Трубопроводы служат руслами, по которым перекачиваются жидкости. Жидкость движется по трубопроводу потому, что её энергия в начале трубопровода больше, чем в конце. Этот перепад энергий создаётся, как правило, насосом, а иногда за счёт разности высот начала и конца трубы. В горной промышленности приходится иметь дело, главным образом, с такими трубопроводами, движение жидкости в которых обусловлено работой насосов.

При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.

В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные . К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.

Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные . Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного или различных сечений, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д. К сложным относятся и так называемые кольцевые трубопроводы.

Классификация трубопроводов

1) По материалу стенок труб трубопроводы бывают стальные, чугунные, железобетонные, пластмассовые, асбестоцементные, резиновые шланги и т.д.

2) По роду перекачиваемой жидкости - водопроводы, нефтепроводы, маслопроводы и т.д.

3) По конфигурации:

а) простые - это трубопроводы, не имеющие ответвлений;

б) сложные - это трубопроводы, имеющие хотя бы одно ответвление.

Простой трубопровод постоянного сечения

Рисунок 69 - Схема простого трубопровода постоянного сечения

Пусть простой трубопровод постоянного сечения расположен произвольно в пространстве (рисунок 69), имеет общую длину , диаметр d = сonst и содержит ряд местных сопротивлений, например, задвижку, фильтр и обратный клапан. В начальном сечении 1 - 1 геометрическая высота равна z 1 и избыточное давление p 1 , а в конечном сечении 2- 2 соответственно z 2 и р 2 .

Скорость потока в этих сечениях вследствие постоянства диаметра трубы одинакова и равна u.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1- 1и 2- 2, считая a 1 = a 2 = 1 (как при турбулентном режиме) и исключая скоростные напоры вследствие равенства скоростей:

(91)

Пьезометрическую высоту, стоящую в левой части уравнения (91) назовем потребным напором

разность высот начала и конца трубопровода обозначим

Тогда уравнение (91):

(92)

Учитывая, что полные потери напора в виде степенной функции расхода можно записать в виде

равенство (92) можно записать:

(93)

где сопротивление трубопровода.

Формулы (92) и (93) являются основными для расчёта простых трубопроводов постоянного сечения.

Самотечный трубопровод

Самотечный трубопровод - это такой простой трубопровод постоянного сечения, движение жидкости по которому происходит лишь за счёт разности высот начала и конца трубопровода (рис. 70).

Рисунок 70 - Схема самотечного трубопровода

Для простого трубопровода постоянного сечения справедливо ранее полученное равенство (92):

(94)

В данном случае

Р 2 = Р атм,

Тогда равенство (94) примет вид:

или после сокращения

(95)

по этому равенству рассчитывается самотечный трубопровод, оно показывает, что весь имеющийся напор идёт на преодоление гидравлических сопротивлений h п.

Учитывая, что равенство (95) запишется:

откуда расход жидкости в самотечном трубопроводе:

где а - сопротивление трубопровода, рассчитывается по полученной выше по формуле:

Сифонный трубопровод

Сифонный трубопровод - это такой простой трубопровод постоянного сечения, часть которого расположена выше питающего его резервуара (рисунок 71).

Для того чтобы сифонный трубопровод начал работать, необходимо его заполнить жидкостью, удалив воздух. Этого можно достигнуть путем повышения временно уровня резервуара (или давления в начале трубы) выше наивысшей точки сифона (уровня z)или путем отсасывания воздуха из сифона в наивысшей точке, благодаря чему под атмосферным давлением на уровнях I - I и II - II трубопровод заполнится жидкостью. Наконец, можно запереть концы сифона и залить его жидкостью через верхнюю точку, где одновременно выпускают заполнявший трубу воздух. После сплошного заполнения сифона жидкостью он начинает работать как обыкновенная труба. Расчетом обычно определяют пропускную способность сифона и предельное значение высоты z.

Так как сифонный трубопровод - это простой трубопровод постоянного сечения, то для него справедлива формула (93):

(96)

Проанализируем эту формулу для сечений I - I и III - III (плоскость сравнения проходит по сечению III - III):

Тогда формула (96) примет вид:

или после сокращений

откуда найдётся расход Q по сифонному трубопроводу:

где а - сопротивление трубопровода, рассчитывается по полученной выше по формуле:

Для определения высоты z , на которую может подняться жидкость в сифонном трубопроводе, составим уравнение Бернулли для сечений I - I и II - II:

(97)

Если плоскость сравнения 0 - 0, совпадает с поверхностью жидкости в резервуаре 1, то z 1 = 0; Р 1 = Р а; u 1 » 0; a I = a II = 1 (принимаем режим движения жидкости турбулентным); z II = z; р II > p н.п. - давление в сечении II - II должно быть больше давления насыщенных паров жидкости p н.п. - давления, при котором жидкость закипает при данной температуре, иначе наблюдается явление кавитации - самовскипания жидкости в замкнутом объёме и образующиеся при этом пузырьки пара приводят к срыву работы сифонного трубопровода.

К безнапорным (самотечным) трубопроводам относятся канали­зационные трубы, водосточные каналы (ливнеспуски), самотечные нефтепроводные и водопроводные трубы и т.д.

Наиболее распространенными формами сечений безнапорных трубопроводов являются: круглое (рис.5), овоидальное (рис.5) и лотковое (рис.5). Эти сечения характеризуются интересной гидравлической особенностью: наибольший расход и наибольшая скорость в них имеют место не при полном, а лишь при частичном наполнении.

Объясняется это тем, что при заполнении верхней части подобных сечений смоченный периметр растет быстрее, чем площадь, и поэтому начинает уменьшаться гидравлический радиус, что приводит одновременно к уменьшению скорости и расхода.

Гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов выполняются аналогично расчетам открытых каналов, что естественно, поскольку безнапорный трубопровод представляет собой по существу также открытый канал; отличием трубопроводов от каналов в гидравлическом смысле является только отмеченное выше уменьшение гидравлического радиуса трубопроводов при заполнении его верхней части, в то время как гидравлический радиус каналом все время возрастает с увеличением наполнения.

Рис.6 Рис.7

Для упрощения расчетов значения характеристик трубопроводом (площади сечения, гидравлического радиуса и величин и зависящие от глубины наполнения, могут быть вычислены для определенных форм сечения заранее.

Если обозначить через W 0 и значения модуля скорости и модуля расхода при полном наполнении h 0 трубопровода, а теми же буквами без индекса –их значения при некотором частичном наполнении h, можно вычислить значения отношений

в зависимости от ; получающиеся при этом зависимости для трубопроводов круглого, оваидального и лоткового сечений представлены в виде графиков на рис.6, 7, 8. Пользуясь этими графиками, значения скорости и расхода Q при частичном наполнении можно находить по формулам

8.5. Безнапорное движение при ламинарном режиме

На практике, например при сливе весьма вязких нефтей и нефтепродуктов и их течении в открытых лотках и самотечных трубах, при решении некоторых задач в области химического и нефтезаводского аппаратостроения, иногда приходится встречаться с ламинарным безнапорным движением жидкости.

В этом случае оказывается возможным определить теоретическим путем потери напора (подобно тому, как при ламинарном движении в напорных трубах) и получать расчетные зависимости для расхода. Не приводя здесь соответствующих решений, математически обычно весьма сложных и громоздких, ограничимся лишь сводкой некоторых расчетных формул для каналов наиболее часто применяемых форм поперечных сечении. По И.А.Чарному, для канала прямоугольного сечения при глубине потока h и ширине b расход жидкости может быть подсчитан по формуле

где i –уклон дна канала; g –ускорение силы тяжести; v –кинематическая вязкость жидкости.

Если глубина потока весьма мала по сравнению с шириной, то

Для канала трапецеидальной формы гидравлически наивыгоднейшего сечения с углом

Для полукруглого канала

Выберем сечение 1-1 по свободной поверхности жидкости в резервуаре А, сечение 2-2 - по свободной поверхности жидкости в резервуаре В (рис. 7). Плоскость сравнения совместим с сечением 2-2.

Рисунок 7 - Схема к расчету диаметра самотечного трубопровода

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

В данном случае:

Так как уровни в резервуарах А и В постоянны, то скоростные напоры и равны нулю.

Подставив все значения в уравнение Бернулли (7.1), получим:

Потери напора:

При установившемся режиме уровни в резервуарах постоянны, тогда расход жидкости через самотечный трубопровод равен. Следовательно, средняя скорость жидкости в самотечном трубопроводе:

Подставляя выражение (7.3) с учетом (7.4) в (7.2), получим:

Решение уравнения (7.5) выполним графоаналитическим методом. Задаваясь значением диаметра самотечного трубопровода, построим график зависимости потребного напора

Число Рейнольдса:

Следовательно, режим течения турбулентный. Тогда коэффициент потерь на трение по длине определяем по формуле Альтшуля:

где: - шероховатость чугунных (бывших в употреблении) труб.

Вычислим по формуле (7.5) величину потребного напора для пропуска расхода при значении диаметра самотечного трубопровода:

Так как полученное значение, то последующие значения диаметра нужно уменьшать.

Проведем аналогичные расчеты для ряда других значений диаметра. Результаты расчетов сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета потребного напора

По данным таблицы 2 строим график зависимости (рис. 8) и по значению определяем диаметр самотечного трубопровода.

Рисунок 8 - График зависимости

По графику получаем.

ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТИ

При установившемся режиме работы установки, когда расход в системе трубопровода не изменяется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору установки

Тогда, согласно формуле (4.2), потребный напор установки:

Давление сети:

Построим характеристику сети, используя зависимости (8.1) и (8.2) и методику определения потерь напора, изложенную в п.2.

Зададимся расходом.

Определим средние скорости, режим течения и коэффициенты сопротивления трения для каждого участка трубопровода.

Для трубопровода всасывающей линии диаметром:

число Рейнольдса:

Следовательно, во всасывающей линии режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Потери напора во всасывающей линии

где: - потери напора на трение по длине;

Местные потери напора;

и - соответственно коэффициент сопротивления трения и сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии.

Определим коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля:

Для всасывающей линии местные сопротивления:

всасывающая коробка с обратным клапаном с коэффициентом сопротивления;

задвижка (при полном ее открытии).

Получаем:

Вычислим потери напора во всасывающей линии:

Аналогичным образом определим потери напора в нагнетательной линии:

Так как режим течения в нагнетательной линии на всех участках турбулентный, а область гидравлического сопротивления переходная, то коэффициенты сопротивления трения определим по формуле Альтшуля:

Местные сопротивления нагнетательной линии:

два поворотных колена с коэффициентом сопротивления

регулировочный вентиль с коэффициентом сопротивления

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

расходомер Вентури с коэффициентом сопротивления

Вычислим потери напора в нагнетательной линии:

Общие потери напора в трубопроводе:

Потребный напор установки:

Давление сети:

Проведем вычисления для других значений расхода. Результаты вычислений сведем в таблицу 3.

напор трубопровод насосный резервуар

Таблица 3 - Результаты расчетов для построения характеристики сети

Определение диаметров самотечных трубопроводов

Вода от оголовка транспортируется по двум самотечным линиям. Диаметр самотечных линий должен быть таким, чтобы скорость движения воды по ним не была меньше скорости движения воды в реке с целью наименьшего отложения ила. Для этого в паводок при повышенной мутности весь расход пропускаем по одной самотечной линии, со скоростью Vпав = 1,31 м/с.

Диаметр самотечного трубопровода определяем по формуле:

dс.тр.=v(4*Qр/рV)=??4*0,4/3,14*1,31?=0,62м

принимаем стальные трубы диаметром dс.тр=700 мм, со скоростью V=0567м/с, по таблице Шевелева, в межень весь расход 0,22 мі/с будет пропускаться по двум самотечным линиям, со скоростью V=0,283 м/с, по СНИП.

Потери напора при движении воды в самотечных линиях определяем по формуле:

??=і*?+?(ж*VІ)/2g+?р, где

і - гидравлический уклон или потери напора на единицу длины трубопровода (определяется по таблице Шевелева),

Расчетная длина самотечного трубопровода, м,

ж - коэффициент сопротивления, принимаемый в зависимости от местного препятствия (определяется по справочнику Курганова А.Н. и Федорова Н.Ф. «Справочник по гидравлическим расчетам систем ВК»).

Для случая выключения одной линии на ремонт или промывку.

Для случая работы двух линий.

В результате подсчета потерь напора определяем отметки уровня воды колодца. Применим следующие значения:

Для суживающего перехода - ж=0,25

Для двух сварных отводов с углом 45є - ж =0,45

Для тройника в прямом направлении трубы - ж=0,1

Для задвижки - ж=50

Для выхода из трубы (излива) в камеру водоприемника - ж=1

Следовательно - ?ж=51,8

Таким образом, считаем потери напора при движении воды по одной самотечной линии:

По длине і*?

Значит потери напора по длине будут равны:

0,00061 *120м=0,0732

Потери напора через решетки?р=0,1 и сумма? составляет:

H=0,0732*51,8*(0,8І/2*9,81) +0,1=0,227

Нашли потери напора при движении всего расхода воды по одной самотечной линии.

Определяем потери напора воды при пропуске расхода по двум самотечным линиям.

2)По длине і*?

По таблицам Шевелева для расхода равного 800 мі/ч.

По этому расходу определяем по таблице Шевелева:

d=700 мм, следовательно, і=0,00061 (1000 і=0,61), со скоростью V=0,567м/с.

По расходу:

По этому расходу, который мы пропускаем по двум стальным трубам диаметром 700 мм по таблице Шевелева 1000 і =0,178, следовательно, і=0,000178 со скоростью V=0,286 м/с, значит потери по длине:

??= і*?=0,00061 *120м=0,0732

Сумма?ж=51,8

H=51,8*0,4І/2*9,81+0,0732+0,1=0,596

Получим потери напора по двум самотечным трубопроводам.

Автоматизация установки для приготовления сиропа

Диаметр трубопроводов можно определить по расходу продукта: D =, м, (5) где Qп - расход продукта, м3/c; W - скорость продукта (жидкости), м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м...

Анализ результатов газогидродинамических исследований скважин, подключенных к УКПГ-14 Оренбургского НГКМ

Для нахождения оптимального диаметра нефтепровода в соответствии с таблицей 3 для пропускной способности 4,5 млн.т/год выбираем три конкурирующих диаметра, по которым возможна перекачка заданнго объема нефти: D1 = 377 мм, D2 = 426 мм, D3 = 529 мм...

Гидравлический привод манипулятора

Для этого зададимся скоростями потока жидкости: в напорном трубопроводе - 3,8 м/с; в сливном трубопроводе - 1,5 м/с; во всасывающем трубопроводе - 1 м/с. , м где, - величина потока жидкости через трубу, [м3/с]; - скорость потока жидкости, [м/с]...

Гидравлический расчет объемного гидропривода механизма подачи круглопильного станка

Внутренний диаметр трубопровода определяют по формуле, где Q - наибольший расход на расчетном участке гидролинии, м3/с; V - допускаемая скорость движения жидкости, м/с. Для напорной линии: принимаем dн-р = 16 мм Для исполнительной линии...

Гидроцилиндр с односторонним штоком

Скорости в линиях принимаем: для всасывающего трубопровода =1,6 м/с; для сливного трубопровода =2 м/с; для напорного трубопровода =3,2 м/с (при р<6,3 МПа). Зная расход Q (расход жидкости во всасывающей, напорной и сливной линиях)...

Конструирование выпарной установки

Определяем диаметр штуцера на вход сырого раствора. Определяем диаметр штуцера d1, м d1 = где V - объёмный расход сырого раствора, м/с; w - скорость движения сырого раствора, w = 1 м/с . d1 = V = где G0 - количество исходного раствора...

Насосная установка

Заданная технологическая схема содержит емкости, расположенные на различных отметках высот...

Определение конструктивных параметров аппаратов выпарных установок

Примем следующие значения скоростей движения потоков : · скорость движения греющего пара щгп=20 м/с; · скорость конденсата щк=0...

Проект строительства котельной мощностью 4 МВт

Где Gсет - расход сетевой воды, кг/с; v - удельный объем воды, v = 0.001м3/кг; Vв - скорость воды в трубопроводе, принимаем 1 м/с · Диаметр трубопровода сетевой воды Принимаем трубу стандартного диаметра 200 мм. · Диаметр трубопровода прямой воды...

Промышленная котельная с паровыми котлами

К основным трубопроводам в паровой теплогенерирующей установке относят паропроводы насыщенного пара в пределах котельной и водопроводы питательной воды. Диаметр трубопроводов рассчитывается по формуле: , м (1.36) где...

Расчет гидравлического привода для трактора ЛТ-154

Диаметр трубопровода определяется по формуле: где QС -расход в гидросистеме, м3/с; VЖ- скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с; В соответствии с рекомендациями принимаем скорости течения жидкости: -для всасывающей гидролинии VВ=0,5...2м/с...

Расчет гидропривода вращательного движения

Для соединения элементов гидросистемы применяют трубопроводы, внутренний диаметр которых определяется диаметром присоединительной резьбы гидравлических устройств или условным подходом, т.е...

Расчёт и проектирование водозаборного сооружения из поверхностного источника водоснабжения (река)

2=2Dр - не менее двух диаметров раструба; Dр =1,3 - 2 d - всасывающей трубы; Dр =1,5*0,6=0,9м, ?2=2Dр=2*0,9=1,8; ?1=0,8D - не менее 0,5 м; ?1=0,8*(0,9)=0,72 Все параметры рассматриваются как рекомендуемые минимальные. Диаметр всасывающего трубопровода...

Функциональная схема автоматизации

Диаметр трубопроводов можно определить по расходу продукта: D =, м, (5) автоматизация технологический регулируемый параметр где Qп - расход продукта, м3/c; W - скорость продукта (жидкости), м/с; D - внутренний диаметр трубопровода, м...

Экскаватор траншейный цепной ЭТЦ-250

Рассчитаем диаметры трубопроводов из условия обеспечения допустимых эксплуатационных скоростей: - всасывающие - сливные - нагнетательные По расчетным диаметрам выбираем выбирается наиболее близкий к нему гостированный диаметр стальных...

Диаметры самотечных и всасывающих трубопроводов определяют по рас­четному расходу при нормальном режиме работы водозабора и скорости дви­жения воды в трубах определяется по формуле (16):

где
- расчетный расход одной секции;

- допустимая расчетная скорость в трубопроводе (1табл. 2.2, 2.3).

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

а) на незаиляемость транспортируемых по трубе диаметром D (м) мелкими наносами в количестве  (кг/м 3), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность  (м/с). (табл. 9):

, м/с, (17)

где
;

с - коэффициент Шези.

Незаиливающую скорость
можно также определить по формуле (18):

(18)

где = 8g/c 2 - коэффициент гидравлического трения.

Для частиц взвеси крупностью d = 1 мм с гидравлической крупностью

= 0,094 м/с значения следующие:

, м/с

б) на подвижность попадающих в водовод влекомых наносов крупностью мм:

, м/с (19)

1.7 Выбор способа и расчет системы промыва элементов

Хотя скорость в самотечных водоводах назначают больше незаиливающей, полностью исключить осаждение взвеси невозможно, поэтому пре­дусматрива­ется промыв трубопроводов.

Для обеспечения требуемой промывной скорости
необходимы расходы (
), превышающие нормальную работу самотечной линии. Для ряжевых фильтрующих водоприемников
для фильтров с приемом воды снизу вверх
для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками
для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости
Промывка самотечной линии может быть прямой – при движении промывной воды от оголовка к ко­лодцу, обратной – движение промывной воды от колодца к оголовку и импульсной.

Для прямой промывки необходимо увеличить скорость движения воды в промывочных трубах уменьшением на время промывки число работающих са­мотечных линий. При выключении одной из двух линий и заборе того же коли­чества воды, которое забиралось до промывки, но через 1 самотечную линию, скорость промыва в трубе увеличивается в 2 раза; при выключении одной из трех самотечных труб скорости в двух промывочных трубопроводах увеличи­вается в 1,5 раза. При прямой промывке на время закрытия одной из линий ме­жду водоисточником и береговым колодцем создается определенный перепад уровней воды. Затем задвижка этой линии быстро открывается, и вода по ней с большей скоростью устремляется в береговой колодец, вынося из него все от­ложения, которые затем удаляются гидроэлеватором. Такой способ промывки осуществляется при больших уровнях водоисточника.

При обратной промывке самотечные линии соединяются промывными ли­ниями с напорными трубопроводами НС I. Линии 350 ÷ 600 мм и более 600 мм промываются водовоздушным или импульсным способом. Для этого в колодце на выходе из самотечной линии устанавливают герметически закрывающийся затвор. Перед ним подключают к линии напорную колонну высотой 6 ÷ 8 м и диаметром в 1,5 ÷ 3 раза больше диаметра промывной линии. Вверху в колонне с помощью патрубка подключают вакуум насос для создания в ней разряжения. Если в самотечной линии в период промывки закрыть затвор и создать в напор­ной колонне вакуум, вода поднимется в ней в соответствии степени разряжения уровня. При срыве вакуума в колонне находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и образовавшимся током промывает отверстия оголовка. Промыв повторяют несколько раз и осуществляют в период низкого уровня воды в источнике. При расходах воды на промывку более 5%
применяют обратную водовоздушную промывку или импульсную, сжатым воздухом.