Меню

Гидравлические процессы в трубопроводе



Лекция №3. Гидравлические сопротивления в трубопроводах

Гидравлические сопротивления в трубопроводах

Для определения движущей силы гидродинамических процессов-разности давления между двумя точками или сечениями потока (или гидродинамического напора H)-необходимо знать потерянный напор hп, который складывается из потерь напора на трение hтр и на преодоление местных сопротивлений hмс.

(1)

Сопротивление трения существует при движении реальной жидкости по всей длине трубопровода. На него оказывает влияние режим течения жидкости (ламинарный, и др.). Так, турбулентный поток, характеризуется не только молекулярной, но и турбулентной вязкостью, которая зависит от гидродинамических условий и вызывает дополнительные потери энергии при движении жидкости.

В случае движения по прямой трубе потеря напора на трение hтр может быть определена из уравнения Дарси-Вейсбаха:

По смыслу величина характеризует потери давления на трение при движении потока по трубопроводу длиной . Величину называют коэффициентом гидравлического трения, или просто коэффициентом трения.

Потеря напора запишется (в метрах столба рабочей жидкости):

(2)

В технике жидкость обычно движется по трубам со стенками, имеющими небольшие неровности, выступы, которые называют шероховатостью. Проведенные различными авторами исследования показали, что в этом случае нет единого выражения для расчета коэффициента гидравлического сопротивления. Обобщающие работы, направленные на унификацию результатов экспериментов, ставили перед собой цель связать воедино исследования потоков жидкости в самых разнообразных условиях. Результаты представлялись в графической форме (широко известны графики Никурадзе, Зегжда, Мурина, опубликованные в специальной литературе и учебных пособиях). Наиболее часто употребляемыми являются графики построенные Никурадзе для труб с искусственной шероховатостью.

Рис.1. График И.И. Никурадзе

Традиционно поле графика Никурадзе разбивают на 5 областей:

При ламинарном и переходном режимах эффект шероховатости мал. Даже после того, как течение стало турбулентным, но значение критерия Рейнольдса еще невелико, эффект шероховатости незначителен. Это происходит потому, что вязкий подслой перекрывает выступы шероховатости, т.е. в этих режимах d>D, и трубопроводы можно рассматривать как гидравлически гладкие. Здесь d-толщина вязкого подслоя текущей по трубе жидкости; D — средняя высота выступов на внутренней поверхности трубы, или величина шероховатости. Для определения границ областей используется понятие относительная шероховатость e = D/dэ.

Область гладкого течения толщина ламинарного слоя у стенки d больше абсолютной шероховатости D (2300 2 /2g. Отношение потери напора в данном местном сопротивлении к скоростному напору называют коэффициентом местного сопротивления zмс. Следовательно, для различных местных сопротивлений:

или суммарно для всех сопротивлений трубопровода:

(3)

Значения коэффициентов различных видов местных сопротивлений даны в справочной литературе.

Таким образом, потеря напора в трубопроводе находится по уравнению:

(4)

Расчет простых и сложных трубопроводов

Транспорт жидкостей осуществляется обычно при помощи закрытых трубопроводов (металлических или неметаллических), протяженность которых варьирует от нескольких метров до многих километров. Во всех случаях необходимо рассчитать диаметр трубопровода, обеспечивающий транспорт требуемого объема жидкости (объемный расход) на заданное расстояние при минимальных затратах энергии и материалов.

Простой трубопровод. Простым называется трубопровод, соединяющий источник с потребителем жидкости, но не имеющий на пути никаких ответвлений. Такой трубопровод, обычно состоит из ряда прямолинейных участков разной длины, соединенных друг с другом отводами и коленами для изменения направления потока. Трубопровод может быть еще снабжен запорными и регулирующими устройствами (задвижки, вентили, краны, обратные клапаны).

Величина энергии затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений, встречаемых потоком при прохождении через прямолинейные участки трубопровода (hтр) и через перечисленные выше соединительные, запорные и регулирующие устройства (hмс), определяется следующим образом:

Если трубопровод имеет nк колен, no отводов, nз задвижек, nок обратных клапанов и т. д., то с учетом что скорость потока w в трубопроводе постоянного диаметра d постоянна, запишем:

(5)

Обозначив суммарную длину прямолинейных участков трубопровода через , получим:

(6)

Потери напора в местных сопротивлениях можно выразить через потери в эквивалентных прямолинейных участках . Так, например, для колена , откуда . Аналогично и для других местных сопротивлений.

В этом случае суммарный потерянный напор выразится как:

(7)

Из уравнения (6) находим выражение для скорости потока в трубопроводе:

(8)

Таким образом, объемный расход жидкости в рассматривае­мом трубопроводе будет:

(9)

Данное выражение позволяет определить для каждого конкретного трубопровода либо требуемый d по заданному расходу V, либо расход V при известном диаметре d, либо требуемый напор Н для обеспечения заданного расхода V в трубопроводе известного диаметра d.

Заметим, что расчет искомой величины (V, d, H) требует подстановки значения коэффициента l, зависящего, как уже известно, от значения критерия Re и, следовательно, от заранее неизвестной скорости потока w. Это затруднение легко преодолевается, если выразить w через объемный расход жидкости (); тогда .

Читайте также:  Металлические трубы отопления в стяжке пола

Разветвленные трубопроводы. Разветвленными называются трубопроводы, обеспечивающие одновременную подачу жидкости в несколько точек. Рассмотрим схему таких трубопроводов (рис. 2).

Рис.2. Трубопровод с разветвлением в одной точке.

Ее можно представить как магистральную линию (диаметр d, длина ), с конца которой уходит несколько ветвей (диаметры d1 d2, d3. ; длины . ) в точки потребления жидкости, гидростатические напоры которых относительно общей горизонтальной плоскости отсчета равны Н1, Н2, Н3, . Источник питания, изображенный в виде открытого сосуда, создает гидростатический напор Н относительно той же плоскости отсчета; гидростатический напор в точке разветвления обозначим через Н. Обычно бывают известны напоры Н, Н1, Н2, Н3, . длины ,… а также объемные расходы по ответвленным трубопроводам V1, V2, V3, … и, следовательно, суммарный расход в магистральной линии V = V1+V2+V3+…. Искомыми являются диаметры d, d1 d2, d3. причем не известен заранее напор Н в точке разветвления.

Для решения задачи используем уравнение (9), которое решим относительно :

(10)

Обозначив через l, l1, l2, l3,… коэффициенты сопротивления в прямых участках трубопровода, а через ,… — суммарные эквивалентные длины этих участков, можно написать следующую систему уравнений вида (10):

; ;

;

пятое уравнение, соответственно условию V = V1+V2+V3, будет иметь вид:

Данная система пяти уравнений позволяет найти искомые величины Н, d, d1 d2 и d3.

Трубопровод с непрерывным путевым и транзитным расходами жидкости. В химической технологии часто используют трубопроводы (прямые, спиральные, типа плоских (U-образных змеевиков) с непрерывным и равномерным отводом жидкости по всей их длине . Выход жидкости происходит через множество расположенных близко мелких отверстий, просверленных в стенке труб, или через сопла, вставленные в эти отверстия. Вследствие гидравлического сопротивления давление по длине потока непрерывно падает, поэтому для обеспечения равномерного отвода жидкости площадь отверстий или их число должны непрерывно возрастать по мере удаления от начального (входного) сечения трубопровода.

Если на единице длины трубопровода должно быть отведено u м 3 /с жидкости, то полный ее расход, называемый путевым расходом, составит . Иногда требуется, чтобы, помимо путевого расхода , из последнего сечения трубопровода уходил еще дополнительный поток м 3 /с, который будем называть транзитным потоком. Таким образом, суммарный объем жидкости, поступающей в трубопровод, равен (+)м 3 /с.

Потеря напора для такого трубопровода определяются следующим образом:

(11)

Определение оптимального диаметра трубопровода

Неотъемлемой составной частью практически всех химических производств является транспорт жидкостей и газов. Протяженность производственных трубопроводов достаточно велика, а следовательно, велики и затраты средств на их изготовление и эксплуатацию. Поскольку при проектных расчетах длина трубопроводов обычно задана, основной задачей является определение диаметра трубопровода, а также расхода энергии на транспортирование.

При известном расходе жидкости Q диаметр трубопровода может быть определен:

Единственной переменной, от которой зависит диаметр трубопровода, является скорость w протекания жидкости по трубопроводу. С увеличением скорости диаметр трубопровода уменьшается и, следовательно, снижается его стоимость за счет снижения затрат на изготовление трубопровода, его монтаж и ремонт. Но при этом, согласно уравнению (6), увеличиваются потери напора и соответственно — затраты энергии на транспортирование жидкости. Очевидно, что наиболее рациональный — оптимальный диаметр трубопровода, учитывающий противоречивое влияние скорости на величину общих годовых затрат 3, может быть выбран на основе технико-экономического расчета.

Рис.3. Определение оптимального диаметра трубопровода.

Для этого строят графическую зависимость общих годовых затрат 3 (затраты на амортизацию и ремонт — А; затраты на энергию на транспортирование — Э) от диаметра трубопровода d (рис. 3). Минимум на кривой 3 = А + Э = f(d) соответствует такому диаметру трубопровода, при котором скорость транспортирования жидкости оптимальна.

Особенность течения газа

Движение газа в трубопроводах в отличие от движения капельной жидкости сопровождается непрерывным увеличением удельного объема u (уменьшением плотности r) и соответственным ростом линейной скорости потока w вследствие падения давления р. Изменение u и r и, следовательно, также w может быть вызвано, кроме того, повышением или понижением температуры газа в случае его преднамеренного нагревания или охлаждения (приращение температуры за счет трения чаще всего пренебрежимо мало).

Для изотермических газовых потоков в расчетах используется следующее выражение:

Которое позволяет определить требуемый диаметр газопровода D для транспорта заданного количества газа G кг/с при заданных начальных (р1) и конечных (р2) давлениях, либо одну из трех величин (G, D, р1 — р2) при заданных остальных двух. При этом, поскольку wr= const, величину l можно рассчитать по формулам для капельных жидкостей (соответственно режиму течения), введя в выражение Re начальные (w1, r1) или конечные (w2, r2) значения скорости и плотности газа.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Читайте также:  Труба спицами с манишкой

Источник

Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия

Кран с питьевой водой в каждом доме – это не роскошь, а достижение прогресса, но лишиться такого приятного удобства можно в один миг, если образовался гидроудар в трубопроводе. Гидравлический удар может стать причиной не только отсутствия воды, но и привести к затоплению квартиры.

О том, каким образом возникает такое опасное явление и как его избежать, будет подробно рассказано в данной статье.

Природа гидравлического удара в трубопроводах

Гидроудар – это ударная волна, которая распространяется по поверхности водопровода, а также по элементам арматуры. Разрушительное действие такого явления связано, прежде всего, с невозможностью жидкости сжиматься.

Если воду можно было, например, как газ сжать в несколько раз, то трубы не разрывались бы от резкого увеличения давления. Чрезмерное давление возникает в том случае, когда движение жидкости резко останавливается, но вызвать гидроудар могут и другие явления в системе водоснабжения .

Причины

Наиболее часто гидравлический удар происходит при резком закрытии запорной арматуры. Когда вода течёт по трубам и выливается из крана, то в системе водопровода сохраняется постоянное значение давления, но в момент резкого перекрытия арматуры, это значение может увеличиться в несколько раз, в результате чего, стенки трубы не выдерживают напора и лопаются.

Причиной гидроудара могут также стать:

  • Резкое включение или выключение мощного насоса.
  • Воздушные пробки имеющиеся в контуре водопровода или отопления.

Включение и отключение насоса может быть спровоцировано нестабильным электроснабжением объекта, на котором находятся мощные насосные станции для перекачки воды. Воздушные пробки также занимают не последнее место в возникновении такого опасного явления, поэтому прежде чем эксплуатировать замкнутые системы с жидкостью, следует убедиться в полном отсутствии воздуха в них.

Последствия

При многократном воздействии высокого давления, которое возникает в результате гидравлического удара, даже очень надёжные системы могут потерять герметичность. Разрыв трубопровода может произойти и от однократного, но сильного гидравлического удара.

В результате такого воздействия водоснабжение объектов, к которым подведена водопроводная труба, полностью прекращается. К сожалению, последствия такого явления не ограничиваются только отсутствием воды в кране.

Если разрыв трубы произошёл в многоквартирном доме, то после разрыва трубы и попадания жидкости в жилое помещение будет повреждено имущество владельцев квартиры, а также соседей этажом ниже.

Если разрывается магистральная труба водопровода, по которой снабжается водой целый район города, то авария уже может расцениваться как ЧП.

В результате такого происшествия жильцы десятков многоквартирных домов останутся не только без питьевой воды, но и без канализации, так как все бачки унитазов запитываются от трубы холодного водоснабжения. Воспользоваться душем, даже при неповреждённом трубопроводе с горячей водой, также вряд ли получится.

Если в результате гидравлического удара повреждается труба с горячей водой, то такое происшествие, кроме материального ущерба, может привести к серьёзным ожогам. Особенно опасна может быть разгерметизация системы отопления, в которой теплоноситель всегда находится под значительным давлением, а температура жидкости составляет более +70 градусов.

Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу, поэтому так важно научиться предотвращать появление резкого усиления давления в трубопроводах.

Способы защиты

Соблюдение правил монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций позволяет свести к минимуму вероятность возникновения такого опасного явления, как гидравлический удар, но полностью исключить его только правильно спроектированными системами не получится. Для избегания такой неприятной ситуации необходим комплексный подход и соблюдение правил безопасности и технических инструкций.

Значительно снизить вероятность возникновения гидравлического удара, можно если следовать следующим правилам при проведении монтажа водопроводов и их эксплуатации.

  • При запуске водопровода или отопления в эксплуатацию, запорные элементы арматуры должны открываться очень медленно. Перекрытие подачи жидкости, также должно осуществляться очень плавно. Плавное закрытие и открытие запорной арматуры должно осуществляться не только на промышленных объектах, но и при запуске водоснабжения и отопления в частном доме. Чрезмерное давление при возникновении гидравлического удара способно легко повредить домашние коммуникации, поэтому не стоит пренебрегать правилами технической безопасности, в случае когда вода в частном доме подаётся со значительным давлением.
  • Если в системе водопровода или отопления установить автоматические устройства плавного открытия и закрытия запорной арматуры, то можно полностью исключить человеческий фактор при возникновении гидравлического удара. Конечно, при использовании электроники, водопроводные системы становятся зависимыми от электрического тока, но, чтобы полностью исключить вероятность выхода из строя по причине установленных автоматов, необходимо оборудовать такие механизмы резервным источником электроэнергии. Такая подстраховка абсолютно необходима, как на крупном предприятии, так и для нормального функционирования коммуникаций расположенных в частном доме. Автоматической регулировкой рекомендуется оснастить и насосные станции. В этом случае, также можно избежать гидроудара от резкого перепада давления в результате включения или отключения мощного насосного оборудования.
  • Применение гидроаккумуляторов и демпферных устройств, также позволяет свести к минимуму последствия резкого увеличения давления в водопроводной сети. Такие устройства обычно состоят из металлического корпуса с расположенной внутри мембраной. При возникновении гидроудара, мембрана перемещается, что позволяет вместить излишек жидкости. Когда угроза разрыва трубопровода
    минует и давление уменьшится мембрана будет возвращена в исходное положение за счёт воздуха расположенного с обратной стороны.
  • Для уменьшения давления в водопроводных сетях может быть использован предохранительный клапан, который открывается при достижении жидкости определённого значения. Такие устройства также способны предохранить трубопровод от разрушения, но для организации такого вида защиты, потребуется сделать дополнительную отводку от клапана к канализационной системе
  • Для защиты от гидроудара в частном доме или квартире можно использовать очень простой способ, в котором компенсация чрезмерного давления осуществляется за счёт растяжения стенок трубопровода. Совсем необязательно производить монтаж отопления или водоснабжения с применением таких материалов, но участок трубопровода выполненный с использованием термостойкого каучука, способен полностью принять на себя гидроудар в небольшой системе.
  • Шунтирование термостата, является эффективной мерой борьбы с гидроударом небольшой силы, поэтому такое “улучшение” автономного отопления может быть произведено только в частной системе отопления. Как правило, достаточно сделать отверстие диаметром 0,5 мм в основном клапане, чтобы при возникновении высокого давления излишек жидкости свободно перемещался в контур с холодной водой.
  • Термостат с защитой установленный в систему отопления, также позволяет избежать такого опасного явления, как гидроудар. Принцип работы такого устройства заключается в том, что в основном клапане термостата располагается дополнительный небольшой механизм, который открывается вне зависимости от температуры жидкости. Такой внутренний клапан начнёт пропускать жидкость, когда давление теплоносителя приблизится к максимально допустимому значению, тем самым предохраняя трубы от разрыва.
Читайте также:  Трубы внутреннего водостока технониколь

Как защитить от гидравлического удара коммуникации в квартире

Разгерметизация водопровода в квартире может привести к очень серьёзным последствиям, особенно в том случае, когда вследствие прорыва, был причинён ущерб соседям, квартира которых расположена этажом ниже, где произошла авария.

На участке водопровода находящегося в квартире, могут быть установлены старые металлические трубы, которые со временем ржавеют и могут разрушаться в процессе эксплуатации, не говоря уже об убийственной” силе гидроудара.

ВАЖНО! Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения протечки, рекомендуется установить краны вентильного типа, которые в силу конструктивной особенности не способны мгновенно перекрыть воду. Шаровые рычажные краны, которые так удобны не только на кухне, но и душе, могут стать причиной серьёзной аварии.

Несмотря на то что гидроаккумуляторы наиболее часто используются в частных домах, водоснабжение которых осуществляется посредством насоса находящегося в глубокой скважине, такие изделия помогут защитить и водопровод находящийся в квартире от гидроудара.

Кроме этого, накопленная жидкость в таких устройствах, можно будет использовать в случае временного отключения водоснабжения. Защитить водопровода от гидроудара можно также с помощью специальных гасителей, которые устанавливаются в трубу холодного или горячего водоснабжения.

Самовольно устанавливать какие-либо приборы в системе централизованного отопления категорически запрещается. Чтобы защитить жилплощадь от возникновения гидроудара, следует допустить специалиста управляющей компании во время тестового запуска отопления.

Если все воздушные пробки будут вовремя удалены из радиаторов и трубопроводов, то можно будет не опасаться гидроудара, по причине соблюдения всех необходимых мер для предотвращения такого явления в котельной и на пути доставки теплоносителя в квартиру.

Чтобы уменьшить риск разгерметизации систем горячего водоснабжения, рекомендуется также заменить краны на винтовые конструкции, а трубопровод сделать из современных материалов, которые позволяют максимально эффективно справляться с избыточным давлением в трубопроводе.

Несколько слов о теории гидроудара

Возникновение гидравлического удара возможно только по той причине, что жидкость не сжимается настолько, чтобы произошла компенсация резкого скачка давления. При увеличении давления в одном месте его сила распространяется на весь участок трубопровода, и найдя “слабое звено” приводит к деформации либо разрушению материала.

Такой эффект возникающий в трубопроводах высокого давления был впервые обнаружен российским учёным Н. Е. Жуковским в конце XIX века. Жуковским также была выведена формула, по которой можно рассчитать минимальное время необходимое для закрытия крана, чтобы избежать опасного повышения давления в замкнутой системе водопровода.

Источник