7. Гидравлический расчёт сложных трубопроводов

Сложными называются трубопроводы, состоящие из последовательно соединенных участков труб разного диаметра или имеющие ответвления.

При последовательном соединении участков труб разного диаметра (рис. 7.1, а) полные потери напора h_пот равны сумме потерь напора на каждом из n участков трубопровода:

h_пот = ∑h_i (7.1)

а расход жидкости Q остается постоянным по всей его длине.

Уравнение (7.1) справедливо и для трубопровода постоянного диаметра, но с переменным по длине расходом (рис. 7.1, б). Аналитический способ решения задач такого типа прдусматривает последовательный расчёт ряда простых трубопроводов, составляющих сложный.

Рис. 7.1. Схемы сложных трубопроводов:

а – последовательное соединение труб; б – трубопровод с переменным по длине расходом

При графоаналитическом способе предварительно строятся характеристики каждого из его участков. Затем они суммируются в единую характеристику всего трубопровода, для чего для ряда произвольных значений Q_i, одинаковых для всех участков и трубопровода в целом, складываются соответствующие им значения h_i. Эти суммы для выбранных значений Q_i и являются потерями напора в трубопроводе (согласно выражению (7.1). На рис. 7.2 приведен пример построения такой характеристики для трубопровода на рис. 7.1, а.

Рис. 7.2. Характеристика сложного трубопровода, состоящего из двух последовательно соединённых труб

Вопросы по теме 7.

1.Какие трубопроводы называются сложными?

2.Как связаны между собой расходы и потери напора на участках с общими расходами и потерями напора на всем трубопроводе при последовательном и параллельном соединении участков?

3.Как строятся гидравлические характеристики для всего трубопровода, если его участки соединены или последовательно, или параллельно?

4.Как влияет на потери напора в трубопроводе подсоединенный к нему лупинг?

5.В чем заключается метод определения диаметров участков разветвленного трубопровода, если известны требуемые в ветвях расходы?

4.4. Кавитация

Чтобы вызвать кипение воды необязательно её нагревать. Достаточно создать

необходимое разрежение – и она закипит. Так, если давление над поверхностью воды

в закрытом сосуде составляет всего лишь 4 мм рт. ст., вода закипает при 4 ºС; если же

увеличить это давление до 11 600 мм. рт. ст., то вода закипит только при температуре

200 ºС. В жидкости можно создать условия для «холодного кипения», т.е. для

появления кавитации достаточно придать воде такую скорость, чтобы давление в

каком-то месте течения стало меньше давления насыщенных водяных паров при

данной температуре. В результате на поверхности быстро движущихся в воде тел

(или сразу за ними) образуются каверны ― пузырьки, наполненные парами или газами.

Такое явление может возникнуть, например, на лопастях водной турбины, кора-

бельного винта, при движении жидкости через местные сопротивления, в которых

поток претерпевает местное сужение, а затем расширение (краны, вентили, задвижки,

диафрагмы, жиклеры и др.).

Местное нарушение сплошности течения с образованием в жидкости паровых

и газовых полостей (каверн), вызванное местным падением давления в потоке, назы-

вается к а в и т а ц и е й.

Кавитация сопровождается характерным шумом и эрозионными разрушениями

металлических стенок. Разрушения возникают в месте конденсации, так как она

происходит при большой скорости частиц жидкости.

При кавитации увеличивается сопротивление трубопроводов, т.е. снижается их

пропускная способность, поскольку каверны уменьшают живое сечение.

Кавитация ― нежелательное явление, которое не следует допускать. Она может

возникнуть во всасывающих трубопроводах, в трубопроводах, основная часть которых

работает при давлении ниже атмосферного, в насосах, гидротурбинах, при работе

гребных винтов.

Для характеристики местных сопротивлений, вызываемых кавитацией, приме-

няется безразмерный критерий ― число кавитации

где р₁, ρ, υ₁ – соответственно абсолютное давление, плотность и скорость потока

в трубе перед местным сопротивлением.

Для местных сопротивлений, вызывающих изменение скорости движения

жидкости, критическое значение числа кавитации можно найти по формуле:

где ζ – коэффициент местного сопротивления в бескавитационном режиме.

Предельно допустимая скорость перед сопротивлением определяется по

формуле:

Причины возникновения кавитации:

1. снижение давления из – за больших местных скоростей жидкости;

2. неправильное расположение всасывающего патрубка или вакуумметрической

высоты по каталогу насоса.

Меры борьбы:

1. устойчивая работа центробежного насоса возможна, когда абсолютное давле-

ние в любом сечении потока будет выше давления насыщенных паров

жидкости при той же температуре;

2. основное условие работы насоса при наличии кавитационного запаса и

следующего условия: h_д = h_{вак ­-} h_ω

h_вак – кавитационный запас по каталогу насоса;

3. поддерживание фактической высоты всасывания насоса на уровне, не превышаю-

щем допустимой высоты, устанавливаемой заводом-изготовителем для заданной

температуры перекачиваемой жидкости;

4. контролировать кавитационные условия работы насоса можно с помощью

вакуумметра, поставленного на входном патрубке, непосредственно перед

входом в насос.

5. все центробежные насосы работают с необходимым кавитационным запасом,

т.е. на всасывании насоса создается дополнительное давление (подпор) сверх

давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости. Это достигается двумя

путями: созданием геометрического подпора над осью насоса или при

помощи вспомогательного подпорного насоса.