Univerzita obrany. Měření součinitele tření potrubí K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

Transkript

1 Univerzita obrany K-216 Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA Měření součinitele tření potrubí Protokol obsahuje 14 listů Vypracoval: Vít Havránek Studijní skupina: 21-3LRT-C Datum zpracování: Brno 2011

2 Obsah 1 Cíl měření Schéma a popis užitého zařízení Zadané hodnoty Výpočtové vztahy Postup měření Tabulka měřených a vypočtených hodnot Tabulkové veličiny Určení součinitele tření Vynesené hodnoty bez Nikuradzeho diagramu Nikuradzeho diagram s vynesenými hodnotami Určení odchylek měřených průtoků Odečet kinematické a dynamické vazkosti vody Vyhodnocení měřených a vypočítaných hodnot, závěr Závěr Použitá literatura Použité programy

3 1 Cíl měření 1.) Provést měření součinitele tření přímého potrubí kruhového průřezu 2.) Vznést určené hodnot součinitele tření v Nikuradzeho diagramu 2 Schéma a popis užitého zařízení Použité zařízení sestává z čerpadla 1,které dopravuje tekutinu do nádrže 12, odkud je tekutina vedena do jedné z větví paralelně vodorovně položeného potrubí 6, ve kterém se zjišťují ztráty třením. Kapalina odtéká do odpadní nádrže 16. Průtok kapaliny potrubím je regulován škrcením pomocí ventilů 9 a 10. Ventil 10 slouží k odpuštění přebytečného množství vody dodávaného čerpadlem. Tato regulace umožní zajistit konstantní tlak vody ve vzdušníku 12 odečítaný během měření na manometru 11. Diferenční tlak mezi dvěma odběry statického tlaku na použitém potrubí je měřen dvojicí kapalinových U manometrů. Pro měření malých tlakových rozdílů je zapojen kompresní vodní manometr 7 a pro větší tlakové rozdíly je použit rtuťový manometr 8. Průtok vody měřící tratí stanovíme objemovou metodou, která spočívá ve změření času potřebného k naplnění kalibrovaných nádob 1. Jde o čtyři paralelně řazené nádoby, dle potřeby zapojované, v nichž poloha hladiny je indikována společným vodoznakem 4. Po naplnění nádob vodou se sami vyprázdní přes přepad 14, nebo se vypustí otevřením ventilu 15. Průtok je dále měřen clonou 3 připojenou na plovákový průtokoměr 2 a dvěma paralelně řazenými plovákovými průtokoměry rotametry 5. 3

4 Schéma měřícího zařízení 4

5 3 Zadané hodnoty Tab.3.1 Základní rozměry přímého potrubí Průměr potrubí (vnitřní) d [m] Délka potrubí l [m] Materiál potrubí 1. 0,0144 2,700 Plast Hostalen Tab.3.2 Objemy kalibrovaných nádob pro měření průtoků Nádoba V 1 [m 3 ] V 2 [m 3 ] V 3 [m 3 ] V 4 [m 3 ] Objem 0,0138 0,0271 0,0409 0,0542 Tab.3.3 Základní data plovákového průtokoměru pro měření průtoku na cloně Typ plovákového průtokoměru Zepadif 21/339 Rozsah diferenčního tlaku [Pa] (0,2 1,2).9, Rozsah stupnice [dílků] 0 18 Rozsah průtoku [l.min -1 ] 0 90 Konstanta průtokoměru [l.min -1 /dílek] 5 Třída přesnosti [%] 3 Tab.3.4 Základní data použitého rotametru použitého pro měření průtoku měřící tratí Typ rotametru 71/78855 R-8-B Měřící kapalina Voda Rozsah stupnice [dílků] 0,2 1,8 Rozsah průtoku [[[m 3.hod -1 ] 0,2 1,8 Konstanta rotametru [[m 3.hod -1 /dílek] 1 Třída přesnosti [%] 3 Tab.3.5 Základní data samočinné domácí vodárny použité v měřící trati: Typ vodárny DARLING 100 Maximální sací měrná energie [J.kg -1 ] 78,45 Maximální výtlačná měrná energie [J.kg -1 ] 176,5 Tlak spínací [MPa] 0,20 Tlak vypínací [MPa] 0,34 Maximální průtok čerpadla [l.min -1 ] 67 Obsah tlakové nádoby [l] 100 5

6 4 Výpočtové vztahy Měrná ztrátová energie proudící kapaliny v přímém potrubí kruhového průřezu je dána definičním vztahem l délka přímého potrubí, d vnitřní průměr, v rychlost tekutiny v potrubí, λ součinitel tření Součinitel tření je dán, pro přímé potrubí kruhového průřezu, obecnou závislostí Re - Reynoldsovo číslo vztažené k průměru potrubí d v - rychlost tekutiny v potrubí, ν kinematická viskozita tekutiny, Q objemový průtok Ve výše uvedené obecné závislosti představuje relativní drsnost potrubí, pro kterou platí vztah k střední výška nerovností vnitřních stěn potrubí, d vnitřní průměr potrubí Nikuradzeho diagram popisuje závislost součinitele tření na Reynoldsově čísle Re a relativní drsnosti. V praxi se dosud setkáváme, při popisu ztrát při proudění tekutiny s pojmy tlaková ztráta p z a ztrátová výška h z. Pro přepočet měrné ztrátové energie, tlakové ztráty a ztrátové výšky platí následující vzorec: e z ztrátová energie, p z tlaková ztráta, h z výšková ztráta, g tíhové zrychlení, ρ hustota 6

7 Tlaková ztráta p z je definovaná jako rozdíl tlaku Δp mezi statickými tlaky měřenými v odběrech tlaku ve stěně, z nichž jeden p 1 je počátku a druhý p 2 je na konci měřeného přímého potrubí o průměru d, jímž protéká proud tekutiny o hustotě. Platí Rozdíl tlaků Δp tekutiny o hustotě v uvažovaných bodech odběru tlaku, které jsou ve vodorovné poloze, způsobí výchylku Δh měrné kapaliny o hustotě m použité v připojené U-trubici. 1.) V případě kapalinového manometru, ve kterém měřící kapalinou je rtuť a proudící tekutinou je v našem případě voda, platí vztah 2.) Pro kompresní kapalinový manometr, ve kterém je měřící kapalinou samotná proudící tekutina v našem případě voda, platí rovnice Ztrátová výška h z je vázaná jednoznačně s měřenými rozdíly tlaku Δp mezi měřenými v odběry tlaku ve stěně potrubí, z nichž jeden p 1 je počátku a druhý p 2 je na konci měřeného přímého potrubí o průměru d. Protéká-li potrubím voda o hustotě ρ=ρ H2O, platí následující vztahy 1.) v případě rtuťového manometru 2.) v případě vodního kompresního manometru Rychlost vody v potrubí určíme z rovnice spojitosti. Při změřeném objemovém průtoku platí Q objemový průtok, d vnitřní průměr potrubí 7

8 Průtočný objem je při měření odměrnými nádobami určen vztahem V objem, τ čas případně lze jej odečíst přímo průtočný objem Q R na rotametru či průtočný objem Q C na plovákovém průtokoměru připojeném na vloženou clonu v měřící trati. Pro vyhodnocení přesnosti měřených průtočných objemů Q R a Q C lze určit odchylky uvedených průtoků od průtočného objemu Q stanoveného pomocí odměrných nádob. Procentuelní odchylky uvedených průtoků, vztažené na maximální údaj stupnice daného měřidla, jsou definovány níže uvedenými vztahy respektive 5 Postup měření Jednotlivé odečítané hodnoty měřených veličin jsou souhrnně uváděny v zápisové tabulce. Při zápisu naměřených veličin je potřeba důsledně uvádět jednotky těchto měřených veličin. a) Provedeme odečet konstant Teplota vzduchu t b [ C] Tlak vzduchu p b [Pa] Vlhkost vzduchu [%] Teplota vody t v [ C] b) Spustíme čerpadlo při zavřeném regulačním ventilu. c) Nastavíme zvolený průtok Qc pomocí regulačního ventilu. d) V případě malé hodnoty měřeného diferenčního tlaku připojíme vodní kompresní manometr (rtuťový manometr je připojen stále). e) V případě velké rychlosti naplňování stávajících odměrných nádob připojíme další odměrnou nádobu (první odměrná nádoba je připojena stále) f) Provedeme odečet měřených veličin: Výšku rtuti v U-manometru h 3 a h 4 [m], respektive výšku vody ve vodním kompresním manometru h 1 a h 2 [m]. Hodnotu průtoku kapaliny na plovákovém průtokoměru Q C [dílky]. Hodnotu průtoku kapaliny na rotametru Q R [dílky]. Objem odměrných nádob V 1-4 a odpovídající čas ti jejich plnění. g) Měření provedeme v celém rozsahu průtoků Q C na stupnici plovákového průtokoměru zapojeného na clonu. h) Provedeme kontrolní odečet konstant dne. 8

9 6 Tabulka měřených a vypočtených hodnot 6.1 Tabulkové veličiny Jednotlivé měřené hodnoty a požadované vypočtené hodnoty průtoku, včetně zhodnocení přesností měření tohoto průtoku plovákovým průtokoměrem, je uvedeno na zápisové a výpočtové tabulce. Při zápisu veličin a prováděném výpočtu je potřeba důsledně uvádět jednotky veličin. V prvé části tabulky jsou uvedeny, po záznamu odečtených konstant dne p b, t b, a t v, základní data o použitých kapalinách H2O a Hg, použitém potrubí a to jeho rozměrech průměru d a délky l a materiálu z kterého je zhotoveno. Jsou uvedeny též potřebné údaje o plovákovém průtokoměru připojeném na clonu Q C a rotametru zařazeném v měřícím okruhu Q R. Poté jsou určeny potřebné výpočtové konstanty, a to poměr průměru délky potrubí a dynamická vazkost. V druhé části tabulky je nejprve proveden zápis měřených výchylek kapalinových manometrů h 1, h 2, h 3, h 4. Poté následuje výpočet rozdílů výšek hladin Δh Hg a Δh H2O kapalin použitých v manometrech při měření a stanovení korespondujícího diferenčního tlaku Δp mezi stanovenými odběry statického tlaku u měřeného potrubí. Měrná ztrátová energie e z je jednoznačně vázána s tlakovou ztrátou p z. Tuto tlakovou ztrátu určíme ze změřených diferenčních tlaků. Hmotnostní průtok Q m určíme, při znalosti objemu měřících nádob V a korespondujícího změřeného času τ. Rovnice spojitosti nám pak poslouží k určení rychlosti v proudící kapaliny v měrném potrubí. Reynoldsovo číslo Re, při kterém je prováděno dané měření, určíme z definičního vztahu. Součinitel je určen pak ze základního definičního vztahu. Údaje plovákového průtokoměru připojeného na clonu Q C a údaje rotametru Q R přepočteme na údaje v požadovaných l.min -1 za použití známých konstant. Odchylky ΔQ R a ΔQ C, stanovené jako rozdíly průtoků Q C a Q C od skutečného objemového průtoku Q určeného z měřené pomocí odměrných nádob a korespondujícího času jejich naplnění. Tato odchylka vyjádřená v procentech maximálního údaje objemového průtoku Q Cmax a Q Rmax na stupnici daného měřidla, umožňuje pak provést zhodnocení přesnosti těchto dalších možností pro měření průtoku. 9