1. M ení místních ztrát na vodní trati
1. M ení místních ztrát na vodní trati 1.1.
Úvod
P i proud ní tekutiny v potrubí dochází vlivem její viskozity ke ztrátám energie. Na rovných úsecích potrubních systém
jsou ztráty zp sobené vnit ní drsností potrubí – tzv.
t ecí ztráty. Vzhledem k tomu, že v potrubních systémech bývají krom t chto rovných úsek také r zná kolena, odbo ky, armatury, m icí za ízení,
isti e, chladi e, zúžení pr ezu
potrubí, rozší ení pr ezu potrubí atd., v t chto ástech dochází ke zm n velikosti i sm ru rychlosti proud ní, což vyvolává zaví ení tekutiny, pop ípad
odtržení proudu spojené
z rozptylem energie. Tato energie proudící kapaliny se rozptyluje v míst
potrubí, kde
dochází ke zm n vektoru rychlosti, proto je rozptyl nazýván místními ztrátami. Zkoumání a vyhodnocování místních ztrát jednotlivých prvk potrubí je zásadní pro správný návrh jak samotného potrubního systému, tak erpadla, které vhání do systému tekutinu ur itou omezenou rychlostí a tlakem na který je dimenzováno. V extrémním p ípad by se mohlo stát, že odpory potrubního systému budou natolik veliké, že erpadlo tekutinu p es potrubní systém „neprotla í“. Teoretické stanovení místní ztráty na prvku je obtížné a nep esné, proto je nezbytné p esné stanovení odporu provést experimentáln . Pro experimentální stanovení velikosti ztráty n kterých prvk byl vytvo en zkušební obvod viz obr. 1.1.
obr. 1.1 Zkušební obvod
1.2.
Popis m icího za ízení
Zkušební m icí obvod se skládá z prvk , které mohou tvo it nap íklad rozvod vody v rodinném dom . Je v n m použito n kolik prvk , na kterých dochází k místním ztrátám energie. Jmenovit
to jsou tyto prvky: clona (C), koleno 90o (K4), kulový kohout (KK1),
zúžení pr ezu potrubí (RH1), rozší ení pr ezu potrubí (RH2), velký oblouk (KR, K1, K2), 1-1
1. M ení místních ztrát na vodní trati kompenza ní smy ka (KS), ventil p ímý (VP) a koleno 45o (K3). Dále je obvod tvo en t mito prvky: nádrž na vodu (N), erpadlo (HG), U – trubice (UT1 – UT5 a UTC) pro m ení rozdílu tlakové energie a spojovací prvky potrubí. Zp sob zapojení je na obr. 1.2 a obr. 1.3. Princip funkce obvodu:
erpadlo nasává vodu z instalované nádrže a vhání ji do
potrubního systému. V tomto systému jsou umíst né prvky na nichž je zjiš ována tlaková diference z odb ru tlaku p ed a za každým prvkem pomocí U – trubic p ipojených na tato odb rná místa. Z potrubního systému je voda odvád na zp t do nádrže.
obr. 1.2 Schématické znázorn ní zkušebního obvodu
KR, K1, K2 RH2
KK2
K4
KS
VP
UTC
KK1
RH1
C
K3 HG N
UT1- 5 obr. 1.3 Realizovaný obvod 1-2
1. M ení místních ztrát na vodní trati Tlakovou diferenci je možno zjiš ovat p i r zných pr tocích. Pr tok vody je možno regulovat jak pomocí regulace
erpadla (HG) (3 stupn
pr toku), tak pomocí kulového
kohoutu KK2 (plynulá regulace pr toku). Zm ny tlakové diference jsou zjiš ovány na p íslušné U trubici (UT1-UT5). M ení rychlosti proud ní v obvodu je realizováno pomocí clony a U – trubice (UTC) zaznamenávající vzniklou tlakovou diferenci – ta je úm rná rychlosti proud ní.
1.3.
