Принцип выбора оптимального диаметра трубопровода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Строительный факультет

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Процессы и аппараты»

«Принцип выбора оптимального диаметра трубопровода»

 

 

 

 

Работу выполнил студент 

группы  ПСКз-10

А. В. Дроздов

                   

  Работу проверил: профессор

Б. С. Баталин

 

 

 

 

 

Пермь 2013 г.

Содержание

1. Введение______________________________________________ 3
2. Общие положения______________________________________ 4
3. Расчет диаметра трубопровода и аппарата__________________7
4. Список литературы____________________________________ 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Введение

В мировой практике применение трубопроводов для подачи к местам потребления жидких и газообразных веществ приобретает все большее значение. Транспортировка жидкостей и газов по трубопроводам наиболее экономична с точки зрения капитальных затрат, к тому же легко поддается количественной и качественной регулировке.

Трубопроводы  делятся на простые и сложные. К простым трубопроводам относятся  отдельные отрезки или участки  сетей, в которых расход жидкости не меняется по длине (в отдельных  случаях простой трубопровод  может состоять из участков разного диаметра). Соответственно, к сложным трубопроводам относится сочетание участков сетей, в которых расход жидкости по длине переменный. Отдельные участки (отрезки) труб в целях рационального распределения по потребителям объединяются в сети.

Трубопроводы и сети по принципу работы могут быть напорными и безнапорными. Кроме того сети делят на тупиковые и кольцевые.

Недостатками  тупиковых сетей являются:

а) неравномерность  диаметров (сечений) по длине, так как  в начальных участках, где расходы  жидкости значительные, диаметры трубопровода будут большими, чем в конце;

б) при выходе из строя трубопровода в каком-либо сечении все следующие за ним  участки сети отключаются от источника  питания.

При кольцевых  сетях подача жидкости к потребителю  может быть как с одной, так и с другой стороны. Поэтому при ремонтно-восстановительных работах на кольцевых сетях достаточно отключить с двух сторон незначительные участки сети, причем без снабжения останутся лишь немногие потребители. Сети водопровода, как правило, проектируют кольцевыми.

Разветвленные сети состоят из основной магистральной  линии и отходящих от узлов  сети ответвлений.

 

 

                                       Общие положения

Водопроводная сеть представляет собой топологический связный ориентированный взвешенный граф, т.е. структуру, состоящую из конечного числа вершин (источник, насосная станция, водонапорная башня, водопроводный колодец, резервуар), связанных между собой дугами - ориентированными ребрами (участками). В связном графе каждая его вершина соединяется некоторой цепью ребер с любой другой вершиной. В качестве веса выступает - гидравлическое сопротивление участка.

При выполнении расчетов системы водоснабжения (конструкторского или поверочного) необходимо выбрать  такие режимы работы этой системы, при которых обеспечиваются критические значения основных ее показателей расходов и напоров, а также экономически целесообразные диаметры трубопроводов.

Значительный  объем работы составляют поверочные гидравлические расчеты системы. После  выбора диаметров трубопроводов число и характер случаев, на которые должна быть рассчитана система, определяется ее типом, данными о предполагаемом режиме водопотребления и требованиями надежности.

При решении  конструкторской задачи наиболее сложной  является расчет кольцевой сети. При этом в основу расчета сети положено потокораспределение, обеспечивающее наиболее рациональное решение задачи определение диаметров труб ее участков. Начальное потокораспределение находится при идеальных условиях, т.е. при максимальных диаметрах всех трубопроводов и заведомо большом напоре на источнике водоснабжения. Одним из основных условий, предъявляемых к начальному потокораспределению, является удовлетворение требований надежности. Под надежностью сети понимается ее свойство при любых случайных событиях, требующих выключения из работы отдельных участков, подавать потребителям воду в количествах не ниже установленных пределов. После определения начального потокораспределения по заданным значениям скоростей определяются диаметры труб всех участков. Для назначения диаметров перемычек, которые при нормальной работе системы нагружены весьма слабо или совсем не работают, следует принимать расход, перебрасываемый по перемычке в случае аварии. Этот расход будет меньше идущего по магистрали, например на 30%. Диаметр перемычки может быть подобран и после, при выполнении поверочных расчетов его можно назначить из конструктивных соображений, например, принять на один порядок ниже диаметра магистрали по соответствующему стандарту используемых труб. При наличии в сети водопроводной башни за основной расчетный случай для определения диаметров труб следует принимать работу в часы наибольшего транзита воды в башню. Правильность выбора диаметров транзитных магистралей, а также назначения диаметров перемычек и малонагруженных линий проверяют путем проведения специальных поверочных расчетов для случаев работы системы при авариях на участках сети и при подаче пожарных расходов. В тоже время все расчеты в области теории надежности систем водоснабжения сводятся фактически к выполнению серии поверочных расчетов, показывающих удовлетворяет ли проектируемая система существующим нормативным требованиям. Так, например, при любой аварии на водопроводной сети общее снижение расхода воды к объекту не должно быть ниже 30 %.

При наличии  нескольких источников, может быть допущено снижение расхода к объекту по отдельным магистралям сети до 50 % от нормального, а к наиболее неблагоприятно расположенной точке объекта до 25 % нормального, т.е. на 75 %. При этом свободный напор в сети в такой точке должен быть не менее 10 м. Следует помнить, что поверочные расчеты различных режимов работы сети, в том числе и в аварийных, проводят при известных диаметрах и сопротивлениях сети.

В общем  случае количество расчетных режимов  зависит от назначения водопровода, взаимного расположения водопроводных сооружений и других факторов.

Расчеты сети, как правило, осуществляются на экстремальные или средние  режимы эксплуатации. Так, сети объединенного хозяйственно-питьевого и противопожарного водопровода рассчитываются на подачу воды в сутки максимального водопотребления для следующих периодов: максимального часового расхода с учетом подачи воды на тушение внутреннего пожара (основной расчетный случай); максимального часового расхода с учетом подачи воды на тушение внутреннего и наружного пожаров (поверочный случай).

Расчеты на средние условия работы сети производятся в тех случаях, когда решается задача технико-экономического сравнения различных вариантов водопроводных сетей и выбора оптимального. Для отдельных водопроводных сетей поверочные расчеты выполняются также в связи с оценкой обеспеченности водой наиболее ответственных потребителей при аварийных выключениях различных участков трубопроводов. В условиях Крайнего Севера, где непрерывное движение воды является одной из основных мер, предупреждающих замерзание трубопроводов, большое значение имеет расчет сети в режиме подачи минимального часового расхода в сутки наименьшего водопотребления. Этот расчет позволяет выявить участки трубопроводов, где скорости движения воды минимальны.

 

 

 

 

 

 

 

 

                      

 

 

                Расчет диаметра трубопровода и аппарата

Как определяется оптимальный диаметр трубопровода. При выборе оптимального диаметра трубопровода учитывают не только гидродинамические характеристики жидкости и труб, но и экономические показатели: затраты на устройство и эксплуатацию трубопровода. Первые тем ниже, чем меньше диаметр трубы (меньше расход материала самой трубы, изоляционных материалов и пр.); вторые, наоборот, тем ниже, чем больше диаметр трубы (меньше гидравлические сопротивления, меньше требуемая мощность для транспортировки жидкости).

Неотъемлемой составной частью практически всех химических производств  является транспорт жидкостей и газов, необходимый для обеспечения нормальной работы установок, цехов и предприятия в целом, включая снабжение его сырьем и складирование готовой продукции. Поэтому протяженность производственных трубопроводов достаточно велика, а следовательно, велики и затраты средств на их изготовление и эксплуатацию. Поскольку при проектных расчетах длина трубопроводов обычно задана, основной задачей является определение диаметра трубопровода, а также расхода энергии на транспортирование.

При известном расходе жидкости Q диаметр трубопровода может быть определен по уравнению расхода Q = wnd*/4. Отсюда диаметр трубопровода d при средней скорости жидкости w

d = y/4QK*w

Таким образом, единственной переменной, от которой зависит аметр трубопровода. является скорость w протекания жидкости по трубопроводу. С увеличением скорости диаметр трубопровода уменьшается и, следовательно, снижается его стоимость за счет снижения затрат на изготовление трубопровода, его монтаж и ремонт. Но при этом, увеличиваются потери напора и соответственно затраты энергии на транспортирование жидкости. Очевидно, что наиболее рациональный оптимальный диаметр трубопровода, учитывающий противоречивое влияние скорости на величину общих годовых затрат, может быть выбран на основе технико-экономического расчета. Для этого строят графическую зависимость общих годовых затрат (затраты на амортизацию и ремонта А; затраты на энергию на транспортирование Э) от диаметра трубопровода d. Минимум на кривой 3 = А + Э = f(d) соответствует такому диаметру трубопровода, при котором скорость транспортирования жидкости оптимальна. Соответственно для этих условий скорости движения жидкости, диаметра и длины трубопровода по уравнению (6.14) определяют необходимый для транспортирования напор И.

При расчете диаметра химических аппаратов используют аналогичный подход. Как и при расчете трубопроводов, диаметр аппарата определяют по уравнению расхода:

 ,

где Q — объемный расход фазы, скорость которой определяет площадь поперечного сечения аппарата, например газа — в процессе абсорбции, пара — в процессе ректификации и т. д.;

w0 — фиктивная, или приведенная,  скорость той же фазы, т. е.  скорость, отнесенная к полному  сечению аппарата;

S — площадь поперечного сечения  аппарата. откуда диаметр аппарата

.

 Однако выбор скорости w потока в химических аппаратах усложняется рядом обстоятельств, специфичных для каждой группы аппаратов. Поскольку скорость потока существенно влияет на тепло- и массоперенос, выбор скорости потока в аппарате должен быть тесно увязан с расчетом процесса, осуществляемого в том или ином аппарате. В этом состоит принципиальное отличие выбора скорости и расчета диаметра химического аппарата от аналогичных расчетов при транспортировании жидкостей по трубопроводам.

Особенность движения газа в трубопроводах  состоит в том, что оно сопровождается непрерывным снижением плотности  газа по длине трубопровода вследствие падения давления из-за потерь напора. Это, в свою очередь, приводит к соответствующему росту скорости газа. При относительно небольших перепадах давления (что характерно для внутрипроизводственных коммуникаций) для расчета трубопроводов (потерянного напора, общего напора и др.) можно без существенной ошибки использовать уравнения, полученные для несжимаемых жидкостей, с заменой в них величин w и р на среднеарифметические значения скорости wcp и плотности РСР'

Для ориентировочных расчетов диаметра трубопроводов (а также штуцеров и других деталей и узлов химических аппаратов) можно использовать опытные данные по скоростям движения жидкостей и газов в промышленных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                Список литературы

1. Б. С. Баталин Процессы и аппараты в технологии строительных материалов – Пермь: Издательство Пермского государственного технического университета, 2008г

2. А. Г. Касаткин Основные процессы  и аппараты химической технологии 9-е издание – М.: Химия, 1973 г.

3. Ф. М. Мустафин, Л. И. Быков  и др. Трубопроводы и оборудование  – М.: ОАО «Издательство «Недра», 2004г.