4.5. Расчет воздухопроводов

Диаметр воздухопроводов сжатого воздуха в пределах компрессорной установки практически не зависит от числа установленных компрессоров. Он принимается из конструктивных соображений исходя из условий унификации трубных сборок: D_у=40 мм для компрессоров на давление 4,5 и 4МПа и D_у=25мм для компрессоров на давление 230Мпа. Отводы от магистральных трубопроводов к распределительным шкафам выполняются из стальных труб диаметром 45х2,5мм, к резервуарам выключателей – из медных труб 36х2 мм. воздухопроводы на вентиляцию – медные диаметром 17х1.

Для подстанций, имеющих большую протяженность магистральных воздухопроводов (более 200 метров) и при числе выключателей более 8, диаметр воздухопроводов определяется расчетом. При расчетах следует принимать во внимание следующие соображения:

а) давление в начале магистрали должно быть выше номинального на 0,1 – 0,2 МПа;

б) давление в резервуарах выключателей после расходования сжатого воздуха на цикл неуспешного АПВ снижается на 0,4МПа;

в) промежуток времени между одновременным отключением числа выключателей с учетом действия защит и АПВ и восстановлением в резервуарах наиболее удаленного от компрессора выключателя должен быть не более 3мин;

г) сжатый воздух для восстановления давления, указанного в пункте в) поступает по всем имеющимся ниткам трубопроводов без учета их вывода в ремонт;

д) скорость сжатого воздуха не должна превышать 30м/сек.

4.6. Расчет потерь напора в трубопроводах при движении сжатого воздуха

Сопротивление движению потока в трубе (потери по напора по длине трубы HLкг/м² зависит от вязкости среды, шероховатости стенок, гидравлического радиуса трубы и скорости потока.

НL = ρ · а / F · ν² / 2q · γ · L , (4.15)

где ρ – коэффициент трения, учитывающий вязкость среды, шероховатость стенок трубы;

а – периметр трубы, м;

F – площадь поперечного сечения трубы, м²;

ν² – средняя скорость потока, м/сек;

q – ускорение сила тяжести 9,81м/сек²;

γ – объемная масса среды, кг/м³;

L – длина трубы, м.

Для круглых труб при напорном движении

а / F = π D / π D² / 4 = 4 / D,

где D – внутренний диаметр трубы, м.

Если коэффициент ρ обозначим как λ/4 , где λ – коэффициент сопротивления движения воздуха по трубе. Введем указанные величины а/F и ρ в формулу (4.15),то после понятных преобразований получим ее в следующем виде:

HL = λ / D · ν² / 2q · γ · L. (4.16)

Сопротивление на 1 метр длины трубы:

S = λ / D · ν² / 2q · γ. (4.17)

Исходя из условий сплошности потока, можно составить равенство для массового (секундного ) расхода воздуха ( в кг/сек):

G_с = π D / 4 · ν · γ, (4.18)

или для средней скорости потока (в м/сек)

ν = 4 G_с / π · D² · γ. (4.19)

Подставляя значение ν по (4.19) в формулу (4.17) выразив предварительно секундный массовый расход в течение часа (G_с = Gч/3600), а диаметр трубы в метрах (D) выразив в миллиметрах (D = d/1000), после сокращений получаем (в кг/см²) сопротивление трения движению воздуха на 1 м трубы:

S = 6,388 · 10 · λ · G² ч / d · γ,

или в паскалях:

S = 62,6 · 10 · λ · G²ч / d · γ, (4.20)

где λ – коэффициент сопротивления трения;

G_ч – часовой массовый расход воздуха, кг/час;

d – внутренний диаметр трубы, мм;

γ – объемная масса воздуха при заданной температуре и давлении кг/см³;

λ – коэффициент шероховатости по таблице 6 для температуры 20˚С, давления 0,1Мпа и шероховатости 0,1мм.

Влиянием температуры в пределах ±50˚и давлении воздуха до 6Мпа на коэффициент λ, не превышающим ± 1,5% в расчетах можно пренебречь.

Формула (4.20) справедлива для турбулентного потока, у которого силы инерции превосходят силы вязкости. Для условий движения сжатого воздуха в трубах поток будет турбулентным при скорости превышающей 1,72 м/сек, что практически всегда имеет место в воздухопроводах.

В соответствии с законом Бойля – Мариотта при изотермическом процессе:

P_о · V_о = P · V или Pо / γ_о = P / γ,

где P_о , V_о , γ_о – давление, объем и объемная масса атмосферного воздуха;

P, V , γ – то же для сжатого воздуха.

Для воздуха при атмосферном давлении и температуре +30˚С, которая обычно принимается в расчетах γ_о = 1,128 кг/м³, в этом случае:

γ = p / р_о · γ_о = р / 0,1 · 1,128 = 11,28 · р, (4.21)

где р – среднее давление сжатого воздуха, МПА.

Для определения объемной массы воздуха при других температурах выше было рассмотрено, что:

γ = р / R · T, (4.22)

где R – газовая постоянная, равная для воздуха 29,97кг·м/(кг·К);

T – абсолютная температура, К.

Объемную массу сжатого воздуха при разной температуре вычисленную по формуле (4.22), можно определить по таблице 7.

Подставляя выражение (4.21) в формулу (4.22), получаем (в паскалях):

S = 5,55 · 10 · λ G²ч / d · р.

Для районов с жарким климатом, где в летнее время расчетная температура превышает +30ºС, расчет следует вести по формуле (4.20), подставляя в нее соответствующие значения γ определенные по формуле (4.22) или по таблице 8.

В трубопроводах при движении сжатого воздуха возникают также местные сопротивления, связанные в основном с неупругими ударами.

Потока при переходе от сжатого к расширенному сечению струи и наоборот. При турбулентном движении коэффициенты местных сопротивлений не зависят от вязкости и скорости потока. Местные сопротивления можно считать равными сопротивлениям эквивалентного участка прямой трубы соответствующей длины в метрах.

Эквивалентную длину трубы для различных фасонных частей трубопроводов можно определить по таблице 8.

Расчет потерь напора в трубопроводах проводится в следующем порядке:

а) часовой объемный расход воздуха в трубопроводе:

Q = q + 60 · К / τ₅, (4.23)

где q – суммарный расход воздуха на вентиляцию и утечки во всех установленных выключателях и в сети, м³/час;

К – количество воздуха на одновременные операции выключателей в расчетном режиме, м³;

τ₅ – продолжительность восстановления номинального давления в отключившихся выключателях, равная 3 минутам.