Гидравлика. Курсовая. Курсовая работа Гидравлический расчет сложного трубопровода и элементов оборудования по дисциплине Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика

• Название: Курсовая работа Гидравлический расчет сложного трубопровода и элементов оборудования по дисциплине Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика
• Анкор: Гидравлика
• Дата: 12.04.2023
• Размер: 195.54 Kb.
• Имя файла: Курсовая.docx
• Тип: Курсовая; #1057751

Министерство высшего образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра «Гидрогазодинамика трубопроводных систем и гидромашины»

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Гидравлический расчет сложного трубопровода и элементов оборудования»

по дисциплине «Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика»

Выполнил: студент гр. БМТ-19-03 _____________ П.А. Багина

(подпись, дата)
Проверил: _____________ Л.Р. Байкова

(подпись, дата)

Уфа 2021

СОДЕРЖАНИЕ

1 Задача 2.18 5

Замкнутый резервуар с нефтью (ρ = 900 кг/м³) разделен на две части плоской перегородкой, имеющей квадратное отверстие со стороной а = 1 м. Давление над нефтью в левой части резервуара определяется показанием манометра M = 15 кПа, а в правой - показанием вакуумметра V = 10 кПа. Уровни нефти указаны на эскизе. Найти величину Р и плечо х результирующей силы давления на крышку, закрывающую отверстие в перегородке. 5

5

Рисунок 1 – Схема к задаче 5

Решение: 5

Сила манометрического давления на перегородку приложена в центре тяжести перегородки и направлена слева направо 5

. 5

Сила вакууметрического давления приложена там же и направлена справа налево 5

. 5

Сила гидростатического давления жидкости на плоскую стенку 5

, 5

где – расстояние от свободной поверхности до центра тяжести стенки площадью . 6

Точка приложения – центр давления 6

, 6

где – центральный момент инерции. 6

Сила давления слева 6

. 6

Расстояние от свободной поверхности до центра давления слева 6

. 6

Сила давления справа 6

. 6

Расстояние от свободной поверхности до центра давления справа 6

. 6

Суммарная сила 6

. 6

Рассмотрим схему сил и обозначим 6

, 6

. 6

. 6

7

Рисунок 2 – Схема действия сил 7

Ответ: . 7

2 Задача 3.1 8

Определить величины и направления сил давления воды на плоское и полусферическое днища цилиндрическою сосуда диаметром D = 1 м в трех случаях: y = + D/5, y = - D/5, y = 0. 8

Показать на чертеже горизонтальные и вертикальные составляющие и полные силы давления воды на днища. 8

8

Рисунок 3 – Схема к задаче 8

Решение 8

Площадь вертикальной проекции плоского и полусферического днища 8

м2^. 8

Горизонтальная составляющая силы давления 8

, 8

где – избыточное давление в центре тяжести днища. 8

1) м; Па; Н; 8

2) м; Па; Н; 9

3) м; Па; Н. 9

9

9

Рисунок 4 – Схема действия сил 9

Вертикальная составляющая силы давления на полусферическую крышку во всех трех случаях одинакова, так как объем тела давления одинаков и равен 9

м3^. 10

Вертикальная составляющая силы давления 10

, 10

Н. 10

Суммарная сила давления: 10

1) Н кН, 10

, ; 10

2) Н кН, 10

, ; 10

3) Н = 2,57 кН, вертикальная сила проходит через центр тяжести полусферы. 10

3 Гидравлический расчет разветвленного трубопровода 10

Выполнить гидравлический расчет разветвленного трубопровода, схема которого прилагается. Определить P_вх, Q₁ = Q₂, Q₃, Q₄. 11

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24

1 Задача 2.18
Замкнутый резервуар с нефтью (ρ = 900 кг/м³) разделен на две части плоской перегородкой, имеющей квадратное отверстие со стороной а = 1 м. Давление над нефтью в левой части резервуара определяется показанием манометра M = 15 кПа, а в правой - показанием вакуумметра V = 10 кПа. Уровни нефти указаны на эскизе. Найти величину Р и плечо х результирующей силы давления на крышку, закрывающую отверстие в перегородке.

Рисунок 1 – Схема к задаче
Решение:

Сила манометрического давления на перегородку приложена в центре тяжести перегородки и направлена слева направо

.

Сила вакууметрического давления приложена там же и направлена справа налево

.

Сила гидростатического давления жидкости на плоскую стенку

,

где – расстояние от свободной поверхности до центра тяжести стенки площадью .

Точка приложения – центр давления

,

где – центральный момент инерции.

Сила давления слева

.

Расстояние от свободной поверхности до центра давления слева

.

Сила давления справа

.

Расстояние от свободной поверхности до центра давления справа

.

Суммарная сила

.

Рассмотрим схему сил и обозначим

,

.

.

Рисунок 2 – Схема действия сил
Ответ: .
2 Задача 3.1
Определить величины и направления сил давления воды на плоское и полусферическое днища цилиндрическою сосуда диаметром D = 1 м в трех случаях: y = + D/5, y = - D/5, y = 0.

Показать на чертеже горизонтальные и вертикальные составляющие и полные силы давления воды на днища.

Рисунок 3 – Схема к задаче

Решение

Площадь вертикальной проекции плоского и полусферического днища

м².

Горизонтальная составляющая силы давления

,

где – избыточное давление в центре тяжести днища.

1) м; Па; Н;

2) м; Па; Н;

3) м; Па; Н.


Рисунок 4 – Схема действия сил

Вертикальная составляющая силы давления на полусферическую крышку во всех трех случаях одинакова, так как объем тела давления одинаков и равен

м³.

Вертикальная составляющая силы давления

,

Н.

Суммарная сила давления:

1) Н кН,

, ;

2) Н кН,

, ;

3) Н = 2,57 кН, вертикальная сила проходит через центр тяжести полусферы.


3 Гидравлический расчет разветвленного трубопровода
Выполнить гидравлический расчет разветвленного трубопровода, схема которого прилагается. Определить P_вх, Q₁ = Q₂, Q₃, Q₄.

Рисунок 5 – Схема разветвленного трубопровода

Исходные данные:

Проектный расход, м³/ч _____________

Перекачиваемая жидкость ρ = 900 кг/м³; ν = 30⋅10^-6 м²/c

Температура перекачки __________________________

Эквивалентная шероховатость_К_э = 0,2 мм___________

№	l, м	d, мм	zн, м	zк, м	Pн, кПа	Pк, кПа	Q, м3/ч	Примечание
1	50	100	z1 = 0	zвх = 2	P01 = Pат	Pвх - ?
2	200	100	zвых = 2	zЕ	Pвых = 800	PЕ
3	150	60	zЕ	z3 = 6	PЕ	P03 = 100
4	130	80	zЕ	z4 = 6	PЕ	P04 = 100

3.1. Теоретическая часть.

Для решения сформулированных выше задач составляется система уравнений, устанавливающая связи между размерами труб, расходами жидкости, напорами. Эта система состоит из уравнений баланса расходов для каждого узла и уравнений Бернулли для каждой ветви трубопровода. При этом в сложных трубопроводах можно пренебрегать относительно малыми местными потерями напора в узлах. Это позволяет считать одинаковыми напоры потоков в концевых сечениях труб, примыкающих к данному узлу, и оперировать в уравнениях Бернулли понятием напора в данном узле.

Уравнение Бернулли для участка трубопровода 1-2 записывается в виде

(1)

где z – геометрический напор, м;

– пьезометрический напор, м;

– скоростной напор, м;

– коэффициент Кориолиса;

– потери напора, м.

В данной курсовой работе участки, для которых записываются уравнения Бернулли, на всём протяжении имеют постоянный диаметр, поэтому и .

Потери напора в трубах выражаются формулой Дарси–Вейсбаха (см.[2] стр. 103):

, (2)

где L – длина трубы;

d – диаметр трубы;

λ – коэффициент сопротивления трения;

ξ – коэффициент местного сопротивления;

υ – средняя скорость потока в трубе.

Поскольку средняя скорость потока в трубе выражается формулой

, (3)

где Q – расход жидкости в трубе;

то потери напора можно написать в следующем виде

. (4)

Коэффициент гидравлического сопротивления λ зависит от режима течения жидкости и является функцией расхода Q . Так, если режим течения ламинарный < = 2300 и, с учётом того, что , условие перепишется так .

Запишем эмпирические формулы для определения коэффициента гидравлического сопротивления λ для каждого режима в таблицу 1.
Таблица 1 – Зависимости коэффициента гидравлического от режима течения

Ламинарный режим	Турбулентный режим
	Зона гладкого трения	Зона смешанного трения	Зона квадратичного трения
ф. Стокса	ф. Блазиуса	ф. Альтшуля	ф. Шифринсона

где , – переходные числа Рейнольдса, определяемые как:

, (5)

. (6)

Используя тот факт, что данную задачу можно решить графоаналитическим методом.

3.2. Расчётная часть.

Данную схему можно разбить на 4 простых трубопровода, причем трубопровод 1 (l₁,d₁) является питающим и рассчитывается отдельно от сложного трубопровода, состоящего из трубы 2 (l₂,d₂), трубы 3 (l₃,d₃) и трубы 4 (l₄,d₄),

Составим уравнение Бернулли для трубопроводов 1, 2, 3, 4, относительно плоскости отсчета. При этом начальное сечение трубопровода 2 соответствует выходу из насоса, а конечное сечение – в т.E. Для трубопроводов 3 и 4 начальное сечение находится в т.E, а конечное сечение – на входе в резервуары 3 и 4 соответственно.



Для решения полученной системы уравнений рассчитаем гидравлические характеристики каждого трубопровода.

Так как известен общий расход Q₁ в системе, то задаваясь значениями расходов от 0 до 1,2Q, рассчитаем потери напора в каждой из труб по формуле (4).
Гидравлическая характеристика трубопровода № 2
= 200 м ̶ длина трубопровода № 2;

= 0,1 м ̶ диаметр трубы № 2;

ρ = 900 кг/ ̶ плотность перекачиваемой жидкости;

ν = 30⋅ /c ̶ кинематическая вязкость жидкости;

к = 0,2⋅ м ̶ эквивалентная шероховатость труб.

Чтобы построить гидравлическую характеристику трубопровода 2, зададимся произвольными значениями скорости от 1 до 5 м/с. Покажем расчет для . Определим коэффициент , для этого определим число Re, чтобы определить режим движения жидкости.

= = = 3333;

= = = 5000;

= = = 250000;

Т.к. режим движения ̶ турбулентный, зона гладкого трения, и определяется по формуле Блазиуса

;

;

= = = 4,24 м;

= = = 0,02 м;

;

.
Таблица 2 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода № 2

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑h2, м	H, м
0	0	0	0	0	92,61
1	0,008	3333	0,0416	4,26	88,35
2	0,016	6667	0,0366	14,97	77,64
3	0,024	10000	0,0337	31,06	61,55
4	0,031	13333	0,0319	52,34	40,27
5	0,039	16667	0,0307	78,69	13,92

Аналогично рассчитаем напор в т.Е для трубопроводов 3 и 4, задаваясь различными значениями скоростей от 1 до 5 м/с.
Гидравлическая характеристика трубопровода № 3
= 150 м ̶ длина трубопровода № 3;

= 0,06 м ̶ диаметр трубы № 3;

ρ = 900 кг/ ̶ плотность перекачиваемой жидкости;

ν = 30⋅ /c ̶ кинематическая вязкость жидкости;

к = 0,2⋅ м ̶ эквивалентная шероховатость труб.

Зададимся скоростью в пределах от 1 до 5 м/с и вычислим , коэффициент гидравлического сопротивления λ, потери напора ∑ h₃ и напор в т.E относительно трубопровода №3.
Таблица 3 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода № 3

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑ h3, м	H, м
0	0	0	0	0	17,33
1	0,003	2000	0,0320	4,13	21,45
2	0,006	4000	0,0415	21,38	38,70
3	0,008	6000	0,0383	44,36	61,68
4	0,011	8000	0,0363	74,78	92,11
5	0,014	10000	0,0349	112,45	129,78

Гидравлическая характеристика трубопровода № 4
= 130 м ̶ длина трубопровода № 4;

= 0,08 м ̶ диаметр трубы № 4;

ρ = 900 кг/ ̶ плотность перекачиваемой жидкости;

ν = 30⋅ /c ̶ кинематическая вязкость жидкости;

к = 0,2⋅ м ̶ эквивалентная шероховатость труб.

Зададимся скоростью в пределах от 1 до 5 м/с и вычислим , коэффициент гидравлического сопротивления λ, потери напора ∑ h₄ и напор в т.E относительно трубопровода №4.
Таблица 4 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода № 4

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑ h4, м	H, м
0	0	0	0	0	17,33
1	0,005	2667	0,0440	3,71	21,03
2	0,010	5333	0,0387	13,04	30,37
3	0,015	8000	0,0356	27,08	44,41
4	0,020	10667	0,0338	45,68	63,01
5	0,025	13333	0,0325	68,72	86,04

Далее решаем полученную выше систему уравнений графоаналитически. Построим график уравнений (8), (9) и (10) в координатах Н-Q.

Далее, на основании уравнения (11), сложим графически кривые путем добавления расхода в трубопроводе 3 к расходу в трубопроводе 4 при одинаковом значении напора. Полученная «сиреневая» кривая представляет собой эквивалентную гидравлическую характеристику трубопроводов 3 и 4. Найдем точку пересечения графика гидравлической характеристики трубопровода 2 с графиком эквивалентной гидравлической характеристики трубопроводов 3 и 4

По графику находим значения расходов , , :

= 93,79 /ч;

= 28,19 /ч;

= 65,60 /ч;

= 55,36 м.
Гидравлическая характеристика трубопровода № 1
= 50 м ̶ длина трубопровода № 1;

= 0,1 м ̶ диаметр трубы № 1;

ρ = 900 кг/ ̶ плотность перекачиваемой жидкости;

ν = 30⋅ /c ̶ кинематическая вязкость жидкости;

к = 0,2⋅ м ̶ эквивалентная шероховатость труб.
Преобразуем уравнение (7), учитывая исходные данные

.

Чтобы определить коэффициент , нужно определить режим движения жидкости

= = = 11057;

= = = 5000;

= = = 250000;

Т.к. режим движения ̶ турбулентный, зона смешанного трения, и определяется по формуле Альтшуля

;

= = = 3,317 /c;

;

= = = 9,268 м;

= = = 0,280 м;

.

Избыточное давление на входе в насос равно

.



Рисунок 6 – Графическое представление каждого из уравнений системы

3.3 Расчетная часть при изменении вязкости.

Проверим зависимость Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ от вязкости, построив гидравлические характеристики труб, по которым течет жидкость с вязкостью в 0,6 раза больше. Новая вязкость примет значение υ = 18⋅10^-6 м²/c. Будем считать, что давление на выходе из насоса осталось прежним.

Составим гидравлические характеристики трубопроводов, с учетом зоны трения и расчета коэффициента гидравлических сопротивлений по соответствующим формулам.
Таблица 5 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода №2

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑ h2, м	H, м
0	0	0	0	0	92,61
1	0,008	5556	0,0380	3,89	88,72
2	0,016	11111	0,0330	13,53	79,08
3	0,024	16667	0,0307	28,33	64,28
4	0,031	22222	0,0293	48,11	44,50
5	0,039	27778	0,0284	72,80	19,81

Таблица 6 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода №3

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑ h3, м	H, м
0	0	0	0	0	17,33
1	0,003	3333	0,0432	5,55	22,88
2	0,006	6667	0,0375	19,33	36,65
3	0,008	10000	0,0349	40,48	57,81
4	0,011	13333	0,0333	68,78	86,10
5	0,014	16667	0,0323	104,09	121,42

Таблица 7 – Данные для построения гидравлической характеристики трубопровода №4

v, м/с	Q, м³/с	Re	λ	∑ h4, м	H, м
0	0	0	0	0	17,33
1	0,005	4444	0,0402	3,39	20,71
2	0,010	8889	0,0349	11,80	29,13
3	0,015	13333	0,0325	24,74	42,06
4	0,020	17778	0,0310	42,05	59,37
5	0,025	22222	0,0300	63,66	80,99

По графику определяем значения расходов Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄. Они соответственно равны:

= 98,29 /ч;

= 29,60 /ч;

= 68,69 /ч;

Вывод: при изменении вязкости в 0,6 раза (уменьшении), расход увеличивается.

Рисунок 7 – Гидравлические характеристики трубопроводов по которым течет жидкость вязкостью ν = 18⋅10^-6 м²/с

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Гидромеханика: учеб. пособие по решению задач / Л. Н. Раинкина - М.: Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. - 131 с.

2 Прикладные задачи гидравлики: учебное пособие по дисциплинам «Гидравлика» и «Гидромеханика» / Е.Г. Разбегина, А.Р. Сумбатова. – М.: РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, 2007. – 86 с.

3 Учебно-методическое пособие к выполнению курсовой работы по дисциплине «Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика» / сост. Л.Р. Байкова, Э.С. Бахтегареева, А.А. Гудникова. – Уфа.: Изд-во УГНТУ, 2014. – 29 с.