Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология машиностроения. Моделирование и специализированные пакеты программ. Учебное пособие для СПО
.pdf
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Расчет и конструирование трубопроводов
Большинство трубопроводов, обеспечивающих транспортировку жидкостей при получении искусственного холода, а также
в технологии получения молочных и других пищевых продуктов, относится к типу коротких, что связано со значительной
потерей напора в местных сопротивлениях этих трубопроводов.
Любой трубопровод характеризуется геометрическими размерами (длиной участков и их диаметрами), а также напором,
затрачиваемым на преодоление сопротивления трубопровода
(сети) и расходом.
Под напором подразумевают энергию жидкости, которая
сообщается ей насосом и расходуется на движение жидкости по
трубам и на преодоление сопротивления движению. Он определяется по формуле:
Н
= (D+[)v2/2g,
потр
где D — коэффициент кинетической энергии; [ — коэффициент
сопротивления трубопровода (сети); v
2
/2g — кинетическая
энергия движущейся жидкости при скорости движения v.
Коэффициент сопротивления сети [ учитывает потери напора на трение по длине и местные потери напора и зависит от
конструкции трубопровода и его геометрических размеров, он
равен:
[ = Ol/d + 6 [
,
m
где O — коэффициент сопротивления трения (коэффициент
Дарси); l — длина трубопровода; d — диаметр трубопровода;
6 [
— сумма коэффициентов местных сопротивлений.
m
Коэффициент Дарси O зависит в общем случае от режима
движения и шероховатости трубопровода. Величина коэффициента Дарси определяется с помощью специального графика
ВТИ или с помощью формул, соответствующих режиму движения. Режим движения жидкости в трубах бывает ламинарным,
переходным и турбулентным и определяется численным значением критерия Рейнольдса:
-151-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
Re = vdэ/Q,
где v — скорость движения жидкости; d
— эквивалентный
э
диаметр трубопровода; Q — кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Эквивалентный диаметр трубопровода равен:
d
= 4F/Y = 4R,
э
где F — площадь живого сечения потока; Y — смоченный периметр; R — гидравлический радиус.
Скорость движения жидкостей в трубопроводах находится
в пределах 0,5–1,8 м/с.
Понятие шероховатости трубопровода является относительным и рассматривается только для турбулентного течения
жидкости. Поверхность трубопровода считается гидравлически
шероховатой, если абсолютное среднее значение выступов шероховатости ' превышает толщину ламинарного пристенного
подслоя G. В том случае, если толщина ламинарного подслоя G
превышает среднее значение выступов шероховатости ', поверхность трубопровода считается гидравлически гладкой.
На рис. 3.58 дано схематическое изображение этих случаев.
G
а) б)
Рис. 3.58. Понятие гидравлической шероховатости трубопровода:
а — труба гидравлически шероховатая; б — труба гидравлически гладкая
'
G
'
Высота выступов шероховатости ' зависит от материала
и сроков эксплуатации трубопровода и имеет следующие значения, мм.
Трубы медные, латунные ................................................. ' = 0,01 – 0,02.
Трубы из нержавеющей стали .................................... ' = 0,02 – 0,05.
Трубы водопроводные, стальные, новые ............' = 0,05 – 0,15.
-152-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Трубы водопроводные чугунные, новые,
стальные старые ...................................................................... ' = 0,2 – 0,3.
Трубы водопроводные чугунные, старые .......... ' = 0,5 – 2,0.
Толщина ламинарного подслоя является величиной переменной, зависит от режима движения жидкости, состояния
поверхности трубопровода и определяется по формуле:
0.5
G = 30d / Re(O)
,
где d — диаметр трубопровода; Re — критерий Рейнольдса; O —
коэффициент Дарси.
Таким образом, один и тот же трубопровод с постоянной для
данного момента времени абсолютной шероховатостью может
быть и гидравлически гладким, и гидравлически шероховатым
в зависимости от толщины ламинарного подслоя.
Местные сопротивления учитывают потерю энергии
(напора) при движении жидкости в трубопроводе в связи
с изменением скорости по величине и направлению (внезапные
расширения и сужения трубопровода, повороты на различные
углы, вентили, вход и выход из резервуаров и т.п.). Каждое местное сопротивление характеризуется коэффициентом местных
сопротивлении [
, численное значение которого определяется
m
по справочникам в зависимости от геометрических размеров.
Расход или производительность трубопровода Q — количество жидкости, передаваемое по трубопроводу в единицу
3
времени (м
/с). Расход определяется по формуле:
Q = Zμ
где Z — площадь сечения трубопровода; μ
2gH,
s
— коэффициент
s
расхода трубопровода; H — напор трубопровода.
Коэффициент расхода трубопровода показывает, во
сколько раз действительный расход меньше теоретически возможного, и зависит от конструкции трубопровода. Коэффициент
расхода трубопровода определяется из формулы:
= l /D+Ol/d + 6 [m.
μ
s
-153-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
Возможны четыре случая расчета трубопроводов по заданным схемам насосных установок:
1) при заданных напоре, расходе и длине трубопровода не-
обходимо определить диаметр трубопровода;
2) при заданных расходе, длине и диаметре трубопроводов
необходимо определить потребный напор;
3) при заданных напоре, длине и диаметре трубопроводов
необходимо определить расход трубопровода;
4) при заданных длине и расходе требуется определить
напор и диаметр трубопровода.
Определение потребного напора, например, осуществляют следующим образом.
Для подбора насоса для насосной установки необходимо
рассчитать потери напора во всасывающем и нагнетательном
трубопроводах. Последний может включить в себя различную
теплообменную аппаратуру.
Расчет производится в следующей последовательности:
1) определяют скорость движения жидкости во всасываю-
щем трубопроводе v
где Z
— площадь сечения всасывающего трубопровода;
вс
, по заданному расходу и диаметру, м/с:
вс
= Q/Zвс,
v
вс
2) определяют режим движения жидкости во всасывающем
трубопроводе (находят критерий Рейнольдса):
Re = v
всdвс
/Q,
где Q — кинематический коэффициент вязкости, зависящий от
2
рода жидкости и ее температуры, м
/с ;
3) определяют коэффициент Дарси с помощью специальной диаграммы. Для этого необходимо задать материал трубы
и срок ее эксплуатации. В соответствии с приведенными выше
значениями абсолютной шероховатости и определенным ранее
критерием Рейнольдса по диаграмме определяют коэффициент
Дарси;
-154-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
4) с помощью специального приложения определяют сумму коэффициентов местных сопротивлений во всасывающем
трубопроводе. При расчете местных потерь напора необходимо
учитывать сопротивления заборной сетки, вентилей и поворотов
трубопровода;
5) определяют потери напора во всасывающем трубопроводе h
тр. вс
:
= (Ol / d + 6 [m)v
h
тр. вс
2
вс
/ 2g;
6) по заданной схеме установки определяют длины участков нагнетательного трубопровода до и после теплообменника
и длину участка, приходящуюся на теплообменник. После этого
проводят расчет потерь напора на всех участках нагнетательного трубопровода, в том числе в теплообменнике, аналогично
расчету всасывающего трубопровода.
При нахождении режима движения в теплообменнике
определяющим геометрическим размером следует считать
либо заданный эквивалентный диаметр d
(для пластинчатого
э
охладителя), либо определить его душ теплообменника «труба
в трубе» по ранее приведенной формуле.
При нахождении кинематического коэффициента вязкости
Q следует учитывать, что вязкость жидкостей в значительной
степени зависит от температуры. Поэтому вязкость жидкости
до и после теплообменника будет различной. Вязкость жидкости, проходящей по теплообменнику, определяют по средней
температуре жидкости.
Составив уравнение Бернулли относительно сечений свободной поверхности жидкости в исходном резервуаре и конечной точке трубопровода, получим зависимость для напора сети,
равного напору, создаваемому насосом:
= Н
Н
сети
где Н
ке; Р
Р
— геометрическая высота подъема жидкости в установ-
г
— абсолютное давление в конечной точке трубопровода;
к
— абсолютное давление на поверхности исходного резервуа-
о
= Нк – Но = Нг + (Рк – Ро) / J + h
потр
-155-
тр. вс
+ h
тр. н
,
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
ра; h
тр. вс
; h
— определенные выше потери напора во всасыва-
тр. н
ющем и нагнетательном трубопроводах.
Далее переходят к подбору насоса на сеть, напор которой
определен по последней формуле (рис. 3.59).
Изложенный алгоритм расчета коротких трубопроводов
может быть реализован в MahtCAD.
Например, расчет необходимого диаметра трубопровода для
заданного напора, длины и расхода может быть осуществлен по
следующей MathCAD-программе, которая приведена ниже.
Программа для расчета трубопровода приведена в Приложении 2.
Алгоритм расчета трубопровода
Напор, м H = 3,58.
Расход жидкости, м
3
/ч Q = 85.
Общая длина трубопровода, м l = 87.
Кинематическая вязкость, м
Высота выступов шероховатости, м ' = 3 10
Сумма коэффициентов местных сопротивлений [
O
G
4
2
/с Q = 1,16 10-6.
4
-5
.
= 38,94.
m
4
G5H
XS
G
J
G5H
UK
OO
G
O
UK
§
UKS
§
¨
¨
©
¨
¨
©
G
§
' G5HLIG
ORJ
¨
©
G
D
'
ORJURWGG
-156-
G
·
§
¨
©
·
ORJ
¸
¸
'
¹
¹
§
¨
¨
©
UK
G5H
OO
§
¨
©
§
¨
ORJURW
¨
©
·
'
G5H
OO
·
'
¸
O
¸
G
¹
¸
¸
G
¹
·
¸
¸
¹
·
¸
¹
·
¸
O
¸
¹
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
*LYHQ
ȗ
§
¨
¨
©
G5HLIG
GG
O
G
G
G5H
G
D]O
P
Результаты расчета:
ɦ
G
DG
GGK
§
¨
]
G ]O
¨
S
©
G
GRS
4
+
J
·
t GGG5HG5HLI
4
J
S
GG
+
·
¸
¸
¹
G
G
OOO
O G
GKGGG
O
PGRS
¸
SUKUK
¸
¹
G0LQHUUG
G
Рис. 3.59. Зависимость дополнительного сопротивления от диаметра
-157-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
Моделирование трехкорпусной выпарной установки
Сформулируем условия моделирования трехкорпусной
выпарной установки в виде задания на выполнение курсового
проекта.
Задание на проектирование выпарной установки непрерывного действия
Исходные данные:
— производительность установки по исходному продук-
G
Н
ту, кг/с;
— начальная концентрация сухих веществ в продукте, %;
Х
Н
— конечная концентрация сухих веществ в продукте, %;
Х
К
— температура продукта начальная, оС;
t
1
t — начальная температура охлаждающей воды,
о
С.
Продукт: М — молоко обезжиренное;
МЦ — молоко цельное;
СТв — сыворотка творожная;
СЯ — сок яблочный;
СВ — сок виноградный;
Стм — сок томатный.
Подлежащие разработке вопросы
1. Литературный обзор по технологии и техники произ-
водства указанного продукта.
2. Выбор выпарной установки и режимов выпаривания
(уточняется с преподавателем).
3. Технологическая схема выпарной установки.
4. Технологический расчет.
4.1. Определение физико-механических свойств материала.
4.2. Материальный баланс; определение производительнос-
ти установки по готовому продукту и испаренной влаге.
4.3. Определение температуры кипения раствора и депрессий.
4.4. Тепловой баланс; определение расхода греющего пара,
тепловой нагрузки по корпусам.
4.5. Определение полезной разности температур.
-158-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
4.6. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопе-
редачи.
4.7. Определение поверхности теплопередачи.
5. Конструктивный расчет.
5.1. Выбор выпарного аппарата по рассчитанной поверхнос-
ти теплообмена.
5.2. Определение размеров сепаратора вторичного пара.
5.3. Определение размеров циркуляционной трубы.
5.4. Определение размеров патрубков и штуцеров.
5.5. Расчет теплоизоляции аппарата.
6. Расчет вспомогательного оборудования.
6.1. Расчет и подбор конденсатора вторичного пара.
6.2. Расчет и подбор вакуумного насоса.
6.3. Расчет предварительного подогревателя исходного ма-
териала.
6.4. Подбор насосов.
6.7. Расчет емкостного оборудования.
7. Выбор точек контроля и управления работой установки.
Графическое оформление
1. Технологическая схема установки с экспликацией обору-
дования.
2. Сборочный чертеж элемента установки (по заданию пре-
подавателя).
Рекомендуемая схема построения и оформление
пояснительной записки
1. Титульный лист.
2. Задание на проектирование.
3. Оглавление (содержание).
4. Сущность и назначение данного процесса (аппарата).
5. Описание машино-аппаратурной схемы установки (тех-
нологическая схема).
7. Технологический расчет.
-159-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
7.1. Физико-химические свойства перерабатываемых мате-
риалов.
7.2. Материальный баланс.
7.3. Тепловой баланс.
7.4. Определение основных размеров элементов установки.
8. Конструктивный расчет.
8.1. Выбор конструкционных материалов.
8.2. Гидравлические расчеты.
8.3. Разработка конструкции установки.
8.4. Расчет тепловой изоляции.
9. Контроль за работой установки. Выбор точек контроля за
режимом работы с указанием принципа регулирования.
10. Техническая характеристика установки (сводная табли-
ца основных показателей установки).
11. Список использованной литературы.
Оформление расчетно-пояснительной записки
Расчетно-пояснительная записка должна быть отпечатана
или написана чернилами на писчей бумаге формата 203 u 288 мм
на одной стороне листа. На каждом листе должны быть оставлены поля шириной 25 мм: слева — для подшивки и справа — для
отметок преподавателя.
В тексте необходимо давать ссылки на использованную
литературу для расчетных формул, физических констант
и других справочных данных.
Ссылки на литературу даются в квадратных скобках,
в которых проставляются: цифра, указывающая порядковый
номер данного источника в списке использованной литературы,
и страница. Пример: [4, с. 175; 7, с. 80].
Список использованной литературы дается в конце поясни-
тельной записки, причем указываются лишь те источники, на
которые есть ссылка в записке. Этот список должен содержать
полное название пособия с указанием фамилии и инициалов
автора, место издания, название издательства и год издания.
Например, Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов
-160-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]