Особенности расчета различных видов трубопроводов

Лупина Т.А., Симонов К.В. Гидравлический расчет напорных трубопроводов: Учебное пособие. – М.: МИИТ, 2008. – 214 с.

Учебное пособие предназначено для выполнения домашней расчетно-графической работы №1 по теме «Гидравлический расчет напорных трубопроводов» по дисциплине «Гидравлика» студентами специальности 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» Института пути, строительства и сооружений и может быть рекомендовано для выполнения домашних заданий по дисциплине «Гидравлика» студентам специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270115 «Экспертиза и управление недвижимостью» Института экономики и финансов и 270204 Вечернего факультета. А также данное учебное пособие может быть использовано при проектировании систем водоснабжения на железных дорогах.

Табл. 6, рис. 40, бибилиогр. назв. 7.

К.т.н., доц. Лупиной Т.А. написаны введение и главы 1-5

К.т.н., доц. Симоновым К.В. написана глава 6

Рецензенты:

Первый заместитель директора Института

«Гипротранспуть» Элконин В.Д.

Доцент кафедры «Изыскания

и проектирование железных

дорог» МИИТа, канд. техн. наук Гороховцев Б.И.

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ), 2008

Введение

Настоящее учебное пособие разработано для выполнения студентами специальности «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» Института пути, строительства и сооружений домашней расчетно-графической работы по дисциплине «Гидравлика» по теме «Гидравлический расчет напорных трубопроводов» применительно к водоснабжению строительных площадок. Пособие также может быть рекомендовано для выполнения домашних заданий по дисциплине «Гидравлика» студентам специальностей «Промышленное и гражданское строительство» Института пути, строительства и сооружений, «Экспертиза и управление недвижимостью» Института экономики и финансов и «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» Вечернего факультета.

Благодаря четырем рассмотренным вариантам задания А,Б,В и Г (возможным схемам водоснабжения строительных площадок) и выбору материала труб из трех наиболее широко применяемых в водоснабжении (стальные, чугунные, асбестоцементные) каждый студент получает возможность решать индивидуальную задачу.

Изложенные в пособии подробно методика гидравлического расчета напорных трубопроводов и теоретические основы этого расчета позволяют студентам получить в одном издании максимальную информацию по данному вопросу, включая необходимые справочные данные, как например, диаметры труб, принятые по ГОСТ. Кроме того, учебное пособие составлено таким образом, что предоставляет студентам возможность освоить и «ручной», и автоматизированный способ расчета.

О преимуществах автоматизированного расчета над «ручным» известно давно. Однако нельзя забывать и о том, что при автоматизированном расчете сложных технических систем, запроектированных на широко распространенных языках программирования С, С++, Delphi, Visual Basic и др. студенту остается только ввести исходные данные и получить результат расчета. При этом многочисленные математические, логические связи и зависимости подсистем и элементов систем между собой остаются невидимыми. Это снижает уровень понимания студентами изучаемого материала. В этом отношении наиболее известной является популярная версия универсальной математической системы Mathcad, которая во всем мире признана лучшей системой для научно-технических вычислений. Она имеет мощные средства для реализации численных методов расчета и математического моделирования в сочетании с возможностью выполнения многих операций символьной математики (компьютерной алгебры). Все это дополняется превосходными средствами визуализации вычислений – от представления исходных данных и результатов вычислений в естественном математическом виде до мощной цветной графики высокого разрешения, включая анимационную графику. Поэтому для автоматизации гидравлических расчетов была применена система Mathcad.

Непосредственное использование методики «ручного» расчета с использованием специальных таблиц не представлялось возможным. Поэтому пришлось разработать специальную методику и соответствующие алгоритмы автоматизированного выполнения гидравлических расчетов, исключающие использование таблиц, кроме ГОСТовских размеров труб, которые включены в программу расчета. Заканчиваются расчеты автоматическим построением графиков, характеризующих их результаты.

В учебном пособии приведены исходные тексты документов Mathcad, содержащие последовательности расчетов по всем вариантам заданий. Наглядность их такова, что даже при отсутствии необходимого для расчетов ПК, студент может лишь по приведенным в документах алгоритмам выполнить необходимые расчеты с использованием калькулятора. Из [3] известно, что определение отметок водопровода производится путем составления уравнений движения жидкости Д.Бернулли. Однако в приведенных текстах документов эти уравнения в начальном виде отсутствуют, а присутствует лишь конечный их вид. Первоначальный вид уравнений Д.Бернулли и переход к конечному виду студент должен уметь записать при защите задания. Кроме того, при защите домашнего задания студент должен по просьбе преподавателя схематически изобразить на соответствующем компьютерном графике: самотечную линию, сифон, дюкер или линию земли с указанием соответствующих отметок в точках перелома, а также начала и конца их.

Приведенная методика автоматизированного гидравлического расчета напорных трубопроводов позволяет пользователям в десятки раз сократить затраты труда, избежать повторных расчетов и возможных ошибок, значительно повышает надежность результатов.

Исходные данные

Часто в практике строительства возникает потребность в обеспечении строительных площадок водой. Задание №1 «Гидравлический расчет напорных трубопроводов» по дисциплине «Гидравлика» предоставляет возможность более детально, практически освоить методику гидравлических расчетов напорных трубопроводов применительно к водоснабжению строительных площадок.

В качестве вариантов водоснабжения строительных площадок ниже приведены четыре возможные схемы организации водоснабжения в зависимости от местных условий и возможностей строительных организаций.

₆

H_рез Г

В H_{б 7}

_{4 5} Д

A _{8 9}

Б

Z_{0 1 2 3}

Z₁ Z₂ Z₄ Z₇ Z₈ Z₉

Q₁₁ Q₁₃

_{11 13}

_{1 8 9}

_{10 12}

Q₁₀Q₁₂

Рис. 1.1. Вариант А

Водоснабжение строительной площадки по варианту А, рис.1.1, осуществляется следующим способом. Водопроводная сеть тупикового типа. Вода из реки «А» по самотечной линии 1-2 поступает в колодец «Б». Самотечная линия уложена горизонтально и снабжена предохранительной сеткой 1. Из колодца «Б» вода всасывается по трубе 3-4 насосом «В» и нагнетается по водоводу 5-6 в резервуар водонапорной башни «Г». Из башни по разводящей сети труб вода поступает в пункты потребления 10, 11, 12 и 13, расположенные на территории строительной площадки «Д».

В соответствии с заданием забор воды осуществляется из открытого источника через предохранительную сетку, которая защищает систему водоснабжения от попадания в нее посторонних тел (ветки, щепки, мусор, рыба и т.п.) и располагается на конце самотечной трубы. Самотечная труба служит для подведения воды самотеком ближе к напорной станции. Движение воды в самотечной трубе осуществляется за счет разности уровней в реке и колодце, обусловленной понижением уровня воды в колодце при работе насоса.

Береговой колодец – резервуар, из которого насосом забирают воду. Предварительно в нем происходит механическая очистка воды [4,5]. Внутри колодца располагаются мелкие сетки, которые задерживают плавучие частицы, прошедшие через предохранительную сетку на входе в самотечную трубу. Береговой колодец служит также для удобства осмотра и очистки самотечной и всасывающей труб, а также для осмотра приемного клапана, расположенного на конце всасывающей трубы.

Всасывающая линия служит для перемещения воды от колодца к насосу. Насос, увеличивая напор воды, обеспечивает ее подачу по водоводу к водонапорной башне. Водонапорная башня – это резервуар для хранения запаса воды, в т.ч. для пожаротушения, для создания напора в разводящей сети и для регулирования расхода [4,5]. Разводящая сеть представляет собой трубы, поставляющие воду к пунктам ее непосредственного потребления.

Г

₁₄

H_{рез 15}

В H_б

А Б _{8 9} Д

_{1 16}

_{2 5 10 11 12 13}

_{3 4 6 7} Z₁₆

Z₀ Z₁ Z₃ Z₅ Z₇ Z₉ Z₈ Z₁₄ Z₁₅

Д ₁₈ Q₁₈

участок выключен

₁₇ Q₁₇

_{9 10 11 12 13} Q₁₆

_{1 2 3 4 5 6 7 8 19} Q₁₉

Рис. 1.2. Вариант Б

Водоснабжение строительной площадки по варианту Б, рис.1.2, осуществляется следующим образом. Водонапорная сеть тупиковая. Вода из водоприемного ковша «А» по дюкеру 1-2-3-4-5-6 подается в колодец «Б», откуда насосом «В» по трубе 7-8 засасывается и по водоводу 9-10-11-12-13-14, состоящему из двух параллельных трубопроводов с переключениями, нагнетается в резервуар водонапорной башни «Г». Из башни «Г» по разводящей сети труб вода поступает к пунктам водопотребления 16, 17, 18, 19, расположенным на территории строительной площадки «Д».

Применение дюкера для подачи воды из водоприемного ковша в колодец обусловлено необходимостью пересечь реку [4,5]. Таким образом, дюкер представляет собой водопроводную линию, имеющую резкий прогиб в профиле. Движение воды в дюкере осуществляется под воздействием разности уровней в ковше и колодце при работе насоса. Последующая схема движения воды и основные сооружения аналогичны варианту А.

₁₀

H_рез Д

В H_б

Б _{4 5} Г

А ₆

₁ Z₀ Z₅ Z₄ Z₆ Z₁₀

Z₁ Z_{3 2} Z_{2 3}

А ₉ Q₉

₇ Q₇

₈ Q₈

Г

Рис.1.3. Вариант В

Вариант В, рис.1.3, сеть тупикового типа. Вода из реки «А» по сифону 1-2 поступает в колодец «Б», из которого насосом «В» всасывается по линии 3-4 и нагнетается по водоводу 5-6-10 в резервуар водонапорной башни «Д», если при этом на строительной площадке «Г» не расходуется вода. Когда насос не работает, вода из резервуара через разводящую сеть труб поступает к точкам потребления 6, 7, 8, 9.

А В Б

Z_{1 1} Z_{3 2} Z_{2 3} Z_{4 4}

₁₀

H_рез Д

₁₁

₆ Г ₇ H_б Е

В

_{8 9 12 13}

Z_{3 5} Z₆ Z₇ Z₁₀ Z₁₁ Z₁₂ Z₁₃

А

_{8' 9' 14} Q₁₄ Е

Q₁₂

Б ₁₅ Q₁₅ Q₁₃

Рис.1.4. Вариант Г

В тех случаях, когда большая разница отметок наивысшего (в реке) и наинизшего (в колодце) горизонтов воды требует укладки самотечных линий в дорогостоящие глубокие траншеи, их заменяют сифонными водозаборными линиями [4,5]. Движение воды в сифоне обуславливается разностью давлений во входном сечении сифона и его наивысшей точке. Именно разряжение (вакуум), возникающее в колене сифона, заставляет воду подниматься вверх по трубе. Остальные сооружения данной схемы водоснабжения аналогичны варианту А.

Водоснабжение строительной площадки «Е» по варианту Г, рис.1.4, осуществляется следующим образом. Водонапорная сеть тупиковая. Вода из двух шахтных колодцев «А» и «Б» по сифонам 1-2 и 3-4 поступает в сборный колодец «В», откуда по линии 5-6 засасывается насосом «Г» и по водоводу 7-8-9-10 нагнетается в резервуар водонапорной башни «Д». Из башни «Д» по разводящей сети труб вода поступает к пунктам ее потребления 12, 13, 14, 15. В данном варианте представлена схема водоснабжения с забором воды из подземных источников. Для получения подземных вод из безнапорных и слабонапорных водоносных пластов при неглубоком их залегании (до 10-30 м) применяются шахтные колодцы [4,5]. Из них вода по сифонным линиям попадает в сборный колодец, где хранится ее запас. Если вода из подземного источника хорошего качества, то водоснабжение осуществляется без очистки воды. Остальные сооружения данной схемы водоснабжения те же, что и в ранее рассмотренных вариантах.

Особенности расчета различных видов трубопроводов

Рассмотренные схемы водоснабжения (варианты А, Б, В, Г) имеют свои отличительные особенности, но в состав каждой из них входят четыре участка (или этапа) водоснабжения, расчет которых производят аналогично:

1- водозаборная линия (самотечная линия, дюкер, сифон);

2 – всасывающая линия;

3 – водовод;

4 – разводящая сеть.

Движение жидкости в напорных трубопроводах обусловлено разностью напоров в начальном и конечном живых сечениях трубы. Разность напоров может быть создана с помощью насоса (всасывающая линия, водовод), за счет разности уровней воды в источнике водоснабжения и сборном колодце (водозаборная линия), а также за счет уровня воды в водонапорной башне (разводящая сеть).

Различают напорные трубопроводы: простые и сложные. Трубопровод без ответвлений, из труб одного диаметра и материала называют простым (водозаборная и всасывающая линии, водовод в варианте А). Остальные трубопроводы относят к сложным (водоводы в вариантах Б, В и Г, разводящая сеть). Они бывают с последовательным (водовод варианта В, Г), параллельным соединением труб (водоводы вариантов Б и Г), а также с непрерывной и транзитной раздачей жидкости.

Кроме того, в зависимости от соотношения между местными потерями и потерями по длине трубопроводы подразделяют на гидравлически короткие и длинные. Если местные потери напора составляют более 5¸10% от потерь напора по длине, трубопроводы называют короткими (водозаборные и всасывающие линии), если - менее 5¸10%, то трубопроводы называют длинными (водоводы, разводящая сеть).

При гидравлическом расчете различных видов напорных трубопроводов важно уметь правильно определять потери напора.

Основные формулы для расчета потерь напора при движении жидкости в трубах следующие [1]:

· потери по длине потока (2.1)

· местные потери , (2.2)

где l - коэффициент гидравлического трения;

– длина рассматриваемого участка трубопровода;

d – диаметр трубопровода;

V – средняя скорость потока;

-коэффициент местного гидравлического сопротивления;

g – ускорение свободного падения.

Если трубопровод гидравлически короткий, общую потерю напора в нем находят путем суммирования потерь напора по длине трубопровода и местных потерь напора, то есть с использованием принципа наложения потерь:

. (2.3)

При расчете длинных трубопроводов местные потери не учитывают вообще или учитывают, суммарно увеличивая сопротивление по длине на 5¸10%

. (2.4)

Расчет простых трубопроводов производят с использованием зависимостей (2.1), (2.2), (2.3). В определении потерь напора в сложных трубопроводах есть свои особенности. Например, при последовательном соединении труб разного диаметра общую потерю напора находят сложением потерь на всех участках трубопровода

. (2.5)

При параллельном соединении труб общая потеря напора во всем соединении равна потере напора в любой ветви (нитке) этого соединения

. (2.6)

Гидравлический расчет напорных трубопроводов может быть существенно облегчен использованием специальных таблиц, например, «Таблиц для гидравлического расчета водопроводных труб» Ф.А. и А.Ф. Шевелевых [2].

В основу Таблиц [2] положены формулы для определения потерь напора и коэффициента гидравлического трения при турбулентном движении жидкости. Составлены Таблицы применительно к размерам труб, изготавливаемых согласно ГОСТ из различных материалов.

В зависимости от расхода воды и внутреннего диаметра трубы в Таблицах представлены значения средних скоростей потока и гидравлические уклоны. В табл. 2.1 в качестве примера дан фрагмент Таблиц Шевелевых, позволяющий получить представление о работе с ними.

Значения гидравлических уклонов для сокращения (удобства) записи в Таблицах увеличены в 1000 раз. Поэтому при использовании в расчетах табличные значения гидравлических уклонов необходимо уменьшать в 1000 раз.

Таблица 2.1

Q, л/с	d1, мм	d2, мм	d3, мм
V1	1000 i1	V2	1000 i2	V3	1000 i3
Q1	…	…	…	…	…	…
Q2	…	…	…	…	…	…
Q3	1,69	85,0	1,25	52,8	0,89	22,4
Q4	…	…	…	…	…	…
:	:	:	:	:	:	:
Qn	…	…	…	…	…	…

Наиболее широко Таблицы Шевелевых используют для подбора диаметров участков водопроводной сети в зависимости от расхода и скорости течения на участке. Скорости в домашней расчетно-графической работе заданы интервально, например V = 1,2 … 1,5 м/с. Необходимо в таблице для заданного материала труб отыскать свое (заданное) значение расхода воды на рассматриваемом участке сети. А далее в строке, соответствующей этому значению расхода, выбирают значение скорости, входящее в заданный интервал, см. табл. 2.1. Выписывают значения гидравлического уклона и диаметра трубы, соответствующие выбранной скорости.

Так при Q=Q₃ ® V=1,25 м/с; 1000 i=52,8; d=d₂ , мм.

Если таблица не содержит точного значения заданного расхода, то для определения значений скорости и уклона необходимо воспользоваться методом интерполяции.