Формула расчета давления в трубах. Гидравлический расчет трубопроводов

В некоторых случаях приходится сталкиваться с необходимостью расчета расхода воды через трубу. Этот показатель говорит о том, сколько воды может пропустить труба, измеряется в м³/с.

Для организаций, не поставивших счетчик на воду, начисление платы происходит из учета проходимости трубы. Важно знать, насколько точно эти данные просчитаны, за что и по какому тарифу надо платить. Физических лиц это не касается, для них, при отсутствии счетчика, количество прописанных человек умножается на потребление воды 1 человеком по санитарным нормам. Это достаточно большой объем, а с современными тарифами гораздо выгоднее поставить счетчик. Точно также в наше время часто выгоднее самому греть воду колонкой, чем платить коммунальным службам за их горячую воду.
Огромную роль расчет проходимости трубы играет при проектировании дома, при подведении к дому коммуникаций .

Важно увериться, что каждое ответвление водопровода сможет получить свою долю из основной трубы даже в часы пикового расхода воды. Водопровод создан для комфорта, удобства, облегчения человеку труда.

Если каждый вечер до жителей верхних этажей вода будет практически не доходить, о каком комфорте может идти речь? Как можно пить чай, мыть посуду, купаться? А все пьют чай и купаются, поэтому тот объем воды, который смогла предоставить труба, распределился по нижним этажам. Совсем плохую роль эта проблема может сыграть при пожаротушении. Если пожарники подключатся к центральной трубе, а в ней нет напора.

Иногда расчет расхода воды через трубу может пригодиться, если после ремонта водопровода горе-мастерами, замены части труб, напор сильно упал.

Гидродинамические расчеты непростое дело, обычно осуществляются квалифицированными специалистами. Но, допустим, вы занимаетесь частным строительством, проектируете свой уютный просторный дом.

Как рассчитать расход воды через трубу самому?

Казалось бы, достаточно знать диаметр отверстия трубы, чтобы получить, может, и округленные, но в целом справедливые цифры. Увы, этого очень мало. Другие факторы способны изменять результат вычислений в разы. Что же влияет на максимальный расход воды через трубу?

Сечение трубы . Очевидный фактор. Отправная точка гидродинамических вычислений.
Давление в трубе . При увеличении давления через трубу с тем же сечением проходит больше воды.
Изгибы, повороты, изменение диаметра, разветвления тормозят движение воды по трубе. Разные варианты в разной степени.
Протяженность трубы . По более длинным трубам будет проходить меньше воды за единицу времени, чем по коротким. Весь секрет в силе трения. Подобно тому, как она задерживает движение привычных для нас объектов (автомобилей, велосипедов, саней и т. д.), сила трения препятствует водяному потоку.
У трубы с меньшим диаметром оказывается больше площади соприкосновения воды с поверхностью трубы по отношению к объему водяного потока. А от каждой точки соприкосновения появляется сила трения. Так же, как и в более длинных трубах, в более узких трубах скорость движения воды становится меньше.
Материал труб . Очевидно, что степень шероховатости материала влияет величину силы трения. Современные пластиковые материалы (полипропилен, ПВХ, металлопласт и т. д.) оказываются очень скользкими по сравнению с традиционной сталью и позволяют двигаться воде быстрее.
Длительность эксплуатации трубы . Известковые отложения, ржавчина сильно ухудшают пропускные возможности водопровода. Это самый каверзный фактор, ведь степень засоренности трубы, ее новый внутренний рельеф и коэффициент трения весьма сложно просчитать с математической точностью. К счастью, расчет расхода воды чаще всего требуется для нового строительства и свежих, не использовавшихся ранее материалов. А с другой стороны, подключаться эта система будет к уже существующим, много лет существующим коммуникациям. И как она сама себя поведет через 10, 20, 50 лет? Новейшие технологии значительно улучшили эту ситуацию. Пластиковые трубы не ржавеют, их поверхность практически не портится со временем.

Расчет расхода воды через кран

Объем вытекаемой жидкости находится путем умножения сечения отверстия трубы S на скорость вытекания V. Сечение это площадь определенной части объемной фигуры, в данном случае, площадь круга. Находится по формуле S = πR2 . R будет радиусом отверстия трубы, не путать с радиусом трубы. π постоянная величина, отношение длины окружности к ее диаметру, приблизительно равняется 3,14.

Скорость вытекания находится по формуле Торричелли: . Где g ускорение свободного падения, на планете Земля равное приблизительно 9,8 м/с. h высота водяного столба, который стоит над отверстием.

Пример

Рассчитаем расход воды через кран с отверстием диаметром 0,01 м и высотой столба 10 м.

Сечение отверстия = πR2 = 3,14 х 0,012 = 3,14 х 0,0001 = 0,000314 м².

Скорость вытекания = √2gh = √2 х 9,8 х 10 = √196 = 14 м/с.

Расход воды = SV =0,000314 х 14 = 0,004396 м³/с.

В переводе на литры получается, что из заданной трубы способно вытекать 4,396 л в секунду.

Трубы, соединяющие между собой различные аппараты химических установок. С помощью них происходит передача веществ между отдельными аппаратами. Как правило, несколько отдельных труб с помощью соединений создают единую трубопроводную систему.

Трубопровод - это система труб, объединенных вместе с помощью соединительных элементов, применяемая для транспортировки химических веществ и иных материалов. В химических установках для перемещения веществ, как правило, используются закрытые трубопроводы. Если речь идет о замкнутых и изолированных деталях установки, то они также относится к трубопроводной системе или сети.

В состав замкнутой трубопроводной системы могут входить:

Трубы.
Соединительные элементы труб.
Герметизирующие уплотнения, соединяющие два разъемных участка трубопровода.

Все вышеперечисленные элементы изготавливаются отдельно, после чего соединяются в единую трубопроводную систему. Помимо этого трубопроводы могут быть оснащены обогревом и необходимой изоляцией, изготовленной из различных материалов.

Выборе размера труб и материалов для из изготовления осуществляется на основе технологических и конструктивных требований, предъявляемых в каждом конкретном случае. Но для стандартизации размеров труб была проведена их классификация и унификация. Основным критерием стало допустимое давление при котором возможна эксплуатация трубы.

Условный проход DN

Условный проход DN (номинальный диаметр) - это параметр, который используется в системах трубопровода как характеризующий признак, с помощью которого происходит подгонка деталей трубопровода, таких как трубы, арматура, фитинги и другие.

Номинальный диаметр является безразмерной величиной, однако численно приблизительно равен внутреннему диаметру трубы. Пример обозначения условного прохода: DN 125.

Так же условный проход не обозначается на чертежах и не заменяет собой реальные диаметры труб. Он примерно соответствует диаметру в свету у определенных частей трубопровода (рис. 1.1). Если говорить о числовых значениях условных переходах, то они выбраны таким образом, что пропускная способность трубопровода увеличивается в диапазоне от 60 до 100% при переходе от одного условного прохода к последующему.

Общепринятые номинальные диаметры:

3, 4, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000.

Размеры этих условных проходов установлены с расчетом на то, чтобы не возникало проблем с припасовкой деталей друг к другу. Определения номинальный диаметр на основе значения внутреннего диаметра трубопровода, выбирается то значение условного прохода, которое ближе всего находится к диаметру трубы в свету.

Номинальное давление PN

Номинальное давление PN - величина, соответствующая максимальному давлению перекачиваемой среды при 20 °C, при котором возможна длительная эксплуатация трубопровода, имеющего заданные размеры.

Номинальное давление является безразмерной величиной.

Как и номинальный диаметр, номинальное давление было градуировано на основе практики эксплуатации накопленного опыта (табл. 1.1).

Номинальное давление для конкретного трубопровода выбирается на основе реально создаваемого в нем давления, путем выбора ближайшего большего значения. При этом фитинги и арматура в этом трубопроводе также должны соответствовать такой же ступени давления. Толщина стенок трубы рассчитывается исходя из номинального давления и должна обеспечивать работоспособность трубы при значении давления равном номинальному (табл. 1.1).

Допустимое избыточное рабочее давление p e,zul

Номинальное давление используется только для рабочей температуры 20°C. С повышением температуры нагрузочные способности трубы снижаются. Вместе с этим соответственно снижается и допустимое избыточное давление. Значение p e,zul показывает максимальное избыточное давление, которое может быть в трубопроводной системе при повышении значения рабочей температуры (рис. 1.2).

Материалы для трубопроводов

При выборе материалов, которые будут использоваться для изготовления трубопроводов, берутся в расчет такие показатели, как характеристики среды, которая будет транспортироваться по трубопроводу и рабочее давление, предполагаемое в данной системе. Стоит так же учитывать возможность корродирующего воздействия со стороны перекачиваемой среды на материал стенок трубы.

Практически все трубопроводные системы и химические установки производятся из стали. Для общего применения в случае отсутствия высоких механических нагрузок и корродирующего действия для изготовления трубопроводом используется серый чугун или нелегированные конструкционные стали.

В случае более высокого рабочего давления и отсутствия нагрузок с коррозионно активным действием применяется трубопровод из улучшенной стали или с использованием стального литья.

Если корродирующее воздействие среды велико или к чистоте продукта предъявлены высокие требования, то трубопровод изготавливается из нержавеющей стали.

Если трубопровод должен быть устойчив к воздействию морской воды, то для его изготовления используются медно-никелевые сплавы. Также могут применяться алюминиевые сплавы и такие металлы как тантал или цирконий.

Все большее распространение в качестве материала трубопровода получают различные виды пластмасс, что обуславливается их высокой стойкостью к коррозии, малому весу и легкости в обработке. Такой материал подходит для трубопровода со сточными водами.

Фасонные части трубопровода

Трубопроводы, изготовленные из пластичных материалов пригодных для сварки, собираются на месте монтажа. К таким материалам можно отнести сталь, алюминий, термопласты, медь и т.д.. Для соединения прямых участков труб используются специально изготовленные фасонные элементы, например, колена, отводы, затворы и уменьшения диаметров (рис. 1.3). Эти фитинги могут быть частью любого трубопровода.

Соединения труб

Для монтирования отдельных частей трубопровода и фитингов используются специальные соединения. Также используются для присоединения к трубопроводу необходимой арматуры и аппаратов.

Соединения выбираются (рис. 1.4) в зависимости от:

материалов, которые используются для изготовления труб и фасонных элементов. Основной критерий выбора - возможность сварки.
условий работы: низкого или высокого давления, а также низкой или высокой температуры.
производственных требований, которые предъявляются к трубопроводной системе.
наличия разъемных или неразъемных соединений в трубопроводной системе.

Рис. 1.4 Типы соединения труб

Линейное расширение труб и его комплектация

Геометрическая форма предметов может быть изменена как путем силового воздействия на них, так и при изменении их температуры. Данные физические явления приводят к тому, что трубопровод, который монтируется в ненагруженном состоянии и без температурного воздействия, в процессе эксплуатации под давлением или воздействием температур претерпевает некоторые линейные расширения или сжатия, которые негативно сказываются на его эксплуатационных качествах.

В случае, когда нет возможности компенсировать расширение, происходит деформация трубопроводной системы. При этом могут возникнуть повреждения фланцевых уплотнений и тех мест соединения труб между собой.

Тепловое линейное расширение

При компоновке трубопроводов важно учитывать возможное изменение длины в результате повышения температуры или так называемого теплового линейного расширения, обозначаемого ΔL. Данное значение зависит от длины трубы, которая обозначается L o и разности температур Δϑ =ϑ2-ϑ1 (рис. 1.5).

В вышеприведенной формуле а - это коэффициент теплового линейного расширения данного материала. Этот показатель равен величине линейного расширения трубы длиной 1 м при повышении температуры на 1°C.

Элементы компенсации расширения труб

Отводы труб

Благодаря специальным отводам, которые ввариваются в трубопровод, можно компенсировать естественное линейное расширение труб. Для этого используются компенсирующие U-образные, Z-образные и угловые отводы, а также лирные компенсаторы (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Компенсирующие трубные отводы

Они воспринимают линейное расширение труб за счет собственной деформации. Однако такой способ возможен только с некоторыми ограничениями. В трубопроводах с высоким давлением для компенсации расширения используются колени под разными углами. Из-за давления, которое действует в таких отводах, возможно усиление коррозии.

Волнистые трубные компенсаторы

Данное устройство состоит из тонкостенной металлической гофрированной трубы, которая называется сильфоном и растягивается в направлении трубопровода (рис. 1.7).

Данные устройства устанавливаются в трубопровод. Предварительный натяг используется в качестве специального компенсатора расширения.

Если говорить про осевые компенсаторы, то они способны компенсировать только те линейные расширения, которые происходят вдоль оси трубы. Чтобы избежать бокового смещения и внутреннего загрязнения используется внутреннее направляющее кольцо. Для того чтобы защитить трубопровод от внешних повреждений, как правило, используется специальная облицовка. Компенсаторы, которые не содержат внутреннее направляющее кольцо, поглощают боковые сдвиги, а также вибрацию, которая может исходить от насосов.

Изоляция труб

В том случае, если по трубопроводу перемещается среда с высокой температурой, необходима его изоляция во избежание потери тепла. В случае перемещения по трубопроводу среды с низкой температурой изоляцию применяют для предотвращения ее нагрева внешней средой. Изоляция в таких случаях осуществляется с помощью специальных изоляционных материалов, которые размещаются вокруг труб.

В качестве таких материалов, как правило, используются:

При низких температурах до 100°C используются жесткие пенопласты, например, полистирол или полиуретан.
При средних температурах около 600°C используются фасонные оболочки или минеральное волокно, например, каменная шерсть или стеклянный войлок.
При высоких температурах в районе 1200°C - керамическое волокно, например, глиноземное.

Трубы, условный проход которых ниже DN 80, а толщина слоя изоляции меньше 50 мм, как правило, изолируются при помощи изоляционных фасонных элементов. Для этого две оболочки кладутся вокруг трубы и скрепляются металлической лентой, а после этого закрываются жестяным кожухом (рис. 1.8).

Трубопроводы, которые имеют условный проход больше DN 80, должны снабжаться теплоизоляцией с нижним каркасом (рис. 1.9). Такой каркас состоит из зажимных колец, распорок, а также металлической облицовки, изготовленной из оцинкованной мягкой стали или нержавеющей листовой стали. Между трубопроводом и металлическим кожухом пространство заполняется изоляционным материалом.

Толщина изоляции рассчитывается путем определения затрат на его изготовление, а также убытков, которые возникают из-за потери тепла, и составляет от 50 до 250 мм.

Теплоизоляция должна наноситься по всей длине трубопроводной системы, включая зоны отводов и колен. Очень важно следить, чтобы не возникали незащищенные места, которые смогут стать причиной тепловых потерь. Фланцевые соединения и арматура должны снабжаться фасонными изоляционными элементами (рис. 1.10). Это обеспечивает беспрепятственный доступ к месту соединения без необходимости снимать изоляционный материал со всей трубопроводной системы в том случае, если произошло нарушение герметичности.

В том случае, если изоляция трубопроводной системы выбрана правильно, решается множество задач, таких как:

Избегание сильного падения температуры в протекающей среде и, как следствие, экономия энергии.
Предотвращение падения температуры в газопроводных системах ниже точки росы. Таким образом, удается исключить образование конденсата, который может привести к значительным коррозионным разрушениям.
Избегание выделения конденсата в паровых трубопроводах.

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.

В этом параграфе мы применим закон сохранения энергии к движению жидкости или газа по трубам. Движение жидкости по трубам часто встречается в технике и быту. По трубам водопровода подается вода в городе в дома, к местам ее потребления. В машинах по трубам поступает масло для смазки, топливо в двигатели и т. д. Движение жидкости по трубам нередко встречается и в природе. Достаточно сказать, что кровообращение животных и человека - это течение крови по трубкам - кровеносным сосудам. В какой-то мере течение воды в реках тоже является разновидностью течения жидкости по трубам. Русло реки - это своеобразная труба для текущей воды.

Как известно, неподвижная жидкость в сосуде согласно закону Паскаля передает внешнее давление по всем направлениям и во все точки объема без изменения. Однако, когда жидкость течет без трения по трубе, площадь поперечного сечения которой на разных участках различна, давление оказывается неодинаковым вдоль трубы. Выясним, почему давление в движущейся жидкости зависит от площади поперечного сечения трубы. Но сначала ознакомимся с одной важной особенностью всякого потока жидкости.

Предположим, что жидкость течет по горизонтально расположенной трубе, сечение которой в разных местах различное, например по трубе, часть которой показана на рисунке 207.

Если бы мы мысленно провели несколько сечений вдоль трубы, площади которых соответственно равны и измерили бы количество жидкости, протекающей через каждое из них за какой-то промежуток времени то мы обнаружили бы, что через каждое сечение протекло одно и то же количество жидкости. Это значит, что вся та жидкость, которая за время проходит через первое сечение, за такое же время проходит и через третье сечение, хотя оно по площади значительно меньше, чем первое. Если бы это было не так и через сечение площадью за время проходило, например, меньше жидкости, чем через сечение площадью то избыток жидкости должен был бы где-то накапливаться. Но жидкость заполняет всю трубу, и накапливаться ей негде.

Как же может жидкость, протекшая через широкое сечение, успеть за такое же время «протиснуться» через узкое? Очевидно, что для этого при прохождении узких частей трубы скорость движения должна быть больше, и как раз во столько раз, во сколько раз площадь сечения меньше.

Действительно, рассмотрим некоторое сечение движущегося столба жидкости, совпадающее в начальный момент времени с одним из сечений трубы (рис. 208). За время эта площадка переместится на расстояние которое равно где - скорость течения жидкости. Объем V жидкости, протекшей через сечение трубы, равен произведению площади этого сечения на длину

В единицу же времени протекает объем жидкости -

Объем жидкости, протекающей в единицу времени через сечение трубы, равен произведению площади поперечного сечения трубы на скорость течения.

Как мы только что видели, этот объем должен быть одним и тем же в разных сечениях трубы. Поэтому, чем меньше сечение трубы, тем больше скорость движения.

Сколько жидкости проходит через одно сечение трубы за некоторое время, столько же ее должно пройти за такое

же время через любое другое сечение.

При этом мы считаем, что данная масса жидкости всегда имеет один и тот же объем, что она не может сжаться и уменьшить свой объем (о жидкости говорят, что она несжимаема). Хорошо известно, например, что в узких местах реки скорость течения воды больше, чем в широких. Если обозначить скорость течения жидкости в сечениях площадями через то можно написать:

Отсюда видно, что при переходе жидкости с участка трубы с большей площадью сечения на участок с меньшей площадью сечения скорость течения увеличивается, т. е. жидкость движется с ускорением. А это по второму закону Ньютона означает, что на жидкость действует сила. Что это за сила?

Этой силой может быть только разность между силами давления в широком и узком участках трубы. Таким образом, в широком участке давление жидкости должно быть больше, чем в узком участке трубы.

