Kopfverlust – Druckverlust
Bei der praktischen Analyse von Rohrleitungssystemen ist der Druckverlust aufgrund von viskosen Effekten entlang der Länge des Systems sowie zusätzliche Druckverluste aufgrund anderer technologischer Geräte wie Ventile, Bögen, Rohrleitungseingänge, Armaturen und T-Stücke von größter Bedeutung .
Zunächst muss eine erweiterte Bernoulli-Gleichung eingeführt werden. Diese Gleichung ermöglicht es, die Viskosität empirisch zu berücksichtigen und diese mit einem physikalischen Parameter zu quantifizieren, der als Kopfverlust bekannt ist .
Der Druckverlust (oder der Druckverlust) repräsentiert die Verringerung des Gesamtdrucks oder Drucks (Summe aus Elevationskopf, Geschwindigkeitskopf und Druckkopf) des Fluids, wenn es durch ein Hydrauliksystem fließt. Der Druckverlust stellt auch die Energie dar, die zur Überwindung der Reibung verwendet wird, die durch die Wände des Rohrs und andere technologische Geräte verursacht wird. Der Kopfverlust ist bei echten beweglichen Flüssigkeiten unvermeidbar. Es ist aufgrund der Reibung zwischen benachbarten Fluidteilchen vorhanden, wenn sie sich relativ zueinander bewegen (insbesondere bei turbulenter Strömung).
Der in Rohren auftretende Druckverlust hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Rohrdurchmesser und der Rohrlänge sowie einem Reibungsfaktor ab, der auf der Rauheit des Rohrs und der Reynolds-Zahl der Strömung basiert . Obwohl der Kopfverlust einen Energieverlust darstellt , stellt er keinen Verlust der Gesamtenergie der Flüssigkeit dar. Die Gesamtenergie der Flüssigkeit bleibt infolge des Energieerhaltungsgesetzes erhalten . In der Realität führt der Kopfverlust aufgrund von Reibung zu einer äquivalenten Erhöhung der inneren Energie (Temperaturerhöhung) des Fluids.
Die meisten Methoden zur Bewertung des Kopfverlusts aufgrund von Reibung basieren fast ausschließlich auf experimentellen Beweisen . Dies wird in den folgenden Abschnitten erläutert.
Klassifizierung des Kopfverlustes
Der Druckverlust eines Rohr-, Rohr- oder Kanalsystems entspricht dem eines geraden Rohrs oder Kanals, dessen Länge den Rohren der ursprünglichen Systeme zuzüglich der Summe der äquivalenten Längen aller Komponenten im System entspricht.
Wie zu sehen ist, wird der Druckverlust des Rohrleitungssystems in zwei Hauptkategorien unterteilt: ” Hauptverluste “, die mit dem Energieverlust pro Rohrlänge verbunden sind, und ” geringfügige Verluste “, die mit Biegungen, Armaturen, Ventilen usw. verbunden sind.
- Großer Kopfverlust – aufgrund von Reibung in Rohren und Kanälen.
- Geringer Kopfverlust – aufgrund von Komponenten wie Ventilen, Armaturen, Biegungen und T-Stücken.
Der Kopfverlust kann dann ausgedrückt werden als:
h Verlust = Σ h Hauptverluste + Σ h Nebenverluste
Zusammenfassung:
- Druckverlust oder Druckabfall ist die Verringerung der Gesamtförderhöhe (Summe des Potentialkopfes , Geschwindigkeitskopfes und Druckkopf ) einer durch die verursachten Flüssigkeitsreibung in der Flüssigkeit der Bewegung.
- Druckverlust und Druckverlust stellen das gleiche Phänomen dar – Reibungsverluste in Rohren und Verluste in Hydraulikkomponenten, sie werden jedoch in verschiedenen Einheiten ausgedrückt .
- Der Druckverlust des Hydrauliksystems wird in zwei Hauptkategorien unterteilt :
- Großer Kopfverlust – aufgrund von Reibung in geraden Rohren
- Geringer Druckverlust – aufgrund von Komponenten wie Ventilen, Biegungen…
- Darcys Gleichung kann verwendet werden, um Hauptverluste zu berechnen.
- Eine spezielle Form der Darcy-Gleichung kann verwendet werden, um geringfügige Verluste zu berechnen .
- Der Reibungsfaktor für den Flüssigkeitsfluss kann mithilfe eines Moody-Diagramms bestimmt werden .
Warum ist der Kopfverlust sehr wichtig?
Wie aus dem Bild ersichtlich ist, ist der Druckverlust ein wesentliches Merkmal eines jeden Hydrauliksystems. In Systemen, bei denen einige bestimmte Fließgeschwindigkeit eingehalten werden ( zum Beispiel eine ausreichende Kühlung oder Wärmeübertragung von einem bereitzustellen Reaktorkern ), das Gleichgewicht der Druckverlust und dem Kopf hinzugefügt durch eine Pumpe , um die Fließgeschwindigkeit durch das System bestimmt.
Großer Kopfverlust – Reibungsverlust
Siehe auch: Großer Kopfverlust – Reibungsverlust
Hauptverluste , die mit dem Reibungsenergieverlust pro Rohrlänge verbunden sind, hängen von der Strömungsgeschwindigkeit, der Rohrlänge, dem Rohrdurchmesser und einem Reibungsfaktor ab, der auf der Rauheit des Rohrs basiert und davon, ob die Strömung laminar oder turbulent ist (dh die Reynolds) Nummer des Durchflusses).
Obwohl der Kopfverlust einen Energieverlust darstellt , stellt er keinen Verlust der Gesamtenergie der Flüssigkeit dar. Die Gesamtenergie der Flüssigkeit bleibt infolge des Energieerhaltungsgesetzes erhalten . In der Realität führt der Kopfverlust aufgrund von Reibung zu einer äquivalenten Erhöhung der inneren Energie (Temperaturerhöhung) des Fluids.
Durch Beobachtung ist der Hauptdruckverlust in den meisten technischen Strömungen (voll entwickelte, turbulente Rohrströmung) in etwa proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit .
Die gebräuchlichste Gleichung zur Berechnung der Hauptdruckverluste in einem Rohr oder Kanal ist die Darcy-Weisbach-Gleichung (Druckverlustform).
wo:
- Δh = der Kopfverlust aufgrund von Reibung (m)
- f D = der Darcy-Reibungsfaktor (ohne Einheit)
- L = Rohrlänge (m)
- D = der hydraulische Durchmesser des Rohrs D (m)
- g = die Gravitationskonstante (m / s 2 )
- V = die mittlere Strömungsgeschwindigkeit V (m / s)
Die Auswertung der Darcy-Weisbach-Gleichung liefert Einblicke in Faktoren, die den Druckverlust in einer Pipeline beeinflussen.
- Bedenken Sie, dass sich die Länge des Rohrs oder Kanals verdoppelt und sich der Reibungskopfverlust verdoppelt .
- Bei konstanter Durchflussrate und Rohrlänge ist der Druckverlust umgekehrt proportional zur 4. Potenz des Durchmessers (für laminare Strömung), und eine Erhöhung des Rohrdurchmessers um die Hälfte erhöht den Druckverlust um den Faktor 16. Dies ist eine sehr signifikante Erhöhung Dies zeigt, warum Rohre mit größerem Durchmesser zu einem viel geringeren Pumpleistungsbedarf führen.
- Da der Druckverlust ungefähr proportional zum Quadrat der Durchflussrate ist, erhöht sich der Druckverlust um den Faktor vier , wenn die Durchflussrate verdoppelt wird .
- Der Druckverlust wird um die Hälfte reduziert (bei laminarer Strömung), wenn die Viskosität der Flüssigkeit um die Hälfte verringert wird .
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Mit Ausnahme des Darcy-Reibungsfaktors kann jeder dieser Begriffe (Strömungsgeschwindigkeit, hydraulischer Durchmesser , Rohrlänge) leicht gemessen werden. Der Darcy-Reibungsfaktor berücksichtigt die Fluideigenschaften Dichte und Viskosität sowie die Rohrrauheit . Dieser Faktor kann unter Verwendung verschiedener empirischer Beziehungen bewertet werden oder er kann aus veröffentlichten Diagrammen (z . B. Moody-Diagramm ) gelesen werden .
Geringer Kopfverlust – lokaler Druckverlust
Siehe auch: Geringer Kopfverlust – lokaler Druckverlust
In der Industrie enthält jedes Rohrsystem verschiedene technologische Elemente wie Biegungen , Armaturen , Ventile oder beheizte Kanäle . Diese zusätzlichen Komponenten tragen zum Gesamtkopfverlust des Systems bei. Solche Verluste werden im Allgemeinen als geringfügige Verluste bezeichnet, obwohl sie häufig einen großen Teil des Kopfverlusts ausmachen . Bei relativ kurzen Rohrsystemen mit einer relativ großen Anzahl von Biegungen und Formstücken können geringfügige Verluste größere Verluste leicht übersteigen (insbesondere bei einem teilweise geschlossenen Ventil, das einen größeren Druckverlust verursachen kann als ein langes Rohr, tatsächlich wenn ein Ventil geschlossen ist oder fast geschlossen, der kleine Verlust ist unendlich).
Die geringen Verluste werden üblicherweise experimentell gemessen . Die Daten, insbesondere für Ventile, hängen in gewissem Maße von der Konstruktion des jeweiligen Herstellers ab.
Im Allgemeinen definieren die meisten in der Industrie verwendeten Methoden einen Koeffizienten K als Wert für bestimmte technologische Komponenten.
Wie bei der Rohrreibung sind die geringfügigen Verluste in etwa proportional zum Quadrat der Durchflussmenge und können daher leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden . K ist die Summe aller Verlustkoeffizienten in der Rohrlänge, die jeweils zum Gesamtdruckverlust beitragen.
Die folgenden Methoden sind für die Berechnung des lokalen Druckverlusts von praktischer Bedeutung:
- Methode mit äquivalenter Länge
- K-Methode – Widerstandskoeffizientenmethode
- 2K-Methode
- 3K-Methode
Siehe auch: Geringer Kopfverlust – lokaler Druckverlust
Kopfverlust des zweiphasigen Flüssigkeitsflusses
Siehe auch: Zweiphasiger Druckabfall
Im Gegensatz zu einphasigen Druckabfällen ist die Berechnung und Vorhersage von zweiphasigen Druckabfällen ein viel komplexeres Problem, und die führenden Methoden unterscheiden sich erheblich. Experimentelle Daten zeigen, dass der Reibungsdruckabfall im Zweiphasenstrom (z. B. in einem Siedekanal) wesentlich höher ist als der für einen Einphasenstrom mit gleicher Länge und gleichem Massenstrom. Erklärungen hierfür sind eine scheinbar erhöhte Oberflächenrauheit aufgrund von Blasenbildung auf der erhitzten Oberfläche und erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten.
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