14 вариант. Министерство науки и высшего образования рф (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования

• Название: Министерство науки и высшего образования рф (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
• Дата: 12.01.2022
• Размер: 299.67 Kb.
• Имя файла: 14 вариант .docx
• Тип: Отчет; #329486

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

(филиал) федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

в г. Губкине Белгородской области

Кафедра Горного дела

Специальность 21.05.04 Горное дело

Специализация Электрификация и автоматизация горного производства

Дисциплина Гидравлика


КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Гидравлический расчёт сложного трубопровода

Студент Кочкин М.В.
Группа ГД-ЭиА-19-2з
Руководитель работы
Доцент Терехин Е.П.
Отчет защищен с оценкой__________________________

Комиссия:________________________________________

^{(подпись, ученая степень, звание, Ф.И.О. )}

_________________________________________________
________________________________________________
«____» __________________ 20____г.

Губкин – 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

(филиал) федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

в г. Губкине Белгородской области

Кафедра Горного дела

Специальность 21.05.04 Горное дело

Специализация Электрификация и автоматизация горного производства

Дисциплина Гидравлика
ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студенту

Кочкину М.В.

ГД-ЭиА-19-2з

14

_{Ф.И.О (группа) вариант}

Тема курсовой работы: Гидравлический расчёт сложного трубопровода

(утверждена на заседании кафедры от ___________ протокол № ______)

Научный руководитель

Доцент, Терехин Е.П.

Основные вопросы, подлежащие разработке

1. Определение расходов в отдельных ветвях трубопровода
2. Определение потерь на отдельных участках трубопровода
3. Определение мощности насоса или вентилятора, необходимой для перемещения жидкости или газа
4. Построение линий полного и пьезометрического напора для одной из ветвей трубопровода
Дата выдачи задания на выполнение КР (КП)
Руководитель
Задание принял к исполнению	(подпись, дата)	(инициалы, фамилия)

^{(подпись, дата) (инициалы, фамилия)}

Содержани

ЗАДАНИЕ 4

Введение 4

1Теоретическая часть 5

1.1Уравнение Бернулли 5

1.2Расчет гидравлических сопротивлений 6

1.2.1Режимы движения жидкости 6

1.3Гидравлические сопротивления по длине 7

1.3.1Ламинарный режим. 7

1.3.2Турбулентный режим 7

2Расчетная часть 9

2.1Задание 9

2.2Решение 11

3Графическая часть 19

Заключение 23

4Использованная литература 24

Введение

Одной из основных задач гидромеханики и газовой динамики является расчёт гидравлических сопротивлений, возникающих при течении жидкости или газа в проточных каналах газовых и жидкостных машин и аппаратов: реактивных двигателей самолётов и ракет, газовых, паровых и водяных турбин электростанций, центробежных и осевых компрессоров, впускных и выпускных систем поршневых двигателей внутреннего сгорания, в теплообменных аппаратах и т.д.

1. Теоретическая часть

   1. Уравнение Бернулли

Рассмотрим установившееся движение идеальной жидкости, находящейся под воздействием только лишь одной массовой силы – силы тяжести. Возьмем одну из струек, составляющих поток, и выделим два произвольных сечения 1–1, 2–2, для которых справедливо уравнение

(1)

где z – геометрическая высота или геометрический напор;

P/(ρg) – пьезометрическая высота или пьезометрический напор;

W²/(2g) – скоростная высота или скоростной напор.

Уравнение (1) называется уравнением Бернулли для струйки идеальной несжимаемой жидкости. Слагаемые уравнения (1) имеют энергетический, смысл:

z – удельная потенциальная энергия положения сечения,

P/(ρg) – удельная потенциальная энергия давления движущейся жидкости;

(z + P/(ρg)) – полная удельная потенциальная энергия жидкости;

W²/(2g) – удельная кинетическая энергия жидкости;

Н = z + P/(ρg) + W²/(2g) – полная удельная энергия движущейся жидкости.

Вывод: Полная удельная энергия идеальной жидкости элементарной струйки остается постоянной вдоль струйки.

Относительно двух сечений потока вязкой жидкости и с учетом отмеченного выше уравнения (1) уравнение энергии для потока примет вид:

(2)

h_п – потеря напора (удельной энергии) между сечениями 1–1 и 2–2 потока;

α – коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей

2. Расчет гидравлических сопротивлений

   1. Режимы движения жидкости

Возможны два различных по своему характеру режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

При ламинарном режиме жидкость движется слоями без поперечного перемешивания, причем пульсация скорости и давления отсутствуют. При турбулентном режиме слоистость нарушается, движение жидкости сопровождается перемешиванием и пульсациями скорости и давления.

Критерием для определения режима движения является безразмерное число Рейнольдса (Re).

Для труб круглого сечения число Рейнольдса определяется по формуле

, (3)

где W – средняя скорость жидкости;

d – диаметр трубы;

ν – кинематическая вязкость жидкости.

Режим будет ламинарным, если Re ≤ Re_кр, и турбулентным, если Re > Re_кр. Для круглых труб обычно принимают Re_кр = 2320, и Re_кр = 580 для некруглых.

Согласно уравнению (2) h_п представляет общие потери напора, которые складываются из потерь по длине h_дл и местных потерь h_м.

, (4)

(5)

где L, d – длина и диаметр трубопровода;

W² / 2g – скоростной напор;

λ – коэффициент гидравлического сопротивления трения, который зависит от режима движения и шероховатости стенок трубы;

ζ – коэффициент местного сопротивления, который определяется режимом движения жидкости и видом местного сопротивления в сечении (изменение сечения, трубопроводная арматура и т. п.)

3. Гидравлические сопротивления по длине

Основной расчетной формулой для определения потерь напора по длине в круглых трубах является универсальная формула Дарси – Вейсбаха (4). Формула применима для ламинарного и турбулентного течения; различие заключается лишь в значениях коэффициента λ.

1. Ламинарный режим.

В круглых трубах коэффициент сопротивления λ зависит только от числа Рейнольдса:

λ = 64 / Re. (6)

Подставляя (3) в формулу получим зависимость, называемую формулой Пуазейля – Гегена:

(7)

W – средняя скорость жидкости

L, d – длина и диаметр трубопровода

ν – кинематическая вязкость жидкости.

Из этой формулы следует, что потери по длине при ламинарном режиме пропорциональны скорости движения в первой степени и не зависят от состояния внутренней поверхности стенок трубы.

2. Турбулентный режим

Ввиду сложности турбулентного течения и трудностей его аналитического исследования в большинстве случаев для практических расчетов, пользуются экспериментальными данными.

Для количественной оценки шероховатости введено понятие абсолютнойшероховатости Δ, равной средней высоте выступов шероховатости и измеряемой в линейных единицах. При одной и той же абсолютной шероховатости её влияние на гидравлическое сопротивление и распределение скоростей различно в зависимости от диаметра трубы, поэтому введено понятие относительной шероховатостиΔ / d (безразмерная величина).

При турбулентном режиме движения коэффициент λ зависит не только от числа Re, но и от Δ / d.

При переходе от ламинарного движения к турбулентному слоистое (ламинарное) движение сохраняется у стенок трубы, образуя пристенный ламинарный слой толщиной δ_л. Беспорядочное движение в середине трубы, где максимальные скорости, образует турбулентное ядро. По мере развития турбулентности ядро увеличивается, а ламинарный слой уменьшается. При δ_л > Δ трубу называют гидравлически гладкой. В этом случае шероховатость не влияет на движение жидкости. Если δ_л < Δ, то трубу называют гидравлическишероховатой, и шероховатость существенно влияет на движение жидкости.

Сопротивления при движении жидкости:

Гидравлически гладких труб; λ = f (Re). Безразмерный комплекс . В пределах этой зоны можно пользоваться формулами:

1) при 4000 < Re <10⁵ – формулой Блазиуса:



2) при 4000 < Re <3·10⁶ – формулой Конакова:

2. Расчетная часть

   1. Задание

Определить массовые расходы в параллельных ветвях трубопровода G₁, G₂и мощность насоса, если задан суммарный массовый расход жидкости G₀и известны конструктивные характеристики элементов трубопровода Определить массовые расходы в параллельных ветвях трубопровода G₁, G₂и мощность насоса, если задан суммарный массовый расход жидкости G₀и известны конструктивные характеристики элементов трубопровода . Сжимаемостью газа пренебречь. Жидкость (газ) подаётся насосом при постоянной температуре и начальном давлении р. Потерями на линии от насоса до разветвления и в самом разветвлении пренебречь.

Таблица 1 – Конструктивные и режимные характеристики элементов сложного трубопровода

Теплоно­ситель	G0, кг/с	р, бар	t, °С	Змеевиковый теплообменник
				Диаметр секции dзм, мм	Длина секции lзм, м	Число секций nзм	Число поворотов на 180° mзм
Пар	0,4	4,6	149	45	65	55	18

Угол пово­рота проб­кового кра­на α, град	Тип вентиля	Диаметр отверстия диафраг­мы d0, мм	Откры­тие за­движки h, мм	Материал и состояние стенок тру­бопроводов	Трубы теплооб­менников	К. п. д. насоса η
15	с прямым шпинделем	66	43	Бесшовные стальные трубы старые	Старые (загрязнённые)	0,82

Конструктивные размеры простого трубопровода

d1, мм	d2, мм	d3, мм	d4, мм	d5, мм	d6, мм	d7, мм	d8, мм	d9, мм	l1, м	l2, м	l3, м	l4, м
65	120	65	65	65	65	65	90	65	90	58	18	58

Продолжение таблицы 2

l7 м	l8 м	l9 м	α1 град	α2 град	α3 град	α4 град	R1 мм	R2 мм	R3 мм	R4 мм
148	99	295	90	132	90	125	75	150	75	150

2. Решение

Расчёт суммарных потерь давления (предполагаем квадратичный закон сопротивления)

Потери давления для первой ветви запишутся следующим образом


Выразим скорости через массовый расход в 1–й ветви:

; ; ;

;

где F_i = πd_i² / 4 – площадь поперечного сечения i–гo участка трубы;

F_зм = πd_зм² / 4 – площадь поперечного сечения одной трубки змеевика.

Подставляя выражения для скоростей в уравнение и, вынося за скобки общие сомножители, получим



Потери давления для второй ветви



Выразим скорости через массовый расход во 2–ой ветви:



и подставляем в уравнение, тогда



В первом приближении считаем, что λ_i и ζ_i , не зависит от числа Re. Тогда значение коэффициентов гидравлического трения определится по формуле Шифринсона

λ = 0,11(Δ/d_э)^0,25

По таблице для старых бесшовных стальных труб выбираем значение эквивалентной шероховатости Δ = 1,0 мм, а для старых (загрязнённых) трубок значение Δ' = 0,015 мм. Тогда коэффициенты гидравлического трения для труб различных диаметров будут равны:

λ₁ = 0,11(Δ/d₁)^0,25 = 0,11(1/65)^0,25 = 0,038

λ₂= 0,11(Δ/d₂)^0,25 = 0,11(1/120)^0,25 = 0,033

т. к. d₁ =d₃ = d₄ =d₅ =d₆ =d₇ =d₉ = 65 мм,

то λ₁= λ₃ = λ₄ = λ₅ = λ₆ = λ₇ = λ₉ = 0,038;

λ₈ = 0,11(Δ/d₈)^0,25 = 0,11(1 /90)^0,25 = 0.036;

для труб змеевика

λ_зм = 0,11(0,015 / 45)^0,25 = 0,015.

Определяем значения коэффициентов местных потерь по справочным данным. Все коэффициенты местных потерь должны быть отнесены к динамическому давлению за местным сопротивлением, кроме случаев, оговариваемых особо.

Вентиль



Для вентиля с прямым шпинделем примем ζ_вен = 4

Пробковый кран



Для угла поворота пробкового крана α = 15° пробкового крана ζ_кр = 0.75.

3адвижка


По высоте подъёма задвижки и h = 43 мм и диаметру трубы d =65 мм определяем степень открытия

n = (d– h) / d = (65 – 43) / 65 = 0,34

а затем по таблице находим ζ_зад = 0,81.

Диафрагма


При диаметре отверстия диафрагмы d₀ = 66 мм и диаметре трубы d = 65 мм коэффициент сжатия струи s определяется по формуле

=

а коэффициент сопротивления диафрагмы – по формуле



Внезапное расширение трубопровода

Значение коэффициента ζ_в.р. определяется по формуле



Для 2-го участка трубопровода



Для 8-ого участка трубопровода



Внезапное сужение трубопровода
.

Определяем степень сжатия потока при сужении на 3-м участке

п₃ = (d₃ /d₂)²= (65/120)² = 0.29

и по нему по таблице находим коэффициент внезапного сужения ζ_в.с3 =0,37

Наиболее резкое сужение трубопровода


ζ_нрс9 = 1 – (d₉ /d₈)² =1 –(65/90)² = 0,48

Плавный поворот трубы (закруглённое колено, отвод)


Коэффициент потерь в колене при α = 90° определяем по формуле . Для первого колена и для третьего колена при d₃ = d₇= 65 мм и R₁ = R₃ = 75 мм находим



Для второго и четвертого колена при d₄=d₉= 50 мм и R₁ = R₃= 150 мм находим



Так как углы поворота а для второго и четвёртого колена больше 90˚, то коэффициент а определяем по формуле :

– для второго колена при α₂= 132°

= 0,7 + 0,35 · 132 / 90 = 1,21;

– для четвёртого колена при α₄ = 125°

= 0,7 + 0,35 · 125 / 90 = 1,19;

Тогда коэффициенты местных потерь для второго колена



для четвёртого колена



Змеевиковый теплообменник.

По таблице и по схеме определяем коэффициенты местных сопротивлений для змеевикового теплообменника:

• 
  вход в камеру ζ_вх.к =1,5;
  
• 
  вход из камеры в трубки ζ_вх.т = 1,0;
  
• 
  поворот на 180° в U–образной трубке ζ_U = 0,5;
  
• 
  выход из трубок в камеру ζ_в.т =1,0;
  
• 
  выход из камеры в патрубок ζ_в.к = 1,5.
  

Найденные значения коэффициентов гидравлического сопротивления подставляем в уравнения и находим коэффициенты C₁, C₂, предварительно определив плотность пара при температуре t= 149^о С по таблице ρ = 2.547 кг/м³.



где С₁=
Для второй ветви



где С₂ =

Определяем массовый расход в каждой ветви трубопровода по формуле

кг/с

кг/с.

Проверка правильности расчёта расходов:

G₁+G₂= 0.25+0.15= 0.4 кг/с = G_о.

Определяем потери давления



Мощность на валу насоса



Приведённое решение предполагает квадратичный закон

сопротивлений, когда потери не зависят от числа Рейнольдса. Проверим

Квадратичный закон сопротивлений для чего определим числа Re для каждого трубопровода:











По найденными числам Рейнольдса уточняем все коэффициенты гидравлического трения. Так как движение турбулентное (Re > Re_кр), то расчет ведем по формуле:













Найденные значения коэффициентов гидравлического сопротивления подставляем в уравнения и находим коэффициенты C₁ , С_2.



Где C₁=

Для второй ветви:



C₂=

Определяем массовый расход в каждой ветви трубопровода по формуле:

кг/с

кг/с

Проверка правильности расчёта расходов:

G₁+G₂= + = 0.4 кг/с = G_о

Определяем потери давления:



Мощность на валу насоса:

3. Графическая часть

Произведем расчёт и построение напорной и пьезометрической линий для одной ветви.

Последовательно для каждого местного сопротивления и между ними рассчитаем гидравлические потери Δh_тр и Δh_мс ΣΔh_п. Определим скоростные напоры для участков с разными диаметрами трубопровода.

1. 
   Расчетное сечение 1-2:
   

Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения



Δh_тр = = м

Δh_мс = м

Δh_п = Δh_тр+ Δh_мс = 996 м

Скоростной напор в рассматриваемом сечении

м

2. 
   Расчетное сечение 2-3:
   

Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения



Δh_тр = = м

Δh_мс = м

Δh_п = Δh_тр + Δh_мс = 49,2 м
Скоростной напор в рассматриваемом сечении

3. 
   Расчетное сечение 3-4:
   

Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения



Δh_тр = =

Δh_мс3 = м

Δh_п = Δh_тр + Δh_мс = 254 м

Скоростной напор в рассматриваемом сечении

3. 
   Расчетное сечение 4-5:
   

Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения



Δh_тр = =

Δh_мс =



Δh_п = Δh_тр + Δh_мс = 3.58 м

Скоростной напор в рассматриваемом сечении

3. 
   Расчетное сечение 5-6:
   

Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения



Δh_тр = = м

Δh_мс = м

Δh_п= Δh_тр+ Δh_мс= 603 м
Скоростной напор в рассматриваемом сечении

м

Результаты сведем в таблицу

Расчетные сечения	Потери напора от питающего резервуара до рассматриваемого сечения, м				Скоростной напор в рассматриваемом сечении , м
	Δhтр	Δhмс	ΣΔhп
1-2	825	171	996	48.3
2-3	27.9	21.3	49.2	4.2
3-4	165	89	254	48.3
4-5	2.9	0.68	3.58	0,07
5-6	532	71	603	48.3

Определяем начальный пьезометрический напор 



и начальный полный напор







— Полный напор Электрификация и автоматизация горного производства

— Пьезометрический напор

Линия полного напора представляет гидравлический уклон, т.е. падение напора (энергии) на единицу длины l. Так как обычный запас энергии убивает вдоль потока, то линия полного напора всегда нисходящая, а гидравлический уклон положительный.

Пьезометрическая линия графический отражает напоры вдоль потока без скоростного напора поэтому она располагается всегда ниже напорной линии.

В отличие от напорной линии пьезометрическая может не только понижаться вдоль потока, но и повышаться. На участках трубопровода, где происходит внезапное сужение потока, должно наблюдаться резкое понижение пьезометрического напора. Наоборот, на участках с внезапным расширением потока должно наблюдаться восстановление пьезометрического напора

Заключение

В ходе курсовой работы были произведены гидравлические расчеты по определению расходов и потерь на отдельных участках трубопровода. На основании расчетов произведено построение линий полного и пьезометрического напора для одной из ветвей трубопровода.

4. Использованная литература

1. 
   Кудинов, В. А. Гидравлика: учебное пособие / В.А. Кудинов, Э.М. Карташова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2007. - 199 с.
   
2. 
   Гидравлика, гидромашины, гидроприводы: учебник для вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]. - 2-е изд., перераб. Репринтное издание. - М.: Альянс, 2013. - 423 с.
   
3. 
   Метревели, В. Н. Сборник задач по курсу гидравлики с решениями: учебное пособие для вузов / В.Н. Метревели. - М.: Высшая школа, 2007. - 192 с.
   
4. 
   Гидравлика и гидравлические машины: учебник для студентов вузов / А. А. Угинчус. - 5-е изд., стереотип. - М.: ОАО "ТИД "Аз-book", 2009. - 395 с.
   
5. 
   Киселёв П. Г. и др. Справочник по гидравлическим расчётам. М.: Энергия, 1974.
   
6. 
   Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.–Л.: Госэнергоиздат, 1961.
   
7. 
   Альтшуль А. Д., Киселёв П. Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975.
   
8. 
   Лебедев П. Д., Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М: Энергия, 1970.
   
9. 
   Аэродинамический расчёт котельных установок. Нормативный метод. М.–Л.: Госэнергоиздат, 1961.
   
10. 
    Краснощёков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия, 1975.