Hydraulické charakteristiky systému: jak je určit a proč jsou nutné: epumpsru — LiveJournal

Při práci se systémy pro přenos kapalin je důležité pochopit, jak změny průtoku ovlivňují tlak a další parametry. V tomto článku se podíváme na kvadratický vztah mezi průtokem a tlakem a také na roli hydraulických charakteristik při výběru čerpacího zařízení a návrhu systémů pro přenos kapalin.

Charakteristiky čerpadla umožňují určit parametry jeho provozu v hydraulickém systému. Tlaková charakteristika je hlavní a závisí na průtoku. Pro určení provozního bodu čerpadla je nutné vynést charakteristiky čerpadla a sítě do jednoho grafu. Provoz odstředivého čerpadla lze upravit změnou frekvence otáčení oběžného kola, úhlu lopatek nebo užitečného přívodu obtokem nebo škrcením ventilů.

Charakteristiky čerpadla určují jeho parametry a provozní režim v hydraulickém systému. Tlaková charakteristika je hlavní a ukazuje závislost tlaku na průtoku. Pro správný výběr čerpadla pro konkrétní síť je nutné sladit charakteristiky čerpadla a sítě určením provozního bodu. Provozní bod je průsečík grafů charakteristik čerpadla a sítě, který umožňuje určit tlak a průtok při práci v daném potrubním systému.

Pro změnu polohy pracovního bodu můžete změnit rychlost otáčení kol nebo průtokovou plochu ventilů (škrcení). Můžete také použít obtokovou regulaci nebo poslat částečný tok kapaliny zpět do odtoku. Tyto metody však nejsou vždy nákladově efektivní.

S rostoucím průtokem se zvyšuje i tlak, ale nelineárně v důsledku odporu potrubí. Hydraulické charakteristiky sítě umožňují určit požadovaný tlak pro čerpání kapaliny při daném průtoku a zvolit čerpadlo s odpovídající kapacitou.

Hydraulické charakteristiky sítě jsou důležitým parametrem při návrhu a provozu hydraulických systémů. Umožňují určit potřebné tlakové zařízení, zvolit optimální konstrukci systému a vypočítat energetické náklady na čerpání kapaliny.

Tlak kapaliny je energie, kterou kapalina vlastní. Tuto energii získává z čerpadla. Při pohybu v hydraulické síti kapalina tuto energii spotřebovává na stoupání z jedné hladiny do druhé (geometrický tlak), překonávání tlakového rozdílu mezi nádobami, proudění potrubím a zrychlení toku na rychlost w.

Celkový tlak se skládá ze čtyř složek: geometrického tlaku Hg; statického nebo dynamického napětí v systému; ztrát třením hpot a vysokorychlostního lisování. Součet prvních dvou složek nezávisí na průtoku, ale vyžaduje pouze změnu nadmořské výšky nad terénem nebo změnu tlaku v řešení kontury systému.

Lze také důsledně dokázat, že celkový objemový průtok Q se rovná součinu ploch průřezů potrubí S a rychlosti proudění w. Pro technické výpočty se vzorec zjednodušuje a graf tlaku v síti v závislosti na průtoku je prakticky parabolická křivka.

Charakteristiku sítě při čerpání kapaliny potrubím lze použít k určení požadovaného objemu čerpadel, výběru optimálního průměru potrubí a odhadu nákladů na energii pro čerpání kapaliny. Například při návrhu vodovodního systému je nutné zohlednit hydraulickou charakteristiku sítě pro výběr vhodného typu čerpadel a určení maximální propustnosti potrubí.

Hydraulické charakteristiky sítí se také používají k řízení parametrů kvality kapaliny v systému. Při změně parametrů průtoku nebo jiných faktorů může existovat riziko poškození zařízení nebo ztráty účinnosti celého systému.

Obecně je znalost hydraulických vlastností sítí klíčovým prvkem při vývoji a provozu jakýchkoli hydraulických systémů. Umožňuje předcházet neočekávaným poruchám zařízení, minimalizovat náklady na elektřinu a další zdroje pro čerpání kapalin potrubím různých tlaků a velikostí.

Pro určení charakteristik sítě je nutné provést hydraulický výpočet, který zahrnuje měření délky potrubí, průměru trubky, součinitele drsnosti stěny a dalších parametrů. Na základě těchto údajů je možné vypočítat tlakovou ztrátu v každé sekci systému a vykreslit graf závislosti tlaku na průtoku pro celý systém. Výsledná charakteristika umožní vybrat čerpadlo s vhodným provozním režimem pro zajištění optimálního výkonu a úspory energie.

Pro stanovení hydraulických charakteristik sítě se používají speciální zkoušky čerpadel a potrubí. Výsledkem těchto zkoušek je sestrojení grafu závislosti tlaku na průtoku pro konkrétní systém.

Znalost hydraulických charakteristik umožňuje správně vybrat čerpací zařízení pro konkrétní úkol a určit jeho provozní režim. Pomáhá také při navrhování účinných systémů chlazení nebo vytápění v průmyslu nebo obytných budovách.

Závěrem lze konstatovat, že znalost hydraulických charakteristik systémů pro čerpání kapalin je nezbytností pro inženýrské specialisty v různých oborech – strojní inženýry, stavební inženýry a další.

Průtok pracovní kapaliny v bezpístnicové dutině výkonového hydraulického válce je určen vztahem:

kde QCmax a Qmin-1 — maximální a minimální průtok kapaliny, m3/S;

Vmax a Vmin — maximální a minimální rychlost pístu, m/s;

Reverzibilní šoupátkový ventil G73-46, pro který:

• — jmenovitá spotřeba oleje m3/S;
• — jmenovitý tlak MPa;
• — tlaková ztráta ve ventilu při jmenovitém průtoku 0,5 MPa.

Škrticí klapka s regulátorem a zpětným ventilem G55-35, pro kterou:

• — jmenovitá spotřeba oleje m3/S;
• — nejnižší doporučená spotřeba m3/S;
• — jmenovitý tlak 12,5 MPa.

Deskový filtr 0,12G41-24, pro který:

• — nejmenší velikost zachycených částic je 120 mikronů;
• — kapacita při tlakové ztrátě 0,1 MPa a viskozitě m2/cm3/S;
• — maximální pracovní tlak 12,5 MPa.

Průměry potrubí se určují na základě podmínky zajištění přípustných provozních rychlostí Vex:

• — sací potrubí 1 m/s;
• — odvodňovací potrubí 2 m/s;
• — výtlačné potrubí při tlaku do 12 MPa, 5 m/s.

Pomocí rovnice konstantního průtoku určíme průměr potrubí:

kde dp — vnitřní průměr potrubí, m;

Qmax — maximální průtok;

Vex — provozní rychlost pracovní kapaliny, m/s.

Průměr sacího potrubí:

akceptujeme = 40 mm.

Průměr odtokového potrubí:

akceptujeme = 30 mm.

Průměr výtlačného potrubí:

akceptujeme = 18 mm.

Určeme rychlost pohybu kapaliny v použitých potrubích:

Stanovení tlakových ztrát v hydraulickém systému se provádí podle rovnice:

kde je celková tlaková ztráta, MPa;

• — součet tlakových ztrát podél sacího, výtlačného a odtokového potrubí, MPa;
• — součet tlakových ztrát v místních odporech, MPa.

Tlakové ztráty podél potrubí se určují podle vzorce:

— Určeme ztráty podél sacího potrubí:

kde je kinematická viskozita kapaliny, m2/ s.

Protože Re=4153>2320, určíme hodnoty limitních Reynoldsových čísel:

kde je ekvivalentní drsnost vnitřního povrchu trubek, trubka je bezešvá ocel, proto , m;

Protože Re< a Re=4153>2320, je Darcyho koeficient určen Blasiusovým vzorcem:

délka sacího potrubí l1 = 2 m;

— Určeme ztráty podél délky odtokového potrubí:

Protože Re=5538>2320, určíme hodnoty limitních Reynoldsových čísel:

hydraulický pohon hydraulické čerpadlo elektromotor

kde je ekvivalentní drsnost vnitřního povrchu trubek, trubka je bezešvá ocel, proto , m;

Protože Re< a Re=5538>2320, je Darcyho koeficient určen Blasiusovým vzorcem:

délka odtokové trubky l2 = 4 m;

— Určeme ztráty podél výtlačného potrubí:

Protože Re=11769>2320, určíme hodnoty limitních Reynoldsových čísel:

kde je ekvivalentní drsnost vnitřního povrchu trubek, trubka je bezešvá ocel, proto , m;

Protože Re< a Re=9249>2320, je Darcyho koeficient určen Blasiusovým vzorcem:

délka výtlačného potrubí l3 = 4 m;

— Určeme tlakovou ztrátu ve vybraném hydraulickém zařízení:

kde je jmenovitá tlaková ztráta hydraulického zařízení při jmenovitém průtoku, MPa.

— Ztráty způsobené lokálním odporem ve ventilu:

— Ztráty způsobené lokálním odporem v tlumivce:

— Ztráty způsobené lokálním odporem ve filtru:

Celkové tlakové ztráty v hydraulickém zařízení pro každou sekci hydraulického systému se zadávají do tabulky: