Гидравлический расчет трубопроводов в Excel

Опубликовано 08 Апр 2014
Рубрика: Теплотехника | 56 комментариев

Системы отопления зданий, теплотрассы, водопроводы, системы водоотведения, гидравлические схемы станков, машин – все это примеры систем, состоящих из трубопроводов. Гидравлический расчет трубопроводов — особенно сложных, разветвленных…

… — является очень непростой и громоздкой задачей. Сегодня в век компьютеров решать ее стало существенно легче при использовании специального программного обеспечения. Но хорошие специальные программы дорого стоят и есть они, как правило, только у специалистов-гидравликов.

В этой статье мы рассмотрим гидравлический расчет трубопроводов на примере расчета в Excel горизонтального участка трубопровода постоянного диаметра по двум методикам и сравним полученные результаты. Для «неспециалистов» применение представленной ниже программы позволит решить несложные «житейские» и производственные задачи. Для специалистов применение этих расчетов возможно в качестве проверочных или для выполнения быстрых простых оценок.

Как правило, гидравлический расчет трубопроводов включает в себя решение двух задач:

1. При проектировочном расчете требуется по известному расходу жидкости найти потери давления на рассматриваемом участке трубопровода. (Потери давления – это разность давлений между точкой входа и точкой выхода.)

2. При проверочном расчете (при аудите действующих систем) требуется по известному перепаду давления (разность показаний манометров на входе в трубопровод и на выходе) рассчитать расход жидкости, проходящей через трубопровод.

Приступаем к решению первой задачи. Решить вторую задачу вы сможете легко сами, используя сервис программы MS Excel «Подбор параметра». О том, как использовать этот сервис, подробно описано во второй половине статьи «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!».

Предложенные далее расчеты в Excel, можно выполнить также в программе OOo Calc из свободно распространяемого пакета Open Office.

Правила цветового форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, детально описаны на странице «О блоге».

Расчет в Excel трубопроводов по формулам теоретической гидравлики.

Рассмотрим порядок и формулы расчета в Excel на примере прямого горизонтального трубопровода длиной 100 метров из трубы ø108 мм с толщиной стенки 4 мм.

Исходные данные:

1. Расход воды через трубопровод

G в т/час вводим

в ячейку D4: 45,000

2. Температуру воды на входе в расчетный участок трубопровода  t_вх в °C заносим

в ячейку D5: 95,0

3. Температуру воды на выходе из расчетного участка трубопровода  t_вых в °C записываем

в ячейку D6: 70,0

4. Внутренний диаметр трубопровода  d в мм вписываем

в ячейку D7: 100,0

5. Длину трубопровода  L в м записываем

в ячейку D8: 100,000

6. Эквивалентную шероховатость внутренних поверхностей труб  ∆ в мм вносим

в ячейку D9:  1,000

Выбранное значение эквивалентной шероховатости соответствует стальным старым заржавевшим трубам, находящимся в эксплуатации много лет.

Эквивалентные шероховатости для других типов и состояний труб приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls», ссылка на скачивание которого дана в конце статьи.

7. Сумму коэффициентов местных сопротивлений  Σ(ξ) вписываем

в ячейку D10:  1,89

Мы рассматриваем пример, в котором местные сопротивления присутствуют в виде стыковых сварных швов (9 труб, 8 стыков).

Для ряда основных типов местных сопротивлений данные и формулы расчета представлены на листах «Расчет коэффициентов» и «Справка» файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

Результаты расчетов:

8. Среднюю температуру воды t_ср в °C вычисляем

в ячейке D12: =(D5+D6)/2 =82,5

t_ср=(t_вх+t_вых)/2

9. Кинематический коэффициент вязкости воды n в cм²/с при температуре t_ср рассчитываем

в ячейке D13: =0,0178/(1+0,0337*D12+0,000221*D12^2) =0,003368

n=0,0178/(1+0,0337*t_ср+0,000221*t_ср²)

10. Среднюю плотность воды ρ в т/м³ при температуре t_ср вычисляем

в ячейке D14: =(-0,003*D12^2-0,1511*D12+1003,1)/1000 =0,970

ρ=(-0,003*t_ср²-0,1511*t_ср+1003, 1)/1000

11. Расход воды через трубопровод G’ в л/мин пересчитываем

в ячейке D15: =D4/D14/60*1000 =773,024

G’=G*1000/(ρ*60)

Этот параметр пересчитан нами в других единицах измерения для облегчения восприятия величины расхода.

12. Скорость воды в трубопроводе v в м/с вычисляем

в ячейке D16: =4*D4/D14/ПИ()/(D7/1000)^2/3600 =1,640

v=4*G/(ρ*π*(d/1000)²*3600)

К ячейке D16 применено условное форматирование. Если значение скорости не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки становится красным, а шрифт белым.

Предельные скорости движения воды приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

13. Число Рейнольдса Re определяем

в ячейке D17: =D16*D7/D13*10 =487001,4

Re=v*d*10/n

14. Коэффициент гидравлического трения λ рассчитываем

в ячейке D18: =ЕСЛИ(D17<=2320;64/D17;ЕСЛИ(D17<=4000; 0,0000147*D17;0,11* (68/D17+D9/D7)^0,25)) =0,035

λ=64/Re                              при Re≤2320

λ=0,0000147*Re                при 2320≤Re≤4000

λ=0,11*(68/Re+∆/d)^0,25  при Re≥4000

15. Удельные потери давления на трение R в кг/(см²*м) вычисляем

в ячейке D19: =D18*D16^2*D14/2/9,81/D7*100 =0,004645

R=λ*v²*ρ*100/(2*9,81*d)

16. Потери давления на трение dP_тр в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D20: =D19*D8 =0,464485

dP_тр=R*L

и в ячейке D21: =D20*9,81*10000 =45565,9

dP_тр=dP_тр*9,81*10000

17. Потери давления в местных сопротивлениях dP_мс в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D22: =D10*D16^2*D14*1000/2/9,81/10000 =0,025150

dP_мс=Σ(ξ)*v²*ρ/(2*9,81*10)

и в ячейке D23: =D22*9,81*10000 =2467,2

dP_тр=dP_мс*9,81*10000

18. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D24: =D20+D22 =0,489634

dP=dP_тр+dP_мс

и в ячейке D25: =D24*9,81*10000 =48033,1

dP=dP*9,81*10000

19. Характеристику гидравлического сопротивления трубопровода S в Па/(т/ч)² вычисляем

в ячейке D26: =D25/D4^2 =23,720

S=dP/G²

Гидравлический расчет в Excel трубопровода по формулам теоретической гидравлики выполнен!

Гидравлический расчет трубопроводов в Excel по формулам СНиП 2.04.02-84.

Этот расчет определяет потери на трение в трубопроводах по эмпирическим формулам без учета коэффициентов местных сопротивлений, но с учетом сопротивлений, вносимых стыками.

На длинных трубопроводах, каковыми являются водопроводы и теплотрассы, влияние местных сопротивлений мало по сравнению с шероховатостью стенок труб и перепадами высот, и часто коэффициентами местных сопротивлений можно пренебречь при оценочных расчетах.

Исходные данные:

Этот расчет использует ранее введенные в предыдущем расчете значения внутреннего диаметра трубопровода d и длины трубопровода L, а также рассчитанное значение скорости движения воды v.

1. Выбираем из выпадающего списка, расположенного над ячейками A30…E30 вид трубы:

Неновые стальные и неновые чугунные без внутр. защитного покр. или с битумным защитным покр., v > 1,2м/c

Результаты расчетов:

По выбранному виду трубы Excel автоматически извлекает из таблицы базы данных значения эмпирических коэффициентов. Таблица базы данных, взятая из СНиП 2.04.02–84, расположена на этом же рабочем листе «РАСЧЕТ».

2. Коэффициент m извлекается

в ячейку D32: =ИНДЕКС(h41:h52;h39) =0,300

3. Коэффициент A₀ извлекается

в ячейку D33: =ИНДЕКС(I31:I42;I29) =1,000

4. Коэффициент 1000A₁ извлекается

в ячейку D34: =ИНДЕКС(J31:J42;J29) =21,000

5. Коэффициент 1000A₁/(2g) извлекается

в ячейку D35: =ИНДЕКС(K31:K42;K29) =1,070

6. Коэффициент С извлекается

в ячейку D36: =ИНДЕКС(L31:L42;L29) =0,000

7. Коэффициент  гидравлического сопротивления i  в м.вод.ст./м рассчитываем

в ячейке D37: =D35/1000*((D33+D36/D16)^D32)/((D7/1000)^(D32+1))*D16^2 =0,057

i=((1000A1/(2g))/1000)*(((A0+C/v)^m)/((d/1000)^(m+1)))*v²

8. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D38: =D39/9,81/10000 =0,574497

dP=dP/9,81/10000

и в ячейке D39: =D37*9,81*1000*D8 =56358,1

dP=i*9,81*1000*L

Гидравлический расчет трубопровода по формулам Приложения 10 СНиП 2.04.02–84 в Excel завершен!

Итоги.

Полученные значения потерь давления в трубопроводе, рассчитанные по двум методикам отличаются в нашем примере на 15…17%! Рассмотрев другие примеры, вы можете увидеть, что отличие иногда достигает и 50%! При этом значения, полученные по формулам теоретической гидравлики всегда меньше, чем результаты по СНиП 2.04.02–84. Я склонен считать, что точнее первый расчет, а СНиП 2.04.02–84 «подстраховывается». Возможно, я ошибаюсь в выводах. Следует отметить, что гидравлические расчеты трубопроводов тяжело поддаются точному математическому моделированию и базируются в основном на зависимостях, полученных из опытов.

В любом случае, имея два результата, легче принять нужное правильное решение.

При гидравлическом расчете трубопроводов с перепадом высот входа и выхода не забывайте добавлять (или отнимать) к результатам статическое давление. Для воды – перепад высот в 10 метров ≈ 1 кг/см².

Уважаемые читатели, Ваши мысли, замечания и предложения всегда интересны коллегам и автору. Пишите их внизу, в комментариях к статье!

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл после подписки на анонсы статей!

Не забывайте подтвердить подписку кликом по ссылке в письме, которое придет к вам на указанную почту (может прийти в папку «Спам»)!!!

Ссылка на скачивание файла: gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov (xls 57,5KB).

Важное и, думаю, интересное продолжение темы читайте здесь.

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Примеры гидравлических расчетов

Пример 6.1. Расход горячей воды с температурой 95°С через радиатор водяного отопления Q = 0,1 м³/ч. Определить потери давления между сечениями 1-1 и 2-2, если диаметр подводящих трубопроводов d = 0,0125 м, а их общая длина l = 5 м. Принять следующие коэффициенты сопротивления: для поворота ζ₁ = 1,45 для крана ζ₂ = 0,5, для радиатора ζ₃ = 2,1.

Решение:

Суммарные потери давления складываются из потерь давления по длине и местных потерь:

Средняя скорость движения воды в трубопроводе:

Число Рейнольдса определяем с учетом того, что кинематический коэффициент вязкости воды при температуре 95°С ν = 0,3·10^-6 м²/с (табл.4.5):

Абсолютная шероховатость стальной трубы (Приложение 7), относительная шероховатость

Таким образом, коэффициент гидравлического трения определяем по формуле:

Вычислим потери давления по длине при плотности воды ρ = 961,9 кг/м³ (табл.4.1):

Местные потери давления складываются из потерь на поворот, в пробковом кране и в радиаторе:

Суммарные потери давления

Пример 6.2. Вода, перекачивается насосом из открытого бака А в расположенный ниже резервуар B, где поддерживается постоянное давление р_в = 0,18 МПа (абс.) по трубопроводу общей длиной = 225 м и диаметром=250 мм. Разность уровней воды в бакахh=3 м. Определить потребный напор, создаваемый насосом для подачи в бак B расхода воды = 98 л/с. Принять суммарный коэффициент местных сопротивленийζ = 6,5. Эквивалентная шероховатость стенок трубопровода Δ = 0,15 мм. Жидкость – вода с плотностью ρ = 1000 кг/м³ и вязкостью ν = 0,01 Ст. Атмосферное давление р_а = 0,1 МПа.

Решение:

Потребный напор, создаваемый насосом для подачи в бак B расхода воды равен

Статический напор складывается из пьезометрической высоты на поверхности жидкости в резервуаре Ви разности уровней воды в резервуарах h. Т.к. вода перекачивается в нижний бак, то вторую составляющую подставляем со знаком «-».

Потери напора складываются из потерь напора на трение по длине трубопровода и потерь на местных сопротивлениях.

Таким образом

Потери напора по длине трубопровода определим по формулеДарси, записав ее через расход:

Для правильного вычисления коэффициента трения λ определим режим течения жидкости в трубопроводе:

Согласно уравнению неразрывности скорость движения жидкости в трубопроводе

Тогда формула числа Рейнольдса примет вид:

Подставив значения, определим режим течения жидкости:

= 4991102320

Величина числа Рейнольдса указывает на турбулентный режим движения. Для такого значения числа коэффициент трения вычислим по универсальной формуле Альтшуля:

Вычислим коэффициент Дарси:

Вычислим потери напора по длине трубопровода

=3,291 м.

