Понятие о гидравлическом ударе

Резкое изменение давления в напорном трубопроводе, возникающее при быстром изменении скорости потока, называется гидравлическим ударом.

Такое изменение давления иногда превышает в десятки и даже сотни раз рабочее давление в трубопроводе и может вызвать его разрушение.

Причиной гидравлического удара может быть внезапное закрытие задвижки на напорном трубопроводе, сопровождаемое резким увеличением давления, а также резкое открытие задвижки, когда давление падает в результате увеличения скорости движения жидкости.

Мероприятия для уменьшения или устранения гидравлического удара: на водопроводных трубах устанавливаются медленно закрывающиеся задвижки, воздушные колпаки и предохранительные клапаны, автоматически открывающиеся при повышении давления выше нормального.

Лекция № 7

Раздел: 3 Гидромеханические процессы

Тема: 3.2 Перемещение жидкостей и газов

Цель занятия: изучить виды трубопроводов и гидравлических сопротивлений при движении жидкости; методику определения потерь жидкости и диаметров трубопроводов.

Вопросы:

1. Определение потерь напора.

2. Коэффициент сопротивления трения по длине.

3. Местные потери напора и коэффициент местного сопротивления.

4. Вычисление полной потери напора.

5. Гидравлический расчет простого водопровода. Определения.

6. Основные задачи расчета водопровода.

7. Расходная характеристика сечения.

Литература: [Л.2] c. 62...67; 70...74.

1. При движении жидкости в трубопроводе часть энергии потока (гидродинамического напора Н _гд) расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений.

Последние бывают двух видов:

1) сопротивления по длине h _{w дл}, пропорциональные длине потока;

2) местные сопротивления h _{w м}, возникновение которых связано с изменением направления или величины скорости в том или ином сечении потока.

К местным сопротивлениям относят внезапное расширение потока, внезапное сужение потока, вентиль, кран, диффузор и т. д.

При движении жидкости в прямой трубе потери энергии определяются формулой Дарси – Вейсбаха

h _{w дл} = λ l / d w ²/(2 g) (7.1)

где h _{w дл} – потери напора по длине, м.

Эту же потерю напора можно выразить в единицах давления:

Δp = ρgh _{w дл} = λ l / d ρw ²/2 (7.2)

где Δp – потери давления, Па;

h _{w дл} – потери напора, м;

λ – коэффициент сопротивления трения по длине;

l – длина трубы, м;

d – диаметр трубы, м;

w – средняя скорость движения жидкости в выходном сечении трубы, м/с;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

ρ – плотность жидкости (газа), кг/м³.

2. Многочисленными опытами установлено, что в общем случае коэффициент сопротивления трения λ зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости Δ/d стенок канала, т.е. λ = f (Re, Δ/d).

3. Местные потери напора принято выражать в долях от скоростного напора. Их определяют по формуле Вейсбаха:

h _{w м} = ζ · w ²/(2 g) (7.3)

где ζ – коэффициент местного сопротивления, зависящий от вида местного сопротивления, и определяемый опытным путем (для турбулентного режима течения) *;

w – скорость за местным сопротивлением.

Значения некоторых видов местных сопротивлений приведены в табл. 7.1.

4. Полная потеря напора выражается суммой потерь напора по длине и на местные сопротивления:

h _w = h _{w дл} + Σ h _{w м} (7.4)

где Σ h _{w м} = Σ ζ · w ²/(2 g) – сумма местных потерь напора, сочетание которых в трубопроводе может быть различным в зависимости от назначения последнего.

Подставляя в уравнение (7.4) значения из формул (7.1) и (7.3), получаем удобную для практических расчетов формулу полной потери напора:

h _w = λ l / d w ²/(2 g) + Σ ζ · w ²/(2 g) = (λ l / d + Σ ζ) w ²/(2 g) (7.5)

___________________________

* При ламинарном режиме течения коэффициент местного сопротивления зависит также и от числа Рейнольдса.

Таблица 7.1 Коэффициенты местных сопротивлений при турбулентном режиме движения жидкости

Вид местного сопротивления	Эскиз фасонных частей	Коэффициент местного сопротивления
Внезапное расширение потока		ζ = (F2/F1 – 1)^2
Внезапное сужение потока		ζ =0,5 (1 – F2/F1)
Вход в трубу: а) при острых кромках		ζ = 0,5
б) при закругленных кромках		С плавным входом ζ = 0,2 С весьма плавным входом ζ = 0,05
Вход из трубы в резервуар больших размеров, в том числе в реку		ζ = 1,0
Колено (плавное закругление с углом поворота 90^0С) То же для частных случаев: а) при R > 2d б) при оптимальном соотношении R ≈ (3…7)d		Для труб малых сечений   ζ = [0,131 + 0,163(d/R)^3,5]   ζ = 0,5   ζ = 0,3
Поворот на 90^0 угольником		ζ = 1,1
Прямое колено с направляющими лопатками		ζ = 0,25…0,40 (в зависимости от профиля лопаток и расстояния между ними)
Расходящийся переходный конус (диффузор)		ζ = K (F2/F1 – 1)^2 При α =2^0; 4^0;6^0 соответственно К = 0,12; 0,14; 0,23
Суживающийся переходный конус (конфузор)		При 7^0 < β < 30^0 ζ = 0,16…0,24 При 35^0 < β < 80^0 ζ = 0,26…0,35

Продолжение табл. 7.1

Вид местного сопротивления	Эскиз фасонных частей	Коэффициент местного сопротивления
Задвижка на круглой трубе: а) полностью открыта б) при открытии на 3/4 h/d = 3/4 в) при открытии на 1/2 h/d = 1/2		ζ = 0,12   ζ = 0,26   ζ = 2,06
Кран на круглой трубе при среднем открытии (α = 30^0)		ζ = 5…7
Вентиль при среднем открытии		ζ = 1…3
Всасывающий клапан с сеткой на входе в заборную водопроводную трубу		ζ = 5…10

5. Трубопровод, по которому вода попадает потребителю, называется водопроводом. Водопровод, диаметр которого постоянен по всей длине и который не имеет боковых ответвлений, называется простым водопроводом. Водопровод, имеющий разветвления, а также составленный из труб разных диаметров, называет-

ся сложным водопроводом.

Различают короткие трубопроводы, в которых потери напора на местные сопротивления относительно велики и соизмеримы с потерями напора по длине (всасывающие трубы центробежных насосов, сифонные трубы и т. д.), и длинные трубопроводы, в которых потери напора на местные сопротивления составляют незначительную часть от потерь по длине (не более 5…10%).

6. Рассчитать водопровод – значит, определить одну из трех величин – потери напора h _w, расход Q или диаметр трубы d – по двум другим заданным величинам.

Исходными соотношениями для гидравлического расчета водопровода являются уравнение Д. Бернулли (6.8)

,

уравнение неразрывности потока (или постоянства расхода) (6.3)

Q = F ₁ w ₁ = F ₁ w ₁ = const

и формула Дарси – Вейсбаха (7.1)

h _{w дл} = λ l / d w ²/(2 g).

7. Расчет водопроводов, которые работают при турбулентном режиме в квадратичной области сопротивления, производится по следующим формулам:

1) расход воды

Q = К √ h _w / l; (7.6)

где К – расходная характеристика сечения, м³/с

2) потери напора

h _w = Q ² l / K ²; (7.7)

3) диаметр водопровода

K ² = Q ² l / h _w. (7.8)

Значения К приводятся в гидравлических справочниках в зависимости от диаметра и шероховатости трубы (см., например, табл. 7.2).

Метод расчета с использованием расходной характеристики сечения применим к длинным трубопроводам; короткие трубопроводы рассчитываются с учетом местных сопротивлений.

Таблица 7.2 Расходная характеристика К для стандартных стальных труб

Диаметр трубы d, м	К ^2, м^3/с	Диаметр трубы d, м	К ^2, м^3/с
0,125	0.009416	0,275	0,6515
0,150	0,02225	0,300	1,065
0,175	0,05274	0,325	1,643
0,200	0,1078	0,350	2,452
0,225	0,2074	0,400	4,850
0,250	0,3871

Самостоятельная работа студентов

Классификация насосов, вентиляторов и компрессоров

Насосом называется машина для создания потока жидкой среды. Насосы принадлежат к наиболее распространенным типам машин.

Все многообразие видов насосов по принципу действия и конструкций объединяется в две большие группы: а) динамические насосы; б) объемные насосы.

1. Динамические насосы: в зависимости от характера сил, действующих на жидкую среду, делятся на:

1.1. лопастные насосы – центробежные и осевые;

1.2. электромагнитные насосы;

1.3. насосы трения – вихревые, вибрационные и струйные.

2. Объемные насосы по характеру движения рабочих органов имеют, следующие виды:

2.1. Возвратно-поступательный насос – поршневые, плунжерные и диафрагменные;

2.2. Роторный насос – зубчатые, винтовые, шиберные и роторно-поршневые;

2.3. Крыльчатый насос.

Вентиляторами называются машины, служащие для отсоса и нагнетания воздуха или других газов при общем напоре, не превышающем 15 кПа (1500 мм вод. ст.).

Различают вентиляторы:

1. по принципу действия и конструкций: центробежные и осевые;

2. по заданному давлению: низкого давления – до 1,0 кПа (100 мм вод. ст.); среднего давления – 1…3 кПа (от 100 до 300 мм вод. ст.); высокого давления – 3…15 кПа (от 300 до 1500 мм вод. ст.).

Вентиляционные установки бывают:нагнетательные;всасывающие или вытяжные;безнапорные или пневматические.

Компрессорами называют машины, служащие для сжатия воздуха или различных газов.

Компрессоры классифицируются на группы по следующим признакам:

1) по конструкции – поршневые, лопаточные (центробежные и осевые) и ротационные;

2) по числу ступеней сжатия – одноступенчатые и многоступенчатые;

3) по величине давления: низкого (р _к < 1,0 МПа), среднего (р _к = 1,0...8,0 МПа), высокого (р _к = 8...10 МПа) и сверхвысокого (р _к > 10 МПа) давления;

4) по производительности: малой (V = 0,15 м³/с), средней (V = 0,15...0,5 м³/с) и большой (V > 0,5 м³/с), производительности;

5) по расположению цилиндров – горизонтальные и вертикальные (это относится только к поршневым компрессорам).

Количественной характеристикой компрессора является его производительность, представляющая собой объемное количество газа, подаваемого компрессором в единицу времени при начальных параметрах газа.

Качественной характеристикой компрессора является степень повышения давления β = p ₂ / p ₁.

В зависимости от степени повышения давления различают:

1) вентиляторы – компрессоры, предназначенные для перемещения газов (β = 1,04…1,1);

2) воздуходувки – компрессоры, степень сжатия которых β = 1,14…1,4;

3) собственно компрессоры, предназначенные для получения сжатого воздуха или газа (β > 4).

Дата добавления: 2014-01-07