Курсова робота
Гідравлічні трубопроводи
Вступ
Гідравліка – це технічна (прикладна) наука, що вивчає закони рівноваги і руху рідини та розробляє способи застосування цих законів для розв’язування цих задач.
Втрати напору в трубопроводах складаються з втрат по довжині і місцевих втрат. Залежно від впливу цих втрат трубопроводи поділяють на короткі і довгі.
До довгихналежать трубопроводи, в яких визначальними є втрати по довжині, а місцеві втрати не перевищують 10–15% загальних втрат, а до коротких– трубопроводи з великою кількістю місцевих опорів, у яких визначальними є місцеві втрати, а втрати по довжині не перевищують 10–15% загальних втрат.
Довгі трубопроводи поділяють на прості і складні,
Прості трубопроводи– це трубопроводи сталого діаметра, що не мають відгалужень.
Складний трубопровід– це такий, що складається з окремих елементів: простих коротких або довгих трубопроводів. Прийнята класифікація трубопроводів дає змогу значною мірою спростити розрахунок їх.
Гідравлічний розрахунок трубопроводів полягає у визначенні витрати рідини, напору, діаметра труб при заданих інших величинах. Іноді за заданими витратою Q, діаметром і довжиною трубопроводу визначають напір Н або за тих же умов визначають витрату Q якщо задано напір Н. Діаметр трубопроводу d визначають, коли всі інші параметри відомі.
1. Основні формули для гідравлічного розрахунку напірних трубопроводів при турбулентному режимі руху
Коефіцієнт гідравлічного тертя l, що входить в розрахункову формулу для визначення втрат натиску по довжині
,для гладких труб знаходиться по емпіричних залежностях виглядуl=l(Re).
Для потоків, що характеризуються числами Re від 2300 до 100000, застосовується така залежність:
. (1)
П.Н. Конаковим запропонована більш загальна формула, область вживання якої не обмежується величиною числа Re:
(2)Може бути використана формула Р.К. Филоненко
, (3)
яка дає практично однакові результати з формулою П.Н. Конакова.
Для визначення втрат натиску в круглих шорстких трубах у разі квадратичної області опорів звичайно використовуються так звані водопровідні формули, одержувані ззалежності Шезі. Позначивши через l довжину труби, представимо формулу Шезі таким чином:
.Отже,
. (4)Помноживши у формулі (4) чисельник і знаменник на 2g одержимо остаточну формулу, яка може бути названа першою водопровідною формулою (формула Вейсбаха – Дарсі):
, (5)де коефіцієнт гідравлічного тертя
.Визначаючи С по формулі Н.Н. Павлівського, одержимо
.Замінимо в залежності (4) швидкість υ через
де Q – витрата рідини, що проходить через трубу;
площа живого перетину труби.Одержимо формулу, яка може бути названа другою водопровідною формулою:
; (6)тут
. (7)Для розрахунку труб рекомендується вживання коефіцієнтів шорсткості п, приведених в табл. 1.
Таблиця значень коефіцієнта шорсткості п для труб
Стан стінок труб і характерні умови експлуатації | п | |
Нові чавунні, металеві і гончарні труби при добрій укладці і з’єднанні | 0,0110 | 90,9 |
Водопровідні труби в нормальних умовах експлуатації, бетонні труби в дуже гарному стані | 0,0120 | 83,3 |
Трохи забруднені водопровідні труби, клепані стальні спіральні труби в дуже гарному стані, бетонні труби в гарному стані | 0,0130 | 76,9 |
Забруднені водопровідні труби | 0,0140 | 71,4 |
Клепані стальні спіральні труби в середніх умовах експлуатації | 0,0150 | 66,7 |
Бетонні труби в поганому стані | 0,0160 | 62,5 |
Азбестоцементні труби | 0,0092 | 108,7 |
Поліетиленові труби | 0,0086 | 116,4 |
Останнім часом рядом авторів складені таблиці значень коефіцієнта С, підрахованих по формулі Н.Н. Павловского для різних коефіцієнтів шорсткості і гідравлічних радіусів R.*
Для спрощення обчислень по формулах (5) і (6) для стандартних діаметрів труб приводяться таблиці значень коефіцієнтів λ1 = f1 (d) і а = f2 (d), обчислених при різних п із застосуванням формули Н.Н. Павлівського.
Формули (5) і (6) для розрахунків шорстких труб справедливі тільки для квадратичної області опорів. Відповідними дослідженнями встановлено, що труби великих діаметрів працюють переважно в доквадратичній області через малу їх відносну шорсткість. Квадратичний закон опору для труб великого діаметру буде справедливий тільки у випадку, якщо виступи шорсткості мають значну висоту.
У результаті обробки експериментального матеріалу для доквадратичної області Ф.А. Шевелев рекомендує для визначення гідравлічного ухилу користуватися формулою
, (8)де k – поправочний коефіцієнт, залежний від середньої швидкості υ, причому Q виражається в м3/с, а d в м.
Значення поправочного коефіцієнта k для сталевих і чавунних труб дані в табл. 2.
Таблиця 2. Значення поправочного коефіцієнта для сталевих і чавунних труб
υ, м/с | k | υ, м/с | k | υ, м/с | k |
0,20 | 1,410 | 0,50 | 1,150 | 0,80 | 1,060 |
0,25 | 330 | 0,55 | 1,130 | 0,85 | 1,050 |
0,30 | 280 | 0,60 | 1,115 | 0,90 | 1,040 |
0,35 | 240 | 0,65 | 1,100 | 1,00 | 1,030 |
0,40 | 200 | 0,70 | 1,085 | 1,10 | 1,015 |
0,45 | 175 | 0,75 | 1,070 | 1,20 | 1,000 |
Приводимо експериментальні формули, що застосовуються для розрахунку:
азбоцементних труб (формула Ф.А. Шевелева):
; (9)дерев'яних труб (формула Скобея):
, (10)де υ виражається в м/с, а d в м.
2. Класифікація трубопроводів і основні задачі по їх гідравлічному розрахунку
Розглядатимемо турбулентний рух будь-якої рідини, що відповідає квадратичній області опору, маючи у вигляді при цьому тільки круглоциліндричні труби.
Гідравлічний розрахунок трубопроводів проводиться або з метою визначення діаметру трубопроводу, призначеного для пропуску певної витрати рідини, або з метою встановлення гідравлічних характеристик трубопроводу: втрат натиску і витрати рідини, що пропускається (при відомих діаметрі і довжині труби).
При гідравлічному розрахунку трубопроводів залежно від їх довжини і гідравлічних умов розрахунку розрізняють два типи трубопроводів: короткі і довгі.
Короткими трубопроводами називаються трубопроводи порівняно невеликої довжини, в яких місцеві втратиопору є достатньо істотними, складаючи не менше 5–10% від втрат опору по довжині. Прикладами коротких трубопроводів можуть служити всмоктуюча лінія відцентрового насоса, напірна водопропускна труба під залізничним насипом і т.п.
Довгими трубопроводами називають трубопроводи, що мають значну протяжність, в яких втрати опору по довжині є основними. У випадку довгих трубопроводів місцевими втратами звичайно нехтують, іноді ж їх приймають рівними 5–10% від втрат опору по довжині. Прикладами довгих трубопроводів можуть служити трубопроводи водопровідних мереж, а також трубопроводи, що використовуються при гідромеханізації і т.д.
Залежно від гідравлічної схеми роботи трубопроводи розділяються на прості, не мають відгалужень, складні – з відгалуженнями. Розрізняють також тупикові трубопроводи і замкнуті, або кільцеві. Замкнуті трубопроводи більш надійні в роботі, зокрема забезпечують безперебійне водопостачання при пошкодженні окремих ліній або виробництві ремонтних робіт.
При гідравлічному розрахунку трубопроводів звичайно зустрічаються наступні три основні задачі:
1) визначення витрати трубопроводу Q при заданих l, d, hf;
2) визначення втрати опору hfпри заданих l, d, Q;
3) визначення потрібного діаметру трубопроводу при заданних l, Q, hf.
При рішенні цих і інших задач, пов'язаних з гідравлічним розрахунком трубопроводів, широко використовується поняття про витратну характеристику (про модуль витрати) труб. Витрата рідини при рівномірному русі визначається, по формулі.