kursach2
.docxВведение
Гидравлическое сопротивление — безвозвратные потери удельной энергии (переход её в теплоту) на участках гидравлических систем (систем гидропривода, трубопроводах, другом гидрооборудовании), обусловленные наличием вязкоготрения. Гидравлические сопротивления принято разделять на два вида: потери на трение по длине — возникают при равномерном течении, в чистом виде — в прямых трубах постоянного сечения, они пропорциональны длине трубы;местные гидравлические потери — обусловлены т. н. местными гидравлическими сопротивлениями — изменениями формы и размера канала, деформирующими поток. Примером местных потерь могут служить: внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п.
На преодоление гидравлических потерь в различных технических системах затрачивается работа таких устройств, как насосы, воздуходувки.
Для уменьшения гидравлических потерь рекомендуется в конструкциях гидроборудования избегать применения деталей, способствующих резкому изменению направления потока — например, заменять внезапное расширение трубы постепенным расширением (диффузор), придавать телам, движущимся в жидкостях, обтекаемую форму и др. Даже в абсолютно гладких трубах имеются гидравлические потери; при ламинарном режиме шероховатость мало на них влияет, однако при обычных в технике турбулентных режимах её увеличение, как правило, вызывает рост гидродинамического сопротивления.
Иногда, напротив, требуется ввести гидравлическое сопротивление в поток. Для этого применяются дроссельные шайбы, редукционные установки, регулирующие клапана. По измерению давления на некотором элементе, график коэффициента гидравлического сопротивления которого известен, можно узнать скорость потока в некоторых распространённых типах расходомеров.
Постановка задач
В первой части задания следует построить характеристику гидравлической сети и подобрать центробежный насос для перекачивания толуола. Центробежный насос — насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость – представлен на схеме:
Рис. 1, Схема центробежного насоса
1 - рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал;
5 - лопатка рабочего колеса; 6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок; 8 - подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка); 10 - гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник); 11 - всасывающий патрубок.
Перед нами были поставлены задачи:
-
Для каждого значения подачи Q, выбранного из интервала от 0 до 40, рассчитать полный напор Н, необходимый для перемещения этилацетата;
-
Построить график зависимости H=f(Q), являющийся характеристикой гидравлической сети;
-
Подбор центробежного насоса по каталогу.
Во второй половине работы нам нужно было рассчитать гидравлическое сопротивление нескольких вариантов конструкции кожухотрубчатого теплообменника, считая его одноходовым и многоходовым по трубному и межтрубному пространству.
Кожухотрубные теплообменникиотносятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.
Рис. 2, Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции
1 – кожух; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – крышка;
5 – днище; 6 – болты; 7 – прокладки; I, II – теплоносители.
Рис. 3, Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники
1 — корпус (обечайка); 2 — трубные решетки; 3 — трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки в крышках; 6 — перегородки в межтрубном пространстве.
Перед нами были поставлены следующие задачи:
-
Рассчитать гидравлическое сопротивление трубного пространства для одно-, двух-, четырех- и шестиходового теплообменника;
-
Рассчитать гидравлическое сопротивление межтрубного пространства одноходового и многоходовых теплообменников;
-
Проанализировать результаты и сопоставить экономические затраты на перемещение теплоносителя через аппарат различных вариантов конструкции;
-
Сделать соответствующие выводы.
Расчёт
Задание 1. Построить характеристику гидравлической сети и подобрать центробежный насос для перекачивания этилацетата с объёмным расходом Q=40 при температуре 25° С. Наружный диаметр трубопровода и толщина стенок трубы мм. Общая длина трубопровода L=95 м. Абсолютное давление в приемной емкости кПа, в напорной емкости кПа. Геометрическая высота подачи м. Трубопровод выполнен из чугунных старых труб.Общийк.п.д. насосной установки ƞ=55%. Местные сопротивления представлены тремя вентилями прямоточными, двумя вентилями нормальными, тремя отводами под углом 130° и отношением радиуса отвода к диаметру трубы , отводами с острыми краями ().
Физические свойства толуола при температуре t=25°C: вязкость µ=0,46; плотность ρ = 901. [1]
Определение потери напора на преодоление сил трения
Внутренний диаметр трубымм ,где - наружный диаметр трубы, - толщина стенки трубы.
Скорость толуола:
, (1)
где Q – объемный расход ,;
S – площадьпоперечного сечения, .
Средняя скорость толуола по формуле (1):
м/с.
Скоростной напор:
м ст. толуола (2)
Критерий Рейнольдса:
, (3)
где - плотность толуола, ;
- вязкость толуола Па×с;
d – внутренний диаметр трубы, м;
ω – средняя скорость толуола, м/с
Критерий Рейнальдса в соответствии с уравнением (3) равен:
Re> 10000, следовательно, в трубах наблюдается развитый турбулентный режим.
Для чугунных старых труб абсолютная шероховатость e=1,4.[1]. Отношение равно 57, 85, отсюда .
Потери напора на преодоление сил трения:
, (5)
где - коэффициент трения;
L – длина трубопровода, м;
d – внутренний диаметр трубы, м;
ω – средняя скорость толуола, м/с;
- скоростной напор, м ст. толуола.
Потери напора на преодоление сил трения в соответствии с уравнением (5) равны:
м ст.этилацетата
Определение потерь напора на преодоление местных сопротивлений
Потери напора на трех прямоточных вентилях:
, (6)
где - коэффициент местного сопротивления прямоточного вентиля, =. [1]
В соответствии с уравнением (6)
м ст. этилацетата
Потери напора на двух нормальных вентилях:
, (7)
где - коэффициент местного сопротивления нормального вентиля.
В соответствии с уравнением (7)
м ст. этилацетата.
Потери напора на двух отводах:
, (8)
где - коэффициент местного сопротивления, =
В соответствии с уравнением (8):
м ст. этилацетата
Потери напора на диафрагме:
м ст. этилацетата (9)
Дополнительные затраты напора на преодоление давления в пространствах нагнетания и всасывания:
, (10)
где - давление в приемной емкости, Па; - давление в напорной емкости, Па .
В соответствии с уравнением (10)
м ст. этилацетата
Расчёт полного напора Н насоса
, (11)
Полный напор Н, необходимый для перемещения гексана, рассчитываем по уравнению (11):
м ст. этилацетата
Аналогично проводятся расчеты полного напора для других значений подачи Q. Расчет полного напора для различных значений представлен в Таблице 1. По данным Таблицы 1 построена характеристика гидравлической сети, приведенная на Рисунке 4.
Таблица 1
Q, |
W, м/с |
м ст. тол. |
|
λ |
|
|
|
|
Напор Н, м ст. этилацетата |
|||||
|
|
|
|
|
Н |
|||||||||
0,00 |
0,00 |
0,000 |
0 |
0,000 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
20,445 |
5,74 |
0,077 |
0,0003 |
12216 |
0,048 |
0,8216 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,0168 |
0,00074 |
0,0024 |
0,000097 |
0,0047 |
20,465 |
11,428 |
0,15 |
0,0011 |
23798 |
0,048 |
0,5398 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,0619 |
0,00178 |
0,0088 |
0,00035 |
0,0172 |
20,546 |
17,142 |
0,23 |
0,0027 |
36490 |
0,047 |
0,5251 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,1488 |
0,00425 |
0,0216 |
0,00087 |
0,0423 |
20,675 |
22,856 |
0,308 |
0,0048 |
48865 |
0,045 |
0,5108 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,2533 |
0,00735 |
0,0384 |
0,00155 |
0,0751 |
20,835 |
28,57 |
0,385 |
0,0076 |
61082 |
0,044 |
0,5133 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,3922 |
0,0117 |
0,0608 |
0,00246 |
0,1189 |
21,048 |
34,284 |
0,46 |
0,012 |
72981 |
0,043 |
0,5219 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,6052 |
0,01879 |
0,096 |
0,00388 |
0,1878 |
21,378 |
40 |
0,54 |
0,015 |
85673 |
0,043 |
0,5211 |
4 |
0,108 |
15,65 |
0,756 |
0,023 |
0,647 |
0,00486 |
0,235 |
21,598 |
Рис. 4,
Характеристика сети
Подбор насоса
По величине Q=40 и полному напору Н=21,598 м ст. этилацетата подбираем центробежный насос марки Х45/31, для которого при оптимальных условиях работы , Н=25 м ст. этилацетата, . Насос обеспечен электродвигателем А02-52-2 номинальной мощностью кВ, КПД электродвигателя , частота вращения вала n=48,3 об/с. [1]
Общий КПД насосной установки при равен
Мощность, действительно потребляемая насосом, равна
, (12)
где Q – заданный объемный расход, ;
Н – полный напор насоса, м ст. толуола;
Ρ – плотность толуола, ;
η – общий КПД насосной установки.
В соответствии с уравнением (12)
кВт
Выбранный центробежный насос имеет запас по подаче и напору :
;
тмс
Задание 2. Рассчитать гидравлическое сопротивление нескольких вариантов конструкции кожухотрубчатого теплообменника, считая его одноходовым и многоходовым по трубному и межтрубному пространству. Сопоставить экономические затраты на перемещение теплоносителя через аппарат для различных вариантов конструкции и сделать вывод о целесообразности пропускания теплоносителя по трубному или межтрубному пространству. Через теплообменник проходит толуол. Массовый расход теплоносителя G=928850 кг/ч, его средняя температура . Трубы аппарата выполнены из стали. Срок эксплуатации теплообменника небольшой. Параметры теплообменника: диаметр кожуха D=800 мм; трубы мм. Возможное число ходов по трубному пространству Z и соответствующее общее число труб n: a) Z=1, n=257; б) Z=2, n=240; в) Z=4, n=206; г) Z=6, n=196. Длина труб L=6 м. Площадь сечения потока в вырезе перегородки : для Z=1,2,4 и для Z=6.Площадь сечения одного хода по трубам: а) Z=1,; б) Z=2, в) Z=4, ; г) Z=6, . Плотность толуола и вязкость Па×с.
Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства
Объемный расход этанола
(13)
Скорость этанола в трубах теплообменника:
, (14)
где - объемный расход, ; - площадь сечения одного хода по трубам, .
В соответствии с уравнением (14) находим скорости этанола в трубах с разным числом ходов. Результаты записаны в Таблице 2.
Таблица 2,Скорость этанола
Z |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
8,9 |
4,2 |
1,8 |
1,1 |
|
3,4 |
7,3 |
17,2 |
28,2 |
В соответствии с уравнением (3) находим величину критерия Рейнольдса для каждого значения скорости, учитывая, что мм:
а) Z=1, ;
б) Z=2, ;
в) Z=4, ;
г) Z=6, .
В одноходовом теплообменнике наблюдается переходный режим (или неразвитый турбулентный), в многоходовых теплообменниках – развитый (устойчивый) турбулентный режим.
Трубы выполнены из стали, следовательно, абсолютная шероховатость е=1,4 мм.
Степень шероховатости равна . По номограмме определяем коэффициент трения [1]:
а) ,
б) ,
в)
г) ,
Для теплообменника с диаметром кожуха D=800 мм диаметры штуцеров сведены в Таблицу 3. [2]
Таблица 3, Диаметры штуцеров
Z |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
250 |
250 |
200 |
150 |
Скорость толуола в штуцерах определяется как
, (15)
В соответствии с уравнением (15) находим скорость толуола в штуцерах для каждого теплообменника. Результаты расчёта сведены в Таблице 4.
Таблица 4, Скорость этанола в штуцерах
Z |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
250 |
250 |
200 |
150 |
, м/с |
6,31 |
6,31 |
9,87 |
17,5 |
Из Таблицы 4 видно, что скорости толуола в штуцерах превышают рекомендуемый предел . Поскольку увеличение скорости движения теплоносителя приводит к росту гидравлического сопротивления, можно сделать вывод, что данные варианты многоходовых аппаратов использовать нецелесообразно.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства рассчитывается как
, (16)
где Z – число ходов по трубам;d – наружный диаметр трубы;L – длина трубы, м; и - плотность (кг/м3) и скорость (м/с) теплоносителя; - скорость теплоносителя в штуцерах, м/с.
По уравнению (16) гидравлическое сопротивление для одноходового аппарата и различных вариантов многоходовых теплообменников:
а) Z=1, Па;
б) Z=2,
Па;
в) Z=4,Па;
г)Z=6, Па.
Таблица 5, Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника
Z |
, Па |
, Па |
, Па |
, Па |
, Па |
1 |
21878 |
- |
9572 |
49451 |
80903 |
2 |
163889 |
55155 |
88248 |
49451 |
356743 |
4 |
1399745 |
918583 |
979822 |
120991 |
3419141 |
6 |
5079538 |
4115357 |
39507523 |
380362 |
49082791 |