ГР 34 ТМ- Ф ОСНОВИ ГІДРАВЛІКИ І ТЕППЛОТЕХНІКИ ТЕМА Рух рідини в напірних трубопроводах

Рух рідини в напірних трубопроводах

Транспортування рідин по трубопроводах є економічним і легко піддається кількісному і якісному регулюванню. Залежно від виду перекачуваної рідини трубопроводи класифікують на водопроводи, нафтопроводи, бензопроводи і т.п. В залежності від призначення трубопроводу труби виготовляють із чорних і кольорових металів, кераміки, пластмас, бетону, скла та інших матеріалів. Поряд з трубопроводами з незначним діаметром (капіляри), які мають застосування в лабораторній техніці, використовують трубопроводи діаметром в декілька метрів (водоводи ГЕС) і довжиною в тисячі кілометрів (магістральні водо- і нафтопроводи).

Трубопроводи поділяють на прості і складні.

Простий трубопровід не має розгалуження від місця забору до точки споживача. Вони можуть мати повороти і послідовно з’єднані труби різного діаметру.

Складний трубопровід має розгалуження, які відходять від основної магістральної труби. Такі трубопроводи можуть бути таких різновидностей: розгалужені, паралельні, кільцеві (рис. 2.22). В першій схемі рідина з основної магістралі подається в бокові розгалуження і назад в магістраль не поступає.

 

 

Рис. 2.22. Схеми складних трубопроводів: а – розгалужений; б – паралельний; в – кільцевий

Тут на початкових ділянках, де витрати рідини більше, діаметр повинен бути більшим, ніж в кінцевих. До того ж, при виходу з ладу хоч однієї ділянки такого трубопроводу рідина не буде подаватися і до інших споживачів. Цей недолік усовується у другій і третій схемах трубопроводу. Тому водопроводи в містах виготовляються за кільцевою схемою.

Розрізняють також водопроводи напірні і безнапірні. В напірних трубопроводах рідина знаходиться під надлишковим тиском і повністю заповнює весь поперечний переріз. Безнапірні трубопроводи працюють неповним перерізом і характеризуються наявністю вільною поверхнею під атмосферним тиском. Переміщення рідини по трубопроводу може здійснюватися внаслідок створення штучного напору насосами чи водонапірними башнями, а також завдяки різниці нівелірних висот (рівнів) місцевості.

Залежно від величини втрат напору на гідравлічне тертя та місцеві опори трубопроводи поділяють на короткі і довгі. До коротких відносять трубопроводи малої довжини з великою кількістю місцевих опорів, в яких місцеві втрати співрозмірні з втратами напору по довжині, а до довгих – трубопроводи, в яких місцеві втрати напору дуже малі (менше 5%) порівняно з втратами напору по довжині.

Розрахунок трубопроподу полягає в розв’язку таких задач:

1.             Визначення втрат напору Н чи перепадів тиску в трубопроводах при заданих діаметрі d, матеріалі і характеристик шорсткості внутрішньої поверхні, довжини  при перекачуванні певної кількості Q даної рідини.

2.             Визначення витрат рідини Q при подачі и по трубопроводу заданих діаметрі d, матеріалі і характеристик шорсткості внутрішньої поверхні, довжини  і профілю труб. Допустимі втрати напору H або перепад тисків також задаються.

3.             Визначення діаметру трубопроводу d для перекачування по ньому заданої рідини з відомими витратами Q при відомих втратах напору Н чи перепаду тиску. При цьому також відомі довжина трубопроводу і характеристики шорсткості внутрішньої поверхні і профіль. 

Будь-який складний трубопровід можна розглядати як сукупність декількох простих трубопроводів, які з’єднані між собою паралельно чи послідовно.

При розрахунку можуть бути використані два способи, один з яких передбачає враховувати всі опори трубопровода. Другий спосіб скорочений з використанням витратних характеристик та поправочних коефіцієнтів на місцевих опорах. Для гідравлічного розрахунку трубопроводів використовують рівняння Бернуллі, рівняння постійності витрат, рівняння Дарсі-Вейсбаха. Середню швидкість потоку рідини визначають за формулою Шезі:

 

R H^

                                                                                             ^C,     

 

де R – гідравлічний радіус; С – коефіцієнт Шезі.

У такому випадку рівняння витрат рідини набирає вигляду:

 

                                                  Q=υ S=CS                                         (2.47)

 

де K – витратна характеристика трубопровода:

 

gπ d2 2 8λ

                                                                           K=CS=    R              ,                          (2.48)

 

Значення витратних характеристик труб, які випускає промисловість є в спеціальних таблицях Шевелева.

Втрати напору можна визначити за наближеним рівнянням:

 

                                                                                                 Q²                    

                                                          H=0,0827 d₄ 1+λ _d _,        (2.49)

_

 де λ – гідравлічний коефіцієнт тертя,  – коефіцієнт місцевих опорів. Їх вибирають в таблицях залежно від виду труб, величини шорсткості, режиму руху та виду транспортованої рідини. 

Якщо необхідно визначити необхідну висоту напору шляхом повного розрахунку, то використовують таке рівняння:

 

                                                                            8    Q²                    

                                                       H= π₂ gd₄ _1 λ d              (2.50)

 

Скорочений розрахунок здійснюється за формулою:

 

Q2

                                                                                      ^H=1,1 k₂                                   (2.51)

 

Витратну характеристику К визначають з таблиць залежно від діаметра труб. Висота напору насоса або напірної башні повинна становити:

 

                                                                             

 

Коли слід встановити витрати потоку при інших відомих параметрах, то при повному розрахунку користуються такою формулою:

 

πd²         2gH ⁴ 1+λd 

                                                                       Q=                                                         (2.53)

 

У цьому випадку роблять таке допущення, нібито коефіцієнти гідравлічного тертя та місцевого опору не залежать від числа Рейнольдса Re.

При скороченому розрахунку формула витрат має такий вигляд:

 

                                                                                          Q k                                 (2.54)