- •Гидравлический расчет трубопроводов
- •Предисловие
- •1.Общие сведения о трубопроводной системе
- •1, 2, 3, 4,5 – Зоны движения
- •2. Методика гидравлического расчета
- •3. Пример расчета варианта задания
- •3.1. Расчет физических параметров воды
- •3.2. Расчет трубопровода 5
- •3.3. Расчет трубопровода 4
- •3.4. Расчет магистрального трубопровода 3
- •3.5. Расчет магистрального трубопровода 2
- •3.6. Расчет высоты уровня воды в баке водонапорной башни
- •3.7. Расчет всасывающего трубопровода 1
- •4. Использование вычислительных программ
- •Задание на курсовую работу
- •Приложения
- •Содержание
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина»
Кафедра тепловых электрических станций
Гидравлический расчет трубопроводов
Методические указания к выполнению курсовой работы
по дисциплине «Гидрогазодинамика» для студентов,
обучающихся по направлению «Теплоэнергетика»
Иваново 2015
Составители: С.И. Шувалов,
Г.Г. Михеев
Редактор Г.В. Ледуховский
Методические указания содержат методику расчета трубопроводных систем, индивидуальные задания и пример выполнения курсовой работы.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика».
Утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ
Рецензент
кафедра химии и химической технологии в энергетике
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический
университет имени В.И. Ленина»
Предисловие
В Федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования по направлению подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» (квалификация (степень) – бакалавр) указано, что выпускник должен уметь рассчитывать гидродинамические параметры потока жидкости и газа при внешнем обтекании тел и течении в каналах и трубах, а также проводить гидравлический расчет трубопроводов.
Для получения практических навыков при изучении дисциплины «Гидрогазодинамика» предусмотрена курсовая работа, в которой студент должен выполнить гидравлический расчет системы трубопроводов: для заданных расходов воды необходимо выбрать диаметры трубопроводов, рассчитать гидравлические сопротивления труб и избыточные давления воды в узлах системы, минимально допустимую высоту водонапорной башни, производительность насосов и максимальную высоту размещения насосов над уровнем воды в водозаборнике.
В методических указаниях даны общие сведения о трубопроводной системе, представлена методика расчета и приведен пример расчета. Индивидуальные задания для выполнения курсовой работы представлены в конце методических указаний.
В приложении приведены справочные данные, достаточные для выполнения курсовой работы.
1.Общие сведения о трубопроводной системе
Для перемещения жидкостей и газов используются трубопроводные системы, состоящие из устройства подачи перемещаемой среды в систему, источника энергии для компенсации затрат энергии на подъем среды относительно места забора и потерь на трение, а также трубопроводов, соединенных между собой определенным образом.
В зависимости от рода перекачиваемой жидкости различают: водопроводы, нефтепроводы, маслопроводы, газопроводы и т.д.
В зависимости от конфигурации различают простые и сложные трубопроводы. Простым называют трубопровод, не имеющий разветвлений от точки забора до точки потребления. Сложные трубопроводы делятся на следующие виды:
1) разветвленные;
2) трубопроводы с параллельным соединением;
3) кольцевые.
В зависимости от длины и гидравлических условий расчета трубопроводы разделяются на длинные и короткие. Длинными считаются трубопроводы, имеющие значительную протяженность, в которых величина местных потерь напора не превышает 10 % от потерь напора по длине. К длинным трубопроводам относят наружные водопроводные сети и водоводы, нефтепроводы и т.д. При их расчете местные потери отдельно не учитываются, а принимаются равными 5…10 % от линейных потерь. У коротких трубопроводов местные потери составляют более 10 % от линейных потерь. Короткими трубопроводами являются всасывающие линии насосных станций, сифоны, самотечные линии водоприемников, внутренние хозяйственно-питьевые водопроводы и т. п. При их расчетах обязательно учитывают потери напора в каждом из местных сопротивлений.
При транспортировке жидкости и достаточно большой разности высот между местом подачи жидкости в систему и потребителем применяются самотечные системы, в которых жидкость перемещается сверху вниз под действием собственного веса. В том случае, когда разности высот недостаточно для преодоления сил трения, используются напорные системы с насосами в качестве внешнего источника энергии.
При проектировании трубопровода одним из принципиальных вопросов является выбор типа и диаметра труб. При малом диаметре высокая скорость жидкости приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению трубопровода и требует применения более дорогих высоконапорных насосов и более высоких энергозатрат на транспортирование жидкости. Увеличение диаметра трубопровода снижает скорость жидкости и вместе с ней сокращает гидравлическое сопротивление и затраты на транспортирование, но при этом увеличивает капитальные затраты на строительство трубопровода. Кроме того, при малой скорости движения в трубах оседают частички примесей и продуктов коррозии, увеличивая шероховатость стенок и сокращая проходное сечение трубы. Отсюда следует, что существует некоторая оптимальная скорость движения жидкости, обеспечивающая ее надежный транспорт и минимальные суммарные затраты на строительство и эксплуатацию трубопровода. Оценка величины этой скорости требует проведения технико-экономического анализа с учетом стоимости материалов, электроэнергии, затрат на сооружение, техническое обслуживание и ремонт трубопровода. Методика такого анализа выходит за пределы данного курса и рассматривается в других дисциплинах. В курсовой работе принимается, что скорость воды в трубопроводе должна находиться в диапазоне 1,0…1,2 м/с.
Выбор диаметра труб не может быть произвольным. Серийно выпускаются трубы только определенных диаметров, которые и следует применять при проектировании трубопроводов.
При фиксированной конфигурации трубопроводной системы, заданных расходах жидкости и скорости ее движения гидравлический расчет трубопроводов сводится к определению затрат энергии на подъем жидкости и гидравлических потерь на трение. Эти расчеты базируются на уравнении Бернулли для стационарного течения вязкой жидкости, записанном в виде баланса энергии для различных сечений:
. (1)
Здесь – плотность жидкости; v – скорость потока; h – высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости; р – давление в точке, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости; g – ускорение свободного падения; р –потеря давления на преодоление сопротивления трения жидкости.
Это соотношение получено в 1738 г. Даниилом Бернулли. Иногда уравнение записывается в виде баланса напоров
, (2)
где h – потеря напора вследствие трения жидкости.
Здесь каждое слагаемое имеет размерность единицы длины. Величина соответствует высоте столба жидкости, создающего своим весом давлениер и поэтому называется пьезометрической высотой. Величина z есть высота рассматриваемой точки над некоторой начальной горизонтальной плоскостью и поэтому называется геометрической высотой. Величина есть высота, с которой тело должно упасть, чтобы при свободном падении приобрести скоростьv, и поэтому называется скоростной высотой.
При движении несжимаемой жидкости по трубе постоянного сечения на участке, где массовый расход не меняется, скорость движения также останется неизменной. Отсюда уравнение (1) примет вид
, (3)
из которого следует, что при установившемся движении жидкости перепад давления расходуется на подъем жидкости и преодоление сопротивления трения.
Сопротивление трубопровода складывается из затрат энергии на преодоление трения жидкости о стенки трубы по всей ее длине и на преодоление сопротивления в отдельных местах потока, где наблюдается его деформация (задвижка, поворот, резкое сужение или расширение трубы и т. п.). Первые потери называются линейными, они распределяются по длине трубы относительно равномерно и обозначаются в виде потери располагаемой высоты hлин или в виде потери давления рлин. Вторые потери называются местными, они концентрируются в отдельных местах, их суммарный вклад в сопротивление трубопровода равен сумме каждого из местных сопротивлений, поэтому они обозначаются hм или рм.
Общую величину потерь напора для участка трубопровода, заключенного между двумя сечениями, определяют как сумму потерь напора по длине рассматриваемого участка и всех местных потерь напора:
. (4)
Величину линейных потерь определяют по формуле Дарси-Вейсбаха
. (5)
Здесь ℓ - длина трубы; d – диаметр трубы; – коэффициент сопротивления трения или коэффициент Дарси.
Местные потери вычисляют по формуле
, (6)
где – коэффициент местных потерь.
Падение давления, связанное с подъемом жидкости на высоту z (геометрический перепад давления)
. (7)
Следует заметить, что величина не является потерей давления. При перемещении жидкости вверх на величинуz давление уменьшается на эту величину, при движении вниз – увеличивается.
Формулы (5) и (6) можно представить в виде потерь напоров с теми же коэффициентами
, (8)
. (9)
В формулах (5) и (6) потери давления зависят от квадрата скорости, при этом в расчетах используется средняя скорость потока, равная отношению секундного расхода жидкости к площади поперечного сечения трубы S:
. (10)
Однако этот вывод справедлив только при некоторых определенных условиях, так как в общем случае коэффициенты сопротивления и тоже зависят от скорости.
При ламинарном течении
. (11)
Это выражение называется формулой Пуазейля. Комплекс есть критерий Рейнольдса, определяющий режим течения жидкости. Хотя по формуле Дарси-Вейсбаха сопротивление трубопровода пропорционально скорости во второй степени, при ламинарном течении коэффициент гидравлического сопротивления обратно пропорционален критерию Рейнольдса и, следовательно, скорости. Поэтому в целом сопротивление трубопровода оказывается пропорциональным скорости в первой степени.
При переходе к турбулентному течению влияние скорости становится более существенным, при этом заметное влияние начинает оказывать шероховатость стенок трубы.
Экспериментальные данные для в зависимости от значений критерия Рейнольдса и относительной шероховатости были получены Никурадзе. В виде графика в логарифмических координатах эти зависимости представлены на рис.1.