Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Конспект лекцій з курсу Гідравліка і гідропневмоприводи - файл 1.doc


Конспект лекцій з курсу Гідравліка і гідропневмоприводи
скачать (654.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc655kb.16.11.2011 06:02скачать

1.doc

  1   2   3
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА


ІНЖЕНЕРНА ГІДРАВЛІКА

РОЗДІЛ I: «Рух рідини в закритих руслах»

(Конспект лекцій для студентів 3 курсу денної і заочної форм навчання, екстернів і іноземних студентів спеціальності 6.092600 – «Водопостачання та водовідведення»)


Харків – ХНАМГ – 2007

Інженерна гідравліка. Розділ I. Рух рідини в закритих руслах. (Конспект лекцій для студентів 3 курсів денної і заочної форм навчання, екстернів і іноземних студентів спеціальності 6.092600 – «Водопостачання та водовідведення»)./Укл.: Коваленко О.М., Шевченко Т.О. – Харків: ХНАМГ, 2007. - 76 с.


Автори: О.М. Коваленко,

Т.О. Шевченко


Рецензент: докт. техн. наук, проф. С.С. Душкін


Рекомендовано кафедрою водопостачання, водовідведення та очистки вод, протокол № 3 від 5.12.2006 р.


ВСТУП


Конспект лекцій написаний відповідно до програми курсу «Інженерна гідравліка» і навчального плану для студентів денної і заочної форм навчання, екстернів й іноземних студентів спеціальності 7.092601 «Водопостачання та водовідведення». В конспекті наведені теоретичні основи і основні поняття курсу «Інженерна гідравліка», гідравлічний розрахунок трубопроводів і водопровідних мереж. При цьому приділено увагу розрахунку трубопроводів, які призначені для різних цілей водопостачання, наприклад: розрахунок сифонного трубопроводу, всмоктуючого трубопроводу насосу, самопливного трубопроводу, а також розрахунок паралельного та послідовного з’єднання трубопроводів.

Також в конспекті розглянуті питання виникнення гідравлічних опорів, поняття гідравлічного удару, витікання рідини через отвори та насадки, вільні гідравлічні струмені.

Конспект лекцій призначений для студентів 3 курсів вищих навчальних закладів, які готують спеціалістів в галузі водопостачання, каналізації, раціонального використання і охорони водних ресурсів.

^ ТЕМА 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ КУРСУ

«ІНЖЕНЕРНА ГІДРАВЛІКА»


Гідравліка - це наука, яка вивчає закони рівноваги і руху рідини, а також взаємодію між рідиною і твердими тілами в стані спокою і щодо їх руху. Крім того, в Інженерній гідравліці розробляються способи застосування цих законів до конкретних питань інженерної справи.

Рішення задач в галузі водопостачання і водовідведення ґрунтується на законах гідравліки. До цих завдань відносяться завдання, пов'язані із загальними питаннями подачі і розподілу води, методами розрахунку мереж, водопропускних і водорозбірних споруд.

^ Найголовніші завдання інженерної гідравліки:

- встановлення законів розподілу швидкостей і тиску під час руху рідини;

- вивчення взаємодії між рідиною і твердими тілами, розміщеними в ній.

Причому в інженерній гідравліці в більшості випадків вважають достатньою інформацію щодо усереднених значень швидкості і тиску.

^ Потоком рідини в гідравліці називають масу рідини, обмежену твердими поверхнями, направляючими, поверхнями розділу рідин або вільними поверхнями.

Рух рідини може бути напірним і безнапірним.

^ Безнапірний або вільний рух потоку - це такий рух, при якому потік по довжині обмежується лише частиною з жорсткими стінками і має вільну поверхню, причому рух рідини відбувається під дією сили тяжіння. При безнапірному русі на поверхні рідини тиск рівний атмосферному.

^ Напірний рух потоку - це такий рух, який здійснюється в обмеженому з усіх боків (по довжині) жорсткими стінками просторі під впливом тиску, що створюється водонапірним резервуаром або насосом. При напірному русі потік завжди повністю заповнює поперечний переріз труби.

^ Живий переріз потоку - поперечний переріз потоку, проведений нормально за напрямом руху (ω).

Змочений периметр - довжина лінії, за якою рідина в живому перерізі стикається з твердими поверхнями, що обмежують потік.

При напірних потоках довжина змоченого периметра (χ) рівна довжині всього периметра перерізу, а в безнапірних потоках змочений периметр складає деяку частину повного периметра.

^ Гідравлічний радіус - відношення площі живого перерізу до змоченого периметра в цьому перерізі.

