Gdy płyn przepływa przez rurę będzie spadek ciśnienia, który występuje w wyniku oporu przepływu. Może również wystąpić przyrost/stratę ciśnienia w wyniku zmiany wysokości pomiędzy początkiem a końcem rury. Ta ogólna różnica ciśnień w całej rurze jest związana z wieloma czynnikami:

• Tarcie między płynem a ścianą rury
• Tarcie między sąsiednimi warstwami samego płynu
• Straty tarcia w miarę przechodzenia płynu przez wszelkie łączniki rurowe, łuki, zawory, lub komponenty
• Strata ciśnienia spowodowana zmianą wysokości cieczy (jeśli rura nie jest pozioma)
• Zwiększenie ciśnienia spowodowane przez dowolną wysokość cieczy, która jest dodawana przez pompę

Obliczanie spadku ciśnienia w rurze

Aby obliczyć stratę ciśnienia w rurze, konieczne jest obliczenie spadku ciśnienia, zwykle w wysokości cieczy, dla każdego z elementów, które powodują zmianę ciśnienia. Jednakże, aby obliczyć stratę spowodowaną tarciem w rurze, na przykład, konieczne jest obliczenie współczynnika tarcia, aby użyć go w równaniu Darcy’ego-Weisbacha, które określa całkowitą stratę spowodowaną tarciem.

Współczynnik tarcia zależy od wewnętrznej średnicy rury, wewnętrznej chropowatości rury i liczby Reynolda, która z kolei jest obliczana na podstawie lepkości płynu, gęstości płynu, prędkości płynu i wewnętrznej średnicy rury.

W związku z tym istnieje szereg obliczeń cząstkowych, które muszą mieć miejsce, aby obliczyć całkowitą stratę z tytułu tarcia. Pracując wstecz, musimy znać gęstość i właściwości lepkościowe płynu, znać średnicę rury i właściwości chropowatości, obliczyć liczbę Reynolda, użyć jej do obliczenia współczynnika tarcia za pomocą równania Colebrooka-White’a, a na koniec wprowadzić współczynnik tarcia do równania Darcy’ego-Weisbacha, aby obliczyć stratę tarcia w rurze.

Po obliczeniu straty tarcia w rurze musimy następnie rozważyć ewentualne straty związane z dopasowaniem, zmianą wysokości i dodaną głowicą pompy. Zsumowanie tych strat/zysków da nam całkowity spadek ciśnienia w rurze. W kolejnych rozdziałach rozważono po kolei każde z obliczeń.

Obliczenia strat tarcia w rurze

Musimy teraz obliczyć każdy z elementów, który jest wymagany do określenia strat tarcia w rurze. Linki na poniższej liście zawierają więcej szczegółów na temat każdego z obliczeń:

• Gęstość cieczy
• Wizkość cieczy
• Pomiar chropowatości rury
• Liczba Reynolda – przepływ laminarny lub turbulentny
• Współczynniki tarcia – Moody Chart i Colebrook-White’a
• Straty tarcia w rurze – metoda Darcy’ego-Weisbacha

Nasze oprogramowanie Pipe Flow automatycznie oblicza straty tarcia w rurach przy użyciu równania Darcy’ego-Weisbacha, ponieważ jest to najdokładniejsza metoda obliczeń dla płynów nieściśliwych, i jest ona również akceptowana jako dokładna w przemyśle dla przepływu ściśliwego, o ile spełnione są pewne warunki.

Obliczenia strat na złączach rurowych

Straty energii spowodowane zaworami, złączami i kolanami są spowodowane przez pewne zlokalizowane zakłócenia przepływu. Rozproszenie utraconej energii następuje na skończonym, ale niekoniecznie krótkim odcinku rurociągu, jednak w obliczeniach hydraulicznych przyjętą praktyką jest uwzględnienie całej wielkości tej straty w miejscu zainstalowania urządzenia.

W przypadku systemów rurowych ze stosunkowo długimi rurami, często zdarza się, że straty na armaturze będą niewielkie w stosunku do całkowitej straty ciśnienia w rurze. Jednak niektóre straty lokalne, takie jak te wytwarzane przez częściowo otwarty zawór, są często bardzo znaczące i nigdy nie można ich nazwać niewielkimi stratami, które zawsze muszą być uwzględnione.

Straty wprowadzane przez konkretny łącznik rurowy są mierzone przy użyciu rzeczywistych danych eksperymentalnych, a następnie analizowane w celu określenia współczynnika K (współczynnik strat lokalnych), który może być użyty do obliczenia strat w łączniku, ponieważ zmienia się on wraz z prędkością płynu przechodzącego przez niego.

Nasze programy Pipe Flow Software ułatwiają automatyczne uwzględnianie strat na armaturze i innych strat lokalnych w obliczeniach spadku ciśnienia, ponieważ są wyposażone we wstępnie załadowaną bazę danych armatury, która zawiera wiele standardowych przemysłowych współczynników K dla różnych różnych zaworów i armatury, w różnych rozmiarach.

Wszystko, co musi zrobić użytkownik, to wybrać odpowiednią armaturę lub zawór, a następnie wybrać 'Zapisz', aby dodać to do rury i uwzględnić w obliczeniach strat ciśnienia w rurze.

Ten link dostarcza więcej informacji na temat współczynników K armatury i równania strat armatury.

Obliczenia strat komponentów rurociągu

Często istnieje wiele różnych typów komponentów, które muszą być modelowane w systemie rurociągów, takich jak wymiennik ciepła lub agregat chłodniczy. Niektóre komponenty mogą powodować znaną stałą stratę ciśnienia, jednak bardziej prawdopodobne jest, że spadek ciśnienia będzie się zmieniał wraz z natężeniem przepływu przechodzącego przez komponent.

Większość producentów dostarcza krzywą wydajności komponentu, która opisuje charakterystykę przepływu w stosunku do utraty wysokości ich produktu. Dane te są następnie wykorzystywane do obliczania strat ciśnienia spowodowanych przez komponent dla określonego natężenia przepływu, ale samo natężenie przepływu będzie również zależne od strat ciśnienia za komponentem i dlatego bardzo trudno jest modelować wydajność utraty głowy komponentu bez użycia odpowiedniego oprogramowania, takiego jak Pipe Flow Expert.

Strata ciśnienia spowodowana zmianą wysokości

Przepływ w rurze wznoszącej się

Jeśli wysokość początkowa rury jest niższa niż wysokość końcowa, to oprócz tarcia i innych strat wystąpi dodatkowa strata ciśnienia spowodowana wzrostem wysokości, która mierzona w wysokości podnoszenia się cieczy jest po prostu równoważna wzrostowi wysokości.

Tj. przy wyższym wzniesieniu cieczy jest mniejsze ciśnienie dodane z powodu zmniejszonej głębokości i ciężaru cieczy powyżej tego punktu.

Przepływ w opadającej rurze

Jeśli początkowe wzniesienie rury jest wyższe niż końcowe, to oprócz tarcia i innych strat będzie dodatkowy przyrost ciśnienia spowodowany spadkiem wzniesienia, który mierzony w wysokości podnoszenia cieczy jest po prostu równoważny spadkowi wzniesienia.

Tj. przy niższej wysokości cieczy jest większe ciśnienie dodane z powodu zwiększonej głębokości i ciężaru cieczy powyżej tego punktu.

Linie Gradientu Energetycznego i Hydraulicznego

Wzniesienie cieczy w rurze, wraz z ciśnieniem w rurze w określonym punkcie, oraz głowicą prędkości cieczy, może być zsumowane w celu obliczenia tego, co jest znane jako Linia Gradientu Energetycznego.

Linia spadku hydraulicznego może być obliczona przez odjęcie wysokości podnoszenia płynu od EGL (Energy Grade Line), lub po prostu przez zsumowanie tylko wysokości podnoszenia płynu i ciśnienia w rurze w tym punkcie.

Obliczenia wysokości pompy

Wewnątrz systemu rurowego często znajduje się pompa, która dodaje dodatkowe ciśnienie (znane jako „wysokość pompy”), aby pokonać straty wynikające z tarcia i inne opory. Wydajność pompy jest zazwyczaj dostępna u producenta, w postaci krzywej wydajności pompy, która przedstawia wykres przepływu w stosunku do wysokości podnoszenia wytwarzanego przez pompę dla zakresu wartości przepływu.

Ponieważ wysokość podnoszenia wytwarzana przez pompę zmienia się w zależności od natężenia przepływu, znalezienie punktu operacyjnego na krzywej wydajności pompy nie zawsze jest łatwym zadaniem. Jeśli zgadujemy natężenie przepływu, a następnie obliczamy dodaną wysokość podnoszenia pompy, to z kolei wpływa to na różnicę ciśnień w rurociągu, co z kolei wpływa na natężenie przepływu.

Oczywiście, jeśli użyjesz naszego oprogramowania Pipe Flow Expert, to znajdzie ono dla Ciebie dokładny punkt pracy na krzywej pompy, zapewniając, że przepływy i ciśnienia będą zrównoważone w całym systemie, aby dać dokładne rozwiązanie Twojego projektu rurociągów.

Jakkolwiek obliczysz wysokość podnoszenia pompy dodaną w rurociągu, ta dodatkowa wysokość podnoszenia musi być dodana z powrotem do każdego spadku ciśnienia, który wystąpił w rurociągu.

Ogólne obliczenie spadku ciśnienia w rurze

Ciśnienie na końcu rozważanej rury jest zatem podane przez następujące równanie (gdzie wszystkie pozycje są określone w m Head of Fluid):
P = P – Friction Loss – Fittings Loss – Component Loss + Elevation + Pump Head
where

P = Pressure at end of pipe
P = Pressure at start of pipe
Elevation = (Elevation at start of pipe) – (Elevation at end of pipe) – (Elevation at end of pipe) (Wzniesienie na końcu rury)
Głowa pompy = 0, jeśli nie ma pompy

Spadek ciśnienia lub raczej różnica ciśnienia dP (może to być przyrost) między początkiem a końcem rury jest zatem podana przez to równanie:
dP = Friction Loss + Fittings Loss + Component Loss – Elevation – Pump Head
where

P = Pressure at end of pipe
P = Pressure at start of pipe
Elevation = (Elevation at start of pipe) – (Elevation at end of pipe)
Pump Head = 0 if no pump present

Note dP is normally specified as a positive value relating to the drop in pressure. Wartość ujemna oznaczałaby wzrost ciśnienia.