1. Задание на курсовую работу
Рассчитать и выбрать оптимальный диаметр трубопровода для транспортировки воды от насоса Н до промышленной установки ПУ. Определить толщину стенок труб, необходимые пьезометрические напоры у насоса и на участках трубопроводов. Построить напорную характеристику трубопровода и график пьезометрических напоров для приведенных условий:
1) максимальный часовой расход воды ;
2) согласно схеме установки (рис. 1.1.) длины участков трубопровода:
геометрические отметки точек:
местные сопротивления:
-колен с закруглением под - 6 шт.
-задвижек Дудло: со степенью открытия 5/8 - на участке АВ – 1 шт.,
на участке ВС – 1шт.;
со степенью открытия 7/8 - на участке СD – 1 шт.,
на участке DE – 1 шт.;
Рис. 1.1. Схема водоснабжения ПУ:
Н – насос, ПУ – промышленные установки
3) Напор у потребителя, независимый от потерь напора в трубопроводе ( свободный напор) - ;
4) число часов работы установки в сутки - ;
5) число дней работы установки в году - дней.
2. Теоретическая часть
По способам гидравлического расчета трубопроводы делят на две группы: простые и сложные. Простым называют трубопровод, состоящий из одной линии труб, хотя бы и различного диаметра, но с одним же расходом по пути; всякие другие трубопроводы называют сложными.
При гидравлическом расчете трубопровода существенную роль играют местные гидравлические сопротивления. Они вызываются фасонными частями, арматурой и другим оборудованием трубопроводных сетей, которые приводят к изменению величины и направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубопровода (при расширении или сужении потока, в результате его поворота, при протекании потока через диафрагмы, задвижки и т.д.), что всегда связано с появлением дополнительных потерь напора. В водопроводных магистральных трубах потери напора на местные сопротивления обычно весьма не велики (не более 10-20% потерь напора на трение).
Основные виды местных потерь напора можно условно разделить на следующие группы:
- потери, связанные с изменением сечения потока;
- потери, вызванные изменением направления потока. Сюда относят различного рода колена, угольники, отводы, используемые на трубопроводах;
- потери, связанные с протеканием жидкости через арматуру различного типа (вентили, краны, обратные клапаны, сетки, отборы, дроссель-клапаны и т.д.);
- потери, связанные с отделением одной части потока от другой или слиянием двух потоков в один общий. Сюда относятся, например, тройники, крестовины и отверстия в боковых стенках трубопроводов при наличии транзитного расхода.
3. Определение оптимального диаметра трубопровода.
3.1. Для определения оптимального диаметра трубопровода задаемся рядом значений скорости движения жидкости (от 0,5 до 3,5 м/с) и вычисляем расчетные диаметры труб по формуле:
,
Результаты расчета для всех принятых значений скорости приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Диаметры труб для различных значений скорости движении жидкости
Скорость движения
жидкости, м/с
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Диаметр труб, , м
0,297
0,210
0,172
0,149
0,133
0,121
0,112
3.2.Для каждого расчетного диаметра труб вычисляем приведенные затраты на один год по формуле:
,
где - эксплуатационные затраты, включающие амортизационные отчисления,
стоимость электроэнергии, обслуживания, текущих расходов и др., грн.;
- капитальные затраты, грн.;
0,2 – нормативный коэффициент.
Стоимость обслуживания и текущих расходов примерно одинакова для труб разного диаметра. Поэтому эксплутационные затраты принимаем равными сумме амортизационных отчислений и стоимости электроэнергии:
.
Капитальные затраты включают стоимость труб и стоимость монтажа трубопровода :
.
Примерная цена 1 т труб принимается равной 1300 грн. Тогда стоимость будет равна:
,
где - масса труб, т.
Масса труб определяется по формуле:
,
где - принятая толщина стенки трубы;
- суммарная длина всех участков трубопровода, ;
7,8 – плотность стали, т/.
Стоимость монтажа трубопроводов принимаются равной, примерно 30% стоимости труб:
, грн.
Амортизационные отчисления для каждого значения диаметра трубопровода вычисляются по формуле:
,
где лет – срок службы труб.
Стоимость электроэнергии определяется по формуле:
,
где 0,16 – стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, грн.;
- мощность потока, кВт.
Мощность потока вычисляется по формуле:
,
где - напор, создаваемый насосом, ,
,
где - геометрическая высота, ;
- сопротивление трубопровода, , равное
,
где - удельное сопротивление по длине трубопровода, ;
- удельное местное сопротивление, ;
- сумма коэффициентов местных сопротивлений.
3.3. Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. Определение массы труб в тоннах:
т.
3.3.2. Определение стоимости труб:
грн.
3.3.3. Определение стоимости монтажа трубопровода:
грн.
3.3.4. Определение капитальных затрат:
грн.
3.3.5. Определение амортизационных отчислений:
грн.
3.3.6. Определение коэффициента гидравлического трения по формуле Прандтля-Никурадзе:
,
где - эквивалентная шероховатость труб (принимаем 0,4 мм).
3.3.7. Определение удельного сопротивления по длине:
.
3.3.8. Определение удельного местного сопротивления:
.
3.3.9. Определение сопротивления трубопровода:
3.3.10. Определение максимального напора, создаваемого насосом:
3.3.11. Определение мощности потока:
кВт.
3.3.12. Определение стоимости электроэнергии:
грн.
2.3.13. Определение эксплуатационных затрат:
грн.
3.3.14. Определение приведенных затрат в расчете на год:
грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. т
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт.
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения )
3.3.1. т.
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. т.
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. т.
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. т.
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Расчет численных показателей для определения приведенных затрат для трубопровода (при скорости движения ):
3.3.1. т.
3.3.2. грн.
3.3.3. грн.
3.3.4. грн.
3.3.5. грн.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.
3.3.10.
3.3.11. кВт
3.3.12. грн.
3.3.13. грн.
3.3.14. грн.
Таблица 3.2.
Варианты значений скорости движения жидкости, диаметра
труб и соответствующих им затрат
№ ва-
риан-та
Скорость движения
жидкости
,
Диаметр
труб,
,
Затраты, грн.
1
0,5
0,297
161472
16148,2
29065,4
45213,6
77510,0
2
1,0
0,210
114967
11496,7
33161,6
44658,3
67651,8
3
1,5
0,172
94360
9436,0
42370,5
51806,5
70678,6
4
2,0
0,149
82076
8207,6
58176,0
66383,6
82798,8
5
2,5
0,133
73693
7369,3
81888,2
89257,5
103996,0
6
3,0
0,121
67505
6750,5
114703,7
121454,2
134955,1
7
3,5
0,112
62695
6269,5
157737,2
164006,7
176545,8
По данным таблицы 3.2. строим графические зависимости , и , которые приведены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Графическое определение оптимального диаметра трубопровода
Минимальному значению приведенных затрат соответствует оптимальный диаметр труб. Как видно из графических зависимостей, оптимальный диаметр трубопровода находится в пределах .
К установке принимаем стандартный диаметр, близкий к расчётному диаметру. Для стальных бесшовных горячедеформированных труб (ГОСТ 8732-78) ближайший диаметр трубы (внутренний) толщина стенки .
3.4. Проверка толщины труб по максимальному пьезометрическому напору.
3.4.1. Максимальный пьезометрический напор имеет место в точке А трубопровода и равен:
где .
3.4.2. Определение сопротивления трубопровода для выбранного стандартного диа- метра труб:
м в.ст.
3.4.3. Определение максимального давления в точке А:
.
принимаем МПа.
3.4.4. Минимально допустимое значение толщины труб определяем по формуле:
, м,
где - допустимое напряжение на растяжение для материала труб, МПа (для стальных труб =380 МПа);
Таким образом, принятые к установке трубы имеют толщину стенки , превышающую допустимую .
4. Определение пьезометрического и полного напоров
в конечных точках трубопровода А и Е
4.1.1. Пьезометрический напор в точке А:
4.1.2. Полный напор в точке А: ,
где - оптимальная скорость движения жидкости, равная
4.1.3. Пьезометрический напор в точке Е равен свободному напору:
4.1.4. Полный напор в точке Е:
4.1.5. По исходным данным геометрических отметок точек А, В, С, D, Е (, , , , ) и протяженности участков между этими точками откладываем их значение в определенном масштабе от плоскости сравнения (0-0) и строим линию геометрических напоров. Аналогично, откладывая значения полных и пьезометрических напоров в точках А и Е трубопровода и соединяя их вершины прямыми линиями, получим линии полного и статического напоров. Пьезометрические напоры в точках В, С, D определяются графическим методом как разность между статическим и геометрическим напорами в соответствующих точках. Изменение напоров по длине трубопроводов представлено на рис 4.1.
Рис. 4.1. График изменения напоров по длине трубопровода
5. Построение напорной характеристики трубопровода
Уравнение напорной характеристики рассматриваемого трубопровода имеет вид:
где - геометрическая высота, м;
- сопротивление трубопровода, .
Задаваясь 5-6 произвольными значениями расхода жидкости Q от 0 до заданного максимального значения, вычисляем Н и строим характеристику трубопровода.
В табл. 5.1. приведены значения Н при различных расходах жидкости.
Таблица 5.1.
,
0
30
50
80
100
125
,
72,0
72,8
75,0
80,8
89,7
103,7
Напорная характеристика трубопровода представлена на рис 5.1.
Рис 5.1. Напорная характеристика трубопровода
6. Вывод
При выполнении курсовой работы по выбору оптимального диаметра трубопровода для транспортирования воды на основе гидравлического и технико-экономического расчетов, построению графика напоров по длине трубопровода и его напорной характеристики, был выбран диаметр (внутренний) равный толщина стенки . При этом проведена проверка принятой толщины стенок труб по максимальному напору, который составил МПа. Также определены пьезометрический и полный напоры в конечных точках трубопровода А и Е равных: ;
7. Литература
1.
Альтщуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987.- 410 с.
2.
Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982.- 672с.
3.
Альтщуль А.Д., Калицун В.И., и др. Примеры расчетов по гидравлике. М.: Стройиздат, 1976.- 256 с.
4.
Большаков В.А., Константинов Ю.М. и др. Справочник по гидравлике. К.: Вища школа, 1984.-224 с.
5.
Борисов С.Н., Даточный В.В. Гидравлический расчет газопроводов. М.: Энергия, 1972.