przeanalizuj to a jak jakieś pytania to służę pomocą pozdrawiam Proszę poprawić błędy pisowni mod - mirrzo
Politechnika
Białostocka
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny
w Suwałkach
Mechanika Płynów
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
Numer ćwiczenia: 4
Temat ćwiczenia:
Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy
w rurociągu
Kod Kod
Opracował
Dr inż. Wiesław Załuska
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Strona2-
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodą wyznaczania współczynnika strat miejscowych
i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu oraz wyznaczenie wartości tych
współczynników w zależności od liczby Reynoldsa.
2. Wprowadzenie
Podczas przepływu płynu rzeczywistego w kanale występują opory ruchu wynikające ze
strat energii mechanicznej płynu spowodowanych lepkością płynu (tarcie o ścianki kanału)
zwane stratami na długości, oraz straty wynikające z napotkania na drodze przepływu przeszkód:
zaworów, kolan, zmian przekroju kanału, zwane stratami lokalnymi (miejscowymi).
Mechanizm powstawania strat na długości polega na wzroście energii cieplnej płynu
kosztem częściowego zmniejszenia energii mechanicznej płynu wskutek tarcia cząstek płynu w
warstwie przyściennej o ściany kanału. Z definicji ciągłości przepływu
ρv⋅śrA=const
(1)
gdzie:
vśr – prędkość średnia płynu,
ρ - gęstość płynu,
A – pole przekroju kanału.
wynika, że strata ta dotyczy wyłącznie energii potencjalnej (ciśnienia statycznego). Wielkość
straty ciśnienia statycznego wynika z równania Darcy-Weisbacha:
l v2
p str = f t ρ
d 2
[Pa]
(2)
gdzie:
ft – współczynnik tarcia w kanale,
l – długość odcinka kanału,
d – średnica kanału,
ρ - gęstość płynu,
v – prędkość średnia płynu.
Współczynnik tarcia ft jest bezpośrednia zależnością liczby Reynoldsa:
64
- dla przepływów laminarnych,
Re
(3)
0,3164
- dla przepływów turbulentnych.
4
Re
(4)
ft =
ft =
Eksperymentalnie dowiedziono że wielkość spadku ciśnienia zależy od:
− parametrów kanału (średnicy, długości, chropowatości ścian),
− własności płynu (lepkości, gęstości0
− parametrów przepływu (prędkości średniej, liczby Reynoldsa).
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Strona3-
Przy uwzględnianiu chropowatości ścian kanału korzysta się z doświadczalnie
opracowanych przez Nikuradse wykresów chropowatości względnej:
Rys.1. Wykres Nikuradse- zależność współczynnika tarcia od liczby Reynoldsa i chropowatości względnej
Doświadczalnie stwierdzono, że spadek ciśnienia jest wprost proporcjonalny do długości
przewodu więc przekształcając wzór Darcy-Weisbacha otrzymujemy zależność:
p str
l
=λ
ρ ⋅ v2
d
2
gdzie:
λ - współczynnik strat na długości będący funkcją liczby Reynoldsa i współczynnika chropowatości k/d,
pstr – strata ciśnienia,
l – długość odcinka kanału,
d – średnica kanału,
ρ - gęstość płynu,
v – prędkość średnia płynu.
Zatem wartość współczynnika strat na długości wynosi:
(5)
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
λ=
Strona4-
pstr d
⋅
ρ ⋅ v2 l
2
(6)
gdzie:
λ - współczynnik strat na długości,
pstr – strata ciśnienia,
l – długość odcinka kanału,
d – średnica kanału,
ρ - gęstość płynu,
v – prędkość średnia płynu.
Wartość strat ciśnienia na przeszkodzie zależy od jej parametrów geometrycznych,
własności fizycznych płynu, parametrów przepływu:
∆p
= f (Re,η, d , geometria przeszkody )
ρ ⋅ v2
2
(7)
gdzie:
∆p – spadek ciśnienia,
ρ - gęstość płynu,
v – prędkość płynu,
Re – liczba Reynoldsa,
η - lepkość dynamiczna płynu,
d – średnica przewodu.
Funkcję f przyjęło się określać jako współczynnik strat lokalnych, który wyraża wzór:
ξ=
∆p
ρ ⋅ v2
2
Do pomiaru natężenia przepływu służą równolegle dwa przyrządy: rotametr i wodomierz.
Spadek ciśnienia na badanych elementach mierzy zestaw manometrów cieczowych. Jako ciecz
manometryczną zastosowano w nich rtęć. Manometry i przewody impulsowe są wykonane z
przewodów elastycznych i zamontowane w listwach wraz ze skalą milimetrową.
Warunki pracy stanowiska mogły być różnicowane w szerokim zakresie przepływów
poprzez zróżnicowanie sposoby zasilania:
− bezpośrednio z sieci wodociągowej, co zapewnia wysoką wartość przepływu wody,
− z górnego zbiornika pośredniego o pojemności ok. 0,2 m3, który zapewnia stabilne
ciśnienie hydrostatyczne na zasilaniu stanowiska.
Poziom lustra wody w górnym zbiorniku jest regulowany przez system przelewów
połączonych z odpływem za pośrednictwem dolnego zbiornika kontrolnego, który umożliwia
prowadzącemu ćwiczenie nadzór nad poziomem wody w zbiorniku.
Do wyznaczenia współczynnika strat liniowych służą następujące przewody zamontowane
trwale w instalacji:
− rura NIBCO PVC-U 1’’, długość 3m, zamontowana między zaworami Z1 i Z1’,
− rura NIBCO PVC-U ¾’’, długość 3m, zamontowana między zaworami Z2 i Z2’,
− rura NIBCO PVC-U ½’’, długość 3m, zamontowana między zaworami Z3 i Z3’,
− rura Kantherm ½’’, długość 3m, zamontowana między zaworami Z4 i Z4’.
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Strona5-
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Istnieje również możliwość wymiany przewodów za pośrednictwem złączy śrubunkowych
między zaworami Z5 i Z5’ ¾’’ oraz Z6 i Z6’ 1’’. Rozwiązanie to oferuje możliwość
przeprowadzenia badań porównawczych przewodów wykonanych z różnych materiałów, o
różnych przekrojach poprzecznych oraz umożliwia wykonywanie pomiaru zmiany
współczynnika oporu liniowego przewodu spowodowanego długotrwałą eksploatacją lub
wpływem właściwości fizyko-chemicznych cieczy, której są nośnikiem. Dotyczy to głównie
zmian chropowatości ścian przewodów i zmiany pola powierzchni przekroju. Do wymiany
badanych przewodów nie są potrzebne narzędzia, ponieważ uszczelnienia złączy są typu O-ring i
nie wymagają dużej siły docisku.
3. Opis stanowiska pomiarowego
A
M
Zw1
O
z wodociągu
Z1
Z2
PVC-U NIBCO 3/4''
Z3
Zw
PVC-U NIBCO 1''
PVC-U NIBCO 1/2''
ZS
Z 1'
Z 2'
Z 3'
Kantherm
Z4
Zw2
Z 4'
Z5
Z 5'
Z6
Z 6'
Z7
Z 7'
ZA
ZB
Zξ
odpływ
R
W
U1
h3
ZQ
h1
h2
B
U2
przelew
U3
Rys1. Schemat stanowiska dydaktyczno badawczego do wyznaczania współczynników oporów
miejscowych i liniowych
A - górny zbiornik pośredni, B - dolny zbiornik kontrolny, M- manometr, O – odpowietrznik, R – rotametr, W –
wodomierz, U1 – manometr strat liniowych, U2,U3 – manometry strat lokalnych, Zw – główny zawór sieciowy, Zw1 –
zawór napełniania zbiornika górnego, Zw2 – zawór zasilania instalacji z sieci, Zs – zawór zasilania instalacji ze zbiornika,
ZQ – zawór regulacji natężenia przepływu, ZA,ZB –zawory regulacji poziomu wody w zbiorniku górnym,
Zξ - zawór oporów miejscowych, Z1-7,Z1-7’ – zawory odcinające odcinki pomiarowe
Do pomiaru współczynnika strat lokalnych służą zawory montowane wymiennie w
złączach śrubunkowych. Ze względu na przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne możliwe jest
wyznaczenie współczynnika oporu miejscowego dla dowolnego elementu (łącznika, zaworu).
Jedynym ograniczeniem może być rozstaw złączy wynoszący 60 cm.
