Tlakové ztráty v potrubí verze 1.8 Manuál k programu Ing. Petr ZÁRUBA
[email protected] program v Pythonu v.2.3.5 manuál vytvořen v LATEXu 11. srpna 2007
Obsah I
Popis ovládacích prvků
3
1 Pracovní plocha
4
2 Popis nabídkové lišty 2.1 Soubor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Otevřít nový . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Uložit jako . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Výpis dat . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Konec . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Tekutina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Kapalina . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Plyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Nástroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Ekvivalentní délky . . . . . . . . . . . 2.3.2 Drsnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Graf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Závislost na průtoku . . . . . . . . . . 2.4.2 Závislost na průměru . . . . . . . . . . 2.4.3 Závislost na délce . . . . . . . . . . . . 2.5 Tabulky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Hustota a dyn. viskozita kapalin . . . . 2.5.2 Hustota a dyn. viskozita plynů . . . . . 2.5.3 Závislost hustoty vzduchu na teplotě . 2.5.4 Závislost viskozity vzduchu na teplotě . 2.5.5 Závislost hustoty vody na teplotě . . . 2.5.6 Závislost viskozity vzduchu na teplotě . 2.6 Nápověda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Lišta s ovládacími tlačítky
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 12
1
II
Postup výpočtu
14
4 Výpočet pro jediné zadání
15
5 Opakování výpočtu se změnou parametrů
16
6 Výpočet závislosti tlakové ztráty na některém z parametrů
17
7 Grafy
18
A A.1 Použité vztahy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Použité matematické metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 19 20
B.1 Tabulky fyzikálních vlastností některých kapalin a plynů . . . . B.1.1 Tabulka dynamické viskozity a hustoty kapalin při 20o C B.1.2 Tabulka dynamické viskozity a hustoty různých plynů při B.1.3 Hustota suchého vzduchu . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1.4 Viskozita vzduchu při 1,013 25 bar . . . . . . . . . . . . B.1.5 Tabulka závislosti hustoty vody na teplotě . . . . . . . . B.1.6 Dynamická viskozita vody v závislosti na teplotě . . . . .
. . . . . . .
21 21 21 22 23 23 24 24
C.1 Drsnosti potrubních materiálů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.1.1 Drsnost materiálů potrubí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25 25 25
B . . . . . . 0o C . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
C
2
Část I Popis ovládacích prvků
3
Kapitola 1 Pracovní plocha Pracovní plocha obsahuje vstupní pole pro zadání úlohy :
Obrázek 1.1: Pracovní plocha • vstupní přetlak (kPa) • průtok (m3 /h) resp. (m3n /h) • průměr (potrubí) (mm) • délku potrubí (m) • hustotu média (kg/m3 ) (za normálních podmínek) • viskozitu média (Pas) • absolutní drsnost potrubí (mm)
4
Dále obsahuje pole s výsledky : • oblast proudění - laminární, přechodnou či turbulentní • vypočtenou tlakovou ztrátu (kPa) • délku s přídavkem ekvivalentních délek (m) (odpovídajícím prvkům potrubí - např. kolena, armatury, apod.) Ve spodní části jsou základní ovládací tlačítka : • Vypočti - pro spuštění výpočtu zadané úlohy • Zápis do souboru - pro přidání údajů z vypočtené úlohy do záznamového souboru (jeho využití bude zmíněno dále - kapitola 6 na straně 17)
5
Kapitola 2 Popis nabídkové lišty 2.1 2.1.1
Soubor Otevřít nový
Slouží k otevření nového záznamového souboru. Využití popsáno v kapitole 6 na straně 17.
2.1.2
Uložit jako
Uloží záznamový soubor pod jménem zvoleným uživatelem. Tento soubor lze poté zapracovat jiným programem (např. tabulkovým procesorem).
2.1.3
Výpis dat
Obrázek 2.1: Záznamový soubor Otevře nové okno a v něm provede výpis dat ze záznamového souboru.
6
2.1.4
Konec
Ukončí celý program.
2.2
Tekutina
2.2.1
Kapalina
Navolí výpočet pro kapaliny - objeví se v zadávacím poli pracovní plochy.(Navoleno defaultně po spuštění programu).
2.2.2
Plyn
Navolí výpočet pro plyny - objeví se v zadávacím poli pracovní plochy.
Obrázek 2.2: Volba tekutiny
2.3 2.3.1
Nástroje Ekvivalentní délky
Otevře nové okno s formulářem pro zadání ekvivalentních délek. (Popis zadávání popsán dále - kapitola 4 na straně 15).
2.3.2
Drsnosti
Otevře nové okno s tabulkou typických absolutních drsností materiálů potrubí. Toto lze použít pro orientaci při zadání úlohy.
7
Obrázek 2.3: Výpočet ekvivalentní délky
Obrázek 2.4: Tabulka drsností materiálů potrubí
2.4 2.4.1
Graf Závislost na průtoku
Otevře nové okno, ve kterém se zobrazí graf závislosti tlakové ztráty na průtoku. Program k tomu potřebuje data ze záznamového souboru.(Viz kapitolu 7 na straně 18) 8
Obrázek 2.5: Graf závislosti tlakové ztráty na průtoku
2.4.2
Závislost na průměru
Otevře nové okno, ve kterém se zobrazí graf závislosti tlakové ztráty na průměru. Program k tomu potřebuje data ze záznamového souboru.
2.4.3
Závislost na délce
Otevře nové okno, ve kterém se zobrazí graf závislosti tlakové ztráty na délce. Program k tomu potřebuje data ze záznamového souboru.
2.5 2.5.1
Tabulky Hustota a dyn. viskozita kapalin
Otevře nové okno s tabulkou hustot a dynamických viskozit některých kapalin. Což lze využít při zadání úlohy.
9
Obrázek 2.6: Tabulka hustot a dyn.viskozit některých kapalin
2.5.2
Hustota a dyn. viskozita plynů
Otevře nové okno s tabulkou hustot a dynamických viskozit některých plynů. Což lze využít při zadání úlohy.
2.5.3
Závislost hustoty vzduchu na teplotě
Otevře nové okno s tabulkou závislosti hustoty vzduchu na teplotě (při normálním tlaku). Což lze využít při zadání úlohy.
2.5.4
Závislost viskozity vzduchu na teplotě
Otevře nové okno s tabulkou závislosti dynamické viskozity vzduchu na teplotě. Což lze využít při zadání úlohy.
2.5.5
Závislost hustoty vody na teplotě
Otevře nové okno s tabulkou závislosti hustoty vody na teplotě. Což lze využít při zadání úlohy.
2.5.6
Závislost viskozity vzduchu na teplotě
Otevře nové okno s tabulkou závislosti dyn. viskozity vody na teplotě. Což lze využít při zadání úlohy.
10
2.6
Nápověda
Položky nabídky Nápověda snad není potřeba komentovat. Obsahuje položky : • O aplikaci • Nápověda • Použité vztahy (viz též přílohu A) Ovládání vlastní nápovědy by mělo být dostatečně intuitivní a prosté. Obsahuje vše podstatné pro vlastní práci s programem.
Obrázek 2.7: Vzhled nápovědy
11
Kapitola 3 Lišta s ovládacími tlačítky Obsahuje odleva tato tlačítka (shodná funkce s položkou v nabídce) :
Obrázek 3.1: Tlačítko Otevři nový soubor
Obrázek 3.2: Tlačítko Výpis dat
Obrázek 3.3: Tlačítko Uložit jako
12
Obrázek 3.4: Tlačítko Ekvivalentní délky
Obrázek 3.5: Tlačítko Drsnost
Obrázek 3.6: Tlačítko Nápověda
13
Část II Postup výpočtu
14
Kapitola 4 Výpočet pro jediné zadání Po případ výpočtu jediné úlohy postupujte následovně : • Zvolte tekutinu tj. kapalinu (navolena defaultně) nebo plyn pomocí nabídkové lišty - Tekutina - Kapalina resp. Plyn. • Při výpočtu pro plynné médium zadejte vstupní přetlak (pro kapaliny je to bezpředmětné). • Zadejte další vstupní hodnoty - průtok (u plynů v m3n /h), průměr potrubí, délku potrubí, hustotu média (u plynů za norm. podmínek), dynamickou viskozitu (závislá především na teplotě) a absolutní drsnost potrubí. POZOR! Jako desetinný oddělovač je nutno použít tečku !!! Pokud vlastnosti média neznáte (hustota a dyn. viskozita), možná budete mít štěstí a naleznete tyto hodnoty v tabulkách (Nabídková lišta - Tabulky). Pro orientaci je k dispozici i tabulka s drsnostmi některých materiálů potrubí - nabídková lišta Nástroje - Drsnosti. • Pokud se nejedná o rovné potrubí, je třeba připočítat délku ekvivalentní jednotlivým prvkům potrubí. Jedná se např. o kolena, armatury, zúžení, apod. K výpočtu a zohlednění ekvivalentní délky použijte formulář dostupný přes nabídku - Nástroje Ekvivalentní délky. POZOR! Zadávací pole musí obsahovat minimálně hodnotu průměru potrubí ! Použití formuláře je prosté. Navolíte rolovátky příslušný počet jednotlivých prvků a na konec stisknete tlačítko Spočti. Nad tlačítky se objeví vypočtená ekvivalentní délka. Ukončíte stiskem tlačítka Zpět. • Tím je zadání hotovo a teď již stačí stiskem tlačítka Vypočti na pracovní ploše provést vlastní výpočet. Výsledky se objeví v okénkách na pracovní ploše.
15
Kapitola 5 Opakování výpočtu se změnou parametrů Uvedený postup lze opakovat se změnou některého resp. některých parametrů. Stačí změnit parametr v příslušném zadávacím poli a stiskem tlačítka Vypočti výpočet provést.
16
Kapitola 6 Výpočet závislosti tlakové ztráty na některém z parametrů Výše popsaný opakovaný výpočet většinou slouží ke zjištění závislosti tlakové ztráty na některém ze zadávaných parametrů. Program umožňuje každý jednotlivý výpočet uložit do pomocného souboru. Tento soubor lze využít pro grafické znázornění závislosti resp. lze jej uložit pod jiným jménem a zpracovat jiným programem - např. tabulkovým procesorem. Postupy jsou následující : • Otevřete záznamový soubor (čímž se přemaže předcházející) volbou z nabídky - Soubor - Otevřít nový. • Po výpočtu stiskem tlačítka Zápis do souboru na pracovní ploše uložíte zadaná data a data vypočtená do tohoto souboru. • Toto můžete opakovat libovolně (co disková kapacita stačí). • Obsah záznamového souboru si můžete prohlédnout volbou nabídky - Soubor - Výpis dat. • Pokud chcete data zpracovat v jiném programu uložte záznamový soubor pod jiným jménem volbou z nabídky - Soubor - Uložit jako.
17
Kapitola 7 Grafy Výše uvedený postup výpočtu závislosti tlakové ztráty na některém z parametrů lze využít ke grafickému znázornění této závislosti. K dispozici máte tři možnosti: • závislost tlakové ztráty na průtoku • závislost tlakové ztráty na průměru • závislost tlakové ztráty na délce Je logické, že příslušný parametr je při opakovaném výpočtu (se zápisem do záznamového souboru) potřeba měnit vzestupně resp. sestupně. Zobrazení grafu po provedeném výpočtu provedete volbou z nabídky - Graf.
18
Příloha A
A.1
Použité vztahy
Reynoldsovo kritérium :
Re =
4V ρ πdη
Tlaková ztráta pro laminární proudění :
λ=
64 Re
⇒ ∆p =
512V 2 ρl π 2 d5 Re
Tlaková ztráta pro přechodnou oblast : 2
∆p = 0.25646 RelρV 1/4 d5 Tlaková ztráta pro turbulentní proudění : ² X = −2log( 2,51πηd 4V ρ X + 0, 28 d )
∆p =
8lV 2 ρ X 2 π 2 d5
Kde : V je průtok v m3 /s d je průměr v m l je délka v m ρ je hustota v kg/m3 η je dynamická viskozita v P as ² je absolutní drsnost v m ∆p je tlaková ztráta v P a
19
A.2
Použité matematické metody
Vztahy pro výpočet tlakové ztráty v laminární a přechodné oblasti vedou přímo k cíli stačí dosadit hodnoty do výše uvedených vzorců. V případě turbulentního proudění je zapotřebí řešit obecnou rovnici s jednou neznámou (X = . . .). V programu je pro získání řešení použita metoda půlení intervalu. Výchozí interval je [0;100000] a přesnost získaného kořene je 0.0000001. Výše uvedené metody jsou použity pro výpočet kapalin. V případě plynného média jsou nejdříve přepočteny parametry průtoku a hustoty dle stavové rovnice ideálního plynu podle hodnoty vstupního tlaku. Po výpočtu ∆p je polovina této hodnoty odečtena od vstupního tlaku a podle této korigované hodnoty je výpočet opakován s výslednou hodnotou (není použita hlubší iterace - pro technickou praxi a přesnost výsledků to ovšem není na závadu).
