Гидравлическое сопротивление элементов арматуры

При обычных условиях затвор (клапан, задвижка, кран и т. д.) либо полностью открыт, либо полностью закрыт; промежуточные положения могут иметь место лишь как исключение и не являются основными рабочими положениями затвора.

В связи с этим наибольший интерес представляют собой величины сопротивления затворов в открытом положении.

Величина коэффициента сопротивления ζ зависит от его размеров, конструкции и конфигурации внутренних полостей, определяющих прямолинейность потока, постоянство сечений и т. д. ζ определяется для каждой конструкции опытным путем.

С определенной степенью точности можно считать, что каждое из изделий в арматуре представляет собой систему последовательно установленных элементов, создающих сопротивления (поворот струи, расширение, сужение, снова поворот и т. д.), поэтому потеря напора в арматуре будет примерно равна сумме потерь напора в каждом из элементов арматуры. Общий коэффициент сопротивления изделия приближенно можно рассматривать как сумму аналогичных коэффициентов отдельных элементов, отнесенных к одной и той же скорости среды в трубопроводе, т. е.

ζ = ζ l + ζ 2 + ζ 3 +… + ζ i,

Ниже приводятся данные о сопротивлении наиболее часто встречающихся элементов арматуры в зависимости от их формы и соотношения размеров. При расчете необходимо значения ζ относить именно к тем сечениям и скоростям, относительно которых они получены.

Внезапное расширение струи (рис. 1, а) создает наибольшие потери напора. В этом случае скорость частиц жидкости теряется на образование завихрений, перемешивание жидкости, нагревание ее и т. д. Приближенная зависимость коэффициента местного сопротивления от соотношения площади сечения трубы до и после расширения потока выражается формулами:

где ζ и ζ’ — коэффициенты сопротивления, отнесенный к скорости среды в трубе до и после расширения (табл. 1).

Рисунок 1 – Схема движения жидкости в переходах при расширении: а) внезапное; б) постепенное

Таблица 1 — Значение ζ при внезапном расширении

Постепенное расширение струи — диффузор (рис. 1, б) обычно вызывает значительно меньшие потери напора, чем в случае внезапного; поэтому там, где это возможно, переход с внезапным расширением следует заменять конусным переходом с возможно большей длиной l конусной части, т. е. с возможно малой величиной φ. При малых углах (φ ≤ 12°) можно приближенно принимать

где f и F — площадь сечения трубы до и после расширения соответственно.

φ — угол конуса в переходной части.

Общие потери давления в диффузоре состоят из потерь на расширение и на трение, в соответствии с этим

при величине φ = 0 ÷ 25°

здесь k = 1 ÷ 2 – коэффициент, учитывающий влияние условий входа на коэффициент сопротивления

где λ — коэффициент сопротивления трения единицы длины диффузора, зависящий от числа ReD и степени шероховатости стенок.

Диффузоры с углом φ > 40° дают большое сопротивление, поэтому применение их нецелесообразно. В случае необходимости установки короткого диффузора с φ > 40° более целесообразно выполнить внезапное расширение.

Постепенное сужение потока (рис. 2, а) создает обычно небольшие потери напора.

Рисунок 2 – Схема движения жидкости в переходах при расширении: а) внезапное; б) постепенное

При небольшом угле конусности (φ < 5°) и при хорошо закругленном переходе потеря напора имеет место лишь на трение.

При этом можно принимать ζ’= 0,06 ÷ 0,005.

ζ’, отнесенный к скорости среды после сужения, можно определить по формуле

Значения η — коэффициента смягчения входа — приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Значения коэффициента смягчения входа η

Внезапное сужение потока (рис. 2, б) создает сопротивление, зависящее от отношения сечений f/F.

ζ’, отнесенный к скорости потока, после сужения определяется по формуле

Рисунок 3 – Поворот трубы: а – плавный; б — резкий

Плавный поворот трубы (рис. 3, а) создает сопротивление, зависящее от величины D/R, т. е. от ее отношения диаметра к радиусу закругления и от ее угла поворота в месте закругления. В связи с действием сил трения, сил инерции и разности скоростей движения жидкости в трубе по внутреннему и внешнему закруглениям в ее повороте образуются поперечные потоки жидкости. Эти поперечные потоки создают дополнительные сопротивления и увеличивают площади мертвой зоны в потоке при повороте. В арматуре целесообразно при поворотах потока создавать сечения, приближающиеся к прямоугольным с малой стороной прямоугольника по направлению радиуса закругления.

Для круглой трубы постоянного сечения при повороте на 90° и условии D 2R 5D (табл. 3)

Таблица 3 — Значения коэффициента местного сопротивления при повороте трубы

Рисунок 4 — График изменения ζ для симметричных патрубков.