Методическое обеспечение: Таранова Л.В.

Редактор: Гордеева Ю.В.

3D графика: Дубин А.Н.

Script программирование: Лопаткин И.А.

Управление проектами: Сергиенко Е.В.

Лабораторная работа

Тема: Определение коэффициентов гидравлического сопротивления трубопроводов

Раздел: «Гидромеханические процессы»

1. ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: Изучение процесса течения жидкости в трубопроводе и экспериментальное определение коэффициентов гидравлических сопротивлений при различных режимах движения

2. ТЕОРИЯ

В расчетах процессов, связанных с движением жидкостей и газов, большое значение имеет характер движения рассматриваемого потока. При достаточно медленном движении жидкости в прямолинейном направлении, пути отдельных частиц ее представляют собой параллельные прямые, образующие при поворотах правильную систему кривых. Такое движение, когда частицы жидкости движутся прямолинейно и параллельно друг другу, называется струйчатым или ламинарным.

Наоборот, при больших скоростях отдельные частицы жидкости, даже в случае прямолинейного движения, будут двигаться беспорядочно, по замкнутым кривым в различных направлениях, причем эти пути будут постоянно изменяться, такое движение называется вихревым или турбулентным..

Характер движения жидкости зависит от средней скорости движения жидкости w (м/с); диаметра трубопровода d (м); плотности жидкости r (кг/м³) и ее динамической вязкости m, (Па×с).

Определяется характер движения жидкости по величине критерия Рейнольдса (Rе), связывающего эти величины

(1)

Установлено, что для ламинарного режима численное значение Рейнольдса меньше определенного "критического" числа, а для турбулентного режима – больше. Для прямых труб критическое значение Рейнольдса Re_кр=2320.

Турбулентное движение становится вполне устойчивым только при
Re_кр > 10000.

При 2320 < Re_кр < 10000 движение неустойчиво и оба вида движения могут проявляться одновременно и легко переходить один в другой; режим движения – переходный или неустойчивый турбулентный.

Одним из важнейших пунктов при расчете трубопроводов является определение потерь энергии напора при движении жидкости. Потеря напора в трубопроводе обусловлена наличием сопротивлений, которые должна преодолеть протекающая жидкость на своем пути.

Эти сопротивления бывают двух родов:

1. Сопротивление трения жидкости о стенки - потерянный напор D Н_тр; потери давления DР_тр;

2. Местные сопротивления, возникающие при изменении направления движения жидкости или геометрической формы трубопровода – потерянный напор DН_м.с. потери давления DР_м.с..

Потери давления и напора определяют по формулам:

,м , м; (2)

, Н/м² , Н/м² (3)

где: l – коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от характера движения среды (ламинарный, переходный, турбулентный);

l – длина пути, м; d – диаметр трубопровода, м;

w – скорость движения потока в соответствующем сечении трубопровода, м/с;

r – плотность движущегося потока, кг/м³;

x – коэффициент местного сопротивления.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Активные клавиши

Рис. 3.1. Функции манипулятора

Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии совершается действие (включается кнопка сеть), при нажатии и удерживании поворачивается вентиль

Средняя клавиша мыши (СКМ) – при нажатии и удерживании ПКМ и прокрутке назад (на себя) сцена отдаляется, при нажатии и удерживании ПКМ и прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.

Движение мыши (при нажатии и удерживании ПКМ):

ПКМ + движение вправо у края экрана - сцена движется вправо,

ПКМ + движение влево у края экрана - сцена движется влево,

ПКМ + движение вверх у края экрана - сцена движется вверх,

ПКМ + движение вниз у края экрана - сцена движется вниз.

Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.2). В меню можно увидеть кнопки управления (Начать заново, Выход), кнопку для переключения между таблицей с тарировочной кривой и установкой и кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.4), в котором можно включить полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из полноэкранного режима нажать клавишу ESC.

Рис. 3.2. Кнопка вызова меню

Рис. 3.3. Боковое меню

Рис. 3.4. Окно настроек

3.2 Лабораторное оборудование

Для проведения лабораторной работы необходимо следующее оборудование:

Стендовая установка для изучение режимов движения жидкости и гидравлических сопротивлений трубопровода (рис.3.5), состоящая из:

- центробежного насоса с электродвигателем, погруженного в бак с водой;

- трубопровода;

- манометров для измерения давления на соответствующих участках;

- ротаметра для измерения расхода воды;

- вольтметра и амперметра.

Общий вид установки
Схема установки	Рис. 3.5. Общий вид и схема лабораторной установки: 1 – бак для воды; 2, 8, 9 – трубопровод; 3 – центробежный насос; 4 – электродвигатель; 5, 10, 12, 13, 15 – манометры; 6 – ротаметр; 7, 11 – вентили

Вода из бака I подается в трубопровод 2 центробежным насосом 3 и через ротаметр 6 на участки исследования.

На установке имеется три участка исследования:

I – падение напора по длине трубопровода d = 22 мм; l = 880 мм;

II – падение напора на поворотах в 90°;

III – падение напора в вентиле 11.

Падение напора на рассматриваемых участках регистрируется манометрами 10, 12, 13, 15. Изменение скорости движения воды в трубопроводе достигается регулировкой вентилем 7.

Для определения расхода воды отмечают показания ротаметра в % (положение поплавка) и пересчитывают показания в расходные единицы (V, м³/ч), пользуясь тарировочным графиком (рис.3.6).

Рис. 3.6. Тарировочная кривая ротаметра по воде

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Цель работы: Экспериментальное определение гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости в трубопроводе, при различных режимах ее движения.

Порядок выполнения работы

1. При закрытом вентиле 7 включить насос (нажать ЛКМ на кнопку «Сеть», затем нажать кнопку «Насос»).

2. После того, как показания манометра 5 не будут изменяться, вентилем 7 установить постоянный расход жидкости по показаниям ротаметра (в соответствии с заданием). Для этого нажать ЛКМ на вентиль и, удерживая ЛКМ, передвигать мышку вправо (максимально вентиль открывается до показания ротаметра 65%).

3. При этом расходе:

- определить значения расхода жидкости (л/с; м³/с), переводя показания ротаметра в соответствующие расходные единицы, пользуясь рис.2;

- замерить давление (Р), сняв показания манометров 10, 12, 13, 15 и занести в таблицу экспериментальных данных (табл.1)

4. В той же последовательности повторяют эксперимент 4-5 раз, увеличивая (путем поворота вентиля 7) расход воды согласно заданию. Результаты после каждого эксперимента заносят в табл.1

5. По окончании работы закрывают вентиль 7 и выключают насос 3 (закрыть вентиль нажатием и удерживанием ЛКМ и движением мышки влево, выключение насоса – нажатием ЛКМ на кнопку «Насос»).

Таблица 1

Таблица экспериментальных данных

№ опыта	Расход жидкости			Показания манометра, кг/см^2
	показания ротаметра, %	по графику л/с	м^3/с	10	12	13	15
1
2
3
4
5

Обработка экспериментальных данных

1. По уравнению расхода рассчитываем среднюю скорость потока:

(3)

где: V – объемный расход жидкости, м³/с;

w – средняя скорость движения потока, м/с;

S – площадь поперечного сечения трубопровода, м.

Для трубы круглого сечения:

, (4)

откуда (5)

где диаметр трубопровода - d = 0,022 м

2. Коэффициент гидравлического трения l рассчитываем по уравнению Дарси–Вейсбаха:

(6)

3. Коэффициент местных сопротивлений рассчитываем по уравнению:

(7)

В формулах (6,7) значения потерь давления DР_тр и DР_м.с определяют исходя из показаний манометров на соответствующих участках, переводя показания в систему СИ (Н/м²); 1кгс/см²=9,81^.10⁴Па. Значения плотности воды при различных температурах приведены в приложении.

Расчетные данные заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты обработки экспериментальных данных

Наименование величин	№ опыта
	1	2	3	4	5
Расход жидкости, м^3/с
Средняя скорость движения потока, м/с
Число Рейнольдса
Потери напора на I участке, Н/м^2
Потери напора на II участке, Н/м^2
Потери напора на III участке, Н/м^2
Коэффициент гидравлического трения l
Коэффициент местного сопротивления на II участке
Коэффициент местного сопротивления на III участке

4. По результатам обработки экспериментальных данных построить график зависимости гидравлических сопротивлений от расхода жидкости.

Выводы: По результатам работы делают вывод о характере изменения гидравлических сопротивлений от расхода жидкости (режима движения).

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Укажите, какие процессы называют гидромеханическими.

2. Отметьте, что изучает гидростатика и гидродинамика.

3.Охарактеризуйте идеальные, капельные и упругие жидкости.

4. Свойства жидкости - плотность и удельный объем.

5. Понятие гидростатического давления; приборы для измерения давления.

8. Свойства жидкости – вязкость; взаимосвязь между динамической и кинематической вязкостью.

9. Понятие «расход жидкости»; уравнение расхода жидкости; взаимосвязь массового и объемного расхода жидкости.

10. Понятия «гидравлический радиус» и «эквивалентный диаметр».

11. Режимы движения жидкостей. Охарактеризуйте ламинарный и турбулентный режимы.

12. Опишите характер изменения скорости потока в поперечном сечении трубопровода при ламинарном течении.

13. Определение средней скорости потока, движущегося ламинарно и турбулентно.

14. Критерий Рейнольдса; его физический смысл.

15. Критическое значение числа Рейнольдса для прямых труб.

16. Укажите, на преодоление каких потерь затрачивается энергия при движении жидкостей по трубопроводам.

23. Поясните, от чего зависят сопротивления трения.

24.Отметьте, на каких участках трубопровода возникают местные сопротивления; приведите примеры.

25. Поясните, как экспериментально определить коэффициент сопротивления трения.

26. Поясните, как экспериментально определить коэффициент местного сопротивления.

27. Приведите уравнение для определения потерянного напора на трение.

28. Приведите уравнение для определения потерь напора на местные сопротивления

6. ОТЧЕТ

6.1 Форма отчета

Цель работы___________________________________________________

_______________________________________________________________

Название опыта_________________________________________________

Схема лабораторной установки: (перечислить оборудование, привести эскиз и описание установки)

________________________________________________________________

1.______________________________________________________________

2.______________________________________________________________

3.______________________________________________________________

и т.д.___________________________________________________________

Порядок проведения работы: (краткий конспект)

1._____________________________________________________________

2._____________________________________________________________

3._____________________________________________________________

4._____________________________________________________________

и т.д.__________________________________________________________

Экспериментальные данные (привести таблицу экспериментальных данных)

________________________________________________________________________________________________________________________________

Обработка экспериментальных данных (привести расчеты расхода жидкости; критерия Рейнольдса; коэффициентов гидравлических сопротивлений; привести таблицу обработки экспериментальных данных и графики зависимостей гидравлических сопротивлений от расхода жидкости)

________________________________________________________________

________________________________________________________________

Выводы по работе________________________________________________

1.______________________________________________________________

2.______________________________________________________________

Ответы на контрольные вопросы

________________________________________________________________

________________________________________________________________

Работу выполнил__________________________________________

Отчет принял_____________________________________________

«____»______________20___г.

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] : учебник для вузов / А. Г. Касаткин. - 2-е изд., стер., дораб., перепечатка с издания 1973 г. - М. : Альянс, 2005. - 750 с.

2. Беев Э.А. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] : лабораторный практикум / Э. А. Беев, [и др.]. ; ТюмГНГУ. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2004. - 124 с.

3. Павлов К.Ф, Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. [Текст]: учебник/ К.Ф.Павлов, П.Г.Романов, А.А.Носков - 11-е изд., стер. - М.: РусМедиаКонсалт, 2004. - 576 с.

4. Варгафтик Н.Б, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] : справочное издание / Н. Б. Варгафтик. - 3-е изд., стер., испр., Перепечатка со второго издания. - М. : ООО "Старс", 2006. - 720 с.

Дополнительная:

1. Кузнецов, А.А. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов [Текст]: /учебное пособие/А.А. Кузнецов, Е.Н.Судаков М. «Химия» 1983, 224 с.

2. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. [Текст]: учебник для вузов- 3-е издание перераб. и доп. / А.И. Скобло, Ю.К.Молоканов, В.А.Владимиров, В.А.Щелкунов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 677с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. [Текст] : пособие по проектированию: учебное пособие для студентов химико-технологических специальностей вузов / Г. С. Борисов [и др.] ; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 4-е изд., стер., перепечатка с изд. 1991 г. - М. : АльянС, 2008. - 494 с.

Приложение 1

Зависимость плотности воды от температуры

Температура, ^0С	Плотность r, кг/м^3	Температура, ^0С	Плотность r, кг/м^3
0	999,6	30	995,7
10	999,7	40	992,2
20	998,2	50	988,1

Параметры воды при различных температурах

t, ^oC	ρ, кг/м^3	СВОД, кДж/(кг×°С)	ν·10^6, м^2/с	λ·10^2, Вт/(м×°С)	Pr	β·10^4, К^-1
0	999,6	4,21	1,79	55,1	13,7	-0,63
10	999,7	4,19	1,31	57,5	9,52	+0,70
20	998,2	4,18	1,01	59,9	7,02	2,12
30	995,7	4,17	0,81	61,8	5,42	3,21
40	992,2	4,17	0,66	63,4	4,31	3,87
50	988,1	4,17	0,56	64,8	3,54	4,49
60	983,2	4,18	0,48	65,9	2,98	5,31
70	977,8	4,19	0,42	66,8	2,55	5,70
80	971,8	4,19	0,37	67,5	2,21	6,32
90	965,3	4,19	0,33	68,0	1,95	6,95
100	958,4	4,22	0,29	68,3	1,75
110	951,0	4,23	0,27	68,5	1,60

Динамическая вязкость воды в зависимости от температуры

Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с	Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с	Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с
5	1,519	14	1,171	23	0,936
6	1,473	15	1,140	24	0,914
7	1,428	16	1,111	25	0,894
8	1,386	17	1,083	26	0,874
9	1,346	18	1,056	27	0,855
10	1,308	19	1,030	28	0,836
11	1,271	20	1,005	29	0,818
12	1,236	21	0,981	30	0,801
13	1,203	22	0,958	31	0,784