Расчет трубопровода для перекачки воды

5

Содержание

Гидравлический расчет

Гидравлический расчет для конкретных данных

Расчет тепломассообмена

Расчет тепломассообмена для конкретных данных

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Современный завод, в том числе металлургический, потребляет много воды. Вода расходуется на разные нужды: промышленные, хозяйственно-питьевые, противопожарные, а так же на поливку территории. На практике чаще всего приходится иметь дело с движением жидкости по системам трубопроводов, включающих участки различных диаметров ответвления, параллельные ветви, разнообразную арматуру, насосы и другие устройства. Расчет таких систем иногда весьма сложен и требует, помимо знания общих законов движения жидкости, применения специальных приемов расчета и рабочих формул.

Обычно трубопроводы подразделяют на простые и сложные. К простым относятся трубопроводы, не имеющие ответвлений, и с постоянным расходом жидкости во всех сечениях. Остальные относятся к сложным. Существует еще деление на короткие и длинные трубопроводы. Под короткими принимают трубопроводы, в которых местные потери напора составляют более 10-20% от потерь на трение. В длинных трубопроводах местные потери составляют меньшую долю общих потерь.

В данной работе будет рассчитан трубопровод для перекачки воды. Объем воды перекачиваемой трубопроводом - 50м³, потребное давление - 1,5ат, зададимся температурой воды - 20⁰ С, а температура окружающей среды - 23⁰ С.

В ходе гидравлического расчета будет найдена давление на выходе, а также построена характеристика сети трубопровода.

Данные о плотности, кинематической вязкости, коэффициенты сопротивлений, эквивалентная абсолютная шероховатость были взяты из приложений книги А.А. Гальнбека ”Водовоздушное хозяйство металлургических заводов”.

В ходе расчета тепломассообмена будут рассчитаны потери тепла в окружающую среду.

Различают три способа распространения теплоты в природе - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение и два вида теплообмена между телами - конвективный и лучистый.

Под конвекцией понимают распространение теплоты в среде с неоднородным распределением температур, осуществляемое макроскопическими элементами жидкости при ее перемещении. Распространение теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, т.е. молекулярным переносом теплоты.

Тепловое излучение - это излучение, возникающее в результате возбуждения частиц вещества и распространяющееся в пространстве электромагнитными волнами.

Теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты, называют конвективным теплообменом.

При лучистом теплообмене происходит двойное превращение энергии.

Гидравлический расчет

Расчет слагается из следующих этапов:

1)Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:

При выборе труб необходимо задаться некоторым значением скорости. Оно выбирается исходя из экономических соображений. При небольших скоростях в трубопроводах потери напора не большие, что при прочих равных условиях потребует более низкой башни (меньшие капиталовложения) и меньшего напора насосов (меньшие эксплуатационные расходы).

Следующий этап состоит в определении диаметров d труб на участках:

где F- площадь поперечного сечения трубопровода, W-средняя скорость движения воды.

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 0,2-0,3 м/с и менее), то выбор можно считать законченным.

Для наружных сетей применяют чугунные, асбестоцементные или стальные трубы.

2)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 о:



где b - коэффициент сопротивления трубопровода:

Картина движения жидкости в потоке может быть различной. Существует ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости, количественной мерой этих режимов является число Рейнольдса Re. Его численное значение зависит от соотношения трех величин: средней скорости потока W, его диаметра d, и вязкости V:

Число Рейнольдса является безразмерной величиной. Таким образом, Рейнольдс характеризуется своим численным значением. Границей перехода из одного режима в другой считается обычно значение Re=2320-критическое значение(Re_кр). При Re<Re_кр - режим движения ламинарный. При Re_кр<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 д много больше средней величины выступов шероховатости(абсолютной шероховатости), то трубы носят название гидравлически гладких. Если много меньше - гидравлически шероховатых.

Для гидравлически гладких труб л рассчитывается по формуле Блазиуса:

Для гидравлически шероховатых по формуле Никурадзе:

К_э- эквивалентная шероховатость. Ее значения для разных стенок приводятся в справочниках.

3)Составление уравнения Бернулли и определение давления на выходе:

Уравнение Бернулли для реальной жидкости имеет вид:

где z₁, z₂ - геометрический напор в 1-ом и 2-ом сечении соответственно;

P₁/г, P₂/г-пьезометрический напор;

-динамический напор;

h_пот1-2-потери напора.

При заданном давлении на входе уравнение Бернулли позволяет определить давление на выходе, которое необходимо знать для построения характеристики сети.

4)Построение характеристики сети:

Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:

H=a+(c+b)Q²

Где ;

-коэффициент сопротивления трубопровода.

Существует последовательное и параллельное соединение трубопроводов. При последовательном:

При параллельном :

.

Гидравлический расчет для конкретных данных

1)Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:

Пусть W=1,2 м/с. Так как , следовательно .

Тогда:

Стандартная чугунная труба А.А.Гальнбек «Водовоздушные хозяйства металлургических заводов» d₁=0.1м=100мм d₁=d₃=d₄=d₅=0.1м

Расчетная скорость:

При последовательном соединении Q=Q₁=Q₂, задаемся диаметром d₂ =300мм, тогда:

т.к. d₁ = d₃, а Q₁ = Q₃=Q, то

W₁ = W₃ = 1,78 м/с.

При параллельном соединении Q = Q₄+Q₅. Диаметры на участках 4 и 5 равны d₄=d₅=0.1м, следовательно Q₄ = Q₅ = Q/2 = 0,007м³/с. Тогда:

2)Определение потерь напора на участках:

Для определения режима движения на первом участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₁>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0,5мм.Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₁ определяем по формуле Никурадзе:

Определим коэффициент сопротивления b на первом участке. Коэффициенты местных сопротивлений принимаем равными о_{Вентеля} = 3.3, о_колена = 1.129, резкое расширение: о = . Следовательно ?о = 5,219. Длина первого участка

Для определения режима движения на втором участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₁>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0,5мм.Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₂ определяем по формуле Никурадзе:

Определим коэффициент сопротивления b на втором участке. о_колена = 1.129, резкое расширение: о = . Следовательно ?о = 1,573. Длина второго участка

Участки 1 и 2 соединены последовательно, значит:

Для определения режима движения на третьем участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₃ = Re₁ =156140,

т.к. W₃ = W₁, и d₃ = d₁.

Re₃>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0,5мм.Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₃ :

, т.к. d₃=d₁.

Определим коэффициент сопротивления b на третьем участке. Коэффициент местного сопротивления на разветвление под углом 90^о равен 1. Длина третьего участка

Участки 1-2 и 3 соединены последовательно, значит:

Для определения режима движения на четвертом участке рассчитаем число Рейнольдса:

Re₄>Re_кр=2320, следовательно режим движения турбулентный.

Рассчитаем толщину ламинарного подслоя:

Абсолютная шероховатость ?=0.5мм.Тогда ?>д имеем область гидравлически шероховатых труб.

Коэффициент трения л₄ :

, т.к. d₃=d₁.

Определим коэффициент сопротивления b на четвертом участке. Коэффициенты местных сопротивлений принимаем равными о_{Вентеля}=3.3, о_{колена45}^о = 0,22. Следовательно ?о = 3,52. Длина четвертого участка

Коэффициент сопротивления на четвертом участке b₄ равен коэффициенту сопротивления на пятом участке b₅, т.к. эти участки одинаковые. Они соединены параллельно, значит:

Участки b_1-3 и b_4-5 соединены последовательно, тогда:

Рассчитаем потери на всем трубопроводе:

3)Составление уравнения Бернулли и определение давления на выходе:

Выберем 2 сечения 1-1 и 2-2 (см.рис.1). Данные для составления уравнения Бернулли - ,представлены в виде таблицы:

z1	p1, ат	w1, м/с	z2,м	p2,ат	w2, м/с	h Расчет потерь для этих сечений был произведен вышепот1-2,м
0	1,5	1,78	4	?	0,2	3,5

Определим давление на выходе:

P₂=0,75*10⁵Па

4)Построение характеристики сети:

Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:

H=a+(c+b)Q²

Где:

а,м.мет.ст.	b,c2/м5
-3,35	17859,055

Для данного трубопровода уравнение характеристики сети имеет вид:

График и его описание представлены в заключении.H = - 3,35 + 17859,055Q²

Расчет тепломассообмена

В данном курсовом проекте необходимо определить потери тепла в окружающую среду.

Для расчета потерь тепла в окружающую среду используют формулу:

Где q' - тепловой поток на единицу длины, t₁- температура воды; t₂ - температура воздуха окружающей среды; d₁- внутренний диаметр трубы,б₁-коэффициент теплоотдачи от воды к стенке, л₁-теплопроводность стали, d₂ - наружный диаметр трубы, б ₂ - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к окружающей среде.

Коэффициент теплоотдачи б₁, входящий в уравнение, характеризует интенсивность теплоотдачи. Его можно найти из формулы:

;

Число Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело - жидкость.

л_ж-теплопроводность Вт/м*К(справочная величина Л.В.Арнольд «Техническая термодинамика и теплопередача», приложение 12)

l-определяющий линейный размер. При течении жидкости в круглых трубах за определяющий размер принимают внутренний диаметр трубы.

В первую очередь необходимо определить режим течения воды. Как говорилось выше, определяющим критерием режима течения является число Рейнольдса:

Для расчета теплоотдачи в случае турбулентного потока внутри труб и каналов рекомендуют следующую формулу:

Pr- число Прандтля характеризует собой механизм и способность распространения теплоты(справочная величина);

б₂ - коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции.

Для расчета б₂ коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции пользуются формулой:

Но при теплоотдаче за счет свободной конвекции можно пользоваться упрощенным уравнением О.Флореа «Расчеты поприборам и аппаратам химической технологии», стр.137:

При l³?t< 2 град * м³ :

При l³?t> 2 град * м³ :

Где ?t- разность между температурой наружной изоляции и воздухом;

l - определяющий линейный размер.

Расчет тепломассообмена для конкретных данных

Определение потерь тепла в окружающую среду

Для определения режима течения на первом участке рассчитаем число Рейнольдса:

Данные для скорости, вязкости и диаметр взяты из гидравлического расчета

Re₁>Re_кр=2320, следовательно режим течения турбулентный.

Pr=7,02 при температуре воды 20⁰С.

принимаем равным 1.

Определяем коэффициент теплоотдачи, л_ж=0,613 Вт/м*град :

Определяем тепловой поток на единицу длины, где t₁=20⁰С температура воды;

t₂ =23⁰С температура воздуха окружающей среды;

d₁=0,1м внутренний диаметр трубы;

б₁=4250,26 Вт/м²*град коэффициент теплоотдачи воды; л₁=17,5 Вт/м²*град теплопроводность стали;

d₂ =d₁+2*(толщину стенки трубы) - наружный диаметр трубы, где 9мм=0,009м - толщина стенки трубы, d₂=0.109м;

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции:

При l³?t< 2 град * м³ :

При l³?t> 2 град * м³ :

Температура воздуха 23⁰ С, d=0.1м:

l³?t=0,109³*3=0,003885м³* град < 2 град * м³ :

Q=q'*L,

где L=135,49 м длина трубопровода.

Q=2,748*135,49=372,33 Вт -потери тепла в окружающую среду.

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан трубопровод для перекачки воды. В гидравлическом расчете было определено давление на выходе P₂=75000Па и построена характеристика сети трубопровода, график и описание которой представлены в заключении:

На плоскости H-Q характеристика трубопровода выражается параболой. Начальная ордината характеристики равна а=-3,35 < 0, характеристика сети пересекает ось абсцисс в некоторой точке. Величина расхода Q', отвечающего этой точке, равна тому расходу, который самопроизвольно устанавливается в трубопроводе в отсутствие технической работы. При расходах меньших Q', жидкость протекая по трубопроводу, будет совершать техническую работу. Расходы, большие Q', обеспечиваются при получении жидкостью энергии извне ( от насоса).

Величина потребного или развиваемого полного напора трубопровода определяется точкой пересечения характеристики с ординатой, отвечающей заданному расходу, в данном случае при Q=0,014м³/с: Н_пол=0,15м.вод.ст.

Для данной сети постоянная а, отвечающая сумме геометрической подачи и приращению пьезометрического напора, не изменяется в ходе эксплуатации трубопровода.

Постоянная с, определяемая диаметрами входа и выхода сети, является конструктивной константой и тоже на может быть изменена.

Иная картина наблюдается с сопротивлением трубопровода b, учитывающим потери напора на трение и местные потери. Для данной сети коэффициент трения более или менее постоянен, 0.0223<л<0.0306. Что касается коэффициента местных потерь, то для данной сети он может быть легко изменен с помощью дроссельных устройств: вентилей, кранов и пр. В ходе расчета тепломассообмена определены потери тепла Q=372,33Вт.