Пленочное течение жидкостей

 
 
 
9,  Тройники 
 
Коэффициенты  x  определяются  в  зависимости  от  отношения  расхода  жидкости  в ответвлении   Q   _отв    к   общему   расходу   Q   в   основном  трубопроводе   (магитрали).   При определении  потерь  напора  с  использованием  приведенных  ниже  коэффициентов  следует исходить   из  скорости   жидкости   в   магистрали.   Коэффициент   местных   сопротивлений, относящих к магисрали (x_м) и к ответвляющемуся трубопроводу (x_отв),в ряде случаев могут иметь  отрицательные  значения,  так  как  при  слиянии  или  разделении  потоков  возможно всасывание жидкости и увеличениенапора 

 
Q _отв  / Q

 
Поток входит в магистраль 
 

 
 
Поток выходит из магистрали 
 

 
 
10.       Задвижка 
Диаметр трубы, мм ………15 – 100     175 – 200       300  и выше 
 
x …………………………..0,5                0,25                   0,15 
_{11.           Плавное расширение трубопровода} 
 
^.   _x = K ( ^S 2  _- 1) ^2 , 
 
S₁ 
 
^{где         S}₁ ^{- площадь узкого сечения  трубопровода 
 
S}₂  ^{– площадь широкого сечения трубопровода} 
 
_{a -угол расширения трубопровода} 
 

 
 
12. Постепенное сужение трубопровода 
 
_{2 
 
æ S           ö 
 
x = Kç}     ¹  _{- 1÷ 
 
è} ^S_{2                ø} 
 
где     S₁ - площадь узкого сечения  трубопровода; 
 
^S₂  ^{– площадь широкого сечения трубопровода;} 
 
α    - угол сушения трубопровода; 
 

1.2.   Расчет оптимального диаметра трубопроводов. 
_{Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения рассчитывают [1]  по формуле 
 
d  =         4Q / pu} (1.8) 
 
Обычно  расход  перекачиваемой  среды  известен   и,  следовательно,  расчет  диаметра трубопровода требует  определения  единственной  величины  -  u.  Чем  больше  скорость,  тем 
 
меньше   потребный   диаметр   трубопровода,   что   снижает   стоимость   трубопровода,   его монтажаи ремонта. Однако с увеличением скорости растут потери напора в трубопроводе, что   ведет   к   увеличению   перепада   давления,   требуемого   для  перемещения   среды,   и   , следовательно, к росту затрат энергии на ее перемещение. 
 
Оптимальный    диаметр    трубопровода,     при    котором     суммарные    затраты    на перемещение   жидкости    или   газа    минимальны,   следует   находить    путем    технико    – экономических  расчетов.  На  практике  можно  исходить  из  следующих  значений  скоростей, обеспечивающийблизкий к оптимальному диаметр трубопровода: 
Жидкости при давлении самотеком                                             u, м/с 
Вязкие………………..…………………………………….0,1-0,5 
 
Маловязкие…………………………….………………….0,5-1,0 
 
При перекачивании насосами 
 
Во всасывающих трубопроводах…………………….......0,8-2,0 
 
В нагнетательных трубопроводах………………………....1,5-3,0 
 
Газы 
 
При естественной тяге…………………..………………….....2-4 
 
При небольшом давлении (от вентиляторов)……………….4-15 
 
При большом давлении (от компрессоров)………………..15-25 
 
Пары 
 
Перегретые……………………………..………………….....30-50 
 
_{Насыщенные при давлении, Па 
 
Больше 10}⁵ _{…………………………………………………....15-25 
 
(1-0,5)х10}⁵ _{……………………………………………….....…20-40 
 
(5-2)х10}⁴ _{………………………………………………….......40-60} 
 
(2-0,5)х10⁴ …………………………………………………....60-75 
При расчете площади сечения трубопроводов принимают следующие скорости течения, м/с: 
для газов:  
 
   при естественной тяге………………………………………………..2-4 
 
   при небольших давлениях (газоходы вентиляторов)……………...4-15 
 
   при значительных давлениях (трубопроводы компрессоров)…....15-25 
 
для жидкостей: 
 
   при движении самотеком…………………………………………...0,1-0,5 
 
   в напорных трубопроводах…………………………………………0,5-2,5 
 
для водяного пара:……………………………………………………..20-40 
Для уменьшения агрессивного воздействия перекачиваемых веществ на внутреннюю поверхность металлических трубопроводов на нее могут наноситься защитные покрытия (лакокрасочные, полимерные и др.) 
 
С целью снижения потерь теплоты через наружную поверхность трубопроводов на нее наносят внешнее изоляционное покрытие (асбест, войлок, стеклянную вату и др.). 
 
В ряде случаев применяют трубы из неметаллических материалов (стекло, углеграфит, полимерные материалы). 
 
Трубопроводы состоят из отдельных участков, соединенных между собой. В зависимости от конструкций различают разъемные и неразъемные соединения трубопроводов . Разъемные соединения могут быть фланцевыми, резьбовыми и раструбными; неразъемные могут быть выполнены с помощью сварки, пайки, склеивания. 
 
Для обеспечения герметичности разъемных соединений в них используются прокладочные материалы (алюминий, медь, асбест, паронит, резины, полиэтилены, полиизобутилен, фторопласт и др.), выбор которых определяется агрессивностью перекачиваемых сред, их температурой, а также рабочим давлением в трубопроводе. 
Классификация гидравлических машин. 
 
Движущей силой, обеспечивающей перемещение жидкостей, является перепад давлений, создаваемый специальными гидравлическими машинами, которые можно разделить на четыре большие группы: 
 
·        Динамические (центробежные, осевые, вихревые и др.), в которых механическая энергия вращающихся лопаток  воздействует на незамкнутый объем жидкости, перемещаемый от входа в насос до выхода из него; 
 
·        Объемные (поршневые, пластинчатые, шестеренные, винтовые и др.), в которых жидкость периодически всасывается и вытесняется из замкнутого объема твердыми телами;  
 
·        Струйные (эжекторы, инжекторы), в которых движение потока жидкости создается струями газа (пара), воды; 
 
·        Пневматические (эрлифты, газлифты, пневматические подъемники (монтежю) и др.), движение жидкости в которых создается давлением газа. 
 
 
1.         
Расчет гидравлического сопротивления аппаратов пористыми и зернистыми слоями и насадками. 
 
Во многих аппаратах для тепловых и массообменных процессов каналы, по которым проходит жидкость или газ, имеют полое сечение (круглое илипрямоугольное). Осадки на фильтрах,      гранулы                      катализаторов                        и     сорбентов,     насадки     в     абсорбционных     и ректификационных колоннах и т.п. образуют в аппаратах пористые и зернистые слои [1 –3]. При расчете гидравлического сопротивления таких слоевможно использовать зависимость, 
 
на  первый  взгляд  аналогичную  уравнению  для  определения  потери  давления  на  трению  в трубопроводах   
 
Dр 
_{с         = l}  ^ld 
_эru² / 2,    (1.9) 
 
где    l  -  общий  коэффициент  сопротивления,  отражающий  влияние  сопротивления трения и местных сопротивлений, возникающих при движениижидкости по каналам слоя и 
 
обтекании  отдельных  элементов  слоя;  l  -  средняя  длина  каналов  слоя;  r  -  плотность жидкости и газа; u  - средняя истинная скорость среды  в каналах слоя. 
 
Рассматривая  движение  жидкости  или  газа  через  слой  на  основе  внутренней  задачи гидродинамики   (движение   внутри   каналов,   образуемых  пустотами   и   порами   между элементами слоя), можно преобразовать выражение (1.9) к удобному для расчетов виду 
 

Dр   = lHaru ² / 8e ³,       (1.10) 
где   Н – высота слоя; a– удельная поверхность, представляющая собой поверхность 
 
частиц материала, находящихся в единице объема, занятого слоем; e - порозность, или доля 
 
свободного объема (отношение объема свободного пространства между частицами к объему, занятому   слоем   );   u₀    –   фиктивная   скорость  жидкости   или   газа,   рассчитываемая   как отношение  объемного  расхода  движущейся  среды  ко  всей  площади   поперечного  сечения слоя. 
 
_{Значения  l находят по уравнению} 
l = 133/ Re + 2,34  ,                          (1.11) 
Критерий Рейнольдса в данном случае определяется по формуле 
Re = 4  u₀ r/аm                                (1.12) 
Когда   известно   значение   а,   иногда   бывает   удобнее   использовать   выражение, полученное  исходя  из  внешней  задачи  гидродинамики (обтекание  отдельных  элементов слоя): 
 

 
 
 
D р 
_с  = 
 
 
 3l H (1 - e )r u ²

₃ 
 
 
,                              (1.13)

 
^4e   d  
_ч 
^{Ф 
где  d}_ч   ^{–  диаметр  частиц  правильной  шаровой  формы  ;  для  частиц  неправильной 
 
формы  d}_ч  ^{-  диаметр  эквивалентного  шара,  имеющего  такой  же  объем,  как  и  частица;  Ф  – 
 
фактор  формы  частицы,  определяемый  соотношением  Ф=  F}_ш^/F_ч   ^(F_ш   ^{поверхность  шара, 
 
имеющего тот же объем, что и данная частица с поверхностью F}_ч  ⁾ 
 
Величину l определяют по соотношению (1.11). Критерий Рейнольдса в этом случае рассчитывают по формуле

 
Re = 
 
 
2    Ф 
 
_{3 (1 - e )} 
 
 
^Re₀            ^{,                                      (1.14)}

 
где 
 
 
 
 
Re₀   = u ₀  d_u  r/m                                            (1.15)

 
 
 
Переход  от  выражения  (1.10)  к  (1.13)  или  обратный  переход  можно  осуществить  с 
 
_{помощью соотношения} 
 
a= 6 (1 - e) / F d_u                                                                              (1.16) 
 
По уравнению (1.11) рассчитывают для зернистых слоев с относительно равномерным 
 
распределением пустот (слоев гранул, зерен, шарообразных частиц ). При движении паров и газов   через   слои   колец   Рашига   внутренние   полости  колец   нарушают   равномерность распределения пустот. В этом случае расчета  используют следующие соотношения. 
 
Для колец, загруженных внавал: 
При Re < 40         l= 140/ Re                        (1.16) 
При Re > 40         l= 16 / Re^0,2                                                  (1.17) 
Для правильно уложенных колец: 
_{l= А / Re}^0,375                         _{,                                      (1.19)} 
где   d_в    и   d_н    –   соответственно   внутренний   или   наружный   диаметр   кольца;   d_э   – 
 
эквивалентный диаметр, определяемый по формуле 
d_э = 4S/а                                     (1.21) 
Это   выражение   характеризует   эквивалентный   диаметр   для   любых   пористых   и зернистых слоев. 
 
Определив    по  одной  из  формул  –  (1.17),  (1.18)  или  (1.19),  можно  рассчитать гидравлическое сопротивление сухой насадки по соотношению (1.10). 
 
При  свободной  засыпке  шарообразных  частиц  доля  свободного объема составляет в среднем  e =0,4.Фактор формы для округлых частиц обычнозаключен в пределах между Ф = 
 
1 (для правильных шаров) и Ф = 0,806 (для правильных кубов). Для цилиндрических частиц фактор формы меняется в зависимости от отношениявысоты цилиндра h_ц    к диаметру   d_ц. Так, Ф = 0,69 при h_ц / d_ц = 5; Ф = 0,32 при h_ц / d_ц = 0,05. 
 
Формулы (1.10)  и  (1.13) применимы для движения потока через неподвижные  слои. 
 
_{Для псевдоожиженных слоев гидравлическое сопротивление определяется по формуле} 
^Dr_пс  ^{= H(1 - e )(r}_Т  ^{- r ) g                                                   (1.22)} 
где p_т – плотность частиц, образующих слой; ρ – плотность среды. 
 
В  формулу  (1.22)  можно  подставлять  значения  Н  и  e  для  неподвижного  слоя, 
 
поскольку    произведение   Н    (1    -    e),представляющее    собой   объем    твердых    частиц, приходящийся   на   единицу   поперечного   сечения  аппарата,   остается   постоянным   при переходе от неподвижного слоя к псевдоожиженному: 
H(1 - e ) = H _пс (1 - e _пс ) ^{,                                          (1.23)} 
где Н_пс  и  e_пс  – соответственно высота и порозность псевдоожиженного слоя. 
 
Скорость , при которой неподвижный зернистый слой переходит в псевдоожиженное 
 
состояние (скорость начала псевдоожиженния), можно определить следующим образом. 
 
Критерий  Re_0,nc,  соответствующий  скорости  начала  псевдоожижения,  находят  путем решения квадратного уравнения