Аэродинамический расчет воздухопровода

Аэродинамический расчет отличается от гидравлического только тем, что в аэродинамическом расчете учитывается сжимаемость нагнетаемой среды.

Цель аэродинамического расчета состоит в определении диаметров всасывающего, нагнетательного, подающего и магистрального трубопроводов. Кроме того, на основании этого расчета определяется расчетное давление нагнетания воздуха компрессорами станции.

Сечение любого воздухопровода определяется с помощью уравнения неразрывности (расхода):

,

откуда находится внутренний диаметр D _вн , м, трубопровода круглого сечения:

, (13.2)

где Q – объемный расход воздуха в трубопроводе, м³/с; w _опт – оптимальная скорость течения воздуха в нем, м/с.

Для всасывающего трубопровода за расчетный объемный расход принимается объемная производительность компрессорной установки Q _вк.

Для нагнетательного и магистрального трубопроводов объемный расход необходимо вычислять с учетом сжимаемости газа. Для этого по условиям всасывания определяется массовая производительность компрессора G _к, кг/с:

, (13.3)

где плотность воздуха r_вк, кг/м³, вычисляется по параметрам на всасывании:

. (13.4)

Здесь параметры с индексом "ноль" относятся к стандартным условиям для воздуха: T ₀ = 273 К; P ₀ = 0,1013 МПа; r₀ = 1,293 кг/м³.

Далее для каждого нагнетательного трубопровода (если их несколько) и для каждого участка сети рассчитываются средние объемные расходы, соответствующие средним параметрам воздуха на этих участках: P _ср, T _ср, r_ср.

Так как к началу расчета неизвестно давление нагнетания, которое зависит от сопротивления сети, то аэродинамический расчет ведется методом последовательных приближений. При этом изменением температуры воздуха в трубопроводах пренебрегают, т.е. T _ср = T _кс = T _п, где T _кс и T _п – температуры воздуха в нагнетательном трубопроводе КС и коллекторе потребителя соответственно.

Давление в коллекторе компрессорной станции P _кс в первом приближении определяется как сумма давления у потребителя P _п и потерь давления в воздушной магистрали D P _с, величина которых не должна превышать 0,05 МПа:

P _кс = P _п+D P _с. (13.5)

В первом приближении гидравлические потери в воздухопроводе оцениваются с помощью усредненных удельных потерь давления и приведенной длины трубопровода. Значения этих потерь выбираются в диапазоне D P _уд = 40 – 70 Па/м (чем больше расход, тем меньше значение D P _уд).

Приведенная длина трубопровода l _пр первоначально оценивается по соотношению: l _пр= (1,05 – 1,2) l _тр, где l _тр – суммарная длина прямых участков трубопровода, м. Числовой коэффициент учитывает влияние местных сопротивлений (чем короче трубопровод, тем коэффициент больше).

Тогда общие потери давления в воздушной сети D P _с, Па, составят:

, (13.6)

а среднее давление в сети в первом приближении может быть принято:

. (13.7)

Далее для этого давления вычисляются плотность r_ср, кг/м³, и объемный расход воздуха в магистрали Q _ср, м³/с:

; (13.8)

, (13.9)

где n _к – число компрессоров, работающих на данную магистраль.

Задаются значением экономически оптимальной скорости потока w _опт=12-15 м/с и определяется расчетный внутренний диаметр трубопровода , м:

. (13.10)

По ГОСТу подбирается труба с подходящим диаметром и толщиной стенок. Оцениваются ее абсолютная D (0,8–1,0 мм) и относительная шероховатости (м/м).

По уравнению расхода вычисляется фактическая средняя скорость воздуха в трубопроводе w _ср, м/с:

. (13.11)

Далее определяются режимы течения и границы применимости формул расчета коэффициентов трения:

; ; ,

где m_в – коэффициент динамической вязкости воздуха, зависящий от его температуры, Па×с, определяется по справочнику, например [8].

Рассчитываются коэффициенты трения – l. Например, если , то по формуле Шифринсона [8]

. (13.12)

Уточняется приведенная длина трубопровода l _пр, м, по которому подается воздух от КС до потребителя:

(13.13)

где S l _экв – суммарная эквивалентная длина местных сопротивлений магистрали (отводы, задвижки, тройники и пр.), м, вычисляется по соотношению

. (13.14)

Здесь z_м.с – коэффициенты местных сопротивлений, значения которых принимаются по справочникам [1, 3, 4, 9 и др.].

Вычисляется уточненное значение падения давления в магистрали D P _с, Па, по формуле Дарси:

. (13.15)

Определяется действительное давление воздуха в начале магистрали, т.е. за компрессорной станцией P _кс, МПа:

. (13.16)

Уточняется среднее давление воздуха в магистрали по формуле (13.6) или по соотношению:

. (13.17)

По формуле (13.8) вычисляется новое значение средней плотности воздуха r_ср, которое сравнивается с ранее полученным значением.

Достоверность расчета оценивается по величине расхождения значений средней плотности. Если оно превышает 2,5 %, то расчет повторяют, начиная с формулы (13.9).

После достижения заданной точности, полученное значение давления P _к.с по формуле (13.16) считается фактическим и в дальнейшем (с учетом потерь давления в системе осушки воздуха) используется для определения давления нагнетания компрессора.

Конструкции воздушных сетей

Сети сжатого воздуха подразделяются на межцеховые и внутрицеховые.

Межцеховые – это сеть трубопроводов, проведенная от сборного коллектора компрессорной станции до ввода в цеха. Эти сети прокладывают по радиальной (тупиковой) схеме. Она должна быть рациональной и должна иметь минимальные утечки и потери давления. Прокладка воздухопроводов и расстановка на ней арматуры должна обеспечивать возможность проведения ремонтных работ, связанных с заменой арматуры и ликвидацией аварийных ситуаций, без остановки работы компрессорных установок.

Наиболее надежной считается схема, когда каждая компрессорная установка работает на своего потребителя через индивидуальную магистраль. Но чаще используется параллельная работа компрессоров на сборный коллектор.

Применяется надземная и подземная прокладка воздухопроводов.

Надземная прокладка осуществляется на эстакадах и лотках.

Подземная – в каналах или траншеях ниже глубины промерзания грунта.

На территории предприятия целесообразно прокладывать сеть сжатого воздуха совместно с тепловыми сетями (желательно в общей теплоизоляции).

При работе компрессорной станции в трубопроводах возникают температурные деформации, для восприятия которых предусматривают различного типа компенсаторы (см. рис. 13.1). Предпочтение следует отдавать естественной компенсации, когда воздухопровод прокладывают не по прямой линии, а с несколькими поворотами на 90 градусов. В этом случае используются подвижные и неподвижные опоры трубопроводов (см. рис. 13.2).

 

Рис. 13.1. Конструкции компенсаторов:

а, б – линзовые; в – П-образный; г – лирообразный

 

На воздухопроводах с давлением свыше 0,8 МПа компенсаторы обычно не ставят, необходимая эластичность трубопровода обеспечивается самокомпенсацией.

В воздухопроводах не должно быть зон, где могут скапливаться конденсат и масло. Для этого трубопроводы должны иметь уклон не менее 0,003 в сторону движения воздуха. В наиболее низких местах сети, в теплом месте на входе в цех размещаются дренажные устройства или влагоотделители с возможностью продувки системы. Периодически (1 раз в месяц) необходимо проводить промывку и продувку воздухопроводов.

Соединение трубопроводов осуществляется качественной сваркой. Фланцы используются только в местах присоединения арматуры и измерительной аппаратуры. Количество таких мест должно быть минимальным.

Прокладки для фланцевых соединений изготавливают из паронита при давлениях воздуха до 1,2 – 1,5 МПа. При более высоких давлениях используют металлические прокладки.

Конструкции опор для трубопроводов зависят от расположения труб. В непроходных каналах и других труднодоступных местах при отсутствии поперечных перемещений применяют скользящие опоры (рис. 13.2, а, г).

При прокладке трубопроводов под перекрытиями при обеспечении свободы их продольного и поперечного перемещения применяют подвесные опоры (см. рис. 13.2, б). В точках жесткого крепления трубопровода, при необходимости воспринимать осевые усилия, применяют неподвижные опоры (см. рис. 13.2, в, д, е).

 

 

Рис. 13.2. Конструкции опор для трубопроводов:

а – скользящая; б – подвесная; в – хомутовая; г – катковая; д — приварная; е — упорная

При прокладке трубопроводов под перекрытиями при обеспечении свободы их продольного и поперечного перемещения применяют подвесные опоры (см. рис. 13.2, б). В точках жесткого крепления трубопровода, при необходимости воспринимать осевые усилия, применяют неподвижные опоры (см. рис. 13.2, в, д, е).

Расстояние между опорами обычно принимают от 3 до 7 м. Допустимый крайний пролет трубопровода принимается в размере 80 % от величины среднего пролета. Поверочным прочностным расчетом проверяется величина прогиба трубопровода (как многоопорной балки), которая не должна превышать максимально допустимого.

Одним из рациональных способов монтажа межцеховых воздушных сетей считается прокладка "пилой" (см. рис. 13.3). В такой схеме воздух подается последовательно от цеха к цеху, на входе в которые установлены масловлагоотделители с возможностью продувки магистрали. Подача воздуха во внутрицеховую сеть осуществляется уже после прохождения воздухом влагомаслоотделителей.

 

Рис. 13.3. Схема прокладки межцехового воздухопровода методом "пила"

 

Внутрицеховые сети сжатого воздуха начинаются от ввода воздуховода в цех. При прокладке внутрицеховой сети используется кольцевая схема. Такая схема обеспечивает более надежное снабжение потребителей сжатым воздухом, хотя она и дороже тупиковой сети.

Узел ввода в цех оборудуется задвижками, отсоединяющими цех от межцеховой сети, манометрами, измерительной шайбой для измерения расхода воздуха (см. рис. 13.4).

 

 

Рис. 13.4. Схема узла ввода в цех:

1 – измерительная диафрагма: 2 – дифманометр; 3 – редукционный клапан; 4 – манометры; 5 – масловодоотделитель

 

 

Контрольные вопросы

1. Назовите главные и вспомогательные воздухопроводы компрессорной станции?

2. Какие требования предъявляются к всасывающему трубопроводу?

3. Какие виды потерь энергии наблюдаются в системе транспортирования сжатого воздуха?

4. Что представляют собой тепловые потери энергии в воздухопроводе?

5. Что является причиной гидравлических (аэродинамических) потерь энергии в воздухопроводе?

6. Приведите значения экономически оптимальной скорости воздуха в трубопроводе (при давлениях до 1,0 МПа)?

7. Какова цель аэродинамического расчета нагнетательного и магистрального воздухопровода?

8. Чем отличаются гидравлический и аэродинамический расчеты?

9. Как прокладываются межцеховые сети сжатого воздуха?

10. Как компенсируются температурные деформации воздухопроводов?

11. Какими приборами оснащается узел ввода сжатого воздуха в цех?

12. Какие конструктивные мероприятия предусматриваются в воздушной сети для предотвращения накопления в ней конденсата воды и масла?

13. Каким способом осуществляется соединение труб при прокладке межцеховах воздухопроводов?

14. Какая запорная арматура используется в воздушных сетях?