ТЕМА 10. Основы сельскохозяйственного водоснабжения и гидромелиорации
Системы и схемы сельскохозяйственного водоснабжения. Нормы водоснабжения. Режим водопотребления. Водозаборные сооружения. Водонапорные башни. Гидромелиорации : их назначение и пути реализации.
[1, с. 261-282], [2, с. 264-368]
Системой водоснабжения называется совокупность объединенных в технологическую линию машин, оборудования и инженерных сооружений, предназначенных для забора, перекачки, улучшения качества, хранения, регулирования подачи и подачи воды от водоисточника к местам ее потребления под необходимым напором.
Необходимо изучить схемы сельскохозяйственного водоснабжения, их отличительные особенности, ознакомиться с природными и искусственными источниками водоснабжения, способами передачи воды, особенностями конструкции водозаборных сооружений. Знать требования, предъявляемые к качеству питьевой воды. Уяснить понятия «норма водоснабжения» и «режим водопотребления». Уяснить понятия коэффициентов суточной и часовой неравномерности водопотребления. Уметь определять среднесуточный и часовой расходы воды.
Уяснить назначение, типы и особенности устройства водонапорных башен. Уметь определять высоту водонапорной башни и регулирующий объем напорного резервуара. Необходимо ознакомиться с методикой подбора насосов. Изучить особенности полевого и пастбищного водоснабжения.
Гидромелиорации – это комплексы долговременных мероприятий, обеспечивающих регулирование водно - воздушного режима почв в соответствии с предъявляемыми требованиями. Осуществляются они посредством оросительных, обводнительных и осушительных систем (в зависимости от требуемого вида гидромелиораций).
Ознакомиться с особенностями орошения земель, методами обводнения и осушения, возможностями их технической реализации.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы виды систем и особенности сельскохозяйственного водоснабжения? 2. Изобразите одну из схем сельскохозяйственного водоснабжения. Каково функциональное предназначение ее элементов? 3. Какие подземные воды Вы знаете? Каковы особенности забора данных вод? 4. Поясните алгоритм подбора погружного насоса? 5. Что понимается под нормой водоснабжения? 6. Что понимается под режимом водопотребления? Какова его практическая значимость? 7. Поясните особенности работы водонапорной башни. 8. Что называется оросительной системой? 9. Охарактеризуйте основные методы осушения.
Контрольные задания
Физические свойства жидкости
1. Определить плотность жидкости Ж, полученной смешением жидкости Ж1, объемом Wi = (10+10j) л, плотностью ρ1 = (860+5 х j) кг/м3 и жидкости Ж2 объемом W2 = (95-10j) л/м3, плотностью ρ2 = (910-5j) кг/м3.
2. Жидкость, имеющая плотность ρ = (865+1 х j) кг/м3 и объем W = (150-1j) л, получена смешиванием масла плотностью ρ1 = (850+1j) кг/м3 с маслом плотностью ρ2 = (885+0,5j) кг/м3. Определить объемы W 1 и W2 масел, составляющих эту жидкость.
3. Определить плотность жидкости, полученной смешиванием двух минеральных масел плотностью ρ1 = (845+5j) кг/м3 и ρ2 = (865+5j) кг/м3. Объем первого масла составляет 40 % объема второго.
4. Определить плотность рабочих жидкостей при различных температурах и результаты расчета для своего варианта j занести в таблицу 2. Температурный коэффициент объемного расширения всех масел принять равным 8,75 * 10-4 К-1.
Таблица 2 – Результаты расчетов плотности рабочих жидкостей
| j | Марка масла | Плотность жидкости ρ, кг/м3 при температуре t, оС | |||||||||
| -40 | -30 | -20 | -10 | ||||||||
| М-8-В2 | |||||||||||
| М-10-В2 | |||||||||||
| МГ-46-В (МГ-30) | |||||||||||
| МГ-15-В(с) (РМГЗ) | |||||||||||
| МГ-15-Б (АМГ-10) | |||||||||||
| МГ-20 |
5. При температуре плюс 20 оС масла М-10-В2, МГ-46-В (бывшие МГ-30) и МГ-15-В(с) (бывшее ВМГЗ) занимают объем Wо = (20+10j) л. Определить объемы, которые они будут занимать при температурах минус 40 оС и плюс 50 оС. Температурный коэффициент объемного расширения всех масел принять равным 8,75 * 10-4 К-1.
6. Минеральное масло и вода в гидроцилиндрах при атмосферном давлении занимают объем Wо = (10+3j) л. Определить, какой объем будут занимать эти жидкости при давлении р = (8+4j) МПа, если коэффициент объемного сжатия минерального масла равен 6,6 * 10-10Па-1, а воды – 4,7 * 10-10Па-1. Деформацией стенок гидроцилиндров пренебречь.
7. На какую величину переместится шток гидроцилиндра диаметром D=(50+10j) мм с запертым в нем при атмосферном давлении объемом минерального масла Wо = 18 л, если на шток приложить усилие Т = (3+0,5j) K 104 Н. Коэффициент объемного сжатия масла 6,6 * 10-10 Па-1. Деформацией стенок гидроцилиндра пренебречь.
8. Стальной трубопровод длиной L = (100+20j) м и внутренним диаметром d = (40+10j) мм при атмосферном давлении полностью заполнен минеральным маслом. Определить, какой дополнительный объем масла необходимо подать в полость трубы при ее гидравлическом испытании под давлении р = (16+4j) МПа. Коэффициент объемного сжатия масла равен 6,6 * 10-10 Па-1. Деформацией стенок трубы пренебречь.
9. Резервуар заполнен водой, занимающий объем W1 = (1,5+0,2j) м3. На сколько уменьшится и чему будет равен этот объем при увеличении давления на величину 200 ат? Коэффициент объемного сжатия воды принять равным 4,75 * 10-10 Па-1. Деформацией стенок резервуара пренебречь.
10. Высота цилиндрического резервуара h = (2,5+0,1j) м, его внутренний диаметр d = (2,7+0,1j) м. Определить массу мазута плотностью 920 кг/м3, которую можно налить в резервуар при температуре 15 оС, если его температура может подняться до 40 оС. Расширением стенок резервуара пренебречь, а коэффициент объемного температурного расширения жидкости принять равным 0,0008 К-1.
Гидростатика
11. Закрытый резервуар А, заполненный пресной водой, снабжен вакуумметром и пьезометром (рис. 1). Определите абсолютное давление ρо над свободной поверхностью в резервуаре и высоту поднятия воды в пьезометре h, если глубина воды в резервуаре Н = (2,2+0,1j) м., а разность уровней ртути в вакуумметре h1 = 80 мм. рт. ст.
12. Закрытый резервуар А, заполненный керосином на глубину Н = (3+0,1j) м., снабжен ртутным манометром и пьезометром (рис. 1). Определить абсолютное давление ро над свободной поверхностью в резервуаре и разность уровней ртути в вакуумметре h1, если высота поднятия керосина в пьезометре h = 1,5 м. Плотность керосина 820 кг/м3.
13. Закрытый резервуар А, заполненный водой, снабжен ртутным манометром и мановакуумметром М (рис. 2). Определить глубину Н подключения ртутного манометра к резервуару, если разность уровней ртути в манометре h = (140+2j) мм. Величина b = 0,5 м., а показание мановакуумметра М равно рм = 9,81 кН/м2.
14. Закрытый резервуар А, заполненный нефтью, снабжен ртутным манометром и мановакуумметром М (рис. 2). Определить показание мановакуумметра рм, если глубина подключения манометра Н = (1,5+0,2j) м., разность уровней ртути h = 200 мм, а величина b = 0,5 м. Плотность нефти 900 кг/м3.
15. Манометрическое давление в трубе А, заполненной жидкостью с плотностью 820 кг/м3, рм =1 ,5 кгс/см2 (рис. 3). Показание ртутного дифференциального манометра h = (100+5j) мм. Определить давление рв в трубе В, заполненной той же жидкостью, что и колена манометра, и труба А.
Рисунки к задачам 11…19
16. Определить, на какой высоте z установится уровень ртути в дифференциальном жидкостном манометре (рис. 4), если при абсолютном давлении в трубопроводе р = (130+0,5j) кПа и показании манометра h = 25 мм система находится в равновесии. Удельный вес ртути 133,4 кН/м3, а воды 9,81 кН/м3.
17. Закрытый резервуар (рис. 5) заполнен керосином. Определить показание манометра М рм, если показание открытого пьезометра h = (2,0+0,1j) м. при нормальном атмосферном давлении, а глубина погружения точки А равна h1 = (1,1+0,05j) м.
18. Закрытый резервуар с водой (рис. 5) снабжен закрытым и открытым пьезометрами. Определить высоту h2 поднятие воды в закрытом пьезометре (соответствующую абсолютному гидростатическому давлению в точке А). Показание открытого пьезометра h = 1,8 м при нормальном атмосферном давлении. Расстояние от свободной поверхности жидкости в резервуаре до точки А равно h1 = (0,8+0,05j) м.
19. Закрытый резервуар с нефтью снабжен пьезометром (рис. 6). Определить показание манометра М, если глубина погружения точки А h1 = (0,5+0,05j) м, а при нормальном атмосферном давлении показание пьезометра h2 = (0,7+0,1j) м.
20. На какой высоте h над точкой А находится свободная поверхность воды, если манометр М (рис. 7) показывает давление (20+j) кПа. Абсолютное давление над свободной поверхностью жидкости в резервуаре равно (8+2j) кПа. Построить эпюру абсолютного гидростатического давления, действующего по вертикали ВС.
21. Резервуар, наполненный водой, снабжен пьезометром (рис. 8). Точка А погружена на глубину h = (1,0+0,1j) м. Избыточное давление на свободной поверхности равно (5+0,2j) кПа. Найти высоту h1 подъема воды в пьезометре. Построить эпюру абсолютного гидростатического давления на плоскую поверхность ВС.
22. Резервуар, наполненный водой, снабжен пьезометром и манометром М (рис. 8). Точка А погружена на глубину h = (0,9+0,1j) м., а показание пьезометра h1 = (1,5+0,2j) м. Найти показание манометра М, а также построить эпюру избыточного гидростатического давления, действующего по вертикали ВС.
Рисунки к задачам 20…24
23. Определить абсолютное давление на свободной поверхности и избыточное давление в точке А для жидкости плотностью 760 кг/м3, находящейся в резервуаре (рис. 9), если атмосферное давление рат = 750 мм рт ст. Глубина погружения точки А под свободную поверхность h = (3+0,1j) м, показание манометра М рм = (0,035+0,005j) МПа, а расстояние от центра манометра h1 = (0,5+0,1j) м.
24. Цилиндрический сосуд массой m = (450+5j) кг диаметром D = (550+50j) мм и высотой h = (540+40j) мм, полностью заполненный жидкостью плотностью (1000-30j) кг/м3, опирается на плунжер диаметром d = (350+50j) мм, который входит в него на глубину b = (200+20j) мм (рис. 10). Определить показание манометра М и усилие Т на верхней крышке сосуда. Трением опоры сосуда о поршень пренебречь
25. Понтон (рис. 11) длиной L = (10+0,5j) м и массой mп = (5+0,4j) * 103 кг имеет поперечное сечение с размерами Н = (4,1+0,1j) м, h = (3,1+0,1j) м и b = (9,0+0,2j) м. Определить максимальную грузоподъемность mгр понтона, если расстояние ватерлинии от палубы равно h1 = (0,20+0,01j) м. Плотность воды принять равной 1000 кг/м3.
26. Какую силу необходимо приложить к большему поршню, чтобы система находилась в равновесии (рис. 12)? Сила, приложенная к меньшему поршню, Р1 = (140+2j) Н. Диаметр большего поршня D2 = (280+10j) мм, меньшего D1 = (46+2j) мм. Разность уровней h = 30 см. Внутренняя полость заполнена водой. Внутренний диаметр трубки d = 10 мм. Трением поршней и их весом пренебречь. Сколько процентов составляет сила давления столба воды от найденной силы Р2?
27. Поршень пружинного гидроаккумулятора (рис. 13) диаметром D = (230+5j) мм поднялся на высоту h = (14+j) мм. Определить жесткость пружины с, Н/м, если давление жидкости р = 1,0 МПа. Трением между поршнем и цилиндром и весом поршня пренебречь.
28. Определить давление масла р1, подводимого в поршневую полость гидроцилиндра (рис. 14), если избыточное давление в штоковой полости р2 = (80+2j) кПа, усилие на штоке R = (10+0,5j) кН, сила трения поршня о цилиндр F = 0,4 кН. Диаметр поршня D = 125 мм, а диаметр штока d = 70 мм.
29. Предварительный натяг пружины дифференциального предохранительного клапана (рис. 15) х = (15+0,5j) мм, жесткость пружины с = (7+0,2j) Н/мм. Определить давление жидкости, при котором клапан откроется, если диаметры поршней D1 = 25 мм, D2 = 18 мм. Весом поршней и силой трения пренебречь.
30. Определить величину и направление силы F, приложенной к штоку поршня для удержания его на месте (рис. 16). Справа от поршня находится воздух, слева от поршня и в резервуаре, куда опущен открытый конец трубы, – вода. Показание пружинного манометра рм = 0,08 МПа, Н = 5 м, D = (180+5j) мм и d = (50+5j) мм.
31. Паровой прямодействующий насос подает воду на высоту Н = (40+0,2j) м (рис. 17). Определить абсолютное давление пара р, если диаметр парового цилиндра D = (280+2j) мм, а насосного цилиндра d = (140+2j) мм. Потерями на трение пренебречь.
32. Определить силу давления на плоский прямоугольный затвор (рис. 18). Глубина воды в верхнем бьефе h1 = (3+0,1j) м, в нижнем h2 = (1+0,1j) м. Ширина затвора b = 4 м, а высота Н = (3,3+0,1j) м. Найти начальное подъемное усилие Т, если толщина затвора равна 8 см, удельный вес материала затвора 1,18 * 104 Н/м3, а коэффициент трения затвора о пазы f = 0,5.
33. Определить начальное подъемное усилие Т, действующее на прямоугольный затвор (рис. 19). Ширина затвора равна 4 м, глубина воды перед затвором h1 = (4,0+0,2j) м, за ним h2 = (1,2+0,2j ) м. Угол наклона затвора к горизонту α = 60о, величина b = (0,3+0,2j) м. Вес затвора равен
(18+0,2j) кН. При подъеме затвор вращается вокруг шарнира О, трением в
Рисунки к задачам 25…32
котором пренебречь.
34. Вход в туннель перекрыт квадратным плоским затвором (γ = 12 кН/м3) размером 3*3*0,08 м (рис. 20). Глубина воды над верхней кромкой щита h = (1,3+0,1j) м, а глубина в туннеле h2 = (1,7+0,1j) м. Коэффициент трения в пазах равен 0,5. Определить равнодействующую силу давления Р (считая, что в туннеле давление воздуха атмосферное) и подъемное усилие Т.
35. Прямоугольный клапан размерами а * b = 0,5 * 0,6 м закрывает отверстие в дне резервуара. Вес клапана G = 120 Н. Глубина воды в резервуаре h = (1,8+0,2j) м. Клапан может вращаться шарнирно у оси О (рис. 21). Определить: а) на каком расстоянии х от шарнира нужно прикрепить
трос, чтобы при подъеме получить наименьшее усилие Т? б) величину этого усилия, в) чему равнялось бы усилие Т, если трос был бы прикреплен к середине клапана (х = 0,25 м)? Трение не учитывать.
36. Затвор квадратного сечения со стороной b = 2 м может вращаться вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр затвора (рис.22). Определить силу F, которую нужно приложить к верхней кромке затвора, чтобы его открыть, если глубина воды перед ним h = (3,0+0,2j) м. В штольне справа воздух. Трением пренебречь.
37. Найти силу Т, с которой нужно тянуть трос, прикрепленный к нижней кромке плоского квадратного затвора со стороной b = 1 м, закрывающего отверстие трубы (рис. 23). Затвор может вращаться вокруг шарнира О. Глубина воды над верхней кромкой затвора равна h = (3+0,2j) м., а масса затвора равна (200+20j) кг. Трос направлен под углом 45о к горизонту.
38. Определить минимальную толщину стенок стального трубопровода диаметром d = 60см., находящегося под избыточным давлением равным (20+0,2j) бар. Допускаемое напряжение принять 13734 * 104 Н/м2.
39. Поршень А гидравлического пресса имеет диаметр d = (4,9+0,1j) см. Сила Р1 = (190+5j) Н, действующая на поршень А, создает усилие Р2 = (5,8+0,1j) кН (рис.24). Определить диаметр поршня В, пренебрегая трением и весом поршней.
Рисунки к задачам 33…43
40. Определить удельный вес бруса (рис. 25), имеющего следующие размеры: ширину b = 30 см, высоту h = 200 мм и длину l = (0,9+0,1j) м, если его осадка в воде с = 16 см.
41. Деревянный брус длиной (4,5+0,5j) м, шириной b = (0,29+0,01j) м и высотой (0,29+0,01j) м спущен в воду (рис.25). На какую глубину он погрузится, если относительный удельный вес бруса 0,7? Определить сколько человек могут встать на брус, чтобы верхняя поверхность бруса оказалась бы заподлицо со свободной поверхностью воды, считая, что каждый человек в среднем имеет массу 67,5 кг.
42. Определить количество бревен, из которых нужно изготовить плот, чтобы перевезти через реку груз массой m = (200+50j) кг. Диаметр бревен d = (15+1j) см, длина l = (6,5+0,1j) м. Глубина погружения бревен должна находится в пределах 15 см. Масса перевозчика 75 кг. Относительный удельный вес намокших бревен 0,75. Какое понадобится количество
бревен, если верх плота будет заподлицо со свободной поверхностью воды.
43. Определить, при каком манометрическом давлении воды рм внутри водопроводной трубы внутренним диаметром d = 50 мм откроется клапан К, закрывающий при горизонтальном положении рычага bc отверстие трубы (рис. 26). Плечо с в 6 раз больше, чем плечо b. Диаметр полого шара D = (190+10j) мм. При расчете вес полого шара, а также вес рычага не учитывать. В резервуаре вода.
Одномерное течение жидкости
44. Определить потери напора при подаче воды со средней скоростью с = (10+5j) см/с. Температура воды 10 оС. Внутренний диаметр трубопровода d = 200 см, его длина l = (1450+50j) м. Трубы стальные сварные новые. Потерями напора на местных сопротивлениях пренебречь.
45. Определить потери напора в водоводе длиной l = (450+50j) м при подаче 80 л/с. Трубы стальные сварные бывшие в эксплуатации с внутренним диаметром d = 200 мм. Температура воды t = 12 оС.
46. Определить абсолютное давление жидкости перед входом в насос (рис. 27). Всасывающий трубопровод насоса имеет длину l = (5+0,2j) м, внутренний диаметр d = 32 мм. Высота всасывания насоса h = 0,8 м, а его подача (45+0,5j) л/мин; h1 = 0,2 м. Учесть наличие местных
сопротивлений: приемный клапан с сеткой (ξкл = 8), плавный поворот и вентиль. Трубопровод новый стальной.
47. Насос подает воду на высоту Н = (9+j) м по трубопроводу длиной L = (18+2j) м с внутренним диаметром 32 мм. Объемный расход воды Q = (4+2j) л/с при температуре 10 оС. Определить избыточное давление рм на выходе из насоса, если давление в конце трубопровода рм1 = 1,5 бар. Имеются местные сопротивления: вентиль В и два резких поворота на углы β1 = 30о и β2 = 60о. Трубопровод новый стальной (рис. 28).
48. На ферму из водонапорной башни (рис. 29) поступает вода. Определить абсолютное давление р в точке А, если расход воды Q = (90+3j) л/мин, внутренний диаметр чугунного трубопровода d = 0,1 м, а его длина L = (300+10j) м. Разность геодезических уровней h = (11+0,5j) м, а h1 = 0,2 м.
49. Определить напор Нн, который должен развивать насос, подающий воду в водонапорную башню (рис.30). Глубина погружения насоса h = (40+5j) м, объемный расход Q = (6+0,5j) л/с. Длина стального нового трубопровода L = (800+50j) м, внутренний диаметр d = 100 мм, h1 = 14 м. Потери напора на местных сопротивлениях принять равным 10% от потерь по длине.
50. Определить какой расход Q может обеспечить сифон при перекачке жидкости из водоема А в водоем В при разности горизонтов Н = (1,2+0,2j) м (рис. 31). Длина сифона L = (50+5j) м, а внутренний диаметр d = 20 см. Трубы чугунные новые. Коэффициент потерь сетки с обратным клапаном С принять равным 10.
Рисунки к задачам 46…53
51. На берегу реки предполагается установить станцию (рис. 32) дли подачи воды с расходом Q = (15+0,2j) л/с. Высота оси насоса над уровнем воды в реке hн = 4 м. Длина всасывающей трубы L = (18+0,1j) м. Трубы стальные новые. Определить диаметр всасывающей трубы, исходя из допустимой скорости воды ν = 0,8…1,2 м/с. При расчете скоростным напором в реке пренебречь, температуру воды принять равной 12 оС, а коэффициент сопротивления фильтра – 10.
52. Вода подается в открытый верхний бак по вертикальной трубе длиной L = (5+0,2j) м и диаметром d = 50 мм за счет давления воздуха р в нижнем замкнутом резервуаре (рис. 33). Определить давление воздуха р, при котором расход будет равен Q = (3+0,2j) л/с. Принять коэффициенты сопротивления: вентиля равным 8,0; входа в трубу – 0,5, выхода в бак – 1,0. Эквивалентная шероховатость стенок трубы равна 0,2 мм.
53. При истечении жидкости из резервуара в атмосферу по горизонтальной трубе с внутренним диаметром d = 40 мм и длиной 2L = (3,8+0,2j) м уровень в пьезометре П, установленном посередине длины трубы, равен h = (2,8+0,2j) м (рис. 34). Определить объемный расход воды Q и коэффициент гидравлического трения λ, если статический напор в баке постоянен и равен Н = (6,8+0,2j) м. Построить пьезометрическую и действительную напорную линии. Сопротивлением входа в трубу пренебречь.
54. Определить внутренний диаметр трубопровода, по которому подается вода с расходом Q = (0,29+0,02j) л/с, из условия получения в нем максимально возможной скорости при сохранении ламинарного режима. Температура жидкости равна 20 оС.
55. При ламинарном режиме движения по горизонтальному трубопроводу диаметром d = 30 см расход равнялся Q = (0,25+0,01j) м3/с, а падение пьезометрической высоты на участке длиной L = 450 см составило h = (65+0,01j) см. Определить кинематический и динамический коэффициенты вязкости воды.
56. Определить длину трубы L, при которой расход жидкости Q из бака будет в 2 раза меньше, чем через отверстие того же диаметра d = 30 мм. Напор над отверстием равен H = (5,8+0,2j) м (рис. 35). Коэффициент гидравлического трения в трубе принять равным λ = 0,025.
57. Определить диаметр d горизонтального стального трубопровода длиной L = (19+0,5j) м, необходимый для пропуска по нему воды в количестве Q = (2,4+0,1j) л/с, если располагаемый напор H = (3,4+0,15j) м. Эквивалентная шероховатость стенок трубы 0,15 мм.
Указание. Для ряда значений d и заданного Q определяется ряд значений потребного напора Hп. Затем строится график Hп = f(d) и по заданному H определяется d.
58. При внезапном расширении трубопровода (рис. 36) скорость жидкости в трубе большего диаметра равна ν = (2+0,5j) м/с. Отношение диаметров труб D/d = 2. Определить h – разность показаний пьезометров.
59. На поршень диаметром D = (200+10j) мм действует сила F = (4+0,05j) * 104 H (рис. 37). Определить скорость движения поршня, если в цилиндре находится вода, диаметр отверстия в поршне d = 10 мм, толщина поршня b = 25 мм. Силой трения поршня о цилиндр пренебречь, давление жидкости на верхнюю плоскость поршня не учитывать.
60. По трубопроводу внутренним диаметром d = 12 мм и длиной L = (650+10j) м движется жидкость (рис. 38). Какова разность уровней H, при которой происходит окончание ламинарного режима движения? Местные потери напора не учитывать. Температура воды равна 20 оС.
61. Для отвода воды необходимо под проезжей частью дороги проложить железобетонный дюкер (рис. 39). Внутренний диаметр дюкера d = 0,5 м, его длина L = (14,0+0,2j) м, разность уровней H = (0,1+0,02j) м. Определить объемный расход жидкости Q. Коэффициенты местных сопротивлений (поворотов) принять равными 0,2. Температура воды t = 15 оС. Высота шероховатости стенок дюкера ∆ = 1 мм.
Рисунки к задачам 56…65
62. В центре днища бака расположено отверстие диаметром d = 3 см. Глубина воды в баке h = (0,8+0,1j) м. Определить расход жидкости из отверстия, если давление на поверхности воды ро = 1 бар, а также, если давление ро = (1,0+0,2j) бар (рис. 40).
63. Через отверстие с острой кромкой, сделанное в центре торца патрубка диаметром D = 20 см, истекает жидкость с объемным расходом Q = (40+2j) л/с. Диаметр отверстия d = 0,1 м. Определить избыточное давление жидкости во внутренней полости патрубка.
64. Через цилиндрический насадок истекает вода в количестве Q = (5,5+0,1j) л/с. Диаметр насадка d = (3,0+0,1j) см, длина L = 5d. Определить глубину погружения H (рис. 41) центра насадка, среднюю скорость νс и давление рс в насадке (в сжатом сечении).
65. Через отверстие в тонкой стенке истекает вода в бак, имеющий объем внутренней полости W = (1,5+0,1j) м3. Площадь отверстия равна (15+0,1j) см2. Напор над центром отверстия H = (0,9+0,05j) м. Определить: а) время t наполнения бака; б) при каком напоре H2 бак наполнится в 2 раза быстрее (рис. 42).
66. В теле железобетонной плотины проектируется водоспуск в виде трубы длиной L = 5 м (рис. 43). Центр водоспуска погружен под уровень свободной поверхности на глубину H1 = (6,3+0,2j) м. Разность отметок уровней воды в верхнем и нижнем бьефах плотины H2 = (12,0+0,2j) м. Скорость подхода воды к плотине равна ν = 0,3 м/с. Определить диаметр d водоспуска, если расход Q = (11,8+0,1j) м3/с.
67. Вода истекает через отверстие в дне бака (рис. 44). Диаметр отверстия d = (25+0,05j) мм, расход Q = (4+0,5j) л/с.Определить величину постоянного напора истечения H. Как изменится расход, если к отверстию с внешней стороны приварить цилиндрический патрубок длиной 100 мм?
68. По трубе диаметром d = 50 мм протекает вода с температурой 30 оС. Шероховатость стенок трубы ∆ = (0,1+0,01j) мм, а объемный расход Q = (2+0,5j) л/с. Установить режим движения, область гидравлического сопротивления и определить величину коэффициента гидравлического трения λ.
69. Из резервуара А животноводческого помещения сточные воды перекачиваются центробежным насосом по трубопроводу в общий резервуар – накопитель В, где они проходят биологическую очистку (рис. 45). Перепад горизонтов в резервуарах А и В составляет ∆z = (1.4+0.1j) м. Всасывающий трубопровод имеет внутренний диаметр d1 = 150 мм и длину L1 = (8,0+0,5j) м, а нагнетающий соответственно d2 = 130 мм и L2 = (130+2j) м. Объемный расход равен Q = 25 л/с. Принять, что коэффициенты гидравлического трения всасывающего трубопровода равен λ1 = 0,04, а нагнетательного λ2 = 0,031; суммы коэффициентов местных сопротивлений соответственно равны 5,6 и 8,4. Выбрать типоразмер насосного агрегата и определить мощность на валу насоса и приводящего его в работу электродвигателя.
70. Для подъема воды из источника водоснабжения в напорный резервуар (рис. 46) требуется подобрать центробежный насос и определить мощность на валу насоса. Отметка уровня воды в источнике водоснабжения (30+0,5j) м, а отметка уровня воды в напорном резервуаре (80-0,5j) м. Расход воды равен Q = (25+j) м. Длина всасывающего трубопровода L1 = (8+0,2j) м, а его внутренний диаметр d1 = 125 мм, у напорного трубопровода L2 = (180+2j) м и d2 = 125 мм. Местные потери напора принять во всасывающем трубопроводе 100%, а в напорном – 5% от потерь по длине. Эквивалентную шероховатость труб принять равной 0,02 мм, а температуру воды t = 10 оС; Коэффициент полезного действия насоса η = 0,7.
Гидравлический удар в трубопроводах
71. Горизонтальная труба служит для отвода жидкости в количестве Q = (0,2+0,1j) л/с из большого открытого резервуара. Свободный конец трубы снабжен краном. Определить ударное повышение давления в трубе перед
Рисунки к задачам 66…70
краном, если наружный диаметр трубы d = 28 мм, длина L = (20+10j) м, толщина стенки δ = (2+0,05j) мм, материал стенки сталь. Время закрытия крана tзакр = (0,2+0,01j) с. Жидкость – вода.
72. Жидкость в количестве Q = (0,34+0,02j) м3/мин перекачивается по чугунной трубе диаметром d = 50 мм, длиной L = (1000+100j) м с толщиной стенки δ = (7,0+0,1j) мм. Свободный конец трубы снабжен затвором. Определить время закрытия затвора при условии, чтобы повышение давления в трубе вследствие гидравлического удара не превышало ∆р = 10 ат. Как повысится давление при мгновенном закрытии затвора? Жидкость – авиационный бензин.
73. Определить время закрытия задвижки, установленной на свободном конце стального трубопровода внутренним диаметром d = 150 мм, длиной L = (1500+50j) м с толщиной стенки δ = 8 мм, при условии, чтобы максимальное повышение давления было в три раза меньше, чем при мгновенном закрытии задвижки. Через сколько времени после мгновенного закрытия задвижки повышение давления распространится до сечения, находящегося на расстоянии 0,7 L от задвижки?
74. Жидкость поступает из бака в трубопровод, имеющий внутренний диаметр d = 100мм, толщину стенки δ = 4,5 мм, длину L =(800+20j) м и движется в нем равномерно. Расход равен Q = (18+2j) л/с, давление перед затвором, установленным на конце трубопровода, равно (0,15+0,5j) МПа. Определить ударное повышение давления и напряжение в стенке трубы перед затвором при закрытии последнего в течении заданного времени tзакр = 0,5 с. Жидкость - вода, материал трубы – легированная сталь.
75. По трубопроводу длиной L = (500+10j) м протекает вода со скоростью равной (1+0,5j) м/с. Труба полиэтиленовая с внутренним диаметром
305 мм и толщиной стенки 10 мм. Определить величину ударного повышения давления в трубопроводе, если он перекрыт за 0,2 с.
76. Стальной трубопровод внутренним диаметром 800 мм, толщиной стенки 10мм, длиной (800+50j) м пропускает расход воды Q = (1,5+0,1j) м3/с. Давление на стенки при нормальной эксплуатации трубопровода составляет (450+20j) кПа. Выяснить, достаточна ли прочность стенок трубопровода при его закрытии за время tзакр = (0,2+0,2j) с, если допускаемое напряжение 160 МПа.
77. Определить толщину стенок стального трубопровода, чтобы напряжение в них от дополнительного давления при мгновенном закрытии затвора не превышало 160 МПа. Внутренний диаметр трубопровода 305 мм, расход воды Q = (0,8+0,1j) м3/с.
78. Напорный чугунный трубопровод длиной L = (900+50j) м, диаметром 300 мм пропускает расход воды Q = (200+10j) м3/ч. При нормальной работе давление у затвора равно (130+5j) кПа. Определить время перекрытия трубопровода из условия, чтобы дополнительное давление ∆р у затвора не превышало первоначального.
79. Определить время перекрытия стального трубопровода длиной L = (420+40j) м, по которому протекает вода со скоростью равной (1,2+0,2j) м/с, чтобы повышение давления у задвижки не превышало (200+10j) кПа.
80. Определить скорость распространения ударной волны и ударное повышение давления при мгновенном закрытии задвижки, если внутренний диаметр чугунного трубопровода 250 мм, толщина стенки
11 мм, а скорость движения воды (1,0+0,1j) м/с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица П. 1 - Плотность некоторых жидкостей
| Жидкость | Температура, оС | Плотность ρ, кг/м3 |
| Пресная вода | 999,73 | |
| Морская вода | 1020 - 1030 | |
| Дистиллированная вода | 992,215 | |
| Ртуть | ||
| Нефть натуральная | 700-900 | |
| Керосин | 790-820 | |
| Дизельное топливо |
Таблица П. 2 - Плотность пресной воды при разных температурах
(при атмосферном давлении)
| t, оС | ρ, кг/м3 | t, оС | ρ, кг/м3 | t, оС | ρ, кг/м3 |
| 999,87 | 992,24 | 977,81 | |||
| 990,25 | 971,83 | ||||
| 999,73 | 988,07 | 968,65 | |||
| 998,23 | 985,73 | 965,34 | |||
| 995,67 | 983,24 | 959,09 |
Таблица П. 3 - Среднее значение объемного модуля упругости Е воды
в зависимости от температуры
| t , оС | ||||
| Е, 108, Н/м2 | 19,52 | 20,30 | 21,08 | 21,48 |
Таблица П. 4 - Значение коэффициента объемного сжатия βр воды в функции
от температуры и давления
| t , оС | βр * 1010, Па-1 при давлениях в Па | ||||
| 5 *105 | 10* 105 | 20 * 105 | 39 * 105 | 78 * 105 | |
| 5,40 | 5,37 | 5,31 | 5,23 | 5,15 | |
| 5,29 | 5,23 | 5,18 | 5,08 | 4,93 | |
| 5,23 | 5,18 | 5,08 | 4,98 | 4,81 | |
| 5,18 | 5,10 | 5,03 | 4,88 | 4,70 | |
| 5,15 | 5,05 | 4,95 | 4,81 | 4,60 |
Таблица П. 5 - Значение коэффициента объемного температурного расширения βт воды в функции от температуры и давления
| t , оС | βт,, 10-6, К-1 при давлениях в Па | |||
| 1 * 105 | 10 * 105 | 20 * 105 | 50 * 105 | |
| 1-10 | ||||
| 10-20 | ||||
| 40-50 | ||||
| 60-70 | ||||
| 90-100 | - |
Таблица П. 6 - Значение кинематического коэффициента вязкости ν
некоторых жидкостей при температуре 20 оС
| Жидкость | ν, 10-6, м2/с | Жидкость | ν, 10-6, м2/с |
| Вода пресная | 1,01 | Масло льняное | |
| Глицерин безводный | 4,10 | Масло минеральное | 313-1450 |
| Дизельное топливо | 5,0 | Ртуть | 0,11 |
Таблица П. 7 - Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные
| Наружный диаметр, мм | Толщина стенки, мм | Наружный диаметр, мм | Толщина стенки, мм | Наружный диаметр, мм | Толщина стенки, мм |
| 0,3…1,5 | 25…28 | 0,4…7,0 | 1,6…22 | ||
| 0,3…2,0 | 30…36 | 0,4…8,0 | 1,8…22 | ||
| 7…9 | 0,3…2,5 | 38; 40 | 0,4…9,0 | 2,0....22 | |
| 10…12 | 0,3…3,5 | 1,0…9,0 | 2,0…24 | ||
| 13…15 | 0,3…4,0 | 45; 48 | 1,0…10 | 2,0…24 | |
| 16…19 | 0,3…5,0 | 50…76 | 1,0…12 | 2,8…24 | |
| 0,3…6,0 | 80…95 | 1,2…12 | 200..220 | 3,0…24 | |
| 21…23 | 0,4…6,0 | 100…108 | 1,5…18 | 4,5…24 | |
| 0,4…6,5 | 110…130 | 1,5…22 | 4,5…24 |
В указанных пределах диаметр брать из ряда: 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 21; 22; 23; 25; 26; 27; 28; 30; 32; 34; 35; 36; 38; 40; 50; 51; 53; 54; 56; 57; 60; 63; 65; 68; 70; 73; 75; 76; 80; 83; 85; 89; 90; 95; 100; 102; 108; 110; 120; 130; 200; 210; 220 мм.
Толщину стенки - из ряда: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,5; 10,0; 11; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24 мм.
Таблица П. 8 - Трубы стальные бесшовные горячедеформированные
| Наружный диаметр, мм | Толщина стенки, мм | Наружный диаметр, мм | Толщина стенки, мм |
| 25…40 | 2,5…4,0 | 4…30 | |
| 2,5…5,0 | 4…32 | ||
| 2,5…5,5 | 140…159 | 4,5…36 | |
| 3…11 | 168…194 | 5…45 | |
| 3…12 | 203; 219 | 6…50 | |
| 60; 63,5 | 3…14 | 245; 273 | 7…50 |
| 68; 70 | 3…16 | 299; 351 | 8…75 |
| 73; 76 | 3…18 | 377…426 | 9…75 |
| 3,5…18 | 16…75 | ||
| 89…102 | 3,5…22 | 480…530 | 25…75 |
| 108…121 | 4…28 |
В указанных пределах диаметр брать из ряда: 25; 28; 32; 38; 42; 89; 95; 102; 108; 114; 121; 140; 146; 152; 159; 168; 180; 194; 299; 325; 351; 377; 402; 426; 480; 500; 530 мм.
Толщину стенки – из ряда: 2,5; 2,8; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6;7; 8;9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 30; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 60; 63; 65; 70; 75 мм.
Табл