Der Einfluss des Pipeline-Widerstands auf die Förderhöhe und die Berechnung von Pipeline-Verlusten

DeR Einfluss des Pipeline-Widerstands auf die Förderhöhe und die BeRechnung von Pipeline-Verlusten

Wie wir wissen, ist eine Rohrleitung ein festes Material, während Wasser eine leicht fließende Substanz ist. Wenn das Wasser in der Rohrleitung fließt, muss ein Teil seiner Energie in Wärme umgewandelt und „verloren“ werden, was bedeutet, dass ein Teil des WasserDrucks (oder der Förderhöhe) verloren geht. Dies ist ein Spiegelbild der objektiven Realität und eines unvermeidlichen Gesetzes der fließenden Bewegung. Im Allgemeinen bezeichnen wir dieses Phänomen der Energieumwandlung als Energieverlust (oder hydraulischen Verlust oder Druckverlust), der in Metern berechnet wird.

Wie stark beeinflusst der Rohrleitungswiderstand die Förderhöhe? Einige Benutzer stellen nach der Messung fest, dass der vertikale Abstand vom Reservoir oder Wasserturm zur Wasserquelle zwar etwas geringer ist als der Pumpenkopf, der Wasserdurchfluss jedoch immer noch gering ist oder das Wasser nicht angehoben werden kann. Der Grund liegt oft darin, dass die Rohrleitung zu lang ist und zu viele Biegungen aufweist, was zu einem übermäßigen Widerstandsverlust in der Rohrleitung führt. Im Allgemeinen verursacht eine 90-Grad-Biegung mehr Widerstand als eine 120-Grad-Biegung. Jede 90-Grad-Biegung führt zu einem Druckverlust von etwa 0,5 bis 1 Meter, und alle 20 Meter Rohrleitungswiderstand kann einen Druckverlust von etwa 1 Meter verursachen. Darüber hinaus ändern einige Benutzer auch willkürlich den Rohrdurchmesser am Einlass und Auslass der Pumpe, was sich auch auf die Förderhöhe auswirken kann.

Kennen Sie die Gründe für hydraulische Verluste, die durch den Wasserfluss in Rohrleitungen verursacht werden?

1. Der durch die Rauheit der Rohrwand verursachte Widerstand.
2. Die relative Bewegung zwischen den verschiedenen Schichten der Wasserströmung.
3. Die Wirbel, die durch plötzliche Änderungen der Wasserströmung im Inneren der Armaturen entstehen.
Die hydraulischen Verluste in der Rohrleitung (Netz) bestehen sowohl aus Reibungsverlusten entlang der Rohrleitung als auch aus lokalen Verlusten. In der technischen Praxis müssen wir die Höhe dieser Verluste berechnen und verstehen, um die Pumpe richtig auszuwählen und die erforderliche Pumpenförderhöhe zu bestimmen.

Der Reibungsverlust der Rohrleitung entsteht durch den Reibungswiderstand des Wasserflusses in der gesamten Rohrleitung und hängt von Faktoren wie der Rauheit der Rohrwand, der Rohrlänge, dem Rohrdurchmesser und der Strömungsgeschwindigkeit ab. Basierend auf hydraulischen Prinzipien kann hierfür ein Zusammenhang hergestellt werden.

Der Reibungsverlust entlang des Rohrs ist direkt proportional zum Reibungsfaktor, der von der Rauheit der Rohrwand beeinflusst wird. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Rauheitsgrade; Beispielsweise sind Gussrohre rauer, was zu einem höheren Reibungsfaktor führt, während KunststoFfrohre glatter sind, was zu einem niedrigeren Reibungsfaktor führt. Der Verlust ist außerdem direkt proportional zur Rohrlänge und umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser. Dies bedeutet, dass bei gegebener Durchflussmenge ein kleinerer Rohrdurchmesser und eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zu einem höheren Reibungsverlust führen. Darüber hinaus ist der Verlust proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Natürlich kann die Berechnung komplex sein, es können jedoch auch einfachere Methoden zur Schätzung verwendet werden.

