Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Аэродинамический и прочностной расчет системы воздухоснабжения машиностроительного завода

Важной частью расчета систем снабжения сжатым воздухом является аэродинамический расчет, суть которого заключается в определении потерь давления в воздухопроводах, определения их диаметров, давлений у абонентов.

Схема воздухоснабжения промышленного предприятия представлена на рис.1, размеры отдельных участков схемы трубопровода приведены в табл.1. Номера цехов соответствуют указанным выше названиям.

Рис 1. Схема воздупроводов предприятия.

Таблица 1. Размеры участков сети

Участок	A₁B₁	A₂B₂	B₁C₁	B₂C₂	C₁D₁	C₂D₂	D₁E₁	D₂E₂	E₁K₁	E₂K₂
Длина, м	60	30	55	40	80	120	80	70	60	95
Участок	K₁M₁	l₁	l₂	l₃	l₄	l₅	l₆	l₇	l₈	l₉
Длина, м	45	60	80	120	75	60	70	85	145	60

Для технического оборудования промышленного предприятия обычно требуется сжатый воздух с давлением, равным 0,3…0,8 МПа, следовательно, у абонентов давление сжатого воздуха не должно быть меньше 0,3 МПа. Давление, нагнетаемое компрессорами, составляет 0,9 МПа. Все остальные необходимые данные для расчета приведены в задании.

Методика аэродинамического и прочностного расчётов участков воздухопроводов предприятия:

1. Принимаем скорость движения сжатого воздуха в трубопроводе.

Рекомендуется принимать следующие значения:

- в магистральных трубопроводах υ = 15÷20 м/с;

- в ответвлениях к цехам υ = 10÷15 м/с.

Для того чтобы в дальнейшем воспользоваться номограммой [1, прил. 3], необходимо перейти от скоростей движения сжатого воздуха при давлении 0,9 МПа к скоростям, приведенным к условиям всасывания (p=0,1 МПа; t=15°С).

Переход осуществляется с помощью соотношения плотностей, которое выводится из условия равенства массовых расходов: где:

G₀ – расход для условий всасывания при 0,1 МПа, 15°С;

G – расход сжатого воздуха при 0,9 МПа (давление сжатого воздуха в нагнетательной линии), 15°С;

Массовый расход:

, где:

V - объемный расход воздуха;

ρ - плотность воздуха при данных условиях;

ν - скорость воздуха при данных условиях;

S - площадь сечения канала, который в обоих случаях считается одинаковым.

(*),

где ν_о и ρ_о - скорость и плотность воздуха при р=0,1 МПа (условия всасывания);

ν и ρ - скорость и плотность воздуха при р=0,9 МПа.

Значение плотности воздуха берётся из справочной литературы при t=15°С:

; .

Из уравнения состояния идеального газа:

(**).

Подставив уравнение (**) в уравнение (*) для условий 1 и 2 получим:

;

Принимается , м/с

2.По номограмме 4 [1] при известном расходе воздуха V_р и принятой скорости ν_сж в трубопроводе определяется внутренний диаметр трубопровода d_вн, а затем по среднему давлению в трубопроводе находятся потери давления на один погонный метр трубы δP. Средние давление в трубопроводе:

, где

Р_н=9 - давление сжатого воздуха, выдаваемое компрессорной станцией (на основании типового проекта);

Р_к=7 - давление сжатого воздуха, необходимое потребителям (т.к. давление находится в пределах 0,3 – 0,9МПа, принимаю Р_к=7).

Путевые потери учитываются при определении падения давления на отдельных участках.

3. Определяются потери давления в местных сопротивлениях (вентилях, тройниках, коленах). Для этого необходимо условно заменить соответствующие части арматуры "эквивалентными длинами", т.е. заменяем участками трубопровода, на котором потери напора по длине равны местным потерям напора. Этот метод применим только для турбулентного режима движения потока сжатого воздуха в зоне квадратичного сопротивления. Режим выбирается по значению критерия Рейнольдса, которое можно вычислить по формуле:

, где

– действительная скорость сжатого воздуха при Р=9ат;

d_вн– внутренний диаметр трубопровода(выбирается в соответствии с ГОСТ 10704-91 "Трубы стальные электросварные прямошовные"), м;

- кинематическая вязкость сжатого воздуха, м²/с. (для сжатого воздуха = 18,5·10^-6, м²/с.)

Полученное значение числа Re определяет режим движения потока среды:

· при < 2320 – ламинарный режим;

· при = 2320÷5000 – переходный режим (режим с перемеживающейся турбулентностью);

· при > 5000 – турбулентный режим.

Для примера, определим значение Re на участке А₂В₂:

Таким образом, имея значения Re=83586, мы находимся в развитом турбулентном режиме (Re>5000) и поэтому возможно применение метода "эквивалентных длин".

Конфигурация сетей сжатого воздуха предусматривает местные сопротивления , а эквивалентная длина местных сопротивлений является функцией этих сопротивлений.

Эквивалентная длина местных сопротивлений, находится по номограмме [1,приложение 3], по известному нам внутреннему диаметру и значениям коэффициентов сопротивления, которые мы принимаем.

· для колена 0,33;

· для тройника 1,0;

· для вентиля 2,9.

4. Определяются общие потери давления на соответствующем участке:

, где

l_факт- фактическая длина участка, м.

5. Используя ГОСТ 10704-91 "Трубы стальные электросварные прямошовные", по известному внутреннему диаметру d подбирается труба с наружным диаметром D и толщиной стенки δ, причём D = d + 2δ.

6. Из условий прочности рассчитывается минимальная необходимая толщина стенки трубы:

, где

Р_ср– среднее абсолютное давление в трубопроводе, ;

D_н– наружный диаметр трубы, мм

k=1,7 – коэффициент запаса, будет обеспечивать запас прочности при давлении

0,9МПа:

– предел текучести материала.

Минимальная толщина стенки пропорциональна рабочему давлению, наружному диаметру и зависит от свойств металла.

Расчетная толщина стенки сопоставляется с ее действительным значением и при необходимости уточняется за счет выбора в соответствии с ГОСТ другого наружного диаметра трубы.

7. Находиться конечное давление на участке или у потребителя (для ответвлений).

Конечное давление на i-ом участке:

где i=1…5 – для правой ветки. i=1…4 – для левой ветки.

Конечное давление на предыдущем участке магистрали будет начальным на следующем.

Для участков А₁В₁, А₂В₂ в качестве отпускаемого от компрессорной станции принимается давление 0,9МПа.

Давление у i-го потребителя:

, где

- конечное давление в точке j-го участка магистрали, к которому подключен j-ый потребитель, кгс/см²;

- потери давления на один погонный метр ответвления, кгс/см².

j=1…9. Конечное давление у прочих потребителей без учета фактической длины воздухопровода определению не подлежит.

Примером применения данной методики может служить расчет участка А₂B₂:

Длина участка ;

Расход сжатого воздуха на участке А₂В₂ и соответственно для левой ветки воздухопровода, отходящей от компрессорной станции:

Аналогично для правой ветки и участка А₁В₁.

Расход сжатого воздуха для последующих участков магистрали определяется по следовательно вычитая значение расхода цеха, который находится на данном участке.

Таким образом, для левого направления магистрали получаем:

т.к. от участка В₂С₂ не отходит ни одного ответвления к цехам-потребителям;

;

Принимаем скорость движения сжатого воздуха v^сж=15 м/с на участке А₂В₂, тогда скорость при условии всасывания составила ν^о=135 м/с.

По номограмме (Приложение 4) [1] находим диаметр d и потери давления δP на участке А₂В₂ в зависимости от выбранного внутреннего диаметра d_вн. По ГОСТ 10704-91 принимаем D_н=108 мм, ^ГОСТ_ст=2мм, тогда d_вн= D_н-2δ=104 мм.

Оцениваем действительную скорость сжатого воздуха в воздухопроводе:

На участке А₂В₂ находится колено и вентиль. По номограмме 3 [1] получаем соответственно и м, для данного участка.

Общее потери давления на участке А₂В₂:

, где

Минимальная необходимая толщина стенки трубы рассчитывается по формуле:

, где

Р_ср – среднее абсолютное давление в трубопроводе, кгс/см²;

k=1,7 – коэффициент запаса;

– предел текучести материала.

Выбранная толщина стенки ^ГОСТ_ст=2 мм больше, чем минимально необходимая _ст=0,337 мм, поэтому уточнение наружного диаметра не требуется.

Конечное давление в точке В₂:

кгс/м².

Аналогичным образом рассчитываются остальные участки и ответвления. Конечное давление каждого участка определяется с учётом давления на предыдущем. Сопротивление для колена учитывается только на участке А₁B₁, на всех остальных участках для определения эквивалентной длины учитываются сопротивления вентиля и тройника. В остальном методика сохраняется. Результаты расчета приведены в таблице 2.

На рис. 2 приведена схема воздухоснабжения предприятия с указанием длин участков, расходов воздуха и внутренних диаметров трубопроводов.

В результате проведенных расчетов мы определили, что система воздухоснабжения, отпускающая сжатый воздух с избыточным давлением 0,9 МПа, обеспечит для каждого цеха потребление воздуха с необходимым давлением Р=0,3-0,8 МПа. Для этого необходимы трубы следующих сортаментов: 108х2,0 длиной 180м; 95х2,0 длиной 440м; 88х1,6 длиной 10м; 76х1.4 длиной 60м; 70х1.4 длиной 45 метров; 60х1,4 длиной 75м; 51х1,4 длиной 120м; 48х1,4 длиной 80м; 33х1 длиной 60 метров; 27х1 длиной 145м;26х1 длиной 85м; 30х1 длиной 70м;22х1 длиной 60м; 14х1 длиной 60м.

Прочностной расчет показал, что расчетная толщина стенки трубопроводов не превышает толщин стенок труб, выбранных по ГОСТ для всех участков воздухопровода, и условия прочности обеспечены.

Таблица 2. Сводная таблица результатов аэродинамического и прочностного расчётов

Участок	l, м	,м/с	V_p,м³/ мин	Pкгс/ см²10^-³	d, мм		l_экв, м	l_р, м	P_уч, кгс/ см²x10^-²	D^гост мм	м/с	P_конеч кгс/ см²	, мм
													ГОСТ	Рас.
A₁B₁ A₂B₂ B₁C₁ B₂C₂ C₁D₁ C₂D₂ D₁E₁ D₂E₂ E₁K₁ E₂K₂ K₁M₁ l₁ l₂ l₃ l₄ l₅ l₆ l₇ l₈ l₉ Проч цеха: K₂ M₁	60 30 55 40 80 120 80 70 60 95 45 60 80 120 75 60 70 85 145 60 10 10	15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 10 10 10 10 10 10 10 10 10 15 15	60 60 60 60 48,67 49.88 45,40 47,08 31,00 46,20 26,10 0,88 10,12 11,33 14,40 2,10 3,73 2,80 3,27 4,90 42,47 24,00	1,8 1,8 1,8 1,8 2,4 2,5 2,2 2,0 2,8 2,1 3,2 17 3,0 2,8 2,5 8,7 6,0 7,3 6,5 5,0 2,3 3,5	106.5 106.5 106,5 106,5 94,5 94,5 91,1 92,5 74,5 92,1 70 14 47,2 49,5 57,5 22,0 29,0 25,5 27,0 32,5 87,0 65,0	3,23 3,23 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9	13 13 4,5 4,5 4.0 4.0 3.6 3,5 2,9 3,7 2,6 1,0 4,5 4,8 5,9 1,6 2,3 1,9 2,3 2,6 10,0 6,9	73,0 43,0 59,5 44,5 84,0 124,0 83,6 73,5 62,9 98,7 47,6 61,0 84,5 124,8 80,9 61,6 72,3 86,9 147,3 62,6 20,0 16,9	13,14 7,74 10,71 8,01 20,16 31,00 18,39 14,70 17,61 20,72 15,23 106,7 25,35 34,94 20,22 53,59 43,38 63,43 95,74 31,30 4,60 5,91	108 108 108 108 95 95 95 95 76 95 76 14 51 51 60 22 33 27 27 33 88 76	13,09 13,09 13,09 13,09 13,86 14,21 12,93 13,41 13,65 13,16 11,49 14,35 10,28 11,51 10,38 12,38 9,16 10,57 12,33 12,03 13,93 10,57	8,86 8,92 8,76 8,84 8,55 8,53 8,37 8,38 8,19 8,17 8,04 7,31 8,58 8,41 8,17 7,51 7,74 7,89 7,60 788 8,13 7,98	2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,4 2,0 1,4 1,0 1,4 1,4 1,4 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,6 1,4	0,35 0,35 0,35 0,35 0,31 0,31 0,31 0,31 0,25 0,31 0,25 0,04 0,17 0,17 0,20 0,07 0,11 0,09 0,09 0,11 0,25 0,23

123 4 5

Воспользуйтесь поиском по сайту: