Kao što svi znamo, cijevi su čvrste tvari, a voda je tekućina koja lako teče. Ako voda unutar cijevi teče, dio energije se mora pretvoriti u toplinsku energiju i "potrošiti", odnosno gubi se dio pritiska vode (ili tzv. visina). To je odraz objektivnih stvari i neizbježan je zakon kretanja toka vode. Obično ovu pojavu transformacije energije nazivamo "gubitak energije" (ili "hidraulički gubitak", "gubitak pada"). Izračunava se u metrima.
Pumpa
Koliko je značajan utjecaj otpora cjevovoda na visinu?
Neki su korisnici izmjerili da iako je okomita udaljenost od rezervoara ili vodotornja do površine izvora vode još uvijek malo manja od visine pumpe, volumen vode i dalje ostaje mali ili se voda ne može pumpati. Uobičajeni razlog je predugačak cjevovod i mnogo zavoja na vodovodnoj cijevi, što dovodi do pretjeranog gubitka otpora protoka vode u cjevovodu. Općenito, savijanje od 90 stupnjeva ima veći otpor od savijanja od 120 stupnjeva. Gubitak otpora svakog zavoja od 90 stupnjeva iznosi približno 0,5-1 metar, a otpor svakih 20 metara cjevovoda može uzrokovati gubitak visine od približno 1 metra. Osim toga, neki korisnici također nasumično mijenjaju promjere ulaznih i izlaznih cijevi pumpe, što također ima određeni utjecaj na visinu. Dakle, koliko otpor cjevovoda utječe na visinu? Zatim, pogledajmo donju tablicu.
Razumijete li razloge gubitka vode uzrokovane protokom vode u cijevi? Pitanje 1: To je zbog opstruktivnog učinka hrapavih stijenki cijevi.
2. To je relativno kretanje između različitih slojeva protoka vode. 3. To je vrtlog koji nastaje lokalnom brzom promjenom protoka vode unutar cijevnih priključaka. Hidraulički gubitak cjevovoda (mreže) sastoji se od dva dijela: gubitka duž cjevovoda i lokalnog gubitka. U inženjerstvu moramo izračunati i znati količinu ovog gubitka kako bismo pravilno odabrali crpku i odredili potrebnu visinu crpke.
Gubitak u cjevovodu duž cijelog puta protoka je otpor trenja koji se javlja tijekom cijelog procesa protoka. Povezan je s faktorima kao što su hrapavost stijenke cijevi, duljina cijevi, promjer cijevi i brzina protoka. Na temelju principa hidraulike može se utvrditi njegov odnos.
Gubitak duž cjevovoda izravno je proporcionalan koeficijentu trenja duž cjevovoda koji je povezan s hrapavošću stijenke cijevi. Različiti materijali cijevi imaju različitu hrapavost, a cijevi od lijevanog željeza su relativno grube, pa je koeficijent trenja duž cjevovoda veći; plastične cijevi su relativno glatke, pa je koeficijent trenja duž cjevovoda manji. Također je proporcionalan duljini cijevi; obrnuto proporcionalan promjeru cijevi. Drugim riječima, kada je protok konstantan, što je manji promjer cijevi i što je veća brzina protoka, to je veći gubitak duž cjevovoda; također je izravno proporcionalna kvadratnoj vrijednosti brzine strujanja. Naravno, izračun je prilično kompliciran. Za procjenu se može koristiti jednostavna metoda.
Lokalni gubici u cjevovodima nastaju kada voda teče kroz armature kao što su donji ventili, ventili, koljena i reduktori u cjevovodu. Zbog lokalnih uređaja, obrazac protoka se mijenja; smjer i brzina toka također se mijenjaju, a tijekom toka se pojavljuju vrtlozi koji uzrokuju sudaranje i udaranje vode. Ova vrsta hidrauličkog gubitka uzrokovana lokalnim otporom naziva se lokalnim gubitkom.
Veličina lokalnog gubitka izravno je proporcionalna kvadratu brzine protoka vode koja prolazi kroz cijevne spojeve, a također je povezana s oblikom i količinom spojeva. Ako se oblik poprečnog-presjeka fitinga značajno promijeni i postoji veliki broj fitinga, lokalni gubici bit će veći. Nakon što se odredi shema rasporeda cjevovoda, potrebno je proračunskom metodom izračunati visinu gubitaka u cjevovodu, a zatim odrediti proračunsku visinu crpne stanice. Tek tada se može izvršiti odabir pumpe. Međutim, postupak izračuna je relativno složen. Radi jednostavnosti, podaci o izračunu mogu se sastaviti u tablicu za brzu referencu. Osim toga, može se napraviti gruba procjena: visina gubitka je ekvivalentna 30% do 50% stvarne visine podizanja vode na terenu (izmjereno). Za manje promjere cijevi i kraće cjevovode treba uzeti veću vrijednost; za veće promjere cijevi i duže cjevovode treba uzeti manju vrijednost.
Ukupni gubici cjevovoda duž trase i lokalni gubici mogu se izračunati korištenjem postojećeg softvera, kao što je softverski sustav odabira koji je razvio Yi Wei, kako bi se olakšao proces izračuna.
Gubitak tlaka kada tekućina teče u ravnoj cijevi
Gubitak tlaka kada tekućina teče u ravnoj cijevi uzrokovan je trenjem tijekom kretanja tekućine i naziva se gubitkom tlaka uslijed trenja. Uglavnom ovisi o duljini cjevovoda, unutarnjem promjeru, brzini protoka tekućine i viskoznosti tekućine itd. Gubitak tlaka varira s različitim stanjima protoka tekućine. Kod hidrauličkog prijenosa najčešće je laminarno strujanje tekućine u kružnoj cijevi, pa se pri projektiranju hidrauličkog sustava često želi zadržati strujanje tekućine u cjevovodu u laminarnom stanju.
Gubitak tlaka na putu strujanja fluida u cjevovodima. Gubitak tlaka tijekom laminarnog strujanja. Kod hidrauličkog prijenosa većina stanja protoka tekućine je laminarno strujanje. U tom stanju, gubitak tlaka tekućine koja teče kroz ravnu cijev može se teoretski izračunati.
Laminarno strujanje u kružnoj cijevi (1) Zakon raspodjele brzine tekućine na protočnom-presjeku. Kao što je prikazano na gornjoj slici, tekućina se kreće laminarno u kružnoj cijevi promjera d. Cijev se postavi vodoravno, au cijev se uzme mali cilindar čija se os poklapa s osi cijevi. Neka mu polumjer bude r, a duljina l. Sile koje djeluju na ovaj mali cilindar duž smjera osi cijevi su: tlak na lijevom kraju p1, tlak na desnom kraju p2 i sila trenja na površini cilindra Ff. Tada je jednadžba ravnoteže sila:
Iz jednadžbe (2-6) možemo zaključiti:
U formuli: μ predstavlja dinamičku viskoznost. Budući da prirast brzine du ima suprotan predznak od prirasta radijusa dr, u formulu se dodaje negativan predznak. Dodatno, Δp=p1 - p2. Zamjenom Δp i jednadžbe (2-45) u jednadžbu (2-44), dobivamo:
Integral s obzirom na varijablu je:
Kada je r=R, u=0. Zamjenom ovoga u jednadžbu (2-47) dobiva se:
Zatim
Iz formule je vidljivo da je brzina strujanja u unutar cijevi raspoređena po smjeru radijusa prema paraboličnom zakonu. Maksimalna brzina protoka javlja se na osi, a njena vrijednost je:
(2) Brzina protoka u cjevovodu.
Volumen projektila prikazan na slici (b) je volumen tekućine koja teče kroz poprečni-presjek protoka po jedinici vremena, što je brzina protoka. Da bi se izračunao njegov volumen, može se uzeti tanki kružni prsten debljine dr na radijusu r. Brzina protoka ovog prstenastog područja je:
Za integralni izračun možemo dobiti protok q:
(3) Prosječna brzina protoka. Neka prosječna brzina protoka unutar cijevi bude υ
Usporedbom možemo dobiti odnos između prosječnog protoka i maksimalnog protoka:
(4) Gubitak tlaka duž putanje. U stanju laminarnog protoka, gubitak tlaka na putu tekućine koja teče kroz ravnu cijev može se izračunati pomoću formule:
Iz jednadžbe je vidljivo da je u stanju laminarnog strujanja gubitak tlaka tekućine koja teče kroz ravnu cijev proporcionalan dinamičkoj viskoznosti, duljini cijevi i brzini strujanja, a obrnuto proporcionalan kvadratu promjera cijevi. Kada izračunavamo gubitak tlaka u praksi, da bismo pojednostavili izračun, imamo μ=υdρ/Re i zamijenimo μ=υdρ/Re i pomnožimo i brojnik i nazivnik s 2g da bismo dobili:
U formuli: λ predstavlja koeficijent trenja duž staze. Njegova teorijska vrijednost je λ=64/Re, dok se u praksi, zbog različitih faktora, za glatke metalne cijevi uzima λ=75/Re, a za gumene cijevi λ=80/Re. U turbulentnom strujanju gubitak tlaka uzrokovan je laminarnim strujanjem svake čestice koja ima pravilno aksijalno kretanje. Nema bočnog pomicanja. Jedna od važnih karakteristika turbulentnog strujanja je da čestice tekućine više nemaju pravilno aksijalno kretanje, već se miješaju i pulsiraju jedna s drugom tijekom kretanja. Ovo izrazito nepravilno kretanje uzrokuje sudare između čestica i formira vrtloge, što rezultira mnogo većim gubitkom energije u turbulentnom strujanju nego u laminarnom strujanju. Zbog složenosti fenomena turbulentnog strujanja do sada nisu postignuti zadovoljavajući rezultati njegovim potpunim proučavanjem teorijskim metodama. Stoga se eksperimenti još uvijek koriste za istraživanje, dopunjeni teorijskim objašnjenjima. Dakle, gubitak tlaka protoka tekućine u turbulentnom stanju i dalje se izračunava pomoću formule, a vrijednost λ nije povezana samo s Reynoldsovim brojem Re već i s hrapavošću površine stijenke cijevi.
2. Lokalni gubitak tlaka
Lokalni gubitak tlaka odnosi se na gubitak tlaka uzrokovan protokom tekućine koja prolazi kroz otvore ventila, zavoje, promjene u poprečnom -presjeku protoka itd. Kada tekućina teče kroz ta područja, zbog promjena u smjeru i brzini protoka tekućine, stvaraju se vrtlozi, uzrokujući međusobno sudaranje čestica tekućine, što dovodi do značajnog gubitka energije.
Formula za izračun lokalnog gubitka tlaka u naglo proširenom dijelu može se izraziti na sljedeći način:
U formuli: je koeficijent lokalnog otpora, čija se vrijednost može dobiti samo teorijskim izvođenjem kada tekućina teče kroz naglo prošireni poprečni-presjek; inače se mora odrediti eksperimentima. je prosječna brzina protoka tekućine, općenito se odnosi na brzinu protoka nizvodno od lokalnog otpora. Ukupni gubitak tlaka cjevovodnog sustava jednak je zbroju svih--gubitaka tlaka duž puta i svih lokalnih gubitaka tlaka, to jest:
