Co ovlivňuje ztrátu tlaku, když se tekutina pohybuje potrubím?

Statický tlak charakterizuje vlastnosti vody, když je v klidu, tzn. ona se nehýbe. Například, když je zavlažování vypnuto, vytvoří se tlak v hlavním potrubí čerpadlem a čerpadlo se vypne, když je dosaženo nastaveného tlaku. Právě tento tlak bude statický. Hodnota tlaku se v tomto případě mění pouze se změnou výšky vodního sloupce. Statický tlak ukazuje tlakový potenciál, který systém zvládne.

Jakmile otevřeme ventil nebo kohoutek, voda se začne pohybovat a v tomto případě již máme co do činění s dynamickým tlakem. V tomto případě se objevují nové tlakové ztráty, a to tlakové ztráty třením podél potrubí a lokálními ztrátami (armatury, zpětné ventily, solenoidové ventily atd.).

S těmito ztrátami, které někdy dosahují impozantních hodnot, je vždy nutné počítat, abychom se vyhnuli „nerozlitým“ plochám nebo aby došlo k takovému případu, kdy není dostatečný tlak na to, aby sprinklerová tyč stoupala z pouzdra.

Dynamický tlak nebo “pracovní tlak” se liší od statického tlaku v tom, že závisí na ztrátách spojených s pohybem vody. Přímo souvisí s průtokem nebo množstvím vody, které prochází potrubím nebo v místě místního odporu.

Rýže. 1. Lokální hydraulické ztráty

Se zvyšujícím se množstvím vody protékající potrubím se zvyšuje průtok, čímž se zvyšují tlakové ztráty. Tabulku lokálních tlakových ztrát v závislosti na průtoku naleznete vždy v katalozích výrobců závlahových zařízení pro konkrétní závlahové zařízení.

Rýže. 2. Příklady tlakových ztrát na zařízení (fragment katalogu)

Nyní se podíváme na to, jak určit ztrátu v potrubí.

Pro rychlé určení tlakových ztrát pro různé jednotky průtoku (m3 / h nebo l / min) tento článek poskytuje v příloze „Tabulky ztrát třením v potrubí“ pro trubky HDPE. Ztráty jsou uvedeny v barech na každých 100 m potrubí určitého průměru (mm). Hodnoty ztrát se výrazně liší pro trubky stejného průměru, ale s různými SDR. Tato skutečnost činí každý typ potrubí hydraulicky individuální.

SDR je zkratka pro Standard Dimension Ratio, tedy poměr vnějšího průměru trubky k tloušťce její stěny. Čím nižší je SDR, tím silnější je stěna potrubí a naopak. Čím silnější je stěna potrubí, tím vyšší budou ztráty třením, potrubí bude těžší a dražší, ale vydrží větší tlak.

*Rýže. 3. Část potrubí

Ztráty třením pro tyto tabulky se vypočítají takto:
Vstupní data:
Délka potrubí (100m)
Vnitřní průměr trubky
Koeficient drsnosti potrubí
Průtok (průtok)

1 – určete průtok
2 – určete Reynoldsovo číslo (na základě kinematické viskozity kapaliny, průtoku, průměru,)
3 – Určete hydraulické tření (na základě Re, průměru a drsnosti)
4 – Určete ztráty (na základě hydraulického tření, délky, průměru a rychlosti a také gravitačního zrychlení).

Pro výpočet ztrát třením se používá Darcy-Weisbachova rovnice, která má následující tvar:

Δh – ztráty třením
f – koeficient tření
L – délka trubky
D – průměr trubky (vnitřní)
V – rychlost proudění
g je zrychlení volného pádu.

Pomocí tabulek uvedených v příloze můžete kromě hodnot ztrát určit také rychlost pohybu vody pro zlepšení hydraulických výpočtů.

Rychlost proudění (m/s) je rychlost, kterou se voda pohybuje komponentami potrubí zavlažovacího systému, a je velmi důležitým faktorem při analýze hydraulického návrhu. Čím rychleji se voda potrubím pohybuje, tím vyšší jsou ztráty třením. Příliš vysoký průtok vody může způsobit i další problémy (vodní ráz, porucha uzavíracího zařízení atd.).

Experimentálně a pomocí výpočtů bylo stanoveno, že rychlost proudění 1,5 m/s je optimální pro pohyb vody plastovým potrubím. Další zvýšení průtoku vede k neúměrnému zvýšení tlakové ztráty, někdy i několikanásobku, což může vést k nepříjemným následkům, když v odlehlých oblastech máte tlak, při kterém nebude zavlažování prováděno správně. A také při rychlostech nižších nebo rovných 1,5 m/s se snižuje pravděpodobnost poškození souvisejícího s vodním rázem v systému.

Rýže. 4. Závislost ztrát třením na charakteristikách proudění a potrubí

V této tabulce hodnoty rychlosti ve stínované oblasti přesahují 1,5 m/s. Při výběru průměru zavlažovacích trubek doporučujeme použít hodnoty nad zastíněnou plochou.

Jak používat tabulky ztrát třením.

Rýže. 5. Použití tabulky ztrát

1. Tento řádek označuje typ potrubí a SDR, pro které jsou počítány ztráty
2. Jmenovitý průměr trubky (vnější)
3. Vnitřní průměr trubky
4. Tloušťka stěny potrubí.
5. Tento sloupec udává průtok neboli průtok, při kterém se počítají ztráty v l/min a m3/h
6. Rychlost proudění v m/s
7. Ztráta tlaku v barech.

Dále, když známe průtok v zóně (vypočtený v projektu), podíváme se do tabulky ve sloupci s náklady a najdeme průtok, který potřebujeme.

Příklad:
Musíme vybrat průměr hlavního potrubí. Víme, že maximální průtok v zóně 1 je 63 l/min nebo 3,8 m3/h. Nakreslete vodorovnou čáru odpovídající čáry

Rýže. 6. Použití tabulky ztrát

Vidíme, že pro průměry potrubí 25 mm a 32 mm indikátory rychlosti proudění přesahují 1,5 m/s a jsou v šedé zóně.
Podle toho vybereme nejbližší průměr, ve kterém jsou při daném průtoku indikátory mimo šedou zónu. V našem příkladu se jedná o trubku o průměru 40 mm. Při průtoku 63,3 l/min nebo 3,8 m3/h bude průtok v potrubí 1,16 m/s a tlaková ztráta na 100 metrů 0,45 bar.

Připomeňme, že tato problematika již byla krátce zmíněna v části 18 „Problém náhlého varu chladiva v potrubí kapaliny“. Abychom rozšířili naše znalosti v této oblasti, provedeme malý mentální experiment pomocí diagramů na obr. 75.1 a 75.2. K provedení tohoto experimentu potřebujeme ruční ventil na odvodňovacím potrubí věže, který po otevření vypustí věž, a plovákový ventil, který udržuje konstantní hladinu vody v nádrži věže. Na vyústění odpadního potrubí v bodě B (před kohoutkem) nainstalujeme manometr, cejchovaný v barech. Tento tlakoměr nám ukáže tlak v bodě B. Dále nainstalujeme skleněnou trubici, která bude ukazovat tlak v bodě B v metrech vodního sloupce (m vodního sloupce), tedy výšku vodní hladiny ekvivalentní tlak v bodě B.

Na Obr. 75.1 vlevo od toho sloupce kapaliny, to je 5 m vody. Umění. nebo 0,5 bar: tlak naměřený manometrem se rovná výšce kolony.
Na Obr. 75.1 vpravo (schéma 2) je ventil na vypouštěcím potrubí otevřený. Vlivem gravitace ihned po otevření kohoutku začne voda z nádrže odtékat. Jakmile se voda začne pohybovat, její hladina ve skleněné trubici klesne na 4,5 m: proto je tlaková ztráta v oblasti z bodu A do bodu B rovna 5 – 4,5 = 0,5 m vody. Umění. Tlakoměr v bodě B ukazuje i pokles tlaku o velikost ztráty, která se rovná 0,5 – 0,45 = 0,05 bar (tedy 0,5 m vodního sloupce).

Z toho usuzujeme: jakmile se voda začala pohybovat, objevily se tlakové ztráty.
Tyto ztráty jsou způsobeny viskozitou vody a závisí na její rychlosti. V zásadě je tlaková ztráta určena třecí silou pohybující se vody proti vnitřnímu povrchu stěn potrubí, který má jednu nebo druhou drsnost.
Tlaková ztráta se zvyšuje:
► s rostoucí délkou potrubí;
► s poklesem vnitřního průměru (průtokové plochy) potrubí;
► se zvyšující se rychlostí vody (tj. průtoku) v potrubí.

Tlakové ztráty vedou k dodatečným nákladům na energii. Vyvolávají hluk v potrubí a mírné zahřívání vody. Čím větší je rychlost vody, tím větší je hluk, zejména tam, kde proud zaznamenává omezení. Například v kohoutcích, ventilech atd. Tento hluk může být obtěžující tam, kde jsou potrubí instalována v obytných oblastech nebo v jejich blízkosti.
Proto musí být průměry potrubí zvoleny tak, aby rychlost tekutiny v nich nepřekročila určité hodnoty při maximálních požadovaných průtokech. Například dnes existují následující doporučení:
► U potrubí s vnitřním průměrem 15 mm je maximální rychlost média 0,5 m/s.
► U potrubí s vnitřním průměrem 80 mm je maximální rychlost média 1,2 m/s.
Tento rozdíl v doporučených hodnotách rychlosti je způsoben následujícím:
U trubek o průměru 15 mm je obvod třecí plochy P = 1,5 cm x 7 g” 5 cm, plocha průtokového průřezu S1 je 2 cm2 a u trubek o průměru 80 mm je obvod třecí plocha je P = 8 cm x p k 25 cm s plochou průtoku S2 * 50
Při přechodu z trubky o vnitřním průměru D1 = 15 mm na trubku o průměru D2 = 80 mm
obvod třecí plochy se zvětší 5krát, zatímco plocha proudění se zvětší 25krát. V důsledku toho bude třecí síla (a tedy tlaková ztráta) v potrubí o průměru 15 mm při rychlosti proudění 0,5 m/s přibližně stejná jako v potrubí o průměru 80 mm při rychlosti proudění. 1,2 m/s. Čím větší je tedy průměr potrubí, tím vyšší může být rychlost proudění v něm při stejné tlakové ztrátě v důsledku tření.
Ve stávajících instalacích se dnes průměry kapalinových potrubí volí tak, že při maximálním průtoku by průtok v nich vedl k tlakovým ztrátám, obvykle v rozsahu od 10 do 20 mm vody. Umění. na lineární metr délky potrubí.

75.1. CVIČENÍ 1. Odhad tlakové ztráty

Pro odhad tlakových ztrát způsobených místními odpory (závity, T-kusy, uzavírací ventily atd.) je obvyklé používat koncept ekvivalentní délky. Například můžeme předpokládat, že tlaková ztráta při otočení průtoku o 90° je ekvivalentní tlakové ztrátě v důsledku tření na kusu trubky stejného průměru o délce 0,8 m*.
Nyní zkuste odhadnout řádovou velikost tlakové ztráty v potrubí o vnitřním průměru 65 mm a celkové délce 50 m, které má 6 závitů o 90° (viz obr. 75.4).

Řešení cvičení 1
Při správném určení průměru potrubí lze předpokládat, že tlaková ztráta třením je od 10 do 20 mm vody. Umění. na lineární metr délky potrubí. Při provádění posouzení předpokládejme, že tlaková ztráta třením se rovná průměrné hodnotě zadaného rozsahu, tedy 15 mm vody. st./m Přitom 6 závitů o 90° je z hlediska tlakové ztráty ekvivalentní úseku rovného potrubí stejného průměru o délce 6 x 0,8 m = 4,8 m. Celková ekvivalentní délka našeho potrubí se tedy bude rovnat do 50 m + 4,8 m ” 55 m. Celková tlaková ztráta v tomto potrubí tedy bude 55 m x 15 mm vody. st/m = 825 mm vody. st « 0,8 m vody. Umění.
* Toto tvrzení není vždy pravdivé. V obecném případě se délka úseku přímého potrubí, ekvivalentní z hlediska tlakové ztráty jakémukoli místnímu odporu, zjistí pomocí vzorce bekv = Im/Yaltl TnD – vnitřní průměr potrubí, §m – koeficient lokálních ztrát a Yatr – součinitel tření kapaliny na vnitřních povrchových stěnách potrubí (pozn. redakce).

VLIV ROZDÍLŮ ÚROVNÍ NA ZTRÁTU TLAKU
Pokračujme v našich myšlenkových experimentech. Na Obr. 75.5 ukazuje dvě naprosto totožná schémata, lišící se pouze tím, že výška nádrže chladicí věže na schématu 1 nad vypouštěcím ventilem je větší než výška nádrže na schématu 2.
Délka odtokových trubek v obou schématech je stejná, průměry trubek jsou také stejné. V důsledku rozdílu hladin bude tlak v bodě B okruhu 1 vyšší než tlak v bodě B okruhu 2. Pokud jsou tedy vypouštěcí ventily v obou okruzích plně otevřeny, bude průtok Qvl vyšší než průtok Qv2. Aby bylo možné porovnat hodnoty tlakových ztrát v závislosti na rozdílu hladin, je nutné uzavřít ventil schématu 1, aby se vyrovnaly průtoky, a tedy i rychlosti proudění tekutin v potrubích schématu 1 a 2.

Jakmile to uděláme, okamžitě uvidíme, že pokud jsou průtoky Qvl a Qv2 stejné, tlakové ztráty pro obě schémata budou naprosto stejné: Ahl = Ah2.

Závěr: tlaková ztráta v důsledku tření a místního odporu v žádném případě nezávisí na rozdílu hladin potrubí. Jsou určeny pouze rychlostí proudění tekutiny, délkou potrubí, vnitřním průměrem a drsností stěn potrubí.

75.2. CVIČENÍ 2. Vliv tlakové ztráty na průtokové charakteristiky

Podívejme se na systém znázorněný na obr. 75.6.
Při pohybu vody potrubím vznikají tlakové ztráty, které jsou závislé na délce potrubí, jeho průměru a průtoku vody (tedy rychlosti vody v potrubí).
Na výstup z nádrže nainstalujeme filtr.
► Jak se změní tlaková ztráta Ahl?
► Jak se změní spotřeba?
► Jak se změní rychlost vody?
Řešení je na další stránce.

Řešení cvičení 2
Filtr nainstalovaný na potrubí (viz obr. 75.7 vpravo) se chová stejně jako jakýkoli místní odpor (otočka, ventil atd.): je další překážkou pro proudění kapaliny, to znamená, že vytváří další tlakové ztráty při průchodu vody. Tyto ztráty se přičítají ke ztrátám třením. V důsledku toho se celková tlaková ztráta v oblasti z bodu C do bodu B zvýší (Ah2 > Ah 1).

Nyní se podívejme, jak se mění rychlost proudění vody v potrubí. Při instalaci dodatečného odporu, např. filtru, se tlaková ztráta v sekci C-B zvýší (Ah2 > Ah 1). Ale tento odpor také brání průchodu vody (stejně jako ruční ventil, jehož odpor se při zavření zvyšuje): proto se průtok vody sníží.
Protože se v obou případech vnitřní průměr potrubí v úseku C-B nemění, snížení průtoku vede ke snížení rychlosti proudění vody v potrubí: rychlost V2 bude znatelně nižší než rychlost VI.

Jak se tlaková ztráta v okruhu zvyšuje, průtok tekutiny klesá. S klesajícím průtokem se průtok nevyhnutelně snižuje.

Vezměte prosím na vědomí další podmínky: mělo by být jasné, že průtok vody je absolutně stejný na vstupu do filtru a na výstupu z filtru. Vzhledem k tomu, že vnitřní průměr trubky je po celé její délce stejný, rychlost bude přesně stejná v každém úseku trubky.
Rychlost proudění tekutiny při konstantním průtoku je přísně stejná v každém úseku potrubí o konstantním vnitřním průměru.

75.3. CVIČENÍ 3. Změna průtoku při změně rychlosti

Potrubí o délce 50 m s vnitřním průměrem 80 mm proudí voda rychlostí 1 m/s. Co si myslíte, že se stane s průtokem, když se rychlost zdvojnásobí?
Řešení je na další stránce.

Řešení cvičení 3
Porušíme tradici, která funguje v naší příručce, protože zde jsme nuceni dávat jednoduché vzorce a provádět velmi jednoduché výpočty. Odpusťte nám to, ale hydraulika je poměrně složitá a někdy budete možná potřebovat nějaké základní pojmy, abyste pochopili některé jevy, které se však pokusíme vysvětlit co nejjednodušeji.
Pro začátek byste měli mít na paměti, že objemový průtok se obvykle měří v m3/h nebo m3/s (viz část 41 „Měření průtoku vzduchu“).

Rychlost průtoku a spotřeba vody spolu úzce souvisí:
Qv V x S
(m3/s) = (m/s) x (m2)
Průtok = rychlost x plocha
Vypočítejme průtočnou plochu trubky o průměru 80 mm (viz obr. 75.9): Obr. 75.9. S = 3,14 x 0,082 / 4 = 0,005 m2.
Nyní můžete najít výdaje:
► Qvl = 1 m/s x 0,005 m2 = 0,005 m3/s = 0,005 x 3600 = 18 m3/h.
► Qv2 = 2 m/s x 0,005 m2 = 0,01 m3/s = 0,01 x 3600 = 36 m3/h.
Pro daný průměr potrubí je tedy průtok přímo úměrný průtoku.
Když se průtok tekutiny v potrubí zdvojnásobí, zdvojnásobí se také průtok.

75.4. CVIČENÍ 4. Změna průtoku při změně průměru potrubí

Právě jsme zjistili, že při průtoku tekutiny 1 m/s v potrubí o průměru 80 mm je průtok tekutiny 18 m3/h.
Nyní zdvojnásobíme vnitřní průměr trubky, to znamená, že vezmeme trubku s vnitřním průměrem 160 mm. Jaký bude průtok tekutiny v tomto potrubí při stejném průtoku?

Řešení cvičení 4
Při průtoku 1 m/s je průtok v potrubí o vnitřním průměru 80 mm 18 m3/h. Pokud je vnitřní průměr trubky 160 mm, pak bude její průtoková plocha S = 3,14 x 0,1 b2 / 4 = 0,02 m2. Při průtoku 1 m/s bude průtok v tomto potrubí 1 x 0,02 = 0,02 m3/s nebo 0,02 x 3600 = 72 m3/h namísto předchozích 18 m3/h. Jinými slovy spotřeba vzroste 4x.

Pozornost! Nezaměňujte pojem „vnitřní průměr“ a oblast průtoku: pokud se průměr zdvojnásobí, zvětší se oblast průtoku 4krát!

VZTAH MEZI PRŮTOKEM A TLAKEM
Uvažujme plovákový ventil navržený pro přívod vody z vodovodu do nádrže chladicí věže (viz obrázek 75.11). Předpokládejme, že plně otevřený ventil se síťovým tlakem vody 2 bary poskytuje průtok 10 l/min.

Aby se průtok zdvojnásobil, to znamená, aby se zajistil průtok ventilem rovný 20 l/min. je nutné 4x zvýšit tlak vody v síti.

Pamatovat si! Pokud je tlak vody ve vodovodní síti nízký, průtok bude malý. Pro zdvojnásobení průtoku je třeba 4krát zvýšit tlak v síti.

V praxi se to samozřejmě nedělá za účelem zdvojnásobení průtoku. Pokud by se tlak v síti skutečně zvýšil, způsobilo by to mnoho problémů: průměr potrubí by musel být velmi malý, voda v potrubí by hodně „hučela“ atd.
Udělejme toto přirovnání: je-li dálnice ucpaná, pak pro zvýšení její kapacity nejsou řidiči nuceni jezdit rychleji, ale buď udělat nový jízdní pruh, nebo postavit obchvat! Totéž se provádí pro zvýšení průtoku kapaliny v potrubí: zvětšují průtokovou plochu potrubí.
Při daném průtoku to vede ke snížení rychlosti proudění vody v potrubí (a následně i hluku) a tlak potřebný k zajištění tohoto průtoku klesá.

VZTAH MEZI PRŮTOKEM A ZTRÁTOU TLAKU

V potrubí s vnitřním průměrem 80 mm se očekává zdvojnásobení průtoku. Co se stane s tlakovými ztrátami? Na první pohled by se mohlo zdát, že protože se při zdvojnásobení průtoku zdvojnásobí průtok, měla by se zdvojnásobit i tlaková ztráta. Bohužel není.
Když se průtok zdvojnásobí, ztráty se nezdvojnásobí, ale zčtyřnásobí: pokud se průtok zdvojnásobí, tlakové ztráty se zvýší 2krát!
V příkladu na Obr. 75.13 při rychlosti proudění 1 m/s tlaková ztráta AR = 2 m vody. Art., a když se rychlost zvýší na 2 m/s, tlaková ztráta se vynásobí 4: AP = 2 x 4
Tlaková ztráta je úměrná druhé mocnině průtoku.
Další informace naleznete v části 95, Některé příklady výpočtů tlakových ztrát.

75.5. CVIČENÍ 5. Změna tlakové ztráty při změně průtoku

Je znázorněn úsek potrubí, který prochází vodou rychlostí XNUMX m/s. Manometry ukazují tlak na různých místech tohoto potrubí. Z údajů na tlakoměru lze vyvodit následující závěry.
Při rychlosti proudění vody 1 m/s je tlaková ztráta:
— na filtru ARf = 2 — 1,8 = 0,2 bar;
– u ventilu ARv = 1,8 – 1,7 = 0,1 bar.
Co ukážou tlakoměry na výstupu z filtru a na výstupu z ventilu, pokud se průtok v potrubí zdvojnásobí? Řešení tohoto cvičení je uvedeno níže, ale než jej vyzkoušíte, zkuste se zamyslet sami.

Řešení cvičení 5

Rychlost se zdvojnásobila, tudíž i spotřeba. V důsledku ztráty tlaku na
filtr a ventil se zvýší 4krát.
Nyní je tlaková ztráta na filtru ARf = 0,2 bar x 4 = 0,8 bar, tedy manometr na výstupu
z filtru ukáže 2 – 0,8 = 1,2 bar.
Tlaková ztráta na ventilu ARv = 0,1 bar x 4 = 0,4 bar, tedy manometr na výstupu
ventil bude ukazovat 1,2 – 0,4 = 0,8 bar.
Všimněte si, že celková tlaková ztráta v této oblasti se zvýší z 0,3 na 1,2 baru: tedy také 4krát.