Specifikace použitých prvk
P i realizaci obvodu viz obr. obr. 1.3 byly použity tyto prvky: Nádrž (N) 3
Objem nádrže:
42 dm
Výrobce:
Valter Špalek-plexi
erpadlo (HG) Typ:
cirkula ní erpadlo WILO RS 25/4 230 V PN 10
Maximální tlakový spád:
10 kPa
Jmenovité otá ky:
1200/1650/2000 ot.min-1
Výrobce:
WILO
Clona (C) Vnit ní pr m r clony:
14 mm
Vnit ní pr m r potrubí:
18 mm
Výrobce:
VŠB
Potrubí (P1) Typ:
STRO25P16X
Vn jší pr m r:
25 mm
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Potrubí (P2) Typ:
STRO20P16X
Vn jší pr m r:
20 mm
Vnit ní pr m r:
14,4 mm
1-3
1. M ení místních ztrát na vodní trati Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Kulový kohout (KK1, KK2) Typ:
SVEK025XXX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Redukce hrdlová (pro zúžení/rozší ení potrubí) (RH1, RH2) Typ:
SRE02520XX
Vnit ní pr m r 1:
18 mm
Vnit ní pr m r 2:
14,4 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
K ížení (KR) Typ:
SKR025P20X
Vn jší pr m r:
25 mm
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Koleno 45o (K1, K2, K3) Typ:
SKO02545XX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Koleno 90o (K4) Typ:
SKO02590XX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Kompenza ní smy ka (KS) Typ:
SKS025P20X
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
1-4
1. M ení místních ztrát na vodní trati Ventil p ímý (VP) Typ:
SVE025XXXX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
U – trubice (UT1, UT2, UT3, UT4, UT5, UTC) Výrobce:
VŠB
CD-ROM 1-Místní_ztráty_voda_popis.wmv
1.4.
Cejchovní k ivka clony
P i použití clony jako m idla rychlosti je nutné znát tzv. cejchovní k ivku clony, viz obr. 1.4, pomocí které lze ze ztrátové výšky na clon ur it pr tok, který je této výšce úm rný. 1.1 1 0.9 0.8 Qv [m3h-1]
0.7
y = 0.0882x0.453 R2 = 0.9945
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
∆ h c [mm]
obr. 1.4 Cejchovní k ivka clony z obvodu na m ení místních ztrát
1.5.
Postup m ení a vyhodnocení místní ztráty jednotlivých
prvk Postup m ení P i stanovení místní ztráty jednotlivých prvk je vhodné postupovat následujícím zp sobem:
1-5
1. M ení místních ztrát na vodní trati 1. Seznámíme se s obvodem. 2. P ipojíme pomocí hadi ek U trubici na odb r tlaku p ed a za m eným prvkem. 3. P ipojíme pomocí hadi ek U trubici na odb r tlaku p ed a za clonou. 4. Zkontrolujeme, zda jsou všechny ostatní odb ry tlaku zat sn né – pokud ano spustíme erpadlo. 5. Zkontrolujeme, zda jsou všechny kohouty otev eny na plný pr tok – pokud ne otev eme je. 6. Ode teme hodnotu rozdílu výšek hladin
hp (tlaku) na U – trubici p ipojené
k m enému prvku a také ode teme hodnotu rozdílu výšek hladin p ipojené ke clon
a p iv eme mírn
hc na U trubici
kohout KK2. Tento postup provádíme
s maximálním možným po tem opakování (p ivírání) až do úplného uzav ení kohoutu KK2. Nam ené hodnoty zapíšeme do níže uvedené tabulky tab. 1.1. M ené veli iny M ení
hc [mm]
hp [mm]
Po ítané veli iny pp
v
Qv 3
-1
[m .h ]
[Pa]
Re -1
[m.s ]
[1]
[1]
1 2 3 …. tab. 1.1 Vzorová tabulka pro nam ené a vypo tené hodnoty 7. M ení lze provád t pro více prvk najednou, pak je t eba upravit tabulku rozší ením o další sloupce, tj. hp1, hp2, … . Vyhodnocení m ení Pro výpo et místní ztráty je nutné znát rychlost proud ní v potrubí. Tu lze vypo ítat z pr toku potrubím Qv. Pr tok je úm rný ztrátové výšce
hc na clon . Vyhodnocení nam ených
hodnot a dopln ní tab. 1.1 lze tedy shrnout do následujícího postupu: 1. Do rovnice cejchovní k ivky y = 0,0882 x 0,453 , viz obr. 1.4, dosadíme za prom nnou x rozdíl ztrátovou výšku na clon
hc [mm] a výpo tem této rovnice získáme hodnotu
3 -1
pr toku Qv [m h ] 2. Rychlost proud ní tekutiny v potrubí lze nyní vypo ítat z rovnice kontinuity. P i tomto výpo tu je nutné ur it pr ez potrubí. Ten je v celém potrubním systému stejný vyjma 1-6
1. M ení místních ztrát na vodní trati ásti simulující zúžení a rozší ení potrubí. P esné hodnoty jsou uvedeny ve specifikaci prvk . Potom:
Qv = Sv
v=
Qv 4Qv = S πd 2
3. Dále vypo ítáme Reynoldsovo íslo následovn :
Re =
vd
ν
kde v je rychlost vody v potrubí, d pr m r potrubí (jeho sv tlost!), ν kinematická viskozita vody. 4. Ztrátový sou initel ur íme pro daný pr tok, resp. rychlost proud ní ze vztahu:
hz = ∆hp = ζ
v2 2g
ζ =
2∆hp g v2
5. P epo ítáme nam enou ztrátovou výšku na prvku m eného prvku) na tlakovou ztrátu
hp (rozdíl hladin v U – trubici
pp. Tento výpo et se provede jednoduše
pomocí rovnice pro výpo et hydrostatického tlaku tj. ∆p p = ρg∆h p 6. Celý výpo et je nutné opakovat pro všechny nam ené hodnoty. 7. Sestrojíme závislost tlakové ztráty na objemovém pr toku ∆p p = f (Qv ) , pomocí regrese stanovíme typ a koeficienty závislosti v Excelu (spojnice trendu). 8. Nam ené hodnoty ζ
se zakreslí do diagramu ζ = f (Re ) , pomocí regrese
stanovíme typ a koeficienty závislosti. 9. Pokud bylo provedeno m ení pro více prvk najednou, pak je t eba upravit výpo etní ást tabulky rozší ením o další sloupce, tj. pp1, pp2, ... a
1,
2
... . Pr tok, rychlost a
Re íslo jsou pro dané m ení stejné.
CD-ROM 1-Místní_ztráty_voda.wmv
1.6.
P íklad výsledku m ení místní ztráty kompenza ní
k ivky Prezentování nam ených a vypo ítaných hodnot je nevhodn jší pomocí grafu vyhotoveném nap . v programu Excel.
1-7
1. M ení místních ztrát na vodní trati
obr. 1.5 Kompenza ní smy ka
Nam ené a vypo tené hodnoty je zvyklostí vyhodnocovat jednak jako závislost tlaku na pr toku, viz obr. 1.6, a dále jako závislost ztrátového sou initele na Reynoldsov
ísle, viz
obr. 1.7. 2500
∆pp [Pa]
2000
y = 2175.6x1.7545 R2 = 0.9983
1500
1000
500
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
3 -1
Q v [m h ]
obr. 1.6 P íklad závislosti tlaku na pr toku
1-8
0.8
0.9
1
1. M ení místních ztrát na vodní trati
7 6
y = 41.296x-0.2455 R2 = 0.9218
ζ [1]
5 4 3 2 1 0 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
Re [1]
obr. 1.7 P íklad závislosti ztrátového sou initele na Reynoldsov
ísle
S t mito závislostmi je možno pracovat nap íklad p i již zmi ovaném návrhu rozvodu vody v rodinném dom atd.
1-9
