Гидравлический расчет воздухопроводов
Под воздухопроводами понимают обычно трубопроводы для воздуха высокого давления (свыше 0,15 ати), подаваемого нагнетателями и компрессорами. Трубопроводы воздуха низкого давления, подаваемого вентиляторами, называют воздуховодами.
Воздухопроводы изготавливаются обычно из стальных шовных (водогазопроводных) или бесшовных горячекатаных труб; иногда применяются стальные холоднотянутые и холоднокатаные трубы. Шовные трубы имеют сравнительно невысокое допускаемое давление (с обычной стенкой должны выдерживать до 20 кгс/см2), поэтому их применяют в неответственных случаях и умеренных давлениях. При прокладке воздухопроводов их сваривают.
Воздуховоды чаще всего бывают сварные или клепанные. При давлении воздуха до 200 – 300 мм их изготовляют из листового железа толщиной от 0,5 – 2 мм и доставляют на место в идее отдельных секций длиной 1 – 3 м. Секции снабжены фланцами и собираются при помощи болтов. Воздуховоды такого типа бывают круглого и прямоугольного сечения (короба). При небольших расходах вентиляторного воздуха, а также при более высоком его давлении воздуховоды изготавливают из стальных труб и делают цельносварными из листовой стали. В ряде случаев воздуховоды делают из кирпича, бетона, железобетона и других материалов (подземные воздуховоды).
В воздухопроводах может допускаться скорость в пределах 5-20 м/с, но рекомендуются значения скоростей 12 – 15 м/с.
В ходе гидравлического расчета находят давление на входе, а также строят характеристика сети газопровода.
Гидравлический расчет:
1) Расчет плотности и расхода газа при данном давлении и температуре.
Расчетным уравнением плотности для газа является:
.
где ρо - плотность газа при нормальных условиях:
,
µгаза - молярная масса газа, νm – молярный объем;
p, T – давление и температура газа,
po, To – давление и температура газа при нормальных условиях.
Температура и давление газа при нормальных условиях:
То = 273 К,
po = 760мм.рт.ст. = 0,760*13600*9,81 Па = 1,01396*105 Па.
2) Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:
При выборе труб необходимо задаться некоторым значением скорости. Оно выбирается исходя из экономических соображений. Следующий этап состоит в определении диаметров d труб на участках:
.
где F- площадь поперечного сечения трубопровода, ω-средняя скорость движения газа.
По рассчитанному значению d подбирают в справочнике ближайший диаметр стандартной трубы. Затем обратным расчетом вычисляют действительную скорость воды в выбранной стандартной трубе. Если эта скорость ненамного отличается от средне-экономичной (примерно 12-15 м/с), то выбор можно считать законченным.
3) Определение потерь напора на участках:
Наружные сети обычно можно отнести к длинным трубопроводам, где общие потери напора, в основном, определяются потерями на трение, а местные учитываются коэффициентом местных потерь:
,
где b – коэффициент сопротивления трубопровода:
,
где l и d – длина и диаметр трубопровода, F – площадь поперечного сечения трубопровода; ξ - коэффициент местного сопротивления, его значения приводятся в справочниках; λ - коэффициент трения (значение λ определяется рядом условий, в первую очередь режимом течения газа).
Существует последовательное и параллельное соединение трубопроводов. При последовательном:
.
При параллельном :
.
Картина движения газа в потоке может быть различной. Существует ламинарный и турбулентный режимы течения, количественной мерой этих режимов является число Рейнольдса (Re). Его численное значение зависит от соотношения трех величин: средней скорости потока ω, его диаметра d, и вязкости ν, которая рассчитывается по формуле:
,
где ρ – плотность газа, µ – динамическая вязкость газа:
,
где µ0 – динамическая вязкость газа при 0 оС, T – температура газа, С – постоянная для данного газа;
.
Число Рейнольдса является безразмерной величиной. Границей перехода из одного режима в другой считается обычно значение Re=2320 - критическое значение (Reкр). При Re< Reкр – режим течения ламинарный. При Reкр<Re - турбулентный.
В промышленных трубопроводах несжимаемые жидкости и газы в большинстве случаев движутся в турбулентном режиме, поэтому определение потерь напора на трение будет рассмотрено только для него.
После определения Re необходимо рассчитать толщину ламинарного подслоя в турбулентном потоке:
.
где d - диаметр трубопровода.
Если σ много больше средней величины выступов шероховатости (абсолютной шероховатости), то трубы носят название гидравлически гладких. Если много меньше – гидравлически шероховатых.
Для гидравлически гладких труб λ рассчитывается по формуле Блазиуса:
.
Для гидравлически шероховатых - по формуле Никурадзе:
.
где Кэ- эквивалентная шероховатость. Ее значения для разных стенок приводятся в справочниках.
4) Определение давления на входе.
Выбираем давление на входе, равное конечному давлению плюс 3% от значения конечного давления:
Далее рассчитываем разность конечного давления и давления на выходе из воздуходувной станции:
,
и само давление на выходе:
.
Если p1 расчетное практически совпадает с выбранным давлением, следовательно выбор давления верен.
5) Построение характеристики сети:
Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:
H=a+(c+b)Q2.
где
;
-коэффициент сопротивления трубопровода.
.
Рис. 13. Эскиз воздухопровода.
Рис. 14. Характеристика сети воздухопровода, график которой представляет собой параболу.