5.1. Obecné informace o hydraulickém výpočtu potrubí
Při výpočtu potrubí je uvažován stálý, rovnoměrný tlakový pohyb jakékoli kapaliny, odpovídající turbulentnímu režimu, v potrubí kulatého válce. V tlakových potrubích je kapalina pod přetlakem a jejich průřezy jsou zcela zaplněny. Pohyb tekutiny potrubím nastává v důsledku skutečnosti, že tlak na jeho začátku je větší než na konci.
Hydraulický výpočet se provádí za účelem určení průměru potrubí d ve známé délce, aby byl zajištěn průchod určitého průtoku Q nebo stanovení požadovaného tlaku a průtoku při daném průměru a délce. Potrubí se v závislosti na délce a uspořádání jejich umístění dělí na jednoduché a složité. Jednoduchá potrubí zahrnují potrubí, která nemají odbočky po délce, s konstantním identickým průtokem.
Potrubí se skládá z trubek stejného průměru po celé délce nebo z částí trubek různých průměrů a délek. Poslední případ se týká sériového připojení.
Jednoduché potrubí, v závislosti na délce s úsekem místního odporu, se dělí na krátké a dlouhé. Krátké potrubí jsou potrubí s poměrně krátkou délkou, ve kterých místní odpory dosahují více než 10 % hydraulických ztrát po celé délce. Patří mezi ně např.: sifonová potrubí, sací potrubí lamelových čerpadel, sifony (tlakové vodovodní potrubí pod silničním náspem), potrubí uvnitř budov a staveb atd.
Dlouhé potrubí se nazývají potrubí relativně dlouhé délky, u kterých tlakové ztráty po délce výrazně převažují nad ztrátami lokálními. Lokální ztráty jsou menší než 510 % ztrát po délce potrubí, a proto je lze zanedbat nebo zavést do hydraulických výpočtů zvyšující se faktor rovný 1,051,1. Dlouhá potrubí jsou zařazena do soustavy vodovodních sítí, vodovodních řadů čerpacích stanic, vodovodních řadů a potrubí průmyslových podniků a zemědělských účelů atd.
Složitá potrubí mají po délce různé odbočky, tzn. potrubí se skládá ze sítě trubek určitých průměrů a délek. Složitá potrubí se dělí na potrubí paralelní, slepá (rozvětvená), prstencová (uzavřená), která jsou zařazena do vodovodní sítě.
Hydraulický výpočet potrubí je zpravidla redukován na řešení tří hlavních úkolů:
stanovení průtoku potrubí Qpokud je znám tlak H, délka l a průměr d potrubí, s přihlédnutím k přítomnosti určitých místních odporů nebo v jejich nepřítomnosti;
stanovení požadovaného tlaku H, nutné k zajištění průchodu známého toku Q podle délky potrubí l a průměr d;
určení průměru potrubí d v případě známých hodnot tlaku H, proudit Q a délka l.
5.2. Výpočet krátkých potrubí
Při výpočtu krátkých potrubí se berou v úvahu jak místní tlakové ztráty, tak ztráty po délce.
Pro stanovení kapacity potrubí, tzn. protékat, můžete použít následující rovnici:
kde je průtok systému; – plocha průřezu potrubí; – rozdíl tlaků v jeho počátečním a koncovém úseku, rovný celkové hydraulické tlakové ztrátě při pohybu tekutiny v potrubí.
Součinitel průtoku systému pro potrubí s konstantním průměrem
kde je součet všech koeficientů lokálních odporů; – délkový odpor l průměr potrubí d; -součinitel hydraulického tření.
V případě zjištění požadovaného tlaku potřebného k zajištění průchodnosti Q, původní výraz podle (4.150)
nebo podle (4.158)
kde je koeficient odporu systému; je odpor potrubí.
Když je potřeba zjistit průměr potrubí, použijí se vzorce uvedené výše. Tento problém je pak řešen metodou volby průměru. Vzhledem k různým průměrům se průměrná rychlost, Reynoldsovo číslo, vypočítá při známém průtoku, oblast odporu se vybere na základě čísla Re a . Ekvivalentní drsnost bude záviset na typu zvoleného potrubí. Podle zvolené oblasti odporu se podle vzorce A. Altshula (4.95) nebo Colebrooka (4.94) zjistí koeficient hydraulického tření. specifický průměrd budou odpovídat ztrátě hlavy (), které se rovnají požadované hlavě.
Problém bude vyřešen, když se zvoleným průměrem potrubí.
Průměr lze zjistit sestrojením grafu, na kterém se po odložení známého tlaku podél souřadnice určíd. Takže, odpovídá průměru , -.
Zvažte výpočet některých potrubí.
Výpočet sacího potrubí odstředivý čerpadlo
Sací potrubí odstředivého čerpadla je potrubí z místa odběru vody (zásobníku) k čerpadlu (obr. 5.1). Vakuoměr je instalován na vstupu čerpadla v části 2-2.
Rýže. 5.1. K výpočtu sacího potrubí čerpadla:
а – odstředivé čerpadlo; b – sací potrubí;
с – ventil s roštem; – vzdálenost od hladiny vody v nádrži k ose čerpadla
Při daném průtoku Q průměrná rychlost proudění v potrubí V obvykle v rámci m/s. Vzhledem k rychlosti můžete určit plochu průřezu sacího potrubí:
Se známým tokem Q v sacím potrubí bude průměr tohoto potrubí
Sestavme Bernoulliho rovnici pro úseky 1-1 a 2-2 vzhledem ke srovnávací rovině 0-0, která se shoduje s hladinou vody v nádrži a úseku 1-1, kde je tlak roven atmosférickému a rychlost je . Sekce 2-2 je provedena na sacím potrubí na vstupu do čerpadla:
kde ; – sací zdvih, tzn. vertikální vzdálenost od roviny 1-1 k ose čerpadla; – otáčky na vstupu do čerpadla a v samotném sacím potrubí; – celková tlaková ztráta v potrubí.
Tlak v sekci 2-2 se bere rovný absolutnímu, tzn. .
Celkové hydraulické ztráty v potrubí
kde je průměrná rychlost proudění potrubí, ; je koeficient hydraulického tření; ,d – délka a průměr potrubí; – součet součinitelů místního odporu potrubí.
Absolutní tlak na vstupu čerpadla ( je tlak vakua na vstupu čerpadla). Bernoulliho rovnici lze zapsat jako
Buď vakuovou hlavou.
ve vztahu k lopatkovému čerpadlu se nazývá vakuová sací hlava. závisí na konstrukčních vlastnostech čerpadla a průtoku, .
Z rovnice (5.8) lze určit sací výšku čerpadla:
Sací výška čerpadla tedy závisí na podtlakové sací výšce čerpadla a hydraulických ztrátách v sacím potrubí.
Vakuová sací výška je určena z kavitační charakteristiky čerpadla.
Voda (°C) z vodárenské věže je přiváděna do přijímací nádrže novým potrubím ze svařovaných ocelových trubek o pr.d délka m. Potrubí má šoupátko, zpětný ventil.
Určete průměr potrubí za podmínky otevření ventilu při a poskytnutí průtoku / s. Rozdíl mezi hladinami vody ve věži a nádrži je považován za konstantní a rovný (obr. 5.2).
Rýže. 5.2. Například 5.1
Sestavením Bernoulliho rovnice pro úseky 1-1 a 2-2, nakreslením srovnávací roviny přes úsek 2-2, získáme , kde jsou hydraulické ztráty v potrubí:
Průměrná rychlost v potrubí
Koeficient hydraulického tření se zjistí vzorcem pro oblast kvadratického odporu.
Drsnost svařovaných ocelových trubek mm (viz tabulka 3.1).
Součet součinitelů místního odporu
kde je součinitel odporu na vstupu do potrubí z nádrže, je odpor zpětného ventilu, je odpor ventilu; – odpor kolena; – odpor na výstupu z potrubí do nádrže.
