Глава VII. Технологические трубопроводы и арматура

VII. Технологические трубопроводы и арматура

7.1. Основы работы трубопровода

Газ (франц. Gaz, от греч. Chaos – хаос), агрегатное состояние вещества, в котором энергия движения его частиц (атомов, молекул) значительно превышает энергию их взаимодействий. Т.е. частицы газа движутся свободно и равномерно заполняют весь объём, в который газ заключён. Газы легко изменяют объём (сжимаются) при изменении давления и температуры.

Жидкость, агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным. Жидкость обладает свойством текучести, принимает форму сосуда, в который налита, обладает упругими свойствами и т.д. Частицы жидкости более упорядочены, чем частицы газа, но не расположены строго определённым образом, как в кристаллах.

Гидравлика – прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и применение этих законов к решению инженерных задач. На газоперерабатывающих заводах практически все технологические и вспомогательные процессы основаны на законах гидравлики, поэтому квалифицированное ведение технологического процесса без знаний основ гидравлики невозможно.

В гидравлике различают два основных раздела: гидростатику, изучающую вопросы, относящиеся к покою жидкости, и гидродинамику, изучающую равновесие и движение жидкостей.

В гидравлике считается, что поток импульса, отнесённый к единице времени, представляет собой силу. Единица измерения силы в СИ – ньютон Н ≡ кг _х м/с².

Давление газа и паров является результатом ударов молекул, находящихся в хаотичном состоянии, о стенки сосуда, в который заключён газ или пар. При хаотичном движении молекулы газа воздействуют во всех направлениях в равной степени, т.е. газ оказывает одинаковое давление на всю площадь сосуда во всех направлениях. Следовательно, давлением газа называется сила, действующая на единицу площади по нормали к ней.

где F – сила давления, ньютоны (Н);

S – площадь, на которую по нормали действует сила давления, м²;

Р – давление, Н/м² = Па (паскаль).

Режим движения вязкой жидкости может быть ламинарным или турбулентным.

Ламинарный режим течения (от латинского слова «ламина» — слой) наблюдается при малых скоростях движения или большой вязкости жидкости (рис. 7.1.1, а). При этом жидкость движется как бы параллельными струйками, которые не смешиваются одна с другой.

По сечению трубопровода скорости струек изменяются по параболическому закону, однако скорости всех струек направлены вдоль оси потока и постоянны по величине. Около стенки трубы скорость равна нулю, на оси трубы — она максимальная. Средняя скорость жидкости равна половине максимальной.

Турбулентный режим (от латинского слова «турбулентус» — вихревой) наблюдается при больших скоростях. Частички жидкости движутся беспорядочно по пересекающимся направлениям. Однако в каждый момент имеется некоторое распределение ско­ростей, определяющее движение частиц жидкости вдоль оси по­тока. В каждой точке потока происходят пульсации скорости относительно некоторой средней величины. Профиль распреде­ления скоростей становится более плоским по сравнению с лами­нарным режимом (рис. 7.1.1, б). Однако и при турбулентном режиме в прилегающем к стенке трубы слое жидкости толщиной δ движение носит ламинарный характер. Скорость жидкости по толщине этого слоя распределяется практически по линейному закону. Указанный слой называется ламинарным пограничным слоем.

Рис. 7.1.1. Распределение скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах движения жидкости в трубе.

Остальная часть жидкости (ядро потока) интенсивно перемешивается в радиальном направлении, что приводит к выравнива­нию скоростей по сечению потока.

Опыты, проведенные в 1883 г. Рейнольдсом, показали, что переход одного режима в другой зависит от средней скорости движения жидкости, диаметра трубопровода и кинематической вязкости жидкости, которые определяют величину безразмерного комплекса — критерия Рейнольдса

,

где μ и υ – кинематическая и динамическая вязкости жидкости; w – скорость потока, d – диаметр трубопровода.

Величина критерия Рейнольдса, соответствующая смене режима движения, называется критической, ее принимают равной 2300 (Rе_КР = 2300). При Rе < 2300 имеет место ламинарный режим, а при Rе > 2300 — турбулентный.

Гидравлический удар в трубопроводах — это явление быстрого и значительного увеличения давления в трубопроводе, вызванное резкой остановкой движущейся в нем жидкости. Гидравлический удар может возникнуть при быстром закрытии запорного устройства (крана, клапана), внезапной остановке насоса и т.п. Вследствие резкого увеличения давления при гидравлическом ударе могут быть повреждены насосы, соединения труб и их стенки.

Рассмотрим участок трубопровода, по которому движется жидкость со средней скоростью w (рис. 7.1.2). Пусть в сечении 1—1 трубопровод быстро перекрывается каким-либо запорным устройством в момент времени Т. Находящаяся слева от запорного устройства жидкость должна остановиться, при этом кинетическая энергия жидкости перейдет в потенциальную энергию давления. Поскольку жидкость условно сжимаема, вся масса жидкости, находящаяся слева от сечения 1—1, будет двигаться по инерции вправо, сжимая остановившуюся перед сечением 1—1 жидкость. Если в какой-то момент времени Т + ΔТ сечением 2—2 ограничить объём жидкости, которая остановилась, то граница оста­новившейся жидкости 2—2 будет перемещаться влево со скоростью с. Эту скорость называют скоростью распространения волны давления (ударной волны).

Рис. 7.1.2. Схема к расчету гидравлического удара в трубопроводе.

Остановившийся за время ΔТ объем жидкости ΔV можно найти из следующего соотношения:

где — площадь поперечного сечения трубопровода.

Возникшее первоначально в месте перекрытия трубопровода повышение давления распространяется против течения жидкости по всему трубопроводу со скоростью с. Достигнув начального сечения 0—0, ударная волна отразится и будет двигаться в обратном направлении к сечению 1—1 и т, д. Вследствие этого находя­щаяся в трубопроводе жидкость будет совершать колебательные движения, которые будут затухающими, что обусловлено гидравлическими сопротивлениями.

Скорость распространения ударной волны с зависит от свойств перекачиваемой жидкости, материала, диаметра, толщины стенки трубы.

При гидравлическом ударе давление в трубопроводе достигает значительных величин. Для борьбы с гидравлическим ударом применяют различные приспособления, увеличивающие время срабатывания запорных устройств, автоматически действующие предохранительные клапаны, воздушные колпаки и т.п.