Классификация трубопроводов

Рассмотрим методы расчета сетей, транспортирующих жидкие среды.

 

Простые – к простым трубопроводам относятся отдельные участки или отрезки сетей, в которых расход жидкости не меняется по длине (в отдельных случаях просто трубопровод может состоять из участков разного диаметра).

 

 

К сложным трубопроводам относятся сочетания участков сетей, в которых расход жидкости по длине перемещения. Отдельные участки (отрезки) труб в целях рационального распределения жидкости по потреблениям объединяются в сети.

По принципу роботы могут быть напорными и безнапорными. Кроме того, подразделяются на:

· тупиковые

· кольцевые

Недостатками тупиковых сетей являются:

а) неравномерность диаметров (сечений) по длине, так как в начальных участках, где расходы жидкости значительные диаметры трубопровода будут большими, чем в конце.

б) при выходе из строя трубопровода в каком-либо сечении все следующие за ним участки сети отключаются.

В зависимости от рода транспортирующей жидкости различают трубопроводы и сети: водопроводные, канализационные, газопроводы, нефтепроводы.

 

Основные формулы и таблицы для расчета трубопроводов

Рассмотрим длинный трубопровод. Потери напора по длине определяются по формуле:

he =

 

зная, что he/l = i, гидравлический уклон получим:

V = ,

 

 

Введем обозначение = с, тогда v = c

Формула Шези (по имени Франц, инженера, который впервые её предложил)

С – коэффициент Шези. С = [м^0,5/сек]

Так как Q = wv, то по формуле Шези Q = wc

Введем обозначение: К = wc , то получим Q = K

Основная формула, применяемая при расчете трубопроводов.

К – расходная характеристика или модуль расхода.

Расходная характеристика имеет размерность расхода и представляет собой расход жидкости в данном трубопроводе при гидравлическом уклоне равном единице.

Q = K → i = hge/l

hge = ²*l

Обозначим через А, получим формулу hge = А ²l,

где А – удельное сопротивление трубопровода.

При l = 1, Q = 1, получим hge = А, т.е. удельным сопротивлением называется напор необходимый для определения сопротивления на единицу длины трубопровода при пропуске единичного расхода.

На основании исследований института ВОДГЕО составлены «Таблицы для гидравлического расчета стольных труб»

В колонах для соответствующего диаметра при данном расходе даны скорость ν и значения 1000, т.е. потери напора на 1м длины, выраженные в мм водяного столба.

 

	d, мм
Q п/с

 

 

Гидравлический расчет простых и сложных трубопроводов. Расчет длинного простого трубопровода.

Длинный трубопровод – трубопровод, в котором местные потери напора составляют 5-10% потерь по длине. К ним относятся водопроводы, напорные коллекторы, нефтепроводы. Расчет потерь напора в них ведут без учета местных потерь напора или принимают в % отношение от потерь по длине.

Рассмотрим длинный трубопровод постоянного диаметра при установившемся истечении жидкости в атмосферу.

 

Плоскость сравнения

 

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2

 

Z_{1 +}

α – коррективы кинетической энергии – коэффициент Кориолиса.

Учитывая что = 0, Z_{1 -} = Н и пренебрегая за малостью местными сопротивлениями и скоростным напором, получим H = = hl = ξ * (формула Дарси), т.е распологаемый напор Н расходуется на преодоление сопротивлений по длине трубопровода. (Напор прироет кинетической энергией, передаваемый единице веса перекачиваемой жидкости).

Тогда исходя из формулы: hl = AlQ² → H = AlQ².

Гидравлический расчет простых трубопроводов заключается в отсекании одной из 3-х величин: Q (расхода), Н (напора) или d, при известных его длине, материале труб и конфигурации.

 

Расчет сложных трубопроводов (с последовательными соединением труб разного диаметра, параллельным соединением, простая разветвленная сеть или кольцевая сеть).

Рассмотрим последовательное соединение трубопроводов, при котором жидкость течет по трубам разного диаметра, уложенным в одну линию друг за другом.

 

 

При движении жидкости по такому трубопроводу расход на всех его участках постоянный, а полные потери напора для всего трубопровода раны сумме потерь напора в отдельных трубках, т.е.

Q₁ = Q₂ = Q₃….Q_n = Q.

Н = Н₁+ Н₂ + Н₃ + ……Fhn.

Преобразуем выражение при Н = AlQ², где А – удельное сопротивление трубопровода.

Тогда Н = Q^2, (A₁l₁ + A₂l₂ + A₃l₃+…A_nl_n)

Из уравнения следует, что гидравлический расчет трубопровода составленного из последовательно соединенных труб разного диаметра, при нахождении Н или Q будет аналогичен расчету простого трубопровода постоянного диметра. При известных Н или Q задача нахождение диаметров всех труб становится неопределенной, так как в этом случае формула содержит n неизвестных. Решение подобной задачи может быть получено, если задаться диаметрами труб во всех участков кроме одного.

Параллельным соединением трубопровода называется такое, при котором определенный расход жидкости, подходя к точке разветвления, распределяется по ответвлениям, а затем снова сливается в точке схода этих трубопроводов и становится равным первоначальному. Устройством параллельных линий достигается бесперебойность, надежность работы системы, повышение её пропускной способности на отдельном участке магистрам или снижения требуемого напора при постоянном расходе.

 

Гидравлический расчет параллельного соединения труб сводится к определению расходов на отдельных участках Q_1, Q₂, Q_3, Q_n и потерь напора между точками разветвления и схода при известном общем расходе Q, диаметрах и длинах параллельных участков (d₁. d₂. d_3, d_n и l₁, l₂, l₃, l_n). При решении этой задачи исходят из следующих условий: сумма расходов отдельных участков равна общему магистральному расходу; потери напора на каждом участке одинаковы, так как концы их смыкаются в одних и тех же точках, в которых возможен только один напор.

Q = Q_{1 +} Q + Q_{3 + …..} Q_n

Н_{1 =} Н_{2 =} Н_{3 = …..=} H_n

Потери напора на каждом участке можно выразить через n уравнений, используя формулу:

Н_{1 =} A₁l₁

Н_{2 =} A₂l₂

Н_{n =} A_nl_n

 

Расходы по каждому участку равны:

Q₂ = Q₁(A₁l₁/ A₂l₂)^0.5

Q₃ = Q₁(A₁l₁/ A₃l₃)^0.5

Q_n = Q₁(A₁l₁/ A_nl_n)^0.5

 

При гидравлическом расчете тупикового трубопровода основными задачами является определение потерь напора при заданных концевых расходах или нахождениях концевых расходов Q₂ и Q₃ при заданном напоре в начальном сечении Н. Рассмотрим вторую задачу. Суммарные потери напора на участках 1-2 и 1-3 соответственно равны:

H = H₁+H₂

H = H₁+H₃

Формулу можно записать

H = A₁l₁ + A₂l₂

H = A₁l₁ + A₃l₃

Вычитая из первого уравнения второе, получим:

A₂l₂ = A₃l₃

Учитывая, что участки 2 и 3 имеют в начале общую точку разветвления, а истечение жидкости из конечных точек происходит в атмосферу то можно считать, что участки 2 и 3 соединены параллельно, т.е.

Q₁ = Q₂ + Q₃

Из выражения определим Q₃

Q_{3 =} Q₂(A₂l₂ / A₃l₃)

Подставив Q₃ в формулу Q₁ = Q₂ + Q₃, Q = [1+(Q₂(A₂l₂ / A₃l₃)^0.5]

 

Гидравлический расчет кольцевого трубопроводов сводится к определению напора Н при заданных узловых расходах Q₂ и Q₄ длинах отдельных участков 1-4, диаметрах труб и трассировка сетей. Решение задачи затруднено тем, что неизвестен расход и направление движения жидкость на замыкающем участке кольца CD.

 

 

Гидравлический расчет необходимо произвести в следующей последовательности:

1) Для гидравлического расчета кольцевого трубопровода необходимо разбить кольцо на расчетные участки. За расчетный участок принимаем участок, на котором расход постоянный или меняется незначительно.

2) Задаем направления потоков и назначаем точку встречи потоков (нулевую точку).

3) Определяем d трубопровода и потери напора по участкам цепи.

4) Если точка встречи потоков выбрано правильно, то сумма потерь напора в полукольцах должна быть одинакова.

h 1-2 + h 2-3 + h3-4 + h 4-0 = h1-5 + h5-0.

Разница по полукольцам в потерях напора допускается не более 5% потерь напора по длине одного полукольца, а в абсолютном выражении не более 1 м водяного столба. Если данное условие не выполнено, то сдвигает точку встречи потоков в ту сторону, где потери напора больше и повторяют расчеты.

5) Путем повторения вычислений добиваются выполнения необходимых условий.

 

Расчет коротких трубопроводов

Особенностью гидравлического расчета коротких трубопроводов является необходимостью учета не только потерь напора на трение по длине трубопровода, но и местных потерь напора, которые сопоставим по своей величине.

Они широко применяются в системах водоснабжения для передач воды от трубчатых колодцев к сборному резервуару, при забое воды из поверхностных источников, в виде сифонов, всасывающих труб насосов и т.п.

Рассмотрим условие работы короткого трубопровода постоянного диаметра.

 

 

1 – Обратный клапан

2 – задвижка

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2.

v₁=0, Н₁ – Н₂ = Н

v₂ = v

и hw = λ , получим

V =

 

Q = φ (2gH)^0.5

φ – коэффициент расхода

Потери напора в коротком трубопроводе составленном из труб разного диаметра

hw = λ₁

 

Сифоном называется изогнутый самотечный трубопровод, часть которого расположена выше уровня жидкости в резервуаре, откуда она забирается. Движение жидкости из сосуда А в сосуд Б происходит вследствие разностей уровней РН. Давление в сифонном трубопроводе будет меньше атмосферного, так как он расположен над уровнем жидкости в рассматриваемых резервуарах. Наиболее важной задачей при расчете сифона является определение максимально допустимой высоты h₂ при заданных размерах трубопроводов и известном напоре Н. По мере увеличения h₂ понижается давление в сифоне, и когда он достигнет давления парообразования, то наступит кавитация, сплошность потока жидкости нарушится и она перестанет течь.