Гидравлический расчет простого напорного трубопровода с различной температурой жидкости

Содержание

Введение………………………………………………………...............................3

1. Исходные данные…………………………………………………………..4
2. Раздел I  «Определение расхода жидкости» ……………………………..5
3. Раздел II «Определение диаметра трубопровода»……………………….9
4. Раздел III «Построение напорной и пьезометрической линий»……….13
5. Раздел IV…………………………………………………………………..16

• Определение необходимой степени открытия задвижки для пропуска 0,75Q жидкости по трубопроводу постоянного сечения;

• Определение величины избыточного давления в сечении А–А (исходные данные раздела I);
• Определение времени выравнивания уровней жидкости в резервуарах (исходные данные раздела I).

6. Раздел V «Определение расхода жидкости с учетом нагрева участка от до »………………………………………………………..17

7. Раздел VI «Определение диаметра трубопровода с учетом нагрева жидкости»…………………………………………………………………20
8. Раздел VII «Построение напорной и пьезометрической линий с учетом нагрева жидкости»………………………………………………………..22

Раздел VIII…………………………………………………………………24

• Определение необходимой степени открытия задвижки для пропуска 0,75Q жидкости по трубопроводу постоянного сечения;
• Определение величины избыточного давления в сечении А–А (исходные данные раздела I);
• Определение времени выравнивания уровней жидкости в резервуарах (исходные данные раздела I).

9. Заключение………………………………………………………………..25

10. Список используемой литературы………………………………………26
 

Введение

При строительстве предприятий  металлургической промышленности значительный объём составляют работы по изготовлению и монтажу технологических трубопроводов. Стоимость монтажа технологических  трубопроводов достигает 25%  при  строительстве металлургии.

В металлургической промышленности используют трубопроводы в течение  всего технологического процесса. Технологические  трубопроводы работают в разнообразных  условиях, находятся под воздействием значительных давлений и высоких  температур, подвергаются коррозии и  претерпевают периодические охлаждения и нагревы. Их конструкция в связи  с расширением единичной мощности строящихся объектов год от года делается всё более сложной за счёт увеличения рабочих параметров транспортируемого  вещества и роста диаметров трубопроводов. В газовом хозяйстве заводов черной металлургии разрешается прокладка газопроводов как межцеховых, так и внутрицеховых с рабочим давление р_р < 0,6 МПа. В случае производственной необходимости допускается давление р_р = 1,2 МПа. Для прокладки газопроводов с давлением выше 1,2 МПа требуется разрешение Госгортехнадзора.

В ходе решения курсового  проекта были использованы знания из различных дисциплин, таких как: математика (основные математические операции с числами), информатика (реализация Блок-схем и постановка задач с  помощью программы Microsoft Office Excel), гидродинамика(формулы  для расчета скорости движения жидкости в трубопроводе, уравнение Бернулли) , физика(изменение давления в системе, основные законы применяемые к жидким средам), металлургическая теплотехника и теплофизика (установление режима течения жидкости с помощью безразмерного  критерия режима движения Re и др.)

 

1. Исходные данные:
1. Значения параметров расчетной схемы: Схема Г.

№
				м								мм			град
3	2	0,4		5	15	10	8	50	100	80	125	75	90	90	30	5/8

 

2. Значения шероховатости внутренней поверхности труб:

№	Материал трубопровода	Степень использования труб	Шероховатость внутренней поверхности  трубы Δ, мм
3	оцинкованные	новые	0,15

 

3. Основные физические свойства воды:

Плотность ρ, кг/м3	Коэффициент динамической вязкости μ, Па·с	Коэффициент кинематической вязкости ν·104 , м2/с
979	0,00101	0,01740

4. Методы решения разделов:

I раздела Блок-схема I-2

II раздела Блок-схема II-2

5. Значения коэффициентов местных сопротивлений:

• Вход из резервуара в трубу
• Диффузор
• Клиновая задвижка
• Выход из трубы в резервуар: при ламинарном течении , при турбулентном течении.

 

2. Раздел I  «Определение расхода жидкости»

Определяем расход жидкости по блок-схеме I-2 на основе заданной скорости её движения:

 

 

 

Нет

  

Нет

 

Нет

 

 

 

 

Рисунок 1. Блок-схема  (I-2) определения расхода жидкости на основе заданной скорости её движения. 

Блок-схему реализуем  с помощью программы «Microsoft Office Excel 2007».

Математическая модель расчета  простого трубопровода.

Задаемся  величиной скорости на первом участке. Значения скоростей движения жидкости на любом рассматриваемом участке выражаются с учетом соотношения площадей поперечного сечения рассматриваемого трубопровода:

,   (1)

 ;

Выразив через , получим:

.         (2)

В этом случае расчетное  уравнение простого напорного трубопровода приводится к виду, м:

,       (3)

где коэффициент Кориолиса (коэффициент кинетической энергии, для ламинарного режима течения = 2; для турбулентного режима течения = 1) для выбранного конечного характерного сечения трубопровода.

Распишем для данного  трубопровода:

;  (4)

Так как , то скорость будет одинаковой. Для упрощения расчета пусть расчетный участок №1 имеет скорость и диаметр , а расчетные участки №2 и №3 имеют скорость и диаметр . Подставим (2) в (4), получим:

; (5)

.      (6)

 

1. Расчет  скорости :

Пусть ,

;

Проверим ограничения  для Re: 

 (доквадратичный режим течения ),

полученное значение входит в этот промежуток, тогда :

(7)

 

Пусть ,

;

Проверим ограничения  для Re: 

 (доквадратичный режим течения ),

полученное значение входит в этот промежуток, тогда :

 

 

Рассчитываем по формуле (6):

=

.

 м/с.

 

Проверим погрешность  предполагаемых и рассчитанных скоростей:

 ;

 .

Так как  погрешность составляет меньше 10%, то принимаем рассчитанные скорости .

2. Расчет расхода:

;

;

 объемный расход  постоянен, значит скорости подобраны  верно.

 

 

3. Раздел II  «Определение диаметра трубопровода»

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Блок-схема (II-2) определения диаметра трубопровода. 

Блок-схему реализуем  с помощью программы «Microsoft Office Excel 2007».

Расчётную формулу для  определения потребного диаметра трубопровода аналитическим способом получают, используя уравнение Бернулли для установившегося движения жидкости:

 ;        (8)

и уравнение расхода (1). С этой целью преобразуется уравнение простого напорного трубопровода относительно диаметра, исходя из предположения, что последний постоянен по всей длине трубопровода, м:

.       (9)

1. Расчет диаметра для участка №1:

Пусть ,

Подставляя значение диаметра  в блок-схему II-2, получим погрешность  более 10%, поэтому реализуем алгоритм до нужного значения погрешности:

;

Проверим ограничения  для Re: 

 (доквадратичный режим течения ),

полученное значение входит в этот промежуток, тогда :

;        

;

;

 

2. Расчет диаметра для участка №2 и №3 :

Пусть ,

Подставляя значение диаметра  в блок-схему II-2, получим погрешность  более 10%, поэтому реализуем алгоритм до нужного значения погрешности:

;

Проверим ограничения  для Re: 

 (доквадратичный режим течения ),

полученное значение входит в этот промежуток, тогда :

;        

;

;

Проверим погрешность  предполагаемых и рассчитанных диаметров:

 ;

 

Так как погрешность составляет меньше 10%, то принимаем диаметры по типоразмеру (Согласно Таблице 1):

 

 

 

Таблица 1. «Сортамент оцинкованных труб ГОСТ 3262-75»

Условный проход		Наружный диаметр, мм		Толщина стенки труб, мм		Масса 1 м труб, кг
		легких	обыкновенных	усиленных	легких	обыкновенных	усиленных
6	10,2	1,8	2,0	2,5	0,37	0,40	0,47
8	13,5	2,0	2,2	2,8	0,57	0,61	0,74
10	17,0	2,0	2,2	2,8	0,74	0,80	0,98
15	21,3	2,35	-	-	1,10	-	-
15	21,3	2,5	2,8	3,2	1,16	1,28	1,43
20	26,8	2,35	-	-	1,42	-	-
20	26,8	2,5	2,8	3,2	1,5	1,66	1,86
25	33,5	2,8	3,2	4,0	2,12	2,39	2,91
32	42,3	2,8	3,2	4,0	2,73	3,09	3,78
40	48,0	3,0	3,5	4,0	3,33	3,84	4,34
50	60,0	3,0	3,5	4,5	4,22	4,88	6,16
65	75,5	3,2	4,0	4,5	5,71	7,05	7,88
80	88,5	3,5	4,0	4,5	7,34	8,34	9,32
90	101,3	3,5	4,0	4,5	8,44	9,60	10,74
100	114,0	4,0	4,5	5,0	10,85	12,15	13,44
125	140,0	4,0	4,5	5,5	13,42	15,04	18,24
150	165,0	4,0	4,5	5,5	15,88	17,81	21,63

 

 

4. Раздел III «Построение напорной и пьезометрической линий»

Изменение полного напора потока жидкости и его составляющих по длине трубопровода наглядно представляется с помощью графиков. Линия полного  напора строится путём последовательного  вычитания потерь, нарастающих вдоль  потока, из начального напора потока (заданного  пьезометрическим уровнем в питающем резервуаре), пьезометрическая линия  – путём вычитания скоростного  напора в каждом сечении из полного  напора.

Тогда графически величина пьезометрического напора представляет собой расстояние от центра тяжести живого сечения до пьезометрической линии, а величина скоростного напора расстояние между пьезометрической линией и линией полного напора.

Расчёт и графическое  построение напорной и пьезометрической линий производят в следующем порядке:

1. Вычерчивают расчётную схему трубопровода и обозначают на ней расчётные сечения, в которых происходит изменение давления за счёт гидравлических потерь в местных сопротивлениях и гидравлических потерь на трение по длине.
2. Последовательно для каждого местного сопротивления и между ними (для участков трубопровода определённой длины) рассчитывают гидравлические потери и по формулам (10) и (11).
3. Определяют скоростные напоры для участков с разными диаметрами трубопровода. Результаты сводят в Таблицу 2.
4. Выбирают масштаб и наносят линию начального напора потока (вертикальную для горизонтального трубопровода и горизонтальную для вертикального) .
5. Откладывают в каждом сечении параллельно линии начального напора значения величин общих потерь (по вертикали вниз для горизонтального трубопровода и по горизонтали для вертикального трубопровода).
6. На полученных линиях откладывают значения величин скоростных напоров .
7. Полученные точки соединяют прямыми линиями.

 

Формулы для расчета потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивлениях :

  ,          (10)

(11)

Значения коэффициентов  местных сопротивлений  приводятся в учебной и справочной литературе [1]. К местным потерям напора относятся также потери при входе потока в трубопровод и при выходе из него. Величина коэффициента гидравлического трения λ определяется в зависимости от режима течения жидкости, материала труб и их срока службы.