Гидравлическое сопротивление трубопроводов

С целью определения необходимой движущей силы для транспортирования жидкостей по каналам различной геометрии необходимо знать потерянный напор hп, который выражает потерю энергии при движении жидкостей и который складывается из потерь напора на трение и на преодоление местных сопротивлений.

Потери напора на трение. Очевидно, зная особенности структур ламинарного и турбулентного потоков, можно предположить, что потери напора на трение для этих двух случаев будут различными. При ламинарном режиме:

1. Затраты энергии на преодоление сил трения можно оценивать либо по потере давления Δ𝑃тр, либо по потерянному напору hтр (что абсолютно равнозначно).

2. Затраты энергии на преодоление сил трения определяются как доля от затрат на создание скорости Δ𝑃_ск и h_ск.

3. Значения коэффициента трения λ и коэффициента сопротивления трению ξ обусловливаются величиной критерия Рейнольдса 𝑅𝑒: λ = 𝑓 (𝑅𝑒) ; ξ = 𝑓(𝑅𝑒,𝐿/d) .

Для оценки затрат энергии на преодоление сил трения для турбулентных потоков используют методы теории подобия.

Для каналов некруглого сечения при проведении расчѐтов вместо диаметра трубы используют эквивалентный диаметр dэ. Следует помнить, что все вышеприведѐнные рассуждения и выводы касались только изотермического потока. При неизотермических течениях, когда в процессе течения происходит нагревание или охлаждение жидкости при теплообмене со стенкой канала, в практике инженерных расчѐтов вводят поправочные коэффициенты, которые учитывают изменение вязкости пограничного со стенкой слоя жидкости. Однако, для более точных расчѐтов, необходимо учитывать влияние температуры не только на вязкость пограничного слоя, но и еѐ влияние на плотность и вязкость всего потока в целом, т.к. от величины указанных параметров в конечном итоге зависит и структура всего потока. Кроме того, часто при перемещении упругих жидкостей (газов и паров) обязательным является учѐт не только изменения температуры, но и изменения давления, т.к. при транспортировании существенная часть абсолютного давления затрачивается на преодоление сил трения. На практике обычно жидкости двигаются по трубам со стенками, которые по поверхности имеют различной природы неровности, или шероховатости. Эти шероховатости характеризуются средней величиной выступов. Природа шероховатостей может быть самой различной: это материал изготовления каналов, способ изготовления, условия эксплуатации и т.д. Так, например, в процессе эксплуатации трубопроводов возможно не только отложение различных загрязнений, но и протекание процессов коррозии (химической и электрохимической) и эррозии. Наличие шероховатостей может в существенной мере ухудшить всю гидравлическую обстановку, повышая затраты энергии на преодоление сил трения.

Опытами установлено, что влияние шероховатости на трение различно при различных гидродинамических режимах течения. Например, ламинарный поток: толщина вязкого пограничного слоя относительно велика и выступы шероховатостей не выходят за пределы этого слоя. Жидкость при своѐм течении плавно огибает все выступы и последние не оказывают практического влияния на трение. Турбулентный поток: толщина вязкого пограничного слоя значительно меньше и выступы выходят своими вершинами за пределы этого слоя, тем самым повышая силы трения. При повышении же степени турбулизации происходит т.н. «вырождение» критерия Рейнольдса, когда главной определяющей становится не скорость течения, а только величина шероховатостей.

Потери напора на преодоление местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся различного рода задвижки, краны, вентили, диафрагмы, отводы, сужения и т.д. – т.е. все местные устройства, устанавливаемые в трубопроводах, и в которых происходит изменение средней скорости как по абсолютной величине, так и по направлению. Потери напора нам преодоление местных сопротивлений h_мс, так же, как и потери на трение h_тр выражают как долю от скоростного напора . Отношение потери напора в данном местном сопротивлении к скоростному напору называют коэффициентом местного сопротивления.

Если на трубопроводе установлен последовательно ряд n местных сопротивлений, то общее сопротивление определяется суммой всех n сопротивлений. Значения коэффициентов местных сопротивлений определяются экспериментально и приводятся в справочных материалах. Точно так же, как и при расчѐте сопротивлений трения, потеря энергии движущейся жидкости на преодоление местных сопротивлений может быть выражена и через потерю давления.

Расчѐт трубопроводов для транспорта жидкостей

Одной из распространѐнных операций на всех химических и нефтехимических предприятиях, в том числе и на площадках месторождений нефти, является транспорт разнообразных жидкостей. Транспорт жидкостей осуществляется обычно при помощи закрытых трубопроводов (металлических или неметаллических), протяженность которых варьируется в очень широких пределах: от нескольких метров до многих километров. Объемы транспортируемых жидкостей зависят от масштаба производства и измеряются значениями, начиная с л/с до тысяч м3/с. Во всех случаях необходимо рассчитать диаметр трубопровода, обеспечивающий транспорт требуемого объема жидкости (объемный расход) на заданное расстояние при минимальных затратах энергии и материалов. Рассмотрим несколько наиболее распространенных вариантов поставленной задачи. Простой трубопровод. Простым называется трубопровод, соединяющий источник с потребителем жидкости, но не имеющий на пути никаких ответвлений. Такой трубопровод , пространственно расположенный во всех трех измерениях, обычно состоит из ряда прямолинейных участков разной длины ( 𝑙1 ,𝑙2,𝑙3,…), соединенных друг с другом отводами и коленами для изменения направления потока. Трубопровод может быть еще снабжен запорными и регулирующими устройствами (задвижки, вентили, краны, обратные клапаны). Кроме того, предполагается, что диаметры трубопровода во всасывыющей и в напорной магистралях одинаков. Суммарный гидростатический напор Н (сумма разностей нивелирных и пьезометрических высот) равен потерянному напору h_п. В свою очередь, величина h_п затрачивается на преодоление сил трения на прямолинейных участках и преодоление местных гидравлических сопротивлений h_мс. К числу местных сопротивлений относятся также потери напора, возникающие при входе жидкости из расходного сосуда в трубопровод (резкое сужение потока) и при выходе из последнего в приемный сосуд (резкое расширение потока).

Требуемый расход жидкости V в трубопроводе заданной длины и конфигурации может быть достигнут при разных его диаметрах в зависимости от значения напора Н, т.к. произведение Н·d в этом случае должно оставаться на постоянном уровне: отсюда правило - чем больше напор Н, тем меньше требуемый диаметр трубопровода d.

Сложный трубопровод.

Для решения поставленной задачи можно воспользоваться уже решѐнной подобной задачей для простого трубопровода, используя понятие эквивалентного прямолинейного трубопровода. Это действительно оказывается удобным инструментом, т.к. позволяет трубопровод любой сложной конфигурации, при проведении гидравлических расчѐтов, заменить прямолинейным эквивалентной длины (наподобие эквивалентного диаметра).

Расчет газопроводов:

В отличие от движения капельной жидкости движение газов в трубопроводах обладает существенной особенностью, которая обусловливается его свойством сжимаемости: при изменении абсолютного давления и температуры плотность газов изменяется, что в свою очередь обусловливает изменение объѐмного расхода и, следовательно, скорости течения. Массовый расход газа, при этом, остаѐтся величиной постоянной. При течении газа по трубопроводу, вследствие потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений, его абсолютное давление непрерывно понижается и движение газа сопровождается непрерывным увеличением удельного объема 𝑣 (уменьшением плотности ρ) и соответственным ростом линейной скорости потока w.

В тех случаях, когда транспортируется газ под высоким давлением в неизотермическом режиме, то для обеспечения точности расчѐта необходим полный учѐт влияния изменения не только плотности, а следовательно и его скорости, но и вязкости газа на характеристики движения. При этом, всегда следует помнить следующие основные правила, в соответствии с которыми изменяются параметры газа, от зависят гидравлические потери:

1. При понижении давлении (повышении температуры) газа его плотность понижается, и, следовательно происходит увеличение объѐмного расхода и скорости течения.

2. При повышении давлении (понижение температуры) газа его плотность повышается, и, следовательно происходит снижение объѐмного расхода и скорости течения.

3. При понижении давлении динамическая вязкость газов уменьшается. Такой же эффект наблюдается при понижении температуры.

4. При повышении давления динамическая вязкость увеличивается. Такой же эффект наблюдается при повышении температуры.

Перечисленные выше правила позволяют проводить правильное прогнозирование изменение основных параметров процесса транспортирования газа и целенаправленно осуществлять необходимые действия для их регулирования.

Поиск по сайту: