7 - 24 Трубы

Подробнее см. Раздел

1.3.8 –

Закладка/страница Переменные пользователя.

Подробнее см. Раздел

1.3.5 –

Закладка/страница Примечания.

Страница Переменные пользователя

На этой странице пользователь имеет возможность задать свои собственные переменные.

Страница Примечания

На этой странице можно записать примечания относительно данного аппарата или всей задачи.

7.3.3 Закладка Расчет

На этой закладке имеются две страницы:

•Размеры

•Теплопередача

На странице Размеры задается информация о размерах секций участка трубопровода. На странице Теплопередача можно либо задать, либо рассчитать потерю тепла в участке трубопровода.

Страница Размеры

На этой странице задается профиль длина-высота операции Трубопровод. Здесь можно задать информацию о каждом фитинге или прямом участке. Можно добавлять неограниченное количество фитингов и труб.

По всей длине трубы параметры каждого сегмента вводятся независимо.

Рассмотрим пример расчета трубопровода, схема которого приведена ниже. Трубопровод AD состоит из прямолинейных участков А, В, С и D и трех фитингов F1, F2 и F3.

Трубы 7 - 25

Таблица, приведенная ниже, включает в себя следующие параметры, необходимые для описания трубопровода AD: Фиттинг/Труба, Длина и Высота. Каждая секция трубы и фиттинг указаны в качестве сегментов.

Обратите внимание, что приращение высоты горизонтальных секций трубы равно 0. Положительное значение высоты означает, что выход выше, чем вход.

Номер	1	2	3	4	5	6	7
Обозначение	А	F1	B	F2	C	F3	D
Фитинг/Труба	Труба	Фитинг	Труба	Фитинг	Труба	Фитинг	Труба
Длина	X1	-	Y1	-	X2	-	X 32 +Y2 2
	0	-	Y1	-	0	-	Y2
Подъем

Для полного определения сегментов секций трубы необходимо также указать типоразмер трубы, диаметры (номинальный или внутренний и внешний), материал и количество участков. Для фитингов необходимо указать значение внутреннего диаметра.

Для одного прямого участка ХАЙСИС может рассчитать внутренний диаметр, если задано сопротивления и длина участка.

Добавление сегментов

Сегменты добавляются с помощью кнопки Добавить сегмент.

Для каждого добавляемого сегмента необходимо задать следующую информацию:

7 - 26 Трубы

ХАЙСИС имеет базу данных труб для трех типоразмеров (40, 80, 160). Если типоразмер указан, то на экране появится меню, показывающее возможные номинальные диаметры трубы.

Параметр	Описание
Фитинг/Уч.трубы	Выберите участок трубы или один из имеющихся фитингов из
	падающего списка. Если в списке отсутствует необходимый
	фитинг, вы можете использовать существующий фитинг,
	изменив коэффициент К.
	Базу данных фитингов, которая находится в файле
	FITTING.DB, можно модифицировать. Для более полной
	информации смотри Раздел 5.2.9 - Модификация базы
	данных фитингов.
Длина	Действительная длина участка трубопровода. Не требуется
	для фитингов.
Подъем	Разность вертикальных отметок выхода и входа участка трубы.
	Положительные значения указывают на то, что выход
	расположен выше, чем вход. Не требуется для фитингов.
Внеш. Диаметр	Внешний диаметр трубы или фитинга.
Внутр. Диаметр	Внутренний диаметр трубы или фитинга.
Поле	Описание
Материал )	Выберите один из установленных материалов или используйте
	вариант User Specified. Не требуется для фитингов.
Число участков	Количество участков, на которые разделен участок трубы для
	вычислений.

Просмотр сегментов

Пользователь имеет возможность ввести подробную информацию о любом сегменте. Отметьте курсором нужный сегмент и нажмите кнопку Просмотр.

Появится диалоговое окно, содержащее следующую информацию:

Поле	Описание
Типоразмер	• Actual – в этом случае нужно задавать не
		номинальный, а внутренний диаметр трубы.
	•	Schedule 40
	•	Schedule 80
	•	Schedule 160
Номинальный диаметр	Номинальный диаметр для участка трубы.
Внутренний диаметр	Для типоразмеров 40, 80, или 160 берутся значения из
	базы данных. Для варианта Actual информация может
	быть указана непосредственно пользователем.
Материал Трубы	Выберите материал, либо используйте вариант User
	Specified (Задается пользователем). Тип материала
	для трубы можно выбрать из списка. Для выбранного

Трубы 7 - 27

	из этого списка материала автоматически
	устанавливается коэффициент шероховатости. Его
	можно также ввести вручную. Таблица материалов
	труб, а также соответствующих коэффициентов
	шероховатости показана внизу.
Шероховатость	Выводится значение, соответствующие материалу
	трубы. Возможно указание значения пользователем.
Теплопроводность	Теплопроводность материала в Вт/м*град. По
	умолчанию используются следующие стандартные
	значения:
	Все стали, включая покрытые	45.0
	Чугун	48.0
	Бетон	1.38
	Дерево	0.173
	Пластик	0.17
	Резина	0.151
Материал трубы		Абсолютная
		шероховатость, м
Тянутая труба (Drawn Tube)		0.0000015
Низкоуглеродистая сталь (Mild Steel)		0.0000457
Асфальтированное железо (Asphalted Iron)		0.0001220
Сталь с гальваническим покрытием (Galvanized Iron)		0.0001520
Чугун (Cast Iron)		0.0002590
Гладкий бетон (Smooth Concrete)		0.0002050
Шероховатый бетон (Rough Concrete)		0.0030500
Гладкая сталь (Smooth Steel)		0.0009140
Шероховатая сталь (Rough Steel)		0.0091400
Гладкая деревянная клепка (Smooth Wood Stave)		0.0001830
Шероховатая деревянная клепка (Rough Wood Stave)		0.0009140

Потери на трение в фитингах

Сопротивление фитинга определяется двумя коэффициентами уравнения:

	K = A + B × fT	(7.13)
где	А – константа, известная как коэффициент скоростного напора
	В – константа, известная как FT-фактор
	FT – коэффициент трения при полностью турбулентном потоке

Коэффициент трения фитинга затем используется для вычисления гидравлического сопротивления по следующему уравнению:

∆P = K	ρν	2	(7.14)
	2

где ∆P - гидравлическое сопротивление

ρ- плотность

ν- скорость

При расчете коэффициента трения при полностью турбулентном потоке fT необходимо знать величину относительной шероховатости фитинга. Эта величина рассчитывается из заданных пользователем значений шероховатости и диаметра фитинга.

7 - 28 Трубы

Уравнение коэффициента трения стандартного участка трубопровода повторно применяется с учетом рассчитанной относительной шероховатости при увеличении числа Re до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение коэффициента трения.

Обычно фитинг характеризуется коэффициентом скоростного напора (А) или FT-фактором – числом эквивалентных диаметров (В), но не обеими величинами. ХАЙСИС не накладывает таких ограничений и Вы можете задать оба параметра.

Окно фитинга

Пользователь может задать фитинг в диалоговом окне фитинга:

В приведенном выше окне показан стандартный фитинг из Базы данных (см.

Раздел 5.2.9 – Модификация базы данных.) Если Вы задаете фитинг, либо изменяя коэффициент сопротивления, либо число эквивалентных диаметров, к имени фитинга добавляется слово User, указывая на то, что фитинг задан пользователем, а поле Источник становится доступным для редактирования.

Переход

В операцию трубопровод добавлена новая возможность, позволяющая оценить перепад давления при изменении диаметра трубы. Эта возможность реализована в новой опции, названной Swage: Переход.

∆P = Kвых	ρ	ν	2		ρ ν	2		ρ ν	2
		вых вых		−	вх вх		+	вых вых		(7.15)
		2			2			2

где ∆P - изменение давления

ρ- плотность

ν- скорость

K - коэффициент преобразования Величина К рассчитывается по следующим формулам:

При сужении:
Kвых = 0.8sin	θ	(1 − β 2 ) для (θ ≤ 45°)
	2
Kвых	= 0.5(1 − β 2 )		sin	θ	для (45° <θ ≤180°)	(7.16)
				2

Трубы 7 - 29

где β = dвых

dвх

При расширении:

			2.6sin	θ		(1 − β 2 )2
	Kвых =			2			для (θ ≤ 45°)	.
				β 4
	Kвых =	(1 − β 2 )2					для (45° <θ ≤180°)	(7.17)
			β 4

где β = dвх

dвых

θв приведенных выше выражениях – угол раскрытия конуса.

Уравнение для расчета К взято из работы Crane, Flow of Fluids, Publication 410M Appendix A-26.

Как указано выше, опция переход автоматически рассматривает диаметр вышестоящей (dвх) и диметр нижестоящей (dвых) труб рассчитывает величину К. Кроме того в следующих специальных случаях величина К принимается постоянной:

•Переход является первым сегментом трубопровода, и величина К принимается равной 0.5, как для устройства вход.

•Переход является последним сегментом трубопровода, и величина К принимается равной 1, как для устройства выход.

•(dвх) = (dвых), переход представляет собой простую стыковку, и величина К принимается равной 0.04.

Окно перехода

В новом окне опции Переход можно изменять угол раскрытия конуса. Кроме того в окне выводятся величины диаметров вышестоящей и нижестоящей труб.

7 - 30 Трубы

Поскольку для расчета перехода необходимы два диаметра, нельзя устанавливать подряд два перехода. Программа этого не позволит. Кроме того, если два перехода окажутся рядом в результате удаления участка трубопровода между ними, второй переход будет автоматически преобразован в некоторый участок трубопровода, и программа также выдаст соответствующее предупреждение.

Удаление сегмента

Чтобы удалить сегмент, выделите один из его параметров и нажмите на кнопку Удалить сегмент.

Вы можете удалить всю введенную информацию из окна Профиль трубопровода, нажав на кнопку Очистить профиль (Clear Profile).

ХАЙСИС не запрашивает подтверждения на удаление сегмента

Страница Теплопередача

На данной странице можно выбрать метод, с помощью которого ХАЙСИС будет производить вычисления теплообмена с окружающей средой. В группе Задается (Specify By) выберите одну из кнопок:

•Потери

•Вся операция

•По сегментам

•Расчет К

Выбранная кнопка не влияет на используемый метод расчета, а лишь обеспечивает доступ к соответствующему окну.

Потери

По умолчанию выбрана кнопка Потери. Окно выглядит следующим образом:

Если известна общая величина потерь, то тепловой баланс можно рассчитать непосредственно. В поле Тепловые потери задайте величину потерь всего участка. Предполагается, что на всех участках происходят одинаковые потери. Это допущение возможно, когда изменение температур невелико, что в свою очередь указывает на то, что величина передаваемого тепла мала по сравнению с теплосодержанием потоков.

Выбирайте эту селективную кнопку, чтобы увидеть рассчитанные общие потери.

Трубы 7 - 31

Вся операция

Когда выбрана кнопка Вся операция, окно выглядит следующим образом:

Если известны температура окружающей среды и общий коэффициент теплопередачи, производятся вычисления потерь тепла для каждого участка.

По сегментам

Этот вариант используется, когда известны коэффициенты теплопередачи и температура окружающей среды для каждого участка, созданного на странице Размеры. Программа выполнит расчеты теплопередачи для каждого из этих участков.

Расчет К

При выборе этой кнопки окно выглядит следующим образом:

7 - 32 Трубы

Общий коэффициент теплопередачи рассчитывается на основе параметров, заданных на этой странице. Соответственно температура окружающей среды задается либо для всего участка трубопровода, либо для всех его сегментов.

Теплопередача внутри трубы

Имеется возможность рассчитать теплопередачу внутри трубы, используя один из пяти имеющихся способов:

Способы Petukov, Dittus и Sieder используются для однофазных потоков и развитых турбулентных течений. Двух- и трехфазные системы моделируются с использованием уравнения для одной фазы с “усредненными” свойствами потока. Рекомендуется использовать эти варианты для однофазных потоков со значением Re > 10000.

Методы Profes и HTFS дают лучшие результаты для для двух- и трехфазных систем и ламинарной области течения, но они гораздо медленнее. Обычно вариант Profes рекомендуется для большинства трубопроводных систем. Метод HTFS требует большего количества вычислений, особенно для двухфазного случая, где необходим постоянный расчет двухфазного равновесия. Он рекомендуется для задач с большим теплосодержанием потоков и большой рас Profes изностью температур между содержимым трубы и окружающей средой.

Пять вариантов расчета:

Petukov (1970)

h =

k

( f / 8) Red

Pr

(7.18)

d 1.07

+ 12.7( f / 8)1/ 2 (Pr 2/ 3

−

1)

Dittus & Boelter (1930)

h =

k

0.023 Red0.8 Pr n

(7.19)

d

n=0.4 для нагрева

n=0.3 для охлаждения

Sieder & Tate (1936)

k

0.8

µ

b

0.14

h2−фазы

=

1/ 3

0.027 Red Pr

(7.20)

d

µw

h1−фаза = [(hлам )12 + (h2−фазы )12 ]112					(7.21)
где hлам	= 3.66 + 0.0668 d	×Re×		Pr	23
	L	1	d
			+ 0.04	L	Re Pr

•Profes. Вариант расчета основан на методах, используемых программой Profes Pipe (предыдущее название PLAC). Методы основаны на диаграммах режимов Profes для горизонтальных и вертикальных потоков, и для каждой области диаграммы используются соответствующие уравнения. Подробнее см. документацию к программе.

•HTFS. Используются методы, реализованные в программах HTFS. Для теплопередачи при кипении и конденсации в вертикальных и

Трубы 7 - 33

горизонтальных трубах используются различные уравнения. Подробнее см. документацию к программе.

Чтобы при расчете коэффициента теплопередачи учитывалась теплопередача через стенку трубы, поставьте флажок в поле Через стенку трубы. При этом должна быть известна теплопроводность материала, из которого изготовлена труба. Ее можно задать в окне участка. По умолчанию используется значение из имеющейся базы данных, соответствующее выбранному материалу.

Теплообмен с внешней средой

Чтобы при расчете коэффициента теплопередачи учитывался теплообмен с воздухом, водой или почвой поставьте флажок в поле Снаружи. Для воздуха и воды скорость среды по умолчанию принимается равной 1м/с, при этом она может быть изменена пользователем. Применяется уравнение коэффициента теплопередачи внешней конвекции поперечного обтекания горизонтальных труб (Дж. П. Холман, 1989) :

	h =	k	0.25Re0.6 Pr 0.38	(7.22)
		d

Если в качестве внешней среды выбран грунт, то необходимо выбрать его тип. Теплопроводность выбранного грунта выводится на экран, ее можно изменить, задав новое значение.

Типы грунтов и соответствующие им значения теплопроводности приведены в следующей таблице:

	Тип почвы	Теплопроводность,	Тип почвы	Теплопроводность,
		Вт/мГрад		Вт/мГрад
	Сухой торф	0.17	Замерзшая глина	2.50
	Мокрый торф	0.54	Гравий	1.10
	Ледяной торф	1.89	Песчаный гравий	2.50
	Сухой песок	0.50	Известняк	1.30
	Влажный песок	0.95	Песчаный камень	1.95
	Мокрый песок	2.20	Лед	2.20
	Сухая глина	0.48	Холодный лед	2.66
	Влажная глина	0.75	Рыхлый снег	0.15
	Мокрая глина	1.40	Плотный снег	0.80

В ХАЙСИС коэффициент теплопередачи внешней среды определяется из следующих уравнений:

		Hокр.ср =				1					(7.23)
					Rокр.срDнар
R		=	D			2Zb +	4Zb2		− Dнар	2	(7.24)
	окр.ср			нар ln
			2ks				Dнар

где : Hокр.ср – коэффициент теплопередачи в окружающую среду Rокр.ср – термическое сопротивление окружающей среды Zb - глубина залегания осевой линии трубы

Ks – теплопроводность вещества, окружающего трубу (воздух, вода, грунт)

Dнар – Наружный диаметр трубы, включая изоляцию