Визначення коефіцієнтів місцевих втрат при звуженні каналу та при встановленні вентиля

 

 

Мета роботи:

 

 

Експериментальне визначення коефіцієнтів місцевих втрат в різноманітних пристроях і елементах трубопроводу, що спричиняють деформацію потоку, та співставлення отриманих значень з табличними.

 

Загальні положення та розрахункові співвідношення

Місцеві втрати напору – це втрати напору в місцевих опорах, що зосереджені на порівняно короткій ділянці в межах якої потік різко деформується. Прикладами місцевих опорів є раптове розширення, або звуження труби, діафрагма, встановлена в трубі, вентиль, різкий згин труби та інші. Причиною втрати напору є тертя, вихроутворення та різка зміна швидкості потоку за величиною, або за напрямком.

Величина втрат напору на місцеві опори визначається за формулою Вейсбаха

 

(7.1)

 

а втрата тиску за формулою

 

,

(7.2)

 

де – коефіцієнт місцевих втрат;

ρ – густина середовища;

v_сер – середня швидкість потоку в перерізі труби, де є місцевий опір (якщо перед і за місцевим опором різні перерізи труби, то зазвичай береться середня швидкість у меншому перерізі).

 

Величина коефіцієнта місцевого опору залежить від його форми, числа Рейнольда і, в деякій мірі, відносної шорсткості стінок. У тих випадках, коли суттєвими є втрати на тертя (дифузори, різкі згини та інше), вплив числа Рейнольдса зберігається до значення .

Слід пам’ятати також про взаємний вплив місцевих опорів, який проявляється, наприклад, при турбулентному режимі течії, коли відстань між місцевими опорами менше 20…30 діаметрів трубопроводу. Якщо ж між місцевими опорами відстань більше наведеної, то взаємним впливом можна знехтувати і керуватися принципом накладення втрат (простим підсумовуванням втрат в місцевих опорах).

Зважаючи на складність явищ, при русі рідини (газу) через місцеві опори, коефіцієнти місцевих опорів, як правило, визначають експериментальним шляхом, а їх значення наводять у довідниках.

 

Схема лабораторної установки

 

Рис. 7.1

 

Лабораторна установка складається з труби 1 з місцевими опорами – раптовим звуження каналу 2 і встановленим вентилем 3. Труба 1 вмонтована в колектор 4, до якого приєднана повітродувка 5, яка прокачує повітря через трубу з опорами.

Визначення падіння тиску при переході через звужуючий канал 2 проводиться U – подібним диференціальним манометром 6, а через вентиль – диференціальним манометром 7. Витрата повітря, що проходить через трубу з місцевими опорами, визначається за допомогою рідинного диференціального манометра 8, який вимірює перепад тиску на дросельній шайбі 9, встановленій на вхідній ділянці труби.

 

 

Порядок проведення досліду

 

Після перевірки робочого стану установки вмикається повітродувка, яка забезпечує рух повітря по трубі з місцевими опорами. Через термін часу 1-2 хвилини, коли встановиться стаціонарний режим руху повітря, визначити:

а) витрату повітря, користуючись диференціальним манометром, що підключений до дросельної шайби;

б) втрати напору в місцевих опорах (при звуженні каналу ∆h_{м р.з..}та на вентилі ∆h_{м в}.

в) виміряти температуру повітря і барометричний тиск.

Змінюючи швидкість обертання повітродувки за допомогою автотрансформатора, встановити не менше п’яти нових витрат повітря, починаючи з максимальної, відповідно до показу диференціального манометра, і закінчивши витратою, що відповідає ламінарному руху повітря у трубці (h_{м ш}4 мм. вод. ст.).

Коефіцієнт місцевих втрат може бути визначений із співвідношення:

 

(7.3)

Для випадку раптового звуження запишемо рівняння Бернуллі для перерізів 1-1 і 2-2 (рис. 7.2), вважаючи, що z₁ = z₂

 

,

(7.4)

або

.

(7.5)

 

У цьому рівнянні

 

,

(7.6)

 

де – питома маса рідини, якою заповнений дифманометр;

– перепад рідини у дифманометрі.

 

 

Рис. 7.2

 

Після підстановки рівняння (7.6) у (7.5) і проведення перетворень отримаємо рівняння для визначення втрати тиску при раптовому звужені труби, яке матиме вигляд:

 

.

(7.7)

А для вентиля, внаслідок того, що , втрата тиску буде визначатися рівнянням:

 

(7.8)

 

Обробка результатів

 

1. По визначеній витраті повітря Q вираховується його швидкість

,

де

– площа перерізу труби за опором

 

2. Знаючи температуру повітря і барометричний тиск визначається питома маса середовища

 

,

де R – газова стала, яка для повітря дорівнює 287 кДж/кг К.

 

3. Визначаються втрати тиску при раптовому звуженні каналу за формулою (7.7).

 

4. Визначаються втрати тиску на вентелі за формулою (7.8).

 

5. За допомогою рівняння (7.3) визначаються коефіцієнти місцевих втрат .

 

6. Для кожного досліду визначаються числа Рейнольда

 

і будуються графіки залежності і від Re.

 

7. Визначені дослідним шляхом коефіцієнти місцевих втрат порівнюються з табличними і вираховується відносна похибка обчислень .

 

Результати вимірювань і розрахунків записуються в таблицю.

 

t = _______ ⁰C р_бар = __________ мм. рт. ст.

 

№ досл

мм

мм

мм

м/с

м/с

Па

Па

–

–

–

–

 

 

Контрольні питання

 

1. Що являють собою місцеві опори?

2. Як вираховується середня швидкість потоку при визначенні ?

3. Як визначається втрата напору в місцевому опорі при раптовому звуженні труби?

4. Як визначається втрата напору в місцевому опорі при встановленні вентиля?

5. Яким рівнянням користуються при визначенні питомої маси середовища?

6. За яким рівнянням визначається втрата тиску при раптовому звуженні труби?

7. За яким рівнянням визначається втрата тиску при встановленні вентиля?

8. За якою залежністю вираховується коефіцієнт втрат ?

9. Від чого залежить коефіцієнт при великих числах Re?