Простой трубопровод постоянного сечения

РАСЧЕТ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Учебное пособие

Составители: канд. техн. наук, доцент В. К. Леонтьев, ассистент М. А. Барашева

Ярославль 2013

АННОТАЦИЯ

В учебном пособии рассмотрены краткие теоретические сведения по расчету простых и сложных трубопроводов, расчету основных параметров работы насосов. Приведены примеры расчетов трубопроводов и подбора на- сосов. Разработаны многовариантные задания для выполнения расчетно- графических работ.

Особое внимание в пособии уделено конструкциям динамических на- сосов и насосов объемного действия.

Учебное пособие предназначено для студентов, выполняющих расчет- ные работы и курсовые проекты по курсам «Гидравлика», «Механика жид- кости и газа» и «Процессы и аппараты химической технологии».

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Гидравлический расчет трубопроводов 5

1.1. Классификация трубопроводов 5

1.2. Простой трубопровод постоянного сечения 6

1.3. Сложные трубопроводы 10

1.3.1. Последовательное соединение трубопроводов 10

1.3.2. Параллельное соединение трубопроводов 11

1.3.3. Сложный разветвленный трубопровод 13

2. Расчет насосной установки 15

2.1. Параметры работы насоса 16

2.1.1. Определение напора насосной установки 16

2.1.2. Измерение напора насосной установки с помощью

приборов 18

2.1.3. Определение полезной мощности, мощности на валу, коэффициента полезного действия насосной установки 19

3. Классификация насосов 21

3.1. Динамические насосы 22

3.1.1. Центробежные насосы 22

3.1.2. Осевые (пропеллерные) насосы 38

3.1.3. Вихревые насосы 39

3.1.4. Струйные насосы 41

3.1.5 Воздушные (газовые) подъемники 42

3.2 Объемные насосы 43

3.2.1 Поршневые насосы 43

3.2.2 Шестеренные насосы 56

3.2.3 Винтовые насосы 57

3.2.4 Пластинчатые насосы 58

3.2.5 Монтежю 58

3.3 Достоинства и недостатки насосов различных типов 59

4. Задание на расчет насосной установки 61

Задание 1 61

4.1. Пример расчета простого трубопровода 63

Задание 2 73

4.2. Пример расчета сложного трубопровода 75

Задание 3 85

4.3. Пример расчета насосной установки 87

Задание 4 97

4.4. Пример расчета и подбора насоса для подачи жидкости в ко- лонну 99

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 104

ПРИЛОЖЕНИЕ А 105

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 112

ПРИЛОЖЕНИЕ В 132

ВВЕДЕНИЕ

В химических производствах большинство технологических процессов осуществляется с участием жидких веществ. Это и сырьё, которое подают со склада на технологическую установку, это и промежуточные продукты, пе- ремещаемые между аппаратами, установками, цехами завода, это и конечные продукты, доставляемые в ёмкости склада готовой продукции.

На все перемещения жидкостей, как по горизонтали, так и по вертика- ли, необходимо затратить энергию. Наиболее распространённым источником энергии потока жидкости является насос. Другими словами, насос создает напорный поток жидкости.

Насос является составной частью насосной установки, которая включа- ет в себя всасывающий и нагнетательный (напорный) трубопроводы; исход- ный и приемный резервуары (или технологические аппараты); регулирую- щую трубопроводную арматуру (краны, вентили, задвижки); измерительные приборы.

Правильно выбранный насос должен обеспечивать заданный расход жидкости в данной насосной установке, при этом работать в экономичном режиме, т.е. в области максимальных КПД.

При выборе насоса необходимо учитывать коррозионные и другие свойства перекачиваемой жидкости.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

Классификация трубопроводов

Роль трубопроводных систем в хозяйстве любой страны, отдельной корпорации или просто отдельного хозяйства трудно переоценить. Системы трубопроводов в настоящее время являются самым эффективным, надёжным и экологически чистым транспортом для жидких и газообразных продуктов. Со временем их роль в развитии научно-технического прогресса возрастает. Только с помощью трубопроводов достигается возможность объединения стран производителей углеводородного сырья со странами потребителями. Большая доля в перекачке жидкостей и газов по праву принадлежит систе- мам газопроводов и нефтепроводов. Практически в каждой машине и меха- низме значительная роль принадлежит трубопроводам.

По своему назначению трубопроводы принято различать по виду транспортируемой по ним продукции:

– газопроводы;

– нефтепроводы;

– водопроводы;

– воздухопроводы;

– продуктопроводы.

По виду движения по ним жидкостей трубопроводы можно разделить на две категории:

– напорные трубопроводы;

– безнапорные (самотёчные) трубопроводы.

В напорном трубопроводе внутреннее абсолютное давление транспор- тируемой среды более 0,1 МПa. Безнапорные трубопроводы работают без из- быточного давления, движение среды в них обеспечивается естественным геодезическим уклоном.

По величине потерь напора на местные сопротивления трубопроводы делятся на короткие и длинные.

В коротких трубопроводах потери напора на местные сопротивления превышают либо равны 10 % от потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора на местные сопротив- ления. К ним относят, например, маслопроводы объемных передач.

К длинным трубопроводам относятся трубопроводы, в которых мест- ные потери меньше 10 % от потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета потерь на местные сопротивления. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

По схеме работы трубопроводов их можно разделить также на простые

и сложные.

Простые трубопроводы – это последовательно соединенные трубопро- воды одного или различных сечений, не имеющие никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д.

По изменению расхода транспортируемой среды трубопроводы бывают:

– транзитные;

– с путевым расходом.

В транзитных трубопроводах отбора жидкости по мере её движения не производится, расход потока остается постоянным, в трубопроводах с путе- вым расходом расход потока изменяется по длине трубопровода.

Также трубопроводы можно подразделить по виду сечения: на трубо- проводы круглого и не круглого сечения (прямоугольные, квадратные и дру- гого профиля). Трубопроводы можно разделить и по материалу, из которого они изготовлены: стальные трубопроводы, бетонные, пластиковые и др.

Простой трубопровод постоянного сечения

Основным элементом любой трубопроводной системы, какой бы слож- ной она ни была, является простой трубопровод. Простым трубопроводом, согласно классическому определению, является трубопровод, собранный из труб одинакового диаметра и качества его внутренних стенок, в котором движется транзитный поток жидкости, и на котором нет местных гидравли- ческих сопротивлений. Рассмотрим простой трубопровод постоянного сече- ния, имеющий общую длину l и диаметр d, а также ряд местных сопротивле- ний (вентиль, фильтр, обратный клапан).

Рис. 1.1  Схема простого трубопровода

Размер сечения трубопровода (диаметр или размер гидравлического радиуса), а также его протяженность (длина) трубопровода (l, L) являются основными геометрическими характеристиками трубопровода. Основными технологическими характеристиками трубопровода являются расход жидко- сти в трубопроводе Q и напор Н (на головных сооружениях трубопровода, т.е. в его начале). Большинство других характеристик простого трубопровода являются, не смотря на их важность, производными характеристиками. По- скольку в простом трубопроводе расход жидкости транзитный (одинаковый в начале и конце трубопровода), то средняя скорость движения жидкости в трубопроводе постоянна ν = cons’t.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2.

z1+

P1

 × g

2g

= z2 +

P2

 × g

2g

+ hп

, (1.1)

где

z1, z2 – расстояние от плоскости сравнения до центров тяжести выделен-

ных сечений – геометрический напор, м;

P1 , P2

– давление в центре тяжести выделенных сечений, Па;

 – плотность потока, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

1, 2

нии, м/с;

– средняя скорость движения потока в соответствующем сече-

hп– потери напора в трубопроводе, м;

P1 ,

 × g

P2

 × g

– пьезометрический напор, м;

 

1 , 2

– скоростной напор, м.

2g 2g

Так как сечение трубопровода постоянно, то скорость движения потока одинакова по всей длине трубопровода, а соответственно и скоростные напо- ры в сечениях 1-1 и 2-2 равны. Тогда уравнение Бернулли принимает сле- дующий вид:

z1+

P1

 × g

= z2 +

P2

 × g

+ hп. (1.2)

Потери напора в трубопроводе складываются из потерь напора на тре- ние и местные сопротивления, согласно принципу сложения потери напора в трубопроводе могут быть определены как:

+ å ö 

, (1.3)

где  – коэффициент трения;

l – длина трубопровода, м;

d – внутренний диаметр трубопровода, м:

å– сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Размер потерь напора напрямую связан с расходом жидкости в трубо- проводе.

Q =  × S , (1.4)

где Q – объемный расход жидкости в трубопроводе, м3/с;

S – площадь поперечного сечения трубопровода, м.

 × d 2

S =

. (1.5)

как:

Таким образом, потери напора в трубопроводе могут быть определены

h = æ  l

+ å ö

1 Q2

п è ø 2g × S 2

. (1.6)

Зависимость суммарных потерь напора в трубопроводе от объемного

расхода жидкости

hп=

f (Q)

называется характеристикой трубопровода.

В случае турбулентного режима движения, допуская квадратичный за- кон сопротивления (  = cons’t), можно считать постоянной величиной сле- дующее выражение:

ç   ÷

è 2

d 4 . (1.7)

С учетом формул (1.6) и (1.7) выражение потерь напора в трубопроводе можно представить следующим образом:

Характеристика трубопровода при турбулентном режиме движения имеет вид параболы (рисунок 1.2).

При ламинарном режиме движения жидкости, когда

 = 64

Re

, характе-

ристика трубопровода – прямая линия, проходящая через начало координат (см. рисунок 1.2).

hп, м

1 2

Q, м3/с

Рис. 1.2  Характеристика трубопровода

1 – характеристика трубопровода при ламинарном режиме движения жидкости; 2 – характеристика трубопровода при турбулентном режиме движения

Потребный напор – это пьезометрический напор вначале трубопрово- да, согласно уравнению Бернулли:

Hпотр =

P1

 × g

= z2 - z1+

P2

 × g

+ hп. (1.9)

Таким образом, потребный напор расходуется на подъем жидкости на

высоту

D z = z2- z1, преодоления давления на конце трубопровода и на пре-

одоление сопротивлений трубопровода.

Сумма двух первых слагаемых в формуле (1.9) величина постоянная, она носит название статический напор:

Hcт

= z2

- z1

+ P2 . (1.10)

 × g

Таким образом, потребный напор может быть определен как:

Hпотр= Hст+ hп. (1.11)

Зависимость потребного напора трубопровода от объемного расхода

жидкости

Hпотр =

f (Q)

называется характеристикой сети. При ламинарном

течении кривая потребного напора прямая линия, при турбулентном имеет

вид параболы (рисунок 1.3). Эта та же характеристика трубопровода, сме-

щенная на размер статического напора

Hcт

по оси ординат.

Рис. 1.3  Характеристика сети

Сложные трубопроводы

К сложным трубопроводам следует относить те трубопроводы, кото- рые не подходят к категории простых, т.е. к сложным трубопроводам следует отнести: трубопроводы, собранные из труб разного диаметра (последова- тельное соединение трубопроводов), трубопроводы, имеющие разветвления: параллельное соединение трубопроводов, сети трубопроводов, трубопроводы с непрерывной раздачей жидкости.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: