Как делается гидравлический расчет трубопровода

Как делается гидравлический расчет трубопровода

Гидравлический расчет трубопроводов позволяет вычислить расход воды (пропускную способность), длину участка, его внутреннее сечение и падение напора, сравнить с рекомендуемыми параметрами:

 

  • Потери на 1 м участка, исходя из материала, составляют 80 - 250 Па/м или 8 - 25 мм водяного столба.
  • Предельная скорость воды для внутренних диаметров варьирует: 1,5 см – 0,3 м/с, 2 см – 0,65 м/с, 2,5 см – 0,8 м/с, 3,2 см – 1 м/с, для других параметров она ограничивается пределом в 1,5 м/с.
  • В противопожарных трубопроводах максимальная скорость движения воды равна 5 м/с.

 

промышленный трубопровод

 

Условная проходимость DN

 

Параметр условной проходимости DN (номинального диаметра) выступает безразмерной величиной, его численное значение приблизительно соответствует внутреннему поперечному сечению труб (например, DN 125). Числовые значения условного перехода подбирают для увеличения пропускной способности трубопроводной сети в пределах 60 - 100% при переходе от одной условной проходимости к следующей.

 

проходимость труб
 

Согласно ГОСТ 28338-89, параметры условной проходимости (Ду в прошлом) подбирают из размерного ряда:

 

размеры трубопроводов

 

Значения подобраны с учетом исключения проблем, относительно припасовки деталей друг к другу. Номинальный диаметр на основе параметров внутреннего сечения подбирают на основе диаметра трубы в свету.

 

Параметр номинального давления PN

 

Значение номинального давления PN (величины, соответствующей предельному уровню давления перекачиваемых сред при 20 °C), рассчитывают для определения длительной эксплуатации трубопроводной сети, имеющей заданные параметры. Параметр номинального давления - безразмерная величина, градуированная на основе практики эксплуатации.

 

номинальное давление

 

Параметр номинального давления для конкретных трубопроводных систем подбирают, исходя из реального напряжения путем определения максимального значения. Полученным данным соответствуют фитинги и арматура. Для обеспечения нормальной эксплуатации систем, толщину стенок труб рассчитывают по номинальному давлению.

 

Допустимые параметры избыточного рабочего давления pe,zul

 

Номинальные параметры давления используют для рабочих сред температурой 20°C. При повышении уровня нагрева, способность противостояния нагрузкам снижается, что влияет на уменьшение допустимого избыточного давления. Показатель pe,zul определяет максимальный уровень избыточного напряжения, допускаемого при повышении значения температурного режима.

 

допустимое избыточное давление
 

Выбор материала

 

Подбор материала производится на основе характеристик сред, транспортируемых по трубопроводной линии и рабочего давления, предусмотренного для данной системы. Следует помнить о корродирующем действии перекачиваемых сред, относительно материала стенок трубопроводной сети. Обычно трубы и химические системы изготавливают из стали. При отсутствии высокого механического и корродирующего воздействия при разработке труб используют серый чугун или нелегированную конструкционную сталь.

 

условные обозначения на трубе

 

При высоком рабочем давлении и отсутствии нагрузок с коррозийным образованием используют трубы из высококлассной стали или технологию ее литья. При высоком корродирующем действии или предъявлении к чистоте продуктов высоких требований, трубы разрабатывают из нержавейки.

 

Для повышения устойчивости к действию морской воды применяют медно-никелевый состав. Допускается использование алюминиевых сплавов, тантала или циркония. Хорошо распространены пластиковые составы, устойчивые к коррозийным образованиям. Они обладают малым весом и просты в обработке, что выступает идеальным решением для обустройства канализационных систем.

 

Типы фасонных элементов

 

При разработке труб из пластичных материалов, пригодных для сварочных работ, их сборка производится на месте монтажа. К ним относят стальные, алюминиевые, пластиковые и медные конструкции. Подсоединения прямых участков производится с помощью фасонных элементов (колен, отводов, затворов).

 

фасонные элементы

 

Типы соединений

 

Для монтажа отдельных элементов трубопроводных элементов и фитингов, арматуры и аппаратов, служат специальные соединительные детали, подбираемые, исходя из ряда параметров:

 

  1. материала для разработки трубопровода и фасонных деталей (главным критерием их выбора выступает возможность сварки);
  2. условий эксплуатации: при низком или высоком давлении, температурном режиме;
  3. рекомендаций производителя;
  4. включения разъемных или неразъемных соединительных деталей.

 

типы соединений

 

Линейное расширение

 

Смена геометрической формы изделий производится под силовым или температурным действием. Физические нагрузки, приводящие к линейному расширению или сжатию, негативно отражаются на эксплуатационных характеристиках. При невозможности компенсации расширения, трубы деформируются, что приводит к повреждению фланцевых уплотнителей и участков стыковки труб между собой.

 

Компонуя трубопроводные магистрали, следует ориентироваться на возможную смену длины при увеличении температурного режима или теплового линейного расширения (ΔL). Этот параметр определяется длиной труб, обозначаемой Lo и разностью температурных режимов Δϑ =ϑ2-ϑ1.

 

линейное расширение

 

В приведенной формуле коэффициент теплового линейного расширения для трубопровода протяженностью 1 м при увеличении температурного режима составляет 1°C.

 

Компенсаторы расширения трубопроводных сетей

 

Отводы

 

Специальные отводы, ввариваемые в трубопроводную сеть, компенсируют естественный показатель линейного расширения изделий. Этому способствует выбор компенсирующих U-образных, Z-образных и угловых отводов, лирных компенсаторов.

 

допустимые деформации

 

Они предназначены для принятия линейного расширения труб за счет деформирования, но для данной технологии предусмотрен ряд ограничений. В трубопроводных магистралях с повышенным уровнем давления для компенсации расширения служат колени под разным углом. Напряжение, предусмотренное в отводах, способствует усилению коррозийного действия.

 

Волнистые компенсаторы

 

Изделия представлены тонкостенными гофротрубами из металла, называемыми сильфоном и растягиваемым в направлении трубопроводной линии. Их монтируют в трубопроводной сети, предварительный натяг служит для компенсации расширения.

 

волнистые компенсаторы

 

Выбор осевых компенсаторов позволяет обеспечить расширение по поперечному сечению. Внутренние направляющие кольца предупреждают боковое смещение и внутреннее загрязнение. Для защиты труб от внешнего воздействия служит специальная облицовка. Компенсаторы, не включающие в конструкцию внутреннего направляющего кольца, способствуют поглощению боковых сдвигов и вибрации, исходящей от насосных систем.

 

Изоляционная защита

 

Для трубопроводов, рассчитанных на перемещение высокотемпературных сред, предусмотрен выбор изоляции:

 

  1. до 100°C применяется жесткий пенопласт (полистирол или полиуретан);
  2. до 600°C предусмотрено использование фасонных оболочек или минеральных волокон (каменной шерсти или стеклянного войлока);
  3. до 1200°C – волокна на основе керамики или глинозема.

 

Трубы с условной проходимостью ниже DN 80 и толщиной изоляционной защиты до 5 с, обрабатывают изоляционными фасонными элементами. Этому способствуют 2 оболочки, размещенные вокруг труб и соединенные с помощью металлической ленты, закрытые кожухом из жестяного материала.

 

схема изоляции  трубы

 

Трубы с условной проходимостью от DN 80 оснащают теплоизоляционным материалом с нижним каркасом. Он включает зажимные кольца, распорки и металлическую облицовку, разработанную из оцинкованного мягкого стального материала или нержавейки листовой. Между трубами и кожухом из металла размещают изоляционный материал.

 

с проходимостью от дн 80

 

Теплоизоляционный слой составляет диапазон размеров 5 - 25 см. Его наносят по всей протяженности труб, на отводах и коленах. Важно исключить наличие незащищенных участков, влияющих на образование теплопотерь. Фасонная изоляция служит для защиты фланцевых соединений и арматуры. Это способствует беспрепятственному доступу к стыковочным участкам без снятия изоляции по всей магистрали при нарушении герметичных свойств.

 

теплоизоляция в разрезе

 

Снижение давления и расчет гидросопротивления

 

Для определения напора внутри труб и правильной подборки оборудования, способствующего перекачиванию жидких или газообразных сред, требуется вычислить снижение давления. За неимением доступа к интернет-сети, расчеты производятся по формуле:

 

Δp=λ·(l/d1)·(ρ/2)·v²

 

Δp – перепады напряжения на участке трубопровода, Па
l – протяженность участка трубопроводной линии, м
λ – коэффициент сопротивления
d1 – поперечное сечение труб, м
ρ – уровень плотности транспортируемых сред, кг/м3
v – скорость перемещения, м/с

 

разрез трубы

 

Гидравлическое сопротивление образуется под воздействием 2-х основных факторов:

 

  • сопротивление трения;
  • местное сопротивление.

 

Первый вариант предусмотрен при образовании неровностей и шероховатостей, препятствующих движению перекачиваемых сред. Для преодоления тормозящего эффекта требуются дополнительный расход энергии. При ламинарном протоке и соответствующего ему низкого показателя Рейнольдса (Re), характеризующегося равномерностью и исключением возможности смешения соседних слоев жидких или газообразных сред, влияние шероховатостей минимально. Это объясняется увеличением параметра крайнего вязкого подслоя перекачиваемых сред, относительно образованных неровностей и выступов на поверхности труб. Эти условия позволяют считать трубы гидравлически гладкими.

 

При повышении значения Рейнольдса вязкий подслой имеет меньшую толщину, что обеспечивает перекрытие неровностей и воздействия шероховатостей, уровень гидравлического сопротивления не зависит от показателя Рейнольдса, и средней высоты выступов на покрытии труб. Последующее повышение значения Рейнольдса позволяет перевести перекачиваемые среды в режим турбулентного протекания, где образуется разрушение вязкого подслоя, а образуемое трение определяется величиной шероховатости.

 

Потери при трении рассчитываются путем подстановки данных:

 

HТ=[(λ·l)/dэ]·[w2/(2g)]

 

  • HТ – потери напора при сопротивлении трению, м
  • [w2/(2g)] – скоростной напор, м
  • λ – коэффициент сопротивления
  • l – протяженность трубопроводного участка, м
  • dЭ – эквивалентное значение поперечного сечения трубопроводной линии, м
  • w – скорость движения сред, м/с
  • g – ускорение свободного падения, м/с2

 

извилистая труба

таблица с формулами

обозначение в таблице

 

Эквивалентное значение диаметра

 

Применяют при проведении расчетов нецилиндрических трубопроводных систем (овального или прямоугольного сечения). Эквивалентное значение диаметра соответствует параметрам трубопроводной сети с круглым сечением, при условии одинаковой длины. Для проведения расчетов используют формулу:

 

dэ = 4F/P

 

расшифровка эквивалентного значения

 

Для труб с цилиндрической формой эквивалентное и внутреннее поперечное сечение совпадает. Для открытых каналов эквивалентный диаметр рассчитывают путем подстановки данных:

 

dэ = 4F/Pс

 

для труб с цилиндрической формой

 

Смоченным периметром выступает длина линии сопряжения транспортируемых сред со стенками трубопровода, влияющими на ограничение потока. Ниже представлены формы периметра для разных труб.

 

формы периметра труб

 

Местное сопротивление образуют трубопроводные элементы, где транспортируемые среды подвержены резкому образованию деформаций со сменой направления, скорости или завихрений. Этот процесс может быть вызван под действием задвижек, вентилей, поворотов и развилок труб.

 

Потери напора при местном трении рассчитывают через формулу:

 

Hмсмс·[w2/(2g)]

 

потери напора

трубопровод в доме

 

Уровень потери напора при местном трении определяется скоростью и коэффициентом местного сопротивления (указан в табличных данных).

 

начальные и конечные участки труб

прямоточный вентиль

внезапное расширение трубопровода

внезапное сужение трубопровода

 

При суммировании приведенных выше формул получится общее уравнение, позволяющее определить напор насоса:

 

  формула напора насоса

 

Диаметр трубопроводных сетей

 

При вычислении поперечного сечения труб, следует учесть, что высокая скорость перекачиваемых сред снижает материалоемкость изделий и удешевляет установку систем. Но повышение скорости приводит к потерям напора, требующим дополнительного расхода энергии для перекачивания сред. Чрезмерное уменьшение может привести к негативным последствиям. Для вычисления оптимальных параметров поперечного сечения труб служит формула (для изделий с круглым поперечным сечением):

 

Q = (Πd²/4)·w

 

расход перекачиваемой жидкости

 

Для вычисления оптимальных параметров поперечного сечения требуется узнать скорость перекачиваемых сред, исходя из сводных таблиц:

 

скорость перекачивания жидкости

пары

 

Окончательное уравнение для определения оптимального поперечного сечения имеет следующий вид:

 

d = √(4Q/Πw)

 

  формула поперечного сечения

 

Гидравлический расчет простых безнапорных сетей

 

Такой расчет с их частичным (0,5-0,8) наполнением заключается в вычислении диаметра, угла наклона и скорости транспортировки сред, влияющий на расход жидкости, для его определения используется формула:

 

гидрорасчет простых труб

 

Шези:

 

шези



где q - расчетный расход;

в; - площадь живого сечения;

v - скорость;

С – коэффициент Шези;

 

 гидравлический радиус  - гидравлический радиус;

смоченный периметр  ; - смоченный периметр;

 i = hl /L - уклон лотка;

 hl - падение лотка на длине L.

В уравнении Шези гидроуклон L соответствует наклону лотка i, что определяется равномерным движением воды.


Для вычисления коэффициента Шези используется уравнение Н. Н. Павловского (при 0,1< R < 3 м)

 

уравнение павловского


где y - степень, определяемая путем подстановки данных:

 

путь подстановки данных



где n - коэффициент шероховатости, определяемый стенками материала.

Для приблизительного вычисления параметров по формуле Н. Н. Павловского, служат следующие уравнения:

 

приблизительные вычмсления



при y = 1/6 формула для С (коэффициента Шези) известна под названием формулы Маннинга, справедливой для турбулентного режима жидких сред.

 

Предельный уровень расхода жидкости достигается при заполнении h/d=0,95. Для исключения подтопления, наполнение бытовых трубопроводов принимают за 0,8. Для вычисления максимальных значений степени заполнения, служат следующие табличные данные:

 

вычисление максимальных значений

 

Путем подстановки в формулу Шези параметра минимальной скорости, получится предельно низкий уровень наклона, обеспечивающего очищение трубопроводной сети. Минимальный диаметр и уклон водоотводящих магистралей приведен в табличных данных:

 

минимальный диаметр и уклон

 

При содержании абразивных материалов, уровень истирания пропорционален скорости транспортируемых сред. На практике установлена скорость потока для неметаллических трубопроводов 4 м/с и 8 м/с для изделий из металла.


Минимальный уклон рассчитывается по формуле:

 

формула минимального уклона

обозначение в формуле
 

При проектировании водоотводящих сетей, специалисты руководствуются графиками, таблицами и диаграммами.
 

таблица диаграмм

таблица с диаметрами

таблица с уклоном

изменения скоростей и расхода в трубах

описание рисунка по изменениям

 

Номограммы для гидравлических вычислений труб

 

Для проверки потерь давления на заданном участке, показатели манометров сравнивают с табличными данными, или ориентируются на функциональную зависимость расхода жидкости от изменений напряжения (при постоянном диаметре).

 

Для примера используется ветка с радиаторами на 10 кВт. Расход жидкости рассчитывается на перенос теплоэнергии на уровне 10 кВт. В качестве расчетного участка взят отрез от первой в ветке батареи. Его диаметр является постоянным. Второй участок размещен между 1-ой и 2-ой батареей. На втором участке расход потребляемой энергии составляет 9 кВт с возможным снижением.

Расчет гидравлического сопротивления производится до обратной и подающей трубы, этому способствует формула:

 

G уч = (3,6*Q уч)/(c*(t r-t o)),

где Q уч — уровень тепловой нагрузки участка, (Вт). Нагрузка тепла на 1 участок составляет 10 кВт;

с — (показатель удельной теплоемкости для жидкости) постоянная, равная 4,2 кДж (кг*°С);

t r — температурный режим горячего теплоносителