«ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РАЗВЕТВЛЁННОГО ТРУБОПРОВОДА». Верхотурова И.В. Методические указания по выполнению задач рекон. Методические указания по выполнению задач реконструктивного уровня по дисциплине гидрогазодинамика
 Скачать 0.75 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Амурский государственный университет МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧ РЕКОНСТРУКТИВНОГО УРОВНЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРОГАЗОДИНАМИКА» Благовещенск 2020 2 ББК 22.2 М 54 Рекомендовано учебно-методическим советом университета Рецензент ТА. Меределина, кандидат физмат. наук, доцент кафедры физического и математического образования Федерального государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Благовещенский государственный педагогический университет М Методические указания по выполнению задач реконструктивного уровня по дисциплине «Гидрогазодинамика»: методические указания / сост. ИВ. Вер- хотурова. – Благовещенск АмГУ, 2020. Методические указания являются руководством к выполнению задач реконструктивного уровня, проводимым по дисциплине «Гдрогазодинамика». В указания включены четыре задачи. Каждая задача содержит теоретический материал и указания по ее выполнению. Методические указания предназначены для студентов всех направлений подготовки и специальностей очной форм обучения, изучающих курсы «Гидрогазодинамика», «Гидрогазоаэродинамика». © Амурский государственный университет, 2020 © Верхотурова, ИВ, 2020 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Познавательная деятельность студентов, обучающихся по инженерным направлениям должна выходить за рамки простого воспроизведения полученных знаний. Она должна сопровождаться умением анализировать, синтезировать, обобщать фактический и теоретический материал с формулированием конкретных выводов, установлением причинно-следственных связей и аргументацией собственной точки зрения. Одним из способов развития данных умений является выполнение задач реконструктивного уровня. Каждая задача содержит конкретный теоретический материал по теме задачи и подробные указания по ее выполнению. Методические указания составлены таким образом, чтобы студенты могли самостоятельно выполнить задачи, на практике осваивая и закрепляя основные теоретически изученные вопросы гидрогазодинамики. Методические указания не заменяют собой специальную литературу, а лишь содержат материал, связанный с основными гидрогазодинамическими процессами и явлениями, представленными в рассматриваемых задачах. В конце указаний приведены справочные данные, необходимые для расчетов. Критериями оценки для заданий реконструктивного уровня могут быть все ниже перечисленные или только некоторые из них – продемонстрирована способность анализировать и обобщать информацию продемонстрирована способность синтезировать на основе данных новую информацию – сделаны обоснованные выводы на основе интерпретации информации, разъяснения – установлены причинно-следственные связи, выявлены закономерности. 4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ КОРОТКОГО ТРУБОПРОВОДА Цель определить тип трубопровода (гидравлически короткий или длинный) путем проведения гидравлического расчёта трубопровода. Исходные данные для решения выдаются преподавателем. Вариант выбирается по последней цифре зачетной книжки. 1. Теоретическая часть В различных гидравлических системах жидкость передается по трубопроводам. Любая трубопроводная система имеет не только прямолинейные участки, но и повороты, ответвления, а для регулирования потока рабочей среды устанавливается запорная арматура. При отсутствии энергетического обмена с внешней средой жидкость движется по трубопроводу вследствие того, что ее потенциальная энергия вначале трубопровода больше, чем в конце. Эта разность потенциальных энергий затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений между рассматриваемыми сечениями трубопровода и, если изменяется его сечение, то и на изменение кинетической энергии жидкости. Поэтому очень важно перед тем, как приступать к монтажу трубопровода, необходимо выполнить ряд расчётов, в том числе определить гидравлическое сопротивление. Расчет гидравлического сопротивления при движении реальных жидкостей по трубопроводам – один из основных прикладных вопросов гидродинамики. Важность определения потери напора связана с необходимостью расчета затрат энергии, требуемых для компенсации этих потерь и перемещения жидкостей, например, с помощью насосов, компрессоров и т. д. Потери напора в трубопроводе в общем случае обуславливаются сопротивлением трения и местным сопротивлением. Гидравлические потери принято разделять на два вида 1) гидравлические потери по длине (или потери на трение – обусловлены потерями давления в связи с шероховатостью стенок канала, по которому жидкость перемещается 2) местные гидравлические потери – обусловлены изменениями формы и размера канала, деформирующими поток. При классификации трубопроводов в зависимости от длины выделяют следующие виды – короткие – трубопроводы, в которых местные потери напора превышают потерь напора по длине, при расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях – длинные – трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10 % потерь напора по длине, при расчетах таких трубопроводов ведется без учета местных потерь. В коротких трубопроводах определяющими являются местные гидравлические сопротивлениям. Данный вид сопротивлений вызывается устройствами, в которых происходит резкая деформация потока, выражающаяся в изменении скорости или направления движения. Данные устройства называются местными сопротивлениями (вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и т.д.) (рисунок 1). Рис. 1 Изображение схемы короткого трубопровода Потери напора, затраченного на преодоление какого-либо местного сопротивления, принято оценивать в долях скоростного напора, соответствующего скорости непосредственно за рассматриваемым местным сопротивлением. 6 Эти потери напора на местном сопротивлении определяются по формуле Вейс- баха: 2 i мм) где м коэффициент местного сопротивления, рассчитывается для данного местного сопротивления (см. Приложение 1); υ i - скорость потока на местном сопротивлении, мс. Скорость потока рассчитывается из уравнения неразрывности по входному или выходному сечению местного сопротивления в зависимости от типа местного сопротивления m i i Q S , (2) где S i – площадь входного или выходного сечения местного сопротивлениям массовый расход жидкости, кг/с; ρ – плотность жидкости, кг/м 3 Значение скорости потока на каждом из участков позволяет рассчитать число Рейнольдса, необходимое для определения режима течения потока, коэффициента гидравлического трения и потерь напора на трение. Число Рей- нольдса определяется по формуле i i i d Re , (3) где υ i – скорость потока в соответствующем сечении трубопроводам с d i – диаметр участка трубопроводам коэффициент кинематической вязкости, мс. Помимо местных сопротивлений в коротких трубопроводах присутствуют также потери напора на трение. Потери на трение на участках определяются по формуле Дарси-Вейсбаха: 2 i i трi i i h d 2 g , (4) где d i – диаметр участкам длина участкам коэффициент гидравлического трения, который зависит от числа Рей- нольдса и от безразмерной величины, характеризующей пограничную геометрию трубы (относительную шероховатость. Коэффициент гидравлического трения можно определять экспериментальными теоретическим путем. 1. В области ламинарного режима (Re < коэффициент гидравлического трения λ зависит только от числа Рейнольдса Re и не зависит от шероховатости и определяется формулой 64 Re (5) 2. В области турбулентного режима (Re > коэффициент гидравлического трения λ зависит от двух параметров – числа Рейнольдса Re и эквивалентной шероховатости ЭВ этой области режима возможны три случая а) зона гидравлически гладких труб, в которой коэффициент гидравлического трения λ не зависит от шероховатости, а только от числа Рейнольдса (в диапазоне 2300 < Re < Э, определяется по формуле Блазиуса: 0,25 4 68 0,3164 0,11 ; Re Re (6) б) зона гидравлически шероховатых труб, в которой коэффициент гидравлического трения λ зависит как от шероховатости, таки от числа Рейнольдса в диапазоне Э < Re < Э, определяется по формуле Альтшуля: 0,25 68 Э) в) зона абсолютно шероховатых труб, в которой коэффициент гидравлического трения λ перестает зависеть от Re и полностью определяется шероховатостью стенок трубопровода, существует в диапазоне Re > Э и определяется по формуле Шифринсона: 8 0,25 Э (8) Суммарные потери напора Н в трубопроводе складываются из потерь на трение и местных сопротивлениях тр м h h Н (9) Если м ≤ 0,05 Н, то трубопровод считается гидравлически длинным, в противном случае – гидравлически коротким. 2. Указания по выполнению задачи В данной задаче необходимо провести гидравлический расчёт короткого трубопровода, состоящего из нескольких участков, рассчитать суммарные потери на трубопроводе и определить тип трубопровода. В качестве исходных данных заданы геометрические параметры трех участков трубопровода (длина и диаметр, материал трубопровода, вид местных сопротивлений, тип и расход жидкости, а также другие ее физические параметра. Для решения задачи необходимо выполнение следующих действий. 1. Разделить трубопровод на участки, содержащие местные сопротивления. Как правило, рассчитываемый трубопровод содержит три или четыре вида местных сопротивлений. Используя, представленные в Приложении 1 схемы местных сопротивлений, выполнить построение трубопровода поданным вариант в масштабе. 2. Для каждого участка трубопровода провести последовательно следующие этапы расчета местных потерь напора. 2.1. Определить скорость на каждом участке i , используя формулу (2). 2.2. Используя, представленные в Приложении 1 схемы местных сопротивлений и формулы, рассчитать коэффициент местного сопротивления для соответствующего участка трубопроводам. Вычислить потери напора на местных сопротивлениях на каждом участке трубопроводам, используя формулу (1). 2.4. Найти суммарные потери м на местных сопротивлениях. 3. Для каждого участка трубопровода провести последовательно следующие этапы расчета потерь напора на трение. 3.1. Для каждого участка трубопровода, используя формулу (3) определить число Рейнольдса Re i и режим течения жидкости из сравнения со значением. Вычислить значение коэффициента гидравлического трения λ i для каждого участка по определенной формуле в зависимости от режима течения и зоны шероховатости. Для определения зоны шероховатости необходимо определить параметры 20 i Эi d и Э используя заданное значение эквивалентной шероховатости стенок трубопровода (см. Приложение 2). 3.3. Определить потери на трение по длине трi на каждом участке трубопровода используя формулу (4). 3.4. Найти суммарные потери на трение по длине трубопровода h Σтр 4. Определить общие суммарные потери Н по длине трубопровода, используя формулу (9). 5. Определить типа трубопровода исходя из неравенства. Проанализировать полученные результаты и сформулировать выводы. 10 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РАЗВЕТВЛЁННОГО ТРУБОПРОВОДА Цель определить потери напора по участкам трубопровода, подобрать насос и построить пьезометрический график. Исходные данные для решения выдаются преподавателем. Вариант выбирается по последней цифре зачетной книжки. 1. Теоретическая часть Трубопроводы применяются для транспортировки жидкостей, газов и других текучих сред. Трубопроводы подразделяются на простые и сложные. Различают два вида сложного трубопровода незамкнутый, или, иначе, тупиковый и замкнутый, или, иначе, кольцевой. Сложный незамкнутый трубопровод имеет магистраль и ответвления в различных точках, которые называют узловыми рисунок 2). Рис. 2. Схема разветвлённого трубопровода При расчете незамкнутого сложного трубопровода изначально необходимо выбрать линию трубопроводов, которую следует рассматривать как магистральную. В качестве магистрали выбирают линию, наиболее нагруженную расходами, наиболее длинную. Если магистраль будет намечена неудачно, тов конце расчета можно получить некоторую неувязку и расчет придется выполнять заново, задавшись новым направлением магистрали. Каждый участок трубопровода характеризуется расчетным расходом, который определяется последующему правилу расход на участке складывается из расходов на участках, расположенных ниже по течению. Например, расчетный расход для участка 2–3 (рисунок 2): Q 2–3 =q 3 +При условии, что для магистрали задано значение оптимальной скорости υ opt течения жидкости возможно определить теоретические диаметры труб основной магистрали по формуле, вытекающей из уравнения неразрывности 4 i i опт Q d , (1) где Q i – расчетный расход воды на участке магистрали, мс υ опт – оптимальная скорость течения жидкости, мс. Полученный диаметр сравнивается со стандартным значением диаметров трубопроводов. Как правило выбирается ближайшее наибольшее значение к расчетному. По стандартному диаметру для каждого участка основной магистрали определяется расходная характеристика трубы K i . Потери напора на трение м трi h для участков магистрали рассчитывается по формуле 2 2 м i трi i i Q h L K , (2) где Q i – расход жидкости на рассчитываемом участке магистрали, мс K i – расходная характеристика трубы на рассчитываемом участке, мс L i – длина участка магистрали, м. Суммарный напор м тр h в основной магистрали 2 1 2 max 2 м м тр трi k i h h z h g , (3) где 1 2 – скорость жидкости на первом участке магистрали, мс 12 z max – геометрический напор на участке, имеющем максимальную высоту от плоскости сравнениям напору конечного потребителя, задается заказчиком, ноне менее 5 мм. Особенность расчета диаметров трубопроводов ответвлений заключается в том, что при их расчете на первое место ставится равенство напоров в узле со стороны основной магистрали и ответвления м о трi трi h h . В противном случае нарушается гидравлический режим работы сети. При расчете потерь напора на ответвлениях необходимо учитывать присоединение участков (параллельное или последовательное. В разветвленном трубопроводе, как правило, ответвление присоединено к магистрали параллельно. В этом случае потери напора на ответвлении равны, потерям напора на магистральном участке до ответвления. Если магистральные участки соединены последовательно, то потери напора суммируются. Поскольку ответвление представляет параллельно соединённый участок трубопровода к магистрали, то предполагая, что теоретические потери напора на трение на ответвлении о теорi h равны потерям напора на участке магистрали, можно определить теоретическое значение расходной характеристики трубы на ответвлении. Теоретическое значение расходной характеристики на ответвлении можно определить, используя формулу (2), которая примет в данном случае следующий вид 2 i i теор i о теорi Q K L h , (4) где Q i – расход жидкости на ответвлении, мс о теорi h – теоретические потери напора на трение на ответвлении равные потерям на магистральном участке, к которому присоединяется ответвлением длина ответвлениям. Сравнение теоретического значения расходной характеристики участка трубы i теор K со стандартным значением i ст K (выбирается также ближайшее 13 наибольшее) позволяет определить по нему диаметр ответвления. Также используя стандартное значение расходной характеристики определяются действительные потери на трение в ответвлении по формуле (2), которая примет следующий вид 2 2 о i дейстi i стi Q h L K , (5) где Q i – расход жидкости на рассчитываемом участке магистрали, мс ст – стандартная расходная характеристика трубы на рассчитываемом участке, мс L i – длина участка магистрали, м. При расчетах гидравлических параметров ответвлений также необходимо учитывать разность давлений в основной магистрали и ответвлении. Суть компенсаций невязки заключается в следующем по разности теоретического и действительного напоров в ответвлении подбирают коэффициент местного сопротивления запорной арматуры, при котором напоры выравниваются. Величина невязки в основной магистрали и ответвлении определяется по формуле 100% о о дейстi теорi i о теорi h h h (6) Если величина невязки i в узле не превышает 5 %, то расчет ответвления завершен. В случае если величина невязки i в узле превышает 5 %, то для погашения разности давлений необходимо поставить запорную арматуру. Необходимое для определения коэффициента местного сопротивления значение скорости движения жидкости в ответвлении вместе установки запорной арматуры (начало ответвления) определяется по формуле 2 4 i i i Q d (7) 14 Коэффициент местного сопротивления определяется из формулы Вейсба- ха для местных потерь напора 2 2 |