. (1.1)



У напірному потоці для круглого перерізу:


. (1.2)


Витрата рідини - об'ємна кількість рідини, що протікає через даний поперечний переріз потоку в одиницю часу.

^ Середня швидкість - однакова для всіх точок перерізу уявна швидкість, при якій через живий переріз проходить та же витрата, що і при дійсних місцевих швидкостях в різних точках перерізу.


. (1.3)


Якщо швидкість в кожній точці поперечного перерізу потоку рідини з часом залишається незмінною як за величиною, так і за напрямом, а також тиск в даній крапці з часом не змінюється, то такий рух називають сталим. При такому русі швидкість і тиск в потоці залежать тільки від координат точки в просторі. Наприклад, рух води в каналі або річці при постійному рівні води і витікання рідини з отвору або крана при постійному натиску.

Якщо швидкість і тиск в кожній даній точці потоку рідини з часом змінюються, то такий рух називають несталим. У цьому випадку швидкість і тиск окрім координат точки залежать ще від часу. Наприклад, рух води в річці при зміні рівня води, витікання через отвір в резервуарі при змінному натиску.

За характером зміни поля швидкостей за координатами сталий рух розподіляється на:

Рівномірний - рух рідини, при якому живі перерізи потоку однакові по всій його довжині і при цьому швидкості потоку у відповідних точках всіх живих перерізів також однакові.

Приклад: рух потоку в каналі з постійною формою живого перерізу і постійною глибиною або рух рідини в циліндровій трубі.

Рух потоку, при якому по довжині потоку змінюється живий переріз або при постійному перерізі змінюється розподіл швидкостей у відповідних точках різних живих перерізів, називається нерівномірним.

Приклад: рух води в річці на ділянці перед дамбою, тобто по довжині потоку в напрямі його руху живий переріз і його глибини збільшуються, а швидкості убувають; рух води в річці на її звуженні або розширенні.

Потік рідини, в якому відсутні як порожнечі (розриви суцільності перерізу), так і переущільнення неможливі в однорідній рідині, називають суцільним (нерозривним).

Рівняння нерозривності потоку:


U1ω1 = U2ω2 = … = Unωn= const = Q, (1.4)


де U1, U2, Un - швидкості в живих перерізах елементарної цівки нев'язкої рідини, у ряді випадків рівні середнім швидкостям в перерізах потоку (V);

ω1, ω2, ωn - площі живих перерізів;

Q - витрата.

^ 1.1. Рівняння Бернуллі для потоку рідини, його енергетичний та геометричний зміст

Рівняння Бернуллі для елементарної цівки нев'язкої рідини при сталому русі, складене відносно довільно вибраної площини порівняння:


. (1.5)


Рівняння може бути застосовано до потоку нев'язкої рідини тоді, коли швидкості руху рідини в усіх точках живого перерізу однакові.

При русі у в'язкій рідині частина енергії потоку витрачається на подолання сил опору між розрахунковими перерізами. Причини цього - сили тертя між потоком і стінками русла і між частинками рідини. Звідси випливає - питома енергія в будь-якому подальшому перерізі (за напрямом руху) буде менша, ніж попередня.

Так рівняння Бернуллі для потоку в'язкої рідини (реальної):


, (1.6)


де V1, V2 - середні швидкості руху рідини;

 - коефіцієнт кінетичної енергії, величина якого для турбулентних потоків як в трубах, так і у відкритих руслах 1 ≤ α ≤ 1,1.

Для ламінарних потоків в трубах α = 2.

hw1-2 - питома енергія рідини, витрачена на подолання сил опору руху потоку на ділянці між перерізами (втрати енергії).

Рівняння Бернуллі встановлює зв'язок між швидкістю руху, тиском і геометричним положенням будь-якої точки живого перерізу, для якого воно написане.

^ З енергетичної точки зору рівняння Бернуллі виражає закон збереження енергії і представляє питому енергію, віднесену до одиниці ваги рідини і підраховану щодо довільно вибраної горизонтальної площини (площини порівняння).

Така питома енергія складається з питомої потенційної енергії - Z + p/γ,

де Z - енергія положення;

p/γ - енергія тиску,

а також складається з питомої кінетичної енергії - V21/2g.

З енергетичної точки зору втрати енергії на подолання сил опору є розсіюванням енергії. Це означає, що при русі рідини частина механічної енергії переходить безповоротно в теплову енергію, тобто для потоку втрачається.

У рівняння Бернуллі входять наступні лінійні величини:

Z - геометрична висота положення (геометричний нахил або відмітка крапки від площини порівняння 01 - 01);

- п'єзометрична висота, що відповідає гідродинамічному тиску р;

Z + - п'єзометричний або гідростатичний натиск;

- швидкісний натиск;

Z + + 0 - гідродинамічний або повний натиск.

Геометричне місце точок верхніх кінців відрізка (Z + ) називають п'єзометричною лінією.

Зміну п'єзометричної лінії на одиницю довжини називають п'єзометричним ухилом. Відмітки п'єзометричної лінії по довжині можуть зменшуватися або збільшуватися. П'єзометричний ухил вважається позитивним, якщо за течією рідини п'єзометрична лінія знижується.

Геометричне місце точок відрізка (Z + + ) називається напірною лінією або лінією питомої енергії, яка для потоку нев'язкої рідини - горизонтальна. При русі у в'язкій рідині зміну напірної лінії на одиницю довжини називають гідравлічним ухилом.

Рівняння Бернуллі є основним рівнянням гідродинаміки, з його допомогою виводяться розрахункові формули для різних випадків руху рідини.


^ 1.2. Трубка Піто і витратомір Вентурі

Для вимірювання швидкості застосовується спеціальна гідродинамічна трубка, яка називається трубка Піто. Ця трубка поміщається у вимірюваній точці потоку рідини зігнутим кінцем проти руху і працює в комплексі з п'єзометром.





h 2

1


Рис. 1.1 – Трубка Піто

1 - п'єзометр;

2 - трубка Піто.

Під впливом швидкісного натиску вода в трубці Піто підіймається вище за рівень води в п'єзометрі на величину h = , знаючи висоту, знаходимо значення швидкості:


. (1.7)


Простим типом водомірного пристрою в трубах є п'єзометричний водомір (витратомір Вентурі), який є вставкою в основну трубу діаметром D труби меншого діаметра з плавним входом і виходом.





h

h1

h2

1 2

D d


1 2

Рис. 1.2 – Витратомір Вентурі


Складаємо рівняння Бернуллі для перерізів 1-1 і 2-2, втрати натиску рівні 0, оскільки відстань між перерізами мала:


(1.8)


Фактична витрата буде дещо менше теоретичної через втрати енергії і може бути надана залежно від:


, (1.9)


де μ- таріровочний коефіцієнт, який визначається дослідним шляхом (звичайно 0,95-0,97).


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  1. Дайте визначення основних гідравлічних показників потоку.

  2. Рівняння Бернуллі для ідеальної і реальної рідини.

  3. Енергетичний зміст рівняння Бернуллі.

  4. Геометричний зміст рівняння Бернуллі.

  5. П’єзометрична лінія, п’єзометричний ухил.

  6. Напірна лінія, гідравлічний ухил.

  7. Призначення і розрахунок трубки Піто, витратомір Вентурі.

ТЕМА 2. Режими руху рідини


Рух в'язкої рідини відносно взаємних переміщень окремих її частинок характеризується двома режимами - ламінарним і турбулентним.

Рух рідини, при якому відсутні зміни місцевих швидкостей, що приводять до перемішування рідини, називають ламінарним.

Рух рідини, при якому відбувається зміна місцевих швидкостей, що приводять до перемішування рідини, називають турбулентним.

Швидкість потоку, при якій відбувається зміна режиму руху рідини, називається критичною. Існує дві критичні швидкості:

1) під час переходу ламінарного руху в турбулентний режим - верхня критична швидкість;

2) навпаки - нижня критична швидкість.

Значення верхньої критичної швидкості залежить від зовнішніх умов, нижня критична швидкість у великому діапазоні зміни зовнішніх умов залишається незмінною і дорівнює:


, (2.1)


де ν - кінематичний коефіцієнт в'язкості;

d - діаметр труби;

Rekp - критичне число Рейнольдса.

Для різних значень коефіцієнта в'язкості і діаметра труби:

Rekp = 2320.

Для будь-якого потоку за відомими V, ν і d можна скласти та визначити число Рейнольдса Re і порівняти його з критичним числом Рейнольдса.


. (2.2)

Якщо Re<Rekp, то режим руху рідини ламінарний і V<Vkp;

Якщо Re>Rekp, то режим руху рідини турбулентний і V>Vkp;

Число Рейнольдса характеризує відношення сил інерції до сил тертя (в'язкості).

Числа Рейнольдса можуть мати індекс, який указує на вибрану характерну лінійну величину, найчастіше як характерні лінійні величини використовують діаметр або гідравлічний радіус.

Для відкритих русел: Rekp = 580.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  1. Які ви знаєте режими руху рідини?

  2. Верхня і нижня критичні швидкості.

  3. Число Рейнольдса, критичне число Рейнольдса.

  4. Визначення режиму руху рідини залежно від числа Рейнольдса.

ТЕМА 3. Гідравлічні опори і втрати напору при русі рідини


При русі рідини виникають втрати енергії (напору). Їх причина - різні гідравлічні опори, обумовлені фізичною властивістю рідини чинити опір дотичним зусиллям при русі. Опори можуть бути викликані в’язкісними або інерційними силами. В'язкісні сили залежать від внутрішнього тертя між частинками рухомої рідини, а інерційні - від здатності частинок рідини чинити опір зміні свого руху. Опори можуть виявлятися рівномірно по всій довжині потоку і називаються опори по довжині. Вони виникають при протіканні води в трубах або каналах при рівномірному, а також нерівномірному русі, що плавно змінюється. Інший вид опорів виявляється на короткій ділянці в місцях різкої зміни конфігурації потоку. Такі опори називають місцевими. Втрати напору також діляться на:

- втрати напору по довжині;

- місцеві втрати напору.

Втрати напору по довжині виявляються рівномірно по довжині потоку і пропорційні їй.

Місцеві втрати напору утворюються в результаті зміни швидкісної структури потоку в межах коротких ділянок в безпосередній близькості до тих або інших місцевих конструктивних пристроїв труб або каналів (вхід, вихід, розширення, звуження, поворот, трубопровідна арматура). У загальному випадку мають місце обидва види втрат, значення яких підсумовують:


hw = Σhl + Σhм, (3.1)


де Σhl - сума втрат по довжині послідовних ділянок з різними поперечними перерізами;

Σhм - сума всіх місцевих втрат.

Ці втрати енергії обумовлені переходом механічної енергії потоку в теплову і цей процес незворотний.

Для визначення втрат по довжині в трубах прийнято використовувати формулу Дарсі


Σhl = , (3.2)


де λ - гідравлічний коефіцієнт тертя, коефіцієнт втрат тертя на одиницю довжини потоку; коефіцієнт Дарсі.

Місцеві втрати напору не залежать від довжини, для їх визначення використовують формулу Вейсбаха:


Σhм = Σ, (3.3)


де ξ - коефіцієнт місцевого опору.

За наявності місцевих втрат і втрат по довжині загальні втрати енергії визначаються підсумовуванням втрат енергії, обумовлених різними опорами.


Величина коефіцієнта місцевих втрат для деяких видів опорів


1

При вході в трубу при гострих кромках

0,5

2

При вході в трубу з сіткою

6

3

При вході в трубу з сіткою і зворотним клапаном

10

4

При виході з труби під рівень

1

5

При проходженні вентиля

4,1

6

При плавному закругленні трубопроводу

0,45


Коефіцієнти опорів при раптовому розширенні трубопроводу


ω21

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ξ

0

1

4

9

16

25

36

49

64

81

Коефіцієнти опорів при раптовому звуженні трубопроводу


ω21

0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

ξ

0,45

0,4

0,3

0,2

0,1

0


Крім того, для визначення втрат напору при раптовому розширенні використовують формулу Борда

hрапт. розш. = , (3.4)


де V1, V2 - швидкості руху потоку в трубопроводі до і після розширення.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  1. Причини виникнення втрат опору по довжині.

  2. Причини виникнення місцевих втрат опору.

  3. Формули визначення втрат опору по довжині і місцевих втрат опору.

  4. Формула Борда.

ТЕМА 4. Розрахунок трубопровідних систем

^ 4.1. Класифікація трубопроводів і завдання їх гідравлічного розрахунку

Передача рідини по трубопроводах набула широкого поширення в інженерній практиці. У загальному випадку трубопроводи розділяють на магістральні, які передають рідину на великі відстані від місця забору води до споживача, і розгалужені мережі труб, що розподіляють рідину. Рух рідини в трубопроводі звичайно здійснюється за рахунок різниці рівнів (різниці геодезичних відміток) або за рахунок енергії, яка передається рідині при проходженні через насоси. В окремих випадках переміщення рідини по трубопроводах здійснюється під тиском газу, який створюється пневматичними установками. Всі трубопроводи мають циліндрову або призматичну форму, тому рух рідини в них рівномірний. Нерівномірний рух може спостерігатися тільки на тих ділянках, де знаходяться місцеві опори. Залежно від довжини, числа і характеру місцевих опорів розрізняють довгі і короткі трубопроводи. До довгих відносяться трубопроводи, в яких місцеві опори в порівнянні з втратами по довжині є незначними. Тому при розрахунку таких трубопроводів місцеві втрати енергії не підраховуються, а приймаються 5-10 % від встановлених розрахунком втрат енергії по довжині, наприклад, всі магістральні трубопроводи.

До коротких трубопроводів відносять трубопроводи, в яких місцеві втрати енергії майже рівні за значенням з втратами по довжині (трубопроводи малої довжини з великим числом місцевих опорів). При розрахунку таких трубопроводів підраховують втрати по довжині і місцеві втрати. Звичайно довжина коротких трубопроводів рідко перевищує 50 м. наприклад, всмоктуюча труба насоса, сифонні трубопроводи, дюкери, труби випуску води. Враховуючи гідравлічну схему роботи трубопроводів, їх підрозділяють на:

- прості;

- складні.

Прості - трубопроводи, що складаються з однієї лінії послідовно сполучених труб, які проводять постійну витрату рідини.

Складні - трубопроводи, системи, що складаються з магістралі з декількома відгалуженнями, з паралельними гілками і кільцеві мережі. Всякий складний трубопровід можна розглядати як сукупність простих трубопроводів, сполучених між собою послідовно, паралельно або змішаним шляхом.

Залежно від матеріалу трубопроводи можуть бути:

- металеві (чавунні, сталеві);

- неметалічні (бетонні, залізобетонні, азбестоцементні, пластмасові).

Труби з різних матеріалів мають різну шорсткість внутрішньої поверхні, тому у них відрізняються коефіцієнти гідравлічного тертя, що потрібно враховувати при розрахунку.

За характером роздачі рідини трубопроводи бувають:

- з транзитною витратою;

- шляховою витратою.

У трубопроводі з транзитною витратою відбора рідини не відбувається і витрата по його довжині зберігається незмінною. У трубопроводі з шляховою витратою по його довжині від початкової до кінцевої точки проводиться роздача рідини, тому витрата уздовж трубопроводу змінна.

Складні трубопроводи можуть бути розімкненими і кільцевими. У кільцевих трубопроводах до будь-якої точки рідина поступає з 2-х або більш напрямів, а в розімкнутих - тільки в одному напрямі.

Гідравлічний розрахунок трубопроводів в основному зводиться до рішення задач 3-х типів:

- задача визначення необхідного напору при заданих геометричних розмірах трубопроводу і заданій витраті;

- задача знаходження витрати при заданих напорі і геометричних розмірах трубопроводу;

- при заданих значеннях витрати, напору і трасування трубопроводів потрібно визначити діаметр труб.


4.2.Основні розрахункові формули при русі рідини в напірних трубопроводах


Найбільшого поширення для визначення швидкості набула формула Шезі

, (4.1)


де C - коефіцієнт Шезі;

R - гідравлічний радіус;

i - гідравлічний ухил.

Формула Шезі для витрати


. (4.2)


Оскільки для трубопроводів заданого діаметра, величини площі живого перерізу і гідравлічний радіус сталі величини, то С = const. Отже для всіх труб, що випускаються по ГОСТ, можна підрахувати величину :


, (4.3)


де К - це витратна характеристика, м3/с; л/с.

З формули 4.3 одержимо вираз для гідравлічного ухилу:


i = . (4.4)


Ця формула дозволяє визначити втрату напору по довжині трубопроводу, тобто

hw = il = l. (4.5)


Формули Шезі і одержані з них вирази 4.4 і 4.5 відповідають умовам цілком в шорсткій зоні руху, коли опори по довжині не залежать від числа Рейнольдса. Але в деяких випадках рух води по трубопроводу відповідає умовам перехідної зони, при якій втрати напору по довжині можуть опинитися більше, ніж в 1-му випадку, тому використовувана формула 4.5 може дати сильно зменшене значення втрат напору в порівнянні з дійсними, тому для розрахунку трубопроводу доцільніше застосовувати універсальну формулу Дарсі


Σhl = . (4.6)


За формулою Дарсі може бути одержана величина гідравлічного ухилу:

i = . (4.7)


За дослідженнями Шевельова коефіцієнт опору тертя по довжині (λ) для ненових сталевих і чавунних труб може бути визначений за формулами


При ≥ 9,2∙105 м-1 ; ; (4.8)


При < 9,2∙105 м-1 ; . (4.9)


Після підстановки у формулу Дарсі значень по формулах 4.8 і 4.9 і заміни кінематичного коефіцієнта в'язкості його чисельним значенням при t = 10 0С Шевельовим були одержані формули для визначення гідравлічного ухилу для ненових сталевих і чавунних труб.


При V≥1,2 м/с . (4.10)

При V<1,2 м/c . (4.11)


Для полегшення використання даних формул Шевельовим були складені таблиці для гідравлічного розрахунку водопровідних труб. У них для різних витрат і різних діаметрів дані величини швидкості і втрати напору в метрах на 1000 м довжини трубопроводу.


^ 4.3. Основні типи задач щодо розрахунку простого трубопроводу





za Нб hw


Hвільн zB

А


L, d


Рис. 4.1 – Схема простого трубопроводу


На рис. 4.1 зображена схема простого трубопроводу, з якого вода з т. А, де встановлена водонапірна башта, прямує до споживача в т. В.

za, zB - нівелірні відмітки в т. А і т. В, м;

Нб - висота водонапірної башти, м;

L - довжина трубопроводу, м;

d - діаметр трубопроводу, мм;

Нвільн. - вільний напір в т. В, що забезпечує підйом води вгору до точки споживання, м. Вільний напір залежить від об'єкта водоспоживання. Для житлових будівель по ДНіП визначається залежно від поверховості:

1-поверхова будівля – Нвільн. = 10 м;

2-поверхова будівля – Нвільн. = 14 м.

Основні типи задач з розрахунку простих трубопроводів в основному зводяться до трьох задач, які наведені у Додатку 1.


4.4. Питомий опір. Опір ділянки трубопроводу.

Величина, зворотна К2, називається питомим опором.

;

hw = = Q2 S0 l;

S0 l = S; (4.12)

hwl = Q2 S, (4.13)


де S - це опір ділянки трубопроводу завдовжки l з питомим опором S0.


^ 4.5. Розрахунок самопливного трубопроводу, всмоктуючого трубопроводу насосу і сифонного трубопроводу

Трубопровід, по якому з річки, озера або іншого водоймища вода поступає в береговий колодязь під рівень, називається самопливним.

Самопливний трубопровід в більшості випадків має невелику довжину, при якій місцеві опори достатньо великі і майже однакові з опорами по довжині. До місцевих опорів відносять: опір на вхід в трубопровід, на 2 коліна, які є на початку трубопроводу, на засувку в кінці трубопроводу, на вихід.





hw


Рис. 4.2 – Схема будови самопливного трубопроводу

hw = hwl + Σhм = .

При розрахунку самопливного трубопроводу звичайно витрата задана, потрібно визначити діаметр трубопроводу. Враховуючи, що в реальних умовах натиск на подолання опорів невеликий, то при виборі діаметра трубопроводу швидкість руху води, як правило, складає 0,75-1,0 м/с.

Всмоктуючий трубопровід насосу має невелику довжину. На трубопроводі при вході в трубу через приймальний клапан з сіткою і при протіканні через 3 коліна виникають місцеві опори.




2


Нвс.г. 2


1 1


Рис. 4.3 – Схема всмоктуючого трубопроводу насоса




Z1 = 0; p1 = ратм; V1 = 0; Z2 = Нвс.г.; α = 1;









Нвс.г. + .


При розрахунку всмоктуючого трубопроводу насосу можуть бути наступні три задачі:

1. Визначити діаметр трубопроводу при заданих величинах Нвс.г, допустимій величині вакууму (Pатм - P2)/γ, довжині трубопроводу.

Завдання розв'язується методом підбору втрат напору разом з напором, які витрачаються на утворення швидкості в трубопроводі, і не повинні перевищувати:

(Pатм - P2)/γ - Н = А.

Задаючись різними значеннями діаметра, визначаємо наступний вираз:

.


Підрахунки ведемо в табличній формі:



d, мм

ω, м2

V, м/с

V2 2/2g

λ

λ/l d



























На підставі даних таблиці можна побудувати криву


hw = = f(d).

Приймаємо найближчий більший діаметр по ДОСТу.

2. Визначити геометричну висоту всмоктування при заданих мінімальних величині вакууму, витрати, діаметра і довжини:

Нвс.г. = .


3. Визначити величину вакууму у всмоктуючому трубопроводі при заданих Нвс.г., витраті, діаметрі і довжині:

= Нвс.г. + .


Сифонний трубопровід - це трубопровід, який сполучає 2 резервуари або колодязі, при цьому трубопровід повинен бути прокладений вище за рівень води в резервуарі.

Рух води по сифонному трубопроводу з резервуару А в резервуар Д можливо лише в тому випадку, якщо рівень води в першому резервуарі буде більше рівня води в другому на деяку величину Н.

У сифонному трубопроводі має місце вакуум, при цьому найбільше його значення буде в перерізі С.

В


h В

С


H

А


Д


Рис. 4.4 – Схема сифонного трубопроводу


Втрати напору в сифонному трубопроводі складаються з втрат напору по довжині і місцевих втрат (на вхід, 2 коліна, на вихід).


.


З іншого боку можлива втрата напору в сифонному трубопроводі визначається різницею рівнів води в резервуарах (Н).


Н = ;


V = ;


Q = Vω = .


Найбільший вакуум в перерізі С рівний:

Vac = hc + ,

де hc - перевищення центру перерізу С над рівнем води в першому резервуарі;

lc - довжина сифонового трубопроводу до перерізу С.


^ 4.6. Трубопровід з послідовно сполучених ділянок труб різних діаметрів і довжин

Трубопровід, що складається з послідовно сполучених ділянок труб різної довжини і діаметра, називають послідовним трубопроводом.

Втрата напору в подальшому трубопроводі рівна сумі втрат напору на кожній з ділянок послідовного трубопроводу.




L1, d1


Q

L2, d2

L3, d3


Рис.4.5 – Схема послідовного трубопроводу


У цьому випадку вводять поняття про трубопровід, еквівалентний заданому - це трубопровід, який пропускає ту же витрату при тій же втраті напору, що і заданий, такий, що має ту же довжину, але складається з іншого числа ділянок, іншої довжини і діаметра, тобто


Qекв = Qзад;

Σli екв =Σli зад.


Задачу з розрахунку еквівалентного трубопроводу вирішують методом підбору. При заданій витраті так підбирають число ділянок і діаметр еквівалентного трубопроводу, щоб сума втрат напору еквівалентного трубопроводу була рівна сумі втрат напору в заданому трубопроводі.


^ 4.7. Паралельне з'єднання трубопроводів


Паралельними трубопроводами називають трубопроводи, які беруть початок в одній загальній точці і закінчуються в іншій загальній точці.

l1, d1, q1, hw1




Q l2, d2, q2, hw2 Q

A B C D


l3, d3, q3, hw3


Рис. 4.6 – Паралельне з’єднання трубопроводів


Між крапками В і С лежать три паралельні трубопроводи, які мають свої довжини, діаметри і пропускають певну витрату при деякій втраті натиску. Оскільки паралельні трубопроводи розгалужуються в одній загальній крапці (у т.В), яка має напір Нв, і закінчуються в т.С з напором Нс, то втрати напору в кожному з трубопроводів складуть:


Нв – Нс = hw1 = hw2 = hw3


Таким чином, незалежно від числа паралельних трубопроводів, їх довжини і діаметра, втрати напору у всіх паралельних трубопроводах будуть рівні між собою.

Сума витрат у всіх паралельних трубопроводах рівна витраті до розгалуження трубопроводу.

Якщо паралельні трубопроводи входять до складу послідовного трубопроводу, як одна з його ділянок, то втрата напору на цій ділянці приймається рівній втраті напору в одному з трубопроводів (у будь-якому).


^ 4.8. Вузлова, шляхова, транзитна і розрахункова витрати




Нб QB Qc QD


А В С Д


Рис. 4.7. – Схема розрахунку витрат

Вузлова витрата - витрата рідини з трубопроводу, зосереджена в тій або іншій точці трубопроводу (QB, QС, QD).

Шляхова - витрата рідини з трубопроводу, яка рівномірно розподілена на даній ділянці (А-В, С-Д).

Шляхова витрата, що доводиться на одиницю довжини ділянки, називається питомою шляховою витратою (л/с·м). Знаючи питому шляхову витрату і довжину ділянки, можемо знайти загальну шляхову витрату:


Qшл = q0·l. (4.14)


Транзитна - витрата, що проходить через дану ділянку трубопроводу без використання рідини з нього. На даному малюнку вузлова витрата в точці Д буде транзитною для ділянки СД. На ділянці ВС транзитна витрата буде рівна сумі вузлових витрат в т. С, в т. Д і шляховому на ділянці СД.

На ділянці АВ:


Qтранз = QB + Qc + QD + Qшл. СД.


Транзитна витрата проходить через ділянку трубопроводу повністю по всій його довжині. Шляхова витрата проходить цілком тільки в початкових ділянках, далі вона зменшується і в кінці ділянки дорівнює 0.

Розрахункова витрата є фіктивною витратою.


Qрозр = Qтранз + а Qшл.


У цілях спрощення розрахунку приймають а = 0,5, вважаючи, що 50 % шляхової витрати споживаються на початку ділянки, а інші 50 % споживаються в кінці ділянки.

Розрахунок послідовного трубопроводу починають з кінцевої крапки і ведуть в напрямі, зворотному руху води, поступово складаючи витрату.


Найменування вузлів

Найменування ділянок

Довжина, м

діаметр, мм

Qшл, л/с

Qтранз, л/с

Qрозр, л/с

hw, м

Д

ДС



















С




СВ



















В




ВА



















А


^ 4.9. Розрахунок дірчастих трубопроводів


Дірчастий трубопровід - трубопровід, що забезпечується уздовж своєї довжини на однаковій відстані отворами, через які вода може йти з більш-менш рівномірною шляховою витратою. Таким чином, дірчастий трубопровід може служити моделлю водопроводу з шляховою витратою уздовж нього. Враховуючи, що відтік води з труби спостерігається не по всій її довжині, а з n окремих отворів, розташованих на однаковій відстані один від одного, Грабовським була запропонована наступна формула для розрахунку дірчастого трубопроводу:


. (4.15)


Довжину дірчастої труби, при якій втрати напору повністю компенсуються відновленням напору за рахунок зменшення швидкостей при роздачі витрати, називають критичною. При збільшенні числа отворів збільшується критична довжина.

Дірчасті трубопроводи, в яких втрати напору менше відновленого напору за рахунок зменшення швидкості, називають гранично короткими трубопроводами, в яких довжина менше критичної довжини.

Таким чином втрати напору по трубопроводу з діаметром d і завдовжки l з витратою Q уздовж всієї довжини дірчастого трубопроводу визначаються за формулою


, (4.16)


де V0 - швидкість в початковому перерізі трубопроводу.

Витрата води уздовж трубопроводу є шляховою витратою.

При транзитній витраті, яка чисельно дорівнює шляховій, втрати напору по довжині визначаються за формулою


. (4.17)


Тобто при транзитній витраті втрати напору будуть в три рази більші.


^ 4.10. Поняття про економічний розрахунок трубопроводу


При проектуванні виникає проблема, яким слід прийняти діаметр трубопроводу і як обґрунтувати цей вибір. Теоретично через трубу будь-якого діаметра можна пропустити будь-яку витрату, проте при пропуску заданої витрати через трубопроводи малого діаметра в них виходять великі швидкості і великі втрати напору. Оскільки рух рідини в напірних трубопроводах, як правило, турбулентний, то втрати напору пропорційні V2. При великому діаметрі трубопроводу швидкості будуть невеликими, отже, втрати теж будуть невеликими.

Будь-який водопровід складається з трубопроводу і насосної станції. Тому залежно від діаметра трубопроводу визначатиметьсяють вартість будівництва, тобто вартість самого трубопроводу і насосної станції. Чим менше діаметр трубопроводу за всіх рівних інших умов, тим менша вартість трубопроводу, але буде більша вартість насосної станції і вище експлуатаційні витрати. Задаючись різними діаметрами трубопроводу, можна розрахувати щорічні витрати по трубопроводу; щорічні витрати по насосній станції; сумарні щорічні витрати. Ці дані відображаються графічно.


В, грн

Взаг


Вн.с.


Втр.


D, мм


Рис. 4.8 - Сумарні щорічні витрати

Крива Взаг має мінімальний діаметр, при якому загальні витрати мінімальні. Це і буде економічно найвигідніший діаметр трубопроводу.

У загальному випадку цей розмір не відповідає розмірам по ДЕСТ, тому приймають найближчий розмір. З точки зору економії металу доцільно вибирати найближчий менший діаметр. Швидкості, які відповідають економічно найвигіднішому діаметру, називають економічними швидкостями.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  1. Магістральні і розгалужені мережі труб.

  2. Класифікація трубопроводів залежно від матеріалу труб і від характеру роздачі рідини.

  3. Типи задач для гідравлічного розрахунку трубопроводів.

  4. Основні розрахункові формули при русі рідини в напірних трубопроводах

  5. Основні типи задач з розрахунку простого трубопроводу.

  6. Питомий опір, опір ділянки трубопроводу.

  7. Розрахунок самопливного, сифонного трубопроводу і всмоктуючого трубопроводу насосу.

  8. Послідовне сполучення трубопроводів різних діаметрів і довжин.

  9. Паралельне з’єднання трубопроводів.

  10. Вузлова, шляхова, транзитна і розрахункова витрати.

  11. Розрахунок дірчастих трубопроводів.

  12. Економічний розрахунок трубопроводу, найвигідніший діаметр.

  1   2   3



Скачать файл (654.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации