Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

Кафедра тепловых электрических станций

Гидравлический расчет трубопроводов

Методические указания к выполнению курсовой работы

по дисциплине «Гидрогазодинамика» для студентов,

обучающихся по направлению «Теплоэнергетика»

Иваново 2015

Составители: С.И. Шувалов,

Г.Г. Михеев

Редактор Г.В. Ледуховский

Методические указания содержат методику расчета трубопроводных систем, индивидуальные задания и пример выполнения курсовой работы.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика».

Утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

Рецензент

кафедра химии и химической технологии в энергетике

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический

университет имени В.И. Ленина»

Предисловие

В Федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования по направлению подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» (квалификация (степень) – бакалавр) указано, что выпускник должен уметь рассчитывать гидродинамические параметры потока жидкости и газа при внешнем обтекании тел и течении в каналах и трубах, а также проводить гидравлический расчет трубопроводов.

Для получения практических навыков при изучении дисциплины «Гидрогазодинамика» предусмотрена курсовая работа, в которой студент должен выполнить гидравлический расчет системы трубопроводов: для заданных расходов воды необходимо выбрать диаметры трубопроводов, рассчитать гидравлические сопротивления труб и избыточные давления воды в узлах системы, минимально допустимую высоту водонапорной башни, производительность насосов и максимальную высоту размещения насосов над уровнем воды в водозаборнике.

В методических указаниях даны общие сведения о трубопроводной системе, представлена методика расчета и приведен пример расчета. Индивидуальные задания для выполнения курсовой работы представлены в конце методических указаний.

В приложении приведены справочные данные, достаточные для выполнения курсовой работы.

1.Общие сведения о трубопроводной системе

Для перемещения жидкостей и газов используются трубопроводные системы, состоящие из устройства подачи перемещаемой среды в систему, источника энергии для компенсации затрат энергии на подъем среды относительно места забора и потерь на трение, а также трубопроводов, соединенных между собой определенным образом.

В зависимости от рода перекачиваемой жидкости различают: водопроводы, нефтепроводы, маслопроводы, газопроводы и т.д.

В зависимости от конфигурации различают простые и сложные трубопроводы. Простым называют трубопровод, не имеющий разветвлений от точки забора до точки потребления. Сложные трубопроводы делятся на следующие виды:

1) разветвленные;

2) трубопроводы с параллельным соединением;

3) кольцевые.

В зависимости от длины и гидравлических условий расчета трубопроводы разделяются на длинные и короткие. Длинными считаются трубопроводы, имеющие значительную протяженность, в которых величина местных потерь напора не превышает 10 % от потерь напора по длине. К длинным трубопроводам относят наружные водопроводные сети и водоводы, нефтепроводы и т.д. При их расчете местные потери отдельно не учитываются, а принимаются равными 5…10 % от линейных потерь. У коротких трубопроводов местные потери составляют более 10 % от линейных потерь. Короткими трубопроводами являются всасывающие линии насосных станций, сифоны, самотечные линии водоприемников, внутренние хозяйственно-питьевые водопроводы и т. п. При их расчетах обязательно учитывают потери напора в каждом из местных сопротивлений.

При транспортировке жидкости и достаточно большой разности высот между местом подачи жидкости в систему и потребителем применяются самотечные системы, в которых жидкость перемещается сверху вниз под действием собственного веса. В том случае, когда разности высот недостаточно для преодоления сил трения, используются напорные системы с насосами в качестве внешнего источника энергии.

При проектировании трубопровода одним из принципиальных вопросов является выбор типа и диаметра труб. При малом диаметре высокая скорость жидкости приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению трубопровода и требует применения более дорогих высоконапорных насосов и более высоких энергозатрат на транспортирование жидкости. Увеличение диаметра трубопровода снижает скорость жидкости и вместе с ней сокращает гидравлическое сопротивление и затраты на транспортирование, но при этом увеличивает капитальные затраты на строительство трубопровода. Кроме того, при малой скорости движения в трубах оседают частички примесей и продуктов коррозии, увеличивая шероховатость стенок и сокращая проходное сечение трубы. Отсюда следует, что существует некоторая оптимальная скорость движения жидкости, обеспечивающая ее надежный транспорт и минимальные суммарные затраты на строительство и эксплуатацию трубопровода. Оценка величины этой скорости требует проведения технико-экономического анализа с учетом стоимости материалов, электроэнергии, затрат на сооружение, техническое обслуживание и ремонт трубопровода. Методика такого анализа выходит за пределы данного курса и рассматривается в других дисциплинах. В курсовой работе принимается, что скорость воды в трубопроводе должна находиться в диапазоне 1,0…1,2 м/с.

Выбор диаметра труб не может быть произвольным. Серийно выпускаются трубы только определенных диаметров, которые и следует применять при проектировании трубопроводов.

При фиксированной конфигурации трубопроводной системы, заданных расходах жидкости и скорости ее движения гидравлический расчет трубопроводов сводится к определению затрат энергии на подъем жидкости и гидравлических потерь на трение. Эти расчеты базируются на уравнении Бернулли для стационарного течения вязкой жидкости, записанном в виде баланса энергии для различных сечений:

. (1)

Здесь  – плотность жидкости; v – скорость потока; h – высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости; р – давление в точке, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости; g – ускорение свободного падения; р –потеря давления на преодоление сопротивления трения жидкости.

Это соотношение получено в 1738 г. Даниилом Бернулли. Иногда уравнение записывается в виде баланса напоров

, (2)

где h – потеря напора вследствие трения жидкости.

Здесь каждое слагаемое имеет размерность единицы длины. Величина соответствует высоте столба жидкости, создающего своим весом давлениер и поэтому называется пьезометрической высотой. Величина z есть высота рассматриваемой точки над некоторой начальной горизонтальной плоскостью и поэтому называется геометрической высотой. Величина есть высота, с которой тело должно упасть, чтобы при свободном падении приобрести скоростьv, и поэтому называется скоростной высотой.

При движении несжимаемой жидкости по трубе постоянного сечения на участке, где массовый расход не меняется, скорость движения также останется неизменной. Отсюда уравнение (1) примет вид

, (3)

из которого следует, что при установившемся движении жидкости перепад давления расходуется на подъем жидкости и преодоление сопротивления трения.

Сопротивление трубопровода складывается из затрат энергии на преодоление трения жидкости о стенки трубы по всей ее длине и на преодоление сопротивления в отдельных местах потока, где наблюдается его деформация (задвижка, поворот, резкое сужение или расширение трубы и т. п.). Первые потери называются линейными, они распределяются по длине трубы относительно равномерно и обозначаются в виде потери располагаемой высоты h_лин или в виде потери давления р_лин. Вторые потери называются местными, они концентрируются в отдельных местах, их суммарный вклад в сопротивление трубопровода равен сумме каждого из местных сопротивлений, поэтому они обозначаются h_м или р_м.

Общую величину потерь напора для участка трубопровода, заключенного между двумя сечениями, определяют как сумму потерь напора по длине рассматриваемого участка и всех местных потерь напора:

. (4)

Величину линейных потерь определяют по формуле Дарси-Вейсбаха

. (5)

Здесь ℓ - длина трубы; d – диаметр трубы;  – коэффициент сопротивления трения или коэффициент Дарси.

Местные потери вычисляют по формуле

, (6)

где  – коэффициент местных потерь.

Падение давления, связанное с подъемом жидкости на высоту z (геометрический перепад давления)

. (7)

Следует заметить, что величина не является потерей давления. При перемещении жидкости вверх на величинуz давление уменьшается на эту величину, при движении вниз – увеличивается.

Формулы (5) и (6) можно представить в виде потерь напоров с теми же коэффициентами

, (8)

. (9)

В формулах (5) и (6) потери давления зависят от квадрата скорости, при этом в расчетах используется средняя скорость потока, равная отношению секундного расхода жидкости к площади поперечного сечения трубы S:

. (10)

Однако этот вывод справедлив только при некоторых определенных условиях, так как в общем случае коэффициенты сопротивления  и  тоже зависят от скорости.

При ламинарном течении

. (11)

Это выражение называется формулой Пуазейля. Комплекс есть критерий Рейнольдса, определяющий режим течения жидкости. Хотя по формуле Дарси-Вейсбаха сопротивление трубопровода пропорционально скорости во второй степени, при ламинарном течении коэффициент гидравлического сопротивления обратно пропорционален критерию Рейнольдса и, следовательно, скорости. Поэтому в целом сопротивление трубопровода оказывается пропорциональным скорости в первой степени.

При переходе к турбулентному течению влияние скорости становится более существенным, при этом заметное влияние начинает оказывать шероховатость стенок трубы.

Экспериментальные данные для  в зависимости от значений критерия Рейнольдса и относительной шероховатости были получены Никурадзе. В виде графика в логарифмических координатах эти зависимости представлены на рис.1.