Гідравліка. Лекція на тему Призначення і класифікація трубопроводів

ЛЕКЦІЯ

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : Призначення і класифікація трубопроводів.

МЕТА ЛЕКЦІЇ : Ознайомити з поняттями коротких і довгих трубопроводів, розглянути методику гідравлічного розрахунку трубопровідної мережі.

ПЛАН :

1. Види трубопроводів

2. Розрахунок короткого трубопроводу і сифона

3. Розрахунок розімкнутої водопровідної мережі

     Область застосування трубопроводів значна: це меліорація (дренажні труби) і зрошення (дощувальні машини), медицина (штучні кровоносні судини), теплоенергетика та ін. Трубопровідний транспорт для переміщення різних рідких, газоподібних, твердих продуктів і їх сумішей став самостійною галуззю народного господарства. Транспортування рідин по трубопроводах дуже економічне і легко піддається кількісному та якісному регулюванню.

     Залежно від роду рідини трубопроводи класифікуються на водопроводи, мазутопроводи, нафтопроводи, мастилопроводи, бензопроводи і т. п.

     Всі трубопроводи поділяються на дві категорії: прості і складні. Простий трубопровід не має розгалужень на шляху руху рідини від точки забору до точки споживання. Як правило, такі трубопроводи виконані з труб одного діаметру, але можуть являти собою послідовне з'єднання труб різного діаметру з поворотами під будь-яким кутом і в будь-якій площині.

     Складний трубопровід має хоча б одне розгалуження або місце примикання труб. Як правило, складний трубопровід складається з основної (магістральної) труби і ряду відходячих від неї відгалужень (ділянок). Окремі ділянки труб з метою раціонального розподілу рідини по споживачах можуть об'єднуватися в мережі.

     Тому складні трубопроводи в свою чергу класифікуються на наступні основні види:

1. Розгалужені, в яких рідина з основної магістралі подається в бічні відгалуження і назад в магістраль не надходить;

2. Паралельні, в яких до основної магістралі підключені паралельні їй ще один або кілька ділянок труб;

3. Кільцеві,  представляють собою замкнуту мережу, що живиться від однієї або декількох магістралей.

    Трубопровід першого виду є прикладом тупикової або розімкнутої мережі. Ця схема має ряд недоліків. Наприклад, діаметри труб нерівномірні по довжині, так як в початкових ділянках, де витрата рідини більше, діаметри повинні бути більше, ніж в кінцевих. Крім того, при виході з ладу будь-якої ділянки трубопроводу всі наступні за ним споживачі відключаються від джерела живлення.

     Трубопроводи другого і особливо третього виду позбавлені останнього недоліку. У разі аварії або при проведенні ремонтно-відновлювальних робіт на якій-небудь ділянці досить відключити цю ділянку з двох сторін, а постачання інших триватиме. Тому мережі водопроводу, особливо в містах, як правило, виконуються кільцевими.

Рисунок 1   Схеми складних трубопроводів: а-розгалужених, б-паралельних, в-кільцевих

     У складних трубопроводах розрізняють транзитні і шляхові витрати: при транзитній витраті рідини, що передається по магістралі, залишається постійною; при шляховій частина рідини відбирається з магістралі в ряді точок по шляху її руху. Переміщення рідини по трубопроводах може здійснюватися в результаті створення штучного напору насосами або водонапірними вежами, а також завдяки різниці нівелірних висот (рівнів) місцевості. Останній спосіб частіше використовується в гідротехнічних спорудах, при зрошенні і водопостачанні в сільському господарстві.

     Залежно від величини втрат напору все трубопроводи поділяють на гідравлічно короткі і гідравлічно довгі, причому їх проектування і розрахунок мають суттєві відмінності.

     Короткими вважають трубопроводи невеликої довжини, що мають, як правило, велику кількість місцевих опорів, в яких місцеві втрати становлять приблизно 5-10% втрат напору на тертя по довжині. У довгих трубопроводах, навпаки, втрати напору на місцеві опори настільки малі в порівнянні з втратами по довжині, що їх або не враховують, або приймають по еквівалентній довжині.

     Проектування довгих трубопроводів починають з проведення топографічних вишукувань на місцевості, в результаті яких завдають трасу, будують поздовжній профіль трубопроводу, наносять його довжину і все висотні позначки.

     Витрата рідини і напори в кінцевих пунктах зазвичай задані. Найчастіше необхідно визначити діаметр трубопроводу і натиск в його початковому пункті. При гідравлічному розрахунку трубопроводів використовують уже відомі нам основні розрахункові залежності: рівняння Бернуллі, рівняння сталості витрати, рівняння Дарсі-Вейсбаха.

     Гідравлічний розрахунок простого трубопроводу

      Гідравлічний розрахунок трубопроводів зазвичай зводиться до визначення однієї з трьох величин при заданих інших:

- напору Н при відомих витраті Q рідини, діаметрі d і довжині трубопроводу l;

- витрати Q рідини при відомих діаметрі d, довжині l трубопроводу і напорі Н;

- діаметра d трубопроводу при заданих витраті Q рідини і напорі H.

     При розрахунку трубопроводів можуть бути використані два методи:

- метод А - повний, що враховує всі опори трубопроводу;

- метод В - скорочений, з використанням витратних характеристик і поправочних коефіцієнтів на місцеві опори по рівняннях.

     Для визначення економічно доцільного діаметра трубопроводу можна скористатися формулою, запропонованою В. С. Яблонським. Він встановив, що економічно найвигідніший діаметр відповідає швидкостям течії рідини, рівним приблизно v = 1 м / с, і, вирішивши відоме рівняння для витрати рідини щодо діаметра отримав:

d_з = √4Q/ πv = 1,13 √Q

 де d_з - діаметр, м;

    Q - витрата рідини, м³ / с.

      У машинобудівній гідравліці частіше доводиться розглядати гідравлічно короткі трубопроводи, наприклад трубопроводи гідроприводів, системи живлення автомобіля або трактора, мастильні системи металообробних верстатів, всмоктувальні трубопроводи насосів і ін. В подібних системах в'язкість рідини може набагато перевершувати в'язкість води. У цих випадках місцеві втрати стають порівнянними з втратами напору по довжині трубопроводу, і ними нехтувати не можна.

     Принцип розрахунку гідравлічно коротких трубопроводів пов'язаний з визначенням значної кількості коефіцієнтів місцевих втрат і їх підсумовуванням.

      Гідравлічний розрахунок складних трубопроводів важкий, тому він вивчається в спеціальних курсах і не входить в зміст загального курсу гідравліки. З безлічі можливих схем в якості прикладу розглянемо найпростіший випадок: розрахунок трубопроводу з паралельним з'єднанням труб.

     Вихідними даними для розрахунку є довжини l₁, l₂, l₃ окремих ділянок мережі, діаметри d₁, d₂, d₃ труб на цих ділянках, топографічні позначки місцевості в вузлових пунктах А і В.

     Значення втраченого напору для кожної паралельної гілки одне і те ж і визначається з рівняння Бернуллі: Н = Н_А – Н_В.

     Таким чином, отримано відоме рівняння: H = BQ², яке можна використовувати для побудови гідравлічних характеристик трубопроводу.

     Побудова гідравлічних характеристик при паралельному з'єднанні трубопроводів відрізняється тим, що витрати рідини в кожній паралельно включеної гілки підсумовуються, а втрати напору визначаються втратами в одній з них.

Рисунок 2  До розрахунку трубопроводу з паралельним з'єднанням труб (зліва) і залежність втрат напору від витрати для трубопроводу з паралельним з'єднанням труб (праворуч)

      Тому спочатку на підставі рівняння будують характеристики для кожної гілки, а потім, провівши ряд горизонтальних ліній, підсумовують графічно значення витрати для кожної кривої і знаходять точки побудови сумарної гідравлічної характеристики паралельного трубопроводу.

      Таким чином, для графічної побудови сумарної характеристики трубопроводу необхідно підсумувати характеристики окремих ділянок трубопроводу: при паралельному з'єднанні - по горизонталі, а при послідовному - по вертикалі.

     Розрахунок сифонного трубопроводу

     У сифонному трубопроводі або просто сифоні (від грецького слова «трубка») рідина, піднімаючись самопливом з верхнього резервуара А на деяку висоту вище рівня води в ньому, далі зливається в нижній резервуар В. Сифон відноситься до категорії простих трубопроводів, оскільки він зазвичай не має відгалужень і паралельних ділянок. Особливістю сифонного трубопроводу є те, що тиск рідини по всій його висхідній лінії і по частині низхідній нижче атмосферного.

     Перед роботою сифон заповнюють рідиною - «заряджають». Якщо в якості сифона, використовується шланг невеликих розмірів, то це легко здійснити попередніми зануренням його в рідину або відсмоктуванням повітря.

   З сифонних трубопроводів великих розмірів, призначених для переміщення значних обсягів рідини, повітря відсмоктують спеціальним повітряним насосом, або ежектором (з верхньої точки сифона).

Рисунок 3   Схема сифонного трубопроводу

     Розрідження в висхідній трубі сифона сприяє виділенню повітря, розчиненого в рідині, а при значному розрідженні і підвищенні температури (наприклад, в літній час) може статися випаровування самої рідини. Виділення парів рідини неминуче тягне за собою розрив стовпа рідини Z_з, а отже, припинення роботи всього сифонного пристрою.

     Сифонні трубопроводи мають досить широке застосування в інженерній практиці. Їх використовують, наприклад, в якості водозборів гідротехнічних споруд; надлишок води перед дамбою скидається сифоном в нижній б'єф за греблю; заповнення сифонної труби при цьому відбувається автоматично. Сифони необхідні для зливу нафтопродуктів з цистерн, очищення каналів і водосховищ від наносів, при прокладці відвідав через височини. У гірничій справі за допомогою сифонних трубопроводів підводять воду від свердловин до збірної камері при неглибокому розташуванні рівнів води в свердловинах щодо поверхні землі. Система таких сифонних водозборів - складна споруда з трубопроводами значних розмірів.

                               Контрольні запитання

1. Які трубопроводи прийнято вважати напірними і безнапірними, довгими і короткими?

2. Наведіть формули для визначення шляхової витрати, діаметра труб.

3. Як визначаються втрати напору по довжині трубопроводу при рівномірній роздачі?