Раздел 8. Гидравлический расчет трубопроводов (8 час.).

Тема 8.1. Назначение трубопроводов классификация трубопроводов. Основные задачи, решаемые при гидравлическом расчете трубопроводов. Методы расчета трубопроводов. Расчет простого трубопровода (2 час.).

Трубопроводы в зависимости от длины и схемы технологи­ческого их расположения подразделяются на простые и слож­ные. К простым трубопроводам относят трубопроводы, не имеющие ответвлений по длине с постоянным одинаковым рас­ходом.

Трубопроводы состоят из труб одинакового диаметра по всей длине или из участков труб разных диаметров и длин. Последний случай относится к последовательному соединению труб.

Простые трубопроводы с участками местных сопротивлений в зависимости от длины разделяют на короткие и длинные. Ко­роткими трубопроводами являются трубопроводы с достаточно малой длиной, в которых местные сопротивления составляют бо­лее 10 % от потерь напора по длине.

Длинными трубопроводами называют трубопроводы, кото­рые имеют сравнительно большую длину, в которых потери на­пора по длине значительно преобладают над местными потерями. Считается, что если местные потери составляют менее 5 % от по­терь по длине трубопровода, поэтому ими можно пренебречь или ввести при гидравлических расчетах увеличивающий коэффици­ент, равный примерно 1,05. Длинные трубопроводы входят в сис­тему водопроводных сетей, водоводов насосных станций, водо­водов и трубопроводов промышленных предприятий и сельско­хозяйственного назначения и т. п.

Сложные трубопроводы имеют по длине различные ответв­ления, т. е. они состоят из сети труб различных диаметров и длин.

Гидравлический расчет трубопровода сводится, как правило, к решению следующих задач:

-определению расхода трубопровода Q в случае, если из­вестны напор H , длина l и диаметр трубопровода d с учетом на­личия определенных местных сопротивлений или при их отсут­ствии;

-определению погребного напора H, необходимого для обес­печения пропуска известного расхода Q по трубопроводу длиной l и диаметром d

-определению диаметра трубопровода d в случае известных величин напора H, расхода Q и длины l.

При гидравлическом расчете коротких трубопроводов учи­тываются как потери напора по длине, так и местные потери.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного диаметра, обеспечивающий подачу жидкости на некоторую геодезиче­скую высоту. Трубопровод имеет длину l, диаметр d и на нем имеются колена, задвижки, обратный клапан. Избы­точное давление в начале трубопровода P₁, а в конце Р₂.

Когда требуется найти диаметр трубопровода, применяют формулы, приведенные выше. Данная задача решается методом подбора диаметра. Задаваясь разными диаметрами, вычисляется при известном расходе средняя скорость, число Рейнольдса, вы­бирается область сопротивления, исходя из числа Re и . Экви­валентная шероховатость будет зависеть от типа (материала и способа изготовления труб) выбранного трубопровода. Согласно выбранной области сопротивления по формуле А. Альтшуля, Колбрука находится коэффициент гидравлическо­го трения. Определенному диаметру d будут соответствовать по­тери напора (hw =f(d)), которые равны потребному напору.

Задача будет решена, когда H=h_w при подобранном диамет­ре трубопровода.

Диаметр можно найти, построив график h_w = f(d), на кото­ром, отложив по ординате известный напор Н, по оси абсцисс d, определяется искомое значение диаметра трубы. Так, напору H₁ соответствует диаметр d₁,напору H₂ - диаметр d₂.

Тема 8.2. Гидравлический расчет трубопроводов, работающих под вакуумом. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов. Расчет сложных трубопроводов. Расчет магистральных нефтепроводов. Особенности расчета газопроводов (4 час.).

Сифонный трубопровод (сифон) представляет собой корот­кий трубопровод, соединяющий питающий резервуар А и прием­ный В резервуар. Часть трубопровода располагается выше уровня жидкости в резервуаре А. Разность уровней жидкости в резервуарах равна Н.

При возникновении в верхней части трубопровода давления меньше атмосферного создается разность давлений между атмо­сферным на поверхности жидкости питающего резервуара и вакуумметрическим давлением в верхней части сифона. За счет разности давлений при полном заполнении трубопровода сифона жидкость поднимается на высоту h_x над уровнем в резервуаре А, а затем перетекает в приемный резервуар В.

Для запуска сифона в работу и создания вакуумметрического давления в верхней части сифона применяются вакуумнасосы.

Гидравлический расчет сифонных трубопроводов принципи­ально не отличается от расчета обычных водоводов.

При расчете сифонов важным условием является определе­ние давления в сечении трубопровода, наиболее высоко располо­женном, где имеет место наибольшее разрежение. Для уменьше­ния разрежения в указанном сечении возможно целесообразно увеличить сопротивление в нисходящей ветви сифона, что может быть осуществлено установкой задвижки за этим сечением. При этом нужно иметь в виду, что введение задвижки одновременно вызовет некоторое снижение расхода.

В результате уменьшения абсолютного давления в верхней части трубопровода может возникнуть кавитация. Кавитация произойдет, если давление насыщенных паров Р_нп в трубопрово­де будет больше абсолютного давления Р_аб. При кавитации из жидкости будет выделяться растворимый газ и пузырьки пара, что приведет к снижению расхода жидкости в сифоне, и он может резко уменьшиться. Резкое снижение расхода в результате нару­шения сплошности потока жидкости приводит к срыву работы сифона, подача жидкости в приемный резервуар В прекращается.

В сифонных трубопроводах появление кавитации обусловли­вается геометрической конфигурацией и принципом действия самого сифона, верхней своей частью находящегося под давлени­ем меньше атмосферного.

Для нормальной работы сифонного трубопровода необходи­мо, чтобы минимальное абсолютное давление в верхней части его было больше давления насыщенных паров Р_нп

Давление Р_нп увеличивается с повышением температуры жидкости.

При расчете длинных трубопроводов местные потери напора существенно малы в сравнении с потерями напора по длине и ими можно пренебречь.

Длинными трубопроводами являются магистральные водо­воды и другие трубопроводы большой протяженности. При их расчетах для определения потерь напора по длине принимают среднюю скорость V в пределах 0,7÷1,5 м/с.

В длинных водоводах гидравлические потери определяются потерями по длине, поэтому принимается h_w = h_l.

Следовательно, после подстановки V получим потери напора

где A – удельное сопротивление трубопровода.

Последовательное соединение трубопроводов. Рассмотрим трубопровод, состоящий из четырех труб разных диаметров и длины. В этом случае будем иметь простой трубопро­вод переменного поперечного сечения. Расход жидкости на всех четырех участках последовательно соединенных труб одинаков

Местными потерями напора в местах соединения труб разно­го диаметра за счет их малости по сравнению с потерями напора по длине можно пренебречь, .

Потери напора в трубопроводе равны сумме потерь по длине каждой из четырех труб

Используем трубопроводную формулу для определения по­терь напора по длине

Тогда

где А₁ А₂, А₃, А₄ - удельные сопротивления труб соответственно длиной и диаметром: к — сопротив­ление трубопровода, определенное по формуле

Полученную зависимость можно использовать для по­строения характеристики последовательно соединенных труб. Характеристика каждого из участков трубопровода выражается зависимостью h_l = AlQ². На рис. приведены характеристики участков.

Суммарная характеристика трубопровода строится путем сло­жения потерь напора в каждой из труб при одинаковых расходах Q. График h_w= f(Q) получается при сложении h_li по вертикали.

Параллельными трубопроводами называются трубопроводы, которые имеют свое начало в общем сечении и заканчиваются в другом общем сечении.

На рис. представлена схема параллельного соединения трех трубопроводов, имеющих разные длины и диаметры.

В точке B напор , а в точке C напор равен .

Расход до разветвления (точка B) равен сумме расходов в трубах 1, 2 и 3, Q = Q₁+Q₂+Q₃. Разность напоров в точках B и C H = H_B – H_C. Точки B и C принадлежат всем трем трубопроводам.

Разность напоров в местах соединения труб одинакова, следова­тельно, гидравлические потери в каждой ветви трубопровода

Таким образом, можно считать, что гидравлические потери во всех параллельно соединенных трубопроводах независимо от их количества, длин и диаметров одинаковые, hw_l = hw₂ = ....= hw_i. Полагая, что местные гидравлические потери малы по сравнению с потерями по длине и используя водопроводную формулу, получаем систему уравнений