X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Трубопровод – это промышленное сооружение, предназначенное для транспортировки жидких, газообразных и твердых веществ, а также их смесей за счет разницы давлений в поперечных сечениях трубы.

При гидравлическом расчете трубопроводы подразделяют на простые и сложные. Простым называют трубопровод, состоящий из одной линии труб с постоянным расходом пути и передающий жидкость из резервуара в атмосферу или в другой резервуар. Сложные трубопроводы состоят из системы (сети) труб, подающей жидкость сразу в несколько точек.

Гидравлический расчет трубопровода позволяет определить его диаметр, пропускную способность или необходимый перепад давления. Такие расчеты трубопроводов проводят на основе уравнения Бернулли, которое имеет вид:

(1).

Где: величина, которая зависит от расчетного диаметра трубы и которая определяется по специальным справочным таблицам;

коэффициент местных сопротивлений;

удельное сопротивление;

длины участков трубопроводов;

пьезометрические напоры в начале и конце трубопровода. Они определяются по формуле:

(2),

где: геодезическая отметка какой-либо точки трубопровода;

избыточное давление в этой точке;

пьезометрическая высота (свободный напор).

Расчет потерь на трение ведется по формуле:

(3),

где  диаметр трубопровода;

 коэффициент трения;

 скоростной напор.

Потери напора в местном сопротивлении рассчитываются следующим образом:

(4).

При расчетах гидравлического процесса применяют различные эмпирические зависимости и формулы, полученные экспериментально-опытным путем, позволяющие определить коэффициент гидравлического трения:

для гидравлических гладких труб используют формулу Блазиуса:

(5),

где число Рейнольдса, (  динамическая вязкость);

в области смешанного режима течения используют формулу:

(6),

где e  относительная шероховатость трубы;

для шероховатых труб применяют формулу Шифринсона:

(7),

где k – средняя высота выступов шероховатости на внутренне поверхности трубопровода.

При расчетах коротких трубопроводов из уравнения Бернулли (1) находят, в зависимости от условий задачи, расход Q,необходимый напор H трубопровода или диаметр трубопровода d и т.д.

В среде электронной таблицы MS Excel решим следующую задачу на гидравлический расчет трубопровода.

Дан трубопровод, с областью смешанного режима течения, внутренний диаметр которого равен 42 мм. К этому трубопроводу подключен насос, перекачивающий воду с расходом 10 м³/час и создающий напор 12 м. Температура перекачиваемой среды 20 °C. Конфигурация трубопровода представлена на рисунке 1. Необходимо рассчитать потери напора и проверить способность имеющегося насоса перекачивать воду при заданных параметрах трубопровода. Относительную шероховатость труб принять равной 0,15 мм. (Справочный материал приведен в таблице 1).

Рисунок 1 – Конфигурация трубопровода.

Таблица 1 – Табличные значения коэффициентов местных сопротивлений.

Колено (угол 90°)
Диаметр трубы, мм		12,5			25		37			50			Более 50
Коэффициент местного сопротивления		2,2			2		1,6			1,1			1,1
Нормальный вентиль (полное открытие)
Диаметр трубы, мм	13		20	40		80		100	150		200	250		350
Коэффициент местного сопротивления	10,8		8,0	4,9		4,0		4,1	4,4		4,7	5,1		5,5

Решение:

1. Введем исходные данные в ЭТ Ms Excel.

Рисунок 2 – Исходные данные.

2. Рассчитаем скорость течения жидкости, используя формулу:

Рисунок 3 – Скорость течения жидкости в трубопроводе.

3. Рассчитаем потери на трение в трубах и коэффициент трения, используя формулы (3) и (6) соответственно:

Рисунок 4 – Потери на трение в трубопроводе.

4. Найдем потери напора на местные сопротивления.

Из схемы трубопровода на рисунке 1 известно что, из местных сопротивлений присутствуют два вентиля, четыре прямоугольных колена и один выход из трубы. Так как в таблице 1 нет значений коэффициентов местных сопротивлений для нормальных вентилей и прямоугольных колен при диаметре трубы 42 мм, поэтому будем использовать один из методов приближенного расчета необходимых нам значений.

Возьмем табличные значения коэффициентов местных сопротивлений нормального вентиля для диаметров 40 и 80 мм. Положим, что график значений коэффициентов на этом промежутке представляет собой прямую линию. Составим и решим систему уравнений, матричным методом, с целью найти график функции зависимости коэффициента местного сопротивления от диаметра трубы:

Рисунок 4 - Коэффициент местного сопротивления нормального вентиля.

Аналогично найдем значение коэффициента местного сопротивления для прямоугольного колена. Возьмем табличные значения для диаметров 37 и 50 мм и составим и решим систему уравнений, вновь сделав аналогичное допущение о характере графика на данном участке:

Рисунок 5 – Коэффициент местного сопротивления для прямоугольного колена.

Для выхода из трубы коэффициент местного сопротивления принимается равным единице.

Следовательно, потери напора на местные сопротивления вычисляем по формуле (4):

Рисунок 6  Потери напора на местные сопротивления.

5. Найдем суммарные потери напора в системе:

Таким образом, проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, данный насос подходит для перекачивания воды по данному трубопроводу, так как создаваемый им напор больше суммарных потерь напора в системе, и скорость тока жидкости укладывается в границы оптимума.

Библиографический список

Альтшуль А.Д. , Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. Основы механики жидкости /Альтшуль А.Д. , Киселев П.Г. – Москва: Изд-во Стройиздат, Москва, 1975 г.  327 стр.

Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: учебное пособие /Н.С.Галдин. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. – 145 с.

Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости): учебник /Р.Р.Чугаев. – М.: Бастет, 2008. - 672 с.

Код для цитирования: Скопировать