Anna Cicha III CC-DI, AC, L-1, 2011/2012 |
Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej |
|||
OPORY PRZEPŁYWU PŁYNU W PRZEWODACH |
||||
Data wykonania ćwiczenia |
16.11.2011 r. |
Ocena |
Data |
Podpis |
Data oddania sprawozdania |
30.11.2011 r. |
|
|
|
1. Część teoretyczna
Podczas przepływu cieczy rzeczywistych występują nieodwracalne straty ciśnienia (opory hydrauliczne) w kierunku przepływu strumienia. Straty te wywołane są:
-tarciem międzycząsteczkowym (lepkością),
-tarciem na granicy ciecz - ściana przewodu,
-zawirowaniami strug cieczy spowodowanych nagłą zmianą kierunku przepływu strumienia lub zmianą przekroju.
Spadek ciśnienia ∆pr dla prostych odcinków rur zależy od:
-cieśnienia dynamicznego cieczy (
)
-własności fizykochemicznych cieczy (lepkości i gęstości)
-parametrów geometrycznych rury (kształtu, długości, średnicy, szorstkości).
, gdzie ξ - ogólny współczynnik oporu przepływu
Dla prostych odcinków rur:
, czyli
- równanie Darcy - Weisbacha, gdzie λ - lepkościowy współczynnik oporu przepływu, λ=f(Re,ε)
W przepływie laminarnym λ nie zależy od szorstkości (ε) rury, ponieważ warstwa laminarna pokrywa wszystkie nierówności ścian wewnętrznych. W przepływie burzliwym natomiast w obszarze dużych wartości Re, λ zależy od rodzaju powierzchni i jest znacznie większy dla rur szo anirstkichżeli gładkich.
Dla ruchu laminarnego: Dla ruchu burzliwego:
(a zależy od kształtu przekroju poprzecznego)
Opory miejscowe są to opory powstałe na skutek zmiany przekroju i kierunku przepływu. Stratę ciśnienia statycznego, która jest miarą tych oporów, można obliczyć z ogólnej zależności:
, gdzie ξ - współczynnik oporu miejscowego
Sumaryczne straty ciśnienia przepływającego płynu wynikają z:
-lepkości płynu (który uwzględnia λ w równaniu Darcy - Weisbacha dla odcinków prostych)
- zawirowań płynu (tj. zmiany kierunku i przekroju przepływu spowodowane przez tzw opory miejscowe, np. kolanka, łuki. Rozszerzenia, zwężenia, zawory).
Dla celów obliczeniowych opory lokalne często zastępuje się równoważną długością prostego odcinka rury, na którym wystąpi analogiczny spadek ciśnienia przepływającego płynu:
2. Część doświadczalna
-zamknięto zawór umieszczony za pompą wirową,
-otworzono zawór dla pierwszej gałęzi układu złożonej z: łuku 180o o rozstawie 10cm, odcinka prostego 2m, odcinka prostego rury 1m i kolanka 90o,
-włączono pompę,
-ustawiono natężenie przepływu wody na rotametrze: 1400 l/h
-odczytano wskazania na odpowiednich manometrach, a następnie dwukrotnie zwiększano natężenia przepływu do 1900 i 2400 l/h i odczytywano wskazania manometrów
-zdławiono przepływ wody i przełączono na drugą gałąź układu składającą się z: zaworu grzybkowego 1'', gwałtownego rozszerzenia i gwałtownego zwężenia
-odczytano wskazania manometrów przy natężeniach przepływu 1400 i 1900 l/h
-następnie zdławiono przepływ i przełączono na trzecią gałąź układu składającą się z: zaworu kulowego 1'', łagodnego rozszerzenia i łagodnego zwężenia.
-odczytano wskazania manometrów dla natężeń przepływu: 1400, 1900 i 2400 l/h
-otrzymane dane zestawiono w tabelach.
3. Opracowanie wyników pomiaru
Określenie podstawowych parametrów układu pomiarowego
Średnice rur miedzianych:
Natężenia przepływu wody:
Dane fizykochemiczne dla wody i cieczy manometrycznych z warunkach t=20oC, p=1atm
(J. Bandrowski, „Materiały pomocnicze do ćwiczeń i projektów z inżynierii chemicznej”)
,
,
,
Prędkość liniowa i wartości liczb Reynoldsa dla przepływu wody w rurach o danym natężeniu objętościowym przepływu:
d=0,026m
d2=0,051m
Obliczenie spadków ciśnień
w zależności od zmierzonego
Wyprowadzenie zależności pomiędzy
a
:
Manometr różnicowy pozwala na pomiar różnicy ciśnień pomiędzy dwoma punktami rurociągu:
Ostatecznie:
, gdzie: ∆p - straty ciśnienia, ∆hm - różnica odczytywana na podstawie wskazań manometru, ρm - gęstość cieczy manometrycznej, ρ - gęstość wody
Obliczenia dla poszczególnych elementów układu:
Łuk 180o
Odcinek prosty 2m
Odcinek prosty 1m
Kolanko 90o
Zawór grzybkowy 1''
Gwałtowne rozszerzenie
Gwałtowne zwężenie
Zawór kulowy 1''
Łagodne rozszerzenie
Łagodne zwężenie
Wyznaczenie współczynników oporu lokalnego
Łuk 180o
Kolano 90 o
Zawór grzybkowy
Zawór kulowy
Rozszerzenia rurociągu (musimy uwzględnić zmianę energii kinetycznej)
w1 - prędkość liniowa wody w rurze o mniejszej średnicy
w2 - prędkość liniowa wody w rurze o większej średnicy
Gwałtowne rozszerzenie:
Łagodne rozszerzenie
Zwężenia rurociągu
w1 - prędkość liniowa wody w rurze o większej średnicy
w2 - prędkość liniowa wody w rurze o mniejszej średnicy
Gwałtowne zwężenie
Łagodne zwężenie
Teoretyczne wartości współczynników oporu lokalnego
Gwałtowne rozszerzenie
W przypadku dyfuzorów do wyznaczanie współczynników oporu miejscowego, gdy Re≥3500 obowiązuje wzór:
, gdzie d- średnica rury węższej, D - średnica rury szerszej
Gwałtowne zwężenie
Dla zwężki uskokowej współczynnik oporu miejscowego wyznacza się z zależności:
Zawór grzybkowy
W przypadku zaworów grzybkowych wartość współczynnika oporów miejscowych zależy od średnicy rury.
Zawór kulowy
Dla zaworu kulowego wartość współczynnika oporu miejscowego zależy od kąta rozwarcia zaworu:
Dla α=0o, ξ=0
Dla α=45o, ξ=41
Dla α=15o, ξ=0,88
Wyznaczenie współczynników oporu lepkościowego
Wykorzystuje się zależność:
Odcinek 2m
Odcinek 1m
Wyznaczenie teoretycznych wartości współczynnika λ
Ponieważ ruch burzliwy w każdym przypadku stosujemy wzór Blasiusa:
d1=0,026m
Wyznaczenie zastępczej długości przewodu Lz dla oporów lokalnych
W celu wyznaczenia Lz wykorzystuje się zależność
, gdzie ξ - współczynnik oporu miejscowego dla danego elementu, λ - współczynnik oporu lokalnego odpowiadający danej liczbie Reynoldsa, d - średnica rury
Łuk 180o
Kolano 90o
Zawór grzybkowy
Zawór kulowy
Gwałtowne rozszerzenie
Gwałtowne zwężenie
Łagodne rozszerzenie
Łagodne zwężenie
Wyniki pomiarów i obliczeń
Numer pomiaru:
w=0,524[m/s]
Re=13597[-] |
Rodzaj elementu - oznaczenie |
||||||||||
|
Gałąź pierwsza |
Gałąź druga |
Gałąź trzecia |
||||||||
|
Łuk 180o |
Odcinek prosty 2 m |
Odcinek prosty 1 m |
Kolano 90o |
Zawór grzybkowy 1'' |
Gwałtowne rozszerzenie |
Gwałtowne zwężenie |
Zawór kulowy 1'' |
Łagodne rozszerzenie |
łagodne zwężenie |
|
Straty ciśnienia |
∆hm [mm] |
46 mmCCl4 |
19 mmCCl4
|
30 mmCCl4 |
2 mmHg |
6 mmHg |
41 mmCCl4 |
49 mmCCl4 |
4 mmHg |
2 mmCCl4 |
46 mmCCl4 |
|
∆hm [m] |
0,046 mCCl4 |
0,019 mCCl4
|
0,03 mCCl4 |
0,002 mHg |
0,006 mHg |
0,041 mCCl4 |
0,049 mCCl4 |
0,004 mHg |
0,002 mCCl4 |
0,046 mCCl4 |
|
∆p |
269 |
111 |
175 |
246 |
739 |
240 |
286 |
492 |
12 |
269 |
Współczynnik oporu hydrauliczne- -go λ |
dośw. |
- |
0,0105 |
0,332 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
obl. |
- |
0,0293 |
0,0293 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Współczynnik oporów lokalnych ξ |
dośw. |
1,96 |
- |
- |
1,8 |
5,39 |
2,68 |
1,15 |
3,59 |
1,02 |
1,03 |
|
obl. |
- |
- |
- |
- |
8 |
0,548 |
0,37 |
0,88 |
- |
- |
Zastępcza długość przewodu Lz [m] |
1,74 |
- |
- |
1,6 |
4,78 |
2,38 |
1,02 |
3,19 |
0,91 |
0,91 |
Numer pomiaru:
w=0,68[m/s]
Re=17645[-] |
Rodzaj elementu - oznaczenie |
||||||||||
|
Gałąź pierwsza |
Gałąź druga |
Gałąź trzecia |
||||||||
|
Łuk 180o |
Odcinek prosty 2 m |
Odcinek prosty 1 m |
Kolano 90o |
Zawór grzybkowy 1'' |
Gwałtowne rozszerzenie |
Gwałtowne zwężenie |
Zawór kulowy 1'' |
Łagodne rozszerzenie |
łagodne zwężenie |
|
Straty ciśnienia |
∆hm [mm] |
71 mmCCl4 |
29 mmCCl4 |
46 mmCCl4 |
5 mmHg |
8 mmHg |
67 mmCCl4 |
135 mmCCl4 |
5 mmHg |
6 mmCCl4 |
82 mmCCl4 |
|
∆hm [m] |
0,071 mCCl4 |
0,029 mCCl4 |
0,046 mCCl4 |
0,005 mHg |
0,008 mHg |
0,067 mCCl4 |
0,135 mCCl4 |
0,005 mHg |
0,006 mCCl4 |
0,082 mCCl4 |
|
∆p |
415 |
169 |
269 |
615 |
985 |
392 |
789 |
615 |
35 |
479 |
Współczynnik oporu hydrauliczne- -go λ |
dośw. |
- |
0,0095 |
0,0303 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
obl. |
- |
0,0274 |
0,0274 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Współczynnik oporów lokalnych ξ |
dośw. |
1,8 |
- |
- |
2,67 |
4,27 |
2,63 |
2,49 |
2,67 |
1,08 |
1,14 |
|
obl. |
- |
- |
- |
|
8 |
0,548 |
0,37 |
0,88 |
|
|
Zastępcza długość przewodu Lz [m] |
1,71 |
- |
- |
2,53 |
4,05 |
2,49 |
2,36 |
2,53 |
1,02 |
1,08 |
|
|
|||||||||||
Numer pomiaru:
w=0,942[m/s]
Re=24443[-] |
Rodzaj elementu - oznaczenie |
||||||||||
|
Gałąź pierwsza |
Gałąź druga |
Gałąź trzecia |
||||||||
|
Łuk 180o |
Odcinek prosty 2 m |
Odcinek prosty 1 m |
Kolano 90o |
Zawór grzybkowy 1'' |
Gwałtowne rozszerzenie |
Gwałtowne zwężenie |
Zawór kulowy 1'' |
Łagodne rozszerzenie |
łagodne zwężenie |
|
Straty ciśnienia |
∆hm [mm] |
130 mmCCl4 |
56 mmCCl4 |
45 mmCCl4 |
8 mmHg |
9,5 mmHg |
129 mmCCl4 |
282 mmCCl4 |
7 mmHg |
12 mmCCl4 |
153 mmCCl4 |
|
∆hm [m] |
0,13 mCCl4 |
0,056 mCCl4 |
0,045 mCCl4 |
0,008 mHg |
0.0095 mHg |
0,129 mCCl4 |
0,282 mCCl4 |
0,007 mHg |
0,012 mCCl4 |
0,153 mCCl4 |
|
∆p [N/m2] |
760 |
327 |
520 |
985 |
1169 |
754 |
1649 |
862 |
70 |
895 |
Współczynnik oporu hydrauliczne- -go λ |
dośw. |
- |
0,0096 |
0,0305 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
obl. |
- |
0,0235 |
0,0235 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Współczynnik oporów lokalnych ξ |
dośw. |
1,72 |
- |
- |
2,22 |
2,64 |
2,64 |
2,79 |
1,95 |
1,09 |
1,09 |
|
obl. |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
8 |
- |
- |
Zastępcza długość przewodu Lz [m] |
1,77 |
- |
- |
2,28 |
2,71 |
2,71 |
2,87 |
2 |
1,12 |
1,12 |
Wykres zależności λ=f(Re)
4. Wnioski