Расчет трубопровода

Гидравлический расчет трубопроводов

Трубопроводы и их классификация

Трубопроводами в народном хозяйстве называют искусственно созданные сооружения, предназначенные для транспортировки жидких, газообразных или твердых веществ, либо их смесей за счет разницы давлений в поперечных сечениях трубы.

В зависимости от назначения и типа транспортируемого вещества трубопроводы подразделяют на водопроводы, водовыпуски, водостоки (дренажи), канализацию, газопроводы, воздухопроводы, паропроводы, теплопроводы, кислородопроводы, аммиакопроводы, нефтепроводы, мазутопроводы, гидротранспорт полезных ископаемых, пневматическую почту и некоторые другие.

В гидравлике при расчете трубопроводов их подразделяют на короткие и длинные. Такое деление является условным, и основано на величине потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу.
В длинных трубопроводах потери напора по длине значительно превышают местные потери напора, а в коротких трубопроводах эти потери соизмеримы между собой.
Принято считать, что при длине l < 50 м трубопровод является коротким, а при l > 100 м – трубопровод длинный.
При l = 50…100 м, в зависимости от соотношения потерь напора, трубопровод может быть длинным либо коротким.

***

Гидравлический расчет короткого трубопровода

Короткие трубопроводы рассчитывают непосредственно по уравнению Бернулли, представленному в следующем виде:

Н_н + Б_нQ² = Н_к + Б_кQ² + ΣS₀Q²l + Σ Б ξ Q²    (1).

Здесь Б = 8/gπ²dр² – величина, зависящая от расчетного диаметра трубы и определяемая по специальным справочным таблицам;
ξ – коэффициент местных сопротивлений;
S₀ = 8λ/π²gd⁵ – удельное сопротивление трубы;
l – длины участков трубопроводов;

Н_н и Н_к – пьезометрические напоры в начале и конце трубопровода, определяемые по формуле:

Н = z + p/ρg,

где:
z – геодезическая отметка какой-либо точки трубопровода;
р – избыточное давление в этой точке;
р/ρg – пьезометрическая высота (свободный напор).

При расчетах трубопроводов применяют различные эмпирические зависимости и формулы, полученные экспериментально-опытным путем, позволяющие определить коэффициент гидравлического трения:

– для гидравлически гладких труб – формулу Блазиуса: λ = 0,3164/Re^0,25    (Re – число Рейнольдса);

– для полиэтиленовых водопроводных труб, работающих в области гидравлически гладких труб – формулу Шевелева: λ = 0,0134/(dv)^0,226,   (здесь v – скорость потока);

– для вполне шероховатых труб применяют формулу Шифринсона: λ = 0,11(k/d)^0,25,   (k – средняя высота выступов шероховатости на внутренней поверхности трубы).

Удельные сопротивления S_0кв для бывших в эксплуатации стальных и чугунных труб, работающих при скоростях потока v ≥ 1,2 м/с (квадратичная область сопротивления), определяются с учетом гидравлического коэффициента трения λ по формулам Ф. А. Шевелева.
Значение удельных сопротивлений можно найти в специальных справочных таблицах.

При скоростях потока v < 1,2 м/с (переходная область сопротивления) удельные сопротивления S₀ определяют по формуле

S₀ = S_0кв θ ,

где θ – поправочный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости.

При расчетах коротких трубопроводов из уравнения Бернулли (1) определяют (в зависимости от условий задачи) расход Q или необходимый напор Н_н в начале трубопровода, либо диаметр трубопровода d и т. д.

***

Гидравлический расчет длинного трубопровода

Длинные трубопроводы рассчитываются, как и короткие, по уравнению Бернулли, но местными потерями и скоростными напорами в них пренебрегают ввиду их относительной малости.

Для большей точности местные потери напора можно приближенно учесть, приняв расчетную длину трубопровода на 5-10 % больше фактической.
С учетом этого уравнение (1) принимает вид:

Н_н – Н_к = ΣS₀Q₀²l     (2).

Знак суммы Σ указывает, что если трубопровод состоит из нескольких последовательных участков, то потери напора на них складываются. Для одиночного трубопровода формула (2) упрощается:

Н_н – Н_к = S₀Q₀²l    (3).

Для расчета длинных трубопроводов применяется также формула

Q = К √i_p    (4),

где:
i_p = (Н_н – Н_к)/l – пьезометрический уклон;
К – расходная характеристика, зависящая, как и удельное сопротивление S₀, в основном, от диаметра и материала трубы, а также от скорости потока.

Так как S₀ = 1/К, то формулы (3) и (4) равнозначны.

Значения расходных характеристик К_кв стальных, бетонных и железобетонных трубопроводов, имеющих разный коэффициент шероховатости, приводятся в справочных таблицах. При этом потери напора для труб, работающих в квадратичной области сопротивления (при скорости потока v ≥ 1,2 м/с) определяются по формуле:

Н_н – Н_к = Q²l/K².

При работе стальных труб в переходной области сопротивления (v < 1,2 м/с) расходная характеристика определяется по формуле:

К = К_кв / √ θ .

При расчете простых длинных трубопроводов обычно необходимо определить одну из неизвестных величин, чаще всего начальный напор Н_н, расход Q или диаметр трубы d, которые легко вычислить по формуле (3) или (4).

При проектировании новых трубопроводов могут быть неизвестны две величины – напор в начальной точке и диаметр трубы. В этом случае задаются диаметром трубопровода (в зависимости от требуемого расхода) и рекомендуемыми из экономических соображений предельными скоростями v_пр:

d = 1,13√(Q/v_пр).

Предельные скорости потока (в зависимости от величины расхода и материала труб) приводятся в справочных таблицах. Для ориентировочных расчетов можно принимать средние значения предельных скоростей для данного материала труб.

Если на участке трубопровода производится непрерывная раздача воды по пути, то расчетный расход увеличивается:

Q_р = Q_тр + 0,55Q_пут,

где:
Q_тр – транзитный расход, проходящий по всей длине трубопровода;
Q_пут – путевой расход (непрерывная раздача) на участке: Q_пут = q₀l, где q₀ – удельный путевой расход на 1 м длины трубопровода.

Трубопроводы, имеющие параллельные ответвления с общими узловыми точками в их конце и начале, рассчитывают с учетом того, что потери напора по всем участкам одинаковы.
Расходы в параллельных ветвях определяются при помощи системы уравнений, которая приведена на рис. 1.
Потери напора для таких трубопроводов определяются как потери напора в одной из параллельных ветвей.

Если в начале трубопровода напор создается насосом, то его мощность определяется по формуле:

N_нас = ρgQH_нас/10³η, (кВт, если ρ – в кг/м³, а Q – в м³/с),

где:
η – коэффициент полезного действия насоса;
Н_нас = h + ΣS₀Q²l – полный напор насоса, состоящий из геометрической высоты подъема h = H_св + z_к – z_н (здесь Н_св = р_к/ρg – свободный напор в конце трубопровода) и суммы потерь напора на всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Если высота всасывания и потери напора во всасывающей трубе незначительны, то напор насоса можно принимать как сумму высоты нагнетания и потерь напора при нагнетании.

***

Гидравлический удар

Источник: k-a-t.ru

47 комментариев на «Гидравлический расчет трубопроводов»

1. Алексей 28 Авг 2014 00:28
2. Александр Воробьев 28 Авг 2014 20:46
3. Николай 07 Ноя 2014 02:10
4. Анатолий 14 Июл 2015 19:34
5. Елена 25 Авг 2015 16:41
6. Александр Воробьев 25 Авг 2015 20:53
7. Игорь 21 Сен 2015 02:09
8. Александр Воробьев 21 Сен 2015 13:50
9. Игорь 21 Сен 2015 21:47
10. Александр Воробьев 21 Сен 2015 22:07


11. Олександр 28 Окт 2015 04:08
12. Александр Воробьев 31 Окт 2015 20:32
13. Игорь 21 Дек 2015 03:47
14. Александр Воробьев 21 Дек 2015 09:00
15. Владимир 02 Дек 2016 18:38
16. Александр Воробьев 03 Дек 2016 10:49
17. Дмитрий 11 Дек 2016 10:10
18. Александр Воробьев 11 Дек 2016 12:29
19. Дмитрий 18 Дек 2016 11:42
20. Александр Воробьев 18 Дек 2016 12:32
21. Мария 17 Янв 2017 16:49
22. Александр Воробьев 17 Янв 2017 19:42
23. хосе 17 Фев 2017 20:06
24. Андрей 27 Мар 2017 17:59
25. Игорь 16 мая 2017 08:02
26. Александр Воробьев 16 мая 2017 17:35
27. Сергей 17 Июн 2017 22:46


28. Александр Воробьев 18 Июн 2017 10:05
29. Лариса 09 Сен 2017 18:13
30. Александр Воробьев 10 Сен 2017 11:21
31. Вадим 19 Сен 2017 23:14
32. Александр Воробьев 20 Сен 2017 19:48
33. Дмитрий 17 Фев 2018 00:39
34. Никита 22 Мар 2018 23:46
35. Александр Воробьев 24 Мар 2018 11:26
36. Denis 28 Мар 2018 18:11
37. Александр Воробьев 28 Мар 2018 19:09
38. Евгений 25 Апр 2018 17:08
39. Александр Воробьев 25 Апр 2018 18:41
40. Елена 04 Июн 2018 20:02
41. Александр Воробьев 04 Июн 2018 21:30
42. Ленар 12 Июл 2018 16:03
43. Александр Воробьев 12 Июл 2018 16:18
44. Михаил Субботин 09 Ноя 2018 15:22
45. Михаил Субботин 09 Ноя 2018 15:24
46. Александр Воробьев 09 Ноя 2018 15:40
47. Глеб 06 мая 2019 20:26

Ваш отзыв

Имя (обязательно)

E-mail(обязательно)

Сайт

Источник: al-vo.ru

Что рассчитывается

Выполняется данная процедура в отношении нижеперечисленных рабочих параметров инженерной коммуникации.

1. Расход жидкости на отдельных сегментах водопровода.
2. Скорость потока рабочей среды в трубах.
3. Оптимальный диаметр водопровода, который обеспечивает приемлемое падение напора.

Рассмотрим методику расчёта этих показателей подробно.

Расход воды

Данные по нормативному расходу воды отдельными сантехническими приборами указаны в приложении к СНиП 2.04.01-85. Этот документ регламентирует сооружение канализационных сетей и внутренних водопроводов. Ниже приведена часть соответствующей таблицы.

Таблица 1

Сантехнический прибор	Общий расход (ГВС и ХВС), литр/секунда	Расход ХВС, литр/секунда
Унитаз с вентилем прямой подачи воды	1,4	1,4
Унитаз с бачком для слива воды	0,10	0,10
Душевая кабинка (смеситель)	0,12	0,08
Ванна (смеситель)	0,25	0,17
Мойка (смеситель)	0,12	0,08
Умывальник (смеситель)	0,12	0,08
Умывальник (водоразборный кран)	0,10	0,10
Кран для полива	0,3	0,3

Если предполагается использовать одновременно несколько приборов, расход суммируется. Так, в случае, когда работает душевая кабинка на первом этаже с одновременным использованием туалета на втором этаже, логично сложить объём расхода воды обоими потребителями – 0,12+0,10 = 0,22 литр/секунда.

Важно! На пожарные водопроводы распространяется следующая норма: на одну струю он должен обеспечивать расход  не менее 2,5 литр/сек.

Вполне понятно, что при пожаротушении количество струй от одного пожарного гидранта определяется площадью и типом здания. Для удобства ознакомления информация по этому вопросу тоже размещена в табличной форме.

Таблица 2

Тип здания	Требуемое количество струй при пожаротушении
Администрации предприятий (объём до 25 000 кубометров)	1
Общественные здания (объём до 25 000 кубометров, более 10 этажей)	2
Общественные здания (объём до 25 000 кубометров, до 10 этажей)	1
Здание управления (объём до 25 000 кубометров, 10 и больше этажей)	2
Здание управления (от 6 до10 этажей)	1
Жилое здание (от 16 до 25 этажей)	2
Жилое здание (до 16 этажей)	1

Скорость потока

Предположим, что перед нами поставлена задача расчёта тупиковой водопроводной сети при заданном пиковом расходе через неё. Цель вычислений – определение диаметра, при котором будет обеспечена приемлемая скорость перемещения потока по трубопроводу (согласно СНиПу – 0,7 – 1,5 м/сек).

Применяем формулы. Размер трубопровода увязывается со скоростью потока воды и её расходом такими формулами:

S=π*R² , где

S – площадь поперечного сечения трубы. Единица измерения – метр квадратный; π – известное иррациональное число; R – радиус внутреннего диаметра трубы.

Единица измерения — те же метры квадратные.

На заметку! Для чугунных и стальных труб радиус обычно приравнивают к половине их условного прохода (ДУ). У большинства пластиковых трубных изделий  номинальный наружный диаметр на шаг больше внутреннего диаметра. Например, у полипропиленовой трубы с  внутренним сечением 32 миллиметра наружный диаметр равен 40 миллиметров.

Следующая формула выглядит так:

                                                                              W= V×S, где

W – расход воды в кубометрах; V – скорость потока воды (м/сек.); S – площадь сечения (метры квадратные).

Пример. Выполним расчет трубопровода системы пожаротушения для одной струи, расход воды в которой равен 3,5 литра в секунду. В системе СИ значение этого показателя будет таким: 3,5 л/сек = 0,0035 м3/сек. Такой расход на одну струю нормируется на тушение пожара внутри складских и производственных зданий объёмом от 200 до 400 кубометров и высотой до 50 метров.

Сначала берём вторую формулу и вычисляем минимальную площадь сечения. Если скорость составляет 3 м/сек., этот показатель равен

                                                              S=W/V=0,0035/3= 0,0012 м2

                Тогда радиус внутреннего сечения трубы будет таким:

   R=√S/π=0,019 м.

Таким образом, внутренний диаметр трубопровода должен быть  равен минимум

                                               Dвн. = 2R = 0,038 м =3,8 сантиметров.

Если результат вычислений является промежуточной величиной между стандартными значениями размеров трубных изделий, округление производится в большую сторону. То есть в данном случае подойдёт стандартная стальная труба с ДУ=40 мм.

Как просто узнать диаметр. Для того чтобы выполнить быстрый расчёт, можно использовать ещё одну таблицу, которая непосредственно увязывает расход воды через трубопровод с его условным диаметром. Она представлена ниже.

Таблица 3

Расход, литр/сек.	Минимальный ДУ трубопровода, миллиметры
10	50
6	40
4	32
2,4	25
1,2	20
0,6	15
0,20	10

 

Потеря напора

Расчёт потери напора на участке трубопровода известной длины выполняется достаточно просто. Но здесь необходимо использовать изрядное количество переменных. Найти их значения можно в справочниках. А формула выглядит следующим образом:

                                                              P = b×L×(1 +K), где

P – потеря напора в метрах водяного столба. Такая характеристика применима ввиду того, что изменяется давление воды в её потоке; b – гидравлический уклон трубопровода; L – длина трубопровода в метрах; K – специальный коэффициент. Этот параметр зависит от назначения сети.

Данная формула значительно упрощена. На практике падение напора вызывают запорная арматура и изгибы трубопровода. С цифрами, отображающими данное явление в фасонных частях, вы можете ознакомиться, изучив следующую таблицу.

Таблица 4

	Эквивалент длины прямого участка трубопровода, метры
Диаметр	300	250	200	150	125	100	80	65	50	40	32	25
Открытый на 50% запорный кран	60	60	60	45	30	30	15	15,0	15	15,0	15	15,0
Открытый на 75% запорный кран	8	8	8	6	4	4	2	2	2	3	3	2
Открытый на 100% запорный кран	2	2	2	1,5	1	1	0,50	0,50	0,5	0,5	0,50	0,5
Обратный клапан	35	25	25	20	15	10	9	8	7	6	5	4
Обратный клапан водоразборный	45	30	30	25	20	15	12	10	9	8	7	6
Коническое сужение	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Колено 90 градусов	7	5	4	2,7	2,5	1,7	1,30	0,9	0,70	0,6	0,40	0,3
Отвод 90 градусов	5,5	5	3	2	1,8	1,20	1	0,7	0,50	0,4	0,30	0,2

 

Некоторые элементы вышеуказанной формулы необходимо прокомментировать. С коэффициентом всё просто. Его значения можно узнать из СНиПа № 2.04.01-85.

Таблица 5

Назначение водопровода	Коэффициент
Производственно-противопожарный	0,15
Хозяйственно-питьевой	0,3
Противопожарный	0,1
Хозяйственный производственно- противопожарный	0,2

 

Что же касается понятия «гидравлический уклон», то здесь всё намного сложнее.

Важно! Данная характеристика отображает сопротивление, оказываемое трубой движению воды.

Гидравлический уклон – величина производная от следующих параметров:

• скорость потока. Зависимость прямо пропорциональная, то есть гидравлическое сопротивление тем выше, чем быстрее движется поток;
• диаметр трубы. Здесь зависимость уже обратно пропорциональная: гидравлическое сопротивление возрастает с уменьшением сечения ветки инженерной коммуникации;
• шероховатость стенок. Этот показатель зависит в свою очередь от материала трубы (поверхность ПНД или полипропилена более гладкая, чем у стали). В некоторых случаях немаловажным фактором является возраст труб водопровода. Формирующиеся со временем известковые  отложения и ржавчина увеличивают шероховатость поверхности их стенок.

Использование таблицы Шевелёва

Решить проблему, связанную с определением гидравлического уклона, используя калькулятор, можно полностью с помощью таблицы гидравлического расчёта труб водопровода, разработанной Шевелёвым Ф.А. В ней приведены данные для разных диаметров, материалов и скоростей потока. Помимо этого, в таблице содержатся поправки,  относящиеся к старым трубам. Но здесь следует уточнить один момент: ко всем типам полимерных трубных изделий возрастные поправки  не применяются. Структура поверхности обычного или сшитого полиэтилена, полипропилена и металлопластика не меняется в течение всего периода эксплуатации.

Из-за большого объёма таблицы Шевелёва, полностью публиковать её нецелесообразно. Ниже приведена лишь небольшая выдержка из этого документа для трубы из пластика диаметром 16 миллиметров.

Таблица 6

Скорость, м/сек	Расход  литр/сек	Гидравлический уклон для трубопровода длиной 1000 метров (1000i)
1,50	0,17	319,8
1,41	0,16	287,2
1,33	0,15	256,1
1,24	0,14	226,6
1,15	0,13	198,7
0,88	0,1	124,7
0,90	0,09	103,5
0,71	0,08	84

При анализе результатов расчёта падения напора необходимо учитывать, что большая часть сантехприборов требует для нормальной работы наличие избыточного давления определённой величины. В СНиПе, принятом 30 лет назад, приводятся цифры для уже устаревшей техники. Более современные модели бытового и санитарного оборудования требуют для нормальной работы, чтобы избыточное давление составляло не менее 0,3 кгс/см2 (или 3 метра напора). Однако, как показывает практика, закладывать  в расчет лучше немного большее значение данного параметра – 0,5 кгс/см2.

Примеры

Для лучшего усвоения информации ниже приведён пример гидравлического расчёта пластикового водопровода. В качестве исходных принимаются следующие данные:

• диаметр – 16,6 миллиметров;
• длина – 27 метров;
• максимально допустимая скорость потока воды – 1,5 м/сек.

На заметку! При сдаче водопровода в эксплуатацию испытания проводятся давлением, равным, как минимум, рабочему, умноженному на коэффициент 1,3. При этом акт гидравлических испытаний конкретной ветки трубопровода должен включать отметки об испытательном давлении, а также о продолжительности испытательных работ.

Гидравлический уклон длины 1000 метров равен (берём значение из таблицы) 319,8. Но поскольку в формулу расчёта падения напора необходимо подставить не 1000i, а просто i, этот показатель необходимо разделить на 1000. В результате получим:

        319,8:1000=0,3198

Для хозяйственно-питьевого водопровода коэффициент К принимается равным 0,3.

После подстановки этих значений, формула будет выглядеть так:

                               Р =0,3198×27×(1+0,3)= 11,224 метра.

Таким образом, на концевом сантехприборе избыточное давление, равное 0,5 атмосферы, будет продуцироваться при давлении  в трубопроводе системы  водоснабжения 0,5+1,122=1,622  кгс/см2. А поскольку давление в магистрали, как правило, не опускается ниже отметки 2,5 – 3 атмосфер, это условие вполне выполнимо.

Гидравлический расчёт трубопроводов систем отопления с помощью программ

Расчёт отопления частного дома – достаточно сложная процедура. Однако специальные программы её значительно упрощают. Сегодня доступен выбор нескольких онлайн сервисов такого типа. На выходе получаются следующие данные:

• требуемый диаметр трубопроводной линии;
• определённый вентиль, служащий для балансировки;
• размеры элементов отопления;
• значения датчиков перепадов давления;
• параметры контроля термостатических клапанов;
• числовые настройки регулирующих деталей.

Программа «Oventrop co» для выбора полипропиленовых труб. Перед её запуском необходимо определить искомые элементы оборудования и задать настройки. По окончании вычислений пользователь получает несколько вариантов реализации системы отопления. В них итерационно вносятся изменения.

Данное программное обеспечение гидравлического расчёта позволяет выбрать трубные элементы магистрали нужного диаметра и определить расход теплоносителя. Оно – надёжный помощник при вычислении как однотрубной, так и двухтрубной конструкции. Удобство работы – вот одно из основных достоинств «Oventrop co». В комплект данной программы входят готовые блоки и каталоги материалов.

Программа «HERZ CO»: расчёт с учётом коллектора. Это программное обеспечение находится в свободном доступе. Оно позволяет производить расчёты вне зависимости от количества труб. «HERZ CO» помогает создавать проекты для ремонтируемых и новых зданий.

Обратите внимание! Здесь есть один нюанс: для создания конструкций  используется гликолевая смесь.

Программа тоже ориентирована на расчёт одно- и двухтрубных систем отопления. С её помощью учитывается действие термостатического вентиля, а также определяются потери давления в отопительных приборах и показатель сопротивления потоку теплоносителя.

Результаты расчётов выводятся в графическом и схематическом виде. В «HERZ CO» реализована функция справки. В программе имеется модуль, выполняющий функцию поиска и локализации ошибок. Пакет программ сдержит каталог данных о приборах для обогрева и об арматуре.

Программный продукт Instal-Therm HCR. С помощью данного программного обеспечения можно рассчитать радиаторы и обогрев поверхностей. В комплект его поставки входит модуль Tece, в котором содержатся подпрограммы для проектирования систем водоснабжения разных типов, сканирования чертежей и расчёта тепловых потерь. Программа оснащена различными каталогами, которые содержат арматуру, батареи, теплоизоляцию и разнообразные фитинги.

Компьютерная программа «ТРАНЗИТ». Данный пакет программ позволяет осуществлять многовариантный гидравлический расчёт нефтепроводов, в которых имеются промежуточные нефтеперекачивающие станции (далее НПС). В качестве исходных данных выступают:

• абсолютная шероховатость труб, давление в конце магистрали и её протяжённость;
• упругость и кинематическая вязкость насыщенных паров нефти и её плотность;
• марка и число насосов, включаемых как на головной станции, так и на промежуточных НПС;
• раскладка труб по величине диаметра;
• профиль трубопровода.

Результат расчёта представлен в виде данных о характеристиках самотёчных участков магистрали и о расходе перекачки. Помимо того, пользователю выдаётся таблица, отображающая величину давления до и после любой из НПС.

В заключение необходимо сказать, что выше были приведены самые простые методики расчётов. Профессионалы используют куда более сложные схемы.

Источник: TrubaMaster.ru

Исходные данные

Процедура вычисления гидравлики трубы осуществляется по формуле Дарси Вейсбаха, на основании следующих сходных параметров:

1. Значение расхода воды. Выражается в тоннах, поделенных на один час.
2. Температура на начале и в конце расчетного участка трубопровода. Выражается в градусах по Цельсию.
3. Диаметр внутренней части. Выражается в миллиметрах.
4. Размер длины трубы на расчетном участке. Выражается в метрах.
5. Шероховатость внутренней части. Выражается в миллиметрах. Указываемое значение коэффициента трения должно соответствовать аналогичному параметру старых систем трубопроводов.
6. Значение сопротивления трения местных потерь напора.

В данном видео рассмотрим гидравлический расчет трубопровода:

По имеющимся данным определяются оставшиеся переменные. Зная формулы, можно рассчитать:

1. Значение средней температуры (оно изменяется в процессе течения воды). Необходимость вычисления этого параметра обусловлена тем, что температура воды в начале участка больше, чем в его конце.
2. Коэффициент вязкости жидкости.
3. Средняя плотность потоков жидкости.
4. Данные о расходе воды.
5. Значение скорости движения жидкости.
6. Число Рейнольдса.
7. Значение гидравлического трения.
8. Стандартная и удельная величина потери напора в трубопроводе.
9. Параметр потери давления в точках пересечения труб.
10. Непосредственна сама характеристика гидравлического сопротивления.

Использование калькулятора гидравлического расчета

Как уже было сказано, вычисление характеристик гидравлического сопротивления простого трубопровода можно произвести самостоятельно. Однако при работе со сложными конструкциями сделать это достаточно проблематично. Поэтому самый простой способ получения описываемых параметров —использование возможностей специализированного онлайн-калькулятора.

Алгоритм вычисления по нему выглядит следующим образом:

1. Сначала необходимо выбрать требуемый метод расчета решения.
2. Потом нужно указать материал, из которого изготовлены используемые трубы.
3. Далее требуется задать значение расхода жидкости. Оно зависит от таких факторов, как тип перекачиваемой жидкости, среда использования конструкции, рабочие характеристики насоса и т.д.
4. Затем последовательно указываются следующие параметры:
   • размеры сечения внутренней и наружной части трубопровода;
   • длина расчетного участка;
   • средняя температура воды на расчетном участке.

После ввода всех данных программа в автоматическом режиме произведет вычисления и представит их пользователю в виде графика. Его пример представлен ниже.

Гидравлический расчет в системах с естественной циркуляцией

Алгоритм проведения вычисления также может меняться в зависимости от типа системы. Различают два основных вида:

1. Естественная циркуляция – самостоятельное движение воды за счета изначального параметра напора (его также называют располагаемым).
2. Принудительная циркуляция – системы, в которых жидкость передвигается за счет работы дополнительных насосов и механизмов.

Естественно, что в зависимости от конкретной конструкции описываемый в статье параметр может изменяться. Однако существуют следующие рекомендации по созданию систем трубопроводов с естественной циркуляцией:

1. Максимальная длина горизонтальных участков – не более двадцати метров.
2. Рекомендуемый диаметр магистральный трубы – 5 см.
3. Рекомендуемое значение диаметра каждой тридцать пятой секции – 5 см.
4. При расчете на каждые десять метров требуется дополнительно прибавлять половину диаметра трубы к ее размерам в вычислениях – это требуется для снижения скорости носителя тепла и нивелирования потерь напора за счет трения.

Гидравлический расчет в системах с принудительной циркуляцией

Гидравлический расчет в системах, где движение жидкости осуществляется принудительно, напрямую зависит от требуемой скорости движения, которая, в свою очередь, определяется параметрами напора, шероховатости внутренних поверхностей труб, а также материалами их изготовления.

Трубы из пластика имеют гораздо меньшую шероховатость, чем металлические. Однако при использовании полимеров значение диаметра должно оставаться таким же, каким он было бы при применении металла. Это требуется потому, что размеры толщины стенки пластиковых труб могут меняться в зависимости от рабочего и предельного значений напора. Диапазон изменения размеров всегда указывается производителями.

Подбор диаметров труб

Как было упомянуто, оптимальное значение диаметра основных труб в системе подачи воды зависит от множества параметров:

• материал изготовления;
• тип работы системы – естественная или принудительная;
• рабочая скорость потоков;
• параметр давления;
• наличие фактора деления трубопровода на несколько разводок;
• вид используемого в системе теплоносителя и т.д.

Значения диаметров указываются производителями в двух видах:

• в миллиметрах;
• в дюймах – 1 дюйм = 25.4 мм.

Как правило, абсолютно точные вычисления требуются в промышленных системах. При работе с простыми домашними конструкциями достаточно придерживаться следующих рекомендаций:

1. Основная труба системы подачи воды – от 10 до 15 мм.
2. Диаметр труб, использующихся в качестве стояков системы, – от 20 до 25 мм.

Таким образом, проведение гидравлического расчета обязательно при конструкции и установке систем трубопроводов. Важно понимать, что при выборе слишком большого рабочего диаметра давление воды будет слишком малым, что приведет к нарушению режимов работы системы и отрицательно скажется на качестве ее функционирования.

Использование слишком малых диаметров, наоборот, приведет к повышению давления, следовательно, к опасности использования такой системы. Также, при малых значениях, работа системы неизбежно будет сопровождаться шумами.

Источник: pogrebov.net

Постановка задачи

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<Re<4000), который характеризуется нестабильной структурой потока, когда отдельные слои жидкости перемешиваются;
• 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 м³/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 м³/час = 80·1/3600 = 0,022 м³/с;

эффективный диаметр d = 24 мм;

длина трубы l = 32 м;

коэффициент трения λ = 0,028;

давление в аппарате Р = 2,2 бар = 2,2·10⁵ Па;

общий напор Н = 20 м.

Решение задачи:

Скорость потока движения воды в трубопроводе рассчитывается по видоизмененному уравнению:

w=(4·Q) / (π·d²) = ((4·0,022) / (3,14·[0,024]²)) = 48,66 м/с

Потери напора жидкости в трубопроводе на трение определяются по уравнению:

H_Т = (λ·l) / (d·[w²/(2·g)]) = (0,028·32) / (0,024·[48,66]²) / (2·9,81) = 0,31 м

Общие потери напора носителя рассчитываются по уравнению и составляют:

h_п = H – [(p₂-p₁)/(ρ·g)] – H_г = 20 – [(2,2-1)·10⁵)/(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:

w²/(2·g) = 2,0²/(2·9,81) = 0,204 м

Потери напора воды на местные сопротивления составят:

∑ζ_МС·[w²/(2·g)] = (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 – (p₂-p₁)/(ρ·g) – = 8 – ((1-1)·10⁵)/(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/м³):

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

Согласно рассчитанному значению Re, причем 2320 <Re< 10/e, по справочной таблице рассчитаем коэффициент трения (для режима гладкого течения):

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·[w²/(2g)]) = (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 м³/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 м³/час = 0,005 м³/с;

длина трубопровода l=26 м;

для воды ρ = 1000 кг/м³, 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;

ΔH=1,2 м.

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/d⁵ = (8·26·0.005²)/(9,81·3,14²)· λ/d⁵ = 5,376·10^-5·λ/d⁵

Выразим диаметр:

d⁵ = (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 Q₁ = 18 м³/час и Q₂ = 34 м³/час. Трубы для обоих трубопроводов должны быть одного диаметра.

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

Исходные данные:

Q₁ = 18 м³/час;

Q₂ = 34 м³/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 Q₁ = 18 м³/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 м³/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 Q₂ = 34 м³/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 м³/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 м³/час. Определите режим течения потока воды в трубе.

Дано:

диаметр трубы d = 0,25 м;

расход Q = 100 м³/час;

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

ρ = 992,2 кг/м³ (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) = [100/3600] · [4/(3,14·0,25²)] = 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.

Источник: pkfdetal.ru