Движение жидкости в напорном трубопроводе

Глава 5. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ ТРУБОПРОВОДОВ

При расчете трубопроводов рассматривается установившееся, равномерное напорное движение любой жидкости, отвечающее турбулентному режиму, в круглоцилиндрических трубах. В напорных трубопроводах жидкость находится под избыточным давлением, а поперечные сечения их полностью заполнены. Движение жидкости по трубопроводу происходит в результате того, что напор в начале его больше, чем в конце.

Гидравлический расчет производится с целью определения диаметра трубопровода d при известной длине для обеспечения пропуска определенного расхода жидкости Q или установления при заданном диаметре и длине необходимого напора и расхода жидкости. Трубопроводы в зависимости от длины и схемы их расположения подразделяются на простые и сложные. К простым трубопроводам относятся 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.

Простые трубопроводы в зависимости от длины с участком местных сопротивлений разделяют на короткие и длинные. Короткими трубопроводами являются трубопроводы с достаточно малой длиной, в которых местные сопротивления составляют более 10% гидравлических потерь по длине. Например, к ним относят: сифонные трубопроводы, всасывающие трубы лопастных насосов, дюкеры (напорные водопроводные трубы под насыпью дороги), трубопроводы внутри зданий и сооружений и т.п.

Длинными трубопроводами называют трубопроводы сравнительно большой длины, в которых потери напора по длине значительно преобладают над местными потерями. Местные потери составляют менее 510% потерь по длине трубопровода, и поэтому ими можно пренебречь или ввести при гидравлических расчетах увеличивающий коэффициент, равный 1,051,1. 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. трубопровод состоит из сети труб определенных диаметров и длин. Сложные трубопроводы подразделяются на параллельные, тупиковые (разветвленные), кольцевые (замкнутые) трубопроводы, которые входят в водопроводную сеть.

Гидравлический расчет трубопровода сводится, как правило, к решению трех основных задач:

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

·  определение потребного напора H, необходимого для обеспечения пропуска известного расхода Q по трубопроводу длиной l и диаметром d;

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

5.2. РАСЧЕТ КОРОТКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

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

Для определения пропускной способности трубопровода, т.е. расхода, проходящего через него, можно использовать следующее уравнение:

,                                                  (5.1)

где  - коэффициент расхода системы;  - площадь поперечного сечения трубопровода;  - разность напоров в начальном и конечном его сечениях, равная суммарным гидравлическим потерям напора при движении жидкости в трубопроводе.

Коэффициент расхода системы для трубопровода постоянного диаметра

,

где  - сумма всех коэффициентов местных сопротивлений;  - сопротивление по длине l трубопровода диаметром d;  - коэффициент гидравлического трения.

В случае нахождения потребного напора, необходимого для обеспечения пропускной способности Q, исходное выражение согласно (4.150)

                                             (5.2)

или согласно (4.158)

,            (5.3)

где  - коэффициент сопротивления системы;  - сопротивление трубопровода.

Когда требуется найти диаметр трубопровода, применяют формулы, приведенные ранее. Данная задача тогда 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 выбранного трубопровода. Согласно выбранной области сопротивления по формуле А. Альтшуля (4.95) или Колбрука (4.94) находится коэффициент гидравлического трения. Определенному диаметру d будут соответствовать потери напора (), которые равны потребному напору.

Задача будет решена, когда  при подобранном диаметре трубопровода.

Диаметр можно найти, построив график , на котором, отложив по координате известный напор , определяется d. Так,  соответствует диаметр ,  - .

Рассмотрим расчет некоторых трубопроводов.

Расчет всасывающей трубы центробежного насоса

Всасывающая труба центробежного насоса представляет собой водовод от места забора воды (водоем) до насоса (рис. 5.1). На входе в насос в сечении 2-2 установлен вакуумметр.

Рис. 5.1. К расчету всасывающей трубы насоса: