к. т. н. С. Б. Горуновіч (Усть-Ілімськ ТЕЦ)
В даний час все частіше і частіше, для потреб обліку кількості води і тепла, проводиться установка витратомірних пристроїв на мережах тепло і водопостачання. При цьому відомо, що вагому частину сумарних, непоправних втрат при транспортуванні складають втрати в місцевих опорах трубопроводів при передачі рідких і газоподібних середовищ. Місцеві опору призводять до втрат тиску (напору) і, як результат, до зниження витрат у споживачів.
Деякі витратомірного пристрою є сильними місцевими опорами (наприклад - діафрагма). Трапляється, що при установці витратомірних пристроїв необхідно створити звуження існуючого трубопроводу з метою забезпечення достатньої швидкості рідини для ефективної роботи витратомірного пристрою. Отже, облік місцевих опорів звужень, діафрагм, а також дифузорів і конфузорів (плавних розширень і звужень) в гідравлічних розрахунках мереж є актуальним завданням.
Місцеві втрати повного тиску виникають при місцевому порушенні нормального перебігу, відриві потоку від стінок, вихреобразование і інтенсивному турбулентному перемішуванні потоку в місцях зміни конфігурації трубопроводу або при зустрічі або обтіканні перешкод (вхід рідини (газу) в трубопровід; розширення, звуження, вигин і розгалуження потоку ; протікання рідини (газу) через отвори, решітки, дросельні пристрої; фільтрація через пористі тіла і т.д.). Ці явища підсилюють обмін кількістю руху між частинками рідини, що рухається (т. Е. Тертя), підвищуючи дисипації енергії. До місцевих втрат тиску відносяться також втрати динамічного тиску при виході рідини (газу) з мережі в інший обсяг або навколишнє середовище [4].
Для оцінки місцевих опорів в сучасних гідравлічних розрахунках оперують безрозмірним коефіцієнтом гідравлічного опору, вельми зручним тим, що в динамічно подібних потоках, при яких дотримуються геометрична подібність ділянок і рівність чисел Рейнольдса (і інших критеріїв подібності, якщо вони істотні) він має одне і те ж значення незалежно від виду рідини (газу), а також від швидкості потоку (по крайней мере до чисел Маха = 0,8-0,9) і поперечних розмірів розраховуються ділянок [4]. Коефіцієнт гідравлічного опору являє собою відношення втраченої на даній ділянці повної енергії (потужності) до кінетичної енергії (потужності) в прийнятому перерізі [4].
Досить широко поширеним приладом для вимірювання витрати є діафрагма (витратомірного шайба), зазвичай виконується у вигляді плоского кільця з круглим отвором в центрі, що встановлюється між фланцями трубопроводу, див. Рис.1.
На малюнках використані наступні позначення величин: w - швидкість потоку, F - площа перетину, твір величин wF - витрата, D - діаметр, L - довжина. Індекси показують приналежність до перетинів.
Слід мати на увазі, що будучи простим і ефективним інструментом для вимірювання витрати, діафрагма має і свої негативні сторони, а саме, створює значуще опір потоку.
Джерела [4], [6] пропонують наступну формулу для визначення коефіцієнта опору діафрагми, розрахункова схема якої приведена на рис.1:
Формула справедлива для тонких діафрагм з гострими краями при. де DГ = 4F0 / П0. П0 - периметр, а також при Re> 10 5. Структура формули наочно показує ймовірність швидкого зростання коефіцієнта опору з ростом відносини F1 / F0.
Плавні розширення коробів і трубопроводів при переході від меншого до більшого перетинах носять назви дифузорів. Основними геометричними характеристиками дифузорів з прямими стінками є кут розширення. ступінь розширення nn1 = F1 / F0 і відносна довжина lд / D0. см. рис.2. Зростання коефіцієнта опору дифузора заданої довжини, з подальшим збільшенням кута розширення, викликається підсилює турбулентним перемішуванням потоку, відривом прикордонного шару від стінки дифузора і пов'язаним з цим сильним вихреобразование [4].
У загальному випадку коефіцієнт опору дифузора, встановленого всередині мережі, залежить від умов входу, від числа Рейнольдса, від відносної швидкості [4]. Однак в інженерній практиці, при відносних великих числах Рейнольдса і турбулентному плині, перерахованими вище факторами нехтують.
Для інженерних розрахунків для визначення коефіцієнта опору дифузора джерела [1], [4], [5], [6] рекомендують формулу:
При рівномірному профілі швидкості у вхідному перерізі і великих числах Рейнольдса (Re> 2x10 5) коефіцієнт (повноти удару) для конічних дифузорів з кутами розширення [4]:
Якщо проаналізувати залежність величини коефіцієнта опору дифузора від кута розширення. то можна умовно виділити три зони:
а) відносно низьких значень коефіцієнта опору;
б) зона швидкого зростання;
в) зона високих значень коефіцієнта опорів.
Очевидно, що для зниження опору дифузора слід дотримуватися правила:. Якщо за конструктивними, або з яких-небудь інших причин не вдається витримати кут дифузора менше 60 град. можна взагалі відмовитися від дифузора без шкоди для пропускної здатності.
Що стосується впливу числа Рейнольдса на величину коефіцієнта, до цього питання необхідно підходити більш обережно.
б) в довідковому посібнику «Водяні теплові мережі» [2] - 0,5 - 3 м / с;
в) в навчальному посібнику «Системи вентиляції» [3] - 0,7 - 20 м / с.
Неважко встановити, що при мінімальних швидкостях і діаметрах (при температурі 20 град.) Числа Рейнольдса можуть приймати мінімальні значення для води - 0,13х10 5. для повітря - 0,03х10 5. При цьому необхідно врахувати, що зі зниженням чисел Рейнольдса до Re = 0,5x10 5 -1x10 5 в зоні а) (при) коефіцієнт опору зростає в 2 і більше разів.
Умови протікання в коротких диффузорах (з великими кутами розширення) можуть бути значно поліпшені, а опір зменшено, якщо попередити в них відрив потоку або вихреобразование [4]. Приклади конструктивних рішень, що сприяють зниженню коефіцієнта опору, наведені на рис.3. Згідно [4] коефіцієнт опору дифузора при цьому може бути знижений на 35 - 40%.
Більш докладно способи зниження опору розглянуті в фундаментальній праці І. Е. Ідельчик [4].
Перехід від більшого перетину до меншого, через плавно звужується ділянку - конфузор, також супроводжується порівняно великими непоправними втратами повного тиску. Коефіцієнт опору конфузора з прямолінійними створюючими також залежить від кута звуження. ступеня звуження n0 = F0 / F1 і відносної довжини l0 / D0. а при малих числах Рейнольдса також і від числа Рейнольдса, см. рис.4.
Для інженерних розрахунків загальний коефіцієнт опору конфузорів зручно представити у вигляді [4], [6]:
В межах загальний коефіцієнт опору конфузора з прямолінійними створюючими має мінімум, який, по крайней мере при Re T> 10 5 залишається практично постійним і рівним 0,05 [4].
Опір конфузорів можна значно зменшити, здійснивши плавний перехід від більшого перетину до меншого, за допомогою криволінійних утворюють (по дузі окружності або інший кривої), а також скруглив прямолінійні стінки конфузорів на виході в пряма ділянка, см. Рис.6.
Конфузорно-діффузорного ПЕРЕХІД
Відомо, що опору, розташовані поруч, роблять взаємний вплив один на одного.