配管ネットワークと圧力損失

ソース: アレクサンダー S ラトナー、機械、原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA

この実験では、測定と配管ネットワークの内部流れの圧力損失のモデル化を導入されています。このようなシステムでは、チャネルの壁から摩擦抵抗の妨害および付属品、機械的エネルギーを熱に変換する流体圧力の形が発生します。許容摩擦圧力損失を確認し圧力ドロップ要件に合ったポンプを選択サイズフロー ハードウェア工学解析が必要です。

一般的なフロー機能で配管ネットワークを構築するこの実験: チューブ、コイル チューブ コイル、エルボ継手 (鋭い 90 ° 屈曲) のまっすぐな長さ。圧力損失の測定は、圧力計 - 開いている縦の列内の液体のレベルによって流体の圧力を測定する簡単な装置を使用して、コンポーネントの各セットにまたがって収集されます。結果として得られる圧力損失曲線は内部流れモデルからの予測と比較されます。

クローズド チャネル (例えばパイプ、チューブ、血管) を流れる流体それはチャネルの壁から摩擦抵抗を克服する必要があります。力学的エネルギーは熱に変換されます、流れの方向での圧力の継続的な損失が発生します。この実験は、そのような圧力損失の測定とモデリングの内部流れシステムに焦点を当ててください。

チャネルに沿う圧力降下を測定、この実験は、静水圧変動の原則を使用します。静止流体中で圧力は流体の重量 (Eqn。 1、図 1 a) のための深さのみ異なります。

(1)

ここでと2 つの時点の圧力、 ρは流体の密度、 gは重力加速度、ポイントの深さ (重力の方向で測定) は、 h₂ h₁参照レベルです。通常の周囲条件下では水の密度、 ρ_w 998 kg m^-3 = 空気の密度ρと 1.15 kg m^-3を =。Ρ_、 << ρ_w、液体の静水圧の変化を無視できる空気の静水圧変動と大気圧を均一 (Pを想定すること_atm 〜 101 kPa)。この原則は、次の流路に沿って圧力降下をチャネルに接続されている縦のオープン トップ チューブ内の流体のレベルの違いによる測定できます: (図 1 b)。このような液体ベース レベルの圧力測定装置は、圧力計と呼ばれます。

ダーシー摩擦係数の式 (Eqn. 2) では、チャネルの長さに沿って圧力損失を予測できます。ここでは、内径Dチャネルの長さ (L) に沿って圧力損失は。Uは、体積流量流体 (例えばm³の^-1の) チャネルの断面積で割った値として定義されている平均通信速度 (例えばm²、円形チャネル)。fは Darcy 摩擦係数は、次の別のチャネルのジオメトリおよび流量の傾向が異なるです。この実験で摩擦係数は管の直線、らせんの長さの実験的測定・以前に発行された数式と比較されます。

(2)

流路の摩擦要因の傾向は、流体の粘性 (摩擦効果) からの影響に流体の慣性力の影響の相対的な強さを測定するレイノルズ数 (Re) によって異なります。日時として定義されている、流体の動粘性係数 (~0.001 kg m^-1の^-1周囲条件下での水の) は。Re が低い (ストレート チャンネルで 2000)、粘性の影響が十分に強く湿気をスムーズにつながる流れの渦層流流れ。高い Re に (2000)、ランダムな渦乱流現象につながる流れの中のフォームをすることができます。フローを「Eqn。 3 まっすぐな円チャネルの摩擦因子モデルをよく使用されます。

(3)

流体が流れる管ヘリカル コイル、セカンダリ内部渦形成 (図 1 c)。その結果、摩擦係数チューブの湾曲の相対的な影響を占めるディーン数によっても異なります: 。ここでRはチューブに中途半端に中心軸から測定管コイルの半径です。一般的な相関です。

(4)

管継手、バルブ、拡大/収縮、およびその他の障害も圧力損失が発生します。同じ圧力に屈する必要なプレーンのチャネルの同等の長さの面では、このようなマイナーな損失をモデル化する 1 つのアプローチ (L_e/D)。ここでは、と入口で摩擦係数、流速は、/アウトレット チャンネル長さ (図 1 d)。

(5)

代表的な等価的なチャネルの長さのテーブルは、共通の配管コンポーネント (c. f.、[1]) の手引きで報告されます。この実験はの同等の長さを測定する 90 ° ベンド継手 (肘) を鋭い。標準と同等の長さを報告は、このような金具がL_e/D 〜 30。

1. 配管システム (参照してください図と写真、図 2) の作製

1. (テープまたは接着剤) を貼る作業面に小さなプラスチック製の水タンク。覆われた容器の場合は、入口と出口の水ラインとポンプ電源ケーブルの蓋に穴をあけます。
2. タンクの小さい浸水許容ポンプをマウントします。
3. 作業領域の垂直方向に浮子式流量計 (水流量計) をマウントします。小さな垂直ビームまたはそれを直立した保つための L-ブラケットを浮子式流量計をストラップすることがあります。フロー チューブをポンプのコンセントから浮子式流量計の入口 (下側のポート) に接続します。
4. プラスチック圧縮部硬質プラスチック チューブの両端に t シャツを継手を接続 (長さLをお勧めします 〜 0.3 m、インナー チューブ径D 〜 6.4 mm)。パイプのクランプに t シャツをマウントします。1 つのティー (入口) からゴム製管を浮子式流量計のコンセントに接続します。その他の t シャツ (コンセント) から貯水池にゴムチューブを接続します。
5. マウントされている t 字型 2 つと 2 番目のアセンブリを構築します。ソフト プラスチックの円筒形の芯周りヘリカル コイル チューブの長さをラップ (ボール紙の筒、 Rをお勧めします ~ 30 mm、~ 5 チューブ ラップ)。ジッパー ネクタイまたはクランプ コイル状の管を保つを助けることがあります。ティー継手にチューブの 2 つの自由端をインストールします。
6. マウントされている t 字型 2 つと 3 番目のアセンブリを構築します。T シャツの硬質プラスチック チューブの短い長さで 4 つ (またはそれ以上) の肘を接続します。複数の肘を使用して増幅する圧力降下を読んで、測定精度を向上させます。
7. 6 ティー継手にポートが開いていて硬いプラスチック チューブ (~0.6 m) をインストールします。レベルを使用すると、チューブが垂直であることを確認します。これらの管は、圧力計 (圧力測定装置) になります。
8. 水でタンクを埋めます。