Местные потери напора определим по формуле Вейсбаха, записав ее через расход:

Вычислим местные потери :

= 1,32 м.

Окончательно подставив полученные значения, определим потребный напор, используя для расчета избыточное давление в баке В:

Методические рекомендации к проведению расчетов

Задачи на расчет простого трубопровода делятся на три типа.

1 тип. Даны: расход жидкости Q в трубопроводе, его геометрические параметры (l,d,Δz), шероховатость труб; давление в конечном сечении (либо в начальном для всасывающих трубопроводов) и свойства жидкости (ρ,ν). Местные сопротивления заданы коэффициентами ζ либо оцениваются по справочным данным.

Требуется найти потребный напор H_потр.

Алгоритм решения:

1. Определить режим течения. С этой целью нужно найти число Рейнольдса Re по известным Q, d и ν.

2. При ламинарном режиме напор вычисляется по формулам (6.7) и (6.8)

3. При турбулентном режиме задача решается с помощью формул (6.3) или (6.4) в зависимости от шероховатости труб (Пример 6.2).

2 тип. Даны: располагаемый напор H_расп, все величины, перечисленные в задаче 1-го типа, кроме расхода Q.

Так как число Рейнольдса Re нельзя вычислить, то режимом движения необходимо задаться, основываясь на роде жидкости. Для вязких жидкостей (масло) выбирать ламинарный режим течения, для маловязких (вода, бензин, керосин) – турбулентный. Для проверки правильности выбора в конце решения необходимо вычислить число Рейнольдса. Либо по формулам (6.7) и (6.8) выразить диаметр через критическое число Рейнольдса и определить H_кр, соответствующее смене режима. Сравнивая H_кр и H_расп, определяют режим течения.

При ламинарном режиме задача решается на основании формул (6.7) и (6.8).

При турбулентном режиме в уравнениях (6.7) и (6.9) содержаться две неизвестные Q и λ_т, зависящие от числа Рейнольдса. В этом случае для решения задачи требуется метод последовательных приближений. Для этого в первом приближении следует задаться коэффициентом λ_т. Выбрав начальное значение λ_т, решить задачу по 1-му типу. По полученным данным следует заново найти λ_т и повторить все вычисления, приближаясь к истинному результату.

3 тип. Даны: располагаемый напор H_расп, расход жидкости Q в трубопроводе, его геометрические параметры и свойства жидкости, перечисленные выше, кроме диаметра трубопровода d.

Так как число Рейнольдса Re нельзя вычислить, то режимом движения либо необходимо задаться, либо по формулам (6.7) и (6.8) выразить диаметр через критическое число Рейнольдса и определить H_кр, соответствующее смене режима. Сравнивая H_кр и H_расп, определяют режим течения.

При ламинарном режиме задача решается на основании формул (6.7) и (6.8).

При турбулентном режиме решение нужно проводить с использованием графиков. Для этого следует

1) задать ряд значений диаметра d и по ним подсчитать H_потр;

2) построить график H_потр = f(d);

3) по графику, зная H_расп, определить d.

Задачи

Задача 6.1. По трубопроводу, соединяющему два резервуара, в которых поддерживаются постоянные уровни, перетекает вода с плотностью ρ = 1000 кг/м³. Диаметр трубопровода d = 20 мм. В верхнем баке поддерживается избыточное давление р_0изб = 15 кПа, а в нижнем — вакуумметрическое давление р_0вак = 7 кПа. Разность уровней в баках H = 5 м. Определить расход жидкости, если коэффициент гидравлического трения λ = 0,028, а длина трубопровода l = 15 м. Местными потерями напора пренебречь.

Задача 6.2. Из напорного бака по наклонному трубопроводу переменного сечения движется жидкость с относительной плотностью δ = 0,85. Диаметры участков трубопровода d₁ = 50 мм, d₂ = 30 мм, а длина соответственно равна l₁ = 80 м, l₂ = 40 м. Начало трубопровода расположено выше его конца на величину z = 3,5 м. Для обоих участков трубопровода коэффициент гидравлического трения λ = 0,038. Какой уровень Н необходимо поддерживать в напорном баке, чтобы скорость движения жидкости на выходе из трубопровода была v = 1,8 м/с? Местными потерями напора пренебречь.

Задача 6.3. Вода перетекает из бака А в бак Б по трубе диаметром d = 25 мм, на которой установлены вентиль с коэффициентом сопротивления ζ_в = 3,5, а также диффузор с ζ_д = 0,5 и диаметром выходного отверстия D = 75 мм. Показание вакуумметра p_вак = 10 кПа, высота Н = 2,5 м, h = 2 м. Определить расход Q c учетом всех местных сопротивлений. При решении потерями на трение пренебречь, принять коэффициент сопротивления каждого колена ζ_кол = 0,5, учесть потери напора на входе в трубу (внезапное сужение) и на выходе в бак (внезапное расширение). Взаимным влиянием сопротивлений пренебречь.

Задача 6.4. Для измерения расхода воды, которая подается по трубе А в бак Б установлен расходомер Вентури В. Определить максимальный расход, который можно пропустить через данный расходомер при условии отсутствия в нем кавитации, если давление насыщенных паров соответствует h_н.п. = 2 мм вод.ст. Уровень воды в баке поддерживается постоянным, равным H = 1,5 м, высота расположения трубы h = 0,5 м. Размеры расходомера: d₁ = 50 мм и d₂ = 20 мм. Атмосферное давление принять соответствующим 760 мм рт.ст., коэффициент сопротивления диффузора ζ_диф = 0,2. Учесть потери на внезапное расширение при входе в бак.

Задача 6.5. Определить расход воды, вытекающей из трубы диаметром d = 22 мм через плавное расширение (диффузор) и далее по трубе диаметром D = 28 мм в бак. Коэффициент сопротивления диффузора ξ_диф = 0,2 (отнесен к скорости в трубе диаметром d), показание манометра p_м = 20 кПа; высота h = 0,7 м, H = 6 м. Учесть потери на внезапное расширение, потерями на трение пренебречь, режим течения считать турбулентным.

Задача 6.6. Вода по трубе 1 подается в открытый бак. Во избежание переливания воды через край бака устроена вертикальная сливная труба 2 диаметром d = 50 мм. Определить необходимую длину L трубы 2 из условия, чтобы при Q = 10 л/с вода не переливалась через край бака. Режим течения считать турбулентным, а величинами h пренебречь (h = 0). Принять следующие коэффициенты сопротивления: на входе в трубу ζ₁ = 0,5, в колене ζ₂ = 0,5, на трение по длине трубы λ = 0,03.

Задача 6.7. По трубопроводу диаметром d = 50 мм насос перекачивает воду на высоту Н = 10 м. Коэффициент сопротивления вентиля ζ = 8. За какое время насос наполнит резервуар емкостью W = 40 м³, если манометр, установленный на выходе из насоса, показывает избыточное давление р_м = 250 кПа. Сопротивлением трубопровода пренебречь.

Задача 6.8. Определить давление в напорном баке р, необходимое для получения скорости истечения из брандспойта V₂ = 20 м/с. Длина шланга l = 20 м, диаметр d₁ = 20 мм, диаметр выходного отверстия брандспойта d₂ = 10 мм. Высота уровня воды в баке над отверстием брандспойта Н = 5 м. Учесть местные гидравлические сопротивления при входе в трубу ζ₁ = 0,5, в кране ζ₂ = 3,5, в брандспойте ζ₃ = 0,1, который отнесен к скорости V₂, потери на трение в трубе λ = 0,018.

Задача 6.9. Определить минимальное давление pм, измеряемое манометром перед сужением трубы, при котором будет происходить подсасывание воды из резервуара А в узком сечении трубы. Диаметры трубы d₁ = 60 мм и d₂ = 20 мм высота ее расположения h₁ = 6 м, высота уровня жидкости в баке h₂ = 1 м. Принять коэффициенты сопротивления сопла ζ_соп = 0,08, диффузора ζ_диф = 0,3.

Задача 6.10. Определить расход воды через сифонный трубопровод, если высота H₁ = 1 м, Н₂ = 2 м, Н₃ = 4 м. Общая длина трубы l = 20 м, диаметр d = 20 мм. Режим течения считать турбулентным. Учесть потери на входе в трубу ζ₁ = 1, в коленах ζ₂ = 0,2, в вентиле ζ₃ = 4, на трение в трубе λ = 0,035. Подсчитать вакуум в верхнем сечении х-х трубы, если длина участка от входа в трубу до этого сечения l_х = 8 м.

Задача 6.11. Насос нагнетает воду в напорный бак, где установились постоянный уровень на высоте H = 3,5 м и постоянное давление р₂ = 0,2 МПа. Манометр, установленный на выходе из насоса на трубе диаметром d₁ = 80 мм, показывает p₁ = 0,3 МПа. Определить расход жидкости Q, если диаметр искривленной трубы, подводящей жидкость к баку, равен d₂ = 65 мм; коэффициент сопротивления этой трубы принят равным ζ = 0,2.

Задача 6.12. Определить потребный напор, который необходимо создать в сечении 0-0 для подачи в бак воды вязкостью ν = 0,008 Ст, если длина трубопровода l = 80 м, его диаметр d = 50 мм, расход жидкости Q = 15 л/с, высота Hо = 30 м, давление в баке р₂ = 0,2 МПа, коэффициент сопротивления крана ζ₁ = 5, колена ζ₂ = 0,8, а шероховатость стенок трубы Δ = 0,04. Потерями на расширение потока пренебречь.

Задача 6.13. Вода перетекает из бака А в резервуар Б по трубе диаметром d = 25 мм, длиной l = 10 м. Определить расход воды Q, если избыточное давление в баке р₁ = 200 кПа, высота уровней Н₁ = 1 м, Н₂ = 5 м. Режим течения считать турбулентным. Принять следующие коэффициенты сопротивления: на входе в трубу ζ₁ = 0,5, в вентиле ζ₂ = 4, в коленах ζ₃ = 0,2, на трение λ = 0,025. Учесть потери при выходе трубопровода в бак Б.

Задача 6.14. Определить расход в трубе для подачи воды с вязкостью ν = 0,01 Ст на высоту H = 16,5 м, если диаметр трубы d = 10 мм, ее длина l = 20 м и располагаемый напор в сечении трубы перед краном H_расп = 20 м. При решении принять коэффициент сопротивления крана ζ₁ = 4, колена ζ₂ = 1, а потерями на расширение потока и скоростным напором в трубопроводе пренебречь. Трубу считать гидравлически гладкой.

Указание: Задачу решить методом последовательных приближений, задавшись коэффициентом Дарси λ, а затем, уточняя его, найти величину расхода Q с необходимой точностью.

Задача 6.15. Определить расход воды с вязкостью ν = 0,01 Ст, перетекающей через трубу из бака А в резервуар Б, если диаметр трубы d = 20 мм, ее длина l = 10 м, высота Н = 8 м. При решении принять коэффициент сопротивления крана ζ₁ = 3, каждого колена ζ₂ = 1, а эквивалентную шероховатость трубы Δ = 0,05 мм. Учесть потери на внезапное сужение потока при выходе из бака А и внезапное расширение при входе потока в резервуар Б.

Указание: Задачу решить методом последовательных приближений, задавшись коэффициентом Дарси λ, а затем, уточняя его.

Задача 6.16. Определить предельную высоту всасывания масла насосом при подаче Q = 0,4 л/с из условия бескавитационной работы насоса, считая, что абсолютное давление перед входом в насосе должно быть p ≥ 30 кПа. Длина и диаметр всасывающего трубопровода: l = 2 м; d = 20 мм. Плотность масла ρ = 900 кг/м³, вязкость ν = 2 Ст. Атмосферное давление 750 мм.рт.ст. Сопротивлением входного фильтра пренебречь.

Задача 6.17. При каком диаметре трубопровода подача насоса составит Q = 1 л/с, если на выходе из него располагаемый напор H_расп = 9,6 м; длина трубопровода l = 10 м; эквивалентная шероховатость Δ = 0,05 мм; давление в баке p₀ = 30 кПа; высота H₀ = 4 м; вязкость жидкости ν = 0,015 Ст и ее плотность ρ = 1000 кг/м³? Местными гидравлическими сопротивлениями в трубопроводе пренебречь. Учесть потери при входе в бак.

Задача 6.18. Определить максимальный расход воды Q, который можно допустить во всасывающем трубопроводе насоса из условия отсутствия кавитации перед входом в насос, если высота всасывания h= 4 м, размеры трубопровода: l = 6 м; d = 24 мм; предельное давление бензина принять р_в = 40 кПа. Режим течения считать турбулентным. Коэффициент сопротивления приемного фильтра ζ_ф = 2; коэффициент сопротивления трения λ_т = 0,03; h₀ = 750 мм.рт.ст.; ρ_б = 1000 кг/м³.

Задача 6.19. Определить абсолютное давление жидкости перед входом в центробежный насос при подаче Q = 1 л/с и высоте всасывания h = 0,6 м. Всасывающую трубу, длина которой l = 7,6 м, диаметр d = 20 мм, считать гидравлически гладкой. Учесть сопротивление приемного клапана с фильтрующей сеткой ζ_ф = 3. Вязкость жидкости ν = 0,006 Ст, ее плотность ρ = 750 кг/м³. Скоростным напором при входе в насос пренебречь. Атмосферное давление соответствует 750 мм.рт.ст.

Задача 6.20. Вода с вязкостью ν = 0,02 Ст нагнетается насосом из колодца в водонапорную башню по вертикальному трубопроводу. Определить диаметр трубы от крана К до бака d₂, если высота башни Н = 10 м, глубина погружения насоса Н_о = 5 м, высота уровня жидкости в баке h = 1 м, длина участка трубопровода от насоса до крана ζ_к = 3, показание манометра р_м = 0,3 МПа, а подача насоса Q = 1,5 л/с. При решении пренебречь скоростным напором на выходе из насоса, но учесть потерю скоростного напора при входе в бак. Трубы считать гидравлически гладкими.

Указание: Задачу решить методом последовательных приближений, задавшись начальным значением диаметра трубопровода d, а затем, уточняя его, найти величину d с необходимой точностью.

Гидравлический расчет простых трубопроводов

6.5. Гидравлический удар

Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока рабочей жидкости. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, которое связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода. Гидравлический удар чаще всего возникает при резком открытии или закрытии крана или другого устройства, управляемого потоком.

Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью υ₀, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 6.10, а).

Рис. 6.10. Стадии гидравлического удара

При этом скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину ΔP_уд, которое называется ударным. Область (сечение n — n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы (рис. 6.10, б).

Далее под действием перепада давления ΔP_уд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это течение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение n-n перемещается обратно к крану с той же скоростью c, оставляя за собой выровненное давление P₀ (рис. 6.10, в).

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению P₀. Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость υ₀, но направленную теперь в противоположную теперь сторону.

С этой скоростью весь объем жидкости стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением P₀ — ΔP_уд, которая направляется от крана к резервуару со скоростью c, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость, что обусловлено снижением давления (рис. 6.10, д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака.

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на рис. 6.10, е. Так же как и для случая, изображенного на рис. 6.10, б, оно не является равновесным. На рис. 6.10, ж, показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью υ₀.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением ΔP _уд достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Протекание гидравлического удара во времени иллюстрируется диаграммой, представленной на рис. 6.11, а и б.

Штриховыми линиями показано теоретическое изменение давления у крана в точке А, а сплошной действительный вид картины изменения давления по времени (рис. 6.11, а). При этом затухание колебаний давления происходит за счет потерь энергии жидкости на преодоление сил трения и ухода энергии в резервуар.

Если давление P₀ невелико (P₀ P _уд), то картина изменения амплитуды давления получается несколько иная, примерно такая, как показано на рис. 6.11, б.

Рис. 6.11. Изменение давления по времени у крана

Повышение давления при гидравлическом ударе можно определить по формуле

ΔP_уд = ρυ₀c

Данное выражение носит название формулы Жуковского. В нем скорость распространения ударной волны c определится по формуле:

где r — радиус трубопровода;
E — модуль упругости материала трубы;
δ — толщина стенки трубопровода;
K — объемный модуль упругости (см. п.1.3)

Если предположить, что труба имеет абсолютно жесткие стенки, т.е. E = , то скорость ударной волны определится из выражения

Для воды эта скорость равна 1435 м/с, для бензина 1116 м/с, для масла 1200 — 1400 м/с.

6.6. Изменение пропускной способности трубопроводов в процессе их эксплуатации

При проектировании напорных трубопроводов следует учитывать, что их пропускная способность в период эксплуатации снижается (например, для водопроводных труб до 50% и даже ниже). Вследствие коррозии и образования отложений в трубах (инкрустации), шероховатость труб увеличивается. Это можно оценить по формуле:

k_t = k₀ + αt

где k₀ — абсолютная шероховатость для новых труб, (мм),
k_t — шероховатость через t лет эксплуатации,
α — коэффициент характеризующий быстроту возрастания шероховатости (мм/год).

Таблица 6.1

Проверить себя ( Тест )

Наверх страницы

Гидравлический расчет трубопроводов Различные способы расчета потерь

Гидравлический расчет трубопроводов 24-14

Рассматривается равномерное напорное движение жидкости в круглой трубе. При равномерном движении форма и площадь живого сечения, средняя скорость потока и эпюра скоростей по длине не изменяются. В этих условиях живое сечение характеризуется одним линейным размером – диаметром. Напомним: .

Общая формула для потерь напора по длине имеет вид .

Для круглых труб .

Это установленная экспериментально формула Дарси-Вейсбаха. Безразмерный коэффициентназывают коэффициентом гидравлического трения или коэффициентом Дарси. Коэффициент гидравлического трения зависит от относительной шероховатости трубопровода и числаRe.. Для нахождениясуществуют эмпирические формулы (режимы ламинарный – переходный –турбулентный; область гидравлически гладких труб, доквадратичная область, квадратичная область).

При равномерном движении жидкости средняя скорость потока, не изменяющаяся по длине из формулы равна. Обозначим.

Коэффициент называют коэффициентом Шези. Вспомним, что гидравлический уклони получимформулу Шези для средней скорости при равномерном движении

, где.

Потери напора по длине с учетом коэффициента Шези .

Коэффициент Шези в отличие от безразмерного коэффициента Дарси имеет размерность. В справочниках приводятся таблицы значений коэффициента Шези для трубопроводов различного диаметра и различной шероховатости. Существует много эмпирических формул для расчета коэффициента Шези.

Зная формулу для средней скорости потока получим формулу Шези для расхода при равномерном движении .

При расчете трубопровода обычно составляют уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Пренебрегая местными потерями и скоростными напорами, получаем .

Вспомним, что гидравлический уклон , откуда. Подставим найденное значение гидравлического уклона в формулу Шези для скорости потока

. Решаем уравнение относительно напора. Заметим на будущее, что напор пропорционален квадрату скорости.

Запишем формулу Шези для расхода при равномерном движении .

Объединим параметры, зависящие от диаметра трубопровода, представим их виде так называемой расходной характеристики трубопровода (модуля расхода).

Расходная характеристика представляет собой расход в данной трубе при гидравлическом уклоне, равном единице.

Тогда расход , напор.

При этом расход и расходная характеристикадолжны быть выражены в одних и тех же единицах. В таблицах для гидравлических расчетов приводятся значения расходной характеристикидля трубопроводов различного диаметра с различной относительной шероховатостью. На этой основе производится расчет трубопроводов «с использованием таблиц».

Получим значение расчетным путем. Гидравлический уклон равен 1, значит потери равны длине. Потери по длине. Отсюда.;.

В квадратичной области турбулентного режима

Замечание. При равномерном движении гидравлический и пьезометрический уклоны равны. Пренебрегая скоростным напором, получим, что линия полного напора и пьезометрическая лини совпадают.

Классификация трубопроводов

Простой трубопровод – трубопровод, не имеющий ответвлений и состоящий из труб одинакового диаметра, выполненных из одного материала.

Приведем два примера простых трубопроводов.

Движение жидкости в трубе обусловлено напором , равным разности напоров в резурвуаре-питателе и приемнике или разности напоров в резервуаре питателе и в струе на выходе из трубы, если резервуар-приемник отсутствует. Если указанная разность напоров не изменяется во времени, то движение установившееся. Мы рассматриваем расчет только трубопроводов с установившимся движением.

Потери напора в трубопроводе можно рассматривать как сумму потерь на трение по длине трубопровода и потерь в местных сопротивлениях .

По соотношению потерь по длине и в местных сопротивлениях в общей величине потерь трубопроводы делятся на гидравлически короткие и гидравлически длинные.

В гидравлически длинном (или просто длинном)трубопроводепотери напора по длине настолько превышают местные потери (и скоростной напор), что местные потери не вычисляют, а принимают как некоторую часть потерь по длине.

Практически при расчете длинных трубопроводов находят потери напора по длине , а затем суммарные местные потери напора учитывают, увеличивая найденное значениена%..

В гидравлически коротком трубопроводе потери напора по длине и местные потери сопоставимы по значению. При гидравлическом расчете коротких трубопроводов учитывают как местные потери напора, так и потери по длине, а в балансе напоров учитывают скоростные напоры в сечениях потока.

6. Гидравлический расчет трубопроводов

6.1. Классификация трубопроводов

Рассмотрим классификацию трубопроводов по следующим

характерным признакам:

1. По функциональному назначению трубопроводы подраз­де­ля­ют на

– всасывающие;

– нагнетательные.

2. С конструктивной точки зрения трубопроводы подразделяют на:

– простые;

– сложные;

– короткие;

– длинные.

Простыми называют трубопроводы, не имеющие ответвлений и обслуживающие только одну точкуx.

Причем, диаметр трубы, а также расход жидкости на всей длине трубы остается неизменным.

Сложныетрубопроводы делятся на тупиковые, параллельные и кольцевые.

Тупиковые состоят из магистрального (главного) трубо­про­во­да, от которого в разные стороны отходят ответвления к потреби­те­лям.

Параллельные состоят из нескольких параллельно проложенных трубопроводов, связанных между собой перемычками с регули­рую­щими задвижками.

Кольцевые представляют собой замкнутую сеть труб, что обеспе­чивает подачу воды в любом направлении.

При аварии на каком-либо участке подача воды потребителю не прекращается.

Короткими называют трубопроводы, которые имеют зна­чи­тель­ные местные сопротивления по сравнению с линейными (пу­те­выми).

Длинными называют трубопроводы, у которых доминируют потери напора по длине трубопровода; местными потерями и ско­рост­ным напором пренебрегают.

6.2. Система уравнений и задачи гидравлического расчета трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов основан на следующих уравнениях, формулах и зависимостях:

– уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости

; (6.1)

– уравнение неразрывности для установившегося потока жидкости

(уравнение расхода):

; (6.2)

– формула Дарси-Вейсбаха для учета потерь на трение (по длине трубопровода):

; (6.3)

– формула для учета местных потерь:

; (6.4)

– формула Шези при расчете длинных трубопроводов:

или , (6.5)

где –	коэффициент Шези;
n–	коэффициент шероховатости;
R–	гидравлический радиус;
y–	показатель степени, у = f(n, R).

Обозначим в формуле (6.5) через , получим

, (6.6)

где K–

расходная характеристика (модуль расхода), пред­став­ля­ю­щая собой расход при гидравлическом уклоне, равном едини­це;

– формула для определения гидравлического уклона (удельных потерь напора по длине):

(6.7)

или по формуле Дарси-Вейсбаха (6.3):

.

Заменяя скорость на расходQ, из уравнения расходаполучим

. (6.8)

Обозначим – удельное сопротивление трубопровода, получим

. (6.9)

Тогда

, (6.9а)

где S–

линейное сопротивление трубопровода.

Найдем связь между K иAиз формул (6.6 и 6.8):

или .

Подставляя значение i из формулы (6.8), получим

. (6.10)

Из выражений (6.10 и 6.9), находим

. (6.11)

Тогда потери по длине определяются по формуле

. (6.12)

Учитывая, что , получим

.

Обозначим , получим:

, (6.13)

где Р–

проводимость, выражающая собой расход жидкости при hтр = 1.

Сравнивая выражения (6.9)^ и (6.13), найдем связь между P и S.

Из выражения (6.9а) имеем ,

тогда:

или . (6.14)

Значения AиKприводятся в таблицах.

Общая задача гидравлического расчета трубопроводов заклю­ча­ется в определении диаметров труб для пропуска заданного расхода воды и напора, необходимого для подачи воды ко всем точкам во­до­разбора при оптимальных затратах.

Оптимальные затраты учитывают расход средств на строи­тельст­во и эксплуатацию трубопровода.

Например, если принять при расчете высокие скорости дви­же­ния воды, то за счет этого уменьшаются диаметры труб, но увеличи­ваются потери напора по длине, что приводит в процессе эксплуа­та­ции к большим затратам электроэнергии.

Рекомендации по выбору оптимальных скоростей движения жидкости в трубопроводах приводятся в СНиПах.

При решении инженерных задач четыре величины – расход Q, скоростьv, диаметр трубопроводаdи потери напораh– являются переменными и взаимозависимыми.

Их связывают между собой уравнения Бернулли и неразрывнос­ти (расхода), потери по длине трубопровода и на местных сопротив­ле­ниях, которые учитываются по формулам (6.3 и 6.4) соответст­вен­но.

Определенность при решении задач гидравлического расчета трубопроводов достигается при следующих условиях:

1. Задается расход воды.

2. Принимаются оптимальные скорости движения воды.

Наряду с общей задачей гидравлического расчета трубопроводов решаются следующие частные задачи:

1. Проверяется пропускная способность трубопровода при задан­ных значениях диаметров труб и напора.

2. Определяется напор при заданных значениях диаметров труб и расхода воды.

Рассмотрим определение напора по схеме, представленной на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Применяя уравнение Бернулли, для сечений 1–1 и 2–2 запишем:

, (6.15)

где	0;
	z;
	, так как величина скоростных напоров городского водопровода мала и ею можно пренебречь (v1v2) (на практике эта разность – около 5 см).

Тогда уравнение (6.15) примет вид

, (6.16)

где –	величина пьезометрического напора в сечении 1–1.Он расходуется на подъем воды на высоту z и на пре­одоление гидравлических сопротивлений в трубо­про­водеh1-2;
–	свободный напор, необходимый для преодоления мест­ного сопротивления клапана 1 и создания скорости излива воды в бак.

Свободный напор в местах водоразбора принимается в пределах 1…4 м и обозначается Н_св.

Тогда уравнение Бернулли (6.16) можно записать так:

. (6.17)

Для определения напора в любом сечении трубопровода не­об­ходимо знать:

– разность геометрических отметок zмежду наиболее высоко рас­положенным водоразбором и данным сечением потока; если точ­ка потребления расположена ниже заданного сечения, тоzпри­ни­мается со знаком минус;

– величину свободного напора Н_свв высшей точке водоразбора;

– величину потерь напора на гидравлических сопротивлениях по пути движения воды от заданного сечения до наиболее удаленной точки водоразбора.

Так как разность отметок zи свободный напор обычно задаются, то для определения требуемого напора производится расчет потерь напора, связанных с гидравлическим сопротивлением трубопровода.

3. Напор задан. Определяются диаметры труб таким образом, чтобы выполнялось условие:

. (6.18)

Презентация на тему: Гидравлическ ий расчет трубопроводо

Длинные и короткие трубопроводы

Гидравлически длинными называются такие трубопроводы, у которых в общей сумме потерь энергии преобладают потери на трение, распределенные по длине, а доля местных потерь настолько мала, что ею можно пренебречь при гидравлических расчетах.

К гидравлически коротким относят трубопроводы, в которых сумма местных потерь сравнима с величиной потерь на трение и при расчетах необходимо учитывать и потери напора на трение, и потери напора на местных сопротивлениях.

Три основных типа задач:

1)заданы диаметр d, длина трубопровода l и расход движущейся жидкости Q – требуется определить напор H, необходимый для пропуска заданного расхода.

2)заданы диаметр d и длина трубопровода l, а также действующий напор H – требуется определить расход Q.

3)заданы длина трубопровода l, расход Q и действующий напор H – требуется определить необходимый диаметр трубопровода d.

Расчет простых трубопроводов

Порядок расчетов для задач первого типа (заданы диаметр d, длина трубопровода l и расход движущейся жидкости Q – требуется определить напор H):

1. По известному диаметру трубы рассчитываются площадь поперечного

сечения и средняя скорость течения Q .

		d
	2. Вычисляется число Рейнольдса	Re		.

3.В соответствии с материалом и состоянием (новый или бывший в эксплуатации) трубопровода по гидравлическим таблицам определяется его шероховатость.

4.По рассчитанным числу Re и шероховатости из графиков Никурадзе определяется, какой случай сопротивления по длине имеет место. Это позволит выбрать вид формулы для расчета коэффициента C.

5.Рассчитывается или из гидравлических таблиц определяется значение

модуля расхода K.	H Q	2
6. При известных Q, l и K находится величина напора:		2 l.
	K

Расчет простых трубопроводов

В задачах второго типа (заданы диаметр d, длина трубопровода l и напор H – требуется определить расход Q) изначально нельзя вычислить скорости, рассчитать число Рейнольдса и определить закон сопротивления по длине трубы.

В задачах третьего типа (заданы длина трубопровода l, расход Q и напор H – требуется определить диаметр трубопровода d) неизвестны также изначальные характеристики шероховатости трубопровода.

Такие задачи решаются путем последовательных приближений, при котором предварительные расчеты проводят, задаваясь некоторыми начальными значениями неизвестных параметров. После получения результата производится коррекция начальных предположений, и расчеты повторяются. При использовании возможностей современной вычислительной техники эти методы не вызывают принципиальных трудностей.

Если же рассматриваются трубопроводы с заведомо большой скоростью течения и значительной шероховатостью, то это позволяет уверенно предположить наличие квадратичного закона сопротивления. Тогда, применяя формулы Шези, Павловского или Маннинга, можно решать такие задачи без подбора.

Последовательное соединение трубопроводов

Для нахождения потерь по длине или расчетного напора необходимо вычислить по отдельности потери энергии на каждом участке и сложить их:

i n

H hпот i hпот 1 hпот 2 … hпот n. i 1

		i n	li			l1		l2		ln
	2			2					…
H Q			2	Q		2		2		2
											.
		i 1 Ki				K1		K2		Kn

HQ2 l.

K 2

Q		H					.
		i n	l
			i
				2
		i 1	Ki

				l	– модуль или удельное сопротивление трубы.
				K 2
	i n	li
			– суммарный модуль сопротивления всего трубопровода.
		2
	i 1 Ki

Последовательное соединение трубопроводов

1. Решение задач первого типа (заданы d, l и Q – определить напор H):

		i n	li			l1		l2		ln
	2			2					…
H Q			2	Q		2		2		2
											.
		i 1 Ki				K1		K2		Kn

2. Решение задач второго типа (заданы d, l и H – определить расход Q):

Q		H					.
		i n	l
			i
				2
		i 1	Ki

3. Задача третьего типа (заданы l, Q и H – определить d) определена, если ищется диаметр одного из участков трубопровода, а диаметры остальных участков известны. Тогда:

		i n 1		l			l
H Q	2			i			m		где m – номер участка, диаметр которого неизвестен.
				K	2		K 2	,
			i 1	i			m

l

H

i n 1

l

lm

Тогда

m

i

,

Km

,

откуда определяем диаметр.

H

i n 1

2

2

2

K

m

Q

i 1

K

i

li

Q

2

2

i 1

Ki

Параллельное соединение трубопроводов

hAB H A HB ,

hAB hпот 1 hпот 2 hпот 3.

hAB

. Q Q Q Q .

hAB

Q1 K1

hAB

,

Q2

K2

,

Q3

K3

l1

l2

l3

1

2

3

n

Ki

h

h

h

Q K1

AB

K2

AB

K3

AB

.

Q hAB

.

l

l

l

2

l

i 1

i

1

3

Зная характеристики ветвей трубопровода Ki и li, а также суммарный расход

жидкости Q определяем потери напора между узлами A и B:

hAB

Q2

.

n

K

i

l

i 1

i

Гидравлический расчет коротких трубопроводов

При расчетах коротких трубопроводов нельзя пренебрегать кинетической энергией потока в выходном сечении трубы

H h	вых вых2 .
пот		2 g

n

2

mi

2

hпот

тр i

i

i

2 g

мест j 2 g

.

i 1

j 1

Qi i i ,

i

Q2

n

mi

пр2

hпот

2

тр i мест j

2

,

2 g пр i 1

j 1

i

Q1 Q2 … Qi … Qn Q.

		Q	,	i	пр		пр .
						i
		i

	Q2		n
H		2			тр i
	2 g пр i 1

mi		2			пр	Q2
		пр					.
	мест j
		2				2
j 1		i		2 g пр

Q					1
		n		m		2
						пр	пр
				тр i мест j		2
		i 1		j 1		i

Q пр пр 2 g H .

пр 2 g H ,

	пр			1						.
			n	m		пр2
				тр i мест j				пр
						2
				j 1
			i 1			i

Пример расчета короткого трубопровода

			2	p						2	p
	0		0	0	z	0		3	3		3	z h .
2 g				g				2 g			g	3 пот

Уровень жидкости в резервуаре постоянен (H = const), значит 0 0,

		3		32	p0 = pатм, p3 = pатм, z 0 = H, z 3 = 0.
	Тогда				hпот .
		H
			2 g

Потери – на трение на 1 и 2 участках и местные сопротивления:

•вход в трубу из резервуара,

•внезапное сужение трубопровода на стыке первого и второго участков,

•конический насадок.

			2		2			l		2		2				l	2		2			2
H	3		3			1		1		1			2						2			3	.
					вх 2 g			d1				вн.с 2 g				d2
	2 g						1			2 g					2				2 g		нас 2 g

5.4. Гидравлический расчет сложных трубопроводов

Разветвленные трубопроводы

Трубопровод, имеющий общее сечение, в котором разделяются или смыкаются несколько ветвей труб, называется разветвленным.

Представленный на схеме (рис. 5.7) разветвленный трубопровод в сечении В-В расходится на три трубы. По каждой из труб осуществляется подача воды в резервуары на геодезические высоты ,, . Трубы имеют различные диаметры , , и длины ,,. Общий расход в основном трубопроводе до разветвления —Q. В разветвленных трубах расходы соответственно равны ,, .

Рис. 5.7. Схема разветвленного трубопровода

Для разветвленного трубопровода можно написать следующее уравнение:

_. (5.21)

Запишем уравнение Бернулли для сечения В-В и, например, для сечения первого трубопровода 1-1, которое совпадает с уровнем воды в резервуаре. Пусть плоскость сравнения проходит через сечение В-В.

Давление на свободной поверхности в резервуаре — атмосферное, а давление в сечении В-В принимаем равным абсолютному, т.е. :

,

; .

Скоростным напором в сечении В-В пренебрегаем: . Скорость в сечении1-1 резервуара считаем равной нулю, тогда .

Напор в сеченииВ-В

. (5.23)

Будем считать трубопровод длинным, тогда и, следовательно, потери в нем можно определить по водопроводной формуле (4.44):

.

Напор в сечении В-В

. (5.24)

Аналогично, рассматривая два других трубопровода, можно получить:

; (5.25)

Таким образом, при расчете простейшей схемы разветвленного трубопровода используются полученные уравнения (5.24) и (5.25), а также уравнение (5.21). Совместное решение этих уравнений позволяет определить все три расхода — ,, .

♦ Пример 5.5

Из водонапорной башни в трубопровод (рис. 5.8), состоящий из стальных труб, подается вода расходом м³/с. Длина трубы до разветвления м, диаметрмм. В сеченииВ-В трубопровод разветвляется на два трубопровода, длины и диаметры которых соответственно равны: м,мм;м,мм.

Определить расходы в каждой ветви трубопровода. Геодезические отметки подачи воды м им. Расстояние от уровня воды в башне до плоскости 0-0м. Местными сопротивлениями пренебречь.

Рис. 5.8. К примеру 5.5

Напор в сечении В-В определим, используя уравнение Бернулли, приняв плоскость сравнения 0-0. Первое сечение совпадает со свободной поверхностью воды водонапорной башни, второе сечение — сечение В-В.

Принимаем ,, согласно условию примера местные потери равны нулю. Тогда из уравнения Бернулли получим

,

где — гидравлические потери по длине трубопровода до разветвления.

По табл. 5.3 для стальной трубы диаметром м находим удельное сопротивлениес²/м⁶. Потери напора по длине в трубопроводе при расходеQ

м.

Напор в сечении В-В

м.

Согласно формуле (5.25) напор в сечении

.

По табл. 5.3 для трубы м находимс²/м⁶; м.

Расход в этом трубопроводе

м³/с.

Расход в трубопроводе диаметром м

; м³/с

Параллельные трубопроводы

Параллельными трубопроводами называются трубопроводы, которые имеют свое начало в общем сечении и заканчиваются в другом общем сечении.

На рис. 5.9 представлена схема параллельного соединения трех трубопроводов, имеющих разную длину и диаметр.

Рис. 5.9. Схема параллельного соединения трех трубопроводов

В точке В напор , а в точкеС напор .

Расход до разветвления (точка В) равен сумме расходов в трубах 1, 2 и 3: . Разность напоров в точках . ТочкиВ и С принадлежат всем трем трубопроводам. Разность напоров в местах соединения труб одинакова, следовательно, гидравлические потери в каждой ветви трубопровода:

;

; (5.26)

.

Таким образом, можно считать, что гидравлические потери во всех параллельно соединенных трубопроводах независимо от их количества, длины и диаметра одинаковые: . Полагая, что местные гидравлические потери малы по сравнению с потерями по длине и используя водопроводную формулу (4.44), получим систему уравнений:

;

; (5.27)

.

Рис. 5.10. Графики характеристик отдельных параллельно соединенных трубопроводов

Расчет параллельно соединенных трубопроводов заключается в определении расходов в каждом из них и основывается на использовании уравнений (5.26) и (5.27). Количество уравнений определяется числом трубопроводов, присоединенных к сечениям В и С. Используя эти уравнения, можно построить графики функций характеристик отдельных трубопроводов (рис. 5.10).

Для удобства построения графиков можно применить параметр (сопротивление трубопровода): ; ; и т.д.

Зависимость гидравлических потерь имеет следующий вид: .

Характеристика параллельно соединенного трубопровода строится путем сложения по горизонтали расходов при одинаковых.

♦ Пример 5.6

На водоводе между точками В и С установлены три параллельных трубопровода (см. рис. 5.9). Расход в водоводе до разветвления м³/с Длины и диаметры трубопроводов: м,м,м;мм,мм,мм. Определить расходы в отдельных стальных трубопроводах и потери напора между точкамиВ и С.

Гидравлические потери в трубопроводах 1, 2 и 3

.

По табл. 5.3 находим значения удельных сопротивлений для стальных труб:

мм, с²/м⁶;

мм, с²/м⁶;

мм, с²/м⁶.

Выразим ичерез, используя равенство потерь напора в трубопроводах, получим:

;

.

Расход в водоводе равен сумме расходов в трубопроводах:

.

Расход во втором трубопроводе

м³/с.

В первом трубопроводе м³/c.

В третьем трубопроводе м³/с

Потери напора между точками В и С

м.