Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
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 пре
|
одоление 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.
Потери напора 
на трение по длине трубы определяют по формуле
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.
Значения коэффициента трения , приводимые в справочниках, зависят от режима течения жидкости, определяемого числом Рейнольдса, а в случае развитого турбулентного течения — и от степени шероховатости трубы.
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.
|
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
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.
|
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:
|
|
|
— 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
|
и
к каждой конкретной диафрагме. С помощью такой кривой по показаниям прибора можно определить расход жидкости.
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
|
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.
Контрольные вопросы
1.Что изучает гидравлика?
2.В чем состоит особенность жидкости как физического тела?
3.Какие физические свойства жидкости учитывают в гидравлике?
4.Что такое гидростатическое давление? В каких единицах его измеряют? Каковы его свойства?
5.Какой параметр рассчитывают с помощью основного уравнения гидростатики? Как изменяется давление в жидкости с увеличением глубины? В чем заключается закон Паскаля?
6.От чего зависит сила давления жидкости на плоскую стенку?
7.Что такое расход жидкости? Как он зависит от скорости потока и площади его поперечного сечения?
8.Чем отличается ламинарный режим течения жидкости от турбулентного? От каких физических параметров зависит возникновение того или иного режима?
9.В чем заключается физическое (энергетическое) толкование уравнения Бернулли?
10.С помощью каких устройств можно на практике измерять величины, входящие в уравнение Бернулли?
11. В чем состоит различие уравнений Бернулли для реальной и идеальной жидкостей?
12.Назовите возможные источники энергии для перемещения жидкости по трубам.
13.От чего зависят потери напора (удельной энергии) по длине потока?
14.Какие участки трубопровода называют местными гидравлическими сопротивлениями? От чего зависят потери напора (удельной энергии) на преодоление этих сопротивлений?
15.В чем состоит принцип сложения потерь напора?
16.Что такое потребный напор? От чего он зависит?
17.Какие устройства используют для измерения расхода жидкости в трубопроводе?
18.Какова причина возникновения гидравлического удара в трубах? Как его предотвращают?
Глава 7