Основные сведения для проведения расчетов

Стр 1 из 4Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И КОММУНИКАЦИЙ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Кафедра «Экология и энергоэффективность в техносфере»

Р. Н. вострова, С. А. ВОРОБЬЕВ

Гидравлический расчет напорного трубопровода в системе водоснабжения

Учебно-методическое пособие

Для студентов строительного и заочного факультетов

Гомель 2017

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И КОММУНИКАЦИЙ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Кафедра «Экология и энергоэффективность в техносфере»

Р. Н. вострова, С. А. Воробьев

Гидравлический расчет напорного трубопровода в системе водоснабжения

Одобрено учебно-методической комиссией строительного факультета

в качестве учебно-методического пособия

по выполнению расчетно-графической работы № 1

для студентов строительных специальностей

Гомель 2017

УДК 556.536 (075.8)

ББК 30.123

В78

Рецензент – д-р физ.-мат.. наук, профессор кафедры «Строительная механика» Э. И. Старовойтов (УО «БелГУТ»)

Воробьев С.А., Вострова, Р. Н.

В78 Гидравлический расчет напорного трубопровода в системе водоснабжения, построение напорной и пьезометрической линий : учеб.-метод. пособие / Р. Н. Вострова, С. А. Воробьев ; М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель : БелГУТ, 2017. – 62 с.

ISBN 978-985-554-556-0

Рассмотрены теоретические основы гидравлического расчета напорного трубопровода, даны исходные данные для выполнения расчетно-графической работы.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 1-70 04 03 «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов»,

УДК 556.536 (075.8)

ББК 30.123

ISBN 978-985-554-556-0

Оглавление

Введение ……………………………………………………………………………..	3
1 Состав и объем расчетно-графической работы…...………………………….	3
2 Исходные данные………………….…………..……….........................................	3
3 Основные сведеения для проведения расчетов………………………….	8
3.1 Подбор диаметра самотечной трубы или сифона (вариант А и В)……...	13
3.2 Определение действительного перепада уровней в I и II резервуаре (вариант заданий А и В)…………………………………………………... 3.3 Порядок выполнения гидравлического расчета напорного трубопровода насосной установки (вариант заданий А и В)…………18 3.3.1 Определение диаметра всасывающего трубопровода насосной установки.18 3.3.2 Определение высоты установки центра насоса над линией свободной поверхности……………………………………………….18 3.3.3 Определение потерь напора во всасывающем трубопроводе….19 3.3.4 Определение диаметра нагнетательного трубопровода насосной установки……………………………………………………..18 3.3.5 Определение потерь напора в нагнетательном трубопроводе……………………………………………………………..19	15

Список литературы …………………………………………………………………	22

Приложение А. Коэффициент шероховатости поверхности канала (n)………...…….22

Приложение Б. Образец оформления титульного листа к расчетно-графической работе № 1………………………………………………………30

ВВЕДЕНИЕ

Расчетно-графическая работа «Гидравлический расчет напорного трубопровода» по дисциплине «Механика жидкости и газа» выполняется студентами специальности 70 04 03 «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов». Гидравлический расчет системы водоснабжения производятся с целью выбора диаметра трубопровода, определения скоростей и расходов в системе водоснабжения, потерь напоров, а также для определения потребного напора трубопровода, работающего на данную систему водоснабжения.

Определив полные напоры на участке системы водоснабжения, можно построить напорную и пьезометрическую линию, которые позволяют определить давление на любом участке водопровода, а также напор и скорость в любом его сечении. Гидравлический расчет напорных трубопроводов позволяет осуществить подбор энергоэффективного оборудования для подачи воды от источника до потребителя.

Целью работы является закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретического материала, выработка у них навыков практического применения этих знаний при решении инженерных задач.

СОСТАВ И ОБЪЕМ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

В расчетно-графическую работу входит гидравлический расчет напорного трубопровода с самотечным и сифонным водозаборами и напорного трубопровода тупиковой сети с водонапорной башней.

Расчетно-графическая работа состоит из пояснительной записки с включенными в нее результатами расчетов и чертежа, на котором схематически изображается трубопровод, и наносятся линии полного и пьезометрического напоров, а также указываются все составляющие потери напора.

Исходные данные

В вариантах заданий приняты следующие обозначения:

l₁– длина самотечной трубы (задание А), м;

d₁– диаметр самотечной трубы (задание А), мм;

h₁– разность горизонтов в канале I и колодце II, м;

Q − производительность насоса, л/с;

l_BC – длина всасывающей трубы насоса, м;

h₂– высота установки центра насоса над линией свободной поверхности, м;

l_H – длина напорного трубопровода, м;

d_H – диаметр напорного трубопровода, мм;

d– диаметр внешнего цилиндрического насадка (задание А), мм;

d_вс– диаметр всасывающей трубы насоса (задание А), мм;

l – общая длина сифона (задание В), м;

l₁– длина сифона от входного сечения до наивысшей точки О (задание В), м;

H – отметка горизонта воды в резервуаре III над центром насоса, м;

h₀– отметка наивысшей точки сифона О (задание В),, м;

p₀– избыточное давление в резервуаре III (задание В), м.вод.ст.;

p_вак– давление на входе в насос, ат;

h_вак– допустимый вакуум со всасывающей трубе и сифоне (задание В), м.вод.ст.;

Задание A. Гидравлический расчет напорных трубопроводов с самотечным водозабором (рисунок 1).

Из канала I по самотечной трубе АВ (снабженной фильтром и обратным клапаном) длиной l₁и диаметром d₁ вода под напором h₁перетекает в прибрежный колодец II.

Из прибрежного колодца II центробежный насос V перекачивает воду в открытый резервуар. Всасывающая труба насоса длиной l_вс снабжена фильтром с обратным клапаном и имеет два поворота с отношением радиуса поворота к диаметру трубы R/ d_вс =6,0. Давление во всасывающем трубопроводе на входе в насос h_вак.

Далее по напорному трубопроводу вода длиной l_ни диаметром d_нвода поступает в резервуар III. Материал трубопроводов – сталь.

Из резервуара III вода перетекает в резервуар IV через внешний цилиндрический насадок диаметром d и длиной (3,5-4)d под действием напора h₃ .

В задании необходимо определить: диаметр сифона ; разность уровней в канале I и колодце II; проверить возможность подъема воды в сифоне на заданную высоту; определить высоту установки центра насоса; вычислить разность горизонтов резервуаров III и IV и определить мощность насосной установки; построить напорную и пьезометрическую линии для всех участков напорных трубопроводов.

Данные для расчета напорного трубопровода с самотечной трубой приведены в таблице 1.

Рисунок I - Расчетная схема напорных трубопроводов самотечным водозабором

Таблица 1 - Данные для расчета напорного трубопровода с самотечной трубой

Вариант	Q	l_вс	h₂	h₁	l₁	L_н	d_н	H	d	p_вак
1	50	20	2,0	0,31	25	112	200	15	71	0,1
2	55	25	2,5	0,41	28	115	200	16	70	0,2
4	65	35	2,7	0,46	30	120	200	18	60	0,15
5	70	40	2,8	0,47	41	140	250	9	59	0,25
6	75	45	2,9	0,48	42	145	250	10	58	0,17
7	80	21	3,0	0,49	43	147	250	11	57	0,12
8	85	22	3,1	0,5	50	150	300	12	56	0,3
9	90	23	3,2	0,32	51	155	300	13	55	0,1
10	45	24	3,3	0,33	52	186	200	14	54	0,2
11	40	26	4,3	0,34	53	187	200	25	72	0,15
12	43	27	4,4	0,35	54	188	200	26	73	0,25
13	48	28	4,5	0,36	55	189	200	27	74	0,17
14	49	31	4,6	0,37	56	190	200	28	75	0,12
15	81	29	4,7	0,57	57	191	300	29	76	0,3
16	84	44	4,8	0,56	58	195	300	30	77	0,1
17	82	54	4,9	0,55	49	193	300	31	110	0,2
18	66	64	5,0	0,54	48	192	250	32	120	0,1
19	67	61	4,2	0,53	47	195	250	33	130	0,2
20	87	63	4,1	0,52	46	180	300	34	150	0,15
21	77	33	4,0	0,51	45	175	300	35	61	0,25
22	71	32	3,9	0,4	44	170	300	36	62	0,17
23	72	41	3,8	0,39	40	165	300	37	63	0,12
24	73	42	3,7	0,38	39	160	300	38	64	0,3
25	44	43	3,6	0,44	38	135	200	39	66	0,1
26	38	53	3,5	0,43	37	130	200	40	67	0,2
27	39	55	3,4	0,42	35	125	200	41	68	0,15
28	50	20	2,0	0,3	25	110	200	20	100	0,25
29	55	30	3,0	0,4	30	120	200	30	100	0,17
30	60	20	4,0	0,5	35	130	250	40	70	0,12
31	65	30	4,5	0,55	40	140	300	35	120	0,3
32	20	95	5,1	0,21	39	101	200	25	54	0,1
33	21	84	4,4	0,31	46	123	200	43	69	0,15
34	22	92	3,8	0,27	30	152	200	33	64	0,25
35	23	83	2,9	0,4	45	122	200	40	70	0,17
36	24	85	2,0	0,55	36	153	200	52	57	0,12
37	25	82	4,7	0,26	20	131	200	29	71	0,3
38	26	93	3,7	0,32	31	154	200	20	63	0,1
39	27	81	4,5	0,54	21	120	200	18	72	0,2

Задание B. Гидравлический расчет напорных трубопроводов с сифонным водозабором (рисунок 2).

Из канала I по сифону (снабженному фильтром и обратным клапаном) длиной l и диаметром d вода под напором h₁перетекает в прибрежный колодец II. Высота подъема воды по сифону h_0.

Далее по напорному трубопроводу длиной l_ни диаметром d_нвода поступает в резервуар III, находящийся под избыточным давлением р_0.Материал трубопроводов – сталь.

Из резервуара III вода перетекает в резервуар IV через отверстие диаметром d_отв. под действием напора h_3.

Рисунок 2 - Расчетная схема напорных трубопроводом с сифонным водозабором

В задании необходимо определить: диаметр сифона ; разность уровней в канале I и колодце II; проверить возможность подъема воды в сифоне на заданную высоту h₀; определить высоту установки центра насоса h₂, если давление на входе в насос р_вак= 0,1 ат.; вычислить разность горизонтов резервуаров III и IV h₃и определить мощность насосной установки для всех участков напорных трубопроводов.

Данные для расчета напорного трубопровода с сифонным водозабором приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Данные для расчета напорного трубопровода с сифонным водозабором

Вариант	Q	lвс	d_вс	h₁	l	h₀	l₁	l_н	d_н	H	p₀	h₃	h_вак	d_отв.
1	51	24	250	0,51	21	4	10	100	200	11	20	2	8	71
2	56	25	250	0,52	22	4	11	100	200	12	20	2	8	70
3	58	33	250	0,53	23	4	12	100	200	13	20	2	8	60
4	72	34	350	0,43	24	4	13	110	300	14	20	2	7	59
5	71	35	350	0,44	20	5	14	112	300	15	20	2	7	58
6	65	37	350	0,45	12	5	7	110	300	16	30	4	7	57
7	66	36	350	0,46	14	5	7	152	300	17	30	4	7	56
8	70	38	350	0,47	16	5	8	152	300	18	30	4	7	55
9	67	39	350	0,48	18	4	9	100	300	20	30	4	7	54
10	69	40	350	0,54	18	5	9	100	300	20	30	4	7	72
11	68	28	350	0,55	28	4	14	110	300	20	25	2	7	73
12	73	41	350	0,56	29	4	14	110	300	20	25	2	7	74
13	61	42	350	0,57	30	4	15	116	300	20	30	2	7	75
14	74	43	350	0,58	20	4	10	116	300	20	30	2	7	76
15	75	29	350	0,59	18	5	9	120	300	19	30	3	7	77
16	76	44	350	0,49	18	5	9	110	300	20	20	3	8	110
17	77	32	350	0,60	18	4	9	120	300	21	20	4	8	120
18	62	31	350	0,60	15	4	8	140	300	20	20	4	8	130
19	78	45	350	0,50	20	6	10	115	300	29	20	2	8	150
20	79	46	350	0,54	20	6	10	115	300	30	20	3	8	61
21	80	30	350	0,55	20	6	10	115	300	28	20	3	8	62
22	63	47	300	0,42	20	4	10	115	250	19	20	3	8	63
23	81	48	350	0,41	20	4	10	115	300	18	20	3	8	64
24	64	49	300	0,63	20	4	10	140	250	15	20	4	8	66
25	82	50	350	0,62	27	4	12	140	300	14	20	4	8	67
26	60	27	300	0,61	26	4	12	120	250	13	20	2	7	68
27	59	26	300	0,60	25	4	13	120	250	12	20	2	7	100
28	78	30	250	0,51	30	4	10	100	200	11	20	1	7	100
29	80	30	300	0,50	28	5	10	100	200	12	20	1	8	70
30	85	25	300	0,60	21	4	10	100	200	13	20	2	8	120
31	60	25	250	0,70	22	4	15	120	200	14	20	2	7	54
32	70	30	300	0,55	23	5	15	115	200	15	20	2	8	69
33	55	20	250	0,56	28	5	12	100	200	10	20	2	8	64
34	51	21	250	0,21	20	4	9	101	200	11	15	1	7	70
35	60	30	250	0,36	35	4	18	114	200	23	22	2	8	57
36	68	44	250	0,31	30	4	14	124	200	16	29	1	7	71
37	79	23	300	0,37	44	4	20	107	250	24	30	3	8	63
38	69	31	250	0,40	36	4	18	115	200	36	18	2	7	72

Основные сведения для проведения расчетов

Гидравлический расчет содержит как расчет коротких трубопроводов, так и расчет длинных трубопроводов. К коротким трубопроводам относятся самотечная труба, сифон, всасывающая труба насоса.

Простым трубопроводом называют трубопровод, по которому жидкость транспортируется без промежуточных ответвлений.

При расчетах простого трубопровода используется уравнение Бернулли, составленное для потока жидкости от плоскости свободной поверхности питающего резервуара до плоскости выходного сечения трубопровода.

С помощью уравнения Бернулли решается задачи в следующей последовательности:

1. Выбирают два сечения по длине потока 1-1 и 2-2, таким образом, чтобы для одного из них были известны величины р, , g, а для другого сечения один или несколько параметров подлежали определению.

2. Намечают линию сравнения так, чтобы были известны z₁ и (или) z₂.

3. При двух неизвестных для второго сечения используют уравнение неразрывности движения жидкости υ₁ω ₁ = υ₂ω₂.

3. Решают уравнения относительно неизвестного.

Все физические величины в расчетах должны приводиться в Международной системе единиц (СИ).

Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид:

(1.1)

Так как сечения 1-1 и 2-2 взяты произвольно, то полученное уравнение можно переписать иначе:

(1.2)

и прочитать так: сумма трех членов уравнения Бернулли для любого сечения потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

С энергетической точки зрения каждый член уравнения представляет собой определенные виды энергии: z₁ и z₂ - удельные энергии положения, характеризующие потенциальную энергию в сечениях 1-1 и 2-2;
и- удельные энергии давления, характеризующие потенциальную энергию давления в тех же сечениях;
и - удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Следовательно, согласно уравнению Бернулли, полная удельная энергия идеальной жидкости в любом сечении постоянна.

Уравнение Бернулли можно истолковать и чисто геометрически. Дело в том, что каждый член уравнения имеет линейную размерность. Глядя на рисунок 3.12, можно заметить, что

z₁ и z₂- геометрические высоты сечений 1-1 и 2-2 над плоскостью сравнения;

и - пьезометрические высоты;

и - скоростные высоты в указанных сечениях.

В этом случае уравнение Бернулли можно прочитать так: сумма геометрической, пьезометрической и скоростной высоты для идеальной жидкости есть величина постоянная.

Рисунок 4 – Геометрический смысл уравнения Бернулли

При движении реальной вязкой жидкости возникают силы трения, на преодоление которых жидкость затрачивает энергию. В результате полная удельная энергия жидкости в сечении 1-1 будет больше полной удельной энергии в сечении 2-2 на величину потерянной энергии.

Потерянная энергия или потерянный напор обозначаются и имеют

также линейную размерность. Уравнение Бернулли для реальной жидкости имеет вид:

, (1.3)

где - потеря напора, м.

Из рисунка 4 видно, что при движении жидкости от сечения 1-1 до сечения 2-2 потерянный напор все время увеличивается (вертикальная штриховка). Таким образом, уровень первоначальной энергии, которой обладает жидкость в первом сечении, для второго сечения будет складываться из четырех составляющих: геометрической высоты, пьезометрической высоты, скоростной высоты и потерянного напора между сечениями 1-1 и 2-2.

Два коэффициента α₁ и α₂ называются коэффициентами Кориолиса и зависят от режима течения жидкости ( α = 2 для ламинарного режима, α = 1 для турбулентного режима ).

Потерянный напор складывается из линейных потерь, вызванных силой трения между слоями жидкости, и потерь, вызванных местными сопротивлениями (изменениями конфигурации потока)

(1.4)

где h_пот - потери напора по длине, м.

h_м - потери на местные сопротивления, м.

Рисунок – Гидравлические потери: а) по длине; в )на местные сопротивления

, (1.5)

где λ - коэффициент гидравлического трения, который для ламинарного потока вычисляется по выражению:

, (1.6)

Где – число Рейнольдса, которое служит для определения режимов движения жидкости.

Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений.

Рисунок - Режимы движения жидкости: а) эпюра распределения скоростей при ламинарном режиме движения; в) эпюра распределения скоростей при турбулентном режиме движения

Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической .

Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы.

, (1.7)

где ν – коэффициент кинематический вязкости, м²/ с.
k - безразмерный коэффициент;
d - внутренний диаметр трубы, м.

Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k, одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Этот коэффициент называется критическим числом Рейнольдса Re_кр и определяется следующим образом:

. (1.8)

Для труб круглого сечения Re_кр примерно равно 2320. Критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Re_кр течение является ламинарным, а при Re > Re_кр течение является турбулентным.

Развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно равно 4000, а при Re = 2300…4000 имеет место переходная, критическая область.

Рисунок – зависимости коэффициента вязкости кинематического от температуры

Коэффициент гидравлического сопротивления трубопроводов можно определить при помощи уравнений (1.6, 1.9-1.12) или при помощи графика Никурадзе (рисунок 5).

Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубопроводов. Если число Рейнольдса лежит в диапазоне 4000 < Re < 10(d / Δ _э) коэффициент λ определяется по полуэмпирической формуле Блазиуса

. (1.9)

Во второй области, расположенной между линий II и пунктирной линией справа (рисунок 5). , коэффициент λ зависит одновременно от двух параметров - числа Re и относительной шероховатости Δ/r₀, которую можно заменить на Δ_э. Для определения коэффициента λ в этой области может служить также универсальная формула А.Д. Альтшуля:

, (1.10)

где Δ_э - эквивалентная абсолютная шероховатость, м [1].

Характерные значения Δ_э (в мм) для труб из различных материалов приведены в ПРИЛОЖЕНИИ А:

Третья область - область больших Re и Δ/r₀, где коэффициент λ не зависит от числа Re, а определяется лишь относительной шероховатостью (область расположена справа от пунктирной линии). Это область шероховатых труб, в которой все линии с различными шероховатостями параллельны между собой. Эту область называют областью автомодельности или режимом квадратичного сопротивления, т.к. здесь гидравлические потери пропорциональны квадрату скорости.

Определение λ для этой области производят по упрощенной формуле Шифринсона:

(1.11)

или по формуле Прандтля - Никурадзе:

. (1.12)

Потери напора, определяемые по формуле Вейсбаха-Дарси, можно определить, зная коэффициент гидравлического сопротивления, который определяется в зависимости от числа Рейнольдса Re и от эквивалентной шероховатости Δ_э (ПРИЛОЖЕНИЕ А).

Потери напора на местные сопротивления определяются в зависимости от вида местного сопротивления по общему уравнению Вейсбаха

. (1.13)

Полная потеря напора в случае внезапного сужения определится по формуле

, (1.14)

Рисунок 5 - График Мурина

где коэффициент сопротивления для сужения трубопровода определяется по полуэмпирической формуле И.Е. Идельчика [1]:

, (1.15)

где n = S₁/S₂ - степень сужения.

При выходе трубы из резервуара больших размеров, когда можно считать, что S₂/S₁ = 0, а также при отсутствии закругления входного угла, коэффициент сопротивления ζ_суж = 0,5.

Коэффициент сопротивления отвода ζ_отв (плавного поворота трубопровода) зависит от отношения R / d (где R- радиус закругления трубы, d –диаметр трубы), угла поворота δ, а также формы поперечного сечения трубы.

Для отводов круглого сечения с углом поворота δ= 90⁰ и R/d 1 при турбулентном течении можно воспользоваться эмпирической формулой [1]:

. (1.16)

Коэффициенты местных сопротивлений трубопроводной арматуры приведены в ПРИЛОЖЕНИИ А.

Записав уравнение Бернулли применительно к решаемой задачи, производим решение его относительно неизвестного.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 265; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!