Розрахунок гідравлічної мережі з насосною подачею рідини

Міністерство освіти і науки України Сумський державний університет Кафедра прикладної гідроаеромеханіки

Курсова робота

з дисципліни:

" Гідравліка та гідропневмоприводи"

на тему:

" Розрахунок гідравлічної мережі з насосною подачею рідини"

Виконав Бєліков П.В.

Студент групи ГМ-71

Перевірив Котенко О.І.

Суми 2010

Зміст

• Вступ
• 1. Загальні відомості про трубопровідні мережі з насосною подачею рідини
• 2. Одержання рівняння напору насосу для заданої мережі
• 3. Завдання
• 4. Гідравлічний розрахунок трубопровідної мережі
• 4.1 Характерні ділянки мережі
• 4.2 Визначення діаметрів труб для всмоктуючого та напірного трубопроводів
• 4.3 Уточнення швидкостей течії рідини у трубопроводах
• 4.4 Сумарні гідравлічні втрати напору на всіх ділянках системи
• 4.5 Портібний напір мережі
• 4.6 Вибір типу насосу, визначення напору насосу
• 4.7 Знаходження робочої точки насоса та приведення її у відповідність із заданою об'ємною витратою рідини
• 4.8 Визначення потужності, яка споживається насосом
• 4.9 Вибір електродвигуна
• Висновки
• Використана література

Вступ

Якісне проектування, обґрунтований вибір і грамотна експлуатація важкого сучасного обладнання з глибоким теоретичним значенням вимагають практичних навичок проведення інженерних розрахунків.

Більшість технологічних процесів вимагають постійного транспортування різного роду рідини і газів. Багато з цих функцій виконують різноманітні гідравлічні і пневматичні машини — насоси, компресори, вентилятори.

Трубопровідні гідравлічні системи промислових підприємств при великому своєму різноманітті складаються в основному з типових елементів: труб, баків, кранів, засувок, вентилів, клапанів, охолоджувачів, витратомірних пристроїв. Для них характерні різноманітні зміни живих перерізів і часті повороти рідинних потоків. Розрахунок таких систем включає, як правило, гідравлічний розрахунок трубопроводів і частіше за все виконується з метою підбору насосного агрегату для подачі рідини в заданих технологічними процесами умовах.

Розв’язання таких інженерних задач може бути в достатній мірі формалізовано і при наявності необхідних вихідних даних успішно проведено з використанням електронно-обчислювальної техніки. Найбільш прийнятний при цьому діалоговий режим спілкування з ПЕВМ, що дозволяє уникнути зайвого ускладнення програм і дає можливість глибоко осмислити всі етапи виконаних розрахунків.

Мета виконання роботи — отримання практичних навичок розрахунку гідравлічної мережі з насосною подачею рідини.

1. Загальні відомості про трубопровідні мережі з насосною подачею рідини

Важливим етапом проектування насосних станцій і установок є підбір насосних агрегатів, які являють собою комплекс з насоса та електродвигуна.

Основа розрахунку мережі полягає в знаходженні характеристики мережі чи трубопроводу, яка в полі координат Q, H являє собою параболу виходячи з точки Q=0 та H_с=H_ст. де H_{ст. -} статичний напір при Q=0.

Характеристика мережі може мати різну форму. Вона може бути крутою параболою, виходячою майже з початку координат, коли напір H_ст. малий, а основний напір витрачається на подолання втрат; вона може бути дуже пологою, коли довжина трубопроводу мала, а площа перерізу велика і втрати в ній малі, а основний напір витрачається на підйом води.

2. Одержання рівняння напору насосу для заданої мережі

Рис. 1 — Зображення перерізів

За основу беремо рівняння Бернуллі

(1)

де z₀; z_{3 -} геометричний напір або питома потенційна енергія положення; - п'єзометричний напір або питома потенційна енергія тиску; - швидкісний (динамічний) напір або питома кінетична енергія;

б₀ — коефіцієнт Каріоліса (для турбулентного режиму приймаємо б₀?1).

Повний напір насоса є різниця питомих енергій на виході та вході насоса

(2)

Запишемо рівняння Бернуллі для всмоктувальної ділянки, з площиную порівняння 0 ^/-0 ^/та перерізами 0−0 і 1−1.

(3)

Площина порівняння 0 ^/-0 ^/ проходить через вісь насоса.

Переріз 0−0 — характерний переріз, який проходить через вільну поверхню в резервуарі.

Переріз 1−1 — характерний переріз, який проходить через площу поперечного перерізу трубопроводу на вході в насос.

Відповідно до рівняння (3)

;; ;

;; ;

(4)

Тоді, енергія на вході дорівнює

(5)

Запишемо рівняння Бернуллі для напірної ділянки, з площиною порівняння 0 ^/-0 ^/та перерізами 2−2 та 3−3.

(6)

Площина порівняння 0 ^/-0 ^/ проходить через вісь насоса. Переріз 2−2 — характерний переріз, який проходить через площу

поперечного перерізу напірного трубопроводу на виході з насосу.

Переріз 3−3 — характерний переріз, який проходить через вільну поверхню рідини в баку.

Відповідно до рівняння (6)

;; ;;; ;

(7)

Тоді, енергія на виході дорівнює

(8)

Таким чином, напір:

(9)

Зробимо деякі перетворення в рівнянні (9) та отримуємо наступний вигляд рівняння

(10)

3. Завдання

Виконати гідравлічний розрахунок трубопровідної мережі (рис.2), вибрати тип насоса і марку привідного електродвигуна. Для розрахунків використовуємо дані, які приведені в таблиці 1

Таблиця 1 — Вихідні дані

Для стальних заржавлених труб приймаємо значення абсолютної шорсткості .

гідравлічна мережа насос напор Рис. 2 — Схема трубопровідної мережі з насосною подачею рідини

Опис трубопровідної мережі:

Насосний агрегат (поз.1) використовується для подачі рідини у виробничих умовах із резервуару (поз.2) в бак (поз.8), розміщений на висоті Н_Г над віссю насоса. Величини абсолютних тисків на вільних поверхнях рідини в резервуарі й баці відповідно р_р і р_Б.

На всмоктувальній лінії розміщенні приймальний клапан (поз.3) із захисною сіткою, на напірній лінії - дискова засувка (поз.4) і зворотній клапан (поз.7). В системі можлива установка діафрагми (поз.5) чи охолоджувача (поз.6).

Величина витрат Q (м³/с), висота підйому рідини та довжина напірного трубопроводу (м) слід прийняти рівними:

; (11)

; (12)

(13)

де n — число із двох останніх цифр номера залікової книжки студента.

Тоді використовуючи формули (11), (12), (13):

;

;

.

Діаметр труб у межах всмоктуючого і напірного трубопроводів вважати постійними, кути відводів прийняти рівними 90⁰. Довжину всмоктуючого трубопровода вважати рівною. Тоді .

4. Гідравлічний розрахунок трубопровідної мережі

4.1 Характерні ділянки мережі

Рис. 3 — Схема трубопровідної мережі з насосною подачею рідини із зображенням характерних ділянок мережі

Приймаємо допустимі значення швидкостей для всмоктувального й напірного трубопроводів (с. 29, табл. Б.3):

всмоктувальний трубопровід — ;

напірний трубопровід — .

4.2 Визначення діаметрів труб для всмоктуючого та напірного трубопроводів

Для визначення діаметру труб для всмоктуючого та напірного трубопроводів використовуємо формулу:

(14)

де і - номер ділянки;

— об'ємна витрата рідини на відповідній ділянці, м³/с;

— швидкість най ділянці.

Згідно формули (14) визначаємо діаметри:

для всмоктувальної ділянки: ;

для напірної ділянки: ;

Отримані розрахунковим шляхом величини внутрішніх діаметрів трубопроводів округляємо до найближчих стандартних значень (с. 29, табл. Б.3):; .

4.3 Уточнення швидкостей течії рідини у трубопроводах

Уточнюємо величини середніх швидкостей руху рідини в трубопроводах за формулою:

. (15)

Тоді за формулою (15)

;

.

4.4 Сумарні гідравлічні втрати напору на всіх ділянках системи

Сумарні гідравлічні втрати напору на всіх ділянках системи визначаються з урахуванням режиму руху рідини, матеріалів і стану внутрішніх поверхонь труб, характеру місцевих опорів.

Знаходимо число Рейнольдса по формулі:

(16)

де — кінематичний коефіцієнт в’язкості, який вибираємо (с. 28, табл. Б.2):

при .

Згідно формули (16) число Рейнольдса:

для всмоктувальної ділянки: ;

для напірної ділянки: .

Так як, то маємо турбулентний режим (). Тобто, тоді коефіціент Коріоліса, прийнятий на сторінці 5 (), вважати вірним.

Визначаємо коефіцієнт втрат на тертя по графіку (с. 35,рис. Г. 1.) або за формулою Альтшуля

(17)

Відповідно до графіку (формули (17)):

при та

;

при та

.

Вибираємо коефіцієнти місцевих опорів скориставшись (с. 31 табл. Б.6) і заносимо їх до таблиці 2.

Таблиця 2 — Коефіцієнти місцевих опорів

Втрати напору на окремих ділянках при русі рідини по трубопроводах можна розрахувати як

(18)

де — втрати напору, м;

k — номер місцевого опору;

m — загальна кількість місцевих опорів, коефіцієнти яких ;

g — прискорення вільного падіння, м/с².

Для схеми, приведеної на рис. 2 втрата напору у всмоктувальному (і=1) трубопроводі буде відбуватися по довжині трубопроводу, і на місцевих опорах (вхід в трубу (приймальний клапан з сіткою) і двох колінах):

(19)

у напірному (і=2) трубопроводі - по довжині трубопроводу, і на місцевих опорах — засувки 4, діафрагми 5, охолоджувачі 6, клапану 7, вході в бак 8, а також двох колінах і двох відводів:

(20)

Тоді, втрати по довжині

(21)

де — коефіцієнт динамічної складової потрібного напору, .

(22)

4.5 Портібний напір мережі

Так як напір насоса, відповідно до [1], то

(23)

де — різниця рівней вільних поверхонь рідини в баці і резервуарі, м;

(24)

— тиск у баці і резервуарі, Н/м²;

— густина рідини, кг/м³;

при ;

— сума втрат по довжині.

Враховуючи формули (23) та (10):

(25)

За формулою (23) визначаємо потрібний напір мережі:

По значенню та підбираємо насос (див. пункт 4.6)

; (26)

(27),; (28)

Коефіцієнт k знаходимо із формули (22) по заданому значенню для точки А:

Визначаємо Н_ст за формулою (27)

Для побудови характеристики мережі використовуємо формулу (26) і значення .

Дані для побудови характеристики мережі приведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Будуємо характеристику мережі відповідно до таблиці 3.

Рис. 4 — Характеристика мережі

4.6 Вибір типу насосу, визначення напору насосу

З використанням каталогів за значеннями, вибираємо відцентровий консольний насос для перекачування хімічних активних вибухонебезпечних та легкозаймистих рідин на підприємствах нафтохімічної і хімічних галузей промисловості ХМ 65−50−160 (рис.5). Отримана характеристика мережі повинна перетинати напірно-видаткову характеристику обраного насоса Н_Н (рис.6) у робочому інтервалі частини характеристики (рис.7).

Рис. 5 — Насос типу ХМ 65−50−160

Рис. 6 — Характеристика насосу

4.7 Знаходження робочої точки насоса та приведення її у відповідність із заданою об'ємною витратою рідини

Характеристики гідравлічної мережі насосної установки для заданої витрати приведена на рис.7

Рис. 7 — Характеристики гідравлічної мережі насосної установки для заданої витрати

Для насосної установки параметри робочої точки В:

; .

Витрата рідини точки В не відповідає заданому значенню

.

Для забезпечення використовуємо спосіб дроселювання засувки.

Тоді, для знаходження потрібного коефіцієнта місцевого опору засувки використовуємо формулу:

(29)

Для точки потрібного напору, А запишемо формулу (26):

Для точки С (відповідає) формула (26) матиме наступний вигляд:

(30)

H_{нас С} = H_потр,

де H_{нас С} =32,1 м

Із формули (30) знаходимо :

Тоді

Знаходимо

(31)

Відповідно до формули (31)

Для знаходження сумарних втрат місцевих опорів, використовуючи формулу Вейсбаха, запишемо:

(32)

Згідно формули (32)

Із формули (32) знаходимо :

(33)

Тоді з формули (29) отримуємо :

4.8 Визначення потужності, яка споживається насосом

Вибраний насос має наступні технічні дані для даної мережі в точці С: Q_н = 0,681 м³/с; Н_н = 32,1 м; = 0,57.

Розраховуємо потужність насоса:

(34)

де N — потужність насоса, кВт;

= 0,57 — коефіцієнт корисної дії насоса.

Відповідно до формули (34):

Необхідну потужність електродвигуна визначаємо з урахуванням запасу по можливих перевантаженнях

(35)

де k= 1,2 — коефіцієнт запасу електродвигуна.

4.9 Вибір електродвигуна

По отриманій потужності вибираємо тип двигуна 4А90L2У3.

Комплектуючий електродвигун потужністю 3 кВт, число обертів

n =3000. [4]

Висновки

В даній роботі був проведенний практичний розрахунок трубопровідної мережі з насосною подачею рідини та вибір необхідного насосного агрегата, який складався з насоса ХМ 65−50−160 та електродвигуна серії 4А90L2У3.

Даний тип насоса має ККД 57%, величину витрат 32, висоту підйому рідини 29,8 м. Але ця витрата не відповідає нашій заданій витраті і тому ми не можемо отримати потрібного напору при. Тому ми маємо використати спосіб дроселювання, щоб забезпечити і напір, рівний 32,1 м. При проведенні розрахунків отримуємо значення коефіцієнту місцевого опору дискової засувки, який становить .

Також розрахунками було встановленно, що при необхідності підтримки необхідної витрати не завжди можливо витримати потрібний напір, використовуючи уніфіковані насоси.

Використана література

1. Башта Т. М., Руднев С. С., Некрасов Б. Б. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов» —, 1982.

2. Идельчик И. Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям». — М.: Машиностроение, 1975. — 559 с.

3. Методические указания и задания к курсовой работе по дисциплине «Гидравлика и гидропневмоприводы» /Составитель: Волков Н. И. — Сумы: Изд-во СумГУ, 2003.

4. Чернавский С. А., Боков К. Н., Чернен И. М. и др. «Курсовое проектирование деталей машин»: Учеб. пособие для учащихся машиностроительных специальностей техникумов — 2-е издание., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1988 г.