20
Příloha B
B.1
Tabulky fyzikálních vlastností některých kapalin a plynů
Pro ty, kteří raději listují v písemnostech uvádím zde použité tabulky fyzikálních hodnot (obsažené v programu).
B.1.1
Tabulka dynamické viskozity a hustoty kapalin při 20o C
Kapalina Aceton Anilin Benzín Benzen Diethylether Ethanol Glycerol Chloroform Kyselina dusičná Kyselina mravenčí Kyselina sírová Methanol Olej olivový Olej ricínový Olej terpentýnový Olej transformátorový Rtuť Tetrachlormethan Toluen
Viskozita Hustota 10−3 [P as] [kgm3 ] 0,33 789,9 4,43 1 022 0,53 700-750 0,65 877 0,24 714 1,20 789,3 1480,0 1 261 0,58 1 483 0,91 1 527 1,78 1 220 25,4 1 840 0,58 791,7 84,0 910 987,0 960 1,49 855 31,6 866 1,55 13 579,04 0,97 1 597 0,59 867
21
B.1.2
Tabulka dynamické viskozity a hustoty různých plynů při 0o C
Plyn Acetylen Amoniak Argon Dusík Ethan Ethen Chlor Chlorovodík Kyslík Methan Oxid dusnatý Oxid dusný Oxid siřičitý Oxid uhelnatý Oxid uhličitý Sirovodík Vodík
Viskozita 10−6 [P as] 9,35 9,18 20,96 17,07 8,48 9,07 12,97 13,85 18,9 10,26 17,8 13,5 11,58 16,6 13,9 11,66 8,35
Hustota [kgm3 ] 1,147 0,75 1,759 1,234 1,24 1,235 3,12 1,605 1,409 0,707 1,323 1,938 2,82 1,234 1,951 1,501 0,088 95
22
B.1.3 Teplota [o C] -50 -40 -30 -20 -10 0 5 10 15 20 21 22 23 24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
B.1.4 Teplota [o C] 0 50 100 150 200 250 300 400 500
Hustota suchého vzduchu Hustota [kgm3 ] 1,582 6 1,514 7 1,452 4 1,395 1 1,342 0 1,295 9 1,269 7 1,247 2 1,225 6 1,204 7 1,200 6 1,196 5 1,192 5 1,188 5 1,184 5 1,164 9 1,146 0 1,127 7 1,110 0 1,092 8 1,076 2 1,060 0 1,044 4 1,029 2
Viskozita vzduchu při 1,013 25 bar Dynamická viskozita 10−5 [P as] 1,71 1,95 2,17 2,38 2,57 2,75 2,93 3,25 3,55
23
B.1.5 Teplota [o C] 0 4 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100
B.1.6 Teplota [o C] 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tabulka závislosti hustoty vody na teplotě Hustota [kgm3 ] 999,941 999,973 999,701 999,099 998,205 995,651 992,220 988,040 983,200 977,760 971,790 965,300 958,350
Dynamická viskozita vody v závislosti na teplotě Dynamická viskozita 10−3 [P as] 1,787 1,519 1,307 1,002 0,798 0,653 0,547 0,467 0,404 0,355 0,315 0,282
24
Příloha C
C.1
Drsnosti potrubních materiálů
Na doplnění ještě tabulka s drsnostmi.
C.1.1
Drsnost materiálů potrubí
Materiál beton drsný beton hlazený dřevo litina asfaltovaná litina mírně korodovaná litina nová litina značně korodovaná ocel bezešvá, mírně korodovaná ocel bezešvá, nová ocel bezešvá, značně korodovaná ocel nýtovaná pozinkované trubky sklo tažená měď, olovo, mosaz
Drsnost [mm] 1,0 - 3,0 0,3 - 0,8 0,2 - 2,5 0,1 - 0,2 1,0 - 1,5 0,3 - 1,0 1,5 - 3,0 0,2 - 0,3 0,1 - 0,2 0,5 - 1,0 0,9 - 9,0 0,1 - 0,2 0 0,01-0,05
25
