Розрахунок гідравлічної мережі, перепаду тиску, тертя, гліколю, антифризу, трубопроводів
Розрахунок загальних перепадів тиску
Розрахунок лінійного перепаду тиску, що відповідає загальному потоку в прямолінійному каналі, дається за такою загальною формулою:
- D стор = лінійний перепад тиску в Па
- L = коефіцієнт втрат тиску (безрозмірне число)
- стор = щільність води в кг/м3
- V = швидкість потоку в м/с
- D = діаметр гідравлічної трубки в м
- L = довжина трубки в м
- Перепад тиску логічно прямо пропорційний довжині труби: він збільшується, коли довжина труби збільшується.
- Зі зменшенням діаметра падіння тиску значно зростає. Рідина має більші труднощі з потоком, тому тертя збільшується за однакової швидкості потоку.
- Чим більше збільшується потік (більша швидкість), тим більше сили тертя збільшуються при однаковому діаметрі.
Режими потоку
Характер режиму потоку рідини визначається величиною числа Рейнольдса. Різні режими потоку візуалізуються графічним зображенням діаграми Муді з використанням числа Рейнольдса для осі X та коефіцієнта тертя F для осі Y.
Режим потоку рідини характеризується у 3 формах:
| Ламінарний режим | Число Рейнольдса менше 2000 вказує на те, що потік спокійний і регулярний. |
| Турбулентний режим | Число Рейнольдса більше 4000 вказує на те, що потік має форму вихору та вихорів. |
| Критична область | Число Рейнольдса, розташоване 2000 та 4000, вказує на те, що потік нестабільний між ламінарним режимом та турбулентним режимом. |
В'язкість рідини - це характеристика того, що вона є більш-менш текучою або, іншими словами, протистоїть більшому чи меншому опору накачуванню або проходженню через отвір або трубу. Температура має великий вплив на в’язкість.
Число Рейнольдса обернено пропорційне кінематичній в'язкості. В'язкість рідини - це характеристика, яка визначає опір руху рідини. Чим вище кінематична в'язкість, тим складніше буде переміщення рідини в трубопроводі.
Чим більше в'язка рідина, тим вище тертя, отже, перепад тиску збільшується.
Залежність температури від в'язкості:
- Газоподібні рідини = В'язкість зростає із збільшенням температури.
- Рідини = В'язкість зменшується із збільшенням температури.
Кінематична в'язкість (v) - відношення динамічної в'язкості до щільності рідини
Розрахунок числа Рейнольдса
Число Рейнольдса є невимірним (отже, без одиниць). Він поєднує 3 важливі характеристики потоку та рідини: швидкість, щільність та в’язкість.
Діаметр необхідний, щоб зробити число невимірним. Діаметр називають характерною довжиною.
Число Рейнольдса 2000 або менше вказує на ламінарний потік, тоді як число 4000 або більше вказує на турбулентний потік.
Число Рейнольдса визначається або:
(кг/м.с = 1 Пуазейль = 10 пуазів)
Коефіцієнт падіння тиску
Ламінарний потік (Re £ 2000)
У ламінарному режимі характер або стан поверхні внутрішніх стінок труб не бере участь у розрахунку перепаду тиску.
Коефіцієнт перепаду тиску визначається наступною функцією:
- L = коефіцієнт втрати тиску
- Re = Число Рейнольдса
Ламінарний потік зустрічається лише на практиці при транспортуванні та переробці в’язких рідин, таких як сира нафта, мазут, масла тощо.
Турбулентний потік (Re> 2000)
У критичній зоні, тобто між 2000 і 4000 Рейнольдсами, застосовувана формула розрахунку буде трактуватися так само, як і в ситуації турбулентного режиму потоку.
У турбулентному режимі коефіцієнт тертя перекладається за формулою Колбрука, яка вважається такою, яка найкраще відображає явища потоку в турбулентному режимі.
Ми бачимо, що ця формула має неявну форму; отже, пошук можна здійснювати лише послідовними підходами (ітераційний розрахунок)
- L = коефіцієнт втрати тиску.
- k = показник шорсткості трубки в мм.
- d = діаметр гідравлічної трубки в мм.
- Re = Число Рейнольдса.
Шорсткість труби відповідає звичайному уявленню про наявність різної ступеня шорсткості на поверхні. Тут видно, що коли шорсткість труби збільшується, тертя буде більшим, отже, падіння тиску буде зростати.
Отже, перепад тиску є функцією матеріалу труби.
Звичайні значення індексу шорсткості (К) в мм | ||||
Характер внутрішньої поверхні | Індекс шорсткості k | |||
1 | мідь, свинець, латунь, нержавіюча сталь | Від 0,001 до 0,002 | ||
2 | Трубка з ПВХ | 0,0015 | ||
3 | Нержавіюча сталь | 0,015 | ||
4 | комерційна сталева трубка | Від 0,045 до 0,09 | ||
5 | Тягнута сталь | 0,015 | ||
6 | Зварена сталь | 0,045 | ||
7 | оцинкована сталь | 0,15 | ||
8 | Іржава сталь | 0,1 до 1 | ||
9 | новий чавун | 0,25 - 0,8 | ||
10 | використаний чавун | Від 0,8 до 1,5 | ||
11 | інкрустований чавун | Від 1,5 до 2,5 | ||
12 | листовий метал або асфальтовий чавун | 0,01 - 0,015 | ||
13 | гладкий цемент | 0,3 | ||
14 | Звичайний бетон | 1 | ||
15 | грубий бетон | 5 | ||
16 | добре стругана деревина | 5 | ||
17 | звичайне дерево | 1 | ||
Вплив рівня антифризу (гліколю)
У разі додавання у воду антифризу (гліколю) кінематична в'язкість (у сантистоках) змінюється наступним чином:
- т = температура в ° C
- в = відсоток гліколю