2. 操作

1. 直管:ポンプをオンにし、水の流れの速度が変化する浮子式流量計のバルブを調整します。各ケースの各圧力計の管で水の流量と垂直の水のレベルを記録します。圧力計のレベル (Eqn. 1) の違いに基づく圧力降下を記録します。
2. コイル状の管:浮子式流量計のコンセントと貯水池にテスト セクション出口にコイルのテスト セクション入口を接続します。ステップ 2.1 のようにレコード水の流量と圧力は流量の番号を削除します。
3. メスエルボ ジョイント:浮子式流量計と貯留層のテスト セクションのエルボを接続します。ステップ 2.2 のように流れ速度および圧力測定のセットを収集します。

3. 分析

1. 直管の場合のレイノルズ数を評価し、摩擦係数f (Eqn. 2)。レイノルズ数と摩擦係数不確実性に (Eqn. 6) を評価します。ここで e_ΔPは、圧力測定における不確かさ (、圧力計レベルの不確実性は、)、e_Uは平均通信速度 (浮子式流量計データ シート、典型的な不確実性の範囲の 3-5%) からの不確実性と。常温 (22 ° C) ρ水の 998 kg m^-3 、 μ = = 0.001 kg m^-1の^-1。
   (6)
2. 解析モデル (Eqn. 3) ステップ 3.1 から摩擦係数結果を比較します。
3. コイル状の管の場合、ステップ 3.1 を繰り返します。今回は、ΔPからテスト セクションのストレート部分の (と。 2-3) 予測される圧力損失を減算します。ここで我々 はストレート長さ圧力補正の不確かさは無視と仮定します。(Eqn. 4) の相関関係から値を測定した摩擦係数を比較します。
4. エルボ ケースに 3.2 の手順を繰り返します。修正圧力損失を取得する肘継ぎ手間のチューブのまっすぐな長さの予測される圧力損失を減算。同等の長さと各肘の不確かさを評価します。ここでは、 N_eはパイプ肘の数です。
   (7)
5. 同等の長さの結果を比較 (L_e/D) 典型的な値 (〜 30) を報告します。

図 3 a c で測定した摩擦係数と等価長さのデータが掲載されています。直管部のクリア PVC チューブd = 6.4 mm、 L = 284 mm を使用します。乱流状態に対応する測定流量 (0.75 - 2.10 l min^-1) (Re = 2600-7300)。摩擦係数は実験的不確実性内に分析モデルからの予測と一致します。比較的高いfの不確実性は、選択した (低コスト) 流量計 (± 0.15 l min^-1) の精度低流量で発見されます。

チューブ コイル ケースの摩擦係数の計算結果は、実験的不確実性 (図 3 b) 内 (Eqn. 4) 指定された相関も一致します。5 コイル半径Rのループ = 33 mm チューブ内径D = 6.4 mm が採用されています。ここでは、ディーン数は 500-5600、Eqn 4 の層流部分に対応です。測定した摩擦係数が等しい流速で直線部よりも有意に高かったです。これは高 Re に乱流への移行を遅延コイル管形状の安定の効果から生じています。

肘の場合は、4 肘継手 (材料のリストで部品番号) を採用すると、 Dの短い長さによって接続 = 6.4 mm チューブ。各エルボ アプローチの等価摩擦長さ (L_e/D) ~ 30-40 (図 3 c) 再高。これは、よく報告される値 30 に似ています。継ぎ手ジオメトリに固有の実際の摩擦抵抗と報告L_e/D値はガイドラインとしてのみ考えるべきであることに注意してください。

図 1:. 流体の静止体の静水圧変化の概略図。b. オープン トップの圧力計で測定した管の直線の長さに沿って圧力変化。c. 内部渦と、コイル状の管の模式図は断面図に示されています。

図 2:圧ドロップ測定施設の (、) 回路図、(b) 写真では。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3:摩擦係数と等価長さ測定とモデル予測: 。 直管、 b。 コイル、 c. メスエルボ ジョイント。

概要

この実験は、測定圧力損失摩擦要因と内部フロー ネットワークで同等の長さのためのメソッドを示します。ストレート チューブ、コイル チューブ、管継手など、一般的なフロー構成モデリング手法を提示しました。これらの実験・解析技術、流動システムの設計の主要なエンジニア リング ツールです。

アプリケーション

内部フロー ネットワークは、有機体で発電、化学処理、内部熱交換器と血液循環流量分布を含む多数のアプリケーションで発生します。すべてのケースで予測し、圧力損失とポンプの要件をモデルすることができることが重要です。このような流れのシステムは、継手や接合で接続された直線と曲線のチャネルのセクションに分解できます。摩擦係数およびマイナーな損失モデルをこのようなコンポーネントに適用すると、ネットワーク全体の説明を作り出すことができます。

材料リスト

1. Perry, D.W. Green, J.O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Editio, McGraw-Hill, New York, NY, 1984.