Расчёт сопротивлений трубопровода и включенных в него аппаратов

1. Расчёт сопротивлений трубопровода и включенных в него аппаратов.

 

Задание: Рассчитать трубопровод, подобрать марку центробежного насоса и отрегулировать его работу на сеть в схеме циркуляционной мойки резервуаров и трубопроводов.

Вода насосом 1 перекачивается из резервуара 2 через теплообменник 3 по схеме трубопроводов и аппаратов 4.В теплообменнике вода нагревается от t_н= до t_к= насыщенным водяным паром. Давление воды на входе в аппараты p_к =0,11МПа. Расход равен . Вода подается по трубопроводу длиной l= + ( , ). Длина трубопровода от насоса до теплообменника , высота всасывания , максимальная высота подъема H=6,2942м.

 

1. Разбивка трубопровода насосной установки на участки

 

Трубопровод состоит из всасывающей  и напорной линий. Всасывающая линия - трубопровод от резервуара до насоса, по которому вода поступает с температурой t_н= .

Напорная линия – участок  трубопровода от насоса до системы трубопроводов аппаратов с включенными в него теплообменником:

- участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника с температурой t_н=

- теплообменик , в котором температура воды повышается от до . Для расчёта принимаем среднюю температуру

- участок напорного трубопровода  от теплообменника до системы трубопроводов и аппаратов с температурой t_к= .

 

2. Выбор теплофизических характеристик перекачиваемой жидкости

 

Так как на рассматриваемых участках трубопровода температура воды имеет разные величины, то выбирают значения динамической вязкости и плотности при соответствующих температурах. Полученные данные приведены в табл.

 

Физические характеристики воды

Таблица 1

Характеристика	Температура, ºС
	12	75	43,5
Динамическая вязкость µ·106, Па·с	1248	380,5	619,2
Плотность ρ, кг/м3	999,6	975	990,6

 

1.3 Уточнение объёмных расходов жидкости, протекающей через различные участки трубопровода

 

В связи с тем, что температура воды на различных участках трубопровода неодинакова, различны и объёмы, протекающие по трубам в единицу времени. Для уточнения объёмных расходов используется формула

где  - заданный расход воды, м³/с;

- плотность воды, соответствующая начальной температуре, кг/м³;

- плотность воды, соответствующая её температуре на рассматриваемом участке трубопровода, кг/м³.

Участок всасывающего трубопровода,

Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника ,

Теплообменник ,

Участок напорного трубопровода от теплообменника до аппаратов,

 

4. Определение диаметров участков трубопровода, скоростей и режимов движения жидкости в них

 

Диаметры всасывающего и напорного  трубопровода определяют из уравнения  расхода

Откуда

где   - расход жидкости на рассматриваемом участке, м³/с;

 - средняя скорость движения жидкости, м/с.

Скорость движения жидкости на всасывающем  участке трубопровода выбирают из интервала .

Принимая  определяем диаметр всасывающего трубопровода

Для напорного трубопровода рекомендуемый  интервал скорости . Принимаем определяем диаметр труб на напорном участке

 

Так как для изготовления трубопровода используют стандартные трубы, то расчётные  диаметры всасывающего и напорного  трубопроводов необходимо округлить  до ближайшего размера по государственному стандарту. Выбирают по ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 9940-81 для всасывающего участка трубопровода бесшовную углеродистую трубу диаметром 219 6(d_внутр=207мм), для напорного участка трубопровода – трубу бесшовную углеродистую диаметром 194 10 (d_внутр=174мм).

Эквивалентная шероховатость труб К_эк=0,2мм.

Поскольку внутренние диаметры стандартных  труб отличаются от расчётных, то уточняют значения скорости движения воды на отдельных участках трубопровода используя уравнение

 

 

 

Всасывающий участок трубопровода

Напорный участок от насоса до теплообменника

Напорный участок от теплообменника до трубопроводов и аппаратов

Для теплообменника необходимо рассчитать скорость воды в одной трубке и значение скорости во входном и выходном штуцерах.

В связи с этим используют условное обозначение заданного теплообменника

 

Теплообменник вертикальный, с неподвижными трубными решётками, с кожухом диаметром 600 мм, рассчитанный на условное давление в трубах и кожухе 0,6 МПа, исполнение по материалу М1, обыкновенное исполнение по температурному пределу, с гладкими теплообменными трубами диаметром 25 мм и длиной 6м, расположенного по сторонам правильного шестиугольника, шестиходовой.

Скорость жидкости в одной трубке:

 

 

где   - площадь сечения трубок одного хода,

 

 

где   - внутренний диаметр труб теплообменника , м;

n- общее количество труб в аппарате(196),

z- число ходов(6).

Тогда

Для установления режима движения жидкости в трубах необходимо рассчитать число  Рейнольдса

где   - скорость движения воды на данном участке, м/с;

d – внутренний диаметр трубы,  м;

- плотность воды, кг/м³;

- динамическая вязкость воды, Па·с.

Участок всасывающего трубопровода,

Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника ,

Теплообменник ,

Участок напорного трубопровода от теплообменника до аппаратов,

 

На всех участках трубопровода режим  движения - турбулентный. 

5. Расчёт сопротивлений трубопроводов и включенных в них аппаратов

 

Под сопротивлениями понимают потери напора, эквивалентные затратам энергии  потока на работу против сил трения, обусловленных вязкостью перекачиваемой среды.

Расчёт сопротивлений (потерь напора) в трубопроводе ведётся отдельно по каждому участку.

 

Всасывающий участок трубопровода.

 

Потери напора определяют по формуле

где   - потери напора по длине на данном участке, м;

- потери напора в местных  сопротивлениях, м.

Для расчёта коэффициента трения предварительно его значение для гидравлически  гладких труб находят по формуле 

Рассчитывают толщину вязкого  подслоя по формуле

Абсолютная шероховатость трубы  по формуле

Сравнивая величину абсолютной шероховатости  с толщиной вязкого подслоя, приходим к выводу, что труба всасывающего трубопровода является гидравлически  гладкой.

Следовательно λ=0,0164

Потери напора по длине составят

h_l=

м

На рассматриваемом участке трубопровода имеется два местных сопротивления: вход в трубопровод – обратный клапан ( ), и один плавный поворот под углом 90º,- которое представляет собой нормализованый крутоизогнутый штампованный приварной отвод с малым радиусом гиба , где - наружный диаметр трубы. В этом случае коэффициент местного сопротивления . При повороте на 90º А=1,0, а при принятом отношении радиуса гиба трубы к её диаметру В=0,15. Следовательно, .

Определяем потери напора в местных  сопротивлениях

Суммарные потери напора на всасывающем  участке составят

 

Напорный  участок трубопровода от насоса до теплообменника.

 

Находят коэффициент трения для  гидравлически гладких труб по формуле  Конакова

Толщина вязкого подслоя на данном участке будет равна

Принимают, что абсолютная шероховатость  труб, используемых для всасывающей  и напорной линий, одинакова. м

Толщина вязкого подслоя меньше абсолютной шероховатости т.е. труба на рассматриваемом участке является гидравлически шероховатой.Тогда коэффициент гидравлического трения определяют по формуле:

Следовательно λ=0,0243

Потери напора по длине составят

На данном участке имеется два местных сопротивления:

- плавных поворот под углом

- резкий поворот под углом

Потери напора в местных сопротивлениях составят

.

Суммарные потери напора составят

 

Расчёт  потерь напора в теплообменнике

 

Коэффициент гидравлического трения в трубах теплообменника при Re>2300,рекомендуется считать по формуле Блазиуса

Толщина вязкого подслоя в трубах теплообменника составит

Принимают абсолютную шероховатость теполобменных труб такой же, как для всасывающей и напорной линий ( м).

Сравнивая величину абсолютной шероховатости  с толщиной вязкого подслоя, приходим к выводу, что труба всасывающего трубопровода является гидравлически  шероховатой. Гидравлический коэффициент  трения может быть определён по формуле  Френкеля

Следовательно λ=0,0185

Находим потери напора по длине в  теплообменных трубах

= м

 

Расчёт  потерь напора в местных сопротивлениях теплообменника.

 

Для расчёта потерь напора в местных  сопротивлениях теплообменника необходимо вычислить площади сечения штуцеров, распределительной коробки и  площадь поперечного сечения  труб одного хода и рассчитать коэффициенты местных сопротивлений.

Для определения площади сечения  штуцера принимают его диаметр  равным диаметру труб напорного трубопровода, т.е.

Площадь сечения распределительной  коробки одного хода теплообменника

где  D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м.

Площадь поперечного сечения труб одного хода теплообменника

 

Коэффициенты местных  сопротивлений в теплообменнике:

• при выходе потока жидкости из штуцера в распределительную коробку (внезапное расширение)

• при входе потока жидкости из распределительной коробки в теплообменные трубы (внезапное сужение)

• при выходе потока жидкости из теплообменника в распределительную коробку (внезапное расширение)