Гидравлический расчет трубопроводов

Выполнил:

студент гр. 2-1^х

Р.Э. Сагдиев

Принял: Шувалов С.И.

Иваново 2015

Содержание

Задание…………………………………………………………………………..3

1.1 Исходные данные для расчета…………………………………………....4-5

1.2 Расчет схемы ……………………………………………………………..6-17

1.2.1 Плотность и динамическая вязкость воды у потребителей…………6-7

1.2.2 Трубопровод 5……………………………………………………….…7-9

1.2.3 Трубопровод 4…………………………………………………………9-10

1.2.4 Магистральный трубопровод 3………………………………...……10-12

1.2.5 Напорный трубопровод 2……………………………………………13-14

1.2.6 Высота уровня воды в баке водонапорной башни………………...14-16

1.2.7 Всасывающий трубопровод 1…………………………………….....16-17

Список литературы…………………………………………………………….20

ЗАДАНИЕ

1.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Насос забирает из берегового колодца воду с температурой t ₁=16°C. Всасывающий трубопровод 1 снабжен клапаном с сеткой. Длина всасывающего трубопровода l ₁=36 м. После насоса установлены обратный клапан и задвижка. От насоса по напорному трубопроводу 2 вода подается к водонапорной башне. Длина напорного трубопровода l ₂=330 м. Ответвление к башне
(точка с) находится выше расположения насоса (точки а и b) на величину
z_c – z_b = 22 м. От башни отходит магистральный трубопровод 3. Длина трубопровода l ₃=430 м. Точка разветвления е находится ниже точки с на величину
z_e – z_c = - 7 м. Из точки е холодная вода поступает к потребителю I по трубопроводу 4. Длина трубопровода l ₄=480 м, точка g находится выше точки e на величину z_g – z_e = -5 м. Во время максимального водопотребления расход воды к потребителю I равен q ₁ = 80 л/с. Избыточное давление воды у потребителя I в точке g должно составлять p_g = 0,75 бар. Потребитель II снабжается горячей водой, нагреваемой в подогревателе до температуры t_k = 93° С. Гидравлическое сопротивление подогревателя составляет D р_под =0,67 бар. Длина трубопровода l ₅=320 м, точка m находится ниже точки e на величину z_m – z_e = 8 м. Во время максимального водопотребления расход холодной воды к потребителю II равен q ₂ = 60 л/с. Избыточное давление воды у потребителя II в точке m должно составлять p_m = 0,56 бар. Отношение суммарного потребления воды во время максимального водопотребления к среднесуточному равно n_max = 1,54. Принять, что всасывающий трубопровод изготавливается из чугунной неновой трубы, а остальные трубопроводы – из бесшовных стальных новых труб. Потерями давления в поворотах трубопроводов пренебречь.

Необходимо определить:

1) диаметры труб 1 – 6;

2) их гидравлические сопротивления;

3) избыточные давления в точках a, b, c, d, e, f, k;

4) необходимую высоту уровня воды в водонапорной башне Н_б;

5) допустимую высоту всасывания Н_вс;

1.2. РАСЧЕТ СХЕМЫ

1.2.1. Плотность и динамическая вязкость воды у потребителей

К потребителю I подается холодная вода с температурой t ₁=16° С. Избыточное давление воды р_g,изб = 0,75 бар =0,075 МПа. Принимаем, что атмосферное давление р ₀ = 0,1 МПа. Отсюда абсолютное давление воды
р_g,абс = 0,175 МПа.

В табл. П11 приведены значения параметров воды для абсолютных давлений 0,1 МПа, 2 МПа и температуры 20° С и 10° С:

r (0,1;10) = 999,7 кг/м³; r (0,1;20) = 998,3 кг/м³;

r (2;10) = 1007 кг/м³; r (2;20) = 999,2 кг/м³;

m (0,1;10) = 1308∙10^-6 Па∙с; m (0,1;20) = 1003∙10^-6 Па∙с;

m (2;10) = 1306∙10^-6 Па∙с; m (2;20) = 1002∙10^-6 Па∙с;

Определим значения плотности и вязкости воды для р =0,195 МПа и t =20° С линейной интерполяцией по формуле

.

Здесь x ₁, x ₂, y ₁, y ₂ – соответственно значения аргумента и функции в ближайших ячейках таблицы; х – заданное значение аргумента; у – искомое значение функции. Так как характеристики воды зависят от двух параметров (температуры и давления), но температура совпадает с температурой указанной в П11, то проведем интерполяцию по давлению.

К потребителю II вода поступает с температурой t_k = 93° С при абсолютном давлении 1,56 бар или 0,156 МПа. Из табл. П10 находим ближайшие значения

r (0,1;90) = 965,2 кг/м³; r (0,1;100) = 958,4 кг/м³;

r (2;90) = 966,0 кг/м³; r (2;100) = 959,0 кг/м³;

m (0,1;90) = 315∙10^-6 Па∙с; m (0,1;100) = 282,1∙10^-6 Па∙с;

m (2;90) = 315,56∙10^-6 Па∙с; m (2;100) = 282,7∙10^-6 Па∙с;

Аналогичным образом получаем

1.2.2. Трубопровод 5

Для этой схемы безразлично, с какого участка начинать расчет. Рассмотрим участок трубопровода 5 от потребителя II (точка m) до подогревателя (точка k). В период максимального водопотребления расход холодной воды к потребителю II составляет q ₂=60 л/с= 0,06 м³/с. После нагревания до температуры 93° С плотность воды снижается, а объемный расход увеличивается до значения

.

Первоначально принимаем скорость воды в этом трубопроводе v ₅ = 1 м/с. Находим площадь внутреннего сечения трубы

.

Ориентировочный внутренний диаметр трубопровода

.

Из табл. П4 принимаем толщину стенки трубы d = 10 мм, отсюда наружный диаметр трубы d _5,нар= 282+2∙10=302 мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _5,нар =299 мм. Внутренний диаметр трубы
d _5,вн=279 мм = 0,279 м.

Скорость воды в трубе

.

Критерий Рейнольдса для этого режима

.

Согласно табл. П11 для бесшовной стальной новой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₅=0,015 мм. Параметр

.

Из табл. П12 определяем, что течение в трубе находится в области гладких труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по:

.

При длине трубопровода l ₅=320 м его гидравлическое сопротивление согласно уравнению Дарси-Вейсбаха

Принимаем, что точка разветвления е и подогреватель находятся на одной геометрической высоте. За счет гидравлического сопротивления трубопровода и разности высот давление в точке k будет равно

Сопротивление подогревателя составляет 0,56 бар или 0,056 МПа. Отсюда следует, что для обеспечения требуемого расхода воды для потребителя II давление холодной воды после задвижки перед подогревателем должно быть равно

.

Примем, что диаметр задвижки перед подогревателем равен диаметру трубопровода горячей воды. Скорость воды в подводящем трубопроводе

.

Из табл. П14 находим, что коэффициент местного сопротивления полностью открытой задвижки x = 0,1. Потеря давления воды на задвижке составит

Па

Эта величина меньше погрешности округления, поэтому в дальнейших расчетах ее не учитываем.

1.2.3. Трубопровод 4

Расход воды составляет q ₁ = 80 л/с=0,08 м³/с. Принимаем v ₄=1 м/с.

Из табл. П4 принимаем d = 8 мм, d _4,нар=319+2∙8=335мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _4,нар =325 мм. Внутренний диаметр трубы d _4,вн=309мм = 0,309 м.

Скорость воды в трубе

.

Согласно табл. П11 для бесшовной стальной новой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₄=0,015 мм. Параметр

.

Из табл. П12 определяем, что течение в трубе находится в области гладких труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по:

.

При l ₄=480 м

При полностью открытой задвижке коэффициент местного сопротивления x = 0,1. Сопротивление задвижки

.

Эта величина также меньше ошибки округления, поэтому сопротивление открытой задвижки не будем учитывать.

1.2.4. Магистральный трубопровод 3.

Расход воды по этому трубопроводу равен сумме расходов к потребителям I и II:

.

Задаемся скоростью воды в трубопроводе v ₃= 1 м/с.

.

.

Из табл. П4 принимаем d = 10 мм, d _3,нар=422+2∙10=442мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _3,нар =450 мм. Внутренний диаметр трубы d _3,вн=430 мм = 0,43 м.

Скорость воды в трубе

.

.

Согласно табл. П11 для бесшовной стальной новой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₄=0,015 мм. Параметр

.

Из табл. П12 определяем, что течение в трубе находится в области гладких труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по:

.

При l ₃=430 м

.

В точке е общий поток разделяется на две части. Тройник в этом узле является раздающим. Для потребителя I с соотношением потоков и соотношением площадей согласно табл. П15

коэффициент местного сопротивления x _3-4= 1,16. Для потребителя II с соотношением потоков согласно табл. П16 x _3-5=0,56.

Отсюда потери давления в тройнике составят:

- для потока к потребителю I

;

- для потока к потребителю II

.

Эта величина меньше погрешности округления, поэтому ее не учитываем. Таким образом, для того, чтобы обеспечить потребителя I холодной водой в количестве 0,08 м³/с необходимо, чтобы давление воды в точке е

.

Для того, чтобы обеспечить горячей водой потребителя II, необходимо, чтобы p_e ³ p_r = 0,3045 МПа.

Из этих условий принимаем, что р_е = 0,31 МПа, при этом задвижка к потребителю I должна быть открыта полностью, а к потребителю II частично прикрыта таким образом, чтобы ее гидравлическое сопротивление составило

.

Давление воды в точке с после тройника равно

Для снижения затрат электроэнергии на транспорт воды устанавливается стационарный режим работы насоса со среднесуточной производительностью. При этом при пониженном потреблении насос подает воду в бак водонапорной башни, а при повышенном потреблении недостаток производительности насоса компенсируется расходом воды из бака.

При максимальном водопотреблении q ₃=0,14 м³/с и коэффициенте неравномерности водопотребления n_max =1,54 среднесуточный расход воды составляет

.

Этот расход обеспечивает насос по трубопроводу 2, остальной поток в количестве q ₆=0,14 – 0,091 = 0,049 м³/с поступает из бака водонапорной башни по трубопроводу 6.

1.2.5. Напорный трубопровод 2

Задаемся скоростью воды в трубопроводе v ₂= 1 м/с.

.

.

Из табл. П4 принимаем d = 9 мм, d _2,нар=341+2∙9=359 мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _2,нар =351 мм. Внутренний диаметр трубы d _2,вн=333 мм = 0,333 м.

Скорость воды в трубе

.

.

Согласно табл. П11 для бесшовной стальной новой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₄=0,015 мм. Параметр

.

Из табл. П12 определяем, что течение в трубе находится в области гладких труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по:

.

При l ₂=330 м

.

Тройник в точке с является вытяжным. При соотношении согласно табл. П18 коэффициент гидравлического сопротивления x _2-3 =0,63(x _1-3 в табл. П18). Отсюда гидравлическое сопротивление тройника в направлении от трубопровода 2 к трубопроводу 1 составляет

Эта величина меньше погрешности округления, и в дальнейших расчетах ее не учитываем. Отсюда следует, что давление воды перед тройником равно давлению после тройника и равно р_с = 0,25 МПа.

Избыточное давление воды в точке b составит

Согласно табл. П13 коэффициент гидравлического сопротивления обратного клапана диаметром 333 мм x_обр =2,17; коэффициент гидравлического сопротивления полностью открытой задвижки x_задв =0,1. Гидравлическое сопротивление клапана и задвижки

Давление воды, создаваемое насосом,

1.2.6. Высота уровня воды в баке водонапорной башни

Принимаем, что от точки с до бака установлена вертикальная труба. Задаемся скоростью воды в трубопроводе v ₆= 1 м/с.

.

.

Из табл. П4 принимаем d = 8 мм, d _6,нар=150+2∙8=266 мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _6,нар =273 мм. Внутренний диаметр трубы d _6,вн=257 мм = 0,257 м.

Скорость воды в трубе

.

.

При соотношениях

; .

по табл. П14 x _6-3= 0,95. Потеря давления воды в тройнике

.

Давление в точке d

.

Согласно табл. П11 для бесшовной стальной новой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₅=0,015 мм. Параметр

.

Из табл. П12 определяем, что течение в трубе находится в области гладких труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по:

.

Давление в точке d должно быть обеспечено весом столба воды с учетом гидравлического сопротивления участка трубопровода и атмосферного давления на поверхность воды в баке водонапорной башни.

Пренебрежем потерей давления при входе воды в опускную трубу, но примем, что длина трубы l ₆ равна высоте уровня воды Н ₆. Тогда из условий

,

,

получаем

.

Отсюда линейное сопротивление трубопровода

1.2.7. Всасывающий трубопровод 1

Из табл.П2 определяем абсолютное давление воды на линии насыщения:

При

Избыточное давление насыщения

Принимаем запас по давлению .

Избыточное давление воды перед насосом

.

Задаемся скоростью воды в трубопроводе v ₁= 0,5 м/с.

.

.

Из табл. П7 принимаем d = 14 мм, d _1,нар=481+2∙14=509 мм. Ближайшей из ряда является труба с наружным диаметром d _1,нар =532 мм. Внутренний диаметр трубы d _1,вн=504 мм = 0,504 м.

Скорость воды в трубе

.

.

Согласно табл. П11 для чугунной неновой трубы принимаем величину эквивалентной шероховатости D₁=1 мм. Параметр

.

Параметр

Из табл. П1 определяем, что течение в трубе находится в области гидравлически шероховатых труб, для которой коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по формуле

.

При l ₁=36 м

.

Из табл. П13 для трубы диаметром 504 мм коэффициент гидравлического сопротивления всасывающего клапана x_вс =2,5. Гидравлическое сопротивление клапана

.

Результаты расчета сводим в таблицу.

Таблица 1. Характеристики трубопроводов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Гидрогазодинамика» для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика» кафедра ТЭС: Иваново, 2015. 60с.