Глава 3. Розрахунок трубопровідних комунікацій

Гідравлічний розрахунок трубопроводів

Розрізняють два режими течії рідини по трубах: ламінарний і турбулентний. Ламінарним (від лат. la­mina – шар) називається такий режим течії, при якому рідина в потоці рухається окремими струминками або вествами й їхні траєкторії не перетинаються. Турбулентним (від лат. turbulentus – безладний) нази­вається такий режим течії, при якому шарувата течія порушується, траєкторії руху шарів хаотичні й перемішуються. Критерієм оцінки переходу одного режиму течії в інший служить число Рейнольдса:

vd

Rе = ---,
n

де v – середня швидкість руху рідини в трубі; d – внутрішній діаметр труби; n – коефіцієнт кінематичної грузькості.

При гідравлічних розрахунках трубопроводів перекачування нафтопродуктів на складах ПММ можна вважати, що при значеннях Re >2000 режим течії ламінарний. При значеннях числа 2000< Re <3000 режим течії переходить від ламінарного до турбулентного. При значеннях Re > 3000 виявляється турбулентний режим.

Втрати енергії при прямуванні рідини по трубопроводу пов'язані з витра­тою енергії на подолання гідравлічного тертя (h _г) і так званих місцевих опорів (h _м). Місцеві опори пов'язані з втратою енергії на зміну швидкості й напрямку руху потоку рідини. Втрати енергії на переміщення рідини оцінюються зменшенням напору. У такий спосіб загальні витрати енергії

h = h _г + h _м.

Втрати напору на подолання гідравлічного тертя визначаються формулою Дарсі–Вейсбаха:

l v²

h = l ----,

d 2g

де l – коефіцієнт гідравлічного тертя, що залежить як від режиму

течії, який характеризується числом Рейнольдса, і від шорсткості

внутрішньої поверхні труби; l – довжина розглядуваної ділянки тру­бопроводу.

При значеннях Re <2000 коефіцієнт визначається за формулою Стокса:

l = 64/ Re.

При значеннях Re >2000 розрізняють три зони течії. Першу називають зоною гідравлічно–гладких труб. У цій зоні ко­ефіцієнт залежить тільки від числа Рейнольдса і розраховується за формулою Блазіуса:

0,3164

l = –––––––––.

Rе ^–0,25

Ця формула придатна для розрахунків у діапазоні значень числа Рейнольдса від Re = 2000 до

Rе ₁ = –––––––,

e ^1,143

де e = 2е/ d – відносна шорсткість внутрішньої поверхні;

e – абсолютна шорсткість.

Другу зону називають зоною змішаного тертя, в якій коефіцієнт l = f(Rе, e ). Межу цієї зони визначають перехідні числа Re ₁ і Re ₂. При значеннях Re ₁ < Re < Re ₂ коефіцієнт визначають за формулою Альтшу­ля:
,

665 – 765 lg e
а Re ₂= –––––––––––––––,
lg e

де a = 0,46 k; k – " еквівалентна шорсткість" труб.

Третю зону – називають зоною квадратичного опору. В цій зоні Re > Re _2, а коефіцієнт l залежить тільки від параметра e і визначається за формулою Нікурадзе:

l = ––––––––––––,

(1,74 +2 lg e)²

Значення абсолютної й "еквівалентної" шорсткості для найбіль­ш поширених труб на складах ПММ наведені в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Абсолютна і " еквівалентна" шорсткість для деяких труб

Т р у б и	Значення шорсткості, м
е 10–3	k 10–3
Нові сталеві суцільнотягнені Сталеві суцільнотягнені, які знаходились у ко– роткочасній експлуатації (із незначною корозією) Старі сталеві Нові чавунні Азбоцементні	0,05–0,15     0,2–0,3 0,2 – 0,5 0,3 0,3 – 0,8	0,02–0,07     0,2 – 0,5 до 1,0 0,25 0,3

 

Для гнучких прогумованих шлангів коефіцієнт l підраховується за формулою:

l = 0,013 + 0,917 Re^{– 0,41}.

Для гофрованих шлангів, що мають усередині дротову спіраль,

 

 

ко­ефіцієнт гідравлічного опоруl рекомендується визначати за формулою:

6 e ²
l_ш = l + –––––,

t d

де l – коефіцієнт гідравлічного опору, який розраховують за формулою для ламінарного та турбулентного режимів; e – височінь виступів дро­тової спіралі над внутрішньою поверхнею шланга;

t – крок дротової спіралі.

Втрату тиску в трубопроводі, віднесену до одиниці його довжини, називають гідравлічним ухилом, тобто

i = h _г / l,

де i – гідравлічний ухил. Знаючи гідравлічний ухил, втрати тис­ку в трубопроводі можна визначити за формулою.

h _г = il.

Втрати енергії на подолання місцевого опору підраховують за формулою Вейсбаха:

v²

h _м = j x ---,

2g

де j– поправковий коефіцієнт (для турбулентного режиму течії j = 1, а для ламінарного – визначається за графіком на рис. 3.1);
x – безрозмірний коефіцієнт місцевого опору, визначений експе-риментальним шляхом.

При наявності в магістралі кількох місцевих опорів (повороти, крани, фільтри звуження і поширення – табл. 3.2) значення ко­ефіцієнтів складаються. Загальні втрати тиску визначають за формулою

,

де D z – різниця нівелірних позначок між кінцевим і початковим пе­ретинами трубопроводу довжиною l.

 

Рис. 3.1. Графік визначення поправкового коефіцієнта для ламінарного режиму течії

 

Таблиця 3.2

Значення коефіцієнтів для найбільш поширених

місцевих опорів (турбулентний режим)

 

Н а й м е н у в а н н я	Значення x
Вихід з резервуара без хлопавки Вихід з резервуара крізь хлопавку Вхід у резервуар Коліно зварне під кутом: a = 300 a = 450 a = 600 a = 900 Коліно гнуте під кутом a = 900 Лінзовий компенсатор П – подібний гнутий компенсатор Зворотній клапан обертовийй (хлопавка) Зворотній кульковий клапан Засувка Лічильник рідини Фільтр грубої очистки Фільтр тонкої очистки	0,5 0,9 1,0 0,2 0,4 0,65 1,3 0,35 0,3 2,0 1,8 8,0 0,5 10 – 15 2,5 3 – 7