Гидравлический расчет трубопроводных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Городское строительство и хозяйство»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине Наименование темы:

Гидравлический расчет трубопроводных систем Наименование дисциплины:

Основы гидравлики и теплофизики

Выполнил студент группы ВВбз-11 М. Ф. Мурашова Нормоконтроль С. П. Епифанов Руководитель С. П. Епифанов.

Иркутск 2015

Задание на курсовую работу

По курсу: Основы гидравлики и теплофизики Студентке: Хасаншиной Е. С.

Тема работы: Гидравлический расчет трубопроводных систем.

Исходные данные:

1. Схема расположения трубопроводов — рис. 6. Расход воды Q=3 л/с. Диаметр труб: первой трубы d₁= 75 мм, второй трубы d₂ = 100 мм, третьей трубы d₃ = 50 мм. Длины труб: первой трубы l₁ = 2 м, второй трубы l₂ = 2 м, третьей трубы l₃ = 2 м. Температура воды в трубах T = 40⁰. Коэффициент шероховатости стенок трубопровода k_э = 0,1 мм. Угол расположения наклонных участков относительно горизонтальной плоскости б = 30⁰.

Исходные данные: 2. Определить диаметр всасывающего трубопровода и предельную теоретическую высоту установки (всасывания) центробежного насоса с учетом и без учета запаса, обеспечивающего отсутствие кавитации, если насос перекачивает воду при температуреt = 50⁰C, расходе Q = 35 м³/ч, частоте вращения n = 1500 об/мин. Трубопровод стальной, длиной l, эквивалентом шероховатости k_экв= 1,4 мм; имеет приемный (обратный) клапан, один поворот (колено) 90⁰ (R=2d).

• Введение
• I. Расчет короткого трубопровода
• 1. Расчет скорости потоков в трубопроводах
• 2. Расчет потери напора трубопровода
• 3. Суммарные потери напора
• 4. Определение уровня воды в напорном баке
• 5. Расчет и построение напорной линии
• 6. Расчет и построение пьезометрической линии
• 7. Расчет и построение напорной характеристики
• II. Расчет всасывающего трубопровода насосной установки
• 1. Расчет скорости и диаметра
• 2. Расчетная высота установки насоса
• 3. Расчет кавитационного запаса
• Заключение
• Список использованной литературы

Гидравлика — это общепрофессиональная дисциплина, изучающая законы покоя и движения жидкостей, законы взаимодействия жидкости с твердыми телами и способы применения этих законов для решения практических задач.

Гидравлика является инженерной наукой, решение практических задач в ней доводится до конкретных результатов. С её помощью люди решают множество задач, относящихся к строительству разного рода сооружений, необходимых для решения проблем водоснабжения, а также создания гидравлического оборудования, ремонта гидравлики, ремонта гидронасосов и так далее.

В современной технике применяются трубопроводы различного назначения, служащие для перемещения разнообразных жидкостей и изготовленных из различных материалов.

Все трубопроводы могут быть разделены на простые и сложные.

Простым трубопроводом называется трубопровод без разветвлений постоянного или переменного сечения.

Сложные трубопроводы — трубопроводы с разветвлениями, составленные из последовательно и параллельно соединенных простых трубопроводов или ветвей с непрерывной раздачей жидкости кольцевые, а также с насосной подачей жидкости (разомкнутые и замкнутые).

При расчете трубопроводов возможны различные сочетания известных и требующих определения величин. В общем случае расчет трубопроводов удобно вести в следующем порядке:

схема трубопровода разбивается на участки, отличающиеся один от другого характером или величиной сопротивлений;

устанавливаются исходные данные для отдельных участков и всей гидросети;

трубопровод насосная установка гидравлический с помощью формул и таблиц определяются коэффициенты местных сопротивлений;

определяются потери давления на каждом участке.

I. Расчет короткого трубопровода

Вода из открытого резервуара, в котором поддерживается постоянный уровень воды, вытекает из напорного бака через трубопровод переменного сечения. Коэффициент шероховатости стенок трубопровода k_э= 0,1 мм=0,1?10^-3 м. Угол расположения наклонных участков относительно горизонтальной плоскости б = 30⁰.

Требуется найти:

1. Определить потери напора? h_i в отдельных элементах (в трубах и местных сопротивлениях) и полные потери напора? h.

2. Определить уровень воды в баке при заданном расходе Q и температуре.

3. Рассчитать значения полных и статических напоров в точках a, b, c, e, k, m, n, f и построить напорную и пьезометрическую линии.

4. Рассчитать и построить гидравлическую характеристику трубопровода? h=f (Q). Определить потери напора в трубопроводе при заданном расходе.

Дано: Расход воды Q = 3 л/с=3?10^-3 м³/с. Диаметр труб: первой трубы d₁ = 75 мм= 0,075 м, второй трубы d₂ = 100 мм= 0,1 м, третьей трубы d₃ = 50 мм= 0,05 м. Длины труб: первой трубы l₁ = 2 м, второй трубы l₂ = 2 м, третьей трубы l₃ = 2 м. Температура воды в трубах T = 40⁰, н₄₀ = 0,66?10^-6 м²/с

Рис 1. Схема короткого трубопровода.

1. Расчет скорости потоков в трубопроводах

Средняя скорость потока V — скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения щ для круглых напорных труб, вычисляем площади живых сечений, каждой трубы:

Тогда средние скорости в трубах будут равны:

2. Расчет потери напора трубопровода

Существует два вида гидравлических потерь:

1. потери на трение по длине - вызваны внутренним трением в жидкости и пропорциональны длине участков трубы, для их определения используем формулу Дарси-Вейсбаха, где — коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси) — безразмерный параметр, величина которого зависит от режима движения жидкости (числа Рейнольдса). Существует три режима движения жидкости:

1) ламинарный;

2) неустойчивый;

3) турбулентный.

Области сопротивления:

1) Доквадратичная зона (область шероховатых труб):

где л определяется по формуле Альтшуля

;

2) Зона гидравлически гладких труб:

где л определяется по формуле Блазиуса

.

3) Квадратичная зона шероховатых труб:

где л определяется по формуле Шифринсона

2. местные потери напора (потери удельной энергии) — обуславливаются изменением по величине и направлению скорости движения жидкости, приводящим к образованию вихревых зон. Определяются по формуле Вейсбаха:

где коэффициент местного сопротивления, скорость перед (после) местным сопротивлением.

1.1 Потери при выходе потока из резервуара:

где

ж_вых = 0,5 — коэффициент местного сопротивления, ускорение свободного падения: g = 9,81 м/c².

2.2 Потери напора в первой трубе 1 (по длине):

Для определения напора в трубе необходимо применяем формулу Дарси-Вейсбаха:

где — коэффициент гидравлического трения, величина которого зависит от режима жидкости:

Тогда значение критической зоны турбулентности

Трубопровод работает в переходном режиме. л₁рассчитывается по формуле Альтшуля:

Напор в трубе равен:

2.3 Потери напора на поворот (с-е):

Для того чтобы определить потери напора при резком повороте необходимо найти коэффициент сопротивления колена круглого сечения, воспользовавшись формулой:

где — значение коэффициента сопротивления для б = 1; для ориентировочных расчетов =1.

Получаем

2.4 Потери напора на внезапном расширении (е-k):

Применяем формулу Борда для вычисления потери напора при внезапном расширении:

2.5 Потери во втором трубопроводе (по длине):

Рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:

Тогда значение критической зоны турбулентности

Трубопровод работает в переходном режиме. л₂ рассчитывается по формуле Альтшуля:

Напор в трубе равен:

2.6 Потери напора на внезапном сужении (m-n)

Рассчитываются по формуле Борда:

где

2.7 Потери напора в третьем трубопроводе (n-f):

Рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:

Тогда значение критической зоны турбулентности

Трубопровод работает в переходном режиме. л₃рассчитывается по формуле Альтшуля:

Напор в трубе равен:

3. Суммарные потери напора

Просуммируем все потери по трубопроводу:

4. Определение уровня воды в напорном баке

Необходимо составить уравнение Бернулли, которое характеризует поток на всем пути от сечения I-I до сечения III-III, относящееся к целому потоку в жидкости:

где сечение I-I совпадает со свободной поверхностью в резервуаре; давление , а скорость жидкости на поверхности равна нулю, так как резервуар имеет большой размер и понижением уровнем воды можно пренебречь. Сечение III-III совпадает с выходным отверстием третьего трубопровода, а давление , скорость равна скорости движения жидкости в третьем водопровод Плоскость сравнения проведем горизонтально через ось первого трубопровода. Из условий следует, что

Подставляя найденные величины в уравнение Бернулли, вычисляем уровень воды в резервуаре:

5. Расчет и построение напорной линии

Полные напоры в сечениях трубопроводов:

H_a= H = 1.278м,

H_b= H_a - ?h_a-b = 1.278 - 0.012 = 1.266м,

H_с= H_b - ?h_b-c = 1.266 - 0.015 = 1.251м,

H_e = H_c - ?h_c-e = 1.251 - 0.0031 = 1.2479 м,

H_k= H_{e -} ?h_e-k = 1.2479 - 0.0046 = 1.2433м,

H_m= H_k - ?h_k-m = 1.2433 - 0.0035 = 1.2398м,

H_n= H_m - ?h_m-n = 1.2398 - 0.0027 = 1.2371м,

H_f= H_n - ?h_n-f = 1.2371 - 0.1178= 1.1193м.

Наносим данные на рис 1, откладывая полученные величины от плоскости сравнения, получаем линию сравнения.

6. Расчет и построение пьезометрической линии

Скоростные напоры в трубах:

Пьезометрические напоры в сечениях трубопроводов:

h_a = H_a - H_1ск = 1.278 - 0.0235= 1.2545 м,

h_b =H_b - H_1ск=1.2545-0.0235 = 1.231 м,

h_c =H_c - H_1ск=1.231 - 0.0235 =1.2075 м,

h_e= H_e - H_1ск=1.2075-0.0235 =1.18 4м,

h_k =H_k - H_2ск=1.184-0.0073= 1.1767м,

h_m = H_m - H_2ск=1.1767-0.0073=1.1694м,

h_n = H_n - H_3ск=1.1694-0.1193 =1.0501м,

h_f = H_f - H_3ск=1.0501-0.1193 = 0.9308м,

Результаты расчетов наносим на рис. 2 (пьезометрическая линия).

Рис 2. Напорная пьезометрическая линия.

7. Расчет и построение напорной характеристики

Используя уравнение расхода выразим:

Найдем гидравлическое сопротивление системы:

Напорная характеристика трубопровода

В таблице приведены значения потерь напора, а на рис. 3 — график напорной характеристики трубопровода.

Таблица 1

Рис. 3. Напорная характеристика трубопровода.

II. Расчет всасывающего трубопровода насосной установки

Насос перекачивает воду при температуре t = 50⁰C, расходе Q = 35 м³/ч, частоте вращения n = 1500 об/мин. Трубопровод стальной, длиной l=10, эквивалентом шероховатости k_экв= 1,4 мм; имеет приемный (обратный) клапан, один поворот (колено) 90⁰ (R=2d). о_клапан=6; о_{поворот}=0.7 (угол 90⁰, R=2•d). Плотность воды.

Требуется:

Определить диаметр всасывающего трубопровода и предельную теоретическую высоту установки (всасывания) центробежного насоса с учетом и без учета запаса, обеспечивающего отсутствие кавитации.

Рис 4. Схема всасывающего трубопровода.

1. Расчет скорости и диаметра

Из формулы расхода выражаем диаметр трубы:

где Q — расход, S — площадь сечения, V — скорость всасывания.

V_{всасывания} может быть от 0.62 м/с

Возьмем V = 1.5 м/с, тогда диаметр равен:

Берем близкий по значению диаметр d=100 мм

2. Расчетная высота установки насоса

Составляем уравнение Бернулли для двух сечений, приняв плоскость сравнения на уровне свободной поверхности жидкости в питающем резервуаре:

где ?h — потери напора.

z₁=z_н, т.к. высота z₂ соответствует высоте насоса.

V₁=0, т.к. на сечении 1−1 отсутствует движение жидкости.

V₂=V, т.к. скорость воды в трубопроводе постоянна.

б₁=б₂=1 принимаем коэффициент Кориолиса за единицу.

p₁=p_атм, т.к. на сечении 1−1 только атмосферное давление.

z₁=0, т.к. на сечении 1−1 нулевая отметка высоты.

Получим

где потери напора ?h на участке трубопровода от сечения I-I и II-IIдлинойl вычисляется:

Для определения режима жидкости вычисляем число Рейнольдса. Коэффициент кинематической вязкости воды при температуре t = 50⁰C, равен = 0.556 • 10^-6

Тогда значение критической зоны турбулентности

Трубопровод работает в переходном режиме. л рассчитывается по формуле Альтшуля:

Подставляем значения и находим потери напора.

Давление насыщенного водяного пара перекачиваемой жидкости р_{н. п} (табл.) _t=50=1221 Па;

Атмосферное давление p_атм (Иркутск) = 95 673 Па;

3. Расчет кавитационного запаса

Поскольку кавитация приводит к быстрому разрушению материала рабочих колес и ненормальной работе насосов, разрежение в насосе не должно превышать определённого предела, обеспечивающего отсутствие кавитации.

Значение кавитационного запаса ?h_кав вычисляется:

Тогда, предельная теоретическая высота установки центробежного насоса с учетом запаса, обеспечивающего кавитации, равна

Заключение

В ходе решения первой задачи в курсовой работе производился расчет короткого трубопровода. Были найдены потери напора в отдельных его элементах (в трубах и местных сопротивлениях), а так же полные потери напора. В ходе решения были рассчитаны значения полных и статистических напоров в точках a, b, c, e, k, m, n, f и построены напорная и пьезометрическая линии; рассчитана и построена гидравлическая характеристика трубопровода; были определены потери напора в трубопроводе при заданном расходе.

В ходе решения второй задачи курсовой работы был определен диаметр всасывающего трубопровода при заданном расходе, рассчитана предельная теоретическая высота установки (всасывания) центробежного насоса с учетом и без учета запаса, обеспечивающего отсутствие кавитации.

1. Башта Т. М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учеб. для вузов. — М.: Альянс, 2011. — 422с.

2. Кудинов В. А., Карташов Э. М. Гидравлика. — М.: Высш. Шк., 2008. — 198с.

3. Лапшев Н. Н. Гидравлика. — М.: Академия, 2007.

4. Сайриддинов С. Ш. Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения: Учеб пособие. М.: Издательство АСВ, 2008. — 352с.

5. Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М.: БАСТЕТ, 2008. — 671с.

Рекомендуемая литература:

1. Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М.: БАСТЕТ, 2008. — 671 с.

2. Лапшев Н. Н. Гидравлика. — М.: Акдемия, 2007.

3. Кудинов В. А., Карташов Э. М. Гидравлика. — М.: Высш. шк., 2008. — 198 с.

4. Сайриддинов С. Ш. Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения: Учеб. пособие. М.: Издательство АСВ, 2008. — 352 с.

5. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учеб. для вузов/ Т. М. Башта [и др.] - М.: Альянс, 2011. — 422 с.