Hepimizin bildiği gibi borular katı maddelerdir, su ise kolaylıkla akabilen bir akışkandır. Borunun içindeki su akıyorsa, enerjinin bir kısmının ısı enerjisine dönüştürülmesi ve "tüketilmesi" gerekir, yani su basıncının (ya da yük adı verilen) bir kısmı kaybolur. Bu, nesnel şeylerin bir yansımasıdır ve su akış hareketinin kaçınılmaz bir yasasıdır. Genellikle bu enerji dönüşümü olgusuna "enerji kaybı" (veya "hidrolik kayıp", "yük kaybı") adını veririz. Metre cinsinden hesaplanır.
Pompa
Boru hattı direncinin kafa üzerindeki etkisi ne kadar önemlidir?
Bazı kullanıcılar rezervuardan veya su kulesinden su kaynağı yüzeyine olan dikey mesafenin hala pompanın yüksekliğinden biraz daha az olmasına rağmen su hacminin hala küçük kaldığını veya suyun pompalanamayacağını ölçmüştür. Bunun yaygın nedeni, boru hattının çok uzun olması ve su borusunda çok sayıda kıvrım bulunması, bunun sonucunda boru hattındaki su akışında aşırı direnç kaybına neden olmasıdır. Genel olarak 90 derecelik bir bükülme, 120 derecelik bir bükülmeden daha fazla dirence sahiptir. Her 90 derecelik bükülmenin direnç kaybı yaklaşık 0,5-1 metre olup, boru hattının her 20 metrelik direnci yaklaşık 1 metrelik düşü kaybına neden olabilir. Ayrıca bazı kullanıcılar pompanın giriş ve çıkış borularının boru çaplarını da rastgele değiştiriyor, bu da kafaya belli bir etki yapıyor. Peki boru hattı direnci kafayı ne kadar etkiler? Daha sonra aşağıdaki tabloya bakalım.
Borudaki suyun akışından kaynaklanan su kaybının nedenlerini anlıyor musunuz? Soru 1: Pürüzlü boru duvarlarının engelleyici etkisinden kaynaklanmaktadır.
2. Su akışının farklı katmanları arasındaki bağıl harekettir. 3. Boru bağlantı parçaları içindeki su akışının yerel hızlı değişimiyle oluşan girdaptır. Boru hattının (şebekenin) hidrolik kaybı iki bölümden oluşur: boru hattı boyunca kayıp ve yerel kayıp. Mühendislikte, pompayı doğru seçmek ve gerekli pompa basıncını belirlemek için bu kaybın miktarını hesaplamalı ve bilmeliyiz.
Tüm akış yolu boyunca boru hattı kaybı, tüm akış süreci boyunca meydana gelen sürtünme direncidir. Boru duvar pürüzlülüğü, boru uzunluğu, boru çapı ve akış hızı gibi faktörlerle ilgilidir. Hidroliğin prensiplerine dayanarak ilişkisi kurulabilir.
Boru hattındaki kayıp, boru duvarının pürüzlülüğüyle ilgili olan boru hattı boyunca sürtünme katsayısıyla doğru orantılıdır. Farklı boru malzemeleri farklı pürüzlülüğe sahiptir ve dökme demir borular nispeten pürüzlüdür, bu nedenle boru hattı boyunca sürtünme katsayısı daha büyüktür; plastik borular nispeten pürüzsüz olduğundan boru hattı boyunca sürtünme katsayısı daha küçüktür. Aynı zamanda borunun uzunluğu ile de orantılıdır; boru çapıyla ters orantılıdır. Yani akış hızı sabit olduğunda boru çapı ne kadar küçükse ve akış hızı ne kadar hızlı olursa boru hattındaki kayıp da o kadar büyük olur; aynı zamanda akış hızının kare değeriyle de doğru orantılıdır. Elbette hesaplama oldukça karmaşıktır. Tahmin için basit bir yöntem kullanılabilir.
Boru hattındaki alt vana, vana, dirsek, redüktör gibi bağlantı elemanlarından su aktığında boru hatlarında yerel kayıplar meydana gelir. Yerel cihazlar nedeniyle akış düzeni değişir; akışın yönü ve hızı da değişir ve akış sırasında girdaplar oluşur, bu da suyun çarpışarak birbirine çarpmasına neden olur. Yerel direncin neden olduğu bu tür hidrolik kayıplara yerel kayıp denir.
Yerel kaybın büyüklüğü, boru bağlantı elemanlarından geçen su akış hızının karesi ile doğru orantılıdır ve aynı zamanda bağlantı parçalarının şekli ve miktarı ile de ilgilidir. Bağlantı parçalarının enine-kesit şekli önemli ölçüde değişirse ve çok sayıda bağlantı parçası varsa, yerel kayıp daha büyük olacaktır. Boru hattı yerleşim planı belirlendikten sonra hesaplama yöntemi kullanılarak boru hattı kayıp yüksekliği hesaplanmalı ve ardından pompa istasyonunun tasarım yüksekliği belirlenmelidir. Ancak bundan sonra pompa seçimi gerçekleştirilebilir. Ancak hesaplama prosedürü nispeten karmaşıktır. Kolaylık sağlamak amacıyla, hesaplama verileri hızlı başvuru amacıyla bir tablo halinde derlenebilir. Ek olarak kaba bir tahmin yapılabilir: kayıp yükü, gerçek arazi su kaldırma yüksekliğinin (ölçülen) %30 ila %50'sine eşdeğerdir. Daha küçük boru çapları ve daha kısa boru hatları için daha büyük bir değer alınmalıdır; daha büyük boru çapları ve daha uzun boru hatları için daha küçük bir değer alınmalıdır.
Boru hattının güzergah boyunca toplam kaybı ve yerel kayıplar, hesaplama sürecini kolaylaştırmak için Yi Wei tarafından geliştirilen seçim yazılım sistemi gibi mevcut yazılımlar kullanılarak hesaplanabilir.
Sıvı düz bir borudan aktığında basınç kaybı
Bir sıvının düz bir borudan akması sırasında meydana gelen basınç kaybı, sıvının hareketi sırasındaki sürtünmeden kaynaklanır ve sürtünme basıncı kaybı olarak adlandırılır. Bu esas olarak boru hattının uzunluğuna, iç çapına, sıvının akış hızına ve sıvının viskozitesine vb. bağlıdır. Basınç kaybı, sıvının farklı akış durumlarına göre değişir. Hidrolik transmisyonda, sıvının dairesel bir boru içinde laminer akışı en yaygın olanıdır, dolayısıyla bir hidrolik sistem tasarlanırken, boru hattındaki sıvı akışının laminer bir durumda tutulması sıklıkla istenir.
Boru hatlarındaki sıvıların akış yolu boyunca basınç kaybı. Laminer akış sırasında basınç kaybı. Hidrolik transmisyonda sıvının akış durumunun çoğunluğu laminer akıştır. Bu durumda düz bir borudan akan sıvının basınç kaybı teorik olarak hesaplanabilir.
Dairesel bir boruda laminer akış (1) Sıvının akış kesiti üzerindeki hız dağılım yasası-. Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi sıvı, çapı d olan dairesel bir boru içerisinde laminer bir şekilde hareket etmektedir. Boru yatay olarak yerleştirilip, borunun içine ekseni boru eksenine denk gelen küçük bir silindir alınır. Yarıçapı r ve uzunluğu l olsun. Bu küçük silindire boru ekseni yönünde etkiyen kuvvetler şunlardır: sol uçtaki basınç p1, sağ uçtaki basınç p2 ve silindir yüzeyindeki sürtünme kuvveti Ff. O halde kuvvet dengesi denklemi şöyledir:
Denklem (2-6)'dan şu sonuca varabiliriz:
Formülde μ dinamik viskoziteyi temsil eder. Hız du artışının yarıçap artışının tersi işaretli olması nedeniyle formüle negatif bir işaret eklenir. Ek olarak, Δp=p1 - p2. Δp ve denklem (2-45)'i denklem (2-44)'te değiştirerek şunu elde ederiz:
Değişkene göre integral:
r=R olduğunda, u=0. Bunu denklem (2-47)'de değiştirmek şunu verir:
Daha sonra
Formülden boru içindeki akış hızının u parabolik yasaya göre yarıçap doğrultusunda dağıldığı görülebilir. Maksimum akış hızı eksende meydana gelir ve değeri:
(2) Boru hattındaki akış hızı.
Merminin Şekil (b)'de gösterilen hacmi, akış kesiti boyunca birim zaman başına akan sıvının hacmidir, yani akış hızıdır. Hacmini hesaplamak için yarıçapı r olan, kalınlığı dr olan ince bir dairesel halka alınabilir. Bu halkasal alanın akış hızı:
İntegral hesaplaması için akış hızı q'yu elde edebiliriz:
(3) Ortalama akış hızı. Boru içindeki ortalama akış hızı υ olsun
Karşılaştırma yaparak ortalama akış hızı ile maksimum akış hızı arasındaki ilişkiyi elde edebiliriz:
(4) Yol boyunca basınç kaybı. Laminer akış durumunda, düz bir borudan akan sıvının yolu boyunca basınç kaybı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
Denklemden, laminer akış durumunda düz bir borudan akan sıvının basınç kaybının dinamik viskozite, boru uzunluğu ve akış hızı ile doğru orantılı, boru çapının karesi ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Uygulamada basınç kaybını hesaplarken, hesaplamayı basitleştirmek için μ=υdρ/Re'yi kullanırız ve μ=υdρ/Re'yi değiştiririz ve elde etmek için hem payı hem de paydayı 2g ile çarparız:
Formülde: λ yol boyunca sürtünme katsayısını temsil eder. Teorik değeri λ=64/Re'dir, pratikte ise çeşitli faktörlerden dolayı pürüzsüz metal borular için λ=75/Re alınır ve kauçuk borular için λ=80/Re alınır. Türbülanslı akışta basınç kaybına, her bir parçacığın düzenli eksenel harekete sahip laminer akışı neden olur. Yanal hareket yoktur. Türbülanslı akışın önemli özelliklerinden biri, sıvı parçacıklarının artık düzenli eksenel harekete sahip olmaması, bunun yerine hareket sırasında birbirleriyle karışıp titreşmesidir. Bu son derece düzensiz hareket, parçacıklar arasında çarpışmalara neden olur ve girdaplar oluşturur, bu da türbülanslı akışta laminer akışa göre çok daha fazla enerji kaybına neden olur. Türbülanslı akış olgusunun karmaşıklığı nedeniyle, bugüne kadar tamamen teorik yöntemler kullanılarak çalışılarak tatmin edici sonuçlar elde edilememiştir. Bu nedenle, araştırmalar için teorik açıklamalarla desteklenen deneyler hala kullanılmaktadır. Böylece türbülanslı durumdaki sıvı akışındaki basınç kaybı yine formül kullanılarak hesaplanır ve λ değeri yalnızca Reynolds sayısı Re ile değil aynı zamanda boru duvar yüzeyinin pürüzlülüğüyle de ilişkilidir.
2. Yerel Basınç Kaybı
Yerel basınç kaybı, sıvı akışının valf bağlantı noktalarından, kıvrımlardan, akış kesitindeki değişikliklerden vb. kaynaklanan basınç kaybını ifade eder. Sıvı bu alanlardan aktığında, sıvı akışının yönü ve hızındaki değişiklikler nedeniyle girdaplar oluşur ve sıvı parçacıklarının birbirleriyle çarpışmasına neden olur ve bu da önemli miktarda enerji kaybına neden olur.
Ani genişleyen bölümdeki yerel basınç kaybının hesaplama formülü aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
Formülde: değeri yalnızca sıvı aniden genişleyen bir kesitten aktığında teorik türetme yoluyla elde edilebilen yerel direnç katsayısıdır; aksi takdirde deneylerle belirlenmesi gerekir. sıvının ortalama akış hızıdır ve genellikle yerel direncin akış aşağısındaki akış hızına atıfta bulunur. Boru hattı sisteminin toplam basınç kaybı, tüm-yol boyunca-basınç kayıplarının ve tüm yerel basınç kayıplarının toplamına eşittir, yani:
