1.6.2. Порядок выполнения работы

1. Выполнить работы по п.п. 1-3 раздела 1.4.3.

2. Открытием крана 4 установить минимальный расход воды в трубе 3, а открытием крана 7 подать в этот поток тонкую струйку окрашенной жидкости.

3. С помощью секундомера замерить время t наполнения мерного бака водомера 10 и занести его в таблицу 7.

4. Снять показания пьезометров , и внести их в таблицу 7.

5. Вычислить расход воды в трубе по формуле Q = nw/t.

6. Вычислить скорость течения воды в трубе по формуле .

7. Опыт повторить 6-8 раз, постепенно увеличивая скорость течения жидкости до максимального значения.

8. Построить графическую зависимость .

9. Определить по графику критическое значение скорости.

10. Вычислить критическое значение числа Рейнольдса .

Примечание. При выполнении лабораторного практикума методом компьютерного моделирования работы по п.п. 1-2 не выполняются.

1.6.3. Содержание отчета и его форма

Отчет должен содержать схему и описание прибора Рейнольдса, основные теоретические сведения о связи потерь напора на трение и скорости течения жидкости, графическую зависимость = f(V). Результаты замеров и вычислений вносятся в отчет в виде таблицы 7.

Таблица 7

Результаты замеров и вычислений

№	Наименование	Ед.					№ опыта
п/п	величин	изм.	1		2		3	4	5	6		7
1	Температура воды, Т
2	Показание правого пьезометра,	см
3	Показание левого пьезометра,	см
4	Потеря напора на трение,	см
5	Число качаний мерного бака, n
6	Время наполненения мерного бака, t	с
7	Расход воды, Q = nw/t
8	Скорость течения,
9	Критическая скорость,
10	Критическое значение числа Рейнольдса,

1.7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7.

ГРАДУИРОВКА РОТАМЕТРА НА ПРИБОРЕ

Д. БЕРНУЛЛИ

Цель работы - изучение особенностей процесса градуировки ротаметра - прибора, применяющегося для измерения расхода жидкого или газообразного рабочего тела.

Содержание работы - ознакомление с конструкцией и принципом работы ротаметра, с основными расчетными уравнениями, используемыми при расчете его характеристик.

1.7.1. Теоретические основы

Ротаметры относятся к приборам для измерения секундных расходов жидкостей или газов, называемых расходомерами обтекания или расходомерами постоянного перепада давления. Ротаметр (рис.11) в простейшем виде состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1, внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка. Для обеспечения устойчивости работы поплавка его верхний обод снабжен каналами с крутым наклоном . Под действием потока жидкости или газа поплавок перемещается вертикально в трубке 1, одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объеме расхода жидкости или газа.

Рис.11. Схема ротаметра

Поток жидкости или газа, протекающий снизу вверх в конусной трубке ротаметра, поднимает поплавок до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия fк между поплавком и внутренней поверхностью трубки не достигнет такого размера, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

Для вывода уравнения расхода рабочего тела, протекающего через ротаметр, используются уравнение Д. Бернулли и условие неразрывности струи для несжимаемой жидкости (в дальнейшем речь будет идти только о ней). Для сечений 1-1 и 2-2 справедливо равенство

Q = ,

где Q - объемный расход жидкости;

- соответственно средние значения скоростей потока в сечениях 1-1 и 2-2;

- соответственно площади потока в сечениях и 2-2;

 = - коэффициент сужения.

Решая совместно уравнения Д.Бернулли и неразрывности струи, получаем

( 7.1 )

где соответственно статические давления в сечениях 1-1 и 2-2;

- соответственно высоты сечений 1-1 и 2-2 над некоторым начальным уровнем 0-0;

- соответственно коэффициенты кинетической энергии в сечениях 1-1 и 2-2;

 - удельный вес рабочего тела;

g - ускорение свободного падения;

 - коэффициент потери энергии на участке между сечениями 1-1 и 2-2.

Далее, рассмотрим условия равновесия поплавка. Для этого обозначим: - вес поплавка; V - объем поплавка; - плотность материала поплавка;  - плотность рабочего тела, текущего через ротаметр; f - наибольшее поперечное сечение поплавка; - соответственно средние давления потока на единицу носовой (конусной) и верхней поверхностей поплавка.

На поплавок действуют следующие силы: сверху вниз - вес поплавка и давление потока на верхнюю поверхность ; снизу вверх - давление потока на носовую часть и сила трения потока о поплавок

( 7.2 )

где боковая поверхность поплавка, соприкасающаяся с текущими частицами рабочего тела;

k - коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости боковой поверхности поплавка;

средняя скорость рабочего тела в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка;

n - показатель степени, зависящий от режима течения рабочего тела.

Условие равновесия поплавка можно записать в виде

откуда после преобразований находим

( 7.3 )

Для определения разницы статических давлений действующих на поплавок, надо учесть величину динамического давления w потока рабочего тела на поплавок

w = ( 7.4 )

где коэффициент сопротивления или обтекания поплавка, зависящий от формы носовой и верхней частей.

Тогда, очевидно, что

( 7.5 )

Если допустить, что скорость при всех расходах остается почти постоянной (потому что с увеличением расхода поплавок перемещается вверх и увеличивается площадь кольцевого канала), то нетрудно видеть, что правая часть уравнения (7.5) оказывается постоянной и не зависящей от величины расхода. Отсюда следует: что дает основание именовать ротаметр прибором постоянного перепада давления. Однако нужно иметь в виду, что постоянной является лишь разность полных давлений на поплавок. Что же касается разности статических давлений то из уравнения (7.5) следует, что с увеличением скорости и динамического давления на поплавок, разность статических давлений по обе стороны поплавка должна уменьшаться.

Совместное решение уравнений (7.1) и (7.5) дает

откуда находим

( 7.6 )

где - коэффициент расхода ротаметра, включающий в себя ряд геометрических и режимных параметров.

Аналитическое определение величины коэффициента расхода в значительной степени затруднено, обычно его определяют экспериментальным путем. Весовой расход рабочего тела , протекающего через ротаметр будет равен . Отсутствие обстоятельной научно-экспериментальной литературы по стандартизации типов ротаметров, трудности установления для них точных значений коэффициентов расхода приводят к необходимости тарировки каждого нового типоразмера ротаметра (не говоря уже о приборах с новой формой поплавка, заменой материала поплавка, иной конусностью трубок ротаметра и т.п.).

Кроме того, каждый ротаметр подвергается индивидуальной градуировке из-за неумения изготовлять строго взаимозаменяемые стеклянные конические трубки. Иногда приходится подвергать ротаметр дополнительной градуировке в случае применения его для измерения расхода не того вещества, для которого была произведена начальная градуировка. В последнем случае дополнительная градуировка производится с использованием нового рабочего тела.