Lokale Verluste in der Rohrleitung entstehen, wenn das Wasser durch Komponenten wie Bodenventile, Ventile, Winkelstücke und Reduzierstücke fließt. Diese Komponenten verursachen Veränderungen im Strömungsmuster, verändern sowohl die Richtung als auch die Größe der Strömungsgeschwindigkeit und erzeugen Wirbel, die Turbulenzen und Kollisionen zwischen den Wasserströmen verursachen. Der durch diese lokalen Widerstände verursachte hydraulische Verlust wird als lokaler Verlust bezeichnet.

Die Größe der lokalen Verluste ist proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit durch die Rohrleitungskomponenten. Es hängt auch mit der Form und Anzahl der Komponenten zusammen. Je größer die Variation in der Querschnittsform der Bauteile und je größer deren Anzahl, desto höher ist der lokale Verlust. Sobald die Rohrleitungsanordnung festgelegt ist, wird im Allgemeinen die Verlusthöhe der Rohrleitung berechnet, um die erforderliche Auslegungshöhe für die Pumpstation zu bestimmen, die für die Auswahl der geeigneten Pumpe erforderlich ist. Der Berechnungsprozess kann jedoch komplex sein. Zur Vereinfachung können die Berechnungsdaten zur leichteren Bezugnahme in Tabellen zusammengestellt werden. Darüber hinaus lässt sich eine grobe Abschätzung vornehmen: Die Verlustfallhöhe beträgt ca. 30 % bis 50 % der tatsächlichen Förderhöhe (vom Gelände aus gemessen). Bei kleineren Rohrdurchmessern und kürzeren Rohrleitungen ist der höhere Wert zu verwenden; Bei größeren Rohrdurchmessern und längeren Rohrleitungen sollte der niedrigere Wert verwendet werden.

Der Druckverlust einer Flüssigkeit, die durch ein gerades Rohr fließt, wird durch die Reibung der Flüssigkeitsströmung verursacht, die als Reibungsdruckverlust bezeichnet wird. Sie hängt in erster Linie von Faktoren wie der Länge und dem Innendurchmesser des Rohrs, der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit und ihrer Viskosität ab. Der Reibungsdruckverlust variiert mit dem Strömungsregime der Flüssigkeit. Die laminare Strömung in einem kreisförmigen Rohr ist das häufigste Strömungsregime in der hydraulischen Kraftübertragung. Daher ist es bei der Auslegung hydraulischer Systeme häufig erwünscht, dass die Strömung in der Rohrleitung in einem laminaren Zustand bleibt.

1. Laminare Strömung

A). Druckverlust bei laminarer Strömung
Bei der hydraulischen Übertragung erfolgt die Flüssigkeitsströmung meist in einem laminaren Strömungszustand. Unter dieser Bedingung kann der Druckverlust der durch ein gerades Rohr fließenden Flüssigkeit theoretisch berechnet werden.

(1). Das Geschwindigkeitsverteilungsmuster der Flüssigkeit über den Strömungsquerschnitt.
Wie in der Abbildung oben dargestellt, unterliegt die Flüssigkeit einer laminaren Strömung in einem kreisförmigen Rohr mit einem Durchmesser d, horizontal platziert. Stellen Sie sich ein kleines zylindrisches Rohrsegment vor, das an der Rohrachse ausgerichtet ist und einen Radius aufweist r und Länge l. Zu den Kräften, die entlang der Achse dieses kleinen zylindrischen Segments wirken, gehört der Druck am linken Ende p1, der Druck am rechten Ende p2und die Reibungskraft Ff auf der zylindrischen Oberfläche. Die Kraftgleichgewichtsgleichung für dieses Segment lautet:

Aus Gleichung (2-6) ist ersichtlich, dass:

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In der Gleichung gilt μ ist die dynamische Viskosität.
Da das Geschwindigkeitsinkrement du und das Radiusinkrement dr Haben entgegengesetzte Vorzeichen, wird der Gleichung ein negatives Vorzeichen hinzugefügt.
Zusätzlich, Δp = p1 - p2.
Ersetzen Δp und Gleichung (2-45) in Gleichung (2-44) umwandeln, erhalten wir:

Die Integration der Gleichung ergibt:

Wann r = R, u = 0. Setzt man dies in Gleichung (2-47) ein, erhält man:

Dann

Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die Strömungsgeschwindigkeit u Im Inneren des Rohrs folgt eine parabolische Verteilung entlang der radialen Richtung, wobei die maximale Geschwindigkeit an der Mittellinie auftritt und ihr Wert ist:

(2). Durchflussrate in der Rohrleitung.

Das Volumen des in Abbildung (b) gezeigten Paraboloids stellt das Flüssigkeitsvolumen dar, das pro Zeiteinheit durch den Strömungsquerschnitt fließt, also die Strömungsgeschwindigkeit. Um sein Volumen zu berechnen, wird ein dünner kreisförmiger Ring mit Radius benötigt r und Dicke d.r wird berücksichtigt. Die Strömungsgeschwindigkeit durch diesen ringförmigen Bereich beträgt:

:

.

Durch Vergleich lässt sich der Zusammenhang zwischen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der maximalen Strömungsgeschwindigkeit ermitteln:

(4) Reibungsdruckverlust. Im laminaren Strömungszustand kann der Reibungsdruckverlust der durch ein gerades Rohr strömenden Flüssigkeit aus der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass im laminaren Strömungszustand der Druckverlust der durch ein gerades Rohr fließenden Flüssigkeit direkt proportional zur dynamischen Viskosität, Rohrlänge und Strömungsgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Quadrat des Rohrs ist Durchmesser.

Bei praktischen Berechnungen des Druckverlusts verwenden wir zur Vereinfachung der Berechnung die Beziehung μ = υdρ/Re, und ersetzen μ = υdρ/Re in die Gleichung ein. Dann multiplizieren Sie sowohl den Zähler als auch den Nenner mit 2g, wir bekommen:

. Druckverlust in turbulenter Strömung Bei der laminaren Strömung bewegen sich die Partikel in einer regelmäßigen axialen Richtung ohne Querbewegung. Eines der Hauptmerkmale der turbulenten Strömung besteht darin, dass sich die Flüssigkeitspartikel nicht mehr regelmäßig axial bewegen; Stattdessen vermischen und schwanken sie während der Bewegung. Diese sehr unregelmäßige Bewegung führt zu Kollisionen zwischen Partikeln und zur Bildung von Wirbeln, was bei turbulenten Strömungen im Vergleich zu laminaren Strömungen zu einem viel größeren Energieverlust führt.

Aufgrund der Komplexität turbulenter Strömungsphänomene hat eine umfassende theoretische Untersuchung noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erbracht. Deshalb werden in der Forschung nach wie vor überwiegend experimentelle Methoden eingesetzt und parallel dazu theoretische Erläuterungen gegeben. Infolgedessen wird der Druckverlust der Flüssigkeitsströmung in turbulenter Strömung weiterhin mit der folgenden Gleichung berechnet, wobei der Wert von λ hängt nicht nur von der Reynolds-Zahl ab Re, sondern auch von der Rauheit der Rohrwand.

2. Lokale Verluste

B). Lokaler Druckverlust

Lokaler Druckverlust ist der Druckverlust, der durch die Flüssigkeit verursacht wird, die durch Komponenten wie Ventile fließt (einige Daten können hier eingesehen werden). LF2-Rückschlagventilfabrik), Bögen und Änderungen der Strömungsquerschnittsfläche. Wenn die Flüssigkeit diese Bereiche passiert, ändern sich sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Strömung, was zur Bildung von Wirbeln führt. Dies führt zur Kollision von Flüssigkeitspartikeln, was zu einem erheblichen Energieverlust führt.

Der lokale Druckverlust bei einer plötzlichen Expansion kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

In der Gleichung gilt ξ ist der lokale Widerstandskoeffizient, der theoretisch nur dann abgeleitet werden kann, wenn die Flüssigkeit durch einen plötzlich erweiterten Querschnitt fließt. In anderen Fällen muss sie experimentell ermittelt werden. v stellt die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Fluids dar, die sich im Allgemeinen auf die Geschwindigkeit stromabwärts des lokalen Widerstands bezieht. Der Gesamtdruckverlust im Rohrleitungssystem ist die Summe aller reibungsbedingten (oder längenbedingten) Druckverluste und aller lokalen Druckverluste, d. h.