Podle tabulky P1.4 aplikace najdeme hodnoty:
V tabulce. 4.2 najdeme při otevření na 0,75:.
Součinitel aerodynamického odporu systému
Poptáváme různé průměry d, určit průměrnou rychlost a ztrátu hlavy.
Vztah mezi tlakem a rychlostí v proudění tekutiny je inverzní: pokud v některém místě proudění rychlost stoupá, pak je zde tlak nízký a naopak tam, kde jsou nízké rychlosti, je tlak zvýšený. Tento vzorec lze vysvětlit na základě Bernýlliho rovnice.
Uvažujme činnost vodního proudového čerpadla (viz obr. 11). Při přiblížení vstřikovacím potrubím 1 má proud pracovní tekutiny relativně nízkou rychlost v1 a vysoký přetlak pchata1. Při průchodu tryskou 2 se proud zužuje, jeho rychlost prudce stoupá na v2. Pro další uvažování zapišme Bernýlliho rovnici takto:
Tady není žádný z1 и z2, protože potrubí je vodorovné a velikost tlakové ztráty je DH» zanedbané. Protože na pravé straně rovnice se kinetická složka energie proudění prudce zvýšila v důsledku zvýšení v2, pak potenciální složka spojená s přetlakem za tryskou pchata2se naopak sníží. Velikost pchata2 lze vyjádřit z této rovnice a najít číselnou hodnotu. Li pchata2 se ukáže jako negativní, což znamená, že vzniklo vakuum (celkový tlak v trysce je nižší než atmosférický tlak). V druhém případě piezometrická čára klesne pod značku samotné trysky (viz obr. 11).
V proudu pracovní tekutiny za tryskou tak vzniká oblast nízkého tlaku nebo dokonce podtlaku, což způsobuje únik dopravované kapaliny sacím potrubím 3 (viz obr. 11). Dále jsou obě kapaliny smíchány v hrdle 4 a transportovány výstupním potrubím 5.
Vodoproudové pumpy nemají třecí části, to je jejich výhoda oproti mechanickým. Na jejich principu fungují i ejektory, hydraulické elevátory, pumpy pro vytváření podtlaku.
Režimy pohybu tekutiny
Při provádění hydraulického výpočtu musíte nejprve zjistit: jaký režim pohybu bude v tomto toku pozorován?
Způsoby pohybu všech toků (tlakové a volné) jsou rozděleny do dvou typů (obr. 12):
1) laminární, to znamená klidný, rovnoběžný s proudem, při nízkých rychlostech;
2) turbulentní, to znamená kypící, vírovitý, s víry, při vysokých rychlostech.
Chcete-li určit typ režimu, musíte vypočítat Reynoldsovo číslo Re a porovnat ho s kritickým Recr.
Reynoldsovo číslo Re je bezrozměrné kritérium vypočítané pomocí vzorců:
— pro tlakové toky
Re =vd/n
kde d – vnitřní průměr tlakového potrubí;
— pro netlakové toky
Re =vR/n,
kde R – hydraulický poloměr volného průtoku, м (viz str. 14).
Kritické Reynoldsovo číslo Recr – toto je Reynoldsovo číslo, při kterém dochází ke změně způsobu pohybu.
Pro tlakové toky
Recr=2320,
Recr » 500.
Zjednodušeně lze režim průtoku určit pomocí Reynoldsovy číselné stupnice (viz obr. 12). Uvažujme příklad s tlakovým vodním potrubím, ve kterém d=20 mm, v=1 m / sn = 10 – 6 м 2 /z. Pro průtok v tomto potrubí bude Reynoldsovo číslo:
Re=1 × 0,02/10 – 6 = 20000.
Číslo 20000 je větší než Recr=2320 (pro tlakové průtoky) a na obr. 12 je na pravé straně stupnice, proto je režim proudění turbulentní a všechny další hydraulické výpočty by měly být prováděny pouze podle závislostí a vzorců pro tento režim.
