Расчет простого трубопровода.

Простым называется трубопровод из одной линии труб (без ответвлений). Рассмотрим такой трубопровод произвольно расположенный в пространстве. Длина трубопровода ℓ_тр, внутренний диаметр d и на нем расположены ряд местных сопротивлений ξ _мест.

Составим уравнение Бернулли для сечений 1 и 2:

z₁ + p₁ / ρg + u²₁ /2g = z₂ + p₂ / ρg + u²₂ /2g + ∑h

где z₁ + p₁ / ρg ; z₂ + p₂ / ρg – удельные потенциальные энергии;

u₁ и u₂ – средние скорости;

∑h – сумма потерь напора между сечениями 1 и 2.

Из этого уравнения получаем

(z₁ + p₁ / ρg ) – (z₂ + p₂ / ρg) = (u²₂ - u²₁) /2g +∑h

Левая сторона представляет собой разность отметок пьезометрической линии в сечениях 1 и 2, в правой части разность удельных кинетических энергий. Потери напора ∑h состоят из потерь по длине h_ℓ и местных h_м. Поэтому

(z₁ + p₁ / ρg ) – (z₂ + p₂ / ρg) = (u²₂ - u²₁) /2g +h_м + h_ℓ.

Если трубопровод имеет большую длину (больше 100 м), то по сравнению с потерями по длине h_ℓ местные потери h_м будут и разность удельных кинетических энергий представляют собой незначительную величину, которой обычно пренебрегают. И в этом случае получаем:

(z₁ + p₁ / ρg ) – (z₂ + p₂ / ρg) = h_ℓ ,

т.е. считается, что разность отметок пьезометрической линии равна потерям напора по длине.

При гидравлическом расчете трубопроводов надо иметь в виду, что трубы со временем покроются осадками и из новых сделаются старыми. В таком виде трубы должны давать требующееся по расчету количество жидкости. Отсюда следует, что трубы надо рассчитывать как бывшие в употреблении.

Гидравлический расчет сводится к определению либо высоты расположения резервуара, либо расход жидкости, либо величину диаметра трубы.

При определении высоты расположения резервуара определяют потребный напор :

Н_потр = p₁ / ρg = (z₂ - z₁ ) + p₂ / ρg + h_ℓ

где (z₂ - z₁ ) =Δz геометрическое превышение;

p₂ / ρg – пьезометрическая высота;

p₂ / ρg + Δz – гидростатический напор в трубопроводе.

Т.к. потери зависят от скорости течения жидкости, то и потребный напор тоже будет зависеть от нее и с изменением скорости будет изменяться, что приведет к изменению расхода.

При определении наивыгоднейшего диаметра труб и требуемого напора по известному расходу жидкости и заданной длине трубопровода, необходимо определить скорость и диаметр. При такой постановке задачи нельзя определить число Рейнольдса и коэффициент сопротивления трубопровода λ. Поэтому задаются параметром λ = 0,03 и по нему определяют диаметр трубы. Полученный диаметр округляют до ближайшего стандартного значения и уже по уточненному значению производят расчет скорости и числа Рейнольдса уточняются все величины.

Явление гидравлического удара.

Гидравлический удар – это резкое изменение давления жидкости при внезапном уменьшении скорости ее движения или внезапной остановке потока. Это следствие быстрого перекрытия потока, что вызывает рост давления. Теоретическое обоснование и методику расчета гидравлического удара предложил Жуковский.

Если при напорном движении жидкости в трубе (смотрите рисунок) мгновенно закрыть кран, то движущаяся жидкость остановится, кинетическая энергия потока израсходуется на сжатие жидкости и расширение стенок трубы. Вследствие сжатие жидкости и расширение стенок трубы любое сечение А-А, взятое в жидкости, сместится в направлении движения положение В-В и т.д. это произойдет со всеми сечениями. Жидкость окажется сжатой, обладающей большой энергией. В результате чего начнется обратное движение жидкости (возврат сечений на свои места).

Было выяснено, что гидравлический удар представляет собой колебательный процесс с чередованием повышения и понижения давления. Причем частицы жидкости совершают затухающие колебания, одновременно с которыми будет изменяться и давление. Изменение давления в жидкости при напорном движении, вызываемое резким изменением скорости течения за весьма малый промежуток времени, называется гидравлическим ударом.

Увеличение давления при гидравлическом ударе может привести к разрыву стенок трубы. Это увеличение давления в первый момент происходит непосредственно у крана, а затем оно передается через соседние слои по всей длине трубы до ее начала с некоторой скорость с. Эта скоростьносит название скорости распространения ударной волны.

Величину повышения давления можно рассчитать:

Δр_уд = ρ с u₀

u₀ – потеря скорости

Δр_уд – ударное давление.

При гидравлическом ударе наблюдается затухающий колебательный процесс. Наиболее опасным является первая волна давления, т.к. при мгновенном закрытии трубопровода скорость частиц падает до 0, а в остановившемся потоке резко возрастает давление. В следующий момент на остановившиеся частицы набегают следующие и зона повышенного давления увеличивается.

Для защиты трубопроводов применяют специальные устройства, которые делятся на :

· устройства, меняющие знак давления (обратные клапаны);

· устройства, тормозящие развитие волнового процесса (газовые и воздушные колпаки);

· устройства, изменяющие характеристику источника возмущения (маховые колеса на валу насоса).

Понятие о кавитации.

Кавитацией называется образование полостей в жидкости заполненных паром или газом. Она возникает в случае, когда давление жидкости ниже давления парообразования. Кавитация сопровождается шумом и вибрацией, вызывает эрозию (места разрушения металлов под действием механических явлений) и коррозию (разрушение металла вследствие химического взаимодействия).

Эти явления наблюдаются во всасывающих трубах насосов, лопастях гидравлических машин (гидротурбин, сифонных трубопроводах и др.).