Расчет стального воздухопровода

• Содержание
• Введение
• Гидравлический расчет
• Гидравлический расчет для конкретных данных
• Эскиз газопровода
• Заключение

Под воздухопроводами понимают обычно трубопроводы для воздуха высокого давления (свыше 0,15 ати), подаваемого нагнетателями и компрессорами. Трубопроводы воздуха низкого давления, подаваемого вентиляторами, называют воздуховодами.

Воздухопроводы изготавливаются обычно из стальных шовных (водогазопроводных) или бесшовных горячекатаных труб; иногда применяются стальные холоднотянутые и холоднокатаные трубы. Шовные трубы имеют сравнительно невысокое допускаемое давление (с обычной стенкой должны выдерживать до 20 кгс/см²), поэтому их применяют в неответственных случаях и умеренных давлениях. При прокладке воздухопроводов их сваривают.

Воздуховоды чаще всего бывают сварные или клепанные. При давлении воздуха до 200 — 300 мм их изготовляют из листового железа толщиной от 0,5 — 2 мм и доставляют на место в идее отдельных секций длиной 1 — 3 м. Секции снабжены фланцами и собираются при помощи болтов. Воздуховоды такого типа бывают круглого и прямоугольного сечения (короба). При небольших расходах вентиляторного воздуха, а также при более высоком его давлении воздуховоды изготавливают из стальных труб и делают цельносварными из листовой стали. В ряде случаев воздуховоды делают из кирпича, бетона, железобетона и других материалов (подземные воздуховоды).

В воздухопроводах может допускаться скорость в пределах 5 -20 м/с, но рекомендуются значения скоростей 12 — 15 м/с.

В данной работе будет рассчитан стальной газопровод, в котором протекает воздух, расход воздуха на конвертерах 400 нм/мин. Потребное давление на выходе составляет 0.9 ати.

В ходе гидравлического расчета будет найдено давление на входе, а также построена характеристика сети газопровода.

Данные о коэффициентах сопротивлений, эквивалентная абсолютная шероховатость были взяты из приложений книги А. А. Гальнбека «Водовоздушное хозяйство металлургических заводов».

Гидравлический расчет

Расчет слагается из следующих этапов:

1) Расчет плотности и расхода газа при данном давлении и температуре:

Расчетным уравнением плотности для газа является:

где с_о-плотность газа при нормальных условиях, где М_газа — молярная масса газа, V_m — молярный объем;

p, T — давление и температура газа,

p_o, T_o — давление и температура газа при нормальных условиях.

2)Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:

При выборе труб необходимо задаться некоторым значением скорости. Оно выбирается исходя из экономических соображений. Следующий этап состоит в определении диаметров d труб на участках:

где Fплощадь поперечного сечения трубопровода, W-средняя скорость движения газа.

По рассчитанному значению d подбирают в справочнике ближайший диаметр стандартной трубы. Затем обратным расчетом вычисляют действительную скорость воды в выбранной стандартной трубе. Если эта скорость ненамного отличается от средне-экономичной (примерно 12−15 м/с), то выбор можно считать законченным.

3)Определение потерь напора на участках:

Наружные сети обычно можно отнести к длинным трубопроводам, где общие потери напора, в основном, определяются потерями на трение, а местные учитываются коэффициентом местных потерь о:

где b — коэффициент сопротивления трубопровода:

где l и d — длина и диаметр трубопровода, F — площадь поперечного сечения трубопровода; окоэффициент местного сопротивления, его значения приводятся в справочниках; лкоэффициент трения (значение л определяется рядом условий, в первую очередь режимом течения газа).

Существует последовательное и параллельное соединение трубопроводов. При последовательном:

При параллельном :

Картина движения газа в потоке может быть различной. Существует ламинарный и турбулентный режимы течения, количественной мерой этих режимов является число Рейнольдса Re. Его численное значение зависит от соотношения трех величин: средней скорости потока W, его диаметра d, и вязкости н, которая рассчитывается по формуле:

где с — плотность газа, м — динамическая вязкость газа:

где м_о — динамическая вязкость газа при 0 ^оС, T — температура газа, С — постоянная для данного газа;

Число Рейнольдса является безразмерной величиной. Границей перехода из одного режима в другой считается обычно значение Re=2320-критическое значение (Re_кр). При Re< Re_кр — режим течения ламинарный. При Re_кр

В промышленных трубопроводах несжимаемые жидкости и газы в большинстве случаев движутся в турбулентном режиме, поэтому определение потерь напора на трение будет рассмотрено только для него.

После определения Re необходимо рассчитать толщину ламинарного подслоя в турбулентном потоке:

где d-диаметр трубопровода.

Если д много больше средней величины выступов шероховатости (абсолютной шероховатости), то трубы носят название гидравлически гладких. Если много меньше — гидравлически шероховатых.

Для гидравлически гладких труб л рассчитывается по формуле Блазиуса:

Для гидравлически шероховатых по формуле Никурадзе:

К_э— эквивалентная шероховатость. Ее значения для разных стенок приводятся в справочниках.

4) Определение давления на входе:

Выбираем давление на входе, равное конечному давлению плюс 3% от значения конечного давления Далее рассчитываем разность конечного давления и давления на выходе из воздуходувной станции:

и само давление на выходе Если расчетное практически совпадает с выбранным давлением, следовательно выбор давления верен.

5)Построение характеристики сети:

Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:

H=a+(c+b)Q²

Где ;

— коэффициент сопротивления трубопровода.

Гидравлический расчет для конкретных данных

1)Расчет плотности и расхода газа при данном давлении и температуре:

Температура и давление газа при нормальных условиях:

Т_о = 273 К,

p_o = 760 мм.рт.ст. = 0,760*13 600*9,81 Па = 1,1 396*10⁵ Па.

Температура и давление газа:

р = 0.9 ати = 0,9*9,81*10⁴ Па +1,1 396*10⁵ Па = 1,89 686*10⁵ Па,

Т = 30+273 = 303 К.

2)Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:

Пусть W=13 м/с. Тогда:

Выбираем по ГОСТу ближайший стандартный внутренний диаметр стальной трубы d =600мм.

Расчетная скорость:

При последовательном соединении Q₁ = Q₂ = Q₃, задаемся внутренним диаметром d =650 мм, чтобы предотвратить разгон газа, тогда:

т.к. d₁ = d₃, а Q₁ =Q₂= Q₃=Q, то

W₁ = W₃ = 14,1 м/с.

3)Определение потерь напора на участках:

Для расчета кинематической вязкости необходимо сначала рассчитать динамическую вязкость, при:

м_о = 1,72*10^-5 Па*с — динамическая вязкость газа при 0 ^оС;

T = 303 К — температура газа;

С = 114 — постоянная для данного газа:

тогда:

где с — плотность газа, м — динамическая вязкость газа:

Для определения режима движения на первом участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₁>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0.5мм. Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₁ определяем по формуле Никурадзе:

Определим коэффициент сопротивления b на первом участке. Коэффициенты местных сопротивлений принимаем равными о_{вентиля стандартного} = 4,5, о_колена = 2, о_{вентиля «рей»} = 3,2. Следовательно? о = о_{вентиля стандартного}+ о_колена*5+ о_{вентиля «рей»} =4,5+2*5+3,2=17,7 Длина первого участка

Для определения режима движения на втором участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₁>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0,5 мм. Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₂ определяем по формуле Никурадзе:

Определим коэффициент сопротивления b на втором участке. Внезапное расширение: о_расш =. Внезапное сужение о_суж = 0.5. Следовательно? о= о_расш+ о_суж =0.096 Длина второго участка

Для определения режима движения на третьем участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₃ = Re₁ =955 932,2,

т.к. W₃ = W₁, и d₃ = d₁.

Re₃>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0,5 мм.Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₃ определяем по формуле Никурадзе:

Определим коэффициент сопротивления b на третьем участке. Коэффициенты местных сопротивлений принимаем равными о_{вентиля стандартного} = 4,5, о_колена = 2, о_{вентиля «рей»} = 3,2. Следовательно? о = о_{вентиля стандартного}+ о_колена*5+ о_{вентиля прямоточного} =4,5+2*5+3,2=17,7 Длина третьего участка

Участки 1,2 и 3 соединены последовательно, значит:

Рассчитаем потери на всем трубопроводе:

4) Определение давления на входе:

Выберем давление на входе, равное конечному давлению плюс 3% от значения конечного давления Па

расчетное практически совпадает с выбранным давлением, следовательно, давление на выходе из воздуходувной станции равно 1,94*10⁵ Па

4)Построение характеристики сети:

Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:

H=a+(c+b)Q²

Где

Для данного трубопровода уравнение характеристики сети имеет вид:

H = -201,2 + 12,733Q²

Эскиз воздухопровода

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан стальной воздухопровод. В гидравлическом расчете было определено давление на входе P₁=1,94*10⁵ Па и построена характеристика сети воздухопровода, график которой представляет собой параболу:

Для данной сети постоянная а, отвечающая сумме геометрической подачи и приращению пьезометрического напора, не изменяется в ходе эксплуатации трубопровода.

Иная картина наблюдается с сопротивлением трубопровода b, учитывающим потери напора на трение и местные потери. Для данной сети коэффициент трения более или менее постоянен, 0,0452 < л < 0.0466. Что касается коэффициента местных потерь, то для данной сети он может быть легко изменен с помощью дроссельных устройств — вентилей.