сопротивление жидкости в чем измеряется

Гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление или гидравлические потери – это суммарные потери при движении жидкости по водопроводящим каналам. Их условно можно разделить на две категории:

Потери трения – возникают при движении жидкости в трубах, каналах или проточной части насоса.

Потери на вихреобразование – возникают при обтекании потоком жидкости различных элементов. Например, внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п. Такие потери принято называть местными гидравлическими сопротивлениями.

Содержание статьи

Коэффициент гидравлического сопротивления

Гидравлические потери выражают либо в потерях напора Δh в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления ΔP:

где ρ — плотность среды, g — ускорение свободного падения.

В производственной практике перемещение жидкости в потоках связано с необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление трубы по длине потока, а также различные местные сопротивления:
Поворотов
Диафрагм
Задвижек
Вентилей
Кранов
Различных ответвлений и тому подобного

На преодоление местных сопротивлений затрачивается определенная часть энергии потока, которую часто называют потерей напора на местные сопротивления. Обычно эти потери выражают в долях скоростного напора, соответствующего средней скорости жидкости в трубопроводе до или после местного сопротивления.

Аналитически потери напора на местные гидравлические сопротивления выражаются в виде.

где ξ – коэффициент местного сопротивления (обычно определяется опытным путем).

Данные о значении коэффициентов различных местных сопротивлений приводятся в соответствующих справочниках, учебниках и различных пособиях по гидравлике в виде отдельных значений коэффициента гидравлического сопротивления, таблиц, эмпирических формул, диаграмм и т.д.

Исследование потерь энергии (потери напора насоса), обусловленных различными местными сопротивлениями, ведутся уже более ста лет. В результате экспериментальных исследований, проведенных в России и за рубежом в различное время, получено огромное количество данных, относящихся к разнообразнейшим местным сопротивлениям для конкретных задач. Что же касается теоретических исследований, то им пока поддаются только некоторые местные сопротивления.

В этой статье будут рассмотрены некоторые характерные местные сопротивления, часто встречающиеся на практике.

Местные гидравлические сопротивления

Как уже было написано выше, потери напора во многих случаях определяются опытным путем. При этом любое местное сопротивление похоже на сопротивление при внезапном расширении струи. Для этого имеется достаточно оснований, если учесть, что поведение потока в момент преодоления им любого местного сопротивления связано с расширением или сужением сечения.

Гидравлические потери на внезапное сужение трубы

Сопротивление при внезапном сужении трубы сопровождается образованием в месте сужения водоворотной области и уменьшения струи до размеров меньших, чем сечение малой трубы. Пройдя участок сужения, струя расширяется до размеров внутреннего сечения трубопровода. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубы можно определить по формуле.

Значение коэффициента ξ_{вн. суж} от значения отношения (F₂/F₁)) можно найти в соответствующем справочнике по гидравлике.

Гидравлические потери при изменении направления трубопровода под некоторым углом

В этом случае вначале происходит сжатие, а затем расширение струи вследствие того, что в месте поворота поток по инерции как бы отжимается от стенок трубопровода. Коэффициент местного сопротивления в этом случае определяется по справочным таблицам или по формуле

ξ _{поворот} = 0,946sin(α/2) + 2.047sin(α/2) 2

где α – угол поворота трубопровода.

Местные гидравлические сопротивления при входе в трубу

В частном случае вход в трубу может иметь острую или закругленную кромку входа. Труба, в которую входит жидкость, может быть расположена под некоторым углом α к горизонтали. Наконец, в сечении входа может стоять диафрагма, сужающая сечение. Но для всех этих случаев характерно начальное сжатие струи, а затем её расширение. Таким образом и местное сопротивление при входе в трубу может быть сведено к внезапному расширению струи.

Если жидкость входит в цилиндрическую трубу с острой кромкой входа и труба наклонена к горизонту под углом α, то величину коэффициента местного сопротивления можно определить по формуле Вейсбаха:

ξ_вх = 0,505 + 0,303sin α + 0,223 sin α 2

Местные гидравлические сопротивления задвижки

На практике часто встречается задача расчета местных сопротивлений, создаваемых запорной арматурой, например, задвижками, вентилями, дросселями, кранами, клапанами и т.д. В этих случаях проточная часть, образуемая разными запорными приспособлениями, может иметь совершенно различные геометрические формы, но гидравлическая сущность течения при преодолении этих сопротивлений одинакова.

Гидравлическое сопротивление полностью открытой запорной арматуры равно

ξ_{вентиля} = от 2,9 до 4,5

Величины коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для каждого вида запорной арматуры можно определить по справочникам.

Гидравлические потери диафрагмы

Процессы, происходящие в запорных устройствах, во многом похожи на процессы при истечении жидкости через диафрагмы, установленные в трубе. В этом случае также происходит сужение струи и последующее её расширение. Степень сужения и расширения струи зависит от ряда условий:
режима движения жидкости
отношения диаметров отверстия диафрагмы и трубы
конструктивных особенностей диафрагмы.

Для диафрагмы с острыми краями:

Местные гидравлические сопротивления при входе струи под уровень жидкости

Преодоление местного сопротивления при входе струи под уровень жидкости в достаточно большой резервуар или в среду, не заполненную жидкостью, связано с потерей кинетической энергии. Следовательно, коэффициент сопротивления в этом случае равен единице.

Видео о гидравлическом сопротивлении

На преодоление гидравлических потерь затрачивается работа различных устройств (насосов и гидравлических машин)

Для снижения влияния гидравлических потерь рекомендуется в конструкции трассы избегать использования узлов способствующих резким изменениям направления потока и стараться применять в конструкции тела обтекаемой формы.

Даже применяя абсолютно гладкие трубы приходится сталкиваться с потерями: при ламинарном режиме течения(по Рейнольдсу) шероховатость стенок не оказывает большого влияния, но при переходе к турбулентному режиму течения как правило возрастает и гидравлическое сопротивление трубы.

Источник

Электропроводность и удельное сопротивление водной среды: основные факторы влияния и особенности измерения

Требования к качеству воды в некоторых сферах деятельности человека являются довольно строгими – к примеру, это касается таких сфер, как фармацевтика, пищепром, микроэлектроника и т. д. И в числе наиболее важных параметров, изучаемых в ходе исследования водной среды, находятся электропроводность (проводимость) и удельное сопротивление. Именно свойство жидкой среды проводить электроток имеет сильное и во многом решающее влияние на правильность прохождения множества технологических процессов. Не случайно данная физическая способность воды находит обязательное отражение в различных регламентирующих документах в виде определённых нормативов. Поговорим о ключевых факторах, определяющих удельное сопротивление и электропроводность, единицах, в которых выражаются их значения, а также специальных профессиональных приборах, предназначенных для эффективного контроля этих параметров.

Что понимают под электропроводностью воды

Всем известен тот факт, что вода наделена способностью проводить электрический ток – переменный либо постоянный. Об этом нам твердили ещё на школьных уроках безопасности жизнедеятельности. Количественная характеристика этой способности как раз и называется электропроводностью или электропроводимостью. Проводимость характеризуется наличием позитивно либо отрицательно заряженных частиц – ионов. Причём показатель электропроводности находится в зависимости от концентрации в жидком образце ионов разной заряженности, то есть, по сути наличия таких «загрязнителей», как соли, щелочи либо кислоты. Тем самым, проводимость прямо связана с показателями солесодержания. Удельная электропроводность состоит в обратной зависимости с другой величиной – сопротивлением. Её значение служит важным критерием в ходе оценивания качества ультрачистой воды.

Стандарты электропроводимости природной воды, принятые в России

В нашей стране, как уже было сказано, параметры качества воды при водоподготовке регулируются посредством госстандартов и другой разрешительной документации. Между тем, показатели электропроводимости зависят от того, в какой сфере и для чего планируется использование водного сырья. Так, к примеру, для лабораторных анализов ГОСТом 52501-2005 установлены пределы не выше 0.1 и 1.0 мкСм/см, в зависимости от того, какова степень чистоты воды – первая либо вторая. Дистиллированная вода, согласно ГОСТу 6709-97, должна демонстрировать значения ниже 5*10-4 См/см. Что же касается воды, предназначенной для применения в фармацевтике, то проводимость тока для неё, в соответствии с ФС 2.2.20020.15, не может быть выше 4.3 мкСм/см.

Помимо фармацевтики, крайне жёсткие технологические стандарты воды приняты на предприятиях, которые производят различные составляющие для микроэлектроники. Вот почему для анализа качества водоподготовки здесь служат не просто контрольно-измерительные приборы, а целые специализированные лаборатории, укомплектованные сложным и высокоточным оборудованием, работающим в соответствии с утверждёнными алгоритмами.

Какие факторы имеют влияние на значения электропроводности

Главные физические свойства водной среды определяются с учётом растворимых неорганических примесей, которые в ней содержатся. Не является исключением и электропроводность. Её величина прямо зависит от таких условий, как степень нагрева (температура) среды, состав ионов и их природа, а также содержание заряженных частиц. Причём не все из них оказывают одинаковое влияние на данный физический параметр жидкости: к примеру, удельное сопротивление жидкости почти не зависит от небольших концентраций марганца и алюминия в ней, в то время как наиболее «влиятельными» являются соли жёсткости – катионы натрия, аниона хлора и прочие.

С увеличением степени нагрева жидкости возрастает скорость движения ионов, а также меняются некоторые их свойства, поэтому электропроводность раствора также значительно возрастает. Что же касается зависимости электропроводимости от концентрации катионов и анионов, то рост возможен лишь до определённого порога, по достижении которого проводимость начинает снижаться. При повышении температуры сверхчистой воды всего на 1 С проводимость возрастёт уже на 6%. Вот почему для получения действительно корректных измерений следует приводить анализируемый образец к температуре 25 С. Благо, современные приборы для определения проводимости – кондуктометры – способны выполнять это в автоматическом режиме, с помощью встроенной температурной компенсации. Однако для достижения максимально достоверных результатов при исследованиях электропроводности непременно измеряют и температуру образцов.

Единицы измерения электропроводности воды

Как мы уже говорили, степень сопротивления воды электротоку определяют посредством особых приборов. Для этого приняты единицы измерения, которые определены и унифицированы по международной системе СИ – для упрощения исследований и их дальнейшего анализа. В России единицей исследования проводимости служит См/м (Сименс на метр). Название этой единицы принято в честь основателя компании Сименс – Эрнста Вернера фон Сименса, именитого немецкого учёного и изобретателя. С удельным сопротивлением этот параметр соотносится как 1 См/м = 1/1 Ом/м. Для определения проводимости в нашей стране применяют кондуктометры, дополненные датчиками проводимости.

В Соединённых Штатах Америки вместо мкСм/см для выявления электропроводности применяют параметр TDS, который измеряется в ppm и характеризует содержание в жидкости растворимых солей. Так или иначе, перевести любую «местную» единицу проводимости в международную можно, используя таблицы корректирующих коэффициентов.

Источник

Как самому измерить электрическое сопротивление воды

Как измерить сопротивление воды? Такой вопрос могут задавать себе люди в разных ситуациях. В этой статье пойдет речь о том, как это сделать в гаражно-домашних условиях.

Зачем в домашних условиях может возникать потребность в измерении сопротивления воды?

В частности, речь идет о чистой питьевой воде. Ведь не секрет, что за последние 20-30 лет питьевая вода во многих местах испорчена. К примеру, у нас в г. Уфе «вклад» в это дело (для южного водопровода города) дает небезызвестный завод «Кроношпан». И не у всех есть возможность возить воду из благоприятных мест.

А, может купить воду.

Некоторые предпочитают покупать воду… Однако, где гарантия, что купленная вода в самом деле удовлетворяет напечатанному (на бумаге или полиэтиленовой пленке… а то и на заборе) «сертификату качества»? Нам, к примеру, встречалась в продаже в г. Уфе «дистиллированная» (судя по надписи на этикетке бутылки) вода, предназначенная для заливки в автомобильные аккумуляторы, имеющая сопротивление… в 4 с лишним(!!) раза меньше, чем регламентировано по ГОСТ.

Или купить дистиллятор.

Как измерить сопротивление воды

Так вот, если человек задается целью: пить только хорошую, чистую (дистиллированную) воду, сразу возникает вопрос: а как проконтролировать степень этой самой чистоты? Как убедиться, что вода действительно дистиллированная, а не, скажем, поддельная? Например, это можно сделать путем измерения электрического ее сопротивления. Конечно, в идеале необходим химический, а то и масс-спектрометрический анализ, но уж ладно. Ибо, чем выше электрическое сопротивление, тем меньше примесей содержится в воде.

Немного теории об электрическом сопротивлении жидкости

В случае, если электродами являются две одинаковых проволоки, емкость их можно записать в виде формулы (26.9) (преобразованной в систему СИ):

Данная формула верна при следующих условиях:

Дело в том, что при несоблюдении указанных условий будут оказывать весомое влияние краевые эффекты, которые исказят результаты расчетов и фактическая величина емкости С может (существенно) отличаться от рассчитанной. Кроме того, вышеприведенная формула выведена в предположении наличия бесконечной (по размерам) проводящей среды. Если же размеры последней (определяемые, к примеру, как габаритные размеры сосуда, в котором находится вода) конечны, тогда формула будет давать приближенное значение емкости С.

Подставляя эту формулу в выражение для сопротивления R, получим:

Как видим, диэлектрическая проницаемость среды сократилась; это означает, что электрическое сопротивление ее не зависит от диэлектрической проницаемости.

Перепишем последнюю формулу в более удобном для практического применения виде:

Таким образом, эта формула дает нам весьма простой путь определения электропроводности воды с целью последующего сравнения ее с нормативным значением. Для этого необходимо лишь определиться с параметрами электродов и сосуда, в котором находится жидкость (вода). Так, мы оговорили, что должно быть

Т.е. длина электродов должна быть много больше, чем расстояние между ними; а последнее, в свою очередь, много больше радиуса каждого из электродов. В нашей практике, к примеру, были использованы такие параметры:

l=10 cм
h=1…2 см
а=0,1 см.

Можно, разумеется, использовать и более адекватные значения.

Размеры сосуда, в котором находится тестируемая жидкость, должна быть по крайней мере, не менее, чем указанные выше значения. Конечно, чем больше они, тем точнее будут результаты измерений. В нашей практике удовлетворительные результаты получались, применяя обычную стеклянную банку емкостью 0,7 л.

Внимание: банка должна быть очень тщательно вымыта, если речь идет об измерении электрического сопротивления дистиллированной воды!! Мыть, соответственно, необходимо той жидкостью, сопротивление которой собираетесь измерять, т.е. чистой, дистиллированной водой, упаси бог, без всяких моющих средств. В противоположном случае есть вероятность, что оставшиеся на стенках банки адсорбированные примеси выйдут в раствор и Вы измерите сопротивление не дистиллированной воды, а, грубо говоря, рассола, в состав которого будут входить моющие вещества.

Что говорит ГОСТ

Кстати, нам было бы интересно узнать, насколько близко значение к данному параметру ГОСТ у дистиллированной воды, производимой дистилляторами (Durastil, а также иными, в том числе и домашними бытовыми фильтрами). А как насчет «самогонных аппаратов»? Если кто проводил измерения, пожалуйста, сообщите нам о результатах.

Что на практике

Источник

Гидравлическое сопротивление

Выполнение расчета гидравлического сопротивления отдельного трубопровода и всей системы в комплексе является ключевой задачей в гидравлике, решение которой позволяет подобрать сечения труб и насос с необходимыми значениями давления и расхода в рабочем режиме.

В одной из ранних статей на блоге рассмотрен простой пример расчета трубопровода с параллельными участками с использованием понятия «характеристика сопротивления». В конце статьи я анонсировал: «Можно существенно повысить точность метода…». Под этой фразой подразумевалось учесть зависимость характеристик сопротивления от расхода более точно. В том расчете характеристики сопротивлений выбирались из таблиц по диаметру трубы и по предполагаемому расходу. Полковов Вячеслав Леонидович написал взамен таблиц пользовательские функции в Excel для более точного вычисления гидравлических сопротивлений, которые любезно предоставил для печати. Термины «характеристика сопротивления» и «гидравлическое сопротивление» обозначают одно и то же.

Краткая теория.

В упомянутой выше статье теория вкратце рассматривалась. Освежим в памяти основные моменты.

Движение жидкостей по трубам и каналам сопровождается потерей давления, которая складывается из потерь на трение по длине трубопровода и потерь в местных сопротивлениях – в изгибах, отводах, сужениях, тройниках, запорной арматуре и других элементах.

В гидравлике в общем случае потери давления вычисляются по формуле Вейсбаха:

∆Р=ζ·ρ·w²/2, Па, где:

Если с плотностью и скоростью всё более или менее понятно, то определение коэффициентов местных сопротивлений – достаточно непростая задача!

Как было отмечено выше, в гидравлических расчетах принято разделять два вида потерь давления в сетях трубопроводов.

∆Р_тр=ζ_тр·ρ·w²/2=λ·L·ρ·w²/(2·D), Па, где:

Таким образом, при учете сопротивления трению коэффициент потерь – коэффициент местного сопротивления – и коэффициент гидравлического трения связаны для круглых труб зависимостью:

ζ_тр=λ·L/D

Коэффициенты местных сопротивлений определяются для каждого вида «препятствия» по индивидуальным эмпирическим формулам, полученным из практических опытов.

Выполним ряд математических преобразований. Для начала выразим скорость потока через массовый расход жидкости:

w=G/(ρ·π·D²/4), м/с, где:

∆Р_тр=8·λ·L·G²/(ρ·π²·D 5 ), Па;

Введем понятие гидравлических сопротивлений:

S_тр=8·λ·L·/(ρ·π²·D 5 ), Па/(кг/с)²;

S_м=8·ζ_м·/(ρ·π²·D 4 ), Па/(кг/с)².

И получим удобные простые формулы для вычисления потерь давления при прохождении жидкости в количестве G через эти гидравлические сопротивления:

Размерность гидравлического сопротивления (Па/(кг/с)²) определена массовой скоростью (кг/с) движения жидкости, а физические процессы в транспортных системах зависят от её объёмной скорости (м 3 /с), что учтено в формулах присутствием объёмной плотности ρ транспортируемой жидкости.

Для последовательного и параллельного соединений гидравлических сопротивлений справедливы формулы:

S_пар=1/(а₁+a₂+…+a_n)², Па/(кг/с)²;

Коэффициент гидравлического трения.

Для определения гидравлического сопротивления от трения о стенки трубы S_тр необходимо знать параметр Дарси λ – коэффициент гидравлического трения по длине.

В технической литературе приводится значительное количество формул разных авторов, по которым выполняется вычисление коэффициента гидравлического трения в различных диапазонах значений числа Рейнольдса.

Обозначения в таблице:

В [1] приведена еще одна интересная формула расчета коэффициента гидравлического трения:

λ=0,11·[(68/Re+k/D+(1904/Re) 14 )/(115·(1904/Re) 10 +1)] 0,25

Вячеслав Леонидович выполнил проверочные расчеты и выявил, что вышеприведенная формула является наиболее универсальной в широком диапазоне чисел Рейнольдса!

Значения, полученные по этой формуле чрезвычайно близки значениям:

Расчет в Excel гидравлических сопротивлений.

Для облегчения выполнения рутинных гидравлических расчетов Полковов В.Л. разработал ряд пользовательских функций. Перечень некоторых из них, наиболее часто используемых на практике, приведен в таблице ниже.

Некоторые пояснения по аргументам пользовательских функций:

Приведённые пользовательские функции желательно использовать с учётом начального участка транспортирования (расстояния от одного гидравлического сопротивления до следующего гидравлического сопротивления). Это позволяет уменьшить погрешности расчётов, вызванных влиянием «неустановившегося» характера потока жидкости.

Для турбулентных течений длина начального участка должна быть не менее:

L_нач=(7,88·lg (Re) – 4,35)·D

Для ламинарных течений минимальная длина начального участка:

Здесь В=0,029 по данным Буссинекса, и В=0,065 по данным Шиллера, D — внутренний диаметр системы транспортирования.

Далее на скриншоте показана таблица в Excel с примерами расчетов гидравлических сопротивлений.

Литература:

Ссылка на скачивание файла: gidravlicheskie-soprotivleniya (xls 502,0KB).

Источник