Гидравлический расчет трубопроводов. Расчет диаметра трубопровода. Подбор трубопроводов Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH (ЭНЦЕ ГмбХ) образовалась в 1999году, имеет 16 представительств и офисов в странах СНГ, предлагает оборудование и комплектующие с производственных площадок в Турции и Республике Корея, готова разработать и поставить по Вашему индивидуальному техническому заданию различное насосное оборудование и трубопроводную арматуру. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Общее описание трубопроводов Трубы, соединяющие между собой различные аппараты химических установок. С помощью них происходит передача веществ между отдельными аппаратами. Программа 'Расчёт диаметра газопровода', версия 4.4. Расчёт гидравлических потерь. Как правило, несколько отдельных труб с помощью соединений создают единую трубопроводную систему. Трубопровод – это система труб, объединенных вместе с помощью соединительных элементов, применяемая для транспортировки химических веществ и иных материалов. В химических установках для перемещения веществ, как правило, используются закрытые трубопроводы. Если речь идет о замкнутых и изолированных деталях установки, то они также относится к трубопроводной системе или сети. В состав замкнутой трубопроводной системы могут входить: • Трубы. • Соединительные элементы труб. • Герметизирующие уплотнения, соединяющие два разъемных участка трубопровода. ![]() 3.23 Расчет диаметра газопровода следует выполнять, как правило, на компьютере. На Студопедии вы можете прочитать про: Расчёт диаметра газопровода и допустимых потерь. Расчет диаметра газопровода и допустимых потерь давления общие положения. Все вышеперечисленные элементы изготавливаются отдельно, после чего соединяются в единую трубопроводную систему. Помимо этого трубопроводы могут быть оснащены обогревом и необходимой изоляцией, изготовленной из различных материалов. Выборе размера труб и материалов для из изготовления осуществляется на основе технологических и конструктивных требований, предъявляемых в каждом конкретном случае. Но для стандартизации размеров труб была проведена их классификация и унификация. Основным критерием стало допустимое давление при котором возможна эксплуатация трубы. Условный проход DN Условный проход DN (номинальный диаметр) – это параметр, который используется в системах трубопровода как характеризующий признак, с помощью которого происходит подгонка деталей трубопровода, таких как трубы, арматура, фитинги и другие. Номинальный диаметр является безразмерной величиной, однако численно приблизительно равен внутреннему диаметру трубы. Пример обозначения условного прохода: DN 125. Так же условный проход не обозначается на чертежах и не заменяет собой реальные диаметры труб. Он примерно соответствует диаметру в свету у определенных частей трубопровода (рис. Если говорить о числовых значениях условных переходах, то они выбраны таким образом, что пропускная способность трубопровода увеличивается в диапазоне от 60 до 100% при переходе от одного условного прохода к последующему. 1.1 Условный диаметр Общепринятые номинальные диаметры: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000. Размеры этих условных проходов установлены с расчетом на то, чтобы не возникало проблем с припасовкой деталей друг к другу. Определения номинальный диаметр на основе значения внутреннего диаметра трубопровода, выбирается то значение условного прохода, которое ближе всего находится к диаметру трубы в свету. Номинальное давление PN Номинальное давление PN – величина, соответствующая максимальному давлению перекачиваемой среды при 20 °C, при котором возможна длительная эксплуатация трубопровода, имеющего заданные размеры. Номинальное давление является безразмерной величиной. Как и номинальный диаметр, номинальное давление было градуировано на основе практики эксплуатации накопленного опыта (табл. Таблица 1.1 Обычные номинальные давлениям (DIN 2401) 1 10 100 1000 1,6 16 160 16000 2,5 25 250 2500 4 40 400 4000 6 63 630 6300 Номинальное давление для конкретного трубопровода выбирается на основе реально создаваемого в нем давления, путем выбора ближайшего большего значения. При этом фитинги и арматура в этом трубопроводе также должны соответствовать такой же ступени давления. Толщина стенок трубы рассчитывается исходя из номинального давления и должна обеспечивать работоспособность трубы при значении давления равном номинальному (табл. Допустимое избыточное рабочее давление p e,zul Номинальное давление используется только для рабочей температуры 20°C. С повышением температуры нагрузочные способности трубы снижаются. Вместе с этим соответственно снижается и допустимое избыточное давление. Значение p e,zul показывает максимальное избыточное давление, которое может быть в трубопроводной системе при повышении значения рабочей температуры (рис. 1.2 График допустимых избыточных давлений Материалы для трубопроводов При выборе материалов, которые будут использоваться для изготовления трубопроводов, берутся в расчет такие показатели, как характеристики среды, которая будет транспортироваться по трубопроводу и рабочее давление, предполагаемое в данной системе. Стоит так же учитывать возможность корродирующего воздействия со стороны перекачиваемой среды на материал стенок трубы. Практически все трубопроводные системы и химические установки производятся из стали. Для общего применения в случае отсутствия высоких механических нагрузок и корродирующего действия для изготовления трубопроводом используется серый чугун или нелегированные конструкционные стали. В случае более высокого рабочего давления и отсутствия нагрузок с коррозионно активным действием применяется трубопровод из улучшенной стали или с использованием стального литья. Если корродирующее воздействие среды велико или к чистоте продукта предъявлены высокие требования, то трубопровод изготавливается из нержавеющей стали. Если трубопровод должен быть устойчив к воздействию морской воды, то для его изготовления используются медно-никелевые сплавы. Также могут применяться алюминиевые сплавы и такие металлы как тантал или цирконий. Все большее распространение в качестве материала трубопровода получают различные виды пластмасс, что обуславливается их высокой стойкостью к коррозии, малому весу и легкости в обработке. Такой материал подходит для трубопровода со сточными водами. Фасонные части трубопровода Трубопроводы, изготовленные из пластичных материалов пригодных для сварки, собираются на месте монтажа. К таким материалам можно отнести сталь, алюминий, термопласты, медь и т.д. Для соединения прямых участков труб используются специально изготовленные фасонные элементы, например, колена, отводы, затворы и уменьшения диаметров (рис. Эти фитинги могут быть частью любого трубопровода. 1.3 Фасонные элементы трубопровода Соединения труб Для монтирования отдельных частей трубопровода и фитингов используются специальные соединения. Также используются для присоединения к трубопроводу необходимой арматуры и аппаратов. Соединения выбираются (рис. 1.4) в зависимости от: • материалов, которые используются для изготовления труб и фасонных элементов. Основной критерий выбора – возможность сварки. • условий работы: низкого или высокого давления, а также низкой или высокой температуры. • производственных требований, которые предъявляются к трубопроводной системе. • наличия разъемных или неразъемных соединений в трубопроводной системе. 1.4 Типы соединения труб Линейное расширение труб и его комплектация Геометрическая форма предметов может быть изменена как путем силового воздействия на них, так и при изменении их температуры. Данные физические явления приводят к тому, что трубопровод, который монтируется в ненагруженном состоянии и без температурного воздействия, в процессе эксплуатации под давлением или воздействием температур претерпевает некоторые линейные расширения или сжатия, которые негативно сказываются на его эксплуатационных качествах. В случае, когда нет возможности компенсировать расширение, происходит деформация трубопроводной системы. При этом могут возникнуть повреждения фланцевых уплотнений и тех мест соединения труб между собой. Тепловое линейное расширение При компоновке трубопроводов важно учитывать возможное изменение длины в результате повышения температуры или так называемого теплового линейного расширения, обозначаемого ΔL. Данное значение зависит от длины трубы, которая обозначается L o и разности температур Δϑ =ϑ2-ϑ1 (рис. 1.5 Линейное тепловое расширение трубы В вышеприведенной формуле а – это коэффициент теплового линейного расширения данного материала. Этот показатель равен величине линейного расширения трубы длиной 1 м при повышении температуры на 1°C. Элементы компенсации расширения труб Отводы труб Благодаря специальным отводам, которые ввариваются в трубопровод, можно компенсировать естественное линейное расширение труб. Для этого используются компенсирующие U-образные, Z-образные и угловые отводы, а также лирные компенсаторы (рис. 1.6 Компенсирующие трубные отводы Они воспринимают линейное расширение труб за счет собственной деформации. Однако такой способ возможен только с некоторыми ограничениями. В трубопроводах с высоким давлением для компенсации расширения используются колени под разными углами. Из-за давления, которое действует в таких отводах, возможно усиление коррозии. Волнистые трубные компенсаторы Данное устройство состоит из тонкостенной металлической гофрированной трубы, которая называется сильфоном и растягивается в направлении трубопровода (рис. Данные устройства устанавливаются в трубопровод. Предварительный натяг используется в качестве специального компенсатора расширения. 1.7 Волнистый трубный компенсатор Если говорить про осевые компенсаторы, то они способны компенсировать только те линейные расширения, которые происходят вдоль оси трубы. Чтобы избежать бокового смещения и внутреннего загрязнения используется внутреннее направляющее кольцо. Для того чтобы защитить трубопровод от внешних повреждений, как правило, используется специальная облицовка. Компенсаторы, которые не содержат внутреннее направляющее кольцо, поглощают боковые сдвиги, а также вибрацию, которая может исходить от насосов. Изоляция труб В том случае, если по трубопроводу перемещается среда с высокой температурой, необходима его изоляция во избежание потери тепла. В случае перемещения по трубопроводу среды с низкой температурой изоляцию применяют для предотвращения ее нагрева внешней средой. Изоляция в таких случаях осуществляется с помощью специальных изоляционных материалов, которые размещаются вокруг труб. В качестве таких материалов, как правило, используются: • При низких температурах до 100°C используются жесткие пенопласты, например, полистирол или полиуретан. • При средних температурах около 600°C используются фасонные оболочки или минеральное волокно, например, каменная шерсть или стеклянный войлок. • При высоких температурах в районе 1200°C – керамическое волокно, например, глиноземное. Трубы, условный проход которых ниже DN 80, а толщина слоя изоляции меньше 50 мм, как правило, изолируются при помощи изоляционных фасонных элементов. Для этого две оболочки кладутся вокруг трубы и скрепляются металлической лентой, а после этого закрываются жестяным кожухом (рис. 1.9 Теплоизоляция с нижним каркасом Толщина изоляции рассчитывается путем определения затрат на его изготовление, а также убытков, которые возникают из-за потери тепла, и составляет от 50 до 250 мм. Теплоизоляция должна наноситься по всей длине трубопроводной системы, включая зоны отводов и колен. Очень важно следить, чтобы не возникали незащищенные места, которые смогут стать причиной тепловых потерь. Фланцевые соединения и арматура должны снабжаться фасонными изоляционными элементами (рис. Это обеспечивает беспрепятственный доступ к месту соединения без необходимости снимать изоляционный материал со всей трубопроводной системы в том случае, если произошло нарушение герметичности. 1.10 Теплоизоляция фланцевого соединения В том случае, если изоляция трубопроводной системы выбрана правильно, решается множество задач, таких как: • Избегание сильного падения температуры в протекающей среде и, как следствие, экономия энергии. • Предотвращение падения температуры в газопроводных системах ниже точки росы. Таким образом, удается исключить образование конденсата, который может привести к значительным коррозионным разрушениям. • Избегание выделения конденсата в паровых трубопроводах. Падение давления в трубопроводных системах и расчет гидравлического сопротивления трубопроводов Расчет трубопровода производят с целью определения напора, необходимого для преодоления возникающего гидравлического сопротивления, что в свою очередь необходимо для правильного подбора машины для перекачки жидкой или газообразной среды. 1.11 Факторы, определяющие падение давления в трубопроводе В общем случае падение давления в трубе может быть рассчитано по следующей формуле: Δp=λ(l/d 1)(ρ/2)v² Δp – перепад давления на участке трубы, Па l – длина участка трубы, м λ - коэффициент трения d 1 – диаметр трубы, м ρ – плотность перекачиваемой среды, кг/м 3 v – скорость потока, м/с Гидравлическое сопротивление может возникать вследствие различных факторов, и выделяют две основные группы: сопротивления трения и местные сопротивления. Сопротивление трению обусловлено различного рода неровностями и шероховатостями на поверхности трубопровода, соприкасающегося с перекачиваемой средой. При течении жидкости между ней и стенками трубопровода возникает трение, оказывающее тормозящий эффект и требующее дополнительных затрат энергии на свое преодоление. Создаваемое сопротивление во многом зависит от режима течения перекачиваемой среды. При ламинарном течении и соответствующих ему низких значениях числа Рейнольдса (Re), характеризующимся равномерностью и отсутствием перемешивания соседних слоев жидкости или газа, влияние шероховатости незначительно. Это связано с тем, что крайний вязкий подслой перекачиваемой среды часто оказывается толще, чем слой, образованный неровностями и выступами на поверхности трубопровода. При таких условиях трубопровод считается гидравлически гладким. При увеличении числа Рейнольдса толщина вязкого подслоя уменьшается, вследствие чего прерывается перекрытие неровностей подслоем и влияние шероховатости на гидравлическое сопротивление возрастает и становится зависимым как от числа Рейнольдса, так и от средней высоты выступов на поверхности трубопровода. Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса переводит перекачиваемую среду в режим турбулентного течения, при котором вязкий подслой полностью разрушается, а создаваемое трение зависит только от величины шероховатости. 1.12 Форма смоченного периметра для различных типов каналов Местные сопротивления создаются различными элементами трубопровода, в которых поток перекачиваемой среды подвергается резким деформациям с изменением направления, скорости или образованием завихрений. Это могут быть задвижки, вентиля, повороты трубопровода, развилки и т.п. Потери напора в местном сопротивлении рассчитываются следующим образом: H мс=ζ мс[w 2/(2g)] H МС – потери напора в местном сопротивлении, м w 2/(2g) – скоростной напор, м ζ МС – коэффициент местного сопротивления w – скорость потока, м/с g – ускорение свободного падения, м/с 2 Как видно из формулы, потери напора в местном сопротивлении зависят только от скорости и от коэффициента местного сопротивления, значения которого для упрощения расчета сведены в таблицы для различных видов местных сопротивлений. Коэффициенты местных сопротивлений в подавляющем большинстве случаев не зависят от скорости потока перекачиваемой среды и определяются в зависимости от характеристик самого местного сопротивления. Решение: Скорость потока воды в трубопроводе равна: w=(4Q) / (πd 2) = ((490) / (3,14[0,012] 2))(1/3600) = 1,6 м/с Найдем потери напора на трение в трубопроводе: H Т = (λl) / (d э[w 2/(2g)]) = (0,02830) / (0,012[1,6] 2) / ((29,81)) = 9,13 м Общие потери составляют: h п = H - [(p 2-p 1)/(ρg)] - H г = 25 - [(1,8-1)10 5)/(10009,81)] - 0 = 16,85 м На потери на местные сопротивления приходится: 16,85-9,13=7,72 м Пример №2 Вода перекачивается центробежным насосом по горизонтальному трубопроводу со скоростью 1,5 м/с. Общий создаваемый напор равен 7 м. Какова максимальная длина трубопровода, если забор воды идет из открытого резервуара, перекачивается по горизонтальному трубопроводу, имеющему один вентиль и два колена под 90°, и свободно изливается из трубы в другой резервуар? Диаметр трубопровода равен 100 мм. Относительную шероховатость принять равной 410 -5. Решение: Для трубы диаметром 100 мм коэффициенты местных сопротивлений будут составлять: Для колена под 90 0 – 1,1; вентиля – 4,1; выхода из трубы – 1. Решение: Рассчитаем скорость течения жидкости в трубопроводе: w = (4Q) / (πd 2) = (410) / (3,140,042 2)1/3600 = 2 м/с Соответствующий найденной скорости скоростной напор будет равен: w 2/(2g) = 2 2/(29,81) = 0,204 м Перед расчетом потерь на трение в трубах необходимо рассчитать коэффициент трения. В первую очередь определим относительную шероховатость трубы: e = Δ/d Э = 0,15/42 = 3,5710 -3 мм Критерий рейнольдса для потока воды в трубопроводе (динамическая вязкость воды при 20 °C составляет 110 -3 Пас, а плотность – 998 кг/м 3): Re = (wd Эρ) / μ = (20,042998) / (110 -3) = 83832 Выясним режим течения воды: 10/e = 10/0,00357 = 2667 560/e = 560/0,00357 = 156863 Найденное значение критерия Рейнольдса попадает в промежуток 2667. Решение: Исходный трубопровод создавал потерю напора только на трение жидкости о стенки при перекачке. Замена участка трубы привела к появлению двух местных сопротивлений (резкое сужение и резкое расширение проходного канала) и участка с изменившемся диаметром трубы, на котором потери на трение будут иными. Оставшаяся часть трубопровода не подверглась изменению, а следовательно их можно не рассматривать в пределах данной задачи. Рассчитаем расход воды через трубопровод: Q = (πd²) / 4w = (3,140,3²) / 41,5 = 0,106 м³/сек Поскольку расход не меняется по длине трубопровода, мы можем определить скорость потока на участке трубы, подвергшемся замене: w = (4Q) / (πd²) = (40,106) / (3,140,215²) = 2,92 м/с Полученное значение скорости потока в замененном участке трубы укладывается в оптимальный диапазон. Для определения коэффициентов местного сопротивления предварительно рассчитаем критерии Рейнольдса для разных диаметров труб и соотношение площадей поперечных сечений этих труб. Критерий Рейнольдса для трубы диаметром 300 мм трубопроводе (динамическая вязкость воды при 20 °C составляет 110 -3 Пас, а плотность – 998 кг/м 3): e = (wd Эρ) / μ = (1,50,31000) / (110 -3) = 450000 Критерий Рейнольдса для трубы диаметром 215 мм трубопроводе (динамическая вязкость воды при 20 °C составляет 110 -3 Пас, а плотность – 998 кг/м 3): Re = (wd Эρ) / μ = (1,50,2151000) / (110 -3) = 322500 Отношение площадей поперечных сечений труб равно: ((πd 1²)/4) / ((πd 2²)/4) = 0,215² / 0,3² = 0,51 По таблицам найдем значения коэффициентов местных сопротивлений, округлив отношение площадей до 0,5. Для внезапного расширения он составит 0,25, для внезапного сужения также 0,25. Потери напора на местные сопротивления составят: ∑ζ МС[w²/(2g)] = 0,25[1,5²/(29,81)] + 0,25[2,92²/(29,81)] = 0,137 м Теперь рассчитаем потери на трение в замененном участке трубопровода для исходного и нового отрезка трубы. Для трубы диаметром 300 мм они составят: H Т = (λl)/d э [w²/(2g)] = (0,0110)/0,3 [1,5²/(29,81)] = 0,038 м Для трубы диаметром 215 мм: H Т = (λl)/d э [w²/(2g)] = (0,01210)/0,215 2,92²/(29,81) = 0,243 м Отсюда делаем вывод, что потери на трение в трубопроводе возрастут на: 0,243-0,038 = 0,205 м Суммарное увеличение потерь на трение в трубопроводе составит: 0,205+0,137 = 0,342 м Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемому насосному оборудованию и трубопроводной арматуре. Ваши запросы на оборудование просим присылать в технический департамент нашей компании на e-mail:, тел. +7 (495) 225 57 86. Головные Представительства в странах СНГ: © ENCE GmbH. Расчет и подбор трубопроводов. Оптимальный диаметр трубопровода • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Трубопроводы для транспортировки различных жидкостей являются неотъемлемой частью агрегатов и установок, в которых осуществляются рабочие процессы, относящиеся к различным областям применения. При выборе труб и конфигурации трубопровода большое значение имеет стоимость как самих труб, так и трубопроводной арматуры. Конечная стоимость перекачки среды по трубопроводу во многом определяется размерами труб (диаметр и длина). Расчет этих величин осуществляется с помощью специально разработанных формул, специфичных для определенных видов эксплуатации. Труба – это полый цилиндр из металла, дерева или другого материала, применяемый для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих сред. В качестве перемещаемой среды может выступать вода, природный газ, пар, нефтепродукты и т.д. Трубы используются повсеместно, начиная с различных отраслей промышленности и заканчивая бытовым применением. Для изготовления труб могут использоваться самые разные материалы, такие как сталь, чугун, медь, цемент, пластик, такой как АБС-пластик, поливинилхлорид, хлорированный поливинилхлорид, полибутелен, полиэтилен и пр. Основными размерными показателями трубы являются ее диаметр (наружный, внутренний и т.д.) и толщина стенки, которые измеряются в миллиметрах или дюймах. Также используется такая величина как условный диаметр или условный проход – номинальная величина внутреннего диаметра трубы, также измеряемая в миллиметрах (обозначается Ду) или дюймах (обозначается DN). Величины условных диаметров стандартизированы и являются основным критерием при подборе труб и соединительной арматуры. Соответствие значений условного прохода в мм и дюймах: Ду, мм DN, дюймы Ду, мм DN, дюймы 15 ½ 400 16 20 ¾ 450 18 25 1 500 20 40 1½ 600 24 50 2 650 26 80 3 700 28 100 4 750 30 150 6 800 32 200 8 900 36 2 40 300 12 350 14 Трубе с круглым поперечным сечением отдают предпочтение перед другими геометрическими сечениями по ряду причин: • Круг обладает минимальным соотношением периметра к площади, а применимо к трубе это означает, что при равной пропускной способности расход материала у труб круглой формы будет минимальным в сравнении с трубами другой формы. Отсюда же следует и минимально возможные затраты на изоляцию и защитное покрытие; • Круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды с гидродинамической точки зрения. Также за счет минимально возможной внутренней площади трубы на единицу ее длины достигается минимизация трения между перемещаемой средой и трубой. • Круглая форма наиболее устойчива к воздействию внутренних и внешних давлений; • Процесс изготовления труб круглой формы достаточно прост и легкоосуществим. Трубы могут сильно отличаться по диаметру и конфигурации в зависимости от назначения и области применения. Так магистральные трубопроводы для перемещения воды или нефтепродуктов способны достигать почти полуметра в диаметре при достаточно простой конфигурации, а нагревательные змеевики, также представляющие собой трубу, при малом диаметре имеют сложную форму с множеством поворотов. Невозможно представить какую-либо отрасль промышленности без сети трубопроводов. Расчет любой такой сети включает подбор материала труб, составление спецификации, где перечислены данные о толщине, размере труб, маршруте и т.д. Сырье, промежуточный продукт и/или готовый продукт проходят производственные стадии, перемещаясь между различными аппаратами и установками, которые соединяются при помощи трубопроводов и фитингов. Правильный расчет, подбор и монтаж системы трубопроводов необходим для надежного осуществления всего процесса, обеспечения безопасной перекачки сред, а также для герметизации системы и недопущения утечек перекачиваемого вещества в атмосферу. Не существует единой формулы и правил, которые могли бы быть использованы для подбора трубопровода для любого возможного применения и рабочей среды. В каждой отдельной области применения трубопроводов присутствует ряд факторов, требующих учета и способных оказать значительное влияние на предъявляемые к трубопроводу требования. Так, например, при работе со шламом, трубопровод большого размера не только увеличит стоимость установки, но также создаст рабочие трудности. Обычно трубы подбирают после оптимизации расходов на материал и эксплуатационных расходов. Чем больше диаметр трубопровода, то есть выше изначальное инвестирование, тем ниже будет перепад давления и соответственно меньше эксплуатационные расходы. И наоборот, малые размеры трубопровода позволят уменьшить первичные затраты на сами трубы и трубную арматуру, но возрастание скорости повлечет за собой увеличение потерь, что приведет к необходимости затрачивать дополнительную энергию на перекачку среды. Нормы по скорости, фиксированные для различных областей применения, базируются на оптимальных расчетных условиях. Размер трубопроводов рассчитывают, используя эти нормы с учетом областей применения. Проектирование трубопроводов При проектировании трубопроводов за основу берутся следующие основные конструктивные параметры: • требуемая производительность; • место входа и место выхода трубопровода; • состав среды, включая вязкость и удельный вес; • топографические условия маршрута трубопровода; • максимально допустимое рабочее давление; • гидравлический расчет; • диаметр трубопровода, толщина стенок, предел текучести материала стенок при растяжении; • количество насосных станций, расстояние между ними и потребляемая мощность. Надежность трубопроводов Надежность в конструировании трубопроводов обеспечивается соблюдением надлежащих норм проектирования. Также обучение персонала является ключевым фактором обеспечения длительного срока службы трубопровода и его герметичности и надежности. Постоянный или периодический контроль работы трубопровода может быть осуществлен системами контроля, учёта, управления, регулирования и автоматизации, персональными приборами контроля на производстве, предохранительными устройствами. Дополнительное покрытие трубопровода Коррозионно-стойкое покрытие наносят на наружную часть большинства труб для предотвращения разрушающего действия коррозии со стороны внешней среды. В случае перекачивая коррозионных сред, защитное покрытие может быть нанесено и на внутреннюю поверхность труб. Перед вводом в эксплуатацию все новые трубы, предназначенные для транспортировки опасных жидкостей, проходят проверку на дефекты и протечки. Основные положения для расчета потока в трубопроводе Характер течения среды в трубопроводе и при обтекании препятствий способен сильно отличаться от жидкости к жидкости. Одним из важных показателей является вязкость среды, характеризуемая таким параметром как коэффициент вязкости. Ирландский инженер-физик Осборн Рейнольдс провел серию опытов в 1880г, по результатам которых ему удалось вывести безразмерную величину, характеризующую характер потока вязкой жидкости, названную критерием Рейнольдса и обозначаемую Re. Re = (vLρ)/μ где: ρ — плотность жидкости; v — скорость потока; L — характерная длина элемента потока; μ – динамический коэффициент вязкости. То есть критерий Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Изменение значения этого критерия отображает изменение соотношения этих типов сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока жидкости. В связи с этим принято выделять три режима потока в зависимости от значения критерия Рейнольдса. При Re4000 наблюдается уже устойчивый режим, характеризуемый беспорядочным изменением скорости и направления потока в каждой отдельной его точке, что в сумме дает выравнивание скоростей потока по всему объему. Такой режим называется турбулентным. Число Рейнольдса зависит от задаваемого насосом напора, вязкости среды при рабочей температуре, а также размерами и формой сечения трубы, через которую проходит поток. Профиль скоростей в потоке ламинарный режим переходный режим турбулентный режим Характер течения ламинарный режим переходный режим турбулентный режим Критерий Рейнольдса является критерием подобия для течения вязкой жидкости. То есть с его помощью возможно моделирование реального процесса в уменьшенном размере, удобном для изучения. Это крайне важно, поскольку зачастую бывает крайне сложно, а иногда и вовсе невозможно изучать характер потоков жидкости в реальных аппаратах из-за их большого размера. Расчет трубопровода. Расчет диаметра трубопровода Если трубопровод не теплоизолированный, то есть возможен обмен тепла между перемещаемой и окружающей средой, то характер потока в нем может изменяться даже при постоянной скорости (расходе). Такое возможно, если на входе перекачиваемая среда имеет достаточно высокую температуру и течет в турбулентном режиме. По длине трубы температура перемещаемой среды будет падать вследствие тепловых потерь в окружающую среду, что может повлечь за собой смену режима потока на ламинарный или переходный. Температура, при которой происходит смена режима, называется критической температурой. Значение вязкости жидкости напрямую зависит от температуры, поэтому для подобных случаев используют такой параметр как критическая вязкость, соответствующая точке смены режима потока при критическом значении критерия Рейнольдса: v кр = (vD)/Re кр = (4Q)/(πDRe кр) где: ν кр – критическая кинематическая вязкость; Re кр – критическое значение критерия Рейнольдса; D – диаметр трубы; v – скорость потока; Q – расход. Еще одним важным фактором является трение, возникающее между стенками трубы и движущимся потоком. При этом коэффициент трения во многом зависит от шероховатости стенок трубы. Взаимосвязь между коэффициентом трения, критерием Рейнольдса и шероховатостью устанавливается диаграммой Муди, позволяющей определить один из параметров, зная два других. Формула Коулбрука-Уайта также применяется для вычисления коэффициента трения турбулентного потока. На основании этой формулы возможно построение графиков, по которым устанавливается коэффициент трения. (√ λ) -1 = -2log(2,51/(Re√ λ) + k/(3,71d)) где: k – коэффициент шероховатости трубы; λ – коэффициент трения. Существуют также и другие формулы приблизительного расчета потерь на трение при напорном течении жидкости в трубах. Одним из наиболее часто используемых уравнений в этом случае считается уравнение Дарси-Вейсбаха. Оно основывается на эмпирических данных и используется в основном при моделировании систем. Потери на трение – это функция скорости жидкости и сопротивления трубы движению жидкости, выражаемой через значение шероховатости стенок трубопровода. ∆H = λ L/d v²/(2g) где: ΔH – потери напора; λ – коэффициент трения; L – длина участка трубы; d – диаметр трубы; v – скорость потока; g – ускорение свободного падения. Потеря давления вследствие трения для воды рассчитывают по формуле Хазена — Вильямса. ∆H = 11,23 L 1/С 1,85 Q 1,85/D 4,87 где: ΔH – потери напора; L – длина участка трубы; С – коэффициент шероховатости Хайзена-Вильямса; Q – расход; D – диаметр трубы. Давление Рабочее давление трубопровода – это набольшее избыточное давление, обеспечивающее заданный режим работы трубопровода. Решение о размере трубопровода и количестве насосных станций обычно принимается, опираясь на рабочее давление труб, производительность насоса и расходы. Максимальное и минимальное давление трубопровода, а также свойства рабочей среды, определяют расстояние между насосными станциями и требуемую мощность. Номинальное давление PN – номинальная величина, соответствующая максимальному давлению рабочей среды при 20 °C, при котором возможна продолжительная эксплуатация трубопровода с заданными размерами. При увеличении температуры нагрузочная способность трубы понижается, как и допустимое избыточное давление вследствие этого. Значение pe,zul показывает максимальное давление (изб) в трубопроводной системе при увеличении рабочей температуры. График допустимых избыточных давлений. Расчет падения давления в трубопроводе Расчет падения давления в трубопроводе производят по формуле: ∆p = λ L/d ρ/2 v² где: Δp – перепад давления на участке трубы; L – длина участка трубы; λ – коэффициент трения; d – диаметр трубы; ρ – плотность перекачиваемой среды; v – скорость потока. Транспортируемые рабочие среды Чаще всего трубы используют для транспортировки воды, но также их могут применять для перемещения шлама, суспензий, пара и т.д. В нефтяной отрасли трубопроводы служат для перекачивания широкого спектра углеводородов и их смесей, сильно отличающихся по химическим и физическим свойствам. Сырая нефть может транспортироваться на больше расстояния от месторождений на суше или нефтяных вышек на шельфе до терминалов, промежуточных точек и НПЗ. Условие: В нефтехимической установке перекачивают параксилол С 6Н 4(СН 3) 2 при Т=30 °С с производительностью Q=20 м 3/час по участку стальной трубы длиной L=30 м. П-ксилол имеет плотность ρ=858 кг/м 3 и вязкость μ=0,6 сП. Абсолютная шероховатость ε для стали взять равной 50 мкм. Исходные данные: Q=20 м 3/час; L=30 м; ρ=858 кг/м 3; μ=0,6 сП; ε=50 мкм; Δp=0,01 мПа; ΔH=1,188 м. Задача: Определить минимальный диаметр трубы, при котором на даном участке перепад давления не будет превышать Δp=0,01 мПа (ΔH=1,188 м столба П-ксилола). Решение: Скорость потока v и диаметр трубы d неизвестны, поэтому невозможно рассчитать ни число Рейнольдса Re, ни относительную шероховатость ɛ/d. Необходимо взять значение коэффициента трения λ и рассчитать соответствующее значение d, используя уравнение потерь энергии и уравнение неразрывности. Затем на основании значения d будут рассчитаны число Рейнольдса Re и относительная шероховатость ɛ/d. Далее с помощью диаграммы Муди будет получено новое значение f. Таким образом, используя метод последовательных итераций, будет определо искомое значение диаметра d. Условие: По наклонному желобу, имеющему прямоугольный профиль шириной w = 500 мм и высотой h = 300 мм, течет вода, не доставая a = 50 мм до верхней кромки желоба. Расход воды при этом составляет Q = 200 м 3/час. При расчетах плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м 3, а динамическую вязкость μ = 110 -3 Пас. Исходные данные: w = 500 мм; h = 300 мм; l = 5000 мм; a = 50 мм; Q = 200 м 3/час; ρ = 1000 кг/м 3; μ = 110 -3 Пас. Задача: Определить величину критерия Рейнольдса. Решение: Поскольку в данном случае движение жидкости происходит по прямоугольному желобу вместо круглой трубы, то для последующих расчетов необходимо найти эквивалентный диаметр канала. В общем случае он рассчитывается по формуле: d э = (4F ж)/P c где: F ж – площадь поперечного сечения потока жидкости; P с – смоченный периметр. Очевидно, что ширина потока жидкости совпадает с шириной канала w, в то время как высота потока жидкости будет равна h-a мм. В этом случае получим: P c = w+2(h-a) = 0,5+2(0,3-0,05) = 1 м F ж = w(h-a) = 0,5(0,3-0,05) = 0,125 м 2 Теперь становится возможным определение эквивалентного диаметра потока жидкости: d э = (4F ж)/P c = (40,125)/1 = 0,5 м Далее воспользуемся формулой для расхода, выраженного через скорость потока и его площадь поперечного сечения, и найдем скорость потока: Q = vF ж м/с v = Q/F ж = 200/(36000,125) = 0,45 С помощью найденных ранее значений становится возможным воспользоваться формулой для расчета критерия Рейнольдса: Re = (ρvd э)/μ = (10000,450,5) / (110 -3) = 225000 Задача №6. Расчет и определение величины потери напора в трубопроводе. Условие: Насосом вода подается по трубопроводу круглого сечения, конфигурация которого представлена на рисунке, к конечному потребителю. Расход воды составляет Q = 7 м 3/час. Диаметр трубы равен d = 50 мм, а абсолютная шероховатость Δ = 0,2 мм. При расчетах плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м 3, а динамическую вязкость μ = 110 -3 Пас. Исходные данные: Q = 7 м 3/час; d = 120 мм; Δ = 0,2 мм; ρ = 1000 кг/м 3; μ = 110 -3Пас. Задача: Рассчитать величину потери напора в трубопроводе (H оп). Решение: Вначале найдем скорость потока в трубопроводе, для чего воспользуемся формулой расхода жидкости: v = (4Q) / (πd²) = [(47)/(3,140,05²)] 1/3600 = 1 м/с Найденная скорость позволяет определить величину критерия Рейнольдса для данного потока: Re = (wdρ)/μ = (10,051000) / (110 -3) = 50000 Суммарная величина потерь напора складывается из потерь на трение при движении жидкости по трубе (H т) и потерь напора в местных сопротивлениях (H мс). Потери на трение могут быть рассчитаны по следующей формуле: H т = [(λl)/d э] [v²/(2g)] где: λ – коэффициент трения; L – общая длина трубопровода; [v²/(2g)] – скоростной напор потока. Найдем величину скоростного напора потока: v²/(2g) = 1²/(29,81) = 0,051 м Чтобы определить значение коэффициента трения, необходимо выбрать правильную формулу расчета, что зависит от величины критерия Рейнольдса. Для этого найдем величину относительной шероховатости трубы по формуле: e = Δ/d = 0,2/50 = 0,004 Далее рассчитаем две дополнительные величины: 10/e = 10/0,004 = 2500 Найденное ранее значение критерия Рейнольдса попадает в промежуток 10/e. Условие: В ходе ремонтных работ магистрального трубопровода, по которому перекачивается вода со скоростью v 1 = 2 м/с, с внутренним диаметром d 1 = 0,5 м выяснилось, что замене подлежит участок трубы длиной L = 25 м. Из-за отсутствия трубы для замены того же диаметра на место вышедшего из строя участка установили трубу с внутренним диаметром d 2 = 0,45 м. Абсолютная шероховатость трубы с диаметром 0,5 м составляет Δ 1 = 0,45 мм, а трубы с диаметром 0,45 м — Δ 2 = 0,2 мм. При расчетах плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м 3, а динамическую вязкость μ = 110 -3 Пас. Исходные данные: d 1 = 0,5 м; d 2 = 0,45 м; L = 25 м; v 1 = 2 м/с; Δ 1 = 0,45 мм; Δ 2 = 0,2 мм; ρ = 1000 кг/м 3; μ = 110 -3 Пас. Задача: Необходимо определить, как изменится гидравлическое сопротивление всего трубопровода. Решение: Поскольку остальная часть трубопровода не подвергалась изменению, то и величина ее гидравлического сопротивления также не изменилась после ремонта, поэтому для решения задачи достаточно будет сравнить гидравлические сопротивления замененного и заменившего участка трубы. Рассчитаем гидравлическое сопротивление участка трубы, подвергшегося замене (H 1). Поскольку какие-либо источники местных сопротивлений на нем отсутствуют, то достаточно будет найти величину потерь на трение (H т1): H т1 = [(λ 1l)/d 1] [(v 1²)/(2g)] где: λ 1 – коэффициент гидравлического сопротивления замененного участка; g – ускорение свободного падения. Всех приветствую! Ребята, есть вопрос. Я не проектировщик, не расчетчик, а простой люд. Есть старый домик общей площадью 25 кв.метров, жилая 18. Из этого домика я намерен сделать котельную для будущего отдельно стоящего большого дома и теплицы. Газ не проведен. Когда будет построен этот большой дом и теплица - знает только Бог, в общем когда-то в будущем. Намерен проводить газ в домик с установкой простого бытового газового счетчика. Как мне известно, диаметр газовых труб для бытового счетчика (я определял на глаз) где-то около 40 мм. Расстояние от домика до магистрального уличного газопровода 10 метров. Магистральный уличный газопровод имеет диаметр 150 мм, или больше (на глаз), но не менее. Давление газа в этой трубе не известно, но можно принять 4-6 атм. Вопрос: Каков объем газа (в час), который пропустит газовая труба 40 мм (38 мм) общей длиной 10 метров? Хватит ли этого объема для работы котла номинальной мощностью 67 квт? В Вашем случае, при принятом расходе газа 1,2 нм3 на 10,7кВт мощности газового котла расход газа примерно составит 1,2 х 67/10,7 = 7,5 нм3 в час. Скорость в трубе с внутренним диаметром 40мм составит 1,66м в секунду, что вполне допустимо исходя из степени шумности. СП 42-101-2003 'Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб' пункт 3.38: «При выполнении гидравлического расчета надземных и внутренних газопроводов с учетом степени шума, создаваемого движением газа, следует принимать скорости движения газа не более 7 м/с для газопроводов низкого давления, 15 м/с для газопроводов среднего давления, 25 м/с для газопроводов высокого давления.».
0 Comments
Leave a Reply. |
AuthorWrite something about yourself. No need to be fancy, just an overview. Archives
September 2018
Categories |