52.Гидравлический расчет трубопроводов при движении в них двухфазных жидкостей.

Расчет трубопроводов при движении в них двухфазных жидкостей

(взвесенесущие потоки - пневмотранспорт и гидротранспорт, газожидкостные потоки) обладает специфическими особенностями. К взвесенесущим потокам относятся гидросмеси (смесь размельченных материалов с водой) и аэросмеси (смесь размельченных материалов с воздухом). Если твердый компонент подвергнут очень тонкому измельчению (d< 0,001 мм), то смеси являются структурированными, т.е. относятся к числу неньютоновских (аномальных) жидкостей. К одним из важнейших характеристик двухфазных потоков отно­сятся расходная концентрация X и объемная концентрация β, т.е.

отношение весового или объемного расхода дискретного компонента к весовому или объемному расходу смеси:

где G₂, G₁ и G – весовые расходы дискретной фазы, непрерывной фазы и смеси соответственно

W₂, W ₁ и W – объемные расходы дискретной, непрерывной фазы и смеси соответственно.

Формула, связывающая объемную и расходную концентрацию двухфазного потока, имеет вид:

Особенности взвесенесущих потоков в значительной степени определяются характером обтекания твердых частиц потоком жидкости или газа. Расчетная скорость потока жидкости (газа), при движении твердых частиц в вертикальных трубах для надежного перемещения материала, должна быть больше скорости витания частиц. В системах пневматичекого транспорта, в зависимости от весовой концентрации, расчетная скорость воздуха обычно превышает скорость витания и, частиц в 1,5-2 раза.

Более сложный характер имеет движение твердых частиц в горизонтальной трубе. Для эффективного транспортирования взвешенных веществ необходимо, чтобы скорость потока превышала так называемую критическую скорость υ_кр, т.е. минимальную скорость потока, при которой твердые частицы движутся в жидкости (газе) без осаждения. При скоростях, меньших критической, начинается осаждение твердого материала. Критическая скорость зависит от скорости витания, количества транспортируемого материала, его плотности и концентрации. Для пневмотранспорта она может быть найдена по эмпирическим формулам, например, по формуле:

Потери давления во взвесенесущем потоке можно найти по формуле Дарси – Вейсбаха:

Коэффициент гидравлического трения λ_взв при движении взвесенесущего потока, как правило, превосходит коэффициент гидравлического трения для чистой (однофазной) жидкости, так как перемещение материала и подъем его на вертикальных участках вызывает дополнительные потери.

53.Факторы, влияющие на величину увеличения давления при прямом и непрямом гидравлическом ударе.

Под гидравлическим ударом понимают резкое повышение (или понижение) давления жидкости в трубопроводе, вызванное внезапным изменением скорости течения. Явление гидравлического удара свойственно только капельным жидкостям, которые обладают малой деформацией сжатия. В газах резкое изменение скорости также вызывает изменение давления, однако вследствие значительной сжимаемости и отличия молекулярной структуры газа явление носит другой характер.

Гидравлический удар в водопроводных линиях возникает при быстром закрытии (или открытии) запорных приспособлений, например, крана, обратного клапана, при выключении электродвигателя насоса. Его легко обнаружить непосредственно по глухому звуку и сотрясению трубы. Повышение давления при гидравлическом ударе иногда приводит даже к разрыву стенок трубопровода. Физически явление объясняется инерционными усилиями массы жидкости в трубе при резком изменении скорости во времени.

Пусть в резервуаре напор воды будет постоянным независимо от изменения скорости течения в трубе. При полностью открытом кране в трубопроводе устанавливается скорость υ. Закроем быстро кран. Тогда течение воды в трубе прекратится, и самопишущий с малой инерцией манометр зарегистрирует в данной точке сечения трубы скачок давления, который затухает с течением времени в виде некоторого колебательного процесса. Гидравлический удар - это явление, быстро протекающее во времени, и относится к категории неустановившегося движения, для изучения которого обычное уравнение Бернулли неприменимо.

Обозначим скорость распространения перехода от движения к покою, т.е. волны повышения давления (ударной волны), возникающей в момент закрытия крана в конце трубы, через с. За элементарный промежуток времени dt повышение давления распространится на длину cdt. Повышение давления легко можно рассчитать по закону сохранения количества движения применительно к объему жидкости, заклю­ченной между произвольными сечениями. Количество движения в этом объеме до прохождения волны повышения давления равно ρcdtωυ, где ρcdtω - масса жидкости в объеме, а υ - скорость установившегося течения в трубе до закрытия крана. После прохождения ударной волны импульс силы будет ΔРdtω.

Т .о.:

отсюда:

Формула позволяет определить повышение давления в трубопроводе при мгновенном закрытии запорного приспособления, если известна скорость распространения гидравлического удара с.

Скорость распространения ударной волны:

С ₀ – скорость распространения звука в ж.

Отношение Е_ж/Е_тр существенно зависит от упругих свойств мате­риала водопроводных труб, а это соответственным образом отражается на величине с.

Мы рассмотрели так называемый прямой гидравлический удар, ко­гда время закрытия крана t₃ меньше времени, в течение которого ударная волна, возникшая у крана, достигнет напорного резервуара, отразится от него и вернется назад; это время t _ф = 2l/c , l где - длина трубопровода, называемая фазой удара. Следовательно, для прямого удара

t₃<t_ф.

Если время закрытия запорного приспособления больше фазы удара, т.е. t₃>t_ф, возникает непрямой гидравлический удар, сила которого меньше прямого. Повышение давления при непрямом гидравлическом ударе может быть оценено приближенно, если считать, что его сила уменьшается пропорционально увеличению времени закрытия запорного органа Т по сравнению с фазой удара t _ф = 2l/c, т.е.

Подставив в последнее соотношение вместо с его выражение из уравнения

скорости распространения ударной волны, приходим к выводу, что эффект гидравлического удара зависит от упругих свойств жидкости и материала, относительной толщины стенок, длины трубопровода, времени закрытия запорного органа и скорости установившегося течения до гидравлического удара.