Глава 9

9. Гидравлический расчет трубопроводов

Трубопроводы представляют устройства для транспортировки различных жидкостей и газов. Трубопроводы имеются в различных приборах и аппаратах, применяются в разнообразных гидравлических системах, а так называемые магистральные трубопроводы служат для транспортировки воды, нефти, нефтепродуктов и газа, на большие расстояния. Последние представляют собой сложные инженерные сооружения, обладающие, как правило, большой пропускной способностью.

9.1. Общие представления; электрическая аналогия

Гидравлический расчет трубопроводных систем во многом схож с расчетом электрических цепей. Если при расчете последних определяющее значение имеют два параметра: потенциал и сила тока, то в гидравлике такую роль играют напор и расход - первый соответствует потенциалу, второй- силе тока.

Электрические заряды в простом проводнике движутся от сечения с большим потенциалом к сечению с меньшим потенциалом, однако, вследствие электрических потерь (электрическая энергия переходит в тепло) потенциал постоянно уменьшается, поэтому для работы электрической цепи необходимы источники электродвижущей силы (ЭДС). Источники ЭДС (электрические генераторы, аккумуляторы, всевозможные батареи) - это устройства, создающие потенциал. Они устанавливаются в отдельных сечениях электрической цепи, чтобы заставить заряды двигаться против электрических сил, от меньшего потенциала к большему. Естественно, для этого необходима затрата энергии другого вида, например, механической, тепловой, химической или атомной.

Аналогично устроены гидавлические системы. Если на участке простого трубопровода нет устройств, которые совершают дополнительную работу по переемещению жидкости, то сама она течет от сечения с большим напором к сечению с меньшим напором. И так же, как при течении тока в проводнике имеют место электрические потери, так и при течении жидкости в трубопроводе имеются гидравлические потери. Эти потери обусловлены работой сил вязкого трения слоев жидкости друг о друга, переводящей механическую энергию в тепло. Потери механической энергии проявляются в уменьшении напора. Вот почему, для работы трубопроводов необходимы устройства, создающие напор. Эти устройства размещают в определеных сечениях трубопровода, чтобы заставить жидкость перемещаться против напора, т.е. двигаться от меньшего напора к большему; в общем случае такие устройства называются насосами. И так же, как источники ЭДС, насосы требуют для работы затраты энергии, например, электрической, механической или тепловой. В магистральных нефтепроводах насосы (в газопроводах они называются компрессорами) соединяются, как правило, по нескольку единиц, последовательно или параллельно, образуя насосные станции (в газопроводах – компрессорные станции). Насосные и компрессорные станции – это крупные инженерные сооружения большой мощности и пропускной способности.

Следует, однако, подчеркнуть, что наряду со сходством законов течения электрического тока в проводниках и жидкости в трубопроводах между ними имеются существенные различия. Если в электрических цепях сопротивление проводников, как правило, слабо зависит от силы тока, благодаря чему связь между разностью потенциалов и силой тока является практически линейной, то в трубопроводах потери напора существенно зависят от скорости течения (расхода) жидкости, поэтому связь между потерей напора и расходом жидкости оказывается нелинейной.

Соответствие между гидравлическими параметрами и их электрическими аналогами приведено в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Соответствие между гидравлическими и электрическими

элементами

Гидравлические параметры	Электрические аналоги
- напор; - расход; - разность напоров (потеря напора).	U - потенциал; I - сила тока; - разность потенциалов.
Гидравлический закон	Электрический закон
- Закон Бернулли: уравнение, определяющее разность напоров на участке трубопровода ( )	- Закон Ома: уравнение, определяющее разность потенциалов на участке проводника.
Устройства, создающие напор	Устройства, создающие ЭДС
Насосы	Источники ЭДС (батареи, аккумуляторы, электрические генераторы и т.д.)

Здесь и всюду ниже - обозначет среднюю по сечению скорость жидкости.