1.Стационарный режим эксплуатации «горячего» трубопровода

Горячий трубопровод – это система с температурой теплоносителей или продуктов, которая превышает температуру окружающей среды.

Поток называется установившимся, если средняя скорость и рас­ход в данном (одном и том же) сечении потока не меняются во времени, но поток является изменяющимся в пространстве.

Установившееся движение жидкости в трубопроводе описывается уравнением

Где р – давление; ρ – плотность жидкости; λ – коэффициент гидравлического сопротивления; х – длина; D – диаметр трубопровода; ω – средняя скорость движения жидкости; g – ускорение свободного падения; z – нивелирная высота.

2. Нестационарный режим эксплуатации «горячего» трубопровода

«Горячие» трубопроводы значительную часть времени работают в нестационарном тепловом и гидравлическом режимах. Тепловая нестационарность, связанная с медленным прогревом или охлаждением окружающей трубопровод среды, может привести к остановке трубопровода из-за чрезмерного повышения потерь напора в трубопроводе - «замораживанию» его.

Течение жидкости в трубопроводе, при котором гидравличе­ские параметры (давление, скорость, расход, температура и т.п.) зависят не только от координаты x вдоль оси трубопровода, но и от времени t, называется неустановившимся или нестационар­ным. Такие течения описываются функциями р(,t), v(x,t),Q(x, t), T(x, t) и др., определяющими как изменяются парамет­ры течения в сечении x в зависимости от времени t .

Неустановившиеся процессы в трубопроводах возникают при пусках и остановках перекачки, включении или отключении отводов, работе запорной и регулирующей аппаратуры, а также при различных авариях - разрывах трубы и закупорках.

Для слабо сжимаемых жидкостей, каковыми являются нефть и нефтепродукты, неустановившиеся течения при полном запол­нении сечений трубопровода жидкостью описываются диффе­ренциальными уравнениями с частными производными,

X(x,t) +р c2 dv(x,t) = 0

служащими для определения двух неизвестных функций: p(x, t)— давления и v(x, t)— скорости течения жидкости.

3. Ламинарное течение жидкости

ЛАМИНАРНЫМ называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линиитока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

Ламинарное течение жидкости наблюдается или у очень вязких жидкостей, или при течениях, происходящих с достаточно малыми скоростями, а также при медленном обтекании жидкостью тел малых размеров. Внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным. Скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы, при этом наибольшей скоростью обладает слой, который движется вдоль оси трубы. 

В частности, Л. т. имеют место в узких (капиллярных) трубках, в слое смазки в подшипниках, в тонком пограничном слое, образующемся вблизи поверхности тел при обтекании их жидкостью или газом, и др.

Потери напора при ламинарном течении жидкости

Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.

Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.

Как показывают исследования, при ламинарном течении жидкости в круглой трубе максимальная скорость находится на оси трубы. У стенок трубы скорость равна нулю, т.к. частицы жидкости покрывают внутреннюю поверхность трубопровода тонким неподвижным слоем. От стенок трубы к ее оси скорости нарастаю плавно. Для определения потерь напора при ламинарном течении жидкости в круглой трубе рассмотрим участок трубы длинойl, по которому поток течет в условиях ламинарного режима.

Схема для рассмотрения ламинарного потока

Потеря давления в трубопроводе будет равна:

P1 и P2 - давления соответственно в сечениях 1 и 2

μ - динамический коэффициент вязкости

l- участок трубы длиной

d- диаметр трубы

υ_ср– средняя скорость потока

Уравнение может быть преобразовано в универсальную формулу Вейсбаха-Дарси, которая окончательно записывается так:

, где λ - коэффициент гидравлического трения, который для ламинарного потока вычисляется по выражению:

.

Однако при ламинарном режиме для определения коэффициента гидравлического трения λТ.М. Башта рекомендует при Re < 2300 применять формулу

Число Рейнольдса – безразмерная величина, характеризующая режим течения жидкости:

• —плотностьсреды, кг/м³;

• —характерная скоростьпотока, м/с;

• —гидравлический диаметр(или l — характерный линейный размер), м;

• —динамическая вязкостьсреды, Н·с/м²;

• —кинематическая вязкостьсреды, м²/с;

• —объёмная скорость потока;

• —площадь сечения трубы.

Критическое число Рейнольдса

Число Рейнольдса, при котором происходит переход от одного режима движения жидкости в другой режим, называется критическим. При числе Рейнольдса наблюдается ламинарный режим движения, при числе Рейнольдса - турбулентный режим движения жидкости. Чаще критическое значение числа принимают равным, это значение соответствует переходу движения жидкости от турбулентного режима к ламинарного. При переходе от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному критическое значение имеет большее значение. Критическое значение числа Рейнольдса увеличивается в трубах, сужаются, и уменьшается в тех, что расширяются. Это объясняется тем, что при сужении поперечного сечения скорость движения частиц увеличивается, поэтому тенденция к поперечного перемещения уменьшается.

Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.).

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Re_крпримерно равно 2300.

Для ламинарного режима

Для турбулентного режима