Γραμμή ενέργειας σε ένα αγωγό (χωρίς αντλία) Γραμμή ενεργείας: ο γεωμετρικός τόπος του ύψος θέσης, του ύψους πίεσης και του ύψους κινητικής ενέργειας Πάντοτε πτωτική από τη διατήρηση της ενέργειας Δεν ισχύει πάντα το ίδιο για την Π.Γ. (βλπ. Επ. μάθημα)
Με βάση τον παραπάνω μετασχηματισμό παρατηρείστε ότι με τη μείωση της διατομής (D) αυξάνονται σημαντικά οι απώλειες. Αύξηση της διατομής σημαντική μείωση απωλειών, αλλά. αύξηση κόστους
Η εξίσωση Darcy Weisbac πρέπει να προτιμάται από τις άλλες εμπειρικές ή ημιεμπειρικές εξισώσεις προσδιορισμού των απωλειών, γιατί έχει θεωρητική βάση (διατήρηση της ορμής) και ενσωματώνει με το συντελεστή f, πειραματικά δεδομένα ποτ εδράζονται στη θεώρηση του οριακού στρώματος Τσακίρης και Σπηλιώτης, 00
Υπάρχουν δύο είδη απωλειών ενέργειας:. Γραμμικές (δε όλο το μήκος). Τοπικές
Τσακίρης και Σπηλιώτης, 00
Παραδοχές προσεγγίσεις σε αυτό το μάθημα: Οι τοπικές απώλειες είναι ενσωματωμένες στις γραμμικές Σταθερός συντελεστής τριβής f (οι παραπάνω παραδοχές πολλές φορές χρ. στην πράξη κατά το σχεδιασμό) Υδραυλική: Λεπτομερής προσδιορισμός εκτός αν η εκφώνηση απλοποιεί την άσκηση (όπως σήμερα)
Διατήρηση της ενέργειας σε βρόχο ή παράλληλη σύνδεση αγωγών
Eνεργειακή διαδρομή σε κλειστό δίκτυο () outflow line inflow line () Εφαρμόζοντας την εξίσωση της ενέργειας από την στην μέσο της γραμμής H () ( losses Line H ( ) H H losses Line ) () () Εφαρμόζοντας την εξίσωση της ενέργειας από την στην μέσο της γραμμής H () ( H Η H losses () () () ) P γ ( Line P Z γ Z losses H ) () V g V g () Line H () H ()
Eνεργειακή διαδρομή σε κλειστό δίκτυο (Β) Οπότε σε ένα κλειστό δίκτυο οι απώλειες για κάθε εναλλακτική διαδρομή με κοινό πέρας και αρχή είναι ίσες L Line L Line ή 0 L Line L Line Έτσι από την τελευταία εξίσωση προκύπτει το συμπέρασμα ότι το αλγεβρικό άθροισμα (με αναγκαία την παραδοχή θετικής φοράς) των απωλειών φορτίου για ένα κλειστό κύκλωμα (βρόχο) πρέπει να ισούται με μηδέν, δηλ ( losses ) γύρω από τον βρόχο = 0
Bασικές αρχές της Υδραυλικής για την επίλυση κλειστών δικτύων Εξίσωση της ενέργειας (ή εν προκειμένω συνέχεια της πίεσης). Το αλγεβρικό άθροισμα των απωλειών φορτίου για ένα κλειστό κύκλωμα (βρόχο) ισούται με μηδέν: ( losses ) γύρω από τον βρόχο = 0 A Β C D
Γενικό διάγραμμα υπολογισμού της γραμμής ενέργειας στους κλειστούς Ξεκινώ από το ανάντη σημείο (π.χ. δεξαμενή) Ακολουθώντας την κίνηση του νερού αφαιρώ τις απώλειες ενέργειας γραμμή ενέργειας Αφαιρώντας από τη γραμμή ενέργειας το ύψος κινητικής ενέργειας ύψος πιεζομετρικής γραμμής Από την πιεζομετρικής γραμμή αφαιρώ το ύψος θέσης ύψος πίεσης αγωγούς γ Το ύψος της γραμμής ενεργείας σε μία θέση δίνεται από την εξίσωση: Vi. ihi pi zi g, p i pi Ενώ το ύψος της πιεζομετρικής γραμμής δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: z. i pi i Συνεπώς η γραμμή ενεργείας αποτελείται από το άθροισμα της πιεζομετρικής γραμμής και του ύψους κινητικής ενεργείας: Vi. i. i gg Υπολογισμός ύψους πίεσης: γ μ ς ψ ς ης εξίσωση ενέργειας
Ύψ ος πόε σης Πρώτα η γραμμή ενέργειας απλά αφαιρώ απώλειες Από τη γραμμή ενέργειας αφαιρώ την κινητική γραμμή πιεζομετρική γραμμή Από την πιεζομετρική γραμμή αφαιρώ το ύψος θέσης πίεση
Σύνδεση αγωγών σε σειρά και παράλληλα
Ισοδύναμη αντίσταση αγωγού για συνδεσμολογία αγωγών σε σειρά A ΔΖ L Β L D Ορίζεται Ισοδύναμη Αντίσταση αγωγού : oπαροχής Q oγια την αντίσταση από την ενεργειακή εξίσωση προκύπτει: f A D f A B f B D n n n ισ Q A D Q Q f = Δz =γν. ισ o. ΑΣΚΗΣΗ
Ισοδύναμη αντίσταση αγωγού για παράλληλη συνδεσμολογία αγωγών DACY W Γραμμικές απώλειες ενέργειας ενέργειας n = Ισοδύναμη αντίσταση αγωγού : oμε ύψος απωλειών ενέργειας: f f B A f oσυνολική παροχής: Q Q Q ολ ή ρ χής n f n f n B A f ισ n n n ορ ισ
Εφαρμογή.: Για το σχήμα 4 δίνεται ότι η διαφορά στάθμης μεταξύ των δύο δεξαμενών νερού είναι 00m. Η στάθμη των δεξαμενών παραμένει σταθερή. Ο αγωγός έχει συνολικό μήκος L = 4000m, διάμετρο d = 60mm και συντελεστή τριβής f = 0,0. Ο αγωγός έχει συνολικό μήκος L =5900m, διάμετρο d = 457mm και συντελεστή τριβής f = 0,04. Ο αγωγός 3 έχει συνολικό μήκος L 3 =5900m, διάμετρο d 3 =305mm και και συντελεστή τριβής f 3 =0,06. 06 Ο αγωγός 4 έχει συνολικό μήκος L 4 = 000m, διάμετρο d 4 = 60mm και συντελεστή τριβής f 4 = 0,0. Να προσδιορισθεί η παροχή που μεταφέρεται από την δεξαμενή Α στην δεξαμενή Β καθώς και η παροχή στους κλάδους και 3 A L () L 3, 3 (3) ΔΖ () L, (4) L 4 4 B
Λύση: Προφανώς το συνολικό ύψος απωλειών ισούται με την διαφορά άθ δύ δ ξ ώ ό ύ όζ στάθμης των δύο δεξαμενών όπως προκύπτει εφαρμόζοντας την εξίσωση Βernoulli: 00m z z B A B fa Με βάση την θεώρηση Darcy-Weisbac για τυρβώδη ροή ισχύει: L 8 f Q 5 D g π f =Q οπότε 3 3 4 3 3 s m 5 44m 4807 5 587 55 s m 78 34m ) / /(.,.,., ) / /(. Οι αγωγοί, 3 είναι συνδεδεμένοι παράλληλα, οπότε ορίζεται ισοδύναμη αντίσταση αγωγό αντίστασης 3 : 3 57 3. 3 3 m/(m 3 /s)
Q Oι αγωγοί,, 3, 4 είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, οπότε οι σωλήνες,, 3, 4 μπορούν να εξομοιωθούν με έναν τελικό αγωγό, ισοδύναμης αντίστασης: ισ 3 4 ισ 66. 36 m/(m 3 /) /s) και παροχής: / fa ισ B 00 66. 36 0. 403m Q 3 Q Q 3 Q 4 0. 403m / s H παροχή Q είναι κοινή για τους αγωγούς, 3, 4. 3 / s Γιατουςαγωγούςκαι3εφόσονείναιπαράλληλασυνδεδεμένοιισχύει: αγωγούς είναι συνδεδεμένοι ισχύει: f 3 3Q οπότε: f Q f 3 3 Q 3 Q 3 Q 3 0. 98m / Q 3 3 0. 04m / Q 3 3 s s
Εφαρμογή : H δεξαμενή Α (στάθμη νερού 50 m) συνδέεται με την δεξαμενή Β με ένα σωλήνα 600mm διαμέτρου μήκους 3Κm. Προκειμένου να αυξηθεί η παροχή από το Α στο Β 30% υποστηρίζεται η παράλληλη σύνδεση αγωγού ιδίας διαμέτρου με αρχή το σημείο Α και κατάληξη σε ένα σημείο του υπάρχοντος αγωγού Ζητείται να προσδιοριστεί το ελάχιστο μήκος παράλληλης σύνδεσης ΑC, προκειμένου να επιτευχθεί θίη επιθυμητή τιμή της παροχής. Θεωρείστε συντελεστή τριβής f = 0.05 και αγνοήστε τις τοπικές απώλειες. Α 50m x C Β Σχήμα : Διάταξη της άσκησης. Αύξηση παροχής με μπαϊπάς σύνδεση (παράλληλη σύνδεση αγωγών)
Δρ Μ.Σπηλιώτης
(Τσακίρης και Σπηλιώτης, 00)
Εφαρμογή : H δεξαμενή Α (στάθμη νερού 50 m) συνδέεται με την δεξαμενή Β με ένα σωλήνα 600mm διαμέτρου μήκους 3Κm. Προκειμένου να αυξηθεί η παροχή από το Α στο Β 30% υποστηρίζεται η παράλληλη σύνδεση αγωγού ιδίας διαμέτρου με αρχή το σημείο Α και κατάληξη σε ένα σημείο του υπάρχοντος αγωγού Ζητείται να προσδιοριστεί το ελάχιστο μήκος παράλληλης σύνδεσης ΑC, προκειμένου να επιτευχθεί θίη επιθυμητή τιμή της παροχής. Θεωρείστε συντελεστή τριβής f = 0.05 και αγνοήστε τις τοπικές απώλειες. Α 50m x C Β Σχήμα : Διάταξη της άσκησης.
Αρχικά προσδιορίζεται για τις υπάρχουσες συνθήκες (σχήμα ) η παροχή της δεξαμενής Α προς την Β. Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια της εξίσωσης του Bernoulli από την θέση Α στην Β: f,ab z A z B Με βάση την εξίσωση των Darcy-Weisbac και θεωρώντας συντελεστή f = 0.05, οι απώλειες από το Α στο Β είναι: f A B 8fLQ gπ Όπου: f = 0.05 L = 3000m D = 600 mm D 5 Oπότε η εξίσωση του Bernoulli γίνεται: 80. 053000Q 5 gπ 0.6 3 Q 079. m / s 50 Α 50m Β Σχήμα : Αρχική διάταξη.
Για την νέα κατάσταση (σχήμα 3) επιδιώκεται αύξηση της παροχής κατά 30%, δηλαδή: Q =.3 0.79 =.03 m 3 /s Έστω ότι για ένα μήκος x = ΑC θα υπάρχει αγωγός () ώστε για την περίπτωση των αγωγών () και () να υπάρχει παράλληλη συνδεσμολογία σωλήνων (Σχήμα 3). Τότε ισχύει για τους αγωγούς () και (): Το ύψος απωλειών ενέργειας για τους παράλληλους σωλήνες εφόσον αυτοί έχουν κοινή αρχή και πέρας (δηλαδή συνθέτουν ένα κλειστό δίκτυο) είναι: () () f AC f AC 8fxQ gπ 5 D 8fxQ gπ D 5 Q Q Συνεπώς εφόσον οι αγωγοί () και () έχουν κοινή διάμετρο και κοινό f καταλήγουν για παράλληλη σύνδεση να έχουν την ίδια παροχή. Η συνολική παροχή που μεταφέρεται είναι: Q Q Q.03 Q Q.03 0.55m 3 / s
Οπότε το ενεργειακό υψόμετρο από το Α στο C (κοινό και για τους δύο σωλήνες) είναι: HA HC f A C f AC f AC 8fxQ gπ D 5 8 0.0505 x 0.55 5 g π 0.6 0.007053x Για το σωλήνα (3) το ύψος των απωλειών είναι: 8f (3000 x)q gπ D f, CB 5 f, C B f, CB 8 0.05 (3000 x).03 5 gπ 0.6 84.63 0.08x Εφαρμόζοντας την εξίσωση Bernoulli από το Α στο Β, προκύπτει το μήκος x: f,ab f,ac z A z f,cb 0.007053x007053x 84.63 0.08x08x x 637.585m B 50 50
Προσοχή, εξίσωση ενέργειας, ακολουθώντας την κίνηση του ρευστού Η εξίσωση ενέργειας ισχύει κατά μήκος μιας γραμμής ροής Σε μόνιμη ροή, γραμμή ροής και τροχιά συμπίπτουν Ακολουθώ την λοιπόν, την κίνηση του ρευστού () (3) (Α) () (Β) (Γ) άύ ( ),( ):. έ ( ) ( ): f, f, p V V atm A p atm B ) za zb f, f, 3 ή g g p V p V ) z z g g atm A atm B A B f, f, 3
Το νερό είναι έξυπνο Και διαλέγει το ενεργειακό ευκολότερο δρόμο Έστω δύο αγωγοί συνδεδεμένοι παράλληλα, ίδιου υλικού, ιδίου μήκους αλλά διαφορετικής διαμέτρου και έστω ίδιο f, D > D Το νερό θα προτιμήσει τον αγωγό με τη μεγαλύτερη διάμετρο. Πράγματι: άύ ( ),( ): f, f, () 8fL 8fL Q 5 Q 5 g D g D 5 () Q D 5 Q D Oι παροχές ρυθμίζονται με βάση την ενέργεια
Παραδοχές προσεγγίσεις σε αυτό το μάθημα: Οι τοπικές απώλειες είναι ενσωματωμένες στις γραμμικές Σταθερός συντελεστής τριβής f (οι παραπάνω παραδοχές πολλές φορές χρ. στην πράξη κατά το σχεδιασμό) Υδραυλική: Λεπτομερής προσδιορισμός εκτός αν η εκφώνηση απλοποιεί την άσκηση (όπως σήμερα)