Stanovení tlakových ztrát při průtoku vody potrubním systémem | WIKI znalostní báze | ASAP

Statický tlak charakterizuje vlastnosti vody, když je v klidu, tzn. ona se nehýbe. Například, když je zavlažování vypnuto, vytvoří se tlak v hlavním potrubí čerpadlem a čerpadlo se vypne, když je dosaženo nastaveného tlaku. Právě tento tlak bude statický. Hodnota tlaku se v tomto případě mění pouze se změnou výšky vodního sloupce. Statický tlak ukazuje tlakový potenciál, který systém zvládne.

Jakmile otevřeme ventil nebo kohoutek, voda se začne pohybovat a v tomto případě již máme co do činění s dynamickým tlakem. V tomto případě se objevují nové tlakové ztráty, a to tlakové ztráty třením podél potrubí a lokálními ztrátami (armatury, zpětné ventily, solenoidové ventily atd.).

S těmito ztrátami, které někdy dosahují impozantních hodnot, je vždy nutné počítat, abychom se vyhnuli „nerozlitým“ plochám nebo aby došlo k takovému případu, kdy není dostatečný tlak na to, aby sprinklerová tyč stoupala z pouzdra.

Dynamický tlak nebo „pracovní tlak“ se liší od statického tlaku v tom, že závisí na ztrátách spojených s pohybem vody. Přímo souvisí s průtokem nebo množstvím vody, které prochází potrubím nebo v místě místního odporu.

Rýže. 1. Lokální hydraulické ztráty

Se zvyšujícím se množstvím vody protékající potrubím se zvyšuje průtok, čímž se zvyšují tlakové ztráty. Tabulku lokálních tlakových ztrát v závislosti na průtoku naleznete vždy v katalozích výrobců závlahových zařízení pro konkrétní závlahové zařízení.

Rýže. 2. Příklady tlakových ztrát na zařízení (fragment katalogu)

Nyní se podíváme na to, jak určit ztrátu v potrubí.

Pro rychlé určení tlakových ztrát pro různé jednotky průtoku (m3 / h nebo l / min) tento článek poskytuje v příloze „Tabulky ztrát třením v potrubí“ pro trubky HDPE. Ztráty jsou uvedeny v barech na každých 100 m potrubí určitého průměru (mm). Hodnoty ztrát se výrazně liší pro trubky stejného průměru, ale s různými SDR. Tato skutečnost činí každý typ potrubí hydraulicky individuální.

SDR je zkratka pro Standard Dimension Ratio, tedy poměr vnějšího průměru trubky k tloušťce její stěny. Čím nižší je SDR, tím silnější je stěna potrubí a naopak. Čím silnější je stěna potrubí, tím vyšší budou ztráty třením, potrubí bude těžší a dražší, ale vydrží větší tlak.

*Rýže. 3. Část potrubí

Ztráty třením pro tyto tabulky se vypočítají takto:
Vstupní data:
Délka potrubí (100m)
Vnitřní průměr trubky
Koeficient drsnosti potrubí
Průtok (průtok)

1 – určete průtok
2 – určete Reynoldsovo číslo (na základě kinematické viskozity kapaliny, průtoku, průměru,)
3 – Určete hydraulické tření (na základě Re, průměru a drsnosti)
4 – Určete ztráty (na základě hydraulického tření, délky, průměru a rychlosti a také gravitačního zrychlení).

Pro výpočet ztrát třením se používá Darcy-Weisbachova rovnice, která má následující tvar:

Δh – ztráty třením
f – koeficient tření
L – délka trubky
D – průměr trubky (vnitřní)
V – rychlost proudění
g je zrychlení volného pádu.

Pomocí tabulek uvedených v příloze můžete kromě hodnot ztrát určit také rychlost pohybu vody pro zlepšení hydraulických výpočtů.

Rychlost proudění (m/s) je rychlost, kterou se voda pohybuje komponentami potrubí zavlažovacího systému, a je velmi důležitým faktorem při analýze hydraulického návrhu. Čím rychleji se voda potrubím pohybuje, tím vyšší jsou ztráty třením. Příliš vysoký průtok vody může způsobit i další problémy (vodní ráz, porucha uzavíracího zařízení atd.).

Experimentálně a pomocí výpočtů bylo stanoveno, že rychlost proudění 1,5 m/s je optimální pro pohyb vody plastovým potrubím. Další zvýšení průtoku vede k neúměrnému zvýšení tlakové ztráty, někdy i několikanásobku, což může vést k nepříjemným následkům, když v odlehlých oblastech máte tlak, při kterém nebude zavlažování prováděno správně. A také při rychlostech nižších nebo rovných 1,5 m/s se snižuje pravděpodobnost poškození souvisejícího s vodním rázem v systému.

Rýže. 4. Závislost ztrát třením na charakteristikách proudění a potrubí

V této tabulce hodnoty rychlosti ve stínované oblasti přesahují 1,5 m/s. Při výběru průměru zavlažovacích trubek doporučujeme použít hodnoty nad zastíněnou plochou.

Jak používat tabulky ztrát třením.

Rýže. 5. Použití tabulky ztrát

1. Tento řádek označuje typ potrubí a SDR, pro které jsou počítány ztráty
2. Jmenovitý průměr trubky (vnější)
3. Vnitřní průměr trubky
4. Tloušťka stěny potrubí.
5. Tento sloupec udává průtok neboli průtok, při kterém se počítají ztráty v l/min a m3/h
6. Rychlost proudění v m/s
7. Ztráta tlaku v barech.

Dále, když známe průtok v zóně (vypočtený v projektu), podíváme se do tabulky ve sloupci s náklady a najdeme průtok, který potřebujeme.

Příklad:
Musíme vybrat průměr hlavního potrubí. Víme, že maximální průtok v zóně 1 je 63 l/min nebo 3,8 m3/h. Nakreslete vodorovnou čáru odpovídající čáry

Rýže. 6. Použití tabulky ztrát

Vidíme, že pro průměry potrubí 25 mm a 32 mm indikátory rychlosti proudění přesahují 1,5 m/s a jsou v šedé zóně.
Podle toho vybereme nejbližší průměr, ve kterém jsou při daném průtoku indikátory mimo šedou zónu. V našem příkladu se jedná o trubku o průměru 40 mm. Při průtoku 63,3 l/min nebo 3,8 m3/h bude průtok v potrubí 1,16 m/s a tlaková ztráta na 100 metrů 0,45 bar.

Když se kapalina pohybuje v potrubí, vznikají další odporové síly mezi ní a stěnami potrubí, v důsledku čehož se zpomalují částice kapaliny přiléhající k povrchu potrubí. Toto brzdění se vlivem viskozity kapaliny přenáší do dalších vrstev vzdálenějších od povrchu potrubí a rychlost pohybu částic postupně klesá, jak se vzdalují od osy potrubí.
Výslednice odporových sil T je směrována ve směru opačném k pohybu tekutiny a je rovnoběžná se směrem pohybu. Jsou to síly hydraulického tření (hydraulický třecí odpor).

K překonání třecího odporu a udržení rovnoměrného dopředného pohybu kapaliny je nutné, aby na kapalinu působila síla směřující ve směru jejího pohybu a rovna odporové síle, to znamená, že je nutné vynaložit energii. Energie nebo tlak potřebný k překonání odporových sil se nazývá promarněná energie nebo promarněný tlak.
Tlakové ztráty vynaložené na překonání třecího odporu se nazývají třecí tlakové ztráty nebo tlakové ztráty po délce toku (lineární tlakové ztráty) a obvykle se označují h_tr .

Tření však není jedinou možnou příčinou ztráty hlavy. Náhlá změna průřezu také zajišťuje odpor pohybu tekutiny (tzv. tvarový odpor) a způsobuje ztrátu energie. Existují další důvody, které způsobují ztrátu hlavy, jako je náhlá změna směru pohybu tekutiny.
Tlaková ztráta způsobená prudkou změnou konfigurace hranic proudění (vynaložená na překonání tvarového odporu) se nazývá místní tlaková ztráta nebo tlaková ztráta způsobená místním odporem a označuje se h_м .

Tlakové ztráty při pohybu tekutiny se tedy skládají z tlakových ztrát v důsledku tření a ztrát v důsledku místního odporu, tj.

Ztráta tlaku při rovnoměrném pohybu kapaliny v potrubí

Najděte obecný výraz pro tlakovou ztrátu v důsledku tření při rovnoměrném pohybu tekutiny v potrubí, platný pro laminární i turbulentní režim.

Při rovnoměrném pohybu zůstává po celé délce potrubí nezměněna hodnota průměrné rychlosti a rozložení rychlostí po průřezu. Proto je rovnoměrný pohyb možný pouze v trubkách s konstantním průřezem S, protože jinak se průměrná rychlost změní v souladu s rovnicí:

v = Q/S = konst.

Rovnoměrný pohyb nastává u přímých trubek nebo u trubek s velmi velkým poloměrem zakřivení R (přímý pohyb), protože jinak se může průměrná rychlost měnit ve směru.
Kromě toho lze podmínku pro neměnnost charakteru rychlostí tekutin na volném průřezu zapsat ve tvaru α = konst, kde α – Coriolisův koeficient. Poslední podmínku lze splnit pouze tehdy, je-li uvažovaná průtočná část dostatečně vzdálena od vstupu do potrubí.

Zvolíme-li dva libovolné úseky na úseku potrubí s rovnoměrně proudící kapalinou 1 и 2, pak ztrátu tlaku při pohybu tekutiny mezi těmito sekcemi lze popsat pomocí Bernoulliho rovnice:

kde:
z₁ a z₂ – výškový rozdíl mezi středy odpovídajících sekcí;
p₁ a str₂ – tlak kapaliny v odpovídajících sekcích;
γ – měrná hustota kapaliny, γ = gρ;
h_tr – množství ztracené energie (ztráty třením).

Z tohoto vzorce vyjádříme množství ztracené energie h_tr :

Tento výraz se nazývá rovnice rovnoměrného pohybu tekutiny v potrubí. Pokud je potrubí umístěno vodorovně, tj. mezi jeho sekcemi není žádný výškový rozdíl, rovnice bude mít zjednodušenou formu:

Darcy-Weisbachův vzorec pro rovnoměrný pohyb tekutiny v potrubí

Při rovnoměrném pohybu kapaliny v potrubí dochází ke ztrátě tlaku v důsledku tření po délce h_л určeno Darcy-Weisbachovým vzorcem, který platí pro kruhová potrubí, a to jak v turbulentních, tak laminárních podmínkách. Tento vzorec stanoví vztah mezi tlakovou ztrátou h_л , průměr potrubí da průměrný průtok tekutiny v:

h_л =λ v 2/2 gd,

kde:
λ – koeficient hydraulického tření (bezrozměrná hodnota);
g – zrychlení volného pádu.

Pro trubky libovolného průřezu používá Darcy-Weisbachův vzorec koncept zmenšeného nebo ekvivalentního průměru průřezu trubky ve vztahu ke kruhovému průřezu.

V některých případech se používá i vzorec

h_л = v 2 l/C 2 R,

kde:
v – průměrná rychlost proudění v potrubí nebo kanálu;
l je délka části trubky nebo kanálu;
R – hydraulický poloměr proudění kapaliny;
Z – Chezy koeficient, spojené se součinitelem hydraulického tření λ závislostí: C = √(8g/λ) nebo λ = 8g/C2. Rozměr Chezyho koeficientu je m 1/2 /s.

Pro stanovení součinitele hydraulického tření při různých režimech a podmínkách pohybu tekutiny se používají různé metody a empirické závislosti, zejména graf I. I. Nikuradzeho, vzorce P. Blasia, F. A. Sheveleva (pro hladké trubky) a B. L. Shifrinsona. (pro hrubé trubky) . Všechny tyto metody a závislosti jsou založeny na kritériu Reynolds Re a berou v úvahu stav povrchu potrubí.

Ztráta tlaku v důsledku místních odporů

Jak již bylo uvedeno výše, lokální tlakové ztráty jsou způsobeny překonáváním lokálních odporů vytvářených armaturami, armaturami a dalším zařízením potrubních sítí a také změnou směru proudění kapaliny (ohyby potrubí, kolena apod.).
Lokální odpor způsobuje změnu velikosti nebo směru rychlosti tekutiny v jednotlivých úsecích potrubí, což je spojeno se vznikem dodatečných tlakových ztrát.
Pohyb v potrubí za přítomnosti místního odporu je nerovnoměrný.

h. Ztráta tlaku v místních odporech_м (místní tlaková ztráta) se vypočítá pomocí Weisbachova vzorce:

h_м = ξ v 2/2 g

kde:
v – průměrná rychlost v úseku po proudu za místním odporem;
ξ – bezrozměrný součinitel místního odporu, stanovený pro každý typ místního odporu pomocí referenčních tabulek nebo zjištěných závislostí.

Ztráta tlaku při náhlé expanzi potrubí se zjistí pomocí Bordova vzorce:

h_vn.r. = ( v ₁ – v ₂) 2 2g = ξ_vn.r.1 v ₁ 2 /2g = ξ_vn.r.2 v ₂ 2/2 g

kde v₁ и v₂ – průměrné rychlosti proudění před a po expanzi.

V případě náhlého zúžení potrubí je místní koeficient odporu určen podle vzorce:

kde ε je součinitel stlačení proudu, definovaný jako poměr plochy průřezu stlačeného proudu v úzkém potrubí k ploše průřezu úzké trubky. Tento koeficient závisí na stupni stlačení proudu n = S₂/S₁ a dá se najít podle vzorce A. D. Altshula: e = 0,57 + 0,043/(1,1 – n).
Hodnota součinitele ε při výpočtu potrubí je převzata z referenčních tabulek.

Když je trubka kulatého průřezu ostře natočena pod úhlem α koeficient odporu lze zjistit pomocí vzorce:

kde:
ξ_90˚ – hodnota součinitele odporu pro úhel 90˚, která je pro přesné výpočty převzata z referenčních tabulek a pro přibližné výpočty se rovná ξ_90˚ = 1.

Podobné metody se používají pro výběr nebo výpočet koeficientů odporu pro další typy lokálního odporu – prudké nebo postupné zužování (roztahování) potrubí, závity, vstupy a výstupy potrubí, membrány, uzavírací zařízení, svarové švy atd.

Výše uvedené vzorce jsou použitelné pro turbulentní pohyb tekutiny s vysokými Reynoldsovými čísly, kdy je vliv viskozity tekutiny zanedbatelný.
Když se tekutina pohybuje s nízkými Reynoldsovými čísly (laminární režim), závisí hodnota lokálních odporů málo na geometrických charakteristikách odporu a rychlosti proudění, jejich hodnota je více ovlivněna hodnotou Reynoldsova čísla.
V takových případech je pro výpočet koeficientů místního odporu použitelný vzorec A. D. Altshula:

kde:
A – volný úsek potrubí;
ξ_ekv – hodnoty lokálního koeficientu odporu v kvadratické oblasti;
Re je Reynoldsovo číslo.

Hodnoty parametru A a některých lokálních odporů jsou uvedeny v referenčních tabulkách a používají se v praktických výpočtech potrubí určených pro pohyb kapalin v laminárním režimu.