Рассмотрим классификацию трубопроводов по следующим
характерным признакам:
1. По функциональному назначению трубопроводы подразделяют на
– всасывающие;
– нагнетательные.
2. С конструктивной точки зрения трубопроводы подразделяют на:
– простые;
– сложные;
– короткие;
– длинные.
Простыми называют трубопроводы, не имеющие ответвлений и обслуживающие только одну точку Þ x.
Причем, диаметр трубы, а также расход жидкости на всей длине трубы остается неизменным.
Сложные трубопроводы делятся на тупиковые, параллельные и кольцевые.
Тупиковые состоят из магистрального (главного) трубопровода, от которого в разные стороны отходят ответвления к потребителям.
Параллельные состоят из нескольких параллельно проложенных трубопроводов, связанных между собой перемычками с регулирующими задвижками.
Кольцевые представляют собой замкнутую сеть труб, что обеспечивает подачу воды в любом направлении. При аварии на каком-либо участке подача воды потребителю не прекращается.
Короткими называют трубопроводы, которые имеют значительные местные сопротивления по сравнению с линейными (путевыми).
Длинными называют трубопроводы, у которых доминируют потери напора по длине трубопровода; местными потерями и скоростным напором пренебрегают.
2. Система уравнений и задачи гидравлического
расчета трубопроводов
Гидравлический расчет трубопроводов основан на следующих уравнениях, формулах и зависимостях:
– уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости
; (1)
– уравнение неразрывности для установившегося потока жидкости
(уравнение расхода):
; (2)
– формула Дарси-Вейсбаха для учета потерь на трение (по длине трубопровода):
; (3)
– формула для учета местных потерь:
; (4)
– формула Шези при расчете длинных трубопроводов:
или 
, (5)
где  –
| коэффициент Шези; |
| n – | коэффициент шероховатости; |
| R – | гидравлический радиус; |
| y – | показатель степени, у = f(n, R). |
Обозначим в формуле (5) через 
, получим
, (6)
где K – расходная характеристика (модуль расхода), представляющая собой расход при гидравлическом уклоне, равном единице;
– формула для определения гидравлического уклона (удельных потерь напора по длине):
(7)
или по формуле Дарси-Вейсбаха (3):
.
Заменяя скорость u на расход Q, из уравнения расхода 
получим
. (8)
Обозначим 
– удельное сопротивление трубопровода, получим
. (9)
Тогда
, (9а)
| где S – | линейное сопротивление трубопровода. |
Найдем связь между K и A из формул (6 и 8):
или 
.
Подставляя значение i из формулы (8), получим
. (10)
Из выражений (10 и 9), находим
. (11)
Тогда потери по длине определяются по формуле
. (12)
Учитывая, что 
, получим
.
Обозначим 
, получим:
, (13)
| где Р – | проводимость, выражающая собой расход жидкости при h тр = 1. |
Сравнивая выражения (9) и (13), найдем связь между P и S.
Из выражения (9а) имеем 
,
тогда:
или 
. (14)
Значения A и K приводятся в таблицах.
Общая задача гидравлического расчета трубопроводов заключается в определении диаметров труб для пропуска заданного расхода воды и напора, необходимого для подачи воды ко всем точкам водоразбора при оптимальных затратах.
Оптимальные затраты учитывают расход средств на строительство и эксплуатацию трубопровода.
Например, если принять при расчете высокие скорости движения воды, то за счет этого уменьшаются диаметры труб, но увеличиваются потери напора по длине, что приводит в процессе эксплуатации к большим затратам электроэнергии.
Рекомендации по выбору оптимальных скоростей движения жидкости в трубопроводах приводятся в СНиПах.
При решении инженерных задач четыре величины – расход Q, скорость v, диаметр трубопровода d и потери напора h – являются переменными и взаимозависимыми.
Их связывают между собой уравнения Бернулли и неразрывности (расхода), потери по длине трубопровода и на местных сопротивлениях, которые учитываются по формулам (3 и 4) соответственно.
Определенность при решении задач гидравлического расчета трубопроводов достигается при следующих условиях:
1. Задается расход воды.
2. Принимаются оптимальные скорости движения воды.
Наряду с общей задачей гидравлического расчета трубопроводов решаются следующие частные задачи:
1. Проверяется пропускная способность трубопровода при заданных значениях диаметров труб и напора.
2. Определяется напор при заданных значениях диаметров труб и расхода воды.
Рассмотрим определение напора по схеме, представленной на рис. 1.
  |
Рис. 1
Применяя уравнение Бернулли, для сечений 1–1 и 2–2 запишем:
, (15)
где 
| 0; |
| z; |
|  , так как величина скоростных напоров городского водопровода мала и ею можно пренебречь (v 1 » v 2) (на практике эта разность – около 5 см).
|
Тогда уравнение (15) примет вид
, (16)
где  –
| величина пьезометрического напора в сечении 1–1.Он расходуется на подъем воды на высоту z и на преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводе h 1-2; |
 –
| свободный напор, необходимый для преодоления местного сопротивления клапана 1 и создания скорости излива воды в бак. |
Свободный напор в местах водоразбора принимается в пределах 1…4 м и обозначается Н св.
Тогда уравнение Бернулли (16) можно записать так:
. (17)
Для определения напора в любом сечении трубопровода необходимо знать:
– разность геометрических отметок z между наиболее высоко расположенным водоразбором и данным сечением потока; если точка потребления расположена ниже заданного сечения, то z принимается со знаком минус;
– величину свободного напора Н св в высшей точке водоразбора;
– величину потерь напора на гидравлических сопротивлениях по пути движения воды от заданного сечения до наиболее удаленной точки водоразбора.
Так как разность отметок z и свободный напор обычно задаются, то для определения требуемого напора производится расчет потерь напора, связанных с гидравлическим сопротивлением трубопровода.
3. Напор задан. Определяются диаметры труб таким образом, чтобы выполнялось условие:
. (18)