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Strona6-
Pozostała część instalacji została wykonana z rury NIBCO PVC-U 1’’ i odpowiednich
łączników. Wszystkie zawory służące do obsługi stanowiska są zaworami kulowymi typu
KW/KW z wyjątkiem zaworu regulacji natężenia przepływu, który jest zaworem grzybkowym
typu KW/KW ¾’’.
Odcinki pomiarowe są zamontowane na wspornikach oddalonych od ściany o 30 cm w celu
ułatwienia obsługi stanowiska, szczególnie wymiany elementów badanych. Pozostała część
instalacji przymocowana jest do ściany za pomocą uchwytów zatrzaskowych z kołkiem
rozporowym i uchwytów metalowych stałych z wkładką z tworzywa EPDM.
4. Metoda wyznaczania strat
Wyznaczenie strat miejscowych i na długości przeprowadza się metodą obliczeniową dla
zadanych parametrów pracy stanowiska dla danych przekazanych przez prowadzącego.
4.1. Wyznaczenie współczynnika strat na długości metodą doświadczalną
1. zapoznać się z budową stanowiska, zwrócić szczególną uwagę na położenie i
przeznaczenie poszczególnych zaworów,
2. zapoznać się z położeniem, przeznaczeniem oraz zakresem pomiarowym przyrządów
pomiarowych podłączonych do stanowiska,
3. określić wartości strumienia objętości płynu, dla których zostanie wyznaczony
współczynnik strat na długości,
4. jeżeli stanowisko ma być zasilane ze zbiornika górnego, ustalić poziom wody w
zbiorniku zaworami ZA ,ZB, a następnie napełnić zbiornik odkręcając zawory Zw i Zw1,
5. otworzyć zawory odcinające Z1 i Z1’ i upewnić się, że pozostałe rury pomiarowe są
odcięte,
WAŻNE: PRZED ODKRĘCENIEM ZAWORÓW ZASILAJĄCYCH UPEWNIĆ SIĘ, CZY CO NAMNIEJ
JEDEN ODCINEK POMIAROWY JEST OTWARTY DLA PRZEPŁYWU.
6. otworzyć całkowicie zawór ZQ, a następnie otworzyć zawór zasilający: Zw2 dla zasilania z
sieci lub Zw3 dla zasilania ze zbiornika,
7. ustawić żądaną wartość przepływu zaworem ZQ i odczytać wartość spiętrzenia na
manometrze U1, wyniki pomiaru wpisać do tabeli,
8. aby wykonać pomiar spadku ciśnienia na kolejnej rurze najpierw otworzyć przepływ
przez tą rurę, dopiero zamknąć zawory na rurze, która została zbadana,
9. powtórzyć czynności pomiarowe dla wszystkich rurociągów, wyniki zamieścić w tabeli,
10. obliczyć prędkość wody w przewodzie ze wzoru:
v=
gdzie:
Qv – strumień objętości wody w [m3/h],
d – średnica rury w [m].
4 ⋅ Qv
3600 ⋅ π ⋅ d 2
11. obliczyć liczbę Reynoldsa ze wzoru:
Re =
v⋅d
υ
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Strona7-
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
gdzie:
v – prędkość wody w [m/s],
d – średnica rury w [m],
υ = 1,2*10-6 [m2/s] - lepkość kinematyczna wody.
12. obliczyć wartość współczynnika strat na długości ze wzoru:
2 ⋅ h1 ( ρ m − ρ )
d
λ=
⋅
− 7,4
1000 ⋅ v 2
l
ρ
gdzie:
h1 – spiętrzenie manometru U1 w [mm],
v – prędkość wody w [m/s],
ρm=13600 [kg/m3] – gęstość cieczy manometrycznej,
ρ=1000 [kg/m3] – gęstość wody,
d – średnica rury w [m],
l = 3 [m] – długość odcinka pomiarowego
13. wyniki obliczeń zamieścić w tabeli i na ich podstawie sporządzić wykres λ=f(Re).
Pomiary współczynnika strat na długości
Gęstość wody
ρ=
Gęstość cieczy manometrycznej
Przyspieszenie ziemskie
Długość rurociągu
1000
kg/m3
ρm =
g=
l=
13600
kg/m3
9,81
3
m/s2
m
1,2*10-6
m2/s
Lepkość kinematyczna wody
ν=
2⋅h ( ρ − ρ)
d
λ = 21 ⋅ m
− 7,4
v
ρ
l
Rodzaj rury
Przeplyw
Nibco 1''
Nibco 3/4''
Spiętrzenie
Prędkość Współczynnik
Liczba
Spiętrzenie Prędkość
manometru U1 w ody v
oporu λ
Reynoldsa manometru U1 w ody v
m3/h
mm
m/s
mm
Nibco 1/2''
Współczynnik
Liczba
Spiętrzenie
oporu λ
Reynoldsa manometru U1
m/s
mm
Kantherm
Prędkość Współczynnik Liczba
Spiętrzenie
w ody v
oporu λ
Reynoldsa manometru U1
m/s
mm
Prędkość
w ody v
Współczynnik
oporu λ
Liczba
Reynoldsa
m/s
4.2. Wyznaczenie współczynnika strat miejscowych
1.
2.
3.
4.
upewnić się, że zawory odcinające Z1 i Z1’ są otwarte,
odkręcić całkowicie zawór Zξ,
odkręcić zawór zasilający i odczytać spiętrzenia manometrów U2 i U3,
odczytać wskazania manometrów dla kilku wartości przepływu zmieniając położenie
grzybka zaworu co 90o, wyniki pomiarów umieścić w tabeli,
5. obliczyć prędkość wody w przewodzie ze wzoru:
v=
gdzie:
Qv – strumień objętości wody w [m3/h],
d – średnica rury w [m].
6. obliczyć liczbę Reynoldsa ze wzoru:
4 ⋅ Qv
3600 ⋅ π ⋅ d 2
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Re =
gdzie:
v – prędkość wody w [m/s],
d – średnica rury w [m],
υ = 1,2*10-6 [m2/s] - lepkość kinematyczna wody.
Strona8-
v⋅d
υ
7. obliczyć spadek ciśnienia ze wzoru:
∆pξ = g (2 ⋅ h3 − h2 ) ⋅ ( ρ m − ρ )
gdzie:
h3 – spiętrzenie manometru U3 w [mm],
h2 – spiętrzenie manometru U2 w [mm],
g – przyspieszenie ziemskie,
ρm=13600 [kg/m3] – gęstość cieczy manometrycznej,
ρ=1000 [kg/m3] – gęstość wody,
8. obliczyć wartość współczynnika strat miejscowych ze wzoru:
ξ=
ρm − ρ
∆pz
2⋅ g
= 2 ( 2 ⋅ h3 − h2 )
− 2 ⋅ξ s
ρ H O ⋅ v2
v
ρ
2
2
gdzie:
h3 – spiętrzenie manometru U3 w [mm],
h2 – spiętrzenie manometru U2 w [mm],
g – przyspieszenie ziemskie,
ρm=13600 [kg/m3] – gęstość cieczy manometrycznej,
ρ=1000 [kg/m3] – gęstość wody,
v – prędkość wody w [m/s],
ξs = 0,4 – współczynnik oporu połączenia śrubunkowego.
9. wyniki opracować w formie wykresu ξ=f(Re).
5. Metoda wykonania ćwiczenia wyznaczania strat
1.
2.
3.
4.
Zapoznać się ze stanowiskiem i zakresem ćwiczenia.
Opis i schemat stanowiska badawczego.
Przebieg realizacji wyznaczania strat wykonać metodą obliczeniową.
Parametry wyjściowe do badań i obliczeń wydaje prowadzący (10 wartości liczby
Reynoldsa Re).
5. Obliczyć wydatek objętościowy dla zadanych liczb Re i dla badanych rur NIBCO ½”, ¾”,
1”.
6. Porównać wyniki obliczeń teoretycznych współczynników strat przepływy na długości
dla rur NIBCO ½”, ¾”, 1” z danymi katalogowymi firmy NIBCO.
7. Obliczenia zestawić w tabelach ( tabele oraz wykres f(Q) w Excel dla poszczególnych
danych pomiarowych i obliczeniowych).
a. Dane do obliczenia oporów pobrać z katalogu oraz obliczyć straty wg. wzorów i
nomogramu.
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Strona9-
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
b. Narysować na wykresie Nikuradse punkty ( wsp. oporów liniowych w zależności
od zadanych liczb Re). Określić r/s dla badanych rur.
c. Obliczyć dla zadanych parametrów wsp. strat na długości ze wzorów
Nikuradsego, Blausiusa, Waldena, Prandtla.
d. Obliczyć dla zadanych liczb Re straty przepływu na długości ∆p.
e. Obliczyć wysokość strat ciśnienia w manometrach (rtęciowych, wodnych) ∆hHg.
8. Dane zestawić w nowych tabelach obliczeniowych w arkuszu kalkulacyjnym Excel.
9. Obliczenia zestawić w nowych tabelach obliczeniowych (tabele oraz wykres f( ) wykonać
w Excel dla poszczególnych danych pomiarowych i obliczeniowych). Tabela z instrukcji
– tabela pomiarowa – nieaktualna dla tego zakresu ćwiczenia.
10. Określenie błędów pomiarowych.
11. Wnioski z pomiarów.
12. Analiza wyników.
Materiały dodatkowe do ćwiczenia:
1. Rysunek nomogramu do obliczeń NIBCO.
2. Katalog NIBCO.
3. Wykres Nikuradsego.
Dane wyjściowe:
1. Wielkość średnicy rurki 1”, ½”, ¾”.
2. Dane 10 wartości Re podane przez prowadzącego.
Tabela zestawieniowa
Wyniki pomiarów współczynnika strat lokalnych
Gęstość wody
Gęstoś ć cieczy manometrycznej
ρ=
1000
kg/m3
ρm =
13600
kg/m3
Przyspieszenie ziemskie
Średnica rurociągu
Lepkość kinematyczna wody
∆pξ = 2( h3 − h2 ) ⋅ ( ρ m − ρ ) − 2 ⋅ ξ s ⋅
Przepływ
Q
m3/h
Prędkość
Liczba
wody
Reynoldsa
v
Re
m/s
g= 9,81
m/s2
3/4''
φ=
ν= 1,2*10-6 m2/s
ρ ⋅ v2
2
ξ=
ρ −ρ
∆pz
2⋅g
= 2 ( 2 ⋅ h3 − h2 ) m
− 2 ⋅ξ s
ρH O ⋅ v 2
v
ρ
2
2
Ustawienie pokrętła zaworu
0o
90o
U2
U3
∆ pξ
mm
mm
kPa
ξ
180o
U2
U3
∆ pξ
mm
mm
kPa
6. Sprawozdanie powinno zawierać
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Imiona, nazwiska i rok studiów członków zespołu.
Temat ćwiczenia
Datę wykonania ćwiczenia
Krótki opis stosowanej metody badawczej
Schemat stanowiska
Wyniki wykonanych obliczeń i zestawienie wyników.
ξ
U2 U3
mm
mm
∆ pξ
kPa
270o
ξ
U2 U3 ∆ pξ
mm
mm
kPa
ξ
Laboratorium Mechaniki Płynów
Politechnika Białostocka
Semestr III
Ćwiczenie nr 4
Zamiejscowy Wydział Mechaniczny w Suwałkach
Temat: Wyznaczanie współczynnika strat miejscowych i na długości przy przepływie cieczy w rurociągu
Strona10 -
7. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia
5. Wymagania BHP
1. Ściśle przestrzegać kolejności wykonywania czynności w/g instrukcji.
2. Stosować się do poleceń prowadzącego ćwiczenie.
3. Nie dopuszczać do przekroczenia zakresów pomiarowych manometrów przez odcięcie
przepływu na rurociągach pomiarowych przy odkręconym zaworze zasilającym.
4. Wszelkich zmian w położeniu zaworów dokonywać w sposób płynny.
5. Przed odkręceniem zaworu zasilającego upewnić się, że odpowiednie zawory są we
właściwych pozycjach.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Jackowski M., Jankowski Z., Jędral.; Układy pompowe. Warszawa, Wydawnictwo
Politechniki Warszawskiej, 1998.
Jędral W.; Pompy wirowe odśrodkowe. Teoria, podstawy projektowania, energooszczędna
eksploatacja. Wyd. Politechniki Warszawskiej, 2001.
Fodemski T.; Pomiary cieplne, cz. II, Badania cieplne maszyn i urządzeń. WN-T. Warszawa
2001.
Siemieniako Fr.; Pracownia Cieplna. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa
1985.
PN- 85/M-44001 - Pompy wirowe. Pomiary wielkości charakterystycznych.
PN-65/M-44002 - Pompy wirowe i wyporowe. Wytyczne pomiarów wielkości
charakterystycznych.
Załuska W.; Badania charakterystyk pracy zespołu pompowego – SUW Wasilków, Białystok
1998.