ОСНОВИ ГІДРАВЛІКИ 

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

9. Розрахунок трубопроводів

9.1. Призначення та класифікація трубопроводів.

9.2. Гідравлічний розрахунок простих трубопроводів.

9.3 Розрахунок сифонного трубопроводу.

9.4. Поняття про явище кавітації. Гідравлічний удар в трубопроводах. Визначення підвищення тиску при гідравлічному ударі та практичні міри боротьби з ним.

9.1. Призначення та класифікація трубопроводів

Передача рідини по трубопроводах набула широкого поширення в інженерній практиці. У загальному трубопроводи розділяють на магістральні, які передають рідину на великі відстані від місця забору води до споживача, і розгалужені мережі, що розподіляють рідину.

Рух рідини в трубопроводі зазвичай здійснюється за рахунок різниці рівнів (різниці геодезичних відміток) або за рахунок енергії, яка передається рідині при проходженні через насоси. В окремих випадках переміщення рідини по трубопроводах здійснюється під тиском газу, який створюється пневматичними установками. Всі трубопроводи мають циліндричну або призматичну форму, тому рух рідини в них рівномірний. Нерівномірний рух може спостерігатися тільки на тих ділянках, де знаходяться місцеві опори.

Прості трубопроводи складаються із однієї нитки труб без бокових відгалужень.

Складний трубопровід містить декілька простих, з’єднаних послідовно, паралельно або розгалужених у різних комбінаціях. Складні трубопроводи поділяють на тупикові (незамкнені) і кільцеві (замкнені).

У короткому трубопроводі втрати напору від місцевих опорів становлять більше 8% від повздовжніх.

У довгому втрати місцевих опорів становлять менше 8% від загальних.

ü металеві (чавунні, стальні, з кольорових металів);

ü неметалеві (бетонні, залізобетонні, азбестоцементні, пластикові);

ü з різноманітних матеріалів, що комбінуються.

Труби з різних матеріалів мають різну шорсткість внутрішньої поверхні, тому в них відрізняються коефіцієнти гідравлічного тертя. Це потрібно враховувати при розрахунку.

Рис. 9.1. Трубопроводи з різних матеріалів

ü із транзитною витратою;

ü із шляховою витратою.

У трубопроводі з транзитною витратою відбір рідини не відбувається і витрата по його довжині зберігається незмінною. У трубопроводі з шляховою витратою по його довжині від початкової до кінцевої точки проводиться роздача рідини, тому витрата вздовж трубопроводу змінна.

Складні трубопроводи можуть бути розімкненими і кільцевими. У кільцевих трубопроводах до будь-якої точки рідина поступає з 2-х або більше напрямів, а в розімкнутих – тільки в одному напрямі. З’єднання гідроліній можливе теж у кількох варіантах.

ü всмоктувальні,

ü нагнітальні,

ü зливні,

ü дренажні,

ü керуючі тощо.

Залежно від призначення вони позначаються відповідною суцільною (штриховою, штрих-пунктирною) лінією певної товщини або відповідним кольором.

Метою гідравлічного розрахунку трубопроводів є знаходження їхніх гідравлічних параметрів – витрати рідини, діаметра трубопроводу, втрат напору та напору, необхідного на початку трубопроводу, щоб подати рідину споживачам. У відповідності до цього, при гідравлічному розрахунку трубопроводів переважно розв’язуються три задачі.

Знаходження втрат напору в трубопроводі при відомих діаметрі, матеріалі, шорсткості внутрішньої поверхні, довжині та профілі, при відомій витраті рідини.

Знаходження витрати рідини при транспортуванні її по трубопроводу з відомими діаметром, матеріалом, шорсткістю, довжиною і профілем з допустимими втратами напору.

Знаходження діаметра трубопроводу для транспортування по ньому рідини з відомою витратою при заданих втратах напору та інших його характеристиках.

Загальним для всіх типів трубопроводів є порядок знаходження діаметра, витрати рідини, втрат напору та необхідного напору на початку трубопроводу.

Діаметр трубопроводу при відомій витраті рідини знаходиться за допомогою рівняння нерозривності потоку Q=wV, якщо в нього підставити значення площі поперечного перерізу w=pd²/4 , то отримаємо:

, (9.1)

де Q_р – розрахункова витрата рідини на цій ділянці трубопроводу;

V_е – економічно доцільна швидкість руху рідини.

З великими швидкостями руху транспортувати рідини економічно недоцільно, оскільки будуть великі втрати напору. Наприклад, у водопостачанні V_е=0,7…1,5 м/с.

Витрата рідини при відомому діаметрі трубопроводу також знаходиться за допомогою рівняння нерозривності потоку:

, (9.2)

де d – діаметр трубопроводу.

Витрату рідини Q за відомими діаметром трубопроводу d та швидкістю V можна брати за даними таблиці 9.1.

Таблиця 9.1

Граничні значення швидкостей V_гр і витрат Q_гр у залежності від діаметра труб

Необхідний напір на початку трубопроводу Н_пт, при якому забезпечуватиметься подача рідини споживачам, знаходиться за залежністю:

, (9.3)

де Н_г – геометрична висота підняття рідини;

h_в – втрати напору в трубопроводі.

9.2. Гідравлічний розрахунок простих трубопроводів

Розглянемо простий трубопровід постійного перерізу довжиною , діаметром , що містить ряд місцевих опорів, наприклад, вентиль, фільтр, зворотний клапан (рис. 9.2). Основним розрахунковим рівнянням є рівняння Бернуллі для початкового 1 та кінцевого 2 перерізів трубопроводу, яке при має вигляд:

, (9.4)

Рис. 9.2. Схема простого трубопроводу

Введемо поняття потрібного напору .

Потрібним напором для простого трубопроводу називається п’єзометричний напір у початковому перерізі, що забезпечує задану витрату у трубопроводі:

, (9.5)

де - статичний напір, величина якого не залежить від витрати рідини; - втрати напору у трубопроводі, що залежать від витрати рідини.

Втрати напору у трубопроводі складаються з втрат на тертя по довжині та втрат у місцевих опорах .

. (9.6)

Вихідним для гідравлічного розрахунку трубопроводу є рівняння нерозривності.

Користуючись даним рівнянням можна побудувати характеристику потрібного напору (рис. 9.3), яка дозволяє визначити при будь-якому значенні витрати рідини потрібний напір або, навпаки, для заданого значення потрібного напору знайти витрату рідини. Наведені вище залежності для гідравлічного розрахунку простого трубопроводу дозволяють визначити одну з невідомих величин: витрату , початковий тиск або діаметр трубопроводу .

Рис. 9.3. Характеристика потрібного напору

9.3. Розрахунок сифонного трубопроводу

Сифонний трубопровід – пристрій (рис. 9.4), який працює в умовах вакууму. Для того, щоб сифон почав працювати потрібно попередньо заповнити його рідиною або створити вакуум в ньому за допомогою вакуумного насоса.

Рис. 9.4. Схема до розрахунку сифонного трубопроводу

Розрахунок сифону складається з визначення витрати Q та граничної висоти підіймання рідини h.

Для визначення витрати рідини через сифонний трубопровід використовується рівняння Бернуллі, яке записується для перерізів 1-1 та 3-3 відносно рівня рідини в нижньому резервуарі. Після відповідних перетворень рівняння Бернуллі витрата визначається за формулою:

, (9.7)

де l_1-3 – довжина труби між перерізами;

d – діаметр труби;

l – коефіцієнт Дарсі;

åz – сума коефіцієнтів місцевих опорів між перерізами;

w – площа поперечного перерізу труби;

m_с – коефіцієнт витрати сифона.

Для визначення висоти підіймання рідини сифонним трубопроводом використовується рівняння Бернуллі, яке записується для перерізів 1-1 та 2-2 відносно рівня рідини у верхньому резервуарі. Після відповідних перетворень рівняння Бернуллі висота підіймання рідини сифоном визначається за формулою:

, (9.8)

де h_вак – вакуум у перерізі 2-2;

a – коефіцієнт Коріоліса;

l_1-2 – довжина труби між перерізами 1-1 та 2-2;

åz – сума коефіцієнтів місцевих опорів між перерізами;

V₂ – швидкість руху рідини у перерізі 2-2.

Так як максимальне значення вакууму 10 м, то враховуючи втрати напору в сифоні, висоту підіймання звичайно приймають не більше 7...8 м.

9.4. Поняття про явище кавітації. Гідравлічний удар в трубопроводах. Визначення підвищення тиску при гідравлічному ударі та практичні міри боротьби з ним

Кавітація (від лат. Cavitas – пустота) – утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини.

Кавітація (рис.9 .5) виникає в результаті місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення р_кр (в реальній рідині значення р_кр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація).

Рис. 9.5. Виникнення кавітації

Кавітаційна бульбашка, рухаючись із потоком рідини в місце з більш високим тиском, дезінтегрує, створюючи ударну хвилю (імпульс адекватний гідравлічному ударові). Це викликає вібрацію, руйнування поверхні робочих органів машин, зменшення к.к.д. і, таким чином, зменшення ефективності роботи насосів, турбін тощо.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=gRsvO4Gpnf0

Кавітація в насосах відбувається при падінні тиску на вході в насос, як правило, через потрапляння повітря в систему. В насосах кавітація супроводжується зменшенням подачі, напору, потужності і к.к.д., внаслідок того, що частина робочого об’єму заповнюється парою (рис. 38). Тому повітря в системі гідроприводу є не тільки небажаним, але й небезпечним елементом, який спричиняє порушення (втрату) його працездатності.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=iau3DuphVqY

Як не дивно, явище кавітації знаходить застосування в корисних винаходах, наприклад, машинах кавітаційної очистки, які застосовують для очищення підводних поверхонь.

Гідравлічний удар – це явище зміни (підвищення або пониження) тиску в трубопроводах при різкій зміні швидкості руху рідини за невеликий проміжок часу. Гідравлічний удар характеризується виникненням хвилі підвищеного або зниженого тиску, яка розподіляється від місця зміни швидкості і викликає в кожному перерізі коливання тиску і деформації стінок водопроводу.

При різкому зменшенні швидкості на кожен 1 м/с втраченої швидкості тиск зростає приблизно на 10-12 атм. Внаслідок цього можуть виникнути ускладнення в нормальній роботі трубопроводу аж до розриву стінок труб й аварії на насосній станції. При гідравлічному ударі можливе також різке падіння тиску до тиску насиченої пари рідини при даній температурі. Як наслідок – можливий розрив рідини.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=rXdaZqXoEvo

Рис. 9.6. Процес виникнення гідравлічного удару

Для виникнення гідравлічного удару можуть бути різні причини:

ü швидке закриття або відкриття запірних і регулюючих пристроїв;

ü раптова зупинка насоса;

ü випуск повітря при заповненні трубопроводів водою;

ü пуск насоса при відкритій засувці на напірній лінії.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=6ydsAIHWVNM

Характер процесу гідравлічного удару залежить від його причин. При різкому закритті засувки в кінці трубопроводу гідравлічний удар почнеться з підвищеного тиску, який від засувки розповсюджуватиметься вгору по трубопроводу, а потім зміниться зниженим тиском. Якщо закрита засувка в кінці трубопроводу різко відкриється, гідравлічний удар почнеться зі зниженого тиску, який потім зміниться підвищеним. Гідравлічний удар, що починається з хвилі підвищеного тиску, називається позитивним, а із зниженого - негативним.

Є заходи щодо недопущення небезпечних підвищень або понижень тиску в трубопроводах і заходи з їх захисту, якщо небезпечні коливання виникнуть.

Заходи щодо боротьби з гідравлічним ударом залежать:

1. Від умов подачі рідини. Якщо вона йде самопливно згори вниз і засувка знаходиться на нижньому кінці трубопроводу, то:

- використовують засувки, що поволі закриваються. Цей захід заснований на тому, що чим більший час закриття засувки, тим менше втрачена швидкість у трубопроводі і менше підвищення тиску від гідравлічного удару;

- на трубопроводах можуть встановлюватися зрівняльні резервуари, з’єднані з трубопроводом, і проміжні резервуари, заповнені водою до висоти, яка відповідає нормальному тиску. При гідравлічному ударі в резервуар поступає деякий об'єм води, і додатковий тиск в трубопроводі швидко гаситься;

- використовують повітряні ковпаки, де стиснене повітря амортизує підвищення тиску.

2. У разі зупинки насоса, який подає воду від низу до верху в резервуар, зворотній клапан, встановлений у насосі, закривається дуже швидко і на початку напірного трубопроводу може виникнути гідравлічний удар. Для уникнення цього влаштовують:

- скидні пристрої, які при підході ударної хвилі відкриваються і пропускають воду на вилив. Ці спеціальні протиударні апарати ставлять на початкових ділянках напірних трубопроводів.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=DFHVBuij4GU

Питання для самоконтролю

1. Для чого призначені трубопроводи? 2. За якими критеріями класифікують трубопроводи? 3. За якою формулою визначають діаметр трубопроводу? 4. За якою формулою визначають витрату рідини? 5. Поясніть методику розрахунку простих трубопроводів. 6. Поясніть методику розрахунку сильфонних трубопроводів. 7. Що таке явище кавітації? 8. Що називається гідравлічним ударом? 9. Назвіть причини виникнення гідравлічного удару. 10. Які заходи проводять для боротьби з гідравлічним ударом

Попередня тема

На початок

Наступна тема