Работа 7 определение потерь напора в запорных устройствах

Доц. Ю.И. Разинов, доц. И.М. Нафиков

При движении вязкой жидкости по трубопроводам наряду с пу­тевыми потерями напора наблюдаются также и потери, связанные с изменением скорости потока по величине или направлению. Такие

Рис. 1. Пробковый кран

потери называются местными. Примерами местных сопротив­лений могут служить сужения, расширения, повороты трубо­проводов, отводы, а также за­порные устройства. Причи-ной возникновения потерь напора в местных сопротив-лениях яв­ляются деформация потока и вихреобразование. Запорные устройства служат для полного перекрывания трубопроводов.

67

а в некоторых случаях и для регулирования расхода протекающей жидкости.

Наиболее распространенными являются краны (рис.1), вентили (рис.2) и задвижки (рис.3). Перекрытие потока осуществляется при поступательном перемещении подвижной части затвора перпендику­лярно (в задвижках) или параллельно (в вентилях) направлению пото­ка жидкости. Закрытие крана происходит при вращении подвижной части затвора (пробки) относительно оси, перпендикулярной направ­лению потока. Существенным преимуществом кранов и задвижек яв­ляется их прямоточность и, как следствие этого, низкое гидравличе­ское сопротивление и возможность использования при движении жидкости в обоих направлениях. Краны более компактны, так как их пробки в отличие от подвижных деталей вентилей и задвижек враща­ются на одном месте, не передвигаясь поступательно. Однако при их

W

rh

/

^

E222Z^^^2^

W

^

^

^

_ш^

_Т

g^^^^^;z^^

D

Рис. 2. Вентиль

Рис.3. Задвижка

открывании возникает значительное трение уплотнительных поверх­ностей затвора и корпуса, вызывающее их ускоренный износ. В вен­тилях износоустойчивость уплотнительных поверхностей выше, по­этому в процессе эксплуатации они обеспечивают лучшую герметич­ность. Вентили используются в промышленности на трубопроводах малого диаметра, поскольку их затворы (клапаны) воспринимают и полностью передают на шпиндель усилие, создаваемое давлением жидкости. При больших размерах клапанов усилие возрастает на­столько, что вентиль становится трудноуправляемым. Кроме того, да­же в полностью открытых вентилях поток сильно деформируется, что при больших расходах вызывает значительные потери энергии.

68

Течение жидкости через местное сопротивление представляет собой типичную гидродинамическую задачу, которая характеризуется в общем случае критерием Рейнольдса:

Re = w^/v, (1)

где W - средняя скорость потока, м/с, -с - некоторый характерный для данного потока линейный размер, м, v - коэффициент кинемати­ческой вязкости, м /с;

критерием Эйлера:

Eu=Ap/pw' , (2)

где Ар - перепад давления на рассматриваемом участке канала. Па, р -плотность жидкости, кг/м ;

критерием Фруда:

Fr=w'/g^, (3)

где g - ускорение свободного падения, м/с , а также геометрическими симплексами Fj (где i = 1, 2, 3, ...), представляющими собой отноше­ния некоторых характерных для данного местного сопротивления ли­нейных размеров.

Поскольку определяемым критерием является критерий Ей, а определяющими - все прочие параметры, то существует связь

Ей = f(Re,Fr,ri). (4)

Однако в большинстве практически значимых задач сила тяже­сти (входящая в критерий Fr) не влияет на процесс. Кроме того, тече­ние происходит, как правило, в области развитой турбулентности, ав­томодельной по критерию Рейнольдса. Высказанные соображения уп­рощают функциональную связь (4) до вида

Ей = Г(ГО. (5)

Если теперь ввести обозначение 2f(ri) = ^ и вспомнить, что

входящее в (2) потерянное давление можно выразить через потерян­ный напор:

Ap = pgAh, (6)

получим формулу Вейсбаха, по которой определяются потери напора в местных сопротивлениях:

АЬм=С^, (7),

2g

69

где ^ - коэффициент местного сопротивления.

