El impacto de la resistencia de la tubería en la cabeza y el cálculo de las pérdidas de la tubería.

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Como sabemos, una tubería es un material sólido, mientras que el agua es una sustancia que fluye con facilidad. Si el agua dentro de la tubería fluye, una parte de su energía debe convertirse en calor y "perderse", lo que significa que parte de la presión (o altura) del agua se pierde. Esto es un reflejo de la realidad objetiva y una ley inevitable del movimiento fluido. Generalmente, a este fenómeno de conversión de energía nos referimos como pérdida de energía (o pérdida hidr.áulica, o pérdida de carga), que se calcula en metros.

¿Cuánto afecta la resistencia de la tubería a la cabeza? Algunos usuarios, después de la medición, encuentran que aunque la distancia vertical desde el depósito o torre de agua a la fuente de agua es ligeramente menor que la altura de la bomba, el flujo de agua aún es bajo o no se puede elevar el agua. La razón suele ser que la tubería es demasiado larga y tiene demasiadas curvas, lo que provoca una pérdida excesiva de resistencia en la tubería. Generalmente, una curva de 90 grados causa más resistencia que una curva de 120 grados. Cada curva de 90 grados produce una pérdida de carga de aproximadamente 0,5 a 1 metro, y cada 20 metros de resistencia de la tubería puede causar una pérdida de carga de aproximadamente 1 metro. Además, algunos usuarios también cambian arbitrariamente el diámetro de la tubería de entrada y salida de la bomba, lo que también puede afectar la altura.

¿Tiene claro los motivos de las pérdidas hidráulicas provocadas por el flujo de agua en las tuberías?

1. La resistencia provocada por la rugosidad de la pared de la tubería.
2. El movimiento relativo entre las diferentes capas del flujo de agua.
3. Los vórtices formados por cambios bruscos en el flujo de agua dentro de los accesorios.
Las pérdidas hidráulicas en la tubería (red) consisten tanto en pérdidas por fricción a lo largo de la tubería como en pérdidas locales. En la práctica de la ingeniería, debemos calcular y comprender la cantidad de estas pérdidas para poder seleccionar correctamente la bomba y determinar la altura de bomba requerida.

La pérdida por fricción de la tubería se produce debido a la resistencia por fricción del flujo de agua a lo largo de toda la tubería y está relacionada con factores como la rugosidad de la pared de la tubería, la longitud de la tubería, el diámetro de la tubería y la velocidad del flujo. Con base en principios hidráulicos se puede establecer una relación para ello.

La pérdida por fricción a lo largo de la tubería es directamente proporcional al factor de fricción, el cual está influenciado por la rugosidad de la pared de la tubería. Diferentes materiales tienen diferentes niveles de rugosidad; por ejemplo, las tuberías de hierro fundido son más rugosas, lo que da como resultado un factor de fricción más alto, mientras que las tuberías de plástico son más suaves, lo que genera un factor de fricción más bajo. La pérdida también es directamente proporcional a la longitud de la tubería e inversamente proporcional al diámetro de la tubería. Esto significa que, para un caudal determinado, un diámetro de tubería más pequeño y una velocidad de flujo más alta dan como resultado una mayor pérdida por fricción. Además, la pérdida es proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo. Por supuesto, el cálculo puede ser complejo, pero se pueden utilizar métodos más simples para la estimación.

Las pérdidas locales en la tubería ocurren cuando el agua fluye a través de componentes como válvulas de fondo, válvulas, codos y reductores. Estos componentes provocan cambios en el patrón de flujo, alterando tanto la dirección como la magnitud de la velocidad del flujo, y generando vórtices que provocan turbulencias y colisiones entre los flujos de agua. La pérdida hidráulica causada por estas resistencias locales se denomina pérdida local.

La magnitud de las pérdidas locales es proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo a través de los componentes de la tubería. También está relacionado con la forma y el número de los componentes. Cuanto mayor sea la variación en la forma de la sección transversal de los componentes y cuanto mayor sea su número, mayor será la pérdida local. Una vez que se determina el diseño de la tubería, la carga de pérdida de la tubería generalmente se calcula para determinar la carga de diseño requerida para la estación de bombeo, que es necesaria para seleccionar la bomba adecuada. Sin embargo, el proceso de cálculo puede resultar complejo. Para simplificar, los datos de cálculo se pueden compilar en tablas para facilitar su consulta. Además, se puede hacer una estimación aproximada: la carga de pérdida es aproximadamente del 30 % al 50 % de la altura de elevación real (medida desde el terreno). Para diámetros de tubería más pequeños y tuberías más cortas, se debe tomar el valor más alto; para diámetros de tubería más grandes y tuberías más largas, se debe utilizar el valor más bajo.

La pérdida de presión de un líquido que fluye a través de una tubería recta es causada por la fricción del flujo de líquido, conocida como pérdida de presión por fricción. Depende principalmente de factores como la longitud y el diámetro interior de la tubería, la velocidad del flujo del líquido y su viscosidad. La pérdida de presión por fricción varía con el régimen de flujo del líquido. El flujo laminar en una tubería circular es el régimen de flujo más común en la transmisión hidráulica. Por lo tanto, al diseñar sistemas hidráulicos, a menudo se desea que el flujo en la tubería permanezca en un estado laminar.

1. Flujo laminar

a). Pérdida de presión en flujo laminar
En la transmisión hidráulica, el flujo de líquido se produce principalmente en un estado de flujo laminar. En esta condición, la pérdida de presión del líquido que fluye a través de una tubería recta se puede calcular teóricamente.

(1). El patrón de distribución de velocidad del líquido a través de la sección transversal del flujo.
Como se muestra en la figura anterior, el líquido sufre un flujo laminar en una tubería circular con diámetro d, colocado horizontalmente. Considere un pequeño segmento cilíndrico de tubería, alineado con el eje de la tubería, con radio r y longitud l. Las fuerzas que actúan a lo largo del eje de este pequeño segmento cilíndrico incluyen la presión en el extremo izquierdo p1, la presión en el extremo derecho p2, y la fuerza de fricción ff en la superficie cilíndrica. La ecuación de equilibrio de fuerzas para este segmento es:

Se puede ver en la ecuación (2-6) que:

图片8

En la ecuación, µ es la viscosidad dinámica.
Dado que el incremento de velocidad du y el incremento del radio dr tienen signos opuestos, se agrega un signo negativo en la ecuación.
Además, Δp = p1 - p2.
Sustituyendo Δp y la ecuación (2-45) en la ecuación (2-44), obtenemos:

Integrando la ecuación se obtiene:

Cuando r = r, tu = 0. Sustituyendo esto en la ecuación (2-47) se obtiene:

Entonces

De la ecuación se puede ver que la velocidad del flujo u dentro de la tubería sigue una distribución parabólica a lo largo de la dirección radial, con la velocidad máxima ocurriendo en la línea central, y su valor es:

(2). Caudal en la tubería.

El volumen del paraboloide que se muestra en la Figura (b) representa el volumen de líquido que fluye a través de la sección transversal de flujo por unidad de tiempo, es decir, el caudal. Para calcular su volumen, se utiliza un anillo circular delgado con radio r y espesor dr se considera. El caudal a través de esta área en forma de anillo es:

:

.

En comparación, se puede obtener la relación entre la velocidad de flujo promedio y la velocidad de flujo máxima:

(4) Pérdida de presión por fricción. En el estado de flujo laminar, la pérdida de presión por fricción del líquido que fluye a través de una tubería recta se puede obtener a partir de la siguiente ecuación:

De la ecuación, se puede ver que en el estado de flujo laminar, la pérdida de presión del líquido que fluye a través de una tubería recta es directamente proporcional a la viscosidad dinámica, la longitud de la tubería y la velocidad del flujo, e inversamente proporcional al cuadrado de la tubería. diámetro.

En cálculos prácticos de pérdida de presión, para simplificar el cálculo, utilizamos la relación μ = υdρ/Rey sustituir μ = υdρ/Re en la ecuación. Luego, multiplicando tanto el numerador como el denominador por 2g, obtenemos:

. Pérdida de presión en flujo turbulento En el flujo laminar, las partículas se mueven en una dirección axial regular sin movimiento transversal. Una de las características clave del flujo turbulento es que las partículas del líquido ya no se mueven de manera axial regular; en cambio, se mezclan y fluctúan durante el movimiento. Este movimiento altamente irregular conduce a colisiones entre partículas y a la formación de vórtices, lo que resulta en una pérdida de energía mucho mayor en el flujo turbulento en comparación con el flujo laminar.

Debido a la complejidad de los fenómenos de flujo turbulento, un estudio teórico exhaustivo aún no ha arrojado resultados satisfactorios. Por lo tanto, los métodos experimentales todavía se utilizan principalmente para la investigación, junto con explicaciones teóricas. Como resultado, la pérdida de presión del flujo de líquido en flujo turbulento todavía se calcula usando la siguiente ecuación, donde el valor de λ depende no sólo del número de Reynolds Re, sino también de la rugosidad de la pared del tubo.

2. Pérdidas locales

b). Pérdida de presión local

La pérdida de presión local es la pérdida de presión causada por el líquido que fluye a través de componentes como válvulas (algunos datos se pueden consultar en Fábrica de válvulas de retención LF2), codos y cambios en el área de la sección transversal del flujo. Cuando el líquido pasa por estas zonas, tanto la dirección como la velocidad del flujo cambian, provocando la formación de vórtices. Esto da como resultado la colisión de partículas de fluido, lo que provoca una pérdida significativa de energía.

La pérdida de presión local ante una expansión repentina se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

En la ecuación, ξ es el coeficiente de resistencia local, que teóricamente sólo puede derivarse cuando el fluido fluye a través de una sección transversal repentinamente expandida. En otros casos, debe determinarse experimentalmente. v representa la velocidad de flujo promedio del fluido, que generalmente se refiere a la velocidad aguas abajo de la resistencia local. La pérdida de presión total en el sistema de tuberías es la suma de todas las pérdidas de presión por fricción (o basadas en la longitud) y todas las pérdidas de presión locales, es decir,