Расчет перепада давления в трубопроводе. Гидравлический расчет трубопроводов

Расчёт потерь напора воды в трубопроводе выполняется очень просто, далее мы подробно рассмотрим варианты расчёта.

Для гидравлического расчета трубопровода вы можете воспользоваться калькулятором гидравлического расчета трубопровода .

Вам посчастливилось пробурить скважину прямо около дома? Замечательно! Теперь вы сможете обеспечить себя и свой дом или дачу чистой водой, которая не будет зависеть от центрального водоснабжения. А это значит никакого сезонного отключения воды и бегания с вёдрами и тазиками. Нужно только установить насос и готово! В настоящей статье мы поможем вам рассчитать потери напора воды в трубопроводе , и уже с этими данными можно смело покупать насос и наслаждать, наконец, своей водой из скважины.

Из школьных уроков физики понятно, что вода, текущая по трубам, в любом случае испытывает сопротивление. Величина этого сопротивления зависит от скорости потока, диаметра трубы и гладкости её внутренней поверхности. Сопротивление тем меньше, чем меньше скорость потока и больше диаметр и гладкость трубы. Гладкость трубы зависит от материала, из которого она изготовлена. Трубы из полимеров более гладкие, чем стальные трубы , а также они не ржавеют и, что немаловажно, дешевле других материалов, не уступая при этом в качестве. Вода будет испытывать сопротивление, двигаясь даже по полностью горизонтальной трубе. Однако чем длиннее сама труба, тем менее значительны будут потери напора. Что ж, приступим к расчету.

Потери напора на прямых участках трубы.

Чтобы подсчитать потери напора воды на прямых участках труб использует уже готовую таблицу, представленную ниже. Значения в этой таблице указаны для труб, изготовленных их полипропилена, полиэтилена и других слов, начинающихся с «поли» (полимеров). Если же вы собираетесь установить стальные трубы, то необходимо умножить приведённые в таблице значения на коэффициент 1,5.

Данные приведены на 100 метров трубопровода, потери указаны в метрах водного столба.

Как пользоваться таблицей : Например, в горизонтальном водопроводе с диаметром трубы 50 мм и расходом 7 м 3 /ч потери будут составлять 2,1 метра водного столба для трубы из полимера и 3,15 (2,1*1,5) для трубы из стали. Как видите, всё довольно просто и понятно.

Потери напора на местных сопротивлениях.

К сожалению, трубы бывают абсолютно прямыми только в сказке. В реальной же жизни всегда есть различные изгибы, заслонки и вентиля, которые нельзя не учитывать при расчёте потерь напора воды в трубопроводе. В таблице приведены значения потерь напора в самых часто встречающихся местных сопротивлениях: колене в 90 градусов, скруглённом колене и клапане.

Потери указаны в сантиметрах водного столба на единицу местного сопротивления.

Для определения v - скорости потока необходимо Q - расход воды (в м 3 /с) разделить на S - площадь поперечного сечения (в м 2).

Т.е. при диаметре трубы 50 мм (π*R 2 =3,14*(50/2) 2 =1962,5 мм 2 ; S=1962,5/1 000 000=0,0019625 м 2) и расходе воды 7 м 3 /ч (Q=7/3600=0,00194 м 3 /с) скорость потока
v=Q/S=0,00194/0,0019625=0,989 м/с

Как видно из приведённых выше данных, потери напора на местных сопротивлениях совсем незначительны. Основные потери всё-таки происходят на горизонтальных участках труб, поэтому для их уменьшения следует тщательно продумать выбор материала трубы и их диаметра. Напомним, чтобы минимизировать потери следует выбирать трубы из полимеров с максимальным диаметром и гладкостью внутренней поверхности самой трубы.

На предприятиях, а также в квартирах и домах в целом расходуется большое количество воды. Цифры огромные, но могут ли они о чем-то сказать еще, кроме факта определенного расхода? Да, могут. А именно, расход воды может помочь рассчитать диаметр трубы. Это, казалось бы, не связанные друг с другом параметры, но на деле взаимосвязь очевидна.

Ведь пропускная способность системы водоснабжения зависит от множества факторов. Весомое место в этом списке как раз и занимает диаметр труб, а также давление в системе. Разберемся в этом вопросе глубже.

Факторы, оказывающие влияние на проходимость воды через трубу

Расход воды через трубу круглого сечения, имеющей отверстие, зависит от размеров этого отверстия. Таким образом, чем оно больше, тем больше воды пройдет через трубу за определенный отрезок времени. Однако не стоит забывать и о давлении. Ведь можно привести пример. Метровый столб продавит воды через сантиметровое отверстие гораздо меньше за единицу времени, нежели столб, имеющий высоту несколько десятков метров. Это очевидно. Поэтому расход воды достигнет своего максимума при максимальном внутреннем сечении изделия, а также при максимальном давлении.

