Гидравлический расчет воздухопроводов

Под воздухопроводами понимают обычно трубопроводы для воздуха высокого давления (свыше 0,15 ати), подаваемого нагнетателями и компрессорами. Трубопроводы воздуха низкого давления, подаваемого вентиляторами, называют воздуховодами.

Воздухопроводы изготавливаются обычно из стальных шовных (водогазопроводных) или бесшовных горячекатаных труб; иногда применяются стальные холоднотянутые и холоднокатаные трубы. Шовные трубы имеют сравнительно невысокое допускаемое давление (с обычной стенкой должны выдерживать до 20 кгс/см²), поэтому их применяют в неответственных случаях и умеренных давлениях. При прокладке воздухопроводов их сваривают.

Воздуховоды чаще всего бывают сварные или клепанные. При давлении воздуха до 200 – 300 мм их изготовляют из листового железа толщиной от 0,5 – 2 мм и доставляют на место в идее отдельных секций длиной 1 – 3 м. Секции снабжены фланцами и собираются при помощи болтов. Воздуховоды такого типа бывают круглого и прямоугольного сечения (короба). При небольших расходах вентиляторного воздуха, а также при более высоком его давлении воздуховоды изготавливают из стальных труб и делают цельносварными из листовой стали. В ряде случаев воздуховоды делают из кирпича, бетона, железобетона и других материалов (подземные воздуховоды).

В воздухопроводах может допускаться скорость в пределах 5-20 м/с, но рекомендуются значения скоростей 12 – 15 м/с.

В ходе гидравлического расчета находят давление на входе, а также строят характеристика сети газопровода.

Гидравлический расчет:

1) Расчет плотности и расхода газа при данном давлении и температуре.

Расчетным уравнением плотности для газа является:

.

где ρ_о - плотность газа при нормальных условиях:

,

µ_газа - молярная масса газа, ν_m – молярный объем;

p, T – давление и температура газа,

p_o, T_o – давление и температура газа при нормальных условиях.

Температура и давление газа при нормальных условиях:

Т_о = 273 К,

p_o = 760мм.рт.ст. = 0,760*13600*9,81 Па = 1,01396*10⁵ Па.

2) Выбор труб и определение расчетных скоростей на отдельных участках:

При выборе труб необходимо задаться некоторым значением скорости. Оно выбирается исходя из экономических соображений. Следующий этап состоит в определении диаметров d труб на участках:

.

где F- площадь поперечного сечения трубопровода, ω-средняя скорость движения газа.

По рассчитанному значению d подбирают в справочнике ближайший диаметр стандартной трубы. Затем обратным расчетом вычисляют действительную скорость воды в выбранной стандартной трубе. Если эта скорость ненамного отличается от средне-экономичной (примерно 12-15 м/с), то выбор можно считать законченным.

3) Определение потерь напора на участках:

Наружные сети обычно можно отнести к длинным трубопроводам, где общие потери напора, в основном, определяются потерями на трение, а местные учитываются коэффициентом местных потерь:

,

где b – коэффициент сопротивления трубопровода:

,

где l и d – длина и диаметр трубопровода, F – площадь поперечного сечения трубопровода; ξ - коэффициент местного сопротивления, его значения приводятся в справочниках; λ - коэффициент трения (значение λ определяется рядом условий, в первую очередь режимом течения газа).

Существует последовательное и параллельное соединение трубопроводов. При последовательном:

.

При параллельном :

.

Картина движения газа в потоке может быть различной. Существует ламинарный и турбулентный режимы течения, количественной мерой этих режимов является число Рейнольдса (Re). Его численное значение зависит от соотношения трех величин: средней скорости потока ω, его диаметра d, и вязкости ν, которая рассчитывается по формуле:

,

где ρ – плотность газа, µ – динамическая вязкость газа:

,

где µ₀ – динамическая вязкость газа при 0 ^оС, T – температура газа, С – постоянная для данного газа;

.

Число Рейнольдса является безразмерной величиной. Границей перехода из одного режима в другой считается обычно значение Re=2320 - критическое значение (Re_кр). При Re< Re_кр – режим течения ламинарный. При Re_кр<Re - турбулентный.

В промышленных трубопроводах несжимаемые жидкости и газы в большинстве случаев движутся в турбулентном режиме, поэтому определение потерь напора на трение будет рассмотрено только для него.

После определения Re необходимо рассчитать толщину ламинарного подслоя в турбулентном потоке:

.

где d - диаметр трубопровода.

Если σ много больше средней величины выступов шероховатости (абсолютной шероховатости), то трубы носят название гидравлически гладких. Если много меньше – гидравлически шероховатых.

Для гидравлически гладких труб λ рассчитывается по формуле Блазиуса:

.

Для гидравлически шероховатых - по формуле Никурадзе:

.

где К_э- эквивалентная шероховатость. Ее значения для разных стенок приводятся в справочниках.

4) Определение давления на входе.

Выбираем давление на входе, равное конечному давлению плюс 3% от значения конечного давления:

Далее рассчитываем разность конечного давления и давления на выходе из воздуходувной станции:

,

и само давление на выходе:

.

Если p₁ расчетное практически совпадает с выбранным давлением, следовательно выбор давления верен.

5) Построение характеристики сети:

Уравнение напорной характеристики сети записывается следующим образом:

H=a+(c+b)Q².

где

;

-коэффициент сопротивления трубопровода.

.

Рис. 13. Эскиз воздухопровода.

Рис. 14. Характеристика сети воздухопровода, график которой представляет собой параболу.