11.5. Движение жидкости в трубах и каналах некруглого сечения

В технике часто применяют вентиляционные каналы прямоугольного или квадратного сечения, нагревательные приборы эллиптического сечения и другие устройства, где живое сечение потока имеет некруглую форму.

Для расчетов трубопроводов некруглого сечения применяют понятие эквивалентного диаметра d_э, равного учетверённому значению гидравлического радиуса

.

С помощью величины d_э определяют потери энергии, а также другие характеристики. В результате применяют расчетные зависимости и формулы для расчета круглых труб и каналов, но вместо диаметра подставляют d_э.

Практически для любого случая расчета трубы некруглого сечения возможно применить следующие алгоритмы:

1. Определяется площадь сечения канала.

2. Определяется смоченный периметр того же сечения.

3. Находится гидравлический радиус R и эквивалентный диаметр

d_э=4R. (11.22)

4. Значение d_э подставляется во все зависимости (по формулам для круглых труб) вместо d

. (11.23)

11.6. Изменение пропускной способности трубопровода в процессе его эксплуатации

При проектировании трубопроводов гидравлическое сопротивление не должно считаться неизменным в течение всего периода их работы. В реальных условиях эксплуатации сопротивление трубопроводов в большинстве случаев возрастает, что ведет к увеличению потерь энергии и при данном перепаде напоров (давлений) – к уменьшению расхода, т.е к уменьшению пропускной способности. Это связано с увеличением шероховатости стенок вследствие коррозии и отложения солей.

Увеличение шероховатости трубопроводов в процессе их эксплуатации оценивается формулой

k_t=k₀+αt , (11.24)

где k₀ – шероховатость ,мм, для новых труб; k_t – шероховатость, мм, через t лет эксплуатации; α – коэффициент, характеризующий степень возрастания шероховатости, мм/год. Значение коэффициента α зависит от материала трубы, рода жидкости и условий работы системы. Опытные данные позволяют считать, что для стальных труб, транспортирующих природную воду, в зависимости от степени минерализации α =0,02-0,1. для воздуховодов в зависимости от условий производства эта величина изменяется в пределах 0,4 – 6. для газопроводов можно принимать α = 0,05.

11.7. Гидравлический удар в трубопроводах

В напорном трубопроводе при внезапном изменении скорости движения жидкости (мгновенная остановка или начало движения) возникает гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением или понижением давления. Например, при почти мгновенной остановке движения жидкости ее кинетическая энергия переходит в потенциальную и давление резко повышается, в результате жидкость оказывается сжатой, а стенки трубы - растянутыми.

Гидравлическим ударом называется изменение давления в трубопроводе, вызванное резким изменением скорости движения жидкости во времени.

Возникающее добавочное давление внутри трубопровода может привести к разрыву стыковых соединений, арматуры, стенки трубопровода.

Величину превышения давления Δр можно определить по формуле Н.Е.Жуковского

, (11.25)

где ρ – плотность жидкости; V – скорость движения жидкости; с – скорость распространения волны превышения давления.

Скорость распространения ударной волны с зависит от рода жидкости, материала, диаметра и толщины стенок трубы и может быть найдена по формуле

,

где ρ – плотность жидкости; Е₀ – модуль упругости жидкости; d - внутренний диаметр трубы; Е – модуль упругости материала стенок трубы; δ – толщина стенок трубы.

Для воды при обычных значениях отношенияδ/d значение скорости с можно приближенно принимать равным 1200 м/с для стальных труб и 1000 м/с для чугунных.

Наиболее эффективный способ снижения Δр сводится к увеличению времени закрытия или открытия запорной и регулирующей арматуры. Уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводах также приводит к снижению ударного давления; кроме того, для его уменьшения ставят предохранительные клапаны,

Рис. 11.7 которые, открываясь при определенном давлении, выпускают часть жидкости. Эффективны также воздушные колпаки (рис. 11.7); в момент повышения давления жидкость входит в колпак и сжимает находящийся в нём воздух, на это тратится энергия и поэтому работа по растяжению труб и давление уменьшаются.

Исходя из формулы (11.25), можно объяснить, почему в бытовой газовой сети применяются пробковые краны, практически мгновенно перекрывающие поток газа – это возможно из-за малой величины плотности газа ρ (поэтому и Δр - малая величина).