2. M ení t ecích ztrát na vodní trati
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati 2.1.
Úvod
P i proud ní skute ných tekutin vznikají následkem viskozity t ecí odpory, tj. síly, které p sobí proti pohybu ástic tekutiny. Práce t chto sil zp sobuje rozptyl energie, která se p em ní na teplo. Tato energie se nazývá ztrátová. Na rovných úsecích potrubních systém
závisejí ztráty energie u laminárního
proud ní na rychlosti proud ní, tj. na velikosti Reynoldsova ísla. V p ípad
turbulentního
proud ní m že ztráta energie záviset i na vnit ní drsnosti potrubí. Celkov však t ecí ztráty závisejí na délce potrubí a projevují se jako tlakový úbytek. Zkoumání a vyhodnocování t ecích ztrát 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 t ecí odpory potrubního systému budou natolik veliké, že
erpadlo „nevytla í“
tekutinu až do zvoleného místa. Teoretické stanovení t ecí ztráty na prvku je obtížné a nep esné (rovnici pro výpo et t ecího sou initele nelze vyjád it analyticky), proto je stanovena experimentáln . Pro experimentální stanovení velikosti t ecí ztráty byl vytvo en zkušební obvod, viz obr. 2.1.
obr. 2.1 Zkušební obvod
2.2.
Popis m icího za ízení
Zkušební m icí obvod se skládá z n kolika typ potrubí, kterými se m že rozvád t nap . voda v rodinném dom . Do obvodu je zapojeno hladké potrubí o vn jším pr m ru 20 mm (T1), 25 mm (T2) a 32 mm (T4) a drsné potrubí o vn jším pr m ru 25 mm (T3). Všechny typy potrubí mají stejnou délku l. Dále je do obvodu zapojena nádrž na vodu (N),
2-1
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati erpadlo (HG), U trubice (UT1 – UT5 a UTC) pro m ení rozdílu tlakové energie a spojovací prvky potrubí. Zp sob zapojení je na obr. 2.2 a obr. 2.3. Obvod funguje tak, že
erpadlo nasává vodu z instalované nádrže a vhání ji do
potrubního systému. Potrubní systém je tvo en potrubím T1, T2, T3 a T4. Postupn je na každém typu potrubí zjiš ována tlaková diference z odb ru tlaku pomocí U trubic. Odb rná místa zapojených U trubic jsou na za átku a konci každého typu potrubí. Z potrubního systému je voda odvád na zp t do nádrže.
obr. 2.2 Schématické znázorn ní zkušebního obvodu
UTC
T1 T2 T3 T4
KK1 KK2 KK3 KK4
C KK HG
UT1- 5
N
obr. 2.3 Realizovaný obvod 2-2
2. M ení t ecích 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 KK (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 zaznamenávající vzniklou tlakovou diferenci na UTC, která je úm rná rychlosti proud ní.
2.3.
Specifikace použitých prvk
P i realizaci obvodu, viz obr. 2.3 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 (T4) Typ:
STRO25P16X
Vn jší pr m r:
32 mm
Vnit ní pr m r:
23,2 mm
Délka:
1,104 m
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
2-3
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati Potrubí (T3,T2) Typ:
STRO25P16X
Vn jší pr m r:
25 mm
Vnit ní pr m r:
18 mm
Délka:
1,104 m
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Potrubí (T1) Typ:
STRO20P16X
Vn jší pr m r:
20 mm
Vnit ní pr m r:
14,4 mm
Délka:
1,104 m
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Kulový kohout (KK) Typ:
SVEK025XXX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
Koleno 90o Typ:
SKO02590XX
Vnit ní pr m r:
18 mm
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
T - kus (K4) Typ:
STK025XXXX
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 2-T ecí_ztráty_voda_popis.wmv
2-4
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati
2.4.
Cejchovní k ivka clony
P i použití clony jako m idla pr toku je nutné znát tzv. cejchovní k ivku clony, viz obr. 2.4, pomocí které lze ze ztrátové výšky na clon ur it pr tok, který je této ztrátové výšce úm rný. 1.4 1.2
Qv [m3h-1]
1 0.8
y = 0.0916x0.4405 R2 = 0.9971
0.6 0.4 0.2 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
∆ h c [mm]
obr. 2.4 Cejchovní k ivka clony z obvodu na m ení t ecích ztrát
2.5.
Postup m ení, vyhodnocení a záv r výpo tu t ecích
ztrát Postup m ení P i stanovení t ecích ztrát jednotlivého potrubí postupujeme následujícím zp sobem: 1. Seznámíme se s obvodem. 2. Vybereme jedno z m ených potrubí T1, T2, T3 nebo T4 a u tohoto potrubí otev eme p íslušný kohout KK1, KK2, KK3 nebo KK4. 3. Provedeme kontrolu uzav enosti všech ostatních kohout . 4. P ipojíme odb ry tlaku na za átku a konci m eného potrubí pomocí hadi ek na U trubici (pomocí U trubice se ur uje ztrátová výška, ze které se vypo ítá ztráta tlaku). 5. P ipojíme odb ry tlaku p ed a za clonou pomocí hadi ek na U trubici. (Clona slouží k ur ení pr toku v obvodu.) 6. Provedeme kontrolu uzav enosti všech ostatních odb r tlak .
2-5
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati 7. Zapneme erpadlo. 8. Ode teme rozdíly výšek hladin vody hp, na U trubici p ipojené k m enému potrubí a rozdíly výšek hladin vody hc na U trubici p ipojené ke clon . 9. Postupným p ivíráním kohoutu KK až do jeho úplného uzav ení získáme další hodnoty výšek hladin
hp,
hc a zapíšeme je do tabulky tab. 2.1. Je vhodné provést
maximální po et m ení. (Alespo 10) 10. Postup aplikujeme na všechna m ená potrubí a zapíšeme do obdobných tabulek.
M ení
Nam ené
Vypo ítané
hodnoty
hodnoty
hc [mm]
hp [mm]
pp [Pa]
Q 3 -1
[m h ]
v -1
[ms ]
Re
λvypo
[1]
[1]
.
λteoret [1]
1 2 3 …. tab. 2.1 Vzorová tabulka pro nam ené a vypo tené hodnoty Vyhodnocení m ení Pro výpo et t ecích ztrát je nutné znát ztrátovou výšku
h (tlakovou ztrátu
p), rychlost
proud ní v v potrubí, délku l potrubí a vnit ní pr m r d potrubí. Všechny pomocné neznámé vypo ítáme a zapíšeme do tab. 2.1. P i výpo tu postupujeme takto: 1. Vybereme potrubí pro výpo et. 2. P epo ítáme pro m ené potrubí ztrátovou výšku
hp na tlakovou ztrátu
pp.
(Výpo et se provede pomocí rovnice pro výpo et hydrostatického tlaku.)
∆p p = ρg∆h p 3. Do rovnice cejchovací k ivky y = 0,0916 x 0,4405 , viz obr. 2.4, dosadíme za prom nnou x rozdíl ztrátových výšek na clon
hc [mm] a výpo tem této rovnice
získáme hodnotu pr toku Qv [m3h-1] 4. Pomocí vypo ítané hodnoty pr toku QV (povšimn me si jednotek pr toku a nezapome me je p evést na základní jednotky SI) vypo ítáme z rovnice kontinuity rychlost proud ní tekutiny v potrubí. (Nezapome me, že každé potrubí má jiný
2-6
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati pr m r d, a do výpo tu se dosazuje vnit ní pr m r potrubí. P esné hodnoty jsou uvedeny v kapitole „Specifikace prvk “.)
Q = Sv
v=
Q 4Q = S πd 2
5. Nyní vypo ítáme ztrátový sou initel t ení. Délka každého potrubí je l = 1,104 m.
∆h p = λvypo
l v2 . d 2g
λvypo . =
2g∆hp d lv 2
6. Vypo ítejme Reynoldsovo íslo, z ehož ur íme, zda jde o turbulentní i laminární proud ní.
Re =
vd
ν
typ proud ní
7. Vypo ítáme teoretický sou initel t ení pouze pro výše ur ený typ proud ní.
λteoret . =
- pro laminární proud ní dle vzorce:
- pro turbulentní proud ní v hladkém potrubí podle vzorce:
- pro turbulentní proud ní v drsném potrubí podle vzorce: λteoret .
λteoret . =
64 Re
0,3164 4 Re
100 k = 0,1 + Re d
0,25
kde k = 0,001 mm. 8. Postup výpo tu opakujme pro nam ené hodnoty všech potrubí. 9. Sestrojíme závislost tlakové ztráty t ením na objemovém pr toku ∆p p = f (Qv ) , pomocí regrese stanovíme typ a koeficienty závislosti. 10. Nam ené hodnoty λvypo
.
se zakreslí do diagramu λ = f (Re ) a pro srovnání se
vyhodnotí sou initel t ení λteoret . .
CD-ROM 2-T ecí_ztráty_voda.wmv
2.6.
P íklad výsledku m ení t ecích ztrát potrubí T1
Prezentování nam ených a vypo ítaných hodnot je nevhodn jší pomocí grafu vyhotoveném nap . v programu Excel.
2-7
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati Potrubí (T1) Typ:
STRO20P16X
Vn jší pr m r:
20 mm
Vnit ní pr m r:
14,4 mm
Délka:
1,104 m
Výrobce:
WAVIN Ekoplastik, s.r.o.
obr. 2.5 potrubí pr m ru 20 mm
Nam ené a vypo tené hodnoty je zvyklostí vyhodnocovat jednak jako závislost tlaku na pr toku, viz obr. 2.6 a dále jako závislost ztrátového sou initele na Reynoldsov
ísle, viz
obr. 2.7. 4000 3500 3000
y = 2927,3x1,7207 R2 = 0,9993
∆pp [Pa]
2500 2000 1500 1000 500 0 0
0.2
0.4
0.6 3
0.8 -1
Q v [m hod ]
obr. 2.6 P íklad závislosti tlaku na pr toku
2-8
1
1.2
2. M ení t ecích ztrát na vodní trati
0.045
0.040 t ecí sou initel pro nam ené hodnoty spou initel t ení vypo tený ze vzorce
λ [1]
0.035
0.030
0.025
0.020 0
5000
10000
15000
20000
25000
Re [1]
obr. 2.7 P íklad závislosti ztrátového sou initele na Reynoldsov
2-9
ísle
30000
