Методика расчета напорного трубопровода

СОДЕРЖАНИЕ 

1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПОРНОГО ТРУБОПРОВОДА 3

2 РАСЧЕТ НАПОРНОГО  ТРУБОПРОВОДА 7

     2.1 Определение диаметров  труб и скоростей  движения жидкости 7

     2.2 Определение потерь  напора 10

3 ВЫБОР НАГНЕТАТЕЛЯ 12

ПРИЛОЖЕНИЕ  А 16

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА  НАПОРНОГО  ТРУБОПРОВОДА 

          Начинаем с выбора наиболее  нагруженного трубопровода (магистрали) по потребителю с максимальным  расходом воды. Расчет магистрали  производится, заранее задавшись максимальной скоростью движения жидкости V=1,2 м/с. Необходимый диаметр трубы 

,                                                                                                                          (1.1) 

где Q – расход воды, м³/с,

     - число пи (3,14),

     V – максимальная скорость движения воды, м/с.

Полученный  диаметр округляем до стандартного в большую сторону. Стандартные  внутренние диаметры труб: 33, 40, 51, 70, 82, 100, 125, 150, 184, 207, 259, 309, 359, 408, 414,  466, 514, 612, 700, 800, 898, 996, 1096, 1192, 1392 мм   (ГОСТ 8731-87; ГОСТ 8733-87; ГОСТ 10706-76, группа А; ГОСТ 8696-74*, группы А и В). Фактическая скорость движения воды на i-том участке трубопровода 

,                                                                                                                         (1.2) 

где - диаметр трубы, приведенный к стандарту, м.

Потери  напора по длине 

,                                                                                                                      (1.3) 

где - коэффициент гидравлического трения-сопротивления,

       - длина участка трубопровода, м,

       d – диаметр трубы на данном участке, м,

      V – скорость движения воды на участке, м/с,

      g – ускорение свободного падения (9,81), м²/с.

          Коэффициент гидравлического трения-сопротивления  (λ) зависит от режима течения жидкости, а именно от числа Рейнольдса 

,                                                                                                                           (1.4) 

где - средняя кинематическая вязкость воды, м²/с.

При ламинарном  режиме  течения и значении  числа Рейнольдса  Re ≤ 2320, коэффициент гидравлического трения-сопротивления 

.                                                                                                                                (1.5) 

При турбулентном режиме и числе Рейнольдса 2320 ≤ Re ≤ 1120 (r – радиус трубы, Δ – эквивалентная абсолютная шероховатость), применяем формулу Альтшулля 

.                                                                                                     (1.6) 

Если  режим течения жидкости квадратичный и число Рейнольдса Re ≥ 1120 , то коэффициент гидравлического трения-сопротивления 

,                                                                                                     (1.7) 

где Кэ – эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость трубы.

          Местные потери напора 

,                                                                                                                           (1.8) 

где - коэффициент местного сопротивления.

В условиях данной работы местные потери принимаем равными 10 % от суммарных  потерь по длине.

          Выбора нагнетателя производится, определив основные характеристики  – подача и напор, развиваемые  насосом. Для нахождения подачи  насоса суммируем расходы воды  всех потребителей. Необходимый  напор складывается из общих  потерь напора по длине, местных потерь, максимальной высоты подъема жидкости по рельефу местности и величины свободного напора (15 м водяного столба).  
 
 
 
 
 
 
 
 

2 РАСЧЕТ НАПОРНОГО  ТРУБОПРОВОДА 

          2.1 Определение диаметров труб  и скоростей движения жидкости 

          Схема напорного трубопровода с указанием основных характеристик участков трубопровода представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Схема трубопровода с указанием  геодезических отметок (+i, м), расходов (Q, м³/час) и распределенных расходов (q, м³/час на 1 м длины участка распределения) 
 
 

Полный  расход 

Q=q·ℓ,                                                                                                                                   (2.1) 

где q – распределенный расход, м³/час на 1 м длины,

      ℓ - длина участка распределения,  м.

Определяем  расход I (Q1) потребителей по формуле (2.1) 

Q1 = 300*3 = 900 м³/час = 0,25 м³/с.

Он  в разы превышают расходы остальных  потребителей, поэтому примем участки  труб до этих потребителей за магистраль. По формуле (1.1) определяем диаметр трубы на участке до I ( ) потребителей 

м, 

При округлении до стандартных диаметров  получаем 0,550 м. Скорость движения жидкости по трубам на этом участке вычисляем  по формуле (1.2) 

м/с. 

  Расчетный расход на участке  0-1 трубопровода 

Q0-1 = 0,25+0,15= 0,4 м³/с. 

Диаметр трубы на данном участке определяем по формуле (1.1) 

м 

Скорость  движения воды находим из формулы (1.2) 

м/с. 

Аналогично  вычисляем диаметры труб и скорости движения воды для всех остальных  участков трубопровода. Результаты вычислений представлены в таблице 2.1 

Таблица 2.1 – Расчетные (d) и приведенные к стандарту (dcт) диаметры труб, скорости движения воды (V) для различных потребителей

2.2 Определение потерь напора 

Определяем  среднюю кинематическую вязкость воды ( ). В течении года 240 суток вода поступает потребителям с температурой 10 ºС, и 125 суток температура воды составляет 5 ºС. Средняя температура воды в течении года 

 ºС. 

Согласно  таблице А.1, кинематическая вязкость воды при температуре 8,3 ºС составляет м²/с.

          Для определения потерь напора  по длине на участке 0-1 трубопровода, вычислим число Рейнольдса по  формуле (1.4) 

. 

Данное  значение числа Рейнольдса относится  к турбулентному режиму течения  жидкости, а значит, коэффициент  гидравлического трения-сопротивления  находится по формуле (1.6) 

Потери  по длине на участке 0-7 трубопровода определяем по формуле (1.3) 

м вод. ст. 

Аналогично  вычисляем потери напора по длине  для остальных участков трубопровода. Результаты вычислений представлены в  таблице 2.2 

Таблица 2.2 – Потери напора по длине ( ), числа Рейнольдса (Re) и коэффициенты гидравлического трения-сопротивления ( ) на различных участках трубопровода

Сумма всех потерь по длине

м вод. ст., 

  следовательно местные потери  напора 

м вод. ст.

                 3 НАГНЕТАТЕЛЬ

  3.1 Выбор нагнетателя 

          Вычислим необходимые напор (Н) и подачу (Q) нагнетателя 

м вод. ст.; 

Q м³/час = 0,397 м³/с. 

          Данным характеристикам соответствует система из трех параллельно соединенных центробежных горизонтальных насосов двухстороннего входа типа «Д» марки Д 500-65 УЗ с подачей 500 м³/ч и напором 65 м вод. ст. Мощность каждого электродвигателя составляет 160 кВт, частота вращения – 1450 оборотов в минуту. Также параллельно к ним подсоединим один идентичный резервный агрегат, в соответствии с таблицей А.2. Основные преимущества данных нагнетателей: компактность, относительная дешевизна, обеспечение высокой равномерности подачи и сравнительно высокий КПД. 
 
 
 

3.2 Принцип работы нагнетателя 

          На рисунке 3.1 насос имеет одно  колесо, к которому жидкость подводится с двух сторон, что по существу является параллельным  соединением двух односторонних колес, причем каждое из них дает половину общего расхода, напор же остается равным напору, развиваемому одним колесом.

Рисунок 3.1 – Схема насоса с двухсторонним подводом жидкости 

Основным  рабочим органом центробежного  насоса, является свободно вращающееся  внутри корпуса колесо, насаженное на вал. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего и заднего), стоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

          Под действием этой силы жидкость  выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре  колеса создается разрежение, а  в периферийной его части —  повышенное давление. Для обеспечения  непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод ее от него.

          Жидкость поступает через отверстие  в переднем диске рабочего  колеса по всасывающему патрубку  и всасывающему трубопроводу. Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разрежение).

          Для отвода жидкости в корпусе  насоса имеется расширяющаяся спиральная камера (в форме улитки куда и поступает жидкость, смываемая из рабочего колеса. Спиральная камера (отвод) переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок, соединяемый обычно с напорным трубопроводом. 
 
 
 
 

          3.3 Регулирование подачи 

          Существует два основных способа  регулирования подачи центробежных  насосов: изменение характеристики  системы (дросселирование задвижками  на напорной или на всасывающей  линиях, перепуск части жидкости  из напорного трубопровода во всасывающий, впуск воздуха во всасывающий патрубок насоса) и изменение частоты вращения рабочего колеса насоса.  

          Второй способ частотного регулирования  электропривода в экономическом  отношении значительно эффективнее.  Так как во всех режимах работы напор насоса равен сопротивлению сети, сокращаются непроизводительные потери в системе «насос-сеть». Экономичность при регулировании насосов изменением частоты вращения n снижается только от того, что рабочая точка системы при изменении n отклоняется от режима максимального КПД. Это отклонение тем больше, чем больше статическая составляющая сопротивления сети. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение  А 

Таблица А.1 – Значения кинематического коэффициента вязкости воды (v), см²/с (стоксы), в зависимости от температуры 

Таблица А.2 – Число резервных агрегатов 

   Первая  категория – не допускается  перерыв в подаче воды, т.к. это может привести к повреждению технологического оборудования или даже к аварии.

   Вторая  категория – допускается кратковременный  перерыв в подаче воды на  время, необходимое для включения  резервных агрегатов обслуживающим  персоналом.

   Третья  категория – допускается перерыв в подаче воды на время ликвидации аварии, но не более одних суток. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

1 Осипов П.Е. Гидравлика, гидравлические  машины и гидропривод. – М.: Лесная промышленность, 1981. – 424с.

2 Гидравлические расчеты в теплоэнергетике. Теория и задачи: Учеб. Пособие./ А.В. Михневич, О.Л. Рыхтер, Н.Н. Михневич – Мн.: УП «Технопринт», 2000.- 276 с.:ил.