РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

 

 

А.А. Ивашкевич

 

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

 

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

 

Некоторые термины и понятия

Трубопроводная система предназначена для перемещения на определенное расстояние некоторой транспортируемой среды, которой чаще всего является вода… Сама трубопроводная часть системы называется «трубопроводная сеть», для…

Конструктивные характеристики трубопроводных систем

Трубопроводная сеть состоит из отдельных трубопроводов, каждый из которых может иметь свои индивидуальные характеристики. Рассмотри основные…   1.2.1 Размерные характеристики

Характеристики перемещаемой среды

Характеристики перемещаемой среды имеют важное значение для расчета гидравлического режима системы. К ним относятся плотность и вязкость. Плотность среды зависит от вида (вода, воздух или что-нибудь еще). Для воды…  

Режимные параметры трубопроводных систем

Основными параметрами работы любой трубопроводной системы или ее отдельного элемента являются, расход, скорость среды, давление или напор, потери… Объемный расход среды Q, м3/с, часто называемый подачей, есть величина,… Q = V / Δτ(1.10)

Потери давления и напора в трубопроводе

Как указывалось выше, при движении жидкости по трубопроводу энергия потока, то есть его давление или напор, уменьшается, в итоге потерянная…      

Понятие характеристик трубопровода и нагнетателя

Как ясно из изложенного выше, потери давления в неком участке трубопровода зависят от расхода, характеристик трубопровода и перемещаемой среды. Зависимость потерь давления от расхода называется гидравлической… Из уравнения (1.32) следует, что при турбулентном режиме движения среды в трубопроводе зависимость давления от расхода…

Лекция 2

Энергетические и массовые балансы в системе.

Метод наложения характеристик.

 

 

2.1 Источники и потребители энергии в системе. Разбиение системы

на нагнетатель и сеть

2.2 Уравнения балансов среды и энергии в системе

2.3 Графический метод наложения характеристик

 

Источники и потребители энергии в системе.

Разбиение системы на нагнетатель и сеть.

Реальная трубопроводная система может состоять из большого числа отдельных элементов, однако при расчетах и анализах ее работы часто удобнее… В технике системы типа «источник-потребитель» встречаются крайне часто:… Отметим, что выделить отдельно один источник энергии в системе бывает затруднительно, так как система может иметь…

Уравнения балансов среды и энергии в системе

Многие технические задачи решаются на основе составления балансных уравнений. Слово «баланс» означает «равенство», «равновесие» неких движущих сил… Так, при отсутствии внешних сил, действующих на материальное тело, оно… Рассмотрим систему, в которой насос а работает на трубопровод 1 с регулирующим вентилем В, являющимся сетью (рисунок…

Графический метод наложения характеристик

Наличие балансов среды и энергии в системе позволяют получить систему из двух уравнений, которую можно решить относительно расхода в системе Σ Р = 0 Σ G = 0 (2.7а)

Лекция 3

Понятие параллельного и последовательного

Соединений. Сложение характеристик.

3.1 Причины необходимости сложения характеристик

3.2 Графическое сложение характеристик элементов системы при

последовательном соединении

3.3 Графическое сложение характеристик элементов системы при

параллельном соединении

3.4 Аналитическое сложение характеристик трубопроводов

 

Причины необходимости сложения характеристик

Сама процедура приведения нескольких элементов системы к одному эквиваленту называется сложением характеристик. Она может выполняться вычислительным… Соединение элементов в гидравлической системе, как и в электрической цепи… Понятия «последовательно» и «параллельно» являются общетехническими и применяются во многих дисциплинах: в…

Графическое сложение характеристик элементов

Системы при последовательном соединении

Последовательное соединение— это такое соединение, при котором два элемента имеют одну общую точку, причем конец первого элемента соединен с началом… Вначале рассмотрим принципы выполнения сложения характеристик для наиболее…  

Сложение характеристик элементов системы при

Параллельном соединении

Вначале рассмотрим принципы выполнения сложения характеристик для наиболее простого варианта: параллельного соединения двух элементов сети… Из условия нулевого баланса расходов в точке разделения участков Н или их… Поток, проходящий по участку 1, начинает движение из точки Н и заканчивает его в точке К. Поток, проходящий по участку…

Графическое сложение характеристик трубопроводов в

Логарифмической системе координат

Логарифмическая система координат очень часто используется для отображения гидравлических характеристик вентиляторов и элементов вентиляционных… – графические характеристики трубопроводов и воздуховодов отображаются прямыми… – достигается одинаковая относительная точность отображения параметров по всему полю графика;

Аналитическое сложение характеристик трубопроводов

Во многих случаях при расчетах систем требуется определить итоговую характеристику сети, состоящей из нескольких участков трубопровода или… Как известно, при последовательном соединении участков трубопроводов общие… РΣ = Р1 + Р2 + Р3 + … + Рn (3.13)

Общий коэффициент сопротивления эквивалента последовательно соединенных участков трубопроводов равен сумме коэффициентов сопротивления всех участков, составляющих соединение.

 

При параллельном соединении участков трубопроводов общий расход Q_Σ при некоторых потерях давления Р равен сумме расходов всех участков

Q_Σ = Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q _n (3.16)

 

Расход в трубопроводе при турбулентном режиме пропорционален корню квадратному из потерь давления (1.33), поэтому

К_vΣ Р^1/2 = К_v1 Р^1/2 + К_v2 Р^1/2+ К_v3 Р^1/2 + … + К_vn Р^1/2 (3.17)

Откуда получим

К_vΣ = К_v1 + К_v2 + К_v3 + … + К_vn (3.18)

 

Таким образом, получаем простое правило для параллельного соединения:

Общий коэффициент пропускной способности эквивалента параллельно соединенных участков трубопроводов равен сумме коэффициентов пропускной способности всех участков, составляющих соединение.

 

При расчете сетей с достаточно большим количеством участков рекомендуется для каждого участка или эквивалента соединения рассчитывать как коэффициент сопротивления, так и коэффициент пропускной способности, и при необходимости использовать нужный коэффициент. Соотношение между коэффициентами очень простое

 

К_v = 1 / А^1/2 (3.19)

 

А = 1 / К_v² (3.20)

 

Для сложных сетей расчеты рекомендуется выполнять на компьютере в программе EXCEL или использовать специализированные программы, адаптированные к конкретным задачам специальных дисциплин.

Для трубопроводов расчетные коэффициенты наиболее просто определить, выполнив предварительно расчет потерь давления при некотором среднем значении расхода, а затем рассчитать значения коэффициентов по известным значениям расхода и давления

 

А = Р / Q² (3.21)

 

К_v = Q / Р^1/2 (3.22)

 

Для технологического оборудования и трубопроводной арматуры расходы и соответствующие им потери давления принимаются по каталогам или паспортам. Для трубопроводной арматуры в каталогах могут приводиться готовые значения коэффициентов пропускной способности.

Следует обращать особое внимание, чтобы коэффициенты для всех элементов сети были определены в одних и тех же единицах измерения (например, м³/час – бар, или кг/час – м вод.ст.). При необходимости следует выполнить пересчет коэффициентов из одной системы единиц в другую.

Особо обращаем внимание на то, что при наличии в сети гидростатических напоров на отдельных участках вышеприведенные формулы сложения коэффициентов не могут использоваться.

В этом случае для решения задач следует использовать графический метод или метод последовательных приближений.

Лекция 4

Графическое определение режимов насосной

Системы методом наложения характеристик

 

4.1 Общий порядок решения задач методом наложения характеристик

4.2 Примеры решения задачи с одним нагнетателем

4.3 Примеры решения задачи с одним нагнетателем и гидростатическим

напором в сети

4.4 Примеры решения задачи с двумя нагнетателями

 

Общий порядок решения задач методом наложения

Характеристик

При нахождении режимов трубопроводных систем рекомендуется придерживаться определенного порядка действий, не стремясь сразу начинать графические… После уяснения задания рекомендуется действовать последовательно, выполняя…  

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

Этап 1. Предполагаемое направление расходов указано стрелками на схеме. В данной системе при большой высоте уровня в правом баке возможно… Этап 2. Учитывая, что в системе только один нагнетатель, его и принимаем за… Этап 3. Согласно схеме, сеть состоит из двух последовательно соединенных веток: левая – это трубопровод 1 и левый бак,…

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

Нахождение и давлений и напоров в точках

Системы

Расчет значения давления или напора в некой точке системы рассмотрим на примере системы из двух насосов и четырех участков, приведенной на рисунке… На поверхности водоема действует барометрическое давление, принимаемое обычно… Напоминаем, что в данном случае под напором в некоторой точке понимается напор, отсчитываемый от уровня оси…

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 давления потока на каждом пройденном элементе системы.

Возможен и несколько другой подход, когда начинают с точки, в которой требуется определить давление, и продвигаются к точке с известным давлением.

Для определения давления в некоторой точке системы надо, начав из нее, последовательно продвигаться по системе к точке с известным давлением, складывая с учетом знака изменения давления потока на каждом пройденном элементе системы.

Какой из двух вариантов использовать, решает пользователь. При правильном решении ответы по обоим вариантам должны совпасть. Рекомендуется выбирать тот вариант, который дает наиболее короткое решение, то есть двигаться целесообразно по самому короткому пути.

Обращаем внимание, что в принципе можно двигаться как по направлению потока, так и против потока. Тем не менее, предпочтительным направлением следует признать вариант движения по потоку: при этом изменения потерь давления в трубопроводах за счет трения и КМС всегда будут учитываться со знаком «минус», как записано в уравнении (5.1), что соответствует обычному пониманию физики процесса.

Например, если требуется найти напор в точке Д системы (рисунок 5.1), то возможны два варианта

 

0 + h_б1 – Н₁ + Н_а – Н₂ = Н_Д (5.3)

Н_Д = 0 +4 – 6 + 15 – 6 = 7

Н_Д + Н_б – Н₃ – h_б2 – Н₄ = 0 (5.4)

 

Решив (5.4) относительно Н_Д, получим

Н_Д = – Н_б + Н₃ + h_б2 + Н₄ = 0 (5.5)

Н_Д = –15 + 6 +10 + 6 = 7

 

В системе обязательно должна фигурировать точка с известным напором, в противном случае определить расчетом давления в точках системы невозможно. Чаще всего точкой с известным давлением выступает атмосфера, то есть точки входа или выхода потока в атмосферу. Давление и напор в этих точках условно принимается за ноль.

В закрытых системах, где поток изолирован от атмосферы, все равно следует поддерживать давление в некоторой точке в системы на определенном уровне. Это достигается установкой расширительного мембранного бака с известным давлением газа, или некоторого регулятора давления, поддерживающего его на требуемом постоянном уровне. Если таких специальных мер не будет предпринято, то за счет температурного расширения теплоносителя объем его в системе будет непрерывно меняться, и вместе с ним будет изменяться давление: при повышении температуры объем увеличивается и давление растет, при понижении температуры объем уменьшается и давление снижается. В некоторых случаях температурный рост давления может привести к нарушению герметичности системы, разрыву трубопроводов, выходу из строя оборудования, то есть к аварийным ситуациям.

На рисунке 5.2 приведены различные схемы систем, в которых требуется определить напор в точке Х на всасывающем патрубке насоса. Рассмотрим ситуацию для каждой из систем.

Начнем с системы, изображенной на рисунке 4.14а. Запишем уравнение изменения напоров в системе, начиная с точки Х и заканчивая ею же

Н_Х + Н_а – Н₁ – Н₂ – 5м – Н₃ – Н₄ + 5м – Н₅ = Н_Х (5.6)

 

Величина Н_Х и напор 5м сокращаются, и после сокращения получим

Н_а – Н₁ – Н₂ – Н₃ – Н₄ – Н₅ = 0 (5.7)

 

Как следует из уравнения (5.7), определить напор в точке Х невозможно, так как система замкнута и нет отправной точки для отсчета. Из-за теплового расширения напор может принимать любое значение.

а) схема без расширительного бака б) схема с открытым баком

 

в) схема с открытым баком г) схема с закрытым баком

Рбар

 

 

Рисунок 5.2 – Различие в схемах систем с гидростатическим напором

в сети

 

В системе, приведенной на рисунке 5.2б, открытый расширительный бак подсоединен к системе при помощи дополнительного трубопровода 6. Расхода через трубопровод нет, следовательно, нет и потерь давления в нем. Уровень в баке стоит на постоянной отметке и смещается только за счет теплового расширения воды в системе (случай утечек из системы здесь не рассматриваем). Для данной системы отправной точкой расчета является поверхность уровня воды в баке, на которую действует барометрическое давление (избыточное давление равно 0). Тогда уравнение для определения давления в точке Х будет

0 + 2м – Н₄ + 5м – Н₅ = Н_Х (5.8)

 

Обращаем внимание на знак «минус», стоящий в уравнении перед потерями на участках 4 и 5. При достаточно больших потерях суммарные затраты напора на этих участках могут превысить запас гидростатического напора 7 м, и тогда напор перед насосом может стать отрицательным, что, в свою очередь, может привести к возникновению кавитации в насосе.

Для системы, приведенной на рисунке 5.2в, отправной точкой также является поверхность уровня воды в баке, но бак теперь подсоединен непосредственно к всасывающему патрубку насоса. Как и в предыдущем случае, расхода на участке 6 нет. Уравнение для определения давления в точке Х будет

0 + 2м + 5м = Н_Х (5.9)

 

Теперь напор в точке Х перед насосом постоянен и не зависит от потерь напора на отдельных участках системы. Если бак приподнят над уровнем установки насоса, то наличие перепада отметок гарантирует положительный напор перед насосом, что предотвращает возникновение кавитации в насосе. Поэтому именно такой вариант присоединения открытого расширительного бак является наиболее желательным.

Недостатками открытого расширительного бака являются два момента:

а) непрерывное проникновение кислорода из атмосферы, что увеличивает коррозию стальных труб;

б) необходимость установки бака на повышенных отметках, что неудобно с точки зрения эксплуатации и не всегда возможно технически.

От обоих недостатков свободен вариант с установкой закрытого расширительного бака, который может устанавливаться непосредственно рядом с насосом в помещении, где располагается все остальное оборудование (тепловой пункт, котельная, насосная и т.п.). Бак представляет из себя герметичную емкость, рассчитанную на определенное давление. Внутри бака находятся резиновая мембрана или мешок, которые делят бак на два отсека. В один отсек закачивается газ (обычно азот), а другой заполнен водой и соединен трубопроводом с системой. Обращаем, что расхода на участке 6 также нет – уровень в баке стоит на некоторой отметке, и может медленно смещается только за счет теплового расширения воды в системе. На баке может быть смонтирована дополнительная предохранительная защитная арматура.

При равенстве уровней расположения насоса и мембраны в баке и некотором избыточном давлении газа в баке Р_г уравнение для определения давления в точке Х будет

Н_Х = Р_г /ρg (5.10)

 

Изменяя давление Р_г, можно поддерживать в системе необходимый напор, достаточный для гарантированного заполнения системы и предотвращения кавитации в насосе. Более детально расчеты расширительных баков рассматриваются в специальных дисциплинах.

 

 

Лекция 6

Расчет рабочего режима системы методом

Последовательных приближений

 

6.1 Общая идея расчета системы методом последовательных приближений

6.2 Решение для системы с одним узлом

6.3 Методы последовательных приближений

 

 

Общая идея расчета системы методом

Последовательных приближений

Суть метода последовательных приближений (МПП) заключается в том, что вначале произвольно задаются некотором начальным режимом работы системы… Отметим, что во многих практических задачах не имеет смысла стремиться к…  

Решение для системы с одним узлом

Рассмотрим простую задачу, состоящую из двух участков с подключенными к ним емкостями (рисунок 6.2).   H=0

Лекция 7

Методы последовательных приближений для

Решения нелинейных уравнений

 

6.1 Метод половинного деления

6.2 Метод хорд

6.3 Метод Ньютона (метод касательной)

6.4 Метод простых итераций

 

Метод половинного деления

При вычислении корня нелинейного уравнения методом половинного деления (метод ПД) решаемое уравнение должно быть приведено к виду Y(Х)= 0 (7.1)

Метод хорд

При вычислении корня нелинейного уравнения методом хорд решаемое уравнение также должно быть приведено к виду (7.1). Метод хорд дает хорошие… Как и для метода ПД, не требуется вычисление производной.  

Метод Ньютона (метод касательной)

При вычислении корня нелинейного уравнения методом Ньютона решаемое уравнение также должно быть приведено к виду (7.1). Метод Ньютона дает хорошие… Графическая иллюстрация метода Ньютона приведена на рисунке 7.3.    

Метод простой итерации

Х = f(Х) (7.16)   Данное уравнение легко получить, если исходную функцию представить в виде

Лекция 8

Использование метода Ньютона для расчета

Режимов трубопроводных систем

8.1 Вывод расчетного уравнения для решения методом узловых давлений 8.2 Метод контурных расходов  

Вывод расчетного уравнения для решения методом узловых

Давлений

Снова рассмотрим систему из трех участков, для которой производилось определение расходов методом приближения (рисунок 8.1).    

Вывод расчетного уравнения для решения методом

Контурных расходов

Рассмотрим элемент трубопроводной системы, состоящий из четырех участков, образующих замкнутый контур (рисунок 8.2). Предполагаемые направления… В данный контур входят четыре узла и четыре участка. Рассмотрим, как можно… Если обойти последовательно все участки контура , начиная с узла А и заканчивая им же, то сумма изменений напоров на…

Лекция 9

Устойчивость режима насосной системы. Помпаж

 

9.1 Понятие устойчивости режима системы. Критерии устойчивости

9.2 Процессы помпажа в насосных системах

9.3 Причины возникновения помпажа

9.4 Мероприятия по предотвращению возникновения помпажа

 

 

Понятие устойчивости режима системы. Критерии

Устойчивости

Понятие устойчивости является общеинженерным и встречается при анализе режимов работы самых различных систем: устойчивость положения механической… На рисунке 9.1 приведен пример двух вариантов простейшей системы – шарик…  

Процессы помпажа в насосных системах

Рассмотрим работу системы, состоящей из насоса, трубопровода и напорного бака (на рисунке 9.3а). Линия характеристика насоса имеет «провал» и «горб»… Вначале рассмотрим ситуацию, когда водоразбор из напорной башни отсутствует… В момент включения насоса начальный режим работы системы, согласно методу наложения характеристик, определяется точкой…

Причины возникновения помпажа

Помпаж в трубопроводных насосных системах возникает из-за сочетания ряда обстоятельств, каждое из которых может способствовать возникновению… Важнейшим условием возможности возникновения помпажных явлений в системе…    

Мероприятия по предотвращению возникновения помпажа

 

Противопомпажные мероприятия в принципе вытекают из рассмотренных выше причин возникновения помпажа. Все мероприятия можно разделить на три группы:

– конструктивные мероприятия при создании нагнетателей;

– проектные мероприятия на этапе проектирования системы и подбора оборудования;

– эксплуатационные мероприятия на этапе эксплуатации системы.

Ниже более подробно рассматриваются мероприятия каждой группы.

 

Конструктивные мероприятия

       

Проектные мероприятия

– высоту установки напорного бака (отметку уровня воды в баке) принимать на минимально-допустимом уровне. Это позволяет уменьшить противодавление в… – обеспечивать работу насосов при больших значениях расхода, не допуская… – рекомендуется устанавливать насосы с пологой характеристикой, имеющие небольшое изменение напора в широком диапазоне…

Эксплуатационные мероприятия

На этапе эксплуатации насосной установки необходимо обеспечить квалифицированные действия персонала, не допускающие возникновения ситуаций, при которых возможно возникновение помпажа. Для этого следует предусматривать следующие мероприятия:

– допускать к эксплуатации оборудования только подготовленный и предварительно проинструктированный персонал.

– периодически производить контроль и ревизию защитной автоматики.

– не допускать отключения веток сети или их дросселирования, которые могут повлечь за собой увеличение гидравлического сопротивления сети и выход на помпажные режимы из-за снижения подачи насоса.

Лекция 10

Разрывы потока и кавитация в трубопроводных

Системах

 

10.1 Причины разрыва потока в трубопроводных системах

10.2 Кавитация в насосах

 

Причины разрыва потока в трубопроводных системах

Разрывы потока могут происходить за счет подсасывания воздуха через неплотности в трубопроводах, находящихся под отрицательным давлением, а наиболее… Рассмотрим простую систему, предназначенную для перекачки воды из резервуара… Если трубопровод 1 заполнен водой, то система работает под действием напора 4 м, создаваемого за счет разницы отметки…

Кавитация в насосах

Кавитацией называется комплекс явлений, связанных с образование парогазовых полостей в проточной части какого-либо устройства из-за вскипания… Кавитация может наблюдаться в любом элементе гидравлической системы, но… Над поверхностью воды парциальное давление водяных паров Рп.п равно давлению насыщенных паров при температуре жидкости…

Допустимая геометрическая высота всасывания

                              …   Нг.вс

Мероприятия против возникновения кавитации

  а) перекачивать воду с возможно меньшей температурой (при этом уменьшается… На практике рекомендуется устанавливать циркуляционные насосы систем отопления и теплоснабжения на обратном…

Содержание

 

 

Введение.……………………....................................................................
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 .…………………..
Лекция 2. Энергетические и массовые балансы в системе. Метод наложения характеристик………..……………... 2.1 Источники и потребители энергии в системе. Разбиение системы на нагнетатель и сеть ...………….. 2.2 Уравнения балансов среды и энергии в системе …..…. 2.3 Графический метод наложения характеристик ..………
Лекция 3. Понятие параллельного и последовательного соединений. Сложение характеристик………….……. 3.1 Причины необходимости сложения характеристик ….. 3.2 Графическое сложение характеристик элементов системы при последовательном соединении …….…… 3.3 Графическое сложение характеристик элементов системы при параллельном соединении ..……………... 3.4 Графическое сложение характеристик трубопроводов в логарифмической системе координат ..…………….. 3.5 Аналитическое сложение характеристик трубопро- вводов ……………………………………………………
Лекция 4. Графическое определение режимов насосной системы методом наложения характеристик ..…………………… 4.1 Общий порядок решения задач методом наложения характеристик ..………………………………………….. 4.2 Примеры решения задачи с одним нагнетателем .......... 4.3 Примеры решения задачи с одним нагнетателем и гидростатическим напором в сети …………………….. 4.4 Примеры решения задачи с двумя нагнетателями ........
Лекция 5. Нахождение и давлений и напоров в точках системы..
Лекция 6. Расчет рабочего режима системы методом последовательных приближений ..………………………. 6.1 Общая идея расчета системы методом последовательных приближений …………………………............................ 6.2 Решение для системы с одним узлом ..…………………
Лекция 7. Методы последовательных приближений для решения нелинейных уравнений……………………….. 6.1 Метод половинного деления ..………………………….. 6.2 Метод хорд ......………………………………………….. 6.3 Метод Ньютона (метод касательной) ..……………….. 6.4 Метод простых итераций .………………………………
Лекция 8. Использование метода Ньютона для расчета режимов трубопроводных систем…………………………………. .. 8.1 Вывод расчетного уравнения для решения методом узловых давлений ..……………………………………… 8.2 Вывод расчетного уравнения для решения методом контурных расходов ......………………………………..
Лекция 9. Устойчивость режима насосной системы. Помпаж….. 9.1 Понятие устойчивости режима системы. Критерии устойчивости ……………………………………………. 9.2 Процессы помпажа в насосных системах ..……………. 9.3 Причины возникновения помпажа …..………………… 9.4 Мероприятия по предотвращению возникновения помпажа .…………………………………………………
Лекция 10. Разрывы потока и кавитация в гидравлических системах………………..………………………………….. 10.1 Причины разрыва потока в трубопроводных системах ……………………………………………….. 10.2 Кавитация в насосах …………………………….…….. 10.3 Допустимая геометрическая высота всасывания ..…... 10.4 Мероприятия против возникновения кавитации ..…..

 

 

 

Учебное издание

 

Ивашкевич Александр Александрович

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

Курс лекций по дисциплине «Теплогазоснабжение и вентиляция»

для студентов специальности 290700

 

 

Главный редактор Л.А. Суевалова

Редактор Л.С. Бакаева

Дизайнер обложки М.В. Привальцева

 

Подписано в печать 30.04.07. Формат 60х84 1/16

Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать цифровая.

Усл. печ. л. 8. тираж 100 экз. Заказ

 

 

Издательство Тихоокеанского государственного университета

680035. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

Отдел оперативной полиграфии издательства

Тихоокеанского государственного университета.

680035. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136