Воздухопровод

Воздухопровод

ВОЗДУХОПРОВОД служит для подачи сжатого или разреженного воздуха. Для промышленных целей применяется воздух, сжатый до 4—10 atm, и в исключительных случаях - до 15 atm. Для главной (магистральной) линии воздухопровода применяются железные и чугунные трубы, для ответвлений - газовые. Трубы соединяются при помощи раструбов или муфт. Соединение воздухопровода с пневматическими машинами и приборами осуществляется специальными резиновыми шлангами (трубами), концы которых присоединяются к ответвлениям воздухопровода посредством затяжных хомутов или соединительных гаек. Для лучшего отвода скапливающейся воды воздухопровод проводится с уклоном от 0,003 до 0,005. В том случае, если воздухопровод проводится под землей, он прокладывается на глубине 0,6—1,75 м в зависимости от климатических условий. В наиболее низких местах воздухопровода для отвода воды ставятся конденсационные горшки или спускные краны.

Зависимость между падением давления, количеством проходящего по воздухопроводу воздуха, диаметром труб и скоростью движения потока м. б. точно установлена по основным законам термодинамики и гидравлики. Работа трения при прохождении 1 кг воздуха по воздухопроводу длиной l и диаметром d выражается уравнением:

Vozduhoprovod 1

где R' - сила трения 1 м2 внутренней поверхности трубы и γ - удельный вес воздуха.

Сопротивление трения вызывает падение первоначального давления р1 до величины р2. В трубопроводах с малым падением давления можно пренебречь работой расширения воздуха и считать, что работа трения равняется работе давления, т. е.

Vozduhoprovod 2

При скоростях движения воздуха выше критической, что имеет место во всех случаях практики, движение потока воздуха будет вихревым. Критическая скорость воздуха зависит от температуры, диаметра трубопровода и давления. В табл. 1 дается критическая скорость воздуха при температуре = 20°.

Критическая скорость воздуха при температуре = 20°

При вихревом движении R' зависит от квадрата скорости потока воздуха и его удельного веса. Считая 4R' = 10000∙β∙γ∙w2, будем иметь:

Vozduhoprovod 4

или, выражая потерю давления в метрах воздушного столба, получим основное уравнение для расчета воздухопровода:

Основное уравнение для расчета воздухопровода

где 10000β = λ/2g, или 108β = 510λ

Уравнение (3) дает зависимость между падением давления в трубопроводе h, его длиной l, диаметром d и скоростью w потока воздуха. По диаметру и скорости легко определяется количество воздуха, протекающего в единицу времени. Входящий в уравнение (3) коэффициент λ не является постоянным, а зависит от w, d, γ, от внутреннего трения частиц воздуха, т. е. вязкости μ, и в большой степени от шероховатости внутренней поверхности трубопровода. Вводя значение динамической вязкости v = μg/ϒ , мы можем считать, что λ = f(w, d, v). Функциональная зависимость λ была определена Рейнольдсом (Reγnolds) в форме:

Vozduhoprovod 6

отсюда следует, что для газа и жидкости, например, для воздуха и воды, при различных значениях w, d, v коэффициент λ будет одинаков в том случае, если параметр Рейнольдса (w∙d/v) для воздуха будет равен параметру (w’∙d’/v’) для воды. Определяя опытным путем для отдельных сортов труб значения λ, при различных значениях (w∙d/v), мы получим для каждого сорта трубы кривую изменения λ, при изменении (w∙d/v) не зависящую от вещества протекающего по трубе потока, т. е. одного и того же значения как для капельных жидкостей, так и для газов. Это замечательное свойство параметра Рейнольдса дает возможность объединить в одно целое результаты всех опытных работ в области течения потока по трубопроводу независимо от того, с какой жидкостью или с каким газом производились исследования. Результаты этих исследований приведены на помещенной ниже диаграмме.

Vozduhoprovod 7

Изменения λ протекают по закону гиперболы. Омбек дает следующее значение:

Vozduhoprovod 8

Для определения параметра Рейнольдса необходимо знать величину вязкости μ, зависящей от температуры. В физике вязкость μ выражается по абсолютной системе измерений; в данном случае надо вязкость выразить в технической системе. Легко определить, что μтехн.= μабс./9,81, а, следовательно,

Vozduhoprovod 9

и

Vozduhoprovod 10

Значения абсолютной вязкости для воздуха даются в табл. 2.

Значения абсолютной вязкости для воздуха

Рассмотрение диаграммы показывает, что для гладких труб (цельнотянутых калибрированных) при увеличении параметра (w∙d/v) коэффициент λ неограниченно уменьшается. Для труб с шероховатой поверхностью сопротивление движению потока, вызываемое неровностями стенок труб, не может исчезнуть с увеличением (w∙d/v); поэтому для труб с шероховатой внутренней поверхностью с увеличением (w∙d/v) коэффициент λ будет стремиться к конечному пределу λ; для шероховатых поверхностей кривые λ диаграммы имеют горизонтальные асимптоты (показанные на диаграмме пунктиром) на расстоянии λ от оси абсцисс. Из сказанного следует, что уравнение λ для шероховатых труб будет иметь следующий вид:

Vozduhoprovod 12

При расчете воздухопровода необходимо принимать во внимание потери давления при прохождении воздушного потока через вентили, отводы, угольники и компенсаторы; необходимо также учитывать изменения давления в местах соединения труб. Исследования Брабе (Вгаbee) показали, что в этих случаях давления изменяются пропорционально квадрату скорости; это падение давления м. б. выражено высотой столба Δh = ξ∙w2/2g. Для нормальных вентилей ξ = 6,5—7; для угольников ξ = 1,5—2; для отводов в 90°, при радиусе закругления r > 5d, ξ  = 0. Для расчета все местные сопротивления заменяются приведенной длиной l’ трубопровода, на основе соотношения:

Vozduhoprovod 13

откуда приведенная длина

Vozduhoprovod 14

Полученные приведенные длины суммируются с геометрической длиной воздухопровода, и по полученной суммарной длине ведется расчет.

Для очень длинных воздухопроводов предположение о незначительности работы расширения проходящего по трубопроводу воздуха будет неверно. Для этого случая, при адиабатическом процессе, максимальная длина воздухопровода, при которой еще возможно осуществить начальную скорость w1, определяется по уравнению:

Vozduhoprovod 15

где Vozduhoprovod 16 и является квадратом начальной скорости распространения звука в воздухе. При полученной длине lmах скорость потока воздуха в конце трубопровода будет равна скорости звука. Давление в конце воздухопровода

Vozduhoprovod 17

Если противодавление в конце воздухопровода будет больше pmin, то скорость w1 вообще не будет достигнута. Для расчетов воздухопроводов длиной от 1/3 до 1/4 lmax применяются обычные расчетные уравнения (2), (3) и (4). Для воздухопроводов длиной до 0,8 lmах потеря давления м. б. весьма точно определена по уравнению:

Vozduhoprovod 18

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.