В настоящее время не существует общей теории, позволяющей подсчитывать величину ^ в каждом конкретном случае, за исключени­ем потерь на преодоление местного сопротивления при внезапном расширении потока (теорема Борда-Карно). Коэффициенты местных сопротивлений находятся опытным путем и приводятся в справочной литературе. В силу высказанных выше соображений обычно приво­дится зависимость коэффициента ^ только от вида местного сопро­тивления, т.е. от характеризующих его симплексов геометрического подобия. Например, для отводов определяющим симплексом будет отношение диаметра канала к радиусу кривизны, для диффузоров (конфузоров) - отношение начального и конечного диаметров, а также угол конусности, т.е. отношение диаметров к длине диффузора. Для задвижки при заданном отношении среднего размера подвижной час­ти к диаметру трубопровода коэффициент местного сопротивления будет зависеть только от симплекса h/D - степени открытия задвижки (рис.3). Пример подобной зависимости приведен ниже:

h/D	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,25
С	0,15	0,3	0,8	1,5	2,8	5,3	12,0	22,0	30,0

Для вентилей в справочной литературе обычно приводятся ко­эффициенты местного сопротивления при их полном открытии в зави­симости от диаметра трубопровода.

Цель работы: 1) ознакомление с одним из видов местных со­противлений - запорными устройствами; 2) экспериментальное опре­деление потерь давления в полностью открытом вентиле и наполови­ну открытой задвижке (h/D = 0,5) при различных скоростях движения жидкости и сравнение этих потерь с расчетными или обратная задача: по найденному из опыта коэффициенту местного сопротивления за­движки найти степень ее открытия.

Приборы и оборудование: вентиль 9, задвижка 10 (см. рис. 2 в работе 5), два дифференциальных манометра, секундомер.

70

Описание установки

Установка для определения потерь напора в запорных устройст­вах (см. рис. 2 в работе 5) состоит из бака 1, насоса 14 и трубопрово­дов, соединяющих между собой насос и бак. Вентиль 9 и задвижка 10 установлены на прямом горизонтальном участке трубопровода с по­стоянным внутренним диаметром d = 54 мм, в связи с чем экспери­ментальные значения потерь напора в этих запорных устройствах можно определить по разности пьезометрических напоров в сечениях до и после запорного устройства (это следует из анализа уравнения Бернулли, записанного для указанных сечений). Разница пьезометри­ческих напоров определяется с помощью дифманометров 6 и 7, при­соединенных к трубопроводу до и после запорных устройств. Расход протекающей жидкости измеряется водомером 3 и секундомером.

Порядок проведения опытов

Нажатием кнопки включается насос, открываются задвижки 11 и 13. Проверяется положение вентиля 9 (он должен быть полностью открыт) и задвижки 10 (открыта наполовину). Одновременно измеря­ются потери давления в вентиле и задвижке, а также время прохожде­ния 300 - 400 л воды. Следующие опыты проводятся при меньших расходах (постепенно прикрывается задвижка 11) с теми же измере­ниями. Количество жидкости, проходящей через водомер, можно уменьшить (по указанию преподавателя).

Всего проводится 5 опытов, после чего насос выключается на­жатием кнопки.

Обработка результатов опытов

Расход воды в каждом опыте определяется по формуле

V V=-, (8)

t

где V - объем воды, прошедшей через водомер; t - время прохожде­ния указанного объема воды.

Средняя скорость воды перед запорным устройством вычисля­ется по уравнению расхода:

71

(9)

_ V 4V

w=—=

S я(1'

Расчетные величины потерь напора АЬм находятся по формуле (7). Коэффициент местного сопротивления полностью открытого вен­тиля ^=10,2; наполовину открытой задвижки ^=5,3. Опытная величина потерь напора Ah м определяется пересчетом показаний дифманомет-ров 9 и 10 по формуле

.APL

Ah"

(10)

Pg

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу

№ п/п	V 3 цм	t С	VxlO^ м /с	W, м/с	Аре», ^ кгс/см	Ahe", м	Арз», ^ кгс/см	Ah3", м	Ahe, м	Ah3 м

Контрольные вопросы

1. ?

   Какие сопротивления называются местными?

2. Назовите примеры местных сопротивлений.

3. Каковы причины возникновения местных сопротивлений?

4. Назовите виды запорных устройств.

5. Как определяется средняя скорость жидкости перед запорными устройствами?

6. В каких случаях применяются те или иные виды запорных уст­ройств?

7. По какой формуле определяются потери напора в местных сопро­тивлениях?

8. От каких величин зависит коэффициент местного сопротивления в общем случае и конкретно для запорных устройств?

9. Почему опытное значение потерь напора для данной установки определяется как разность пьезометрических напоров в сечениях

перед и за запорным устройством

72

10. Почему коэффициент местного сопротивления полностью откры­того вентиля больше, чем у наполовину открытой задвижки?

11. Как изменяется значение коэффициента местного сопротивления по мере закрытия запорного устройства?