3. Выбор диаметра трубопроводов

Выбор диаметра трубопроводов представляет собой технико-экономическую задачу, которая в общем случае решается путем сопоставления затрат на сооружение и эксплуатацию системы при различных диаметрах труб.

Ориентировочно оптимальный диаметр трубопровода может быть выбран по эмпирической формуле:

где d_вн – внутренний диаметр трубопровода, мм;

Q – расход жидкости, л/с;

H_ст – статический напор насоса, м:

где Z_К – высота конечной точки трубопровода;

Z_Н – высота начальной точки трубопровода;

Р_К – давление в конечной точке трубопровода;

Р_Н – давление в начальной точке трубопровода.

Для системы с центробежным насосом минимальное давление в начальной точке трубопровода определяется минимально допустимым давлением на входе в насос, которое определяется по формуле

где Р_П – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости;

∆Р_кав – антикавитационный запас.

Значение внутреннего диаметра, полученное по (16), уточняется по ГОСТам на трубы [3].

По уточненному диаметру трубопровода d определяется скорость движения жидкости

В простейших случаях для коротких участков (l = 15-25м), пропускающих небольшие расходы жидкости (до 5 л/с), диаметр трубопровода может быть определен, если задаться скоростью движения жидкости в трубопроводе υ ≈ 1,0 м/с.

В этом случае

Далее диаметр приводится в соответствии с ГОСТами и уточняется скорость движения жидкости по формуле (19).

4. Общие принципы построения характеристики трубопровода (системы).

После выбора оптимального диаметра напорного трубопровода строится его характеристика.

Характеристикой трубопровода (системы) называется графическая зависимость потерь напора в трубопроводе от расхода.

Уравнение характеристики имеет вид:

Схема трубопровода представлена на рис.1

В случае, когда Р_К=Р_Н

где Н_С = Z_K – Z_H – геометрическая высота, м.

Раскрывая значение h_w по формулам (8), (14), (15) и заменяя значение средней

скорости по формуле

где ω – площадь живого сечения трубопровода, получим

где коэффициент сопротивления трубопровода (коэффициент характеристики).

Типичные характеристики трубопровода представлены на рис.2.

Рис.2

Характеристика трубопровода, построенная с учетом геометрической высоты Н_Г, иногда называется кривой потребных напоров (кривая 1 на рис.2).

Вид характеристики трубопровода (системы) зависит от режима движения, соответствующего расходу жидкости. При малых расходах, которым при заданной вязкости и размерах трубопровода будут соответствовать малые значения числа Рейнольдса, движение может оказаться ламинарным во всем трубопроводе, в том числе и в местных сопротивлениях, и характеристика трубопровода для этих режимов будет изображаться прямой линией. С увеличением числа Рейнольдса, когда наступает режим движения в гидравлически шероховатых трубах (зона квадратичного сопротивления), потери расходов пропорциональны квадрату расхода.

Таким образом, характеристика трубопровода на своем протяжении может меняться, переходя от прямой линии к квадратичной параболе. Если течение относится к зоне квадратичного сопротивления, то значение коэффициента сопротивления трубопровода S в формуле (24) есть величина постоянная.

Характеристика трубопровода строится следующим образом. Задаваясь значениями Q₁, Q₂, Q₃….. и так далее, для данного оптимального значения диаметра трубопровода определяются скорости движения жидкости. По справочным данным или по формулам [1,2] определяются значения коэффициентов гидравлического трения λ и местного сопротивления ζ_м в соответствии с режимом движения (числом Рейнольдса Re). Далее по формуле (24) для каждого значения Q вычисляется значение Н_С и строится характеристика трубопровода.

При расчете длинных трубопроводов, если режим движения соответствует зоне квадратичного сопротивления, потери напора могут быть вычислены по формуле Шези (7).