Расчет диаметра

Если вам нужно получить определенный расход воды на выходе системы водоснабжения, тогда не обойтись без расчета диаметра трубы. Ведь этот показатель, наряду с остальными, оказывает влияние на показатель пропускной способности.

Безусловно, существуют специальные таблицы, которые есть в Сети и в специализированной литературе, которые позволяют обойти расчеты, ориентируясь на определенные параметры. Однако высокой точности от таких данных ждать не стоит, погрешность все равно будет присутствовать, даже если учесть все факторы. Поэтому лучший выход для получения точных результатов – самостоятельный расчет.

Для этого понадобятся такие данные:

• Расход потребления воды.
• Потери напора от исходной точки до точки потребления.

Расход потребления воды необязательно рассчитывать – есть цифровой стандарт. Можно взять данные по смесителю, которые гласят, что в секунду расходуется около 0,25 литров. Этой цифрой можно воспользоваться для расчетов.

Немаловажный параметр для получения точных данных – потери напора на участке. Как известно, давление напора в стандартных стояках водоснабжения находится в пределах от 1 до 0,6 атмосфер. Средний показатель – 1,5-3 атм. Параметр зависит от количества этажей в доме. Но это не значит, что, чем выше дом, тем выше давление в системе. В очень высоких домах (более 16 этажей) иногда используется разделение системы на этажи, чтобы нормализовать давление.

Что касается потери напора, этот показатель можно вычислить, используя манометры в исходной точке и перед точкой потребления.

Если все же знаний и терпения для самостоятельного расчета недостаточно, тогда можно воспользоваться и табличными данными. И пусть они будут обладать определенными погрешностями, данные будут достаточно точны для определенных условий. И тогда по расходу воды будет очень просто и быстро получить диаметр трубы. А значит, система водоснабжения будет рассчитана верно, что позволит получить такое количество жидкости, которое удовлетворит потребности.

Пропускная способность – важный параметр для любых труб, каналов и прочих наследников римского акведука. Однако, далеко не всегда на упаковке трубы (или на самом изделии) указана пропускная способность. Кроме того, от схемы трубопровода тоже зависит, сколько жидкости пропускает труба через сечение. Как правильно рассчитать пропускную способность трубопроводов?

Методы расчета пропускной способности трубопроводов

Существует несколько методик расчета данного параметра, каждая из которых является подходящей для отдельного случая. Некоторые обозначения, важные при определении пропускной способности трубы:

Наружный диаметр – физический размер сечения трубы от одного края внешней стенки до другого. При расчетах обозначается как Дн или Dн. Этот параметр указывают в маркировке.

Диаметр условного прохода – приблизительное значение диаметра внутреннего сечения трубы, округленное до целого числа. При расчетах обозначается как Ду или Dу.

Физические методы расчета пропускной способности труб

Значения пропускной способности труб определяют по специальным формулам. Для каждого типа изделий – для газо-, водопровода, канализации – способы расчета свои.

Табличные методы расчета

Существует таблица приближенных значений, созданная для облегчения определения пропускной способности труб внутриквартирной разводки. В большинстве случаев высокая точность не требуется, поэтому значения можно применять без проведения сложных вычислений. Но в этой таблице не учтено уменьшение пропускной способности за счет появления осадочных наростов внутри трубы, что характерно для старых магистралей.

Существует точная таблица расчета пропускной способности, называемая таблицей Шевелева, которая учитывает материал трубы и множество других факторов. Данные таблицы редко используются при прокладке водопровода по квартире, но вот в частном доме с несколькими нестандартными стояками могут пригодиться.

Расчет с помощью программ

В распоряжении современных сантехнических фирм имеются специальные компьютерные программы для расчета пропускной способности труб, а также множества других схожих параметров. Кроме того, разработаны онлайн-калькуляторы, которые хоть и менее точны, но зато бесплатны и не требуют установки на ПК. Одна из стационарных программ «TAScope» – творение западных инженеров, которое является условно-бесплатным. В крупных компаниях используют «Гидросистема» - это отечественная программа, рассчитывающая трубы по критериям, влияющим на их эксплуатацию в регионах РФ. Помимо гидравлического расчета, позволяет считать другие параметры трубопроводов. Средняя цена 150 000 рублей.

Как рассчитать пропускную способность газовой трубы

Газ – это один из самых сложных материалов для транспортировки, в частности потому, что имеет свойство сжиматься и потому способен утекать через мельчайшие зазоры в трубах. К расчету пропускной способности газовых труб (как и к проектированию газовой системы в целом) предъявляют особые требования.

Формула расчета пропускной способности газовой трубы

Максимальная пропускная способность газопроводов определяется по формуле:

Qmax = 0.67 Ду2 * p

где p - равно рабочему давлению в системе газопровода + 0,10 мПа или абсолютному давлению газа;

Ду - условный проход трубы.

Существует сложная формула для расчета пропускной способности газовой трубы. При проведении предварительных расчетов, а также при расчетах бытового газопровода обычно не используется.

Qmax = 196,386 Ду2 * p/z*T

где z - коэффициент сжимаемости;

Т- температура перемещаемого газа, К;

Согласно этой формуле определяется прямая зависимость температуры перемещаемой среды от давления. Чем выше значение Т, тем больше газ расширяется и давит на стенки. Поэтому инженеры при расчетах крупных магистралей учитывают возможные погодные условия в местности, где проходит трубопровод. Если номинальное значение трубы DN будет меньше давления газа, образующегося при высоких температурах летом (например, при +38…+45 градусов Цельсия), тогда вероятно повреждение магистрали. Это влечет утечку ценного сырья, и создает вероятность взрыва участка трубы.

Таблица пропускных способностей газовых труб в зависимости от давления

Существует таблица расчетов пропускных способностей газопровода для часто применяемых диаметров и номинального рабочего давления труб. Для определения характеристики газовой магистрали нестандартных размеров и давления потребуются инженерные расчеты. Также на давление, скорость движения и объем газа влияет температура наружного воздуха.

Максимальная скорость (W) газа в таблице - 25 м/с, а z (коэффициент сжимаемости) равен 1. Температура (Т) равна 20 градусов по шкале Цельсия или 293 по шкале Кельвина.

Пропускная способность канализационной трубы

Пропускная способность канализационной трубы – важный параметр, который зависит от типа трубопровода (напорный или безнапорный). Формула расчета основана на законах гидравлики. Помимо трудоемкого расчета, для определения пропускной способности канализации используют таблицы.

Для гидравлического расчета канализации требуется определить неизвестные:

1. диаметр трубопровода Ду;
2. среднюю скорость потока v;
3. гидравлический уклон l;
4. степень наполнения h/ Ду (в расчетах отталкиваются от гидравлического радиуса, который связан с этой величиной).

На практике ограничиваются вычислением значения l или h/d, так как остальные параметры легко посчитать. Гидравлический уклон в предварительных расчетах принято считать равным уклону поверхности земли, при котором движение сточных вод будет не ниже самооочищающей скорости. Значения скорости, а также максимальные значения h/Ду для бытовых сетей можно найти в таблице 3.

Юлия Петриченко, эксперт

Кроме того, существует нормированное значение минимального уклона для труб с малым диаметром: 150 мм

(i=0.008) и 200 (i=0.007) мм.

Формула объемного расхода жидкости выглядит так:

где a - это площадь живого сечения потока,

v – скорость потока, м/с.

Скорость рассчитывается по формуле:

где R – это гидравлический радиус;

С – коэффициент смачивания;

Отсюда можно вывести формулу гидравлического уклона:

По ней определяют данный параметр при необходимости расчета.

где n – это коэффициент шероховатости, имеющий значения от 0,012 до 0,015 в зависимости от материала трубы.

Гидравлический радиус считают равным радиусу обычному, но только при полном заполнении трубы. В остальных случаях используют формулу:

где А – это площадь поперечного потока жидкости,

P– смоченный периметр, или же поперечная длина внутренней поверхности трубы, которая касается жидкости.

Таблицы пропускной способности безнапорных труб канализации

В таблице учтены все параметры, используемые для выполнения гидравлического расчета. Данные выбирают по значению диаметра трубы и подставляют в формулу. Здесь уже рассчитан объемный расход жидкости q, проходящей через сечение трубы, который можно принять за пропускную способность магистрали.

Кроме того, существуют более подробные таблицы Лукиных, содержащие готовые значения пропускной способности для труб разного диаметра от 50 до 2000 мм.

Таблицы пропускной способности напорных канализационных систем

В таблицах пропускной способности напорных труб канализации значения зависят от максимальной степени наполнения и расчетной средней скорости сточной воды.

Пропускная способность водопроводной трубы

Водопроводные трубы в доме используются чаще всего. А так как на них идёт большая нагрузка, то и расчет пропускной способности водопроводной магистрали становится важным условием надежной эксплуатации.

Проходимость трубы в зависимости от диаметра

Диаметр – не самый важный параметр при расчете проходимости трубы, однако тоже влияет на ее значение. Чем больше внутренний диаметр трубы, тем выше проходимость, а также ниже шанс появления засоров и пробок. Однако помимо диаметра нужно учитывать коэффициент трения воды о стенки трубы (табличное значение для каждого материала), протяженность магистрали и разницу давлений жидкости на входе и выходе. Кроме того, на проходимость будет сильно влиять число колен и фитингов в трубопроводе.

Таблица пропускной способности труб по температуре теплоносителя

Чем выше температура в трубе, тем ниже её пропускная способность, так как вода расширяется и тем самым создаёт дополнительное трение. Для водопровода это не важно, а в отопительных системах является ключевым параметром.

Существует таблица для расчетов по теплоте и теплоносителю.

Таблица пропускной способности труб в зависимости от давления теплоносителя

Существует таблица, описывающая пропускную способность труб в зависимости от давления.

Таблица пропускной способности трубы в зависимости от диаметра (по Шевелеву)

Таблицы Ф.А и А. Ф. Шевелевых являются одним из самых точных табличных методов расчета пропускной способности водопровода. Кроме того, они содержат все нужные формулы расчета для каждого конкретного материала. Это объемный информативный материал, используемый инженерами-гидравликами чаще всего.

В таблицах учитываются:

1. диаметры трубы – внутренний и наружный;
2. толщина стенки;
3. срок эксплуатации водопровода;
4. длина магистрали;
5. назначение труб.

Формула гидравлического расчета

Для водопроводных труб применяется следующая формула расчета:

Онлайн-калькулятор: расчет пропускной способности труб

Если у вас есть какие-то вопросы, или же вы обладаете какими-либо справочниками, в которых используются неупомянутые здесь методы –напишите в комментариях.

В каждом современном доме одним из основных условий комфорта есть водопровод. А с возникновением новой техники, требующей подключения к водопроводу, его роль в доме стала крайне важной. Многие люди уже не воображают, как возможно обойтись без стиральной машины, бойлера, посудомоечной машины и т.д. Но любой из этих аппаратов для верной работы требует определенного давления воды, поступающей из водопровода. И вот человек, решивший установить новый водопровод у себя дома, вспоминает о том, как вычислить давление в трубе, дабы все сантехнические устройства прекрасно работали.

Требования современного водопровода

Современный водопровод обязан отвечать всем характеристикам и требованиям. На выходе из крана вода обязана литься плавно, без рывков. Следовательно, в системе не должно быть перепадов давления при разборе воды. Идущая по трубам вода не должна создавать шума, иметь примеси воздуха и других посторонних накоплений, каковые пагубно воздействуют на керамические краны и другую сантехнику. Дабы не было этих неприятных казусов, давление воды в трубе не должно падать ниже своего минимума при разборе воды.

Совет! Минимальное давление водопровода должно составлять 1,5 атмосферы. Для того чтобы давления достаточно для работы посудомоечной и стиральной машины.

Нужно учитывать еще одну ответственную чёрта водопровода, связанную с расходом воды. В любом жилом помещении находится не одна точка разбора воды. Исходя из этого расчет водопровода обязан всецело снабжать потребность воды всех сантехнических устройств при одновременном включении. Данный параметр достигается не только давлением, но и объемом поступающей воды, которую может пропустить труба определенного сечения. Говоря несложным языком, перед монтажом требуется выполнить некоторый гидравлический расчет водопровода, с учетом давления и расхода воды.

Перед расчетом давайте поближе ознакомимся с двумя такими понятиями, как расход и давление, чтобы выяснить их сущность.

Давление

Как мы знаем, центральный водопровод в прошлом подключали к водонапорной башне. Эта башня формирует в сети водопровода давление. Единицей измерения давления есть атмосфера. Причем, давление не зависит от размера емкости, расположенной наверху башни, а лишь от высоты.

Совет! В случае если залить воду в трубу десятиметровой высоты, то она в нижней точке создаст давление – 1 атмосферу.

Давление приравнивается к метрам. Одна атмосфера равняется 10 м водяного столба. Рассмотрим пример с пятиэтажным домом. Высота дома – 15 м. Следовательно, высота одного этажа – 3 метра. Пятнадцатиметровая башня создаст давление на первом этаже 1,5 атмосферы. Вычислим давление на втором этаже: 15-3=12 метров водяного столба либо 1.2 атмосферы. Проделав предстоящий расчет, мы заметим, что на 5 этаже давления воды не будет. Значит, дабы обеспечить водой пятый этаж, нужно выстроить башню больше 15 метров. А вдруг это, к примеру – 25 этажный дом? Никто такие башни строить не будет. В современных водопроводах применяют насосы.

Давайте высчитаем давление на выходе глубинного насоса. Имеется глубинный насос, поднимающий воду на 30 метров водяного столба. Значит, он формирует давление – 3 атмосферы на своем выходе. По окончании погружения насоса в скважину на 10 метров, он создаст давление на уровне земли – 2 атмосферы, либо 20 метров водяного столба.

Расход

Рассмотрим следующий фактор – расход воды. Он зависит от давления, и чем оно больше, тем стремительнее вода будет двигаться по трубам. Другими словами будет больший расход. Но все дело в том, что на скорость воды воздействует сечение трубы, по которой она двигается. И в случае если уменьшать сечение трубы, то будет расти сопротивление воды. Следовательно, уменьшится ее количество на выходе из трубы за тот же временной отрезок.

На производстве, при постройке водопроводов составляются проекты, в которых высчитывается гидравлический расчет водопровода по уравнению Бернулли:

Где h 1-2 – показывает утрату напора на выходе, по окончании преодоления сопротивления на всем участке водопровода.

Рассчитываем домашний водопровод

Но это, как говорится, сложные вычисления. Для домашнего водопровода используем вычисления несложнее.

Исходя из паспортных данных автомобилей потребляемых воду в доме, суммируем неспециализированный расход. Добавляем к данной цифре расход всех водоразборных кранов находящихся в доме. Один водоразборный кран пропускает через себя около 5–6 литров воды в 60 секунд. Суммируем все цифры и приобретаем неспециализированный расход воды в доме. Вот сейчас руководствуясь неспециализированным расходом, покупаем трубу с таким сечением, которое обеспечит давлением и нужным количеством воды все в один момент работающие водоразборные устройства.

В то время, когда домашний водопровод будет подключаться к муниципальный сети, то станете пользоваться тем, что дадут. Ну, а вдруг у вас дома скважина, берите насос, который всецело обеспечит вашу сеть нужным давлением, соответствующим расходам. При покупке руководствуйтесь паспортными данными насоса.

Для выбора сечения трубы, руководствуемся этими таблицами:

В этих таблицах предоставлены более востребованные параметры трубы. Для полного ознакомления в сети возможно отыскать более полные таблицы с расчетами труб различного диаметра.

Вот, исходя из этих расчетов, и при верном монтаже, вы обеспечите свой водопровод всеми требуемыми параметрами. В случае если что-то не ясно, лучше обратиться к экспертам.

Гидравлический расчёт при разработке проекта трубопровода направлен на определение диаметра трубы и падения напора потока носителя. Данный вид расчёта проводится с учетом характеристик конструкционного материала, используемого при изготовлении магистрали, вида и количества элементов, составляющих систему трубопроводов(прямые участки, соединения, переходы, отводы и т. д.), производительности,физических и химических свойств рабочей среды.

Многолетний практический опыт эксплуатации систем трубопроводов показал, что трубы, имеющие круглое сечение, обладают определенными преимуществами перед трубопроводами, имеющими поперечное сечение любой другой геометрической формы:

• минимальное соотношением периметра к площади сечения, т.е. при равной способности, обеспечивать расход носителя, затраты на изолирующие и защитные материалы при изготовлении труб с сечением в виде круга, будут минимальными;
• круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды сточки зрения гидродинамики, достигается минимальное трение носителя о стенки трубы;
• форма сечения в виде круга максимально устойчива к воздействию внешних и внутренних напряжений;
• процесс изготовления труб круглой формы относительно простой и доступный.

Подбор труб по диаметру и материалу проводится на основании заданных конструктивных требований к конкретному технологическому процессу. В настоящее время элементы трубопровода стандартизированы и унифицированы по диаметру. Определяющим параметром при выборе диаметра трубы является допустимое рабочее давление, при котором будет эксплуатироваться данный трубопровод.

Основными параметрами, характеризующими трубопровод являются:

• условный (номинальный) диаметр – D N ;
• давление номинальное – P N ;
• рабочее допустимое (избыточное) давление;
• материал трубопровода, линейное расширение, тепловое линейное расширение;
• физико-химические свойства рабочей среды;
• комплектация трубопроводной системы (отводы, соединения, элементы компенсации расширения и т.д.);
• изоляционные материалы трубопровода.

Условный диаметр (проход) трубопровода (D N) – это условная безразмерная величина, характеризующая проходную способность трубы, приблизительно равная ее внутреннему диаметру. Данный параметр учитывается при осуществлении подгонки сопутствующих изделий трубопровода (трубы, отводы, фитинги и др.).

Условный диаметр может иметь значения от 3 до 4000 и обозначается: DN 80 .

Условный проход по числовому определению примерно соответствует реальному диаметру определенных отрезков трубопровода. Численно он выбран таким образом, что пропускная способность трубы повышается на 60-100% при переходе от предыдущего условного прохода к последующему.Номинальный диаметр выбирается по значению внутреннего диаметра трубопровода. Это то значение, которое наиболее близко к реальному диаметру непосредственно трубы.

Давление номинальное (PN) – это безразмерная величина, характеризующая максимальное давление рабочего носителя в трубе заданного диаметра, при котором осуществима длительная эксплуатация трубопровода при температуре 20°C.

Значения номинального давления были установлены на основании продолжительной практики и опыта эксплуатации: от 1 до 6300.

Номинальное давление для трубопровода с заданными характеристиками определяется по ближайшему к реально создаваемому в нем давлению. При этом,вся трубопроводная арматура для данной магистрали должна соответствовать тому же давлению. Расчет толщины стенок трубы проводится с учетом значения номинального давления.

Основные положения гидравлического расчета

Рабочий носитель (жидкость, газ, пар), переносимый проектируемым трубопроводом, в силу своих особых физико-химических свойств определяет характер течения среды в данном трубопроводе. Одним из основных показателей характеризующих рабочий носитель, является динамическая вязкость, характеризуемая коэффициентом динамической вязкости – μ.

Инженер-физик Осборн Рейнольдс (Ирландия), занимавшийся изучением течения различных сред, в 1880 году провел серию испытаний, по результату которых было выведено понятие критерия Рейнолдса (Re) – безразмерной величины, описывающей характер потока жидкости в трубе. Расчет данного критерия проводится по формуле:

Критерий Рейнольдса (Re) дает понятие о соотношении сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Значение критерия характеризует изменение соотношения указанных сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока носителя в трубопроводе. Принято выделять следующие режимы потока жидкого носителя в трубе в зависимости от значения данного критерия:

• ламинарный поток (Re<2300), при котором носитель-жидкость движется тонкими слоями, практически не смешивающимися друг с другом;
• переходный режим (2300
• турбулентный поток (Re>4000) – устойчивый режим, при котором в каждой отдельной точке потока происходит изменение его направления и скорости, что в итоге приводит к выравниванию скорости движения потока по объему трубы.

Критерий Рейнольдса зависит от напора, с которым насос перекачивает жидкость, вязкости носителя при рабочей температуре и геометрических размеров используемой трубы (d, длина). Данный критерий является параметром подобия для течения жидкости,поэтому, используя его, можно осуществлять моделирование реального технологического процесса в уменьшенном масштабе, что удобно при проведении испытаний и экспериментов.

Проводя расчеты и вычисления по уравнениям, часть заданных неизвестных величин можно взять из специальных справочных источников. Профессор, доктор технических наук Ф. А. Шевелев разработал ряд таблиц для проведения точного расчета пропускной способности трубы. Таблицы включают значения параметров, характеризующих как сам трубопровод (размеры, материалы), так и их взаимосвязь с физико-химическими свойствами носителя. Кроме того, в литературе приводится таблица приближенных значений скоростей движения потока жидкости, пара,газа в трубе различного сечения.

Подбор оптимального диаметра трубопровода

Определение оптимального диаметра трубопровода – это сложная производственная задача, решение которой зависит от совокупности различных взаимосвязанных условий (технико-экономические, характеристики рабочей среды и материала трубопровода, технологические параметры и т.д.). Например, повышение скорости перекачиваемого потока приводит к уменьшению диаметра трубы, обеспечивающей заданный условиями процесса расход носителя, что влечет за собой снижение затрат на материалы, удешевлению монтажа и ремонта магистрали и т.д. С другой стороны, повышение скорости потока приводит к потере напора, что требует дополнительных энергетических и финансовых затрат на перекачку заданного объема носителя.

Значение оптимального диаметра трубопровода рассчитывается по преобразованному уравнению неразрывности потока с учетом заданного расхода носителя:

При гидравлическом расчете расход перекачиваемой жидкости чаще всего задан условиями задачи. Значение скорости потока перекачиваемого носителя определяется, исходя из свойств заданной среды и соответствующих справочных данных (см. таблицу).

Преобразованное уравнение неразрывности потока для расчета рабочего диаметра трубы имеет вид:

Расчет падения напора и гидравлического сопротивления

Полные потери напора жидкости включают в себя потери на преодоление потоком всех препятствий: наличие насосов, дюкеров, вентилей, колен, отводов, перепадов уровня при течении потока по трубопроводу, расположенному под углом и т.д. Учитываются потери на местные сопротивления, обусловленные свойствами используемых материалов.

Другим важным фактором, влияющим на потери напора, является трение движущегося потока о стенки трубопровода, которое характеризуется коэффициентом гидравлического сопротивления.

Значение коэффициента гидравлического сопротивления λзависит от режима движения потока и шероховатости материала стенок трубопровода. Под шероховатостью понимают дефекты и неровности внутренней поверхности трубы. Она может быть абсолютной и относительной. Шероховатость различна по форме и неравномерна по площади поверхности трубы. Поэтому в расчетах используется понятие усредненной шероховатости с поправочным коэффициентом (k1). Данная характеристика для конкретного трубопровода зависит от материала, продолжительности его эксплуатации, наличия различных коррозионных дефектов и других причин. Рассмотренные выше величины являются справочными.

Количественная связь между коэффициентом трения, числом Рейнольдса и шероховатостью определяется диаграммой Муди.

Для вычисления коэффициента трения турбулентного движения потока также используется уравнение Коулбрука-Уайта, с использованием которого возможно наглядное построение графических зависимостей, по которым определяется коэффициент трения:

В расчётах используются и другие уравнения приблизительного расчета потерь напора на трение. Одним из наиболее удобных и часто используемых в этом случае считается формула Дарси-Вейсбаха. Потери напора на трение рассматриваются как функция скорости жидкости от сопротивления трубы движению жидкости, выражаемой через значение шероховатости поверхности стенок трубы:

Потери давления по причине трения для воды рассчитывают по формуле Хазена - Вильямса:

Расчет потерь давления

Рабочее давление в трубопроводе – это на большее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим технологического процесса. Минимальное и максимальное значения давления, а также физико-химические свойства рабочей среды, являются определяющими параметрами при расчёте расстояния между насосами, перекачивающими носитель, и производственной мощности.

Расчет потерь на падение давления в трубопроводе осуществляют по уравнению:

Примеры задач гидравлического расчета трубопровода с решениями

Задача 1

В аппарат с давлением 2,2 бар по горизонтальному трубопроводу с эффективным диаметром 24 мм из открытого хранилища насосом перекачивается вода. Расстояние до аппарата составляет 32 м. Расход жидкости задан – 80 м 3 /час. Суммарный напор составляет 20 м. Принятый коэффициент трения равен 0,028.

Рассчитайте потери напора жидкости на местные сопротивления в данном трубопроводе.

Исходные данные:

Расход Q = 80 м 3 /час = 80·1/3600 = 0,022 м 3 /с;

эффективный диаметр d = 24 мм;

длина трубы l = 32 м;

коэффициент трения λ = 0,028;

давление в аппарате Р = 2,2 бар = 2,2·10 5 Па;

общий напор Н = 20 м.

Решение задачи:

Скорость потока движения воды в трубопроводе рассчитывается по видоизмененному уравнению:

w=(4·Q) / (π·d 2) = ((4·0,022) / (3,14· 2)) = 48,66 м/с

Потери напора жидкости в трубопроводе на трение определяются по уравнению:

H Т = (λ·l) / (d·) = (0,028·32) / (0,024· 2) / (2·9,81) = 0,31 м

Общие потери напора носителя рассчитываются по уравнению и составляют:

h п = H - [(p 2 -p 1)/(ρ·g)] - H г = 20 - [(2,2-1)·10 5)/(1000·9,81)] - 0 = 7,76 м

Потери напора на местные сопротивления определяется как разность:

7,76 - 0,31=7,45 м

Ответ: потери напора воды на местные сопротивления составляют 7,45 м.

Задача 2

По горизонтальному трубопроводу центробежным насосом транспортируется вода. Поток в трубе движется со скоростью 2,0 м/с. Общий напор составляет 8 м.

Найти минимальную длину прямого трубопровода, в центре которого установлен один вентиль. Забор воды осуществляется из открытого хранилища. Из трубы вода самотеком изливается в другую емкость. Рабочий диаметр трубопровода равен 0,1 м. Относительная шероховатость принимается равной 4·10 -5 .

Исходные данные:

Скорость потока жидкости W = 2,0 м/с;

диаметр трубы d = 100 мм;

общий напор Н = 8 м;

относительная шероховатость 4·10 -5 .

Решение задачи:

Согласно справочным данным в трубе диаметром 0,1 м коэффициенты местных сопротивлений для вентиля и выхода из трубы составляют соответственно 4,1 и 1.

Значение скоростного напора определяется по соотношению:

w 2 /(2·g) = 2,0 2 /(2·9,81) = 0,204 м

Потери напора воды на местные сопротивления составят:

∑ζ МС · = (4,1+1)·0,204 = 1,04 м

Суммарные потери напора носителя на сопротивление трению и местные сопротивления рассчитываются по уравнению общего напора для насоса (геометрическая высота Hг по условиям задачи равна 0):

h п = H - (p 2 -p 1)/(ρ·g) - = 8 - ((1-1)·10 5)/(1000·9,81) - 0 = 8 м

Полученное значение потери напора носителя на трение составят:

8-1,04 = 6,96 м

Рассчитаем значение числа Рейнольдса для заданных условий течения потока (динамическая вязкость воды принимается равной 1·10 -3 Па·с, плотность воды – 1000 кг/м 3):

Re = (w·d·ρ)/μ = (2,0·0,1·1000)/(1·10 -3) = 200000

Согласно рассчитанному значению Re, причем 2320

λ = 0,316/Re 0,25 = 0,316/200000 0,25 = 0,015

Преобразуем уравнение и найдем требуемую длину трубопровода из расчетной формулы потерь напора на трение:

l = (H об ·d) / (λ·) = (6,96·0,1) / (0,016·0,204) = 213,235 м

Ответ: требуемая длина трубопровода составит 213,235 м.

Задача 3

В производстве транспортируют воду при рабочей температуре 40°С с производственным расходом Q = 18 м 3 /час. Длина прямого трубопровода l = 26 м, материал - сталь. Абсолютная шероховатость (ε) принимается для стали по справочным источникам и составляет 50 мкм. Какой будет диаметр стальной трубы, если перепад давления на данном участке не превысит Δp = 0,01 мПа (ΔH = 1,2 м по воде)? Коэффициент трения принимается равным 0,026.

Исходные данные:

Расход Q = 18 м 3 /час = 0,005 м 3 /с;

длина трубопровода l=26 м;

для воды ρ = 1000 кг/м 3 , μ = 653,3·10 -6 Па·с (при Т = 40°С);

шероховатость стальной трубыε = 50 мкм;

коэффициент трения λ = 0,026;

Δp=0,01 МПа;

Решение задачи:

Используя форму уравнения неразрывности W=Q/F и уравнение площади потока F=(π·d²)/4 преобразуем выражение Дарси – Вейсбаха:

∆H = λ·l/d·W²/(2·g) = λ·l/d·Q²/(2·g·F²) = λ·[(l·Q²)/(2·d·g·[(π·d²)/4]²)] = =(8·l·Q²)/(g·π²)·λ/d 5 = (8·26·0.005²)/(9,81·3,14²)· λ/d 5 = 5,376·10 -5 ·λ/d 5

Выразим диаметр:

d 5 = (5,376·10 -5 ·λ)/∆H = (5,376·10 -5 ·0,026)/1,2 = 1,16·10 -6

d = 5 √1,16·10 -6 = 0,065 м.

Ответ: оптимальный диаметр трубопровода составляет 0,065 м.

Задача 4

Проектируются два трубопровода для транспортировки невязкой жидкости с предполагаемой производительностью Q 1 = 18 м 3 /час и Q 2 = 34 м 3 /час. Трубы для обоих трубопроводов должны быть одного диаметра.

Определите эффективный диаметр труб d, подходящих под условия данной задачи.

Исходные данные:

Q 1 = 18 м 3 /час;

Q 2 = 34 м 3 /час.

Решение задачи:

Определим возможный интервал оптимальных диаметров для проектируемых трубопроводов, воспользовавшись преобразованным видом уравнения расхода:

d = √(4·Q)/(π·W)

Значения оптимальной скорости потока найдем из справочных табличных данных. Для невязкой жидкости скорости потока составят 1,5 – 3,0 м/с.

Для первого трубопровода с расходом Q 1 = 18 м 3 /час возможные диаметры составят:

d 1min = √(4·18)/(3600·3,14·1,5) = 0,065 м

d 1max = √(4·18)/(3600·3,14·3.0) = 0,046 м

Для трубопровода с расходом 18 м 3 /час подходят трубы с диаметром поперечного сечения от 0,046 до 0,065 м.

Аналогично определим возможные значения оптимального диаметра для второго трубопровода с расходом Q 2 = 34 м 3 /час:

d 2min = √(4·34)/(3600·3,14·1,5) = 0,090 м

d 2max = √(4·34)/(3600·3,14·3) = 0,063 м

Для трубопровода с расходом 34 м 3 /час возможные оптимальные диаметром могут быть от 0,063 до 0,090 м.

Пересечение двух диапазонов оптимальных диаметров находится в интервале от 0,063 м до 0,065 м.

Ответ: для двух трубопроводов подходят трубы диаметром 0,063–0,065 м.

Задача 5

В трубопроводе диаметром 0,15 м при температуре Т = 40°C движется поток воды производительностью 100 м 3 /час. Определите режим течения потока воды в трубе.

Дано:

диаметр трубы d = 0,25 м;

расход Q = 100 м 3 /час;

μ = 653,3·10 -6 Па·с (по таблице при Т = 40°С);

ρ = 992,2 кг/м 3 (по таблице при Т = 40°С).

Решение задачи:

Режим течения потока носителя определяется по значению числа Рейнольдса (Re). Для расчета Re определим скорость движения потока жидкости в трубе (W), используя уравнение расхода:

W = Q·4/(π·d²) = · = 0,57 м/c

Значение числа Рейнольдса определим по формуле:

Re = (ρ·W·d)/μ = (992,2·0,57·0,25) / (653,3·10 -6) = 216422

Критическое значение критерия Re кр по справочным данным равно 4000. Полученное значение Re больше указанного критического, что говорит о турбулентном характере течения жидкости при заданных условиях.

Ответ: режим потока воды – турбулентный.