Это же следует из закона сохранения энергии. Действительно, если в узких местах трубы увеличивается скорость движения жидкости, то увеличивается и ее кинетическая энергия. А так как мы приняли, что жидкость течет без трения, то этот прирост кинетической энергии должен компенсироваться уменьшением потенциальной энергии, потому что полная энергия должна оставаться постоянной. О какой же потенциальной энергии здесь идет речь? Если труба горизонтальна, то потенциальная энергия взаимодействия с Землей во всех частях трубы одна и та же и не может измениться. Значит, остается только потенциальная энергия упругого взаимодействия. Сила давления, которая заставляет жидкость течь по трубе, - это и есть упругая сила сжатия жидкости. Когда мы говорим, что жидкость несжимаема, то имеем лишь в виду, что она не может быть сжата настолько, чтобы заметно изменился ее объем, но очень малое сжатие, вызывающее появление упругих сил, неизбежно происходит. Эти силы и создают давление жидкости. Вот это сжатие жидкости и уменьшается в узких частях трубы, компенсируя рост скорости. В узких местах труб давление жидкости должно быть поэтому меньше, чем в широких.

В этом состоит закон, открытый петербургским академиком Даниилом Бернулли:

Давление текущей жидкости больше в тех сечениях потока, в которых скорость ее движения меньше, и,

наоборот, в тех сечениях, в которых скорость больше, давление меньше.

Как это ни покажется странным, но когда жидкость «протискивается» через узкие участки трубы, то ее сжатие не увеличивается, а уменьшается. И опыт хорошо это подтверждает.

Если трубу, по которой течет жидкость, снабдить впаянными в нее открытыми трубками - манометрами (рис. 209), то можно будет наблюдать распределение давления вдоль трубы. В узких местах трубы высота столба жидкости в манометрической трубке меньше, чем в широких. Это означает, что в этих местах давление меньше. Чем меньше сечение трубы, тем больше в ней скорость течения и меньше давление. Можно, очевидно, подобрать такое сечение, в котором давление равно внешнему атмосферному давлению (высота уровня жидкости в манометре будет тогда равна нулю). А если взять еще меньшее сечение, то давление жидкости в нем будет меньше атмосферного.

Такой поток жидкости можно использовать для откачки воздуха. На этом принципе действует так называемый водоструйный насос. На рисунке 210 изображена схема такого насоса. Струю воды пропускают через трубку А с узким отверстием на конце. Давление воды у отверстия трубы меньше атмосферного. Поэтому

газ из откачиваемого объема через трубку В втягивается к концу трубки А и удаляется вместе с водой.

Все сказанное о движении жидкости по трубам относится и к движению газа. Если скорость течения газа не слишком велика и газ не сжимается настолько, чтобы изменялся его объем, и если, кроме того, пренебречь трением, то закон Бернулли верен и для газовых потоков. В узких частях труб, где газ движется быстрее, давление его меньше, чем в широких частях, и может стать меньше атмосферного. В некоторых случаях для этого даже не требуется трубы.

Можно проделать простой опыт. Если дуть на лист бумаги вдоль его поверхности, как показано на рисунке 211, можно увидеть, что бумага станет подниматься вверх. Это происходит из-за понижения давления в струе воздуха над бумагой.

Такое же явление имеет место при полете самолета. Встречный поток воздуха набегает на выпуклую верхнюю поверхность крыла летящего самолета, и за счет этого происходит понижение давления. Давление над крылом оказывается меньше, чем давление под крылом. Именно поэтому возникает подъемная сила крыла.

Упражнение 62

1. Допустимая скорость течения нефти по трубам равна 2 м/сек. Какой объем нефти проходит через трубу диаметром 1 м в течение 1 ч?

2. Измерьте количество воды, вытекающей из водопроводного крана за определенное время Определите скорость течения воды, измерив диаметр трубы перед краном.

3. Каким должен быть диаметр трубопровода, по которому должно протекать воды в час? Допустимая скорость течения воды 2,5 м/сек.

Работать с калькулятором просто – вводи данные и получай результат. Но иногда этого недостаточно – точный расчет диаметра трубы возможен только при ручном подсчете с помощью формул и правильно подобранных коэффициентов. Как посчитать диаметр трубы по расходу воды? Как определить размеры газовой магистрали?

Профессиональные инженеры при расчете необходимого диаметра трубы чаще всего используют специальные программы, способные по известным параметрам рассчитать и выдать точный результат. Гораздо труднее строителю-любителю для организации систем водоснабжения, отопления, газификации выполнить расчет самостоятельно. Поэтому чаще всего при возведении или реконструкции частного дома применяют рекомендуемые размеры труб. Но не всегда стандартные советы могут учесть все нюансы индивидуального строительства, поэтому требуется вручную выполнить гидравлический расчет, чтобы правильно подобрать диаметр трубы для отопления, водоснабжения.

Расчет диаметра трубы для водоснабжения и отопления

Основным критерием подбора трубы отопления является ее диаметр. От этого показателя зависит, насколько эффективным будет обогрев дома, срок эксплуатации системы в целом. При малом диаметре в магистралях может возникнуть повышенное давление, которое станет причиной протечек, повышенной нагрузки на трубы и металл, что приведет к проблемам и бесконечным ремонтам. При большом диаметре теплоотдача системы отопления будет стремиться к нулю, а холодная вода будет просто сочиться из крана.

Пропускная способность трубы

Диаметр трубы напрямую влияет на пропускную способность системы, то есть в данном случае имеет значение количество воды или теплоносителя, проходящего через сечение в единицу времени. Чем больше циклов (перемещений) в системе за определенный промежуток времени, тем эффективнее происходит обогрев. Для труб водоснабжения диаметр влияет на исходное давление воды – подходящий размер будет только поддерживать напор, а увеличенный – снижать.

По диаметру подбирают схему водопровода и отопления, количество радиаторов и их секционность, определяют оптимальную длину магистралей.

Так как пропускная способность трубы является основополагающим фактором при выборе, следует определиться, а что, в свою очередь, влияет на проходимость воды в магистрали.

Таблица 1. Пропускная способность трубы в зависимости от расхода воды и диаметра

Расход	Пропускная способность
Ду трубы	15 мм	20 мм	25 мм	32 мм	40 мм	50 мм	65 мм	80 мм	100 мм
Па/м - мбар/м	меньше 0,15 м/с			0,15 м/с					0,3 м/с
90,0 - 0,900	173	403	745	1627	2488	4716	9612	14940	30240
92,5 - 0,925	176	407	756	1652	2524	4788	9756	15156	30672
95,0 - 0,950	176	414	767	1678	2560	4860	9900	15372	31104
97,5 - 0,975	180	421	778	1699	2596	4932	10044	15552	31500
100,0 - 1,000	184	425	788	1724	2632	5004	10152	15768	31932
120,0 - 1,200	202	472	871	1897	2898	5508	11196	17352	35100
140,0 - 1,400	220	511	943	2059	3143	5976	12132	18792	38160
160,0 - 1,600	234	547	1015	2210	3373	6408	12996	20160	40680
180,0 - 1,800	252	583	1080	2354	3589	6804	13824	21420	43200
200,0 - 2,000	266	619	1151	2486	3780	7200	14580	22644	45720
220,0 - 2,200	281	652	1202	2617	3996	7560	15336	23760	47880
240,0 - 2,400	288	680	1256	2740	4176	7920	16056	24876	50400
260,0 - 2,600	306	713	1310	2855	4356	8244	16740	25920	52200
280,0 - 2,800	317	742	1364	2970	4356	8566	17338	26928	54360
300,0 - 3,000	331	767	1415	3076	4680	8892	18000	27900	56160

Факторы влияния на проходимость магистрали:

Давление воды или теплоносителя.
Внутренний диаметр (сечение) трубы.
Общая длина системы.
Материал трубопровода.
Толщина стенок трубы.

На старой системе проходимость трубы усугубляется известковыми, иловыми отложениями, последствиями коррозии (на металлических изделиях). Все это в совокупности снижает со временем количество воды, проходящей через сечение, то есть подержанные магистрали работают хуже, чем новые.

Примечательно, что этот показатель у полимерных труб не меняется – пластик гораздо менее, чем металл, позволяет шлаку накапливаться на стенках. Поэтому пропускная способность труб ПВХ остается такой же, как и в день их монтажа.

Расчет диаметра трубы по расходу воды

Определяем правильно расход воды

Чтобы определить диаметр трубы по расходу проходящей жидкости, понадобятся значения истинного потребления воды с учетом всех сантехнических приборов: ванны, кухонного смесителя, стиральной машины, унитаза. Рассчитывается каждый отдельный участок водопровода по формуле:

qc = 5× q0 × α, л/с

где qc – значение потребляемой воды каждым прибором;

q0 – нормируемая величина, которая определяется по СНиП. Принимаем для ванны – 0,25, для кухонного смесителя 0,12, для унитаза -0,1;

а – коэффициент, учитывающий возможность одновременной работы сантехнических приборов в помещении. Зависит от значения вероятности и количества потребителей.

На участках магистрали, где совмещаются потоки воды для кухни и ванны, для унитаза и ванны и т.д., в формулу добавляется значение вероятности. То есть возможности одновременной работы кухонного смесителя, крана в ванной, унитаза и других приборов.

Вероятность определяется по формуле:

Р = qhr µ × u/q0 × 3600 × N,

где N – число потребителей воды (приборов);

qhr µ - максимальный часовой расход воды, который можно принять по СНиП. Выбираем для холодной воды qhr µ =5,6 л/с, общий расход 15,6 л/с;

u – количество человек, использующих сантехнику.

Пример расчета расхода воды:

В двухэтажном доме имеется 1 ванная, 1 кухня с установленными стиральной и посудомоечной машиной, душевая кабина, 1 унитаз. В доме живет семья из 5 человек. Алгоритм расчета:

Рассчитываем вероятность Р = 5,6 × 5/0,25 × 3600 × 6=0,00518.
Тогда расход воды для ванной составит qc = 5× 0,25 ×0,00518=0,006475 л/с.
Для кухни qc = 5× 0,12 ×0,00518=0,0031 л/с.
Для туалета qc = 5× 0,1 ×0,00518=0,00259 л/с.

Рассчитываем диаметр трубы

Существует прямая зависимость диаметра от объема перетекающей жидкости, которая выражается формулой:

где Q – расход воды, м3/с;

d – диаметр трубопровода, м;

w – скорость потока, м/с.

Преобразовав формулу, можно выделить значение диаметра трубопровода, который будет соответствовать потребляемому объему воды:
Юлия Петриченко, эксперт

d = √(4Q/πw), м

Скорость потока воды можно принять по таблице 2. Существует более сложный метод расчета скорости потока – с учетом потерь и коэффициента гидравлического трения. Это довольно объемный расчет, но в итоге позволяющий получить точное значение, в отличие от табличного метода.

Таблица 2. Скорость потока жидкости в трубопроводе в зависимости от ее характеристики

Перекачиваемая среда		Оптимальная скорость в трубопроводе, м/с
ЖИДКОСТИ	Движение самотеком:
	Вязкие жидкости	0,1-0,5
	Маловязкие жидкости	0,5-1
	Перекачиваемые насосом:
	Всасывающий трубопровод	0,8-2
	Нагнетательный трубопровод	1,5-3
ГАЗЫ	Естественная тяга	2-4
	Малое давление (вентиляторы)	4-15
	Большое давление (компрессор)	15-25
ПАРЫ	Перегретые	30-50
	Насыщенные пары при давлении
	Более 105 Па	15-25
	(1-0,5)*105 Па	20-40
	(0,5-0,2)*105 Па	40-60
	(0,2-0,05)*105 Па	60-75

Пример: Рассчитаем диаметр трубы для ванной, кухни и туалета, исходя из полученных значений расхода воды. Выбираем из таблицы 2 значение скорости потока воды в напорном водопроводе – 3 м/с.