Анотація
У даній роботі проведено розрахунок сталевого трубопроводу для подачі кисню в цех. Для цього розраховуються втрати напору на тертя і на місцевих опорах, за наявними даними будується характеристика мережі для одного трубопроводу. Також розраховано рівняння Бернуллі для вихідних даних.
Для наочного відображення графічних результатів використаний процесор MS Excel. Звіт оформлений в Microsoft Word.
The summary
In the given work for submission of oxigen calculation of the steel pipeline is lead (carried out) to shop. For this purpose losses of a pressure on friction and on local resistance pay off, on the available data for one pipeline. Also equation Bernoulli for the initial data is designed.
For evident display of graphic results processor MS Excel is used. The report is made out in Microsoft Word.
Введення
Під повітропроводами розуміють звичайно трубопроводи для повітря високого тиску (понад 0,15 ати), що подається нагнітачами та компресорами. Трубопроводи повітря низького тиску, що подається вентиляторами, називають повітроводами.
Повітропроводи виготовляються зазвичай зі сталевих шовних (водогазопровідних) або безшовних гарячекатаних труб; іноді застосовуються сталеві холоднотягнуті та холоднокатані труби. Шовні труби мають порівняно невисоку допускається тиск (зі звичайною стінкою повинні витримувати до 20 кгс / см 2), тому їх застосовують у невідповідальних випадках і помірних тисках. При прокладанні повітропроводів їх зварюють.
Повітропроводи найчастіше бувають зварні або клепані. При тиску повітря до 200 - 300 мм їх виготовляють з листового заліза товщиною від 0,5 - 2 мм і доставляють на місце у вигляді окремих секцій довжиною 1 - 3 м. Секції забезпечені фланцями і збираються за допомогою болтів. Повітропроводи такого типу бувають круглого і прямокутного перерізу (короби). При невеликих витратах вентиляторного повітря, а також при більш високому його тиску повітроводи виготовляють із сталевих труб і роблять суцільнозварними з листової сталі. У ряді випадків повітроводи роблять із цегли, бетону, залізобетону та інших матеріалів (підземні повітроводи).
У повітропроводах може допускатися швидкість в межах 5 -20 м / с, але рекомендуються значення швидкостей 12 - 15 м / с.
У даній роботі буде розрахований сталевий газопровід, з двома шарами ізоляції - вогнетривким, товщиною 50 мм, і азбестовими пластівцями, товщиною 40 мм, температура зовнішньої поверхні ізоляції (за вибором студента) - 70 0 С. У газопроводі протікає газ - кисень (О 2), витрата кисню 450м 3 / хв. Температуру газу приймаємо рівною 30 0 С. Тиск на виході з повітропроводу (на вході в конвертерний цех) складає 12 атм.
У ході гідравлічного розрахунку буде знайдено тиск на вході, а також побудована характеристика мережі газопроводу.
Дані про коефіцієнти опорів, еквівалентна абсолютна шорсткість були взяті з додатків книги А. А. Гальнбека "водоповітряної господарство металургійних заводів".
У ході розрахунку тепломасообміну будуть розраховані втрати тепла в навколишнє середовище.
Розрізняють три способи розповсюдження теплоти в природі - теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання і два види теплообміну між тілами - конвективний і променистий.
Під конвекцією розуміють поширення теплоти в середовищі з неоднорідним розподілом температур, здійснюване макроскопічними елементами рідини при її переміщенні. Поширення теплоти конвекцією завжди супроводжується теплопровідністю, тобто молекулярним переносом теплоти.
Теплове випромінювання - це випромінювання, що виникає в результаті збудження частинок речовини і розповсюджується в просторі електромагнітними хвилями.
Теплообмін, обумовлений спільною дією конвективного і молекулярного переносу теплоти, називають конвективним теплообміном.
При променистому теплообміні відбувається подвійне перетворення енергії.
Гідравлічний розрахунок для конкретних даних
1) Розрахунок щільності газу при даному тиску і температурі
Температура і тиск газу при нормальних умовах:
Т о = 298 К, p o = 1,013 · 10 5 Па.
Температура і тиск газу:
р = 12 ати = 12.9, 81.10 4 Па = 11,8 · 10 5 Па,
Т = 30 +273 = 303 К.
2) Визначення розрахункових швидкостей на окремих ділянках
У даній роботі заданий об'ємна витрата Q = 450м 3 / хв.
Нехай W = 12 м / с (рекомендована швидкість газу в киснепроводу)
Тоді:
Стандартна сталева труба d 1 = 0,9 м = 900мм.
Розрахункова швидкість:
,
що також входить в діапазон рекомендованих значень (11 ~ 15 м / с)
При розширенні задаємося меншою сокрості
Тоді:
Стандартна сталева труба d 2 = 1м = 1000 мм.
Розрахункова швидкість:
,
3) Визначення втрат напору на дільницях
Для розрахунку кінематичної в'язкості необхідно спочатку розрахувати динамічну в'язкість.
μ о = 0,082 · 10 -3 Па · с - динамічна в'язкість газу при 0 о С;
T = 303 К - температура газу;
З = 114 - постійна для кисню.
Тоді:
,
де ρ - щільність газу, μ - динамічна в'язкість газу
1 ділянка. Для визначення режиму руху на першій ділянці розрахуємо число Рейнольдса:
Re 1> Re кр (2320), отже режим руху турбулентний.
Розрахуємо товщину ламінарного підшару:
Абсолютна шорсткість Δ = 1мм.Тогда Δ більше δ, маємо область гідравлічно шорсткуватих труб.
Для гідравлічно шорсткуватих труб λ розраховується за формулою Нікурадзе
Визначимо коефіцієнт опору b на першій ділянці.
Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо рівними:
Ξ вентилі = 5 * 2 = 10;
ξ поворот на 90 = 4.1, 2 = 4,8;
Отже, Σ ξ = 14, 8.
Довжина першої ділянки = 450м
Таким чином втрати на тертя складуть
Тоді місцеві втрати складуть:
2 ділянку. Для визначення режиму руху на другій ділянці розрахуємо число Рейнольдса:
Re 2> Re кр = 2320, отже режим руху турбулентний.
Розрахуємо товщину ламінарного підшару:
Абсолютна шорсткість Δ = 1 мм. Тоді Δ більше δ, маємо область гідравлічно шорсткуватих труб.
Коефіцієнт тертя λ 2 визначаємо за формулою Нікурадзе:
Визначимо коефіцієнт опору b на другій ділянці.
Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо рівними:
ξ вентиля = 5.
ξ поворот на 90 = 1,2;
ξ різке розширення = .
Довжина другої ділянки
Таким чином втрати на тертя складуть
Тоді місцеві втрати складуть:
Загальні втрати складуть
4) Рівняння Бернуллі і визначення тиску на вході
При заданому тиску на виході рівняння Бернуллі дозволяє визначити тиск на вході, яке необхідно знати для побудови характеристики мережі.
Рівняння Бернуллі для ізотермічного процесу:
Виберемо два перерізу 1-1 і 2-2, для них Будемо виходити з того що режим у нас ізотермічний T = const. Також врахуємо
.
Тоді рівняння прийме вигляд:
Підставляємо відомі значення, для цього необхідно перевести тиск з ати в Па, тобто р = 12 ати = 12.9, 81.10 4 Па = 11,8 · 10 5 Па,
Т = 30 +273 = 303 К.
Тобто водень необхідно подавати в мережу під тиском 12,08 ати щоб споживане тиск був 16,1 ати, що в Па не становить шести відсотків від Рнач. Отже потрібно перерахувати втрати і змінити швидкість подачі кисню для отримання потрібного результату.
1) Розрахунок щільності газу при даному тиску і температурі
Температура і тиск газу при нормальних умовах:
Т о = 298 К, p o = 1,013 · 10 5 Па.
Температура і тиск газу:
р = 12 ати = 12.9, 81.10 4 Па = 11,8 · 10 5 Па,
Т = 30 +273 = 303 К.
2) Визначення розрахункових швидкостей на окремих ділянках
У даній роботі заданий об'ємна витрата Q = 450м 3 / хв.
Нехай W = 15 м / с (рекомендована швидкість газу в киснепроводу)
Тоді:
Стандартна сталева труба d 1 = 0,8 м = 800мм.
Розрахункова швидкість:
,
що також входить в діапазон рекомендованих значень (12 ~ 15 м / с)
При розширенні задаємося меншою сокрості
Тоді:
Стандартна сталева труба d 2 = 0,9 м = 900мм.
Розрахункова швидкість:
,
що також майже входить в діапазон рекомендованих значень (12 ~ 15 м / с)
3) Визначення втрат напору на дільницях
Для розрахунку кінематичної в'язкості необхідно спочатку розрахувати динамічну в'язкість.
μ о = 0,082 · 10 -3 Па · с - динамічна в'язкість газу при 0 о С;
T = 303 К - температура газу;
З = 114 - постійна для кисню.
Тоді:
,
де ρ - щільність газу, μ - динамічна в'язкість газу
1 ділянка. Для визначення режиму руху на першій ділянці розрахуємо число Рейнольдса:
Re 1> Re кр (2320), отже режим руху турбулентний.
Розрахуємо товщину ламінарного підшару:
Абсолютна шорсткість Δ = 1мм.Тогда Δ ≤ δ маємо область гідравлічно гладких труб.
Для гідравлічно гладких труб λ розраховується за формулою Блазіуса:
Визначимо коефіцієнт опору b на першій ділянці.
Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо рівними:
Ξ вентилі = 5 * 2 = 10;
ξ поворот на 90 = 4.1, 2 = 4,8;
Отже, Σ ξ = 1 4,8.
Довжина першої ділянки = 450м
Таким чином втрати на тертя складуть
Тоді місцеві втрати складуть:
2 ділянку. Для визначення режиму руху на другій ділянці розрахуємо число Рейнольдса:
Re 2> Re кр = 2320, отже режим руху турбулентний.
Розрахуємо товщину ламінарного підшару:
Абсолютна шорсткість Δ = 1 мм. Тоді Δ більше δ, маємо область гідравлічно шорсткуватих труб.
Коефіцієнт тертя λ 2 визначаємо за формулою Нікурадзе:
Визначимо коефіцієнт опору b на другій ділянці.
Коефіцієнти місцевих опорів приймаємо рівними:
ξ вентиля = 5.
ξ поворот на 90 = 1,2;
ξ різке розширення = .
Довжина другої ділянки
Таким чином втрати на тертя складуть
Тоді місцеві втрати складуть:
Загальні втрати складуть
4) Рівняння Бернуллі і визначення тиску на вході
При заданому тиску на виході рівняння Бернуллі дозволяє визначити тиск на вході, яке необхідно знати для побудови характеристики мережі. Рівняння Бернуллі для ізотермічного процесу:
Виберемо два перерізу 1-1 і 2-2, для них Будемо виходити з того що режим у нас ізотермічний T = const. Також врахуємо
.
Тоді рівняння прийме вигляд:
Підставляємо відомі значення, для цього необхідно перевести тиск з ати в Па, тобто р = 12 ати = 12.9, 81.10 4 Па = 11,8 · 10 5 Па,
Т = 30 +273 = 303 К.
Тобто водень необхідно подавати в мережу під тиском 12,08 ати щоб споживане тиск був 19,2 ати.
5) Побудова характеристики мережі
Для побудови характеристики мережі необхідно обчислити коефіцієнт b, з формули
маємо
, Де
, Де
Рівняння напірної характеристики мережі записується таким чином:
H = a + (c + b) · Q 2, де
-Коефіцієнт опору трубопроводу.
.
Тепер необхідно побудувати графік H (Q), побудова виконуємо в Microsoft Excell. Характеристика мережі показана на малюнку.
Для даного трубопроводу рівняння характеристики мережі має вигляд:
Висновок
У даному курсовому проекті був розрахований сталевий киснепровід від кисневої станції до конвертерного цеху. У гідравлічному розрахунку було визначено значення тиску на вході P = 12,08 ати і побудована характеристика мережі киснепроводу, представлений її графік.
Для даної мережі коефіцієнт тертя 0,026 <λ <0,142, коефіцієнт місцевих втрат x може бути легко змінений за допомогою дросельних пристроїв: вентилів, кранів і пр.