Relative Rauheit und absolute Rauheit sind zwei Begriffe, die verwendet werden, um die Menge der vorhandenen Unregelmäßigkeiten in den kommerziellen Rohren zu beschreiben, die Flüssigkeiten transportieren. Die absolute Rauheit ist der Mittelwert oder Durchschnittswert dieser Unregelmäßigkeiten, umgerechnet in die mittlere Variation des Innenradius des Rohrs.
Die absolute Rauheit wird als Eigenschaft des verwendeten Materials angesehen und normalerweise in Metern, Zoll oder Fuß gemessen. Die relative Rauheit ist ihrerseits der Quotient zwischen der absoluten Rauheit und dem Rohrdurchmesser und daher eine dimensionslose Größe.
Die relative Rauheit ist wichtig, da die gleiche absolute Rauheit bei dünnen Rohren einen deutlicheren Effekt hat als bei großen Rohren..
Offensichtlich wirkt sich die Rauheit der Rohre auf die Reibung aus, was wiederum die Geschwindigkeit verringert, mit der sich die Flüssigkeit in ihnen bewegt. In sehr langen Rohren kann die Flüssigkeit sogar aufhören, sich zu bewegen.
Daher ist es sehr wichtig, die Reibung in der Durchflussanalyse zu bewerten, da zur Aufrechterhaltung der Bewegung Druck mit Hilfe von Pumpen ausgeübt werden muss. Der Ausgleich von Verlusten macht es erforderlich, die Leistung der Pumpen zu erhöhen, was sich auf die Kosten auswirkt.
Andere Quellen für Druckverlust sind die Viskosität des Fluids, der Durchmesser des Rohrs, seine Länge, mögliche Verengungen und das Vorhandensein von Ventilen, Gewindebohrern und Bögen..
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Das Innere des Rohrs ist auf mikroskopischer Ebene niemals vollständig glatt und glatt. Wände weisen Oberflächenunregelmäßigkeiten auf, die stark vom Material abhängen, aus dem sie bestehen.
Darüber hinaus nimmt die Rauheit nach dem Betrieb aufgrund von Zunder und Korrosion zu, die durch chemische Reaktionen zwischen dem Rohrmaterial und der Flüssigkeit verursacht werden. Diese Erhöhung kann zwischen dem 5- und 10-fachen des Werts der Werksrauheit liegen.
Handelsübliche Rohre geben den Rauheitswert in Metern oder Fuß an, obwohl sie offensichtlich für neue und saubere Rohre gelten, da die Rauheit im Laufe der Zeit ihren Werkswert ändert.
Nachfolgend sind die allgemein akzeptierten absoluten Rauheitswerte für handelsübliche Rohre aufgeführt:
- Kupfer, Messing und Blei: 1,5 x 10 -6 m (5 x 10) -6 Füße).
- Unbeschichtetes Gusseisen: 2,4 x 10 -4 m (8 x 10) -4 Füße).
- Schmiedeeisen: 4,6 x 10 -5 m (1,5 x 10) -4 Füße).
- Genieteter Stahl: 1,8 x 10 -3 m (6 x 10) -3 Füße).
- Handelsstahl oder geschweißter Stahl: 4,6 x 10 -5 m (1,5 x 10) -4 Füße).
- Mit Asphalt ausgekleidetes Gusseisen: 1,2 x 10 -4 m (4 x 10) -4 Füße).
- Kunststoff und Glas: 0,0 m.
Die relative Rauheit kann unter Kenntnis des Rohrdurchmessers bewertet werden, der mit dem betreffenden Material hergestellt wurde. Wenn Sie absolute Rauheit als bezeichnen und und der Durchmesser als D., Die relative Rauheit wird ausgedrückt als:
undr = e / D.
Die obige Gleichung nimmt ein zylindrisches Rohr an, aber wenn nicht, wird die Größe aufgerufen hydraulischer Radius, wobei der Durchmesser durch das Vierfache dieses Wertes ersetzt wird.
Um die Rauheit der Rohre zu ermitteln, wurden verschiedene empirische Modelle vorgeschlagen, die geometrische Faktoren wie die Form der Unregelmäßigkeiten in den Wänden und deren Verteilung berücksichtigen..
Um 1933 bedeckte der deutsche Ingenieur J. Nikuradse, ein Schüler Ludwig Prandtls, Rohre mit Sandkörnern unterschiedlicher Größe, deren bekannte Durchmesser genau die absolute Rauheit sind und. Nikuradse handhabte Pipelines, für die die Werte von e / D. im Bereich von 0,000985 bis 0,0333,
In diesen gut kontrollierten Experimenten waren die Rauheiten gleichmäßig verteilt, was in der Praxis nicht der Fall ist. Diese Werte von und sind immer noch eine gute Annäherung, um abzuschätzen, wie die Rauheit die Reibungsverluste beeinflusst.
Die vom Hersteller eines Rohrs angegebene Rauheit entspricht tatsächlich der künstlich erzeugten, genau wie Nikuradse und andere Experimentatoren. Aus diesem Grund ist es manchmal bekannt als äquivalenter Sand (äquivalenter Sand).
Die Rauheit des Rohrs ist ein sehr wichtiger Faktor, der in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu berücksichtigen ist. Die Flüssigkeiten, in denen die Viskosität relevant ist, können sich in einem laminaren oder turbulenten Bereich bewegen.
Bei laminarer Strömung, bei der sich das Fluid in Schichten geordnet bewegt, haben die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Rohrs ein geringeres Gewicht und werden daher normalerweise nicht berücksichtigt. In diesem Fall ist es die Viskosität des Fluids, die Scherspannungen zwischen den Schichten erzeugt, die Energieverluste verursachen..
Beispiele für laminare Strömung sind ein Wasserstrahl, der mit niedriger Geschwindigkeit aus dem Wasserhahn austritt, Rauch, der aus einem brennenden Räucherstäbchen zu strömen beginnt, oder der Beginn eines Tintenstrahls, der in einen Wasserstrahl injiziert wird, wie von Osborne Reynolds im Jahr 1883 bestimmt.
Im Gegensatz dazu ist die turbulente Strömung weniger geordnet und chaotischer. Es ist ein Fluss, in dem die Bewegung unregelmäßig und nicht sehr vorhersehbar ist. Ein Beispiel ist der Rauch des Räucherstäbchens, wenn er sich nicht mehr reibungslos bewegt und eine Reihe unregelmäßiger Streifen bildet, die als Turbulenzen bezeichnet werden..
Der dimensionslose numerische Parameter namens Reynolds-Zahl N.R. gibt an, ob die Flüssigkeit das eine oder andere Regime gemäß den folgenden Kriterien aufweist:
OhneR. < 2000 el flujo es laminar; Si NR. > 4000 Strömung ist turbulent. Für Zwischenwerte gilt das Regime als vorübergehend und die Bewegung ist instabil.
Dieser Faktor ermöglicht das Auffinden des Energieverlusts aufgrund von Reibung und hängt nur von der Reynolds-Zahl für eine laminare Strömung ab, aber bei turbulenter Strömung ist die relative Rauheit vorhanden..
Ja F. Ist der Reibungsfaktor, gibt es eine empirische Gleichung, die als Colebrook-Gleichung bezeichnet wird. Es hängt von der relativen Rauheit und der Reynolds-Zahl ab, aber seine Auflösung ist nicht einfach, da F. wird nicht explizit angegeben:
Aus diesem Grund wurden Kurven wie das Moody-Diagramm erstellt, mit denen der Wert des Reibungsfaktors für eine bestimmte Reynolds-Zahl und relative Rauheit leicht ermittelt werden kann. Empirisch wurden Gleichungen erhalten, die dies tun F. explizit, die der Colebrook-Gleichung ziemlich nahe kommen.
Es gibt eine empirische Formel zur Bewertung der Zunahme der absoluten Rauheit, die aufgrund der Verwendung auftritt, wobei der Wert der werkseitigen absoluten Rauheit bekannt ist undoder::
e = eoder + αt
Wo und ist die Rauheit danach t verstrichene Jahre und α ist ein Koeffizient mit Einheiten von m / Jahr, Zoll / Jahr oder Fuß / Jahr Rate der jährlichen Zunahme der Rauheit.
Ursprünglich für Gusseisenrohre abgezogen, funktioniert aber gut mit anderen Rohrtypen aus unbeschichtetem Metall. Bei diesen ist der pH-Wert der Flüssigkeit im Hinblick auf ihre Haltbarkeit wichtig, da alkalisches Wasser den Durchfluss stark verringert..
Auf der anderen Seite erfahren beschichtete Rohre oder Kunststoff, Zement und glatter Beton im Laufe der Zeit keine merkliche Zunahme der Rauheit..
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