. Единственного универсального решения этого вопроса нет.

Но прежде всего, необходимо помнить, что внутренний просвет прохода пластиковой и металлопластиковой конструкции не поменяется через двадцать лет службы. А внутренний просвет прохода металлической конструкции со временем станет меньше.

А это повлечет за собою потери некоторых параметров. Соответственно, скорость воды в трубе в таких конструкциях является разной, ведь по диаметру новая и старая сеть в некоторых ситуациях будут заметно отличаться. Так же будет отличаться и величина сопротивления в магистрали.

Так же перед тем, как рассчитать необходимые параметры прохода жидкости, нужно принять к сведению, что потери скорости потока водопровода связанны с количеством поворотов, фитингов, переходов объема, с наличием запорной арматуры и силой трения. Причем, все это при вычисления скорости потока должны проводиться  после тщательной подготовки и измерений.

Расчет расхода воды простыми методами провести нелегко. Но, при малейших затруднениях всегда можно обратиться за помощью к специалистам или воспользоваться онлайн калькулятором. Тогда можно рассчитывать на то, что проложенная сеть водопровода или отопления будет работать с максимальной эффективностью.

Видео – как посчитать расход воды

Занимательная расходометрия

Движение жидкостей по трубам

Как следует из уравнения Бернулли, для компенсации потерь энергии (потерь напора) энергия в начале потока должна быть больше, чем в конце.

Источники энергии потока жидкости. Начальную энергию со­здают в форме удельной потенциальной энергии положения (гео­метрического напора) либо удельной потенциальной энергии дав­ления (пьезометрического напора).

Потенциальную энергию положения запасают в напорных ба­ках (рис. 6.8, б), поднимая жидкость в поле сил тяжести на неко­торую высоту , которая и является начальным геометрическим напором.

Если на поверхности жидкости в замкнутом аппарате создать давление газа (рис. 6.8, б), то удельная потенциальная энергия давления также обеспечит движение жидкости в трубо­проводе. Такие аппараты называют монтежю.

Наиболее часто энергию в начале трубопровода создают насо­сом (рис. 6.8, в). Насос — это гидравлическая машина, предназна­ченная для передачи энергии потоку жидкости. Основная доля этой энергии — потенциальная энергия давления и частично — кине­тическая.

Потери напора по длине потока. Когда передвигают книгу по столу, то затрачивают энергию на преодоление силы трения о стол.

При движении жидкости энергия будет затрачиваться на пре­одоление сил трения в жидкости.

Экспериментально доказано, что при движении жидкости на стенке трубы образуется тончай­ший неподвижный слой этой жидкости. Поэтому даже на стенке трубы сохраняется жидкостное трение.

Рис. 6.8. Источники энергии, обеспечивающие движение жидкости по трубам: а — напорный бак; б — монтежю; в — насос; — геометрический напор; — давление на поверхности жидкости

где — коэффициент трения; l — длина трубы; d — ее диаметр: v2/(2g) — скоростной напор.

Очевидно, что чем больше длина трубы /, тем значительнее затраты энергии (напора) на преодоление трения. И наоборот, с увеличением диаметра трубы d затраты энергии уменьшаются, так как поверхность трения становится относительно меньше.

Влияние шероховатости на величину потерь напора обусловле­но образованием вихрей на выступах неровностей трубы, что тре­бует затрат некоторой доли энергии потока. Различают абсолют­ную и относительную шероховатость.

Абсолютная шероховатость (е) — это высота выступов неровно­стей на стенках трубы. Она зависит от материала и способа изго­товления трубы. Значения абсолютной шероховатости приводятся в справочниках.

Относительная шероховатость — это отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы (e/d). При определении коэффи­циента трения обычно используют обратную величину — харак­теристику шероховатости (d/e).

При увеличении шероховатости возрастает число вихрей и по­вышаются потери напора. Например, потери напора в чугунной трубе больше, чем в стеклянной, при прочих равных условиях.

Потери напора на местных сопротивлениях. В трубопроводе ско­рость жидкости может изменяться по величине и направлению из-за наличия поворотов канала, сужений, установки различных регулирующих устройств и т.д.

На таких участках, называемых мест­ными гидравлическими сопротивлениями, вследствие инерции жид­кость отрывается от стенок и образуются вихревые зоны. На фор­мирование вихрей затрачивается часть энергии потока.

Примера­ми местных сопротивлений могут служить внезапное расширение потока и плавный поворот (отвод) трубы, показанные на рис. 6.9. В первом случае изменяется значение скорости, во втором — ее направление.

Рис. 6.9. Примеры местных гид­равлических сопротивлений- I — внезапное расширение потока- I — плавный поворот (отвод) трубы

Потери напора на отдельном местном сопротивлении оп­ределяют по формуле

где — коэффициент местного сопротивления. Величина зависит от вида местного гидравлического сопротивления (ее значения опубликованы в справочной литературе).

Полные потери напора в трубопроводе. Производственные тру­бопроводы разнообразны как по расположению в пространстве, таки по оснащению их устройствами управления и вспомогатель­ным оборудованием.

Устройства управления служат для регулирования расхода жид­кости или полного перекрытия потока (кран, вентиль, задвиж­ка), ограничения давления в трубопроводе (предохранительный клапан), пропускания жидкости лишь в одном направлении (об­ратный клапан) и других целей.

К вспомогательным устройствам, устанавливаемым на трубопро­водах, относятся очистители жидкости (фильтры), гидроаккуму­ляторы (устройства для погашения гидравлического удара) и др.

Все элементы трубопроводов на гидравлических схемах имеют условные стандартные изображения. Саму трубу изображают сплош­ной линией.

На рис. 6.10 представлен пример схемы простого трубопровода. Его начало помечено цифрой 1, а конец — цифрой 2. Высота подъе­ма жидкости обозначена . Движение жидкости по трубопроводу сопровождается потерями напора одновременно по длине и на местных сопротивлениях. Их суммирование позволяет определить полные потери напора  в трубопроводе. Для приведенной схемы

Рис. 6.10. Пример схемы простого трубопровода: 1,2— соответственно начало и конец трубопровода; , р2 — давления; Т — трубопровод (гидролиния); 3 — задвижка; ОК — обратный клапан; Ф — фильтр; — высота подъема жидкости; — объемный расход жидкости

 где , — потери напора по длине (на трение); — потери на одном отводе — плавном повороте (всего их два); — на преодоление сопротивления трубопроводной арматуры — задвиж­ки, обратного клапана и фильтра; — потери напора на выходе из трубы в резервуар. Заметим, что место выхода из трубы являет­ся частным случаем внезапного расширения, когда скорость жид­кости падает до нуля (в резервуаре).

Потребный напор. Пьезометрический напор в начале трубопро­вода , необходимый для пропускания по нему жид­кости с заданным расходом, называют потребным напором . Исходя из его значения подбирают марку насоса.

Обеспечение потребного напора (удельной энергии) в трубо­проводе сопряжено с подъемом жидкости на высоту , создани­ем необходимого пьезометрического напора в конце трубопрово­да преодолением общих потерь напора в трубо­проводе. Эти затраты удельной энергии можно представить в сле­дующем виде;

(6.7)

Трубопровод, схема которого приведена на рис. 6.10, называют простым, так как он не имеет ответвлений. Трубопроводы с ответ­влениями называют сложными.

В производственной практике применяют два основных вида сложных трубопроводов: с параллельным соединением труб и слож­ный тупиковый трубопровод.

Пример схемы параллельного соединения труб представлен на рис. 6.11. Здесь общий магистральный поток жидкости с расходом разделяется в точке М на параллельные потоки с расходами в ветвях, равными и . В точ­ке N потоки сливаются. Очевид­но, что расход в магистрали ра­вен сумме расходов в ветвях:

Рис. 6.11. Пример схемы параллель­ного соединения труб: М, N — точки разделения и соедине­ния потока жидкости; , , — расходы жидкости в общем магистраль­ном потоке и ветвях; 3 — задвижка; ОК — обратный клапан

Потери напора в ветвях оди­наковы, так как они представ­ляют собой разность напоров в точках М и N, общих для обеих ветвей:

Рис. 6.12. Пример схемы сложного тупикового трубопровода: АВ — магистраль; ВС , CD — ветви; — расход жидкости в магистрали; , — расходы жидкости в ветвях; — высота конечных точек ветвей; 3 — задвижка

Это равенство справедливо, даже если ветви имеют неодина­ковую длину и диаметр, а также разные местные гидравлические сопротивления. При этом значения расходов и устанавли­ваются автоматически.

В сложном тупиковом трубопроводе (рис. 6.12) магистральный поток (участок АВ) разделяется на два потока (ветви ВС и BD). Очевидно, что сумма расходов в ветвях трубопровода равна рас­ходу в магистрали;

При решении практических задач обычно известны расходы в ветвях, напоры в конечных точках ( и HD) и пространствен­ное размещение трубопровода, включая высоты конечных точек ( и ).

Кроме того, известны геометрические параметры (дли­на и диаметр) труб, коэффициенты местных сопротивлений и свойства жидкости (плотность и вязкость). Общая задача, как пра­вило, сводится к определению потребного напора в точке А.

Его значение, а также расход нужно знать для подбора на­соса.

При определении потребного напора весь сложный тру­бопровод разбивают на простые участки (АВ, ВС и BD) и нахо­дят необходимые параметры в отдельных точках схемы, начиная рассмотрение с конечных точек (С и D) и двигаясь навстречу потоку.

На приведенной схеме (см. рис. 6.12) напор в точке В одинаков для простых участков ВС и BD. При разных расходах и иных пара­метрах ветвей расчетные значения потребного напора (см. формулу (6.7)) для ветвей неодинаковы. Для проведения дальней­ших расчетов выбирают наибольшее из полученных значений .

При определении потребного напора в начале магистрали из схемы условно отбрасывают ветви ВС и BD. Далее расчет прово­дят, как для простого трубопровода АВ при известном напоре в конце его, равном .

Для достижения требуемых расходов и 1 ветвях или получения необходимого соотношения этих расходов используют задвижки 3, встроенные в ветви.

Устройства для измерения расхода. На производственных ус­тановках расход жидкости измеряют с помощью сужающих уст­ройств — дроссельных расходомеров. Наиболее простое по конст­рукции и широко распространенное устройство — диафрагма. Схема измерения расхода с помощью диафрагмы приведена на рис. 6.13.

Диафрагма представляет собой диск с отверстием определен­ной формы. Ее зажимают между усреднительными камерами, ко­торые необходимы для повышения точности измерения. К этим камерам подсоединяют дифференциальный манометр для изме­рения разности давлений до и после диафрагмы.

В сечении 1-1, до сужения потока, его скорость равна а давление в этом сечении — . При сужении потока в сечении 2-2 его скорость возрастает до величины .

Другими словами, увеличивается скоростной напор, или удельная кинетическая энергия. Согласно уравнению Бернулли давление в сечении 2-2 становится меньше, чем в сечении 1-1.

Появляется разность дав­лений и соответствующая ей разность уровней жид­кости , измеряемая манометром.

Зависимость разности давлений от расхода жидкости представ­ляют графически в форме градуировочной кривой, прилагаемой к каждой конкретной диафрагме. С помощью такой кривой по показаниям прибора можно определить расход жидкости.

Рис. 6.13. Схема измерения расхода с помощью диафрагмы: 1-1, 2-2 — сечения потока; , и , — соответственно давления в жидко­сти и скорости потоков в указанных сечениях; — разность уровней жидкости в дифференциальном манометре

Гидравлический удар. Явление гидравлического удара возника­ет в трубопроводах при резкой остановке потока жидкости. До сих пор мы пренебрегали ее сжимаемостью, считая, что при измене­нии давления объем жидкости не меняется. Но при гидравличе­ском ударе пренебрегать этим свойством жидкости нельзя.

Как возникает гидравлический удар? Рассмотрим простейшую трубопроводную схему (рис. 6.14). В горизонтальной трубе 2 жид­кость движется под действием постоянного геометрического на­пора го, создаваемого в водонапорной башне 1. При этом давле­ние на входе в трубу также постоянно и равно .На трубо­проводе установлен кран К, с помощью которого можно пере­крыть поток.

При резком закрывании крана внезапно остановится та часть жидкости, которая находится в слое толщиной , прилегающем к крану. Остальная часть жидкости по инерции продолжает дви­жение, сжимая остановившийся слой. При сжатии в слое возрас­тает давление.

Останавливается следующий слой и т.д. Происхо­дит сжатие слоев и повышение давления в направлении от крана ко входу в трубу — распространяется «положительная» волна дав­ления.

Ее скорость соответствует скорости звука — скорости рас­пространения упругих колебаний в данной жидкости.

Наконец, вся жидкость в трубе остановилась. Давление в ней повысилось и стало больше начального значения на входе в трубу. Возникла разность давлений, под действием которой жидкость потекла обратно, начиная со слоя, примыкающего ко входу в трубу.

; При оттоке жидкости в трубе понижается давление. Образуется «отрицательная» волна давления, распространяющаяся со скоро­стью звука. Смена давлений в трубе происходит как колебательный процесс с постепенным затуханием до полной остановки жидкости.

Давление, возникающее в трубе при полной остановке пото­ка, определяют по формуле Жуковского

Рис. 6.14. Схема возникновения гидравлического удара в трубе: 1 — водонапорная башня; 2 — труба; К — кран; — геометрический напор; в — скорость потока; — толщина остановившегося слоя жидкости

где v — начальная скорость потока; с — скорость звука в данной жидкости.

В качестве примера определим давление, возникающее в тру­бе в результате гидравлического удара, если жидкость (вода) имеет плотность р = 1000 кг/м3 и начальную скорость движения v = 2 м/с.

Скорость звука в воде примем равной с = 1500 м/с. Тогда давле­ние составит = 1000 • 2 • 1500 = 3 000 000 Па (3 МПа).

Если предположить, что труба рассчитана на работу при давлении 0,6 МПа, то, естественно, при гидравлическом ударе она будет разрушена.

Как можно предотвратить возникновение гидравлического уда­ра? Одним из способов его предупреждения является установка вместо крана, резко перекрывающего поток, вентиля или задвижки.

Конструктивно они выполнены так, что останавливают поток плав­но, уменьшая скорость жидкости постепенно.

В этом случае может возникнуть лишь так называемый непрямой гидравлический удар с незначительным повышением давления.

Если по требованиям технологии производства или техники безопасности резкая остановка потока жидкости необходима, то на трубопроводе можно установить специальное устройство — гидроаккумулятор (воздушный колпак). При внезапном повыше­нии давления газ в полости гидроаккумулятора сжимается, и жид­кость поступает в эту полость, что предотвращает ее сжатие в трубе.

Истечение жидкости через отверстия

Рассмотрим истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре (рис. 12.1). Отверстие в тонкой стенке – это отверстие, диаметр которого минимум в 3 раза больше толщины стенки, т.е.

do> 3d.

При истечении жидкости, через отверстие в тонкой стенке на некотором расстоянии от стенки (l = do), происходит сжатие струи. Площадь живого сечения струи будет меньше площади отверстия. Это объясняется тем, что частицы жидкости при входе в отверстие имеют скорости различных направлений.

Струя отрывается от стенки у кромки отверстия и затем несколько сжимается. Цилиндрическую форму струя принимает на расстоянии, равном примерно одному диаметру отверстия. Сжатие струи обусловлено необходимостью плавного перехода от различных направлений движения жидкости в резервуаре, в том числе от радиального движения по стенке, к осевому движению струи.

Рис.12.1. Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке

• а – в атмосферу; б – под уровень жидкости
• Сжатие струи характеризуется коэффициентом сжатия
• e= Sc/So,
• где Sc — площадь живого сечения струи; So — площадь отверстия.
• Коэффициент сжатия eопределяется опытным путем и для круглых отверстий равен 0,64.

Задачей расчета истечения жидкостей является определение скорости и расхода при истечении. Скорость истечения определим по уравнению Бернулли. Для этой цели запишем уравнение Бернулли для реальной жидкости для двух живых сечений 1–1 и 2–2, проведя плоскость сравнения через ось отверстия:

z1+p1/rg+v12/2g = z2+p2/rg+v22/2g+hп. (12.1)

1. Так как
2. z1= H;  p1 = p2 = pа; z2 = 0;   v2 = vс,
3. а скорость v1 можно принять равной нулю, то из формулы (12.1) получим

H= vс2/2g+ hп. (12.2)

• В выражении (12.2) потери напора hп в местном сопротивлении в гидравлике называютсяместным сопротивлением и определяются по формуле
• hп= zvс2/2g, (12.3)
• где z-коэффициент местного сопротивления (для входа в трубу без закругленных кромок z= 0,5, а с закругленными кромками z= 0,1).
• Таким образом, формулу (12.2) можно представить в виде
• H= (1 + z)vс2/2g, (12.4)
• откуда окончательно получаем      
• vс = j,  (12.5)
• где j– коэффициент скорости (можно показать, что этот коэффициент равен отношению действительной скорости истечения к скорости идеальной жидкости),

j= . (12.6)

1. Расход жидкости определяется по  соотношению
2. Q= Sсvс= Sсf= ejSo= mSo, (12.7)
3. где e– коэффициент сжатия струи; m= ej– коэффициент расхода.

Из анализа формулы (12.7) следует, что истечение жидкости через отверстие характеризуется различными коэффициентами; которые называются коэффициентами истечения.

Средние значения коэффициентов истечения через отверстие: e= 0,64;  z= 0,06;    j= 0,97; m= 0,62.

Коэффициенты сжатия и сопротивления определяются опытным путем, а коэффициенты скорости и расхода являются производными величинами.

В практике часто приходится иметь дело с истечением жидкости не в атмосферу и не в газовую среду, а в пространство, заполненное этой жидкостью. Такой случай называетсяистечением под уровень.

При истечении под уровень расчетные формулы для скорости и расхода [формулы (12.5) и (12.7)]остаются прежними, только H принимается как разность уровней.