Работы трубопроводных систем

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

курс лекций по дисциплине «Теплогазоснабжение и вентиляция»

для студентов специальности  290700

 

Рекомендовано издательско-библиотечным советом университета

в качестве учебного пособия

 

Хабаровск

Издательство ТОГУ

2007

 

УДК _______

ББК _______

И______

 

 

Р е ц е н з е н т ы:

 

 

 

заведующий кафедрой «Гидравлика и водоснабжение»

Дальневосточного государственного университета путей сообщения

д-р техн. Наук, проф. Л.Д. Терехов

 

 

Н а у ч н ы й р е д а к т о р

Канд.техн. наук, доц. Ю.В. Хоничев

 

 

Ивашкевич А.А.

Общие вопросы работы трубопроводных систем: Курс лекций по дисциплине "Теплогазоснабжение и вентиляция»" для студентов cпециальности 290700 / А.А. Ивашкевич. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2007.- 145 с.

ISBN _________

 

 

Изложены основные вопросы работы трубопроводных систем, рассмотрены основные характеристики трубопроводных сетей, методы расчета рабочих режимов систем с нагнетателями, особенности процессов кавитации и помпажа в водяных системах.

Издание предназначено для студентов высших учебных заведений специальности ТГВ.

 

УДК _______

ББК _______

 

ISBN _________                        © Тихоокеанский государственный

                                                                              университет, 2007

                                                                             © Ивашкевич А.А., 2007

ВВЕДЕНИЕ

 

 

При изучении специальных дисциплин по кафедре ТТГВ студентам постоянно приходится сталкиваться с понятием «трубопроводная система», то есть некоторая система, состоящая из трубопроводов и, при необходимости, механического побудителя движения среды – насоса, вентилятора, компрессора. Действительно, системы отопления, водоснабжения, теплоснабжения, газоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха – это именно трубопроводные системы. Именно трубопроводные системы и их оборудование являются основным предметом изучения специальных дисциплин. Поэтому студентам старших курсов постоянно приходится заниматься анализом и расчетом режимов работы трубопроводных систем различного назначения.

Несмотря на существенные различия в конструкции систем различного назначения (особенно это касается оборудования, а не трубопроводов), базовые принципы работы и управления этими системами одинаковы. Поэтому вполне оправдано разобрать их предварительно перед изучением специальных дисциплин, чтобы потом делать упор на особенности конструкций, расчета и эксплуатации систем различного назначения.

Таким образом, основной задачей курса «Теплогазоснабжение и вентиляция» (ТГВ) является изучение общих принципов работы трубопроводных систем, общих методик расчета рабочих режимов, а также конструкций устройств для управления трубопроводными системами – трубопроводной арматуры.

Обращаем внимание, что в курсе ТГВ основной упор делается на изучение именно трубопроводных сетей, а не побудителей движения – нагнетателей. Конструкции, теоретические основы и работы применения и эксплуатации нагнетателей рассматриваются в последующем курсе «Насосы, вентиляторы и компрессоры» (НВК).

Курсы ТГВ и НВК по сути являются подготовительными для изучения последующих специальных дисциплин.

Лекция 1

Основные понятия о трубопроводных системах

 

1.1 Некоторые термины и понятия.

1.2 Конструктивные характеристики трубопроводных систем

1.3 Характеристики перемещаемой среды.

1.4 Режимные параметры трубопроводных систем

1.5 Потери давления и напора в трубопроводе

1.6 Понятие гидравлической характеристики трубопроводной сети и

 нагнетателя

 

1.1 Некоторые термины и понятия

 

Трубопроводная система предназначена для перемещения на определенное расстояние некоторой транспортируемой среды, которой чаще всего является вода или воздух. В некоторых системах могут применяться и другие среды. Так, в холодильных установках часто перемещаемой средой является фреон, находящийся в жидком или газообразном состояниях. Если перемещение среды используется для переноса некоторого количества теплоты, то говорят о транспортировании теплоносителя, что является типичной ситуацией для систем отопления и теплоснабжения. В системах вентиляции и кондиционирования перемещаемой средой является воздух, в системах газоснабжения – природные или искусственные горючие газы.

Сама трубопроводная часть системы называется «трубопроводная сеть», для краткости очень часто ее называют просто словом сеть. Этот термин отражает тот факт, что сеть часто является сложным сооружением и состоит из большого числа отдельных трубопроводов, связанных некоторым образом друг с другом. Трубы изготавливаются обычно круглого сечения. Если сечение отлично от круглого, то говорят о системе «каналов». Например, вентиляционные каналы могут быть изготовлены из кирпича, бетона и других материалов и часто имеют прямоугольное сечение. Проходы для жидкости в конструкции некоторого оборудования тоже чаще всего называют каналами. Это более общий термин, и круглые трубы являются разновидностью каналов.

Лекция 2

Лекция 3

Лекция 4

Пример решения задачи с одним нагнетателем

 

Рассмотрим решение простой задачи для схемы системы, приведенной на рисунке 4.2.

а) схема системы

 

б) характеристики элементов системы

 

Требуется определить:

1) Мощность, потребляемую вентилятором а, если его КПД 70%

2) Расход на участке 3

3) Потери давления на участке 1

 

Рисунок 4.2 – Условие задачи с одним нагнетателем

Этап 1. Направление расходов уже указано стрелками на схеме. В данной системе другого направления расходов на участках не может быть в принципе.

Этап 2. Учитывая, что в системе только один нагнетатель, его и принимаем за насосную установку. Линии деления системы показаны на схеме на рисунке 4.3а. 

Этап 3. Согласно схеме, сеть состоит из двух последовательно соединенных веток веток: левая – это воздуховод 1, а правая – параллельное соединение участков 2 и 3.

Этап 4. План построения будет выглядеть следующим образом:

а →НУ

(2+3)//

(1+ ) →С

 

Построить т. Ф

 

Выполнить обратные построения

 

 

Решение задачи в соответствии с приведенным планом показано на рисунке 4.3б.

Согласно приведенному решению, расход вентилятора в точке Ф равен 1850 м³/час, а давление 660 Па. Тогда потребляемая вентилятором мощность составит

 

N = 1850 × 660 /(3600 × 70 /100) = 339 Вт

 

Согласно выполненным обратным построениям расход на участке 3 в точке Ф₃ равен 1100 м³/час.

Согласно выполненным обратным построениям потери давления на участке 1  в точке Ф₁ равны 185 Па.

а) схема системы с разбиением на нагнетательную установку и сеть

 

 

 

б) графическое решение задачи

 

 

Рисунок 4.3 – Решение задачи с одним нагнетателем

Пример решения задачи с одним нагнетателем и

гидростатическим напором в сети

 

Рассмотрим решение простой задачи для схемы системы, приведенной на рисунке 4.4.

Этап 1. Предполагаемое направление расходов указано стрелками на схеме. В данной системе при большой высоте уровня в правом баке возможно противоположное направление расхода на участке 2: вода может вытекать из бака, и расход на участке 3 будет равен сумме расходов участка 2 и насоса а.

Этап 2. Учитывая, что в системе только один нагнетатель, его и принимаем за насосную установку. Линии деления системы показаны на схеме на рисунке 4.5а. 

Этап 3. Согласно схеме, сеть состоит из двух последовательно соединенных веток: левая – это трубопровод 1 и левый бак, а правая – участки 2 и 3 вместе с правым баком. Правая ветка состоит, в свою очередь, из двух веток: нижняя – это трубопровод 3, а правая – участок 2 вместе с правым баком. Верхняя и нижняя ветки соединены параллельно

Этап 4. План построения будет выглядеть следующим образом:

 

а →НУ

2 + 10 м

(+3)//

(1–5 м)

(+) →С

 

Построить т. Ф

 

Выполнить обратные построения

 

 

Решение задачи в соответствии с приведенным планом показано на рисунке 4.5б.

Согласно приведенному решению, расход насоса в рабочей точке Ф равен 16,5 м³/час, а напор 13 м. Тогда потребляемая насосом мощность составит

 

N = 1000 × 9,81 × 13 × 16,5 /(3600 × 55 /100) = 1063 Вт = 1,06 кВт

 

2

5 м

1

3

а) схема системы

 

			10 м

 

б) характеристики элементов системы

 

 

Требуется определить:

 

1) Мощность, потребляемую насосом а, если его КПД 55%

2) Расход на участке 2

3) Потери давления на участке 3

3) Напор на всасывающем патрубке насоса в точке Х

 

Рисунок 4.4 – Условие задачи с одним нагнетателем и гидростати-

                   ческим напором в сети

а) схема системы с разбиением на нагнетательную установку и сеть

 

 

 

б) графическое решение задачи

 

Рисунок 4.5 – Решение задачи с одним нагнетателем и гидростати-

                   ческим напором в сети (вариант 1)

Согласно выполненным обратным построениям расход на участке 2 в точке Ф₂ равен 9 м³/час.

Потери напора на участке 3 в точке Ф₃ равны 5 м. При этом потери напора на участке 2 в точке Ф₂ равны 15 м. Так как в правой части сети верхняя ветка и участок 2 параллельны, то на верхней ветке тратится столько же, сколько на участке 2, то есть 15 м. Из них 10 м тратится на подъем жидкости в бак, а 5 метров – на преодоление потерь на участке 3.

Для нахождения напора в точке Х требуется записать уравнение изменения напоров при прохождении элементов системы, из которого можно было бы найти неизвестный напор. Запишем уравнение, начиная с левой части системы с поверхности бака:

 

0 + 5 м – Н₁ = Н_Х

 

Из обратных построений на графике находим Н₁ =3,5 м. Тогда окончательно получим

Н_Х = 0 + 5 м – 3,5 м = 1,5 м

 

Таким образом, на всасывающем патрубке насоса имеется положительный подпор (за счет наличия бака на отметке 5 м).

 

Рассмотрим ту же систему (рисунок 4.4а), в которой, однако, уровень воды в правом баке расположен на более высокой отметке, например, 25 м. Графическое решение для этой несколько более сложной ситуации представлено на рисунке 4.6.

Теперь на участке 3 расход имеет отрицательно значение, при этом знак «минус» означает изменение направления движения потока на противоположное. Из-за того, что насос не может преодолеть напор бака, вода из правого бака сливается вниз, и, соединяясь с расходом насоса, проходит по участку 2. Обращаем внимание, что теперь пришлось достроить часть характеристики участка 3 в области второго квадранта (при отрицательных расходах), чтобы получить ответ. Тот факт, что полученное в решении направление расхода на участке 3 не соответствует направлению стрелки, поставленной при составлении плана решения, не имеет принципиального значения – ответ найден, и он правильный. Если бы изначально направление расхода на участке 3 было принято другим, то потребовалось бы составить другой план решения, и в ответе было бы получено положительное значение расхода, однако численные значения расходов на всех участках были бы точно такими же, как и в решении, представленном на рисунке 4.6.

 

 

 

Рисунок 4.6 – Решение задачи с одним нагнетателем и гидростати-

                   ческим напором в сети (вариант 2)

 

Теперь рассмотрим ту же систему (рисунок 4.4а) с напором правого бака 10 м, в которой, однако, установлен насос с меньшим напором. Графическое решение для этой ситуации представлено на рисунке 4.7.

 

 

 

Рисунок 4.7 – Решение задачи с одним нагнетателем и гидростати-

                   ческим напором в сети (вариант 3)

 

Полученное решение по смыслу аналогично предыдущему варианту – расход на участке 3 отрицательный, так как насос не может преодолеть напор бака.

Отметим важное обстоятельство: если бы на конце участка 3 не было бака (например, там установлен кран или просто открытый конец трубопровода), то никакого расхода в обратном направлении быть не могло. Таким образом, следует различать системы с баками, как источниками воды, и без них, хотя все отметки начала и конца трубопроводов в системах могут быть одинаковыми.

На рисунке 4.8 приведены две похожие системы, для которых план решения может быть абсолютно одинаковым.

Однако, в системе по схеме 4.8а движение воды на участке 2 возможно в обоих направлениях (вверх или вниз – показано стрелками), это зависит от напора насоса и высоты установки правого бака. В схеме 4.8б движение воды на участке 2 возможно только вверх (показано стрелкой). Если напор насоса будет недостаточен для поднятия воды на необходимую высоту 10 м, то расход на участке 2 будет равен нулю, и весь расход насоса пойдет по участку 3. Верхняя часть трубопровода 2 при этом будет заполнена воздухом, как показано на рисунке.

 

 

а) схема с баком в напорной части         б) схема без бака в напорной части

 

 

Рисунок 4.8 – Различие в схемах систем с гидростатическим напором

                   в сети

 

 

Примеры решения задачи с двумя нагнетателями

 

Как было рассмотрено в предыдущем примере, при недостаточном напоре насоса возможно обратное движение воды из высоко расположенного бака. Чтобы этого избежать, можно на верхней ветке правой половины сети установить дополнительный насос б (рисунок 4.9а).

Общее понимание такой системы ничем не отличается от предыдущего примера. По-прежнему направление циркуляции в системе в целом определяет насос а, который следует принимать за нагнетательную установку. Насос б требуется только для преодоления повышенных затрат энергии на участке 3. Он берет на себя часть затрат напора, поэтому насосу а на перемещение воды по участку 3 потребуется затратить меньше энергии, что гарантирует правильное направление потоков в системе и избавляет от необходимости ставить высоконапорный насос а, если на участках 1 и 2 не требуется высокого напора.

Решение такой задачи тоже практически аналогично ранее рассмотренному примеру. Отличие заключается, что при построении характеристики верхней ветки следует дополнительно вычесть характеристику насоса б из ранее построенной характеристики (3+10 м). Условие задачи приведено на рисунке 4.9, а решение – на рисунке 4.10.

 

План решения задачи будет выглядеть следующим образом:

 

а →НУ

2 + 10 м

    – б

(+3)//

(1–5 м)

(+) →С

 

Построить т. Ф

 

Выполнить обратные построения

 

 

Согласно приведенному решению, расход насоса в рабочей точке Ф равен 16,5 м³/час, а напор 6,8 м. Тогда потребляемая насосом мощность составит

N = 1000 × 9,81 × 11 × 9,5 /(3600 × 60 /100) = 475 Вт = 0,475 кВт

 

Согласно выполненным обратным построениям расход на участке 2 в точке Ф₂ равен 6,8 м³/час.

Согласно выполненным обратным построениям потери напора на участке 3 в точке Ф₃ равны 9,2 м. При этом потери напора на участке 2 в точке Ф₂ равны 8 м, а общие затраты энергии по верхней ветке в точке Ф_3+10м равны 19 м.

Для нахождения напора в точке Х требуется записать уравнение изменения напоров при прохождении элементов системы, из которого можно было бы найти неизвестный напор. Запишем уравнение, начиная с левой части системы с поверхности бака:

 

0 + 5 м – Н₁ = Н_Х

 

Из обратных построений на графике находим Н₁ =3,5 м. Тогда окончательно получим

Н_Х = 0 + 5 м – 3,5 м = 1,5 м

 

Таким образом, на всасывающем патрубке насоса имеется положительный подпор (за счет наличия бака на отметке 5 м).

а) схема системы

 

б) характеристики элементов системы

 

Требуется определить:

 

1) Мощность, потребляемую насосом б, если его КПД 60%

2) Расход на участке 2

3) Потери давления на участке 3

3) Напор на всасывающем патрубке насоса в точке Х

 

Рисунок 4.9 – Условие задачи с двумя нагнетателями и гидростати-

                   ческим напором в сети

а) схема системы с разбиением на нагнетательную установку и сеть

 

 

 

б) графическое решение задачи

 

 

Рисунок 4.10 – Решение задачи с двумя нагнетателями и гидростати-

                     ческим напором в сети

Обращаем внимание, что характеристика верхней ветки системы с учетом наличия насоса б ((3+10 м) – б) все равно имеет такой же общий наклон, как и характеристика любого трубопровода – из левого нижнего угла в правый верхний. Этот наклон и показывает, что линия принадлежит сети. Однако она уже не является простой параболой, так как производилось вычитание характеристики насоса, которая не является параболой и может иметь достаточно сложный вид с перегибами. Поэтому и результирующая линия может иметь местные перегибы, не меняющие, однако, ее общего направления.

 

Рассмотрим теперь пример системы с двумя вентиляторами, которые составляют нагнетательную установку. Условие задачи приведено на рисунке 4.11, а ее решение – на рисунке 4.12.

Направление расходов указано стрелками на схеме 4.11а. Вариант, когда поток через один из вентиляторов идет в обратном направлении, весьма маловероятен и явно не является нормальной ситуацией, поэтому его не следует принимать за базовый вариант.

За нагнетательную установку следует принять параллельное соединение двух веток с вентиляторами – вентилятор а вместе с примыкающим к нему воздуховодом 1 и вентилятор б. Линия деления системы показана на схеме на рисунке 4.12а. 

Согласно схеме, сеть состоит только из одного воздуховода 2. Учитывая, что его характеристика уже имеется на графике, никаких построений для сети выполнять не требуется.

План построений будет выглядеть следующим образом:

а–1

(+б)// →НУ

2 →С

 

Построить т. Ф

 

Выполнить обратные построения

 

Решение задачи в соответствии с приведенным планом показано на рисунке 4.12б. Согласно решению, расход в сети (участок 2) равен 2000 м³/час. Расход вентилятора а в точке Ф_а равен 850 м³/час при давлении 840 Па. Тогда потребляемая вентилятором мощность составит

N _а = 850 × 840 /(3600 × 70 /100) = 283 Вт

Расход на участке 1 в точке Ф₁  равен расходу вентилятора   а   и ставляет 850 м³/час. Потери давления на участке равны 300 Па.

а) схема системы

 

б) характеристики элементов системы

 

 

Требуется определить:

 

1) Расход на участке 2

2) Мощность, потребляемую вентилятором а, если его КПД 70%

3) Потери давления на участке 1

 

 

Рисунок 4.11 – Условие задачи с двумя вентиляторами
а) схема системы с разбиением на нагнетательную установку и сеть

 

 

 

б) графическое решение задачи

 

Рисунок 4.12 – Решение задачи с двумя вентиляторами

Лекция 5

Системы

Знание напоров или давлений в отдельных точках системы является исключительно важным с точки оценки требуемой прочности трубопровода, анализа возможности развития разрыва потока и кавитационных процессов, оценки достаточности располагаемого давления в точке подключения дополнительных потребителей и других задач.

Расчет значения давления или напора в некой точке системы рассмотрим на примере системы из двух насосов и четырех участков, приведенной на рисунке 5.1а. Для простоты расчетов будем считать, что система состоит из двух одинаковых насосов а  и б   и четырех одинаковых участков трубопроводов 1–4.

На поверхности водоема действует барометрическое давление, принимаемое обычно за условный ноль, поэтому напор в точке А тоже равен нулю. В точке Б при входе в трубопровод 1 напор равен высоте уровня в баке h_б2 , то есть 5 м. На участке 1 вода движется по трубопроводу и теряет напор за счет потерь на трение и КМС. Так как никаких источников энергии на участке нет, то работа по перемещению жидкости совершается за счет энергии, запасенной в потоке, то есть напора самого потока, при этом напор потока уменьшается. В насосе а напор потока увеличивается на величину Н_а , так как энергия от двигателя через рабочий орган насоса передается потоку. Далее на участке 2 напор снижается на величину потерь Н₂, а при прохождении насоса б опять возрастает на величину Н_б . При прохождении участка 3 напор снижается из-за подъема жидкости на высоту h_б2 , и из-за наличия потерь Н₃ на трение и КМС. На участке 4 напор снижается на величину потерь Н₄. Из трубопровода 4 в точке И поток выходит в атмосферу, поэтому напор потока в этой точке равен нулю.

Напоминаем, что в данном случае под напором в некоторой точке понимается напор, отсчитываемый от уровня оси трубопровода, а не условный напор, отсчитываемый относительно некоторого условного нуля.

Запишем для данной системы уравнение изменения напора воды при прохождении по системе, учитывая что напор в атмосфере принимается за ноль

0 + h_б1 – Н₁ + Н_а – Н₂ + Н_б – Н₃ – h_б2  – Н₄ = 0         (5.1)

 

Разделим систему на нагнетательную установку и сеть, приняв за нагнетательную установку два последовательно включенных насоса

  Н_а + Н_б = Н₁ + Н_а + Н₂ + Н₃ + Н₄ – h_б1 + h_б2        (5.2)

4

10 м

3

1

а

2

В

Д

Г

Б

И

Ж

А

h б1 =4 м

Е

а) схема системы

 

б) эпюра распределения напоров в системе

 

 

Н_А = 0                                        Н_Д = Н_Г – Н₂ =13 - 6 = 7

Н_Б = 0 + h_б1 = 0 + 4=4                              Н_Е = Н_Д + Н_б = 7 +15 = 22

Н_В = Н_Б – Н₁ = 4 - 6=-2                                   Н_Ж = Н_Е – Н₃ – h_б1 = 22 - 6 - 10 =6

Н_Г = Н_В + Н_а = -2 + 15=13       Н_И = Н_Ж – Н₄ – h_б1 = 6 - 6 = 0

 

Рисунок 5.1 – Распределение напоров в трубопроводной системе

 

Если потери напора в каждом из четырех трубопроводов составляют 6 м водяного столба, то общие затраты в напора в системе, соответствующие напору нагнетательной установки, будут равны

 

Н_а + Н_б = Н_С = 6 + 6 + 6 + 6 – 5 + 10 = 30 м

 

Учитывая, что насосы в системе одинаковы, напор каждого из них должен равняться половине общего напора нагнетательной установки, то есть 15 м. При известных значениях потерь напоров на участках и напоров насоса вычисление напоров в каждой точке выполняется легко – расчетные соотношения для вычисления напоров в каждой точке приведены на рисунке.

Определение напора в некоторой точке системы, по сути, аналогично методу определения отметок на местности при помощи нивелира – надо начать измерение с некоторой точки с известной отметкой (репер) и, последовательно продвигаясь по местности к конечной точке, записывать с нужным знаком приращение отметок, считываемые по прибору. Конечный результат вычислений и будет соответствовать отметке конечной точки маршрута. Отметками промежуточных точек являются, соответственно, результаты вычислений в промежуточных точках.

Таким образом, общее правило определения давления (или напора) в некоторой точке системы сводится к следующему:

Для определения давления в некоторой точке системы надо, начав из точки с известным давлением, последовательно продвигаться по системе к конечной точке, складывая с учетом знака изменения д