Тема 6 Движение жидкости в напорных трубопроводах. Назначение и
классификация трубопроводов.
Цель: Ознакомить с понятиями коротких и длинных трубопроводов, рассмотреть методику гидравлического расчета трубопроводной сети.
План:
1. Виды трубопроводов.
2. Расчет короткого трубопровода и сифона.
3. Расчет разомкнутой водопроводной сети.
Область применения трубопроводов значительна: это мелиорация (дренажные трубы) и орошение (дождевальные машины), медицина (искусственные кровеносные сосуды), теплоэнергетика и др. Трубопроводный транспорт для перемещения различных жидких, газообразных, твердых продуктов и их смесей стал самостоятельной отраслью народного хозяйства. Транспортировка жидкостей по трубопроводам очень экономична и легко поддается количественной и качественной регулировке.
В зависимости от рода перекачиваемой жидкости трубопроводы классифицируются на водопроводы, мазутопроводы, нефтепроводы, маслопроводы, бензопроводы и т. п.
Все трубопроводы подразделяются на две категории: простые и сложные. Простой трубопровод не имеет разветвлений на пути движения жидкости от точки забора до точки потребления. Как правило, такие трубопроводы выполнены из труб одного диаметра, но могут представлять собой последовательное соединение труб разного диаметра с поворотами под любым углом и в любой плоскости.
Сложный трубопровод имеет хотя бы одно разветвление или место примыкания труб. Как правило, сложный трубопровод состоит из основной (магистральной) трубы и ряда отходящих от нее ответвлений (участков). Отдельные участки труб в целях рационального распределения жидкости по потребителям могут объединяться в сети. Поэтому сложные трубопроводы в свою очередь классифицируются на следующие основные виды:
разветвленные, в которых жидкость из основной магистрали подается в боковые ответвления и обратно в магистраль не поступает;
параллельные, в которых к основной магистрали подключены параллельные ей еще один или несколько участков труб;
кольцевые, представляющие собой замкнутую сеть, питаемую от одной или нескольких магистралей.
Трубопровод первого вида является примером тупиковой или разомкнутой сети. Эта схема имеет ряд недостатков. Например, диаметры труб неравномерны по длине, так как в начальных участках, где расход жидкости больше, диаметры должны быть больше, чем в конечных. Кроме того, при выходе из строя какого-либо участка трубопровода все следующие за ним потребители отключаются от источника питания.
Трубопроводы второго и особенно третьего вида избавлены от последнего недостатка. В случае аварии или при проведении ремонтно-восстановительных работ на каком-либо участке достаточно отключить этот участок с двух сторон, а снабжение остальных будет продолжаться. Поэтому сети водопровода, особенно в городах, как правило, выполняются кольцевыми.
Рисунок 23 - Схемы сложных трубопроводов: а-разветвленных, б-параллельный, в-кольцевой.
В сложных трубопроводах различают транзитный и путевой расходы: при транзитном расход жидкости, передаваемой по магистрали, остается постоянным; при путевом часть жидкости отбирается из магистрали в ряде точек по пути ее движения. Перемещение жидкости по трубопроводам может осуществляться в результате создания искусственного напора насосами или водонапорными башнями, а также благодаря разности нивелирных высот (уровней) местности. Последний способ чаще используется в гидротехнических сооружениях, при орошении и водоснабжении в сельском хозяйстве.
Основные принципы расчета и проектирования трубопроводов.
В зависимости от величины потерь напора все трубопроводы подразделяют на гидравлически короткие и гидравлически длинные, причем их проектирование и расчет имеют существенные различия.
Короткими считают трубопроводы небольшой длины, имеющие, как правило, большое количество местных сопротивлений, в которых местные потери составляют примерно 5—10% потерь напора на трение по длине. В длинных трубопроводах, наоборот, потери напора на местные сопротивления настолько малы по сравнению с потерями по длине, что их либо не учитывают, либо принимают по эквивалентной длине.
Проектирование длинных трубопроводов начинают с проведения топографических изысканий на местности, в результате которых наносят трассу, строят продольный профиль трубопровода, наносят его длину и все высотные отметки.
Расход жидкости и напоры в конечных пунктах обычно заданы. Чаще всего необходимо определить диаметр трубопровода и напор в его начальном пункте. При гидравлическом расчете трубопроводов используют уже известные нам основные расчетные зависимости: уравнение Бернулли, уравнение постоянства расхода, уравнение Дарси-Вейсбаха.
Гидравлический расчет простого трубопровода.
Гидравлический расчет трубопроводов обычно сводится к определению одной из трех величин при заданных других:
напора Н при известных расходе Q жидкости, диаметре d и длине трубопровода l;
расхода Q жидкости при известных диаметре d, длине l трубопровода и напоре Н;
диаметра d трубопровода при заданных расходе Q жидкости и напоре H.
При расчете трубопроводов могут быть использованы два метода:
метод А — полный, учитывающий все сопротивления трубопровода;
метод В — сокращенный, с использованием расходных характеристик и поправочных коэффициентов на местные сопротивления по уравнениям.
Для определения экономически целесообразного диаметра трубопровода можно воспользоваться формулой, предложенной В. С. Яблонским. Он установил, что экономически наивыгоднейший диаметр соответствует скоростям течения жидкости, равным примерно v = 1 м/с, и, решив известное уравнение для расхода жидкости относительно диаметра получил:
где d3 — диаметр, м; Q — расход жидкости, м3/с.
В машиностроительной гидравлике чаще приходится рассматривать гидравлически короткие трубопроводы, например трубопроводы гидроприводов, системы питания автомобиля или трактора, смазочные системы металлообрабатывающих станков, всасывающие трубопроводы насосов и др. В подобных системах вязкость перекачиваемой жидкости может намного превосходить вязкость воды. В этих случаях местные потери становятся сопоставимыми с потерями напора по длине трубопровода, и ими пренебрегать нельзя.
Принцип расчета гидравлически коротких трубопроводов связан с определением значительного количества коэффициентов местных потерь и их суммированием.
Гидравлический расчет сложных трубопроводов труден, поэтому он изучается в специальных курсах и не входит в содержание общего курса гидравлики. Из множества возможных схем в качестве примера рассмотрим простейший случай: расчет трубопровода с параллельным соединением труб.
Исходными данными для расчета являются длины l1, l2, l3 отдельных участков сети, диаметры d1, d2, d3 труб на этих участках, топографические отметки местности в узловых пунктах А и В.
Значение потерянного напора для каждой параллельной ветви одно и то же и определяется из уравнения Бернулли: Н = НА — НВ.
Таким образом, получено известное уравнение: H = BQ2, которое можно использовать для построения гидравлических характеристик трубопровода.
Построение гидравлических характеристик при параллельном соединении трубопроводов отличается тем, что расходы жидкости в каждой параллельно включенной ветви суммируются, а потери напора определяются потерями в одной из них.
Рисунок 24 - К расчету трубопровода с параллельным соединением труб (слева) и зависимость потерь напора от расхода для трубопровода с параллельным соединением труб (справа)
Поэтому вначале на основании уравнения строят характеристики для каждой ветви, а затем, проведя ряд горизонтальных линий, суммируют графически значения расхода для каждой кривой и находят точки построения суммарной гидравлической характеристики параллельного трубопровода.
Таким образом, для графического построения суммарной характеристики трубопровода необходимо суммировать характеристики отдельных участков трубопровода: при параллельном соединении — по горизонтали, а при последовательном — по вертикали.
Расчет сифонного трубопровода.
В сифонном трубопроводе или просто сифоне (от греческого слова «трубка») жидкость, поднимаясь самотеком из верхнего резервуара А на некоторую высоту выше уровня воды в нем, далее сливается в нижний резервуар В. Сифон относится к категории простых трубопроводов, поскольку он обычно не имеет ответвлений и параллельных участков. Особенностью сифонного трубопровода является то, что давление жидкости по всей его восходящей линии и по части нисходящей ниже атмосферного.
Перед работой сифон заполняют жидкостью — «заряжают». Если в качестве сифона, используется шланг небольших размеров, то это легко осуществить предварительным погружением его в жидкость или отсосом воздуха.
Из сифонных трубопроводов больших размеров, предназначенных для перемещения значительных объемов жидкости, воздух отсасывают специальным воздушным насосом, или эжектором (из верхней точки сифона).
Рисунок 25 - Схема сифонного трубопровода
Разрежение в восходящей трубе сифона способствует выделению воздуха, растворенного в жидкости, а при значительном разрежении и повышении температуры (например, в летнее время) может произойти испарение самой жидкости. Выделение паров жидкости неизбежно влечет за собой разрыв столба жидкости Z3, а следовательно, прекращение работы всего сифонного устройства.
Сифонные трубопроводы имеют весьма широкое применение в инженерной практике. Их используют, например, в качестве водосборов гидротехнических сооружений; избыток воды перед плотиной сбрасывается сифоном в нижний бьеф за плотину; заполнение сифонной трубы при этом происходит автоматически. Сифоны необходимы для слива нефтепродуктов из цистерн, очистки каналов и водохранилищ от наносов, при прокладке водоводов через возвышенности. В горном деле с помощью сифонных трубопроводов подводят воду от буровых скважин к сборной камере при неглубоком расположении уровней воды в скважинах относительно поверхности земли. Система таких сифонных водосборов — сложное сооружение с трубопроводами значительных размеров.
Литература: 1, с.118-136; 4, с.137-148.
Контрольные вопросы:
1. Какие трубопроводы принято считать напорными и безнапорными, длинными и короткими?
2. Приведите формулы для определения путевого расхода, диаметра труб.
3. Как определяются потери напора по длине трубопровода при равномерной раздаче?