kursach2

Введение

Гидравлическое сопротивление — безвозвратные потери удельной энергии (переход её в теплоту) на участках гидравлических систем (систем гидропривода, трубопроводах, другом гидрооборудовании), обусловленные наличием вязкоготрения. Гидравлические сопротивления принято разделять на два вида: потери на трение по длине — возникают при равномерном течении, в чистом виде — в прямых трубах постоянного сечения, они пропорциональны длине трубы;местные гидравлические потери — обусловлены т. н. местными гидравлическими сопротивлениями — изменениями формы и размера канала, деформирующими поток. Примером местных потерь могут служить: внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п.

На преодоление гидравлических потерь в различных технических системах затрачивается работа таких устройств, как насосы, воздуходувки.

Для уменьшения гидравлических потерь рекомендуется в конструкциях гидроборудования избегать применения деталей, способствующих резкому изменению направления потока — например, заменять внезапное расширение трубы постепенным расширением (диффузор), придавать телам, движущимся в жидкостях, обтекаемую форму и др. Даже в абсолютно гладких трубах имеются гидравлические потери; при ламинарном режиме шероховатость мало на них влияет, однако при обычных в технике турбулентных режимах её увеличение, как правило, вызывает рост гидродинамического сопротивления.

Иногда, напротив, требуется ввести гидравлическое сопротивление в поток. Для этого применяются дроссельные шайбы, редукционные установки, регулирующие клапана. По измерению давления на некотором элементе, график коэффициента гидравлического сопротивления которого известен, можно узнать скорость потока в некоторых распространённых типах расходомеров.

Постановка задач

В первой части задания следует построить характеристику гидравлической сети и подобрать центробежный насос для перекачивания толуола. Центробежный насос — насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость – представлен на схеме:

Рис. 1, Схема центробежного насоса

1 - рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал;

5 - лопатка рабочего колеса; 6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок; 8 - подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка); 10 - гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник); 11 - всасывающий патрубок.

Перед нами были поставлены задачи:

1. Для каждого значения подачи Q, выбранного из интервала от 0 до 40, рассчитать полный напор Н, необходимый для перемещения этилацетата;

2. Построить график зависимости H=f(Q), являющийся характеристикой гидравлической сети;

3. Подбор центробежного насоса по каталогу.

Во второй половине работы нам нужно было рассчитать гидравлическое сопротивление нескольких вариантов конструкции кожухотрубчатого теплообменника, считая его одноходовым и многоходовым по трубному и межтрубному пространству.

Кожухотрубные теплообменникиотносятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Рис. 2, Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции

1 – кожух; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – крышка;

5 – днище; 6 – болты; 7 – прокладки; I, II – теплоносители.

Рис. 3, Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники

1 — корпус (обечайка); 2 — трубные решетки; 3 — трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки в крышках; 6 — перегородки в межтрубном пространстве.

Перед нами были поставлены следующие задачи:

1. Рассчитать гидравлическое сопротивление трубного пространства для одно-, двух-, четырех- и шестиходового теплообменника;

2. Рассчитать гидравлическое сопротивление межтрубного пространства одноходового и многоходовых теплообменников;

3. Проанализировать результаты и сопоставить экономические затраты на перемещение теплоносителя через аппарат различных вариантов конструкции;

4. Сделать соответствующие выводы.

Расчёт

Задание 1. Построить характеристику гидравлической сети и подобрать центробежный насос для перекачивания этилацетата с объёмным расходом Q=40 при температуре 25° С. Наружный диаметр трубопровода и толщина стенок трубы мм. Общая длина трубопровода L=95 м. Абсолютное давление в приемной емкости кПа, в напорной емкости кПа. Геометрическая высота подачи м. Трубопровод выполнен из чугунных старых труб.Общийк.п.д. насосной установки ƞ=55%. Местные сопротивления представлены тремя вентилями прямоточными, двумя вентилями нормальными, тремя отводами под углом 130° и отношением радиуса отвода к диаметру трубы , отводами с острыми краями ().

Физические свойства толуола при температуре t=25°C: вязкость µ=0,46; плотность ρ = 901. [1]

Определение потери напора на преодоление сил трения

Внутренний диаметр трубымм ,где - наружный диаметр трубы, - толщина стенки трубы.

Скорость толуола:

, (1)

где Q – объемный расход ,;

S – площадьпоперечного сечения, .

Средняя скорость толуола по формуле (1):

м/с.

Скоростной напор:

м ст. толуола (2)

Критерий Рейнольдса:

, (3)

где - плотность толуола, ;

- вязкость толуола Па×с;

d – внутренний диаметр трубы, м;

ω – средняя скорость толуола, м/с

Критерий Рейнальдса в соответствии с уравнением (3) равен:

Re> 10000, следовательно, в трубах наблюдается развитый турбулентный режим.

Для чугунных старых труб абсолютная шероховатость e=1,4.[1]. Отношение равно 57, 85, отсюда .

Потери напора на преодоление сил трения:

, (5)

где - коэффициент трения;

L – длина трубопровода, м;

d – внутренний диаметр трубы, м;

ω – средняя скорость толуола, м/с;

- скоростной напор, м ст. толуола.

Потери напора на преодоление сил трения в соответствии с уравнением (5) равны:

м ст.этилацетата

Определение потерь напора на преодоление местных сопротивлений

Потери напора на трех прямоточных вентилях:

, (6)

где - коэффициент местного сопротивления прямоточного вентиля, =. [1]

В соответствии с уравнением (6)

м ст. этилацетата

Потери напора на двух нормальных вентилях:

, (7)

где - коэффициент местного сопротивления нормального вентиля.

В соответствии с уравнением (7)

м ст. этилацетата.

Потери напора на двух отводах:

, (8)

где - коэффициент местного сопротивления, =

В соответствии с уравнением (8):

м ст. этилацетата

Потери напора на диафрагме:

м ст. этилацетата (9)

Дополнительные затраты напора на преодоление давления в пространствах нагнетания и всасывания:

, (10)

где - давление в приемной емкости, Па; - давление в напорной емкости, Па .

В соответствии с уравнением (10)

м ст. этилацетата

Расчёт полного напора Н насоса

, (11)

Полный напор Н, необходимый для перемещения гексана, рассчитываем по уравнению (11):

м ст. этилацетата

Аналогично проводятся расчеты полного напора для других значений подачи Q. Расчет полного напора для различных значений представлен в Таблице 1. По данным Таблицы 1 построена характеристика гидравлической сети, приведенная на Рисунке 4.

Таблица 1

Q,	W, м/с	м ст. тол.		λ					Напор Н, м ст. этилацетата
														Н
0,00	0,00	0,000	0	0,000	0	0	0	0	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	20,445
5,74	0,077	0,0003	12216	0,048	0,8216	4	0,108	15,65	0,0168	0,00074	0,0024	0,000097	0,0047	20,465
11,428	0,15	0,0011	23798	0,048	0,5398	4	0,108	15,65	0,0619	0,00178	0,0088	0,00035	0,0172	20,546
17,142	0,23	0,0027	36490	0,047	0,5251	4	0,108	15,65	0,1488	0,00425	0,0216	0,00087	0,0423	20,675
22,856	0,308	0,0048	48865	0,045	0,5108	4	0,108	15,65	0,2533	0,00735	0,0384	0,00155	0,0751	20,835
28,57	0,385	0,0076	61082	0,044	0,5133	4	0,108	15,65	0,3922	0,0117	0,0608	0,00246	0,1189	21,048
34,284	0,46	0,012	72981	0,043	0,5219	4	0,108	15,65	0,6052	0,01879	0,096	0,00388	0,1878	21,378
40	0,54	0,015	85673	0,043	0,5211	4	0,108	15,65	0,756	0,023	0,647	0,00486	0,235	21,598

Расчет полного напора для различных значений подачи

Рис. 4,

Характеристика сети

Подбор насоса

По величине Q=40 и полному напору Н=21,598 м ст. этилацетата подбираем центробежный насос марки Х45/31, для которого при оптимальных условиях работы , Н=25 м ст. этилацетата, . Насос обеспечен электродвигателем А02-52-2 номинальной мощностью кВ, КПД электродвигателя , частота вращения вала n=48,3 об/с. [1]

Общий КПД насосной установки при равен

Мощность, действительно потребляемая насосом, равна

, (12)

где Q – заданный объемный расход, ;

Н – полный напор насоса, м ст. толуола;

Ρ – плотность толуола, ;

η – общий КПД насосной установки.

В соответствии с уравнением (12)

кВт

Выбранный центробежный насос имеет запас по подаче и напору :

;

тмс

Задание 2. Рассчитать гидравлическое сопротивление нескольких вариантов конструкции кожухотрубчатого теплообменника, считая его одноходовым и многоходовым по трубному и межтрубному пространству. Сопоставить экономические затраты на перемещение теплоносителя через аппарат для различных вариантов конструкции и сделать вывод о целесообразности пропускания теплоносителя по трубному или межтрубному пространству. Через теплообменник проходит толуол. Массовый расход теплоносителя G=928850 кг/ч, его средняя температура . Трубы аппарата выполнены из стали. Срок эксплуатации теплообменника небольшой. Параметры теплообменника: диаметр кожуха D=800 мм; трубы мм. Возможное число ходов по трубному пространству Z и соответствующее общее число труб n: a) Z=1, n=257; б) Z=2, n=240; в) Z=4, n=206; г) Z=6, n=196. Длина труб L=6 м. Площадь сечения потока в вырезе перегородки : для Z=1,2,4 и для Z=6.Площадь сечения одного хода по трубам: а) Z=1,; б) Z=2, в) Z=4, ; г) Z=6, . Плотность толуола и вязкость Па×с.

Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства

Объемный расход этанола

(13)

Скорость этанола в трубах теплообменника:

, (14)

где - объемный расход, ; - площадь сечения одного хода по трубам, .

В соответствии с уравнением (14) находим скорости этанола в трубах с разным числом ходов. Результаты записаны в Таблице 2.

Таблица 2,Скорость этанола

Z	1	2	4	6
	8,9	4,2	1,8	1,1
	3,4	7,3	17,2	28,2

В соответствии с уравнением (3) находим величину критерия Рейнольдса для каждого значения скорости, учитывая, что мм:

а) Z=1, ;

б) Z=2, ;

в) Z=4, ;

г) Z=6, .

В одноходовом теплообменнике наблюдается переходный режим (или неразвитый турбулентный), в многоходовых теплообменниках – развитый (устойчивый) турбулентный режим.

Трубы выполнены из стали, следовательно, абсолютная шероховатость е=1,4 мм.

Степень шероховатости равна . По номограмме определяем коэффициент трения [1]:

а) ,

б) ,

в)

г) ,

Для теплообменника с диаметром кожуха D=800 мм диаметры штуцеров сведены в Таблицу 3. [2]

Таблица 3, Диаметры штуцеров

Z	1	2	4	6
	250	250	200	150

Скорость толуола в штуцерах определяется как

, (15)

В соответствии с уравнением (15) находим скорость толуола в штуцерах для каждого теплообменника. Результаты расчёта сведены в Таблице 4.

Таблица 4, Скорость этанола в штуцерах

Z	1	2	4	6
	250	250	200	150
, м/с	6,31	6,31	9,87	17,5

Из Таблицы 4 видно, что скорости толуола в штуцерах превышают рекомендуемый предел . Поскольку увеличение скорости движения теплоносителя приводит к росту гидравлического сопротивления, можно сделать вывод, что данные варианты многоходовых аппаратов использовать нецелесообразно.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства рассчитывается как

, (16)

где Z – число ходов по трубам;d – наружный диаметр трубы;L – длина трубы, м; и - плотность (кг/м3) и скорость (м/с) теплоносителя; - скорость теплоносителя в штуцерах, м/с.

По уравнению (16) гидравлическое сопротивление для одноходового аппарата и различных вариантов многоходовых теплообменников:

а) Z=1, Па;

б) Z=2,

Па;

в) Z=4,Па;

г)Z=6, Па.

Таблица 5, Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника

Z	, Па	, Па	, Па	, Па	, Па
1	21878	-	9572	49451	80903
2	163889	55155	88248	49451	356743
4	1399745	918583	979822	120991	3419141
6	5079538	4115357	39507523	380362	49082791