Юрьев - Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем

Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем. 2001.

В справочнике приводятся данные, необходимые для расчета гидравлических и вентиляционных сетей. Эти данные, представленные в виде диаграмм, графиков и формул, включают коэффициенты гидравлического сопротивления различных трубопроводов и запорно-регулирующих элементов гидравлических и вентиляционных сетей, характеристики насосов и вентиляторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями. Приводятся методики и примеры расчетов, сортаменты труб и арматуры, используемых на практике, а также существующие госты и нормативные документы. Справочник предназначен для специалистов, занимающихся проектированием, монтажом и эксплуатацией гидравлических и вентиляционных систем, а также будет полезен исследователям, преподавателям, аспирантам и студентам технических вузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий справочник должен стать практическим пособием для производственников и всех, кто по роду деятельности решает инженерные задачи, требующие знаний основ гидравлики и аэродинамики. Сейчас трудно найти отрасль техники, не связанную в той или иной мере с необходимостью расчетов, показывающих зависимость движения жидкостей и газов по трубам в различных аппаратах от сопротивлений и многих других препятствий. Различные жидкости (газы) используются в качестве рабочего тела во многих технических системах и технологических процессах.

При этом они могут находиться в состоянии относительного покоя в различного рода резервуарах, ресиверах, водохранилищах, баллонах, в топливных баках самолетов, ракет, автомобилей, в железнодорожных цистернах или двигаться по различным трубопроводам, образующим гидравлические (газовоздушные) сети различной протяженности и сложности.

В одних случаях эти сети состоят в основном из трубопроводов большой протяженности с незначительным числом запорных и регулировочных устройств (нефте-, газо-, паро-, водопроводы), в других ­ это сложные гидравлические (газовоздушные) системы с большим числом фасонных узлов различного назначения, в третьих ­ они представляют единые агрегаты (теплообменники, котлы, двигатели, газо- и воздухоочистные аппараты).

Для решения одной из важнейших задач газогидродинамики ­ определения потерь энергии (напора) движущимися в сетях жидкостями (газами) ­ необходимо уметь правильно определять гидравлические (аэродинамические) сопротивления. В обеспечении выгодных с точки зрения энергозатрат режимов работы сетей важную роль играет правильный BЫ­ бор для них насосной или вентиляционной установки. Эти задачи приходится решать как на этапе проектирования гидравлических (газовоздушных) сетей, так и в процессе их эксплуатации и ремонта. Последнее является особенно важным, так как порой незначительные отклонения от исходной геометрии сети, вызванные неточностью изготовления и монтажа заменяемых элементов, изменением их взаимного расположения, а также различноrо рода отложениями на внутренних стенках трубопроводов, могут привести к изменению характера движения жидкости и существенным изменениям основных параметров сети.

Стремление собрать в одной книге материалы, необходимые специалистам для оценки сопротивления гидравлических (газовоздушных) сетей, состоящих из участков самых разнообразных конфигураций, для правильного подбора насосных (вентиляторных) установок, а также данные об их основных характеристиках, определило основное содержание справочника. При этом изложение теоретических основ, необходимых для правильного понимания протекающих в сетях физических процессов, приводится в объеме, на наш взгляд, достаточном для того, чтобы читатель мог совершенно самостоятельно разобрать любой вопрос газогидродинамики, встречающийся в инженерной практике.

Составители ни в коей мере не претендуют на авторство всех материалов, включенных в справочник, так как большая часть справочных материалов и изложение некоторых теоретических вопросов по гидравлике и вентиляции с минимальными изменениями и добавлениями включены в том виде, в каком они представлены в первоисточниках, указанных в соответствующих ссылках на использованную литературу. Такой подход обусловлен рядом причин. Так, например, переработка данных, представленных в «Справочнике по гидравлическим сопротивлениям» И. Е. Идельчика в виде диаграмм, пояснений к ним и практических рекомендаций, нецелесообразна, так как, по мнению составителей, форма их представления является совершенной и наиболее удобной при использовании. Кроме того, coxpaнeние представленных данных в форме, привычной для тех, кто ранее пользовался этим справочником, не потребует изменения навыков работы с ними. По этим же причинам, а также в силу разнообразия представленных в справочнике материалов, составители отказались от единой системы условных обозначений, оставив в разделах те обозначения, которые обычно используются в специальной литературе.

Эти условные обозначения приводятся в начале каждого раздела. Справочник состоит из четырех разделов и приложений в конце каждого из них. В первом разделе приводятся общие сведения по гидравлике, включающие справочные сведения по физико­ механическим свойствам наиболее распространенных жидкостей и газов, основные теоретические положения и уравнения газогидродинамики, законы ламинарного и турбулентного трения при движении жидкости по трубам, рассмотрены особые случаи движения жидкостей (гидроудар, истечение, кавитация). Материал подразделов 1.1 ­ 1.6 позволяет проводить расчеты простых и сложных гидравлических систем с использованием диаграмм гидравлических сопротивлений, приведенных в подразделах 1. 7 - 1. 8, составленных по материалам справочника И. Е. Идельчика.

В Подразделе 1.9. приведены опытные данные о гидравлическом сопротивлении развитых компактных поверхностей теплообмена в виде графической зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса (в форме таблиц). Здесь же приведены зависимости безразмерного коэффициента теплоотдачи (числа Стантона) от числа Рейнольдса. Приведенные данные позволяют осуществлять расчеты и проектирование малогабаритных теплообменных аппаратов, которые нашли широкое применение в самых разнообразных областях техники (от компьютера до летательного аппарата). Во втором разделе справочника излагаются общие сведения о насосах и насосных установках: в соответствии с гостами классификация насосов, принцип действия, устройство и конструкция различных типов насосов, paссматриваются вопросы маркировки, приводятся технические показатели некоторых насосов, выпускаемых отечественной промышленностью и некоторыми иностранными фирмами.

В приложении к этому разделу приводится список гостов и нормативных документов по насосам и насосному оборудованию, утвержденных и действующих на 01.01.2001 r.

В третьем разделе рассматриваются вопросы, связанные с гидравлическими расчетами различных типов систем перекачки жидкости и газа, а также с монтажом насосных установок и комплектованием их элементами электрооборудования. Здесь кратко изложены вопросы эксплуатации насосов, возможные неисправности и способы их устранения; рассмотрены требования к противопожарному водоснабжению различных объектов. В приложениях к третьему разделу приводится сортамент труб и гидравлической запорнорегyлировочной арматуры, широко используемых на практике.

Четвертый раздел посвящен газодинамическому расчету систем вентиляции. В нем представлена классификация систем вентиляции по назначению, способам перемещения Воздуха и способу организации воздухообмена в соответствии с требованиями гостов, достаточно подробно рассмотрены различные виды систем вентиляции с многочисленными примерами их расчетов. В этом разделе приводятся методики расчета потребного воздухообмена производственных, жилых и общественных помещений. Подробно излагается методика и приводятся формулы для газодинамического расчета воздуховодов при различных типах их соединений, а также даются примеры газодинамических расчетов систем естественной и механической вентиляции. Особое внимание уделяется описанию особенностей применения различных типов вентиляторов, подбору вентиляторов и электродвигателей к ним, а также мерам по снижению уровня шума вентиляторных установок. Рассмотрены вопросы эксплуатации систем вентиляции и требования противопожарной безопасности. Приложения включают госты, СНиПы и другие нормативные документы по вентиляторам и вентиляционным системам, технические параметры и аэродинамические характеристики типовых вентиляторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, параметры воздуховодов и вентиляционного оборудования. В конце каждого раздела приводится перечень используемой и рекомендуемой литературы, в которой более подробно излагаются вопросы, затронутые в справочнике.

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлика ­ наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и способы применения этих законов к решению инженерных задач. Однако такое представление о гидравлике отражает лишь исторический характер. Круг задач, решаемых этой наукой в настоящее время, выходит далеко за пределы такого представления: помимо задач о движении жидкостей в трубопроводах, он включает также задачи о прохождении жидкостей через различные устройства гидравлических систем (клапаны, запорные и регулирующие устройства, различноrо типа насосы, служащие для перемещения жидкостей: гидроприводы, гидроусилители и т.п.) И водопроводящих гидротехнических сооружений, задачи движения грунтовых вод. Со времен своего зарождения гидравлика развивалась независимо от теоретической гидромеханики, развитие которой главным образом проходило в математическом направлении на основе исследования движения лишенной Трения, так называемой идеальной жидкости. Разрыв между теоретической гидромеханикой и практической гидравликой тормозил развитие науки о движении жидкости. Сближение этих направлений следует отнести ко второй половине XIX и началу хх веков. Существенную роль в этом сыграла теория размерности и подобия, которую применительно к движению жидкостей развил О. Рейнольдс (1883), доказавший существование двух режимов движения жидкостей ламинарного и турбулентного. Этим самым быта усилена научная база практической гидравлики, позволившая обобщить многочисленные экспериментальные данные и сделать важные выводы.

В настоящее время продолжается дальнейшее сближение теоретической и экспериментальной гидравлики, которое стало особенно плодотворным благодаря применению вычислительной техники. Возможности современных ЭВМ значительно расширили круг практических задач, решаемых методами теоретической механики жидкостей и газов, поэтому изложению теоретических основ газогидромеханики в этом разделе уделено б6льшее внимание, чем это традиционно принято в справочной литературе. Одной из важнейших задач гидравлики, связанной с изучением законов движения вязкой жидкости, является определение потерь энергии (напора) движущейся жидкостью, изучение законов падения давлений и определение гидравлических сопротивлений в трубопроводах и других устройствах при протекании по ним жидкостей или при их обтекании.

Величина этих потерь зависит от физико-механических свойств самих жидкостей и газов, от геометрии гидравлических сетей и устройств, их состояния, определяемого материалом, способом изготовления и условиями эксплуатации, а также физическими процессами, протекающими при движении жидкостей через них. Рассмотрению этих вопросов посвящен настоящий раздел, в котором приводятся (п.п. 1.1 ­ 1.6) общие сведения по гидравлике, включающие справочные сведения по физикомеханическим свойствам наиболее распространенных жидкостей и газов, основные теоретические положения и уравнения газогидромеханики, основы теории газогидродинамического подобия, законы ламинарного и турбулентного тpeния при движении жидкости по трубам, рассмотрены особые случаи движения жидкостей (гидроудар, истечение, кавитация). Материал параграфов 1.1 - 1.6 позволяет проводить приближенные оценочные гидравлические расчеты простых систем без обращения к диаграммам гидравлических сопротивлений реальных трубопроводов и трубопроводной apматуры. В то же время, содержание этих параграфов является необходимой теоретической базой, обеспечивающей понимание пояснений и практических рекомендаций и правильное использование диаграмм гидравлических сопротивлений, приведенных в параграфах 1.7 -1.8 (основу этих параграфов составляют материалы справочника И. Е. Идельчика, дополненные сведениями о гидравлических сопротивлениях и коэффициентах теплоотдачи компактных развитых поверхностей теплообмена), при проведении точных расчетов сложных гидравлических систем.

Раздел 1

ГИДРАВЛИКА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕСОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1. ФИЗИКО­МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Жидкость, как и всякое физическое вещество, имеет дискретное строение и состоит из мельчайших частиц  молекул, атомов и т.д. Эти частицы, находясь в непрерывном тепловом движении, притягиваются друг к другу и сцепляются между собой или, наоборот, отталкиваются друг от друга. Силы притяжения и отталкивания действуют одновременно во всех жидкостях. Преобладание тех или иных сил зависит от расстояния между молекулами, а также от скоростей их относительного движения.

Различают два вида жидкостей: капельные и газообразные. Капельные жидкости (в дальнейшем для краткости ­ жидкости) представляют собой жидкости в общепринятом понимании этого слова ­ вода, нефть, керосин, машинные масла и т. д. газообразные жидкости (газы): воздух, пары капельных жидкостей, различные технические газы обладают, наряду с общими свойствами капельных жидкостей, рядом свойств, отличающих их от капельных жидкостей. Так, например, молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, отличающемся от такого движения в газах. В жидкостях это движение представляет собой сочетание колебаний с частотой 1013 гц около мгновенных центров со стохастическим скачкообразным переходом от одного центра к другому. Тепловое движение молекул газа ­ постоянная скачкообразная перемена мест. В газах молекулы в среднем отстоят сравнительно далеко друг от друга и имеют большие скорости поступательного (теплового) движения. Поэтому межмолекулярные силы в газах незначительны, вследствие чего при отсутствии внешних сил молекулы газа более или менее равномерно распределяются по всему предоставленному им объему.

С уменьшением расстояния между молекулами силы межмолекулярного взаимодействия быстро увеличиваются. В жидкостях эти силы становятся настолько большими, что обусловливают ряд явлений, не свойственных газам. Так, например, жидкость занимает часть объема, образуя свободную поверхность, силы поверхностного натяжения определяют такое явление как капиллярность. В невесомости жидкость под влиянием сил молекулярного притяжения стремится принять форму шара и т. д. В то же время диффузия молекул жидкостей и газов обусловливает их общее свойство - текучесть. Поэтому термин «жидкость» принимают для обозначения и капельных жидкостей (несжимаемые, малосжимаемые жидкости), и газов (сжимаемые жидкости). В механике жидкостей и газов их в большинстве практических случаев рассматривают как сплошные среды (континиумы), непрерывно распределенные в занимаемом ими объеме, как бы забывая об их дискретной структуре (гипотеза сплошности).

1.1.1. Модель сплошной среды. Свойства и параметры, характеризующие модель сплошной среды

Допустимость предположения о сплошности среды следует из рассмотрения числовых значений некоторых величин, характеризующих реальные жидкости и газы, а именно: количества молекул в единице объема, размеров молекул, средних расстояний между ними и длин свободного пробега молекул. На основании закона Авогадро установлено, что при <<нормальных» атмосферных условиях на уровне океана (температуре 15 ос и давлении 760 мм ртутного столба) в одном кубическом сантиметре воздуха содержится 2,7 . 1019 молекул. (Жидкости, имеющие большие плотности, чем газы, содержат еще большее количество молекул в таком же объеме ­ 3,4' 1022). При этом средний диаметр молекулы воздуха, если ее принять за шар, имеет величину порядка 3 . 1 0­8 см, а среднее расстояние между молекулами и длина свободного пробега молекулы составляют 10­7CM и 10­6CM соответственно огромное число молекул в кубическом сантиметре, достаточно малые их размеры и расстояния между ними дают основание пренебречь дискретностью газов (тем более жидкостей) и считать, что они непрерывным образом заполняют весь занимаемый ими объем. Действительно, если представить себе исчезающе малый объем воздуха (например, 0,001 мм 3), то в нем, несмотря на его малость, все-таки будет содержаться 2,7 . 1013 молекул. Из-за малости длины свободного пробега молекулы следует ожидать, что все изменения, происшедшие с ней, не замедлят сказаться на ближайших молекулах, т. е. возмущения, возникшие в какой-либо точке пространства, занимаемого жидкостью, будут передаваться в соседние точки. При этом можно считать, что величины, претерпевшие возмущения, будут меняться непрерывным образом.

Рассуждая таким образом, мы пришли к модели сплошной среды. Важным понятием в модели сплошной среды Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем является понятие частицы среды. Частица - это бесконечно малый объем сплошной среды, сохраняющий все ее свойства. Частицы имеют объем, форму и массу, они непрерывно примыкают друг к другу, образуя сплошную среду. Введение модели сплошной среды и понятия частицы позволило для исследования движения газов широко применять хорошо разработанный в математике аппарат дифференциального и интегрального исчислений. В выявлении свойств всех жидкостей и макроскопических параметров, характеризующих эти свойства и являющихся средним результатом микроскопических процессов, большую роль сыграла молекулярно-кинетическая теория и практический опыт. Этими свойствами должна быть наделена введенная на основании гипотезы сплошности модель сплошной среды. Полнота учета этих свойств определяет достоверность и адекватность получаемых с помощью модели сплошной среды результатов. Все свойства, которыми наделяется модель сплошной среды, можно условно разделить на три группы, связанные соответственно с понятиями силы, массы и энергии.