Jak všichni víme, potrubí jsou pevné látky a voda je tekutina, která může snadno proudit. Pokud voda uvnitř potrubí proudí, část energie se musí přeměnit na tepelnou energii a „spotřebovat“, to znamená, že se část tlaku vody (neboli tzv. dopravní výška) ztrácí. To je odrazem objektivních věcí a je to nevyhnutelný zákon pohybu vodního toku. Obvykle tento jev přeměny energie nazýváme „ztráta energie“ (nebo „hydraulická ztráta“, „ztráta hlavy“). Počítá se v metrech.
Čerpadlo
Jak významný je vliv odporu potrubí na hlavu?
Někteří uživatelé naměřili, že ačkoli je vertikální vzdálenost od nádrže nebo vodárenské věže k povrchu vodního zdroje stále o něco menší než hlava čerpadla, objem vody zůstává stále malý nebo vodu nelze čerpat. Častým důvodem je, že potrubí je příliš dlouhé a ve vodovodním potrubí je mnoho ohybů, což má za následek nadměrnou ztrátu odporu proudu vody v potrubí. Obecně platí, že ohyb 90 stupňů má větší odpor než ohyb 120 stupňů. Ztráta odporu každého 90stupňového ohybu je přibližně 0,5-1 metr a odpor každých 20 metrů potrubí může způsobit ztrátu přibližně 1 metr v hlavě. Kromě toho někteří uživatelé také náhodně mění průměry potrubí vstupního a výstupního potrubí čerpadla, což má také určitý vliv na dopravní výšku. Jak moc tedy odpor potrubí ovlivňuje hlavu? Dále se podívejme na tabulku níže.
Rozumíte příčinám ztráty vody způsobené prouděním vody v potrubí? Otázka 1: Je to kvůli obstrukčnímu účinku hrubých stěn potrubí.
2. Je to relativní pohyb mezi různými vrstvami vodního toku. 3. Je to vír tvořený místní rychlou změnou toku vody uvnitř potrubních armatur. Hydraulická ztráta potrubí (sítě) se skládá ze dvou částí: ztráty podél potrubí a lokální ztráty. Ve strojírenství musíme vypočítat a znát velikost této ztráty, abychom správně vybrali čerpadlo a určili požadovanou dopravní výšku čerpadla.
Ztráta potrubí podél celé průtokové cesty je třecí odpor, který se vyskytuje během celého průtokového procesu. Souvisí s faktory, jako je drsnost stěny potrubí, délka potrubí, průměr potrubí a rychlost proudění. Na základě principů hydrauliky lze stanovit její vztah.
Ztráta podél potrubí je přímo úměrná koeficientu tření podél potrubí, který souvisí s drsností stěny potrubí. Různé materiály potrubí mají různou drsnost a litinové trubky jsou poměrně drsné, takže koeficient tření podél potrubí je větší; plastové trubky jsou relativně hladké, takže koeficient tření podél potrubí je menší. Je také úměrná délce potrubí; nepřímo úměrné průměru potrubí. To znamená, že když je průtok konstantní, čím menší je průměr potrubí a čím vyšší je rychlost proudění, tím větší jsou ztráty v potrubí; je také přímo úměrná druhé mocnině rychlosti proudění. Výpočet je samozřejmě poměrně komplikovaný. Pro odhad lze použít jednoduchou metodu.
K místním ztrátám v potrubí dochází, když voda protéká armaturami, jako jsou spodní ventily, ventily, kolena a redukce v potrubí. Díky místním zařízením se mění schéma proudění; mění se i směr a rychlost proudění a při proudění vznikají víry, které způsobí, že se voda srazí a narazí do sebe. Tento druh hydraulické ztráty způsobené místním odporem se nazývá místní ztráta.
Velikost lokální ztráty je přímo úměrná druhé mocnině rychlosti proudění vody procházející tvarovkami potrubí a také souvisí s tvarem a množstvím tvarovek. Pokud se tvar průřezu tvarovek výrazně změní a tvarovek je velké množství, místní ztráta bude větší. Jakmile je určeno schéma uspořádání potrubí, musí se vypočítat ztrátová výška potrubí pomocí metody výpočtu a poté by měla být stanovena návrhová výška čerpací stanice. Teprve poté lze provést výběr čerpadla. Postup výpočtu je však poměrně složitý. Pro jednoduchost lze výpočetní data sestavit do tabulky pro rychlou orientaci. Kromě toho lze provést hrubý odhad: ztrátová výška odpovídá 30 % až 50 % skutečné výšky zdvihu vody v terénu (naměřeno). Pro menší průměry potrubí a kratší potrubí by měla být brána větší hodnota; pro větší průměry potrubí a delší potrubí by měla být brána menší hodnota.
Celkové ztráty potrubí na trase a místní ztráty lze vypočítat pomocí stávajícího softwaru, jako je systém výběru softwaru vyvinutý společností Yi Wei, aby se proces výpočtu usnadnil.
Ztráta tlaku, když kapalina proudí v přímém potrubí
Tlaková ztráta při proudění kapaliny v přímém potrubí je způsobena třením při pohybu kapaliny a nazývá se tlaková ztráta třením. Závisí především na délce potrubí, vnitřním průměru, rychlosti proudění kapaliny a viskozitě kapaliny atd. Tlaková ztráta se mění s různými stavy proudění kapaliny. V hydraulickém přenosu je nejběžnější laminární proudění kapaliny v kruhovém potrubí, takže při návrhu hydraulického systému je často požadováno udržet proudění kapaliny v potrubí v laminárním stavu.
Ztráta tlaku podél cesty proudění tekutin v potrubí. Tlaková ztráta při laminárním proudění. V hydraulickém přenosu je většina stavu proudění kapaliny laminární. V tomto stavu lze teoreticky vypočítat tlakovou ztrátu kapaliny protékající přímým potrubím.
Laminární proudění v kruhovém potrubí (1) Zákon rozložení rychlosti kapaliny na průřezu proudění-. Jak je znázorněno na obrázku výše, kapalina se pohybuje laminárním způsobem v kruhovém potrubí o průměru d. Trubka je umístěna vodorovně a do ní je vložen malý váleček, jehož osa se shoduje s osou trubky. Nechť jeho poloměr je r a jeho délka je l. Síly působící na tento malý válec ve směru osy potrubí jsou: tlak na levém konci p1, tlak na pravém konci p2 a třecí síla na povrchu válce Ff. Pak rovnice silové rovnováhy je:
Z rovnice (2-6) můžeme usoudit:
Ve vzorci: μ představuje dynamickou viskozitu. Protože přírůstek rychlosti du má opačné znaménko než přírůstek poloměru dr, je do vzorce přidáno záporné znaménko. Navíc Δp=p1 - p2. Dosazením Δp a rovnice (2-45) do rovnice (2-44) získáme:
Integrál vzhledem k proměnné je:
Když r=R, u=0. Dosazením do rovnice (2-47) získáme:
Pak
Ze vzorce je vidět, že rychlost proudění u uvnitř potrubí je rozložena ve směru poloměru podle parabolického zákona. Maximální rychlost proudění se vyskytuje na ose a její hodnota je:
(2) Průtok v potrubí.
Objem projektilu znázorněný na obrázku (b) je objem kapaliny, která proteče průtočným průřezem-za jednotku času, což je rychlost průtoku. Pro výpočet jeho objemu lze vzít tenký kruhový prstenec o tloušťce dr při poloměru r. Průtok této prstencové oblasti je:
Pro integrální výpočet můžeme získat průtok q:
(3) Průměrná rychlost proudění. Nechť je průměrná rychlost proudění v potrubí υ
Srovnáním můžeme získat vztah mezi průměrným průtokem a maximálním průtokem:
(4) Ztráta tlaku podél dráhy. Ve stavu laminárního proudění lze tlakovou ztrátu podél dráhy kapaliny proudící přímou trubkou vypočítat pomocí vzorce:
Z rovnice je vidět, že ve stavu laminárního proudění je tlaková ztráta kapaliny protékající přímou trubkou úměrná dynamické viskozitě, délce trubky a rychlosti proudění a nepřímo úměrná druhé mocnině průměru trubky. Při praktickém výpočtu tlakové ztráty máme pro zjednodušení výpočtu μ=υdρ/Re, dosadíme μ=υdρ/Re a vynásobíme čitatel i jmenovatel 2g, abychom dostali:
Ve vzorci: λ představuje koeficient tření podél dráhy. Jeho teoretická hodnota je λ=64/Re, zatímco v praxi se v důsledku různých faktorů pro hladké kovové trubky používá λ=75/Re a pro pryžové trubky se přejímá λ=80/Re. Při turbulentním proudění je tlaková ztráta způsobena laminárním prouděním každé částice, která má pravidelný axiální pohyb. Nedochází k bočnímu pohybu. Jednou z důležitých charakteristik turbulentního proudění je, že částice kapaliny již nemají pravidelný axiální pohyb, ale místo toho se během pohybu vzájemně mísí a pulsují. Tento extrémně nepravidelný pohyb způsobuje srážky mezi částicemi a vytváří víry, což má za následek mnohem větší ztráty energie při turbulentním proudění než při proudění laminárním. Vzhledem ke složitosti fenoménu turbulentního proudění nebylo dosud jeho úplným studiem teoretickými metodami dosaženo uspokojivých výsledků. K výzkumu se proto stále používají experimenty, doplněné o teoretická vysvětlení. Tlaková ztráta proudění kapaliny v turbulentním stavu se tedy stále vypočítává pomocí vzorce a hodnota λ nesouvisí pouze s Reynoldsovým číslem Re, ale také s drsností povrchu stěny potrubí.
2. Místní tlaková ztráta
Lokální tlaková ztráta označuje tlakovou ztrátu způsobenou prouděním kapaliny procházejícími ventilovými otvory, ohyby, změnami průřezu toku- atd. Když kapalina protéká těmito oblastmi, v důsledku změn směru a rychlosti toku kapaliny se vytvářejí víry, které způsobují, že částice kapaliny do sebe narážejí, což vede ke značným ztrátám energie.
Výpočtový vzorec pro místní tlakovou ztrátu v náhle rozšířené části lze vyjádřit následovně:
Ve vzorci: je místní koeficient odporu, jehož hodnotu lze získat pouze teoretickým odvozením, když kapalina protéká náhle rozšířeným průřezem-; jinak musí být stanovena pomocí experimentů. je průměrná rychlost proudění kapaliny, obecně se vztahuje k rychlosti proudění po proudu od místního odporu. Celková tlaková ztráta potrubního systému se rovná součtu všech tlakových ztrát podél--průběhu a všech místních tlakových ztrát, to znamená:
