Гидравлический расчет газопровода высокого давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидравлический расчет газопровода высокого давления

Давление газа в конце участка длиной l меньше, чем в начале из-за потерь на трение и определяется из выражения:

Р_к =Р_н, (1.1)

Если скорость газа выразить через расход V

,(1.2)

а также ввести постоянные значения Р_о=101300 Па и Т_о= 273,15 К, то выражение (3.1) примет вид:

,

где: Р_к - конечное давление газа. Па.

D - диаметр газопровода, м;

- коэффициент трения, предварительно принимается 0,02...0,03; для гидравлически шероховатых труб при развитом турбулентном режиме течения коэффициент трения не зависит от числа Рейнольдса и определяется в зависимости от шероховатости по эмпирической формуле Никурадзе

=(2·lg(D/2D)+1,74)² ,

 - абсолютная шероховатость стенки, для стальных сварных труб, в зависимости от срока службы и состояния принимается в пределах 0,1 - 0,5 мм;

- расход и плотность газа при н.ф.у., / с, кг/;

Т - температура газа. К;

- абсолютное давление газа в начале участка. Па

Выбор диаметра газопровода основывается на понятии предельного диаметра D^*, т. е такого минимально возможного диаметра, при котором все начальное давление расходуется на преодоление сопротивления и P_k = 0 , а также, P_k/Р_н = 0. При этих условиях из (3.1) следует, что:

(1.3)

где L - общая длина газопровода.

Рекомендуемый диаметр газопровода

D = (1,4…1,6) D^* (1.4)

Полученный внутренний диаметр газопровода следует увеличить до стандартного из следующего ряда типоразмеров стандартных стальных труб, D_н (наружный диаметр) х (толщина стенки), мм:

38 х 2,5; 45 х 2,5; 57 х 3,0; 76 х 3,0; 89 х 4,0; 108 х 4,0; 133 х 4,0; 159 х 4,5; 194 х 5,0;

219 х 6; 273 х 7; 325 х 8; 377 х 9; 426 х 9; 426 х 6; 480 х 7; 530 х 8; 630 х 9; газ сопло дымовой гидравлический

720 х 10; 820 х 10; 920 х 11; 1020 х 12; 1120 х 12; 1220 х 14; 1420 х 14

Местным сопротивлением называется всякое изменение направления или скорости потока. Потери в местных сопротивлениях определяются по формуле:

, (1.5)

где - потери в местных сопротивлениях, Па;

- коэффициент местного сопротивления, зависящий от вида сопротивления;

- расчетная скорость газа при Н.Ф.У. м/с,

- плотность газа при Н Ф.У, кг/м³;

Т, Р - температура и абсолютное давление газа перед сопротивлением, К, кПа.

Гидростатические сопротивления возникают, если газопровод изменяет положение по высоте, а плотность газа (жидкости) отличается от плотности окружающей среды:

(1.6)

где - потери гидростатического давления, Па.

, - плотности газа и наружного воздуха, приведенные к действительным условиям;

h - высота, м.

При движении легкого газа вниз или тяжелого вверх потери имеют знак "+", в противном случае - "-".

Расчеты рекомендуется начать с выбора диаметра газопровода по формулам (3.3) и (3.4), приняв l, равную общей длине газопровода. Скорость газа при н.ф.у. уточняется для выбранного диаметра газопровода по формуле (3.2), определяется уточненное значение коэффициента трения. Затем следует составить вспомогательную таблицу для расчета сопротивлений (таблица 3.1), в которую вносят последовательно все сопротивления по ходу газов от цехового газопровода до горелки (рисунок 3.3)

Результаты расчета сопротивления отдельных участков производятся по формулам (3.1), (3.5) и (3.6) с использованием справочников и заносятся в таблицу с точностью до 1 Па. Задвижки и заслонки считать открытыми на 50 %.

Суммарные потери давления рекомендуется увеличить на 10-20 %, после чего окончательно определить значение давления газа перед горелкой, округлив его до 1 кПа.

1 - цеховой газопровод; 2 - задвижка; 3 - измерительная диафрагма; 4 - регулирующая заслонка; 5 - горелка; 6 - сопло Лаваля

Рисунок 3.3 - Схема газопровода, подводящего газ к топливосжигающему устройству

Таблица 3.1 - Расчет гидравлических сопротивлений газопровода

Вид сопротивления	Длина участка , м	Коэффициент местного сопротивления, Км.с.	Давление Ризб, кПа	Потери давления, , Па	Литература, с.
			в начале участка	в конце участка
Вход в газопровод
Трение на участке
Задвижка
Трение на участке
Потери геометрического напора	H=
Плавный поворот на
……
ИТОГО, с учётом 10-20% запаса
ВСЕГО

2. Расчет истечения природного газа высокого давления через сопло Лаваля

Комбинированное сопло (Лаваля) имеет суживающуюся и расширяющуюся части (рисунок 3.4).

В первой достигается критическая скорость, равная местной скорости звука, во второй - максимальная скорость движения газа. Сопло Лаваля применяется в том случае, если отношение давлений ( - абсолютное давление перед соплом, Па; - абсолютное давление среды, в которую происходит истечение), меньше критического:

В противном случае расширяющаяся часть выполняет роль диффузора, в котором скорость снижается вследствие увеличения площади сечения.

В узком сечении сопла Лаваля достигается критическая скорость, м/с,

Максимальная расчетная скорость, м/с,



Рисунок 3.4 - Выходная часть горелки

Скорость на выходе из сопла Лаваля:

где = 0,95…0,97 - коэффициент, учитывающий потери при истечении газа.

При расчете сопла Лаваля используют газодинамические функции, которые могут быть определены по графикам (рисунок 3.5), или из соотношений относительная скорость:

,

относительное давление:

,)

относительная плотность:

,

относительный удельный объем:

,

относительная температура:

.

В критическом сечении (= 1) газодинамические функции принимают вид

,

,

,

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.5 - Газодинамические функции

Площади поперечного сечения и диаметры сопла в узком месте и на выходе определяют, используя закон неразрывности (сплошности):

.

Длина расширяющейся части сопла находится по углу раскрытия, который принимают в пределах 711°.

Рекомендуется следующая последовательность расчета:

критическая скорость, плотность, температура и давление;

максимальная скорость, плотность и температура в конце сопла Лаваля;

скорость на выходе из сопла;

площади и диаметры критического и выходного сечений;

длина расширяющейся части.

3. Расчет истечения воздуха (газа низкого давления) через щелевое сопло

Общие теоретические положения и методические рекомендации.

Если абсолютное давление среды не более, чем на 10 % выше атмосферного, то его условно называют низким. Плотность и температуру воздуха в процессе истечения принимают неизменными. Скорость истечения, м/с, рассчитывается по формуле:

,

где = 0,850,9 - коэффициент, учитывающий потери при истечении;

W₁ - скорость перед соплом, которую предварительно можно принять равной 0;

_в - плотность воздуха, приведенная к действительным условиям.

Площадь поперечного сечения кольцевой щели (рисунок 3.3) для истечения воздуха F определяется из уравнения неразрывности (сплошности):

Диаметр кольцевой щели D рассчитывается с учетом наружного диаметра сопла Лаваля:

Расход воздуха, подаваемого в горелку и необходимого для сжигания топлива, определяется по формуле:

(3.24)

4. Гидравлический расчет дымового тракта и тягового средства

Гидравлический расчет дымового тракта необходим для последующего выбора тягового средства (дымососа, эжектора, дымовой трубы). Если одно тяговое средство обслуживает несколько параллельных трактов, то выбор его производится по сопротивлению наиболее напряженного тракта (а не по сумме сопротивлений всех параллельных трактов).

Простейшим тяговым средством является дымовая труба. В курсовой работе необходимо произвести расчёт дымовой трубы и сделать вывод о её целесообразности применения.

Критерием для определения целесообразности применения дымовой трубы является определение номинальной высоты трубы. Высота трубы не должна превышать 50 - 60 м. Если же данное условие не выполняется, то необходима установка дымососа для обеспечения искусственной тяги.

4.1 Расчет дымового тракта

Общее сопротивление дымового тракта, Па (рисунок 3.7), рассчитывается как сопротивление газохода низкого давления и состоит из потерь давления на трение, в местных сопротивлениях и потерь геометрического давления (гидростатических сопротивлений):

Потери на трение, Па, рассчитываются по участкам тракта по формуле:

где =0,040,05 для бетонных и кирпичных каналов при турбулентном режиме течения;

- динамическое давление, Па;

В - барометрическое давление, кПа;

- избыточное давление (разрежение), кПа; в начале участка;

- гидравлический диаметр канала, м, ;

- расчетное поперечное сечение канала, ;

П - периметр сечения, м.

Скорость газа при нормальных условиях

Расход газа, м³/с, по длине бетонного или кирпичного газохода увеличивается за счет присосов атмосферного воздуха, поэтому средний расход на каждом участке определяется как

где V_н - расход газа в начале участка.

Потери в местных сопротивлениях и гидростатические потери рассчитываются по формулам (3.5) и (3.6).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.7 - Схема дымового тракта

1 - теплоэнергетический объект (печь);

2 - дымовой канал;

3 - рекуператор;

4 - дымовой шибер;

5 - дымовая труба.

Расчет следует начинать с определения расхода дымовых газов (продуктов горения):

Затем нужно составить таблицу (таблица 3.4), в которую сначала вносят последовательно все сопротивления по ходу продуктов горения от печи до дымовой трубы.

После этого в таблице заполняют графу "расход газа" с учетом присоса атмосферного воздуха продуктом горения в количестве 0,2 0,3 % на один метр длины тракта (расчетный расход газа ), начальный расход газа на каждом последующем участке больше, чем на предыдущем, на величину присосов: и т.д.) и графу "температура" с учетом падения температуры газов на 1 1,5 °С/м длины дымового тракта. Дальнейший расчет ведется для каждого вида сопротивления по указанным выше формулам с использованием справочников по гидравлическим сопротивлениям. Дымовой шибер считать открытым на 75 %. Суммарный коэффициент местного сопротивления рекуператора дан в задании.

При параллельном соединении каналов расчет ведется по каналу с большим сопротивлением, поэтому полученное при расчете падение давления на участке печь - слияние потоков следует сравнить с заданным сопротивлением параллельного тракта P₂.

Таблица 3.4 - Расчет гидравлических сопротивлений дымового тракта

Вид сопротивлений	Расход газа,	Температура,	Расчётное сечение,	Расчёт-ная скорость	Динамическое давле-ние, Па	Км.с	Потери давле-ния, Па	Давле-ние, Па	Ссылка на литературу, стр.
Резкое сужение на выходе из печи
Трение на участке
Резкий поворот на
Гидростатические потери при опускании на глубину h
Трение на участке
……

4.2 Расчёт дымовой трубы

Дымовые трубы могут выполняться железобетонными, металлическими, кирпичными и со стволом из кремнебетона. Основным типом труб являются железобетонные с кирпичной футеровкой внутри.

Дымовые трубы должны выполняться кирпичными или железобетонными. Металлические трубы следует применять диаметром не более 0,8-- 1,0 м. Применение металлических дымовых труб диаметром более 1,0 м допускается только при обосновании их технико-экономической целесообразности.

Выбор соответствующего типа дымовой трубы следует производить в соответствии с таблицей 3.2.

Внутренний диаметр дымовой трубы определяется по сумме расходов продуктов горения, уходящих из всех промтеплоэнергетических установок.

Для цилиндрической трубы внутренний диаметр имеет неизменное значение по всей высоте.

Значение оптимальной скорости дымовых газов на выходе из кирпичных и железобетонных труб определяется по рисунку 3.8.

Таблица 3.2 - Унифицированный ряд типоразмеров дымовых труб

Высота трубы	Диаметр на выходе do, м	Исполнение		Высота трубы	Диаметр на выходе do, м
	0,75	0,90	1,05	1,2	1,5	1,8	2,1	2,4	3,0	3,6	4,2	4,8	6,0	7,2	8,4	9,6				0,4	0,5	0,63	0,8	1,0
20																	Цилиндрические или конические		21,4
25																			21,6
30																			23,3
35																			31,8
40																			32
45																			33,8
50																			44,2
60																	Конические
70
80																				кирпичные или монолитные железобетонные
90
100																				монолитные железобетонные
120
150																				металлические
200
250
300

Расчет дымовой трубы заключается в определении высоты, а также диаметров нижнего и верхнего сечений. Высота трубы, м, ориентировочно может быть рассчитана по формуле

где - расчетное разрежение, создаваемое у основания дымовой трубы, Па, =(1,3…1,5)

- суммарное сопротивление наиболее напряженного из параллельных трактов, Па;

1.31.5 - коэффициент запаса, учитывающий возможное форсирование работы печи, а также засорение каналов;

- плотность наружного воздуха при наибольшей температуре в летнее время,

- плотность продуктов горения в дымовой трубе.

1 - Н =120 м;

2 - Н = 100 м;

3 - Н = 60 - 80 м трубы установок малой мощности, отопительных и промышленных, включенных в энергосистему;

4 - Н = 60 м;

5 - Н = 60 м; то же промышленных, не включенных в энергосистему;

6 - Н = 30 - 45 м.

Рисунок 3.8 - Экономические скорости дымовых газов на выходе из кирпичных и железобетонных труб установок средней и малой мощности

Уточнённое значение Н рассчитывается с учётом потерь давления в дымовой трубе, изменения температуры газов по высоте трубы, конусности ствола трубы:

где - средняя по высоте трубы температура наружного воздуха,

- температура воздуха у основания трубы, °С;

- температура продуктов горения в устье трубы,

здесь - падение температуры на один метр высоты трубы ;

- температура продуктов горения у основания трубы, °С

=0,5(+);

- средний диаметр дымовой трубы, =0,5();

Диаметр устья рассчитывается по скорости газов на выходе из трубы из соображений удобства обслуживания

- скорость продуктов горения у основания трубы, м/с.

Расчет диаметра устья, , производится по суммарному расходу дымовых газов:

;

По санитарным нормам высота трубы должна быть не менее 25 м.

Расчет дымовой трубы рекомендуется вести в следующей последовательности: выбор скорости горения продуктов горения в устье трубы, расчет диаметра устья и основания; определение ориентировочно высоты трубы; температур продуктов горения и окружающего воздуха по высоте трубы; уточненный расчет высоты дымовой трубы, сопоставление с санитарными нормами и окончательный выбор высоты трубы (результат рекомендуется округлить в большую сторону до ближайших 5 или 10 метров).

4.3 Выбор дымососа

Применение искусственной тяги обусловлено невозможностью обеспечить необходимое разрежение при помощи дымовой трубы или когда необходимо сооружение очень большой дымовой трубы (высота трубы не должна превышать 50 - 60 м.).

На основании аэродинамического расчета на номинальную нагрузку теплоэнергетического агрегата расход дымовых газов перед дымососом при t_Г, Р_бар=760 мм рт. ст., и _г составляет V [м^з/ч], а перепад полных давлений в тракте, определенный с учетом среднего барометрического давления для места установки котельного агрегата Р_бар = 730 мм рт. ст. Н [мм вод. ст.].

Определяется расчетный режим дымососа, включающий нормативные запасы:

Q_p = 1,1V(760/730)

Н_р = 1,2.

Указанные данные следует привести к нормальной плотности, для которой даются характеристики дымососов заводами-изготовителями (воздух ₀ = 1,29 кг/м³; Р_бар = 760 мм рт. ст., t = 100° С или 200° С).

Переходный коэффициент

для 100 ^оС.

и

для 200 ^оС.

Приведенные параметры расчетного режима составят:

Н_р^пр = К₁₀₀ Нр для 100° С;

и

Н_р^пр = К₂₀₀ Нр для 200° С;

Из сводных графиков характеристик дымососов (рисунок 3.9 -3.12) выбираем наиболее подходящий дымосос.

Рисунок 3.9 - Сводный график характеристик центробежных дымососов двустороннего всасывания типа 0,7-37 и 0,8-37 (t = 200° С. n -- частота вращения, об/мин)



Рисунок 3.10 - Сводный график характеристик центробежных дымососов одностороннего всасывания типа 0,55-40-1 (t = 100° С, n -- частота вращения, об/мин)

Рисунок 3.11 - Сводный график характеристик центробежных дымососов одно- и двустороннего всасывания типа 0,62-40 (t == 100° С; n - частота вращения 740 об/мин)



Рисунок 3.12 - Сводный график характеристик осевых дымососов (t = 100 ^оС, n - частота вращения, об/мин)

5. Представление результатов работы

Пояснительная записка должна включать все расчеты, итоговые таблицы, а также эскизы газопровода, дымового тракта и выходной части горелки, выполненных по результатам расчета и с указанием размеров по заданию. Результаты расчета по всем четырем разделам работы привести в выводах по следующей форме:

а) результаты расчета газопровода:

давление в цеховом газопроводе - … кПа,

общее сопротивление газопровода -... кПа,

давление газа перед горелкой -... кПа,

расход природного газа -... /с.

б) результаты расчета сопла Лаваля

Параметр Сечение	Р, кПа	G,кг/с			d,мм	W, м/c	T, К
Критическое
Выходное
Р1.=..кПа; Т1 =. ..К; R -..Дж/кг К; k -...

в) результаты расчета щелевого сопла:

коэффициент расхода воздуха -

расход воздуха-...

давление воздуха перед горелкой-...кПа

температура воздуха-…°С

площадь щелевого сечения-...

диаметр щели,-...м

скорость истечения при Н.Ф.У.-...м/с

скорость при действительных условиях-...м/с

г) результаты расчета дымового тракта:

расход продуктов горения-…

общее сопротивление расчетного тракта-…Па

сопротивление, выбранное для расчета дымовой трубы -…Па

диаметр устья трубы-…м

диаметр основания-…м

ориентировочная высота-…м

уточненная высота-…м

окончательная высота-…м

д) результаты выбора дымососа:

наименование выбранного дымососа;

расход дымовых газов через дымососм³/ч;

перепад давленийПа.

Литература

Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. -М.: Машиностроение, 1981.-374с.

Соколов Б.Я., Зингер М.Н. Струйные аппараты. -М.: Госэнергоиздат, 1960.-195 с.: ил.

Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 975. - 559 с.: ил.

Аверин С.И. и др. Механика жидкости и газа. -М.: Металлургия, 1987.- 304 с.

Аэродинамический расчёт котельных установок (нормативный метод). Под ред. С.И. Мочана. Л., Энергия, 1977, 256 с.

Размещено на Allbest.ru

...