Гидравлический расчет трубопроводов

Вопросы / ответыГидравлический расчет трубопроводов
0 +1 -1
antfiksa Админ. спросил 1 месяц назад
1 ответ
0 +1 -1
antfiksa Админ. ответил 1 месяц назад

Основной задачей гидравлического расчета является опре­деление диаметра d трубопровода и потери напора h по заданной производительности Q.
Расчет вновь проектируемого трубопровода начинают с предварительного выбора диаметра и ориентировочно выбранной скорости ω движения жидкости.
По скорости ω, диаметру d и вязкости у устанавливается па­раметр Рейнольдса Re и характер движения жидкости. Затем опре­деляют коэффициент гидравлического сопротивления λ, гидравли­ческий уклон i и потерю напора h на трение в трубопроводе.
В гидравлике различают два основных режима: ламинарный и турбулентный. Между ними лежит неопределенный режим, при котором в трубопроводе может наблюдаться то ламинарное, то турбулентное движение.
Для определения режима движения служит параметр Рей­нольдса:
Re = ω d,
где ω — скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с; d -диаметр трубопровода, м;  γ — кинематическая вязкость, м2/с.
Установлено, что при Re > 2320 в трубопроводе кругового сечения всегда имеет место турбулентный режим Re <, а при 2320 — ламинарный.
Перемещение жидкости связано с потерей напора. При пе­ремещении ее по трубопроводам насос должен развивать напор, необходимый для преодоления гидравлических сопротивлений трения по длине трубопровода, местных сопротивлений (вентили, изгибы, повороты), геометрической высоты, равной разности от­меток уровней жидкости в конечном и начальном пунктах перекачки, и на создание скоростного напора жидкости.
Величина потери напора на трение по длине для труб круг­лого сечения, выражается следующим уравнением гидравлики:
h2/2dg,                           (2.1)
где λ — коэффициент гидравлического сопротивления; ω — сред­няя скорость движения жидкости, м/с.
Если потерю напора выразить через расход, то уравнение (2.1) примет вид:
                                  h=8λlQ2/(π2gd5).                                           (2.2)
В отдельных случаях формулу (2.2) применяют в виде
hQ2-m γml/d5-m,                       (2.3)
где β и т — коэффициенты, зависящие от режима движения.
Гидравлический уклон:
i = h/l = λω2 / (2dg) = tga,
где λ — зависит от режима движения жидкости и от степени ше­роховатости стенок трубопровода.
Под шероховатостью понимают неровности (выступы) на внутренних поверхностях стенок. Различают абсолютную и отно­сительную шероховатость.
Абсолютной шероховатостью ε называется абсолютная вы­сота выступов на внутренней поверхности трубопровода. Отно­сительная шероховатость ε есть отношение абсолютной шерохо­ватости к внутреннему радиусу трубопровода:
ε = е/r.
Трубы имеют шероховатость различных размеров и нерав­номерную по длине трубы. Поэтому для характеристики шерохо­ватости пользуются эквивалентной (усредненной) шероховато­стью К1. Она зависит от материала труб, продолжительности экс­плуатации, явлений коррозии и эрозии. Для большинства сталь­ных труб эквивалентная шероховатость 0,1—0,2 мм. Опытами ус­тановлено, что для нефтепроводных и газопроводных труб
К1 = 0,14—0,15 мм.
Трубопроводы разделяются на гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые. Гидравлически гладкими называ­ются трубопроводы, в которых отдельные струи потока, двигаясь параллельно друг другу, плавно обтекают все неровности на внутренней поверхности трубы, в результате чего шероховатость не оказывает влияния на сопротивление потока. Такое явление наблюдается при ламинарном режиме. Коэффициент гидравличе­ского сопротивления λ для гидравлически гладких труб зависит от числа Re и не зависит от степени шероховатости стенок труб.
С увеличением турбулентности толщина пограничного слоя уменьшается, становится меньше абсолютной шероховатости ε и в результате при соприкосновении жидкости со стенкой трубы получаются дополнительные завихрения, создаваемые выступа­ми за счет которых величина коэффициента гидравлического со­противления увеличивается. В этом случае коэффициент сопро­тивления зависит от шероховатости стенок трубопровода и числа Рейнольдса (зона смешанного трения). При дальнейшем увеличе­нии числа Рейнольдса повышается турбулентность потока и, на­чиная с определенного значения Рейнольдса, коэффициент λ бу­дет зависеть только от шероховатости труб (квадратичная зона). При перекачке нефти режим квадратичного сопротивления не на­блюдается. Он встречается при транспорте газа. В нефтепроводах чаще встречается режим гидравлически гладкого трения (Re < Re1),  в продуктопроводах — смешанное трение (Re1 < Re < ReII).
Величина коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме, когда Re < 2320, независимо от степени шероховатости трубы, определяется по формуле Стокса:
λ = 64 / Re.
Для ламинарного режима коэффициенты в формуле (2.3) равны m=lиβ = 128/(πg).
При Re > 3000 всегда имеет место турбулентный режим. Коэффициенты m и β при турбулентном режиме в зоне гидрав­лически гладких труб m = 0,25 и β = 0,241/g, а при квадратичном законе сопротивления (для гидравлически шероховатых труб) m = 0 и β =8λ/(π2g).
Для расчета коэффициентов гидравлического сопротивле­ния при турбулентном режиме для разных чисел Рейнольдса ре­комендуется пользоваться формулами:
Блазиуса     λ = 0,3164 · Re-0,25;
Исаева       l/λ1/2 = -l,81g(6,8/Re+ε’);
Никурадзе  λ =l/(l,74 + 2lgd/2Kl)2.
Многие вязкие нефтепродукты при низких температурах (вблизи температуры застывания) не подчиняются закону Нью­тона, а следуют закону Шведова — Бингхема, так как обладают динамическим сопротивлением сдвига. Они текут по трубам осо­бенным образом: центральная часть потока движется как твердое тело, а периферийная — течет как жидкость ламинарно. Такой ре­жим движения называют структурным.
Потеря напора на местные сопротивления определяется по формуле
hм.с = Σ εω2 / (2g),            (2.4)
где Σε — сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке; ω — скорость за местом сопротивления.
Иногда величину местного сопротивления определяют че­рез эквивалентную длину прямого участка трубы (под этим по­нимается длина такого участка трубы, на котором потеря напора эквивалентна потере в местном сопротивлении).
Эквивалентная длина прямого участка определится, если приравнять правые части уравнений (2.1) и (2.4) и обозначить l через lэкв:
lэкв = εd / λ.
Суммарная потеря напора в трубопроводе определяется по формуле
Н = hT + hCK ± Нст,
где hT — потери напора на трение по длине и в местных сопротив­лениях, м ст. жидк.; hCK max l(2g) — потери на участке, кото­рому соответствует наибольшая скорость движения нефтепро­дукта (в местах сужения трубопровода), м ст. жидк.; Нст — раз­ность отметок уровней жидкости в конце и начале трубопровода (на какую высоту приходится поднимать жидкость).
Гидравлический расчет заканчивается подбором насоса по значениям подачи и напора и определением действительной про­изводительности при работе принятого насоса на данный трубо­провод.