Почему кривая фрикционной напорности является более сложным компонентом системы

В прошлом месяце мы рассмотрели первые две части расчета кривой сопротивления системы: общий статический напор и напор. Обе эти части общего уравнения не зависят от потока. В этом месяце мы рассмотрим третий, более сложный компонент — кривую напора трения, которая зависит от расхода. Не путайте термины зависимый и независимый с переменным и постоянным.

Для наших расчетов мы предположим, что свойства жидкости ньютоновы, что означает, что вязкость не будет меняться в зависимости от скорости потока, и мы рассматриваем только круглую трубу.

Прежде чем мы начнем, я вынужден сообщить, что существует несколько онлайн-калькуляторов и приложений, которые помогут вам рассчитать кривую сопротивления системы. Существуют также платные программы премиум-класса (коммерческое программное обеспечение). Коммерческое программное обеспечение особенно полезно, когда вы сталкиваетесь со сложными системами с ответвленными контурами, контурами с трубами различных размеров, параллельными насосами, форсунками и многочисленными компонентами, такими как теплообменники, которые требуют переменной тепловой балансировки. Приложения и калькуляторы обычно бесплатны, но имеют ограничения и предназначены только для простых систем. Непосвященным стоимость коммерческой программы может показаться высокой, но, по моему опыту, она стоит каждого пенни. Когда вы рассматриваете цену на премиальную программу, вы также должны взвесить риск и экзистенциальную цену неправильного выполнения программы. Независимо от цены, если вы собираетесь использовать какое-либо приложение или программу, все равно важно понимать концепции основных процессов, и этот столбец может помочь вам, независимо от того, является ли процесс ручным или компьютеризированным.

Когда вы пропускаете жидкость с заданной скоростью через трубу некоторой длины, всегда возникает результирующее трение (измеряемое в футах жидкости), которое необходимо преодолеть для завершения процесса. Трение возникает из-за вязких сдвиговых напряжений в жидкости и шероховатости внутренней поверхности трубы. Подумайте о процессе потока как о платной дороге, поскольку для данного диаметра и длины трубы существуют соответствующие затраты на перекачку определенного объема жидкости в единицу времени. Плата за систему, как и любой налог, должна быть уплачена законам науки и природы, и обойти эту плату невозможно. Однако существуют хитрые методы уменьшения потерь, такие как выбор правильного диаметра трубы и конструкционных материалов. Еще один способ снизить затраты — спроектировать систему с геометрической простотой. Прямые участки незагроможденной трубы проходят настолько близко к скоростной полосе, насколько это возможно на этой платной дороге. Все компоненты трубопроводной системы также потребуют еще более высоких затрат, чем трубопровод. Колено, клапаны, тройники, сетчатые фильтры, теплообменники, переходники, патрубки и даже изменения в размерах труб потребуют должного внимания. Уменьшение потерь от трения просто требует минимизации общего количества фитингов и/или выбора более эффективных компонентов. Примером этого могут быть колена с длинным радиусом по сравнению с коротким радиусом. Существуют также эффективные варианты геометрии компонентов и трубопроводов, такие как звездочки вместо тройников и полнопроходные клапаны, где это возможно/практично.

Существует три распространенных метода расчета кривой трения для вашей системы:

Фактор К (коэффициенты сопротивления), обычно обозначаемый как К.

Cv (коэффициент расхода)

Метод эквивалентной длины (L/D). Единицы измерения — футы, символ = Le.

В этой статье мы сосредоточимся на методе эквивалентной длины. Это самый простой подход, который при правильном выполнении даст надежные результаты. Внимание: метод эквивалентной длины иногда может привести к тому, что системная кривая на бумаге выглядит более ограничительной, чем есть на самом деле, особенно если скорости жидкости попадают в нижние ламинарные области. Следовательно, этот метод может привести к выбору большего количества насосов, чем необходимо. Если вы понимаете риск, вы можете смягчить проблему.

Подход с использованием K-фактора дает дополнительную точность по сравнению с методом эквивалентной длины, но расчеты более утомительны. Подход с использованием К-фактора будет более точным из двух подходов; степень точности зависит от конструкции системы и соответствующего диапазона скоростей жидкости.