Как определить эквивалентную шероховатость трубы
Рисунок 434. Шероховатость и зарастание трубопровода
Пропускная способность трубопроводов в период эксплуатации снижается, вследствие коррозии и образования отложений на трубах. При этом происходит изменение шероховатости трубопровода и его зарастание (уменьшение поперечного сечения). Увеличение шероховатости и зарастание приводит к уменьшению диаметра трубопровода и как следствие к увеличению потерь напора. Меньше всего этому явлению подвержены асбоцементные, стеклянные и пластмассовые трубы. Сложность физических, химических и биологических явлений, определяющих изменение шероховатости труб и их зарастание, приводит к необходимости ориентироваться на некоторые средние показатели, которые в первом приближении можно оценить по формуле [5]:
Рисунок 435. (19)
— коэффициент эквивалентной шероховатости для новых труб в начале эксплуатации, мм;
— коэффициент эквивалентной шероховатости через t лет эксплуатации, мм;
— ежегодный прирост абсолютной шероховатости, мм в год, зависящий от физико-химических свойств подаваемой по ним воды.
По А.Г. Камерштейну, природные воды разбиваются на пять групп, каждая из которых определяет характер и интенсивность снижения пропускной способности трубопровода:
Коррозионное
воздействие
Зарастание трубопровода можно измерять при выполнении реконструкции трубопроводов или ежегодных ремонтах при помощи обычной линейки (рисунок выше), а увеличение шероховатости определять по выше изложенной методике.
Значения коэффициента эквивалентной шероховатости для новых труб приведены в таблице ниже.
| Тип трубы | Состояние трубы | Коэффициент эквивалентной шероховатости трубы, мм | Среднее значение коэффициента эквивалентной шероховатости трубы, мм |
| Бесшовные стальные трубы | Новые и чистые | 0.01 – 0.02 | 0.014 |
| Стальные сварные трубы | Новые и чистые | 0.03 – 0.1 | 0.06 |
| Чугунные трубы | Новые асфальтированные | 0 – 0.16 | 0.12 |
| Чугунные трубы | Новые без покрытия | 0.2 – 0.5 | 0.3 |
| Асбестоцементные | Новые | 0.05 – 0.1 | 0.085 |
| Железобетонные | Новые виброгидропрессованные | 0 – 0.05 | 0.03 |
| Железобетонные | Новые центрифугированные | 0.15 – 0.3 | 0.2 |
| Пластмассовые | Новые, технически гладкие | 0 – 0.002 | 0.001 |
| Стеклянные | Новые, технически гладкие | 0 – 0.002 | 0.001 |
| Алюминиевые | Новые, технически гладкие | 0 – 0.002 | 0.001 |
Общие потери в трубопроводе, с учетом потерь в местных сопротивлениях могут быть определены по формуле:
Абсолютная, эквивалентная и относительная шероховатость. Гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые трубы.
На потери напора по длине при турбулентном режиме может оказывать влияние шероховатость стенок. ее обозначают k (или Δ). Абсолютной шероховатостью k называют среднюю высоту выступов шероховатости. Опыты показали, что при одной и той же величине абсолютной шероховатости влияние ее на величину гидравлического сопротивления различно в зависимости от диаметра трубы. Поэтому вводится величина относительной шероховатости . Относительной шероховатостью называется отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы, т.е.  . Под эквивалентной шероховатостью Эта шероховатость пред ставляет собой выступы равномерно распределенной зернис той абсолютной шероховатости такого размера, который дает при подсчетах одинаковые с действительной шероховатостью потери напора. Значения эквивалентной шероховатости опре деляют на основании гидравлических испытаний трубопроводов и пересчета их результатов по соответствующим формулам. При практических расчетах значения эквивалентной шеро ховатости принимают с учетом материала трубы и ее состояния, зависящего, в частности, от продолжительности и условий эксплуатации | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Трубы называют гидравлически гладкими, если шероховатость не влияет на их гидравлическое сопротивление. Для них используют эмпирические формулы: формулу П.К.Конакова для диапазона изменения критерия Рейнольдса от критического до нескольких миллионов  формулу Блазиуса для 2300 5  К гидравлически гладким трубам относят цельнотянутые трубы из цветных металлов, а также стальные высококачественные бесшовные трубы. На сопротивление шероховатых труб оказывает влияние критерий Рейнольдса, относительная шероховатость и ее характер. Равномерно распределенная зернистая шероховатость имеет один и тот же размер и форму бугорков при ламинарном течении шероховатость стенок канала на сопротивление влияния не оказывает; критическое значение критерия Рейнольдса от шероховатости практически не зависит; в области турбулентного течения при небольших значениях Re и малых D/d шероховатость на сопротивление не влияет. Однако с увеличениемRe это влияние начинает проявляться; при большихD/d и высоких значениях критерия Рейнольдса коэффициент сопротивления перестает зависеть отRe и становится постоянным для данного значения D/d. Для труб с реальной шероховатостью, в которых бугорки имеют различную высоту и, при увеличении значения критерия Рейнольдса, начинают выступать за пределы ламинарного подслоя не одновременно, переход от линии, соответствующей сопротивлению гладких труб, к прямым горизонтальным участкам происходит более плавно. Для практических расчетов коэффициента сопротивления шероховатых труб используют формулу А.Д.Альтшуля  , где Dэ — эквивалентная абсолютная шероховатость (реальная шероховатость, которая оказывает такое же воздействие, что и равномерная зернистая шероховатость в опытах И.И.Никурадзе). Характерные значения Dэ для труб из различных материалов
Для труб, отличающихся по форме от цилиндрических, вводят понятие гидравлического (эквивалентного) диаметра. Гидравлический диаметр — это диаметр круглой трубы, имеющей площадь поперечного сечения, равную площади трубы иной формы где П — полный смоченный периметр трубы. Гидравлический диаметр используют в формулах для расчета потерь давления в трубах, форма поперечного сечения которых отличается от круга. Определение эквивалентной шероховатости трубопровода.Цель работы: Экспериментально определить эквивалентную шероховатость трубопровода. Теоретические сведения При движении реальной жидкости происходит потери энергии потока, обусловленные преодолением сил трения внутри жидкости о стенки трубопровода. Потери энергии (напора) определяются из уравнения Бернулли h1-2 = H1 – H2 = z1 – z2 + Определение удельной энергии, затрачиваемой на преодолении сил трения — одна из важнейших задач гидравлики. От потерь напора зависит выбор марки насосов, производительность самотечных трубопроводов и т. д. Потери напора нельзя определить непосредственно из уравнения Бернулли, поскольку не все составляющие в правой части уравнения (4.1) бывают известны. Поэтому их находят суммируя потери по длине hl и потери на местные сопротивления hм; Потери напора по длине определяется формулой Дарси – Вейсбаха где l, d — соответственно длинна и диаметр трубопровода, м; w — средняя скорость движения жидкости, м/с. Коэффициент гидравлического сопротивления l— зависит от вязкости m, и плотности жидкости r диаметра d, шероховатости стенок трубопровода где Коэффициент гидравлического сопротивления с распределением скорости по радиусу трубы соотношением где wж — динамическая скорость. Для ламинарного течения при параболическом профиле скоростей коэффициент гидравлического сопротивления Для получения расчетных формул при турбулентном режиме течения из-за сложности происходящих при этом явлении необходимо принятие дополнительных гипотез. При наиболее распространенной гипотезе Прандтля турбулентный поток делят на ядро и вязкий ламинарный подслой (двухслойная модель течения, рис 4.1). В ядре потока градиент скорости очень мал и весь поток движется со скоростями, близкими к средней. В ламинарном подслое градиенты скорости велики, а профиль скорости имеет параболический характер, т.е. соответствует профилю скорости при ламинарном режиме течения. Толщина ламинарного вязкого подслоя d зависит от числа Рейнольдса. При
а- ядро потока; б- ламинарный подслой Рис. 4.1. Структура турбулентного потока относительно небольших скоростях (небольших числах Re) ламинарный подслой полностью закрывает все выступы шероховатости стенок (рис.4.2,а), в результате влияния шероховатости на потери и, следовательно, на коэффициент гидравлического сопротивления пренебрежимо малы. Эта зона турбулентного режима называется зоной гидравлически гладких труб. Рис 4.2 — Схема ламинарного подслоя С увеличением числа Re толщина ламинарного подслоя уменьшается и влияние выступов шероховатости на потери напора увеличивается. В этой зоне (зона смешанного трения) l зависит и от Re и от При очень больших Re ламинарный подслой становиться исчезающее мал и ядро потока захватывает практически все выступы шероховатости. В этой зоне (зона квадратичного сопротивления) l зависит только от шероховатости. Зона смешенного трения отделяется от зоны гидравлически гладких труб кривой Re = 10 Многочисленными экспериментами установлено, что l зависит не только от средней высоты выступов шероховатости, но и от формы и характера их расположения на поверхности трубы. Поэтому в гидравлике вводится понятие эквивалентной шероховатости I- зона гидравлически гладких труб; II- переходная зона; III – зона квадратичного сопротивления Рис. 4.3 — Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и относительной шероховатости Основной расчетной формулой для определения l является полуэмпирическая формула А.Д. Альтшуля, справедливая для всей зоны турбулентного течения: которая при малых числах Рейнольдса переходит в формулу Блазиуса для зоны гидравлически гладких труб: а при больших числах Рейнольдса в формулу Шифринсона для зоны квадратичного сопротивления: l = 0,11 Известны также формулы Н.З. Френкеля Схема установки показана на рис. 4.4. По трубопроводу 1 вода подается в мерный бак 5. В начале и в конце участка трубопровода установлены пьезометры 2 и 3, с помощью которых определяется потери напора на участке 1-2. Расход воды изменяется краном 4. Для проведения работ так же необходимо иметь секундомер и термометр.
Порядок проведения работы. Заполнить напорный бак водой и поддерживать в баке постоянный уровень жидкости. Удалить пузырьки воздуха из трубок пьезометров и краном 4 установить минимальный расход воды. Не менее трех раз снять показания пьезометров Н1 и Н2 и определить время заполнения t мерного бака 5 объемом 0,0064 м 3 . Данные занести в таблицу 4.1 Повторить эксперимент, уменьшив расходы воды по трубопроводу так, чтобы потери напора изменилось примерно на 5…10 мм. Обработка результатов измерения По разности показаний пьезометров определяют потери напора hl, по времени заполнения t мерного бака и рассчитывают расход воды (объемный способ)
Определив расход воды и диаметр трубы, найдем среднюю скорость потока:
По графику (приложение А) определяют коэффициент кинематической вязкости воды. Рассчитывают число Рейнольдса: Таблица 4.1 – Результаты замеров
По известным Re и l, используя рис. 4.3, находят относительную гладкость d/ По известным d/ В расчетах использовать усредненные данные по каждому опыту. 1. Как вы понимаете абсолютную эквивалентную шероховатость? 2. От каких параметров зависит l при ламинарном и турбулентном режимах течения. 3. Чем обусловлено существование зон турбулентного режима течения? 4. Укажите границы этих зон. 5. Приведите уравнения для определения l в различных зонах. 6. В каком случае потери напора равны разности пьезометрических напоров? Определение коэффициента скорости, сжатия и сопротивления при истечении жидкостей через отверстия и насадки. Цель работы- экспериментально определить коэффициенты скорости, сжатия и сопротивления при истечении жидкостей через отверстия и насадки. Теоретические сведения изложены в лабораторной работе №1 « Истечение жидкостей через отверстия и насадки ». Схема установки показана на рис. 5.1. Опытная установка состоит из напорного бака 1 с отверстиями и насадками. Насосом 7 вода подается в бак 1, в котором с помощью перелива 2 поддерживается постоянный уровень жидкости. Для измерения уровня жидкости Для измерения координат х и у осевых точек вытекающей струи к баку прикреплена горизонтальная линейка 3 с перемещающейся по ней вертикальной линейкой 4. Вытекающая из отверстия или насадки струя отводиться в мерный бачок 6.
Порядок проведения работы С помощью насоса 7 и перелива 2 поддерживают в напорном баке постоянный уровень воды отодвинув на произвольное расстояние х вертикальную линейку 4, измеряют расстояние у от оси насадки до оси струи. Величину х следует брать не более 50 см, в противном случае сказывается сопротивление воздуха на траекторию струи. Все данные занести в таблицу 5.1. Обработка результатов опытов Считается, что каждая частица струи после выхода из отверстия движется как свободная материальная точка под воздействием силы тяжести. Найдем ее скорость из уравнений движения
Определяем коэффициент скорости:
Поскольку в турбулентной струе коэффициент неравномерности распределения скорости по сечению равен примерно 1,1…1,2, принимая z = Зная коэффициент скорости и воспользовавшись данными лабораторной работы №1, находят коэффициент сжатия струи:
Таблица 5.1 – Результаты измерений и расчетов
1. Что показывают коэффициенты сжатия, скорости, расхода, сопротивления? 2. Для чего применяют насадки? 3. Почему коэффициент расхода m насадка больше, чем для отверстия, в то время как коэффициент скорости j меньше? Adblockdetector |
,
+ 
(4.1)
(4.2)
— коэффициент гидравлического сопротивления;
D, и средней скорости движения жидкости w.
(4.3)
— число Рейнольдса;
— относительная шероховатость.
(4.4)
(4.5)
, а зона квадратичного сопротивления- кривой Re = 500 
(kэ), под которой понимают не истинную высоту выступов, а такую зернистую фиктивную равномерную шероховатость, при которой потери напора равны потерям в реальном трубопроводе при тех же условиях течения.
График зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и относительной шероховатости показан на рис. 4.3.
(4.6)
, (4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.1)
; 
, находят коэффициент сопротивления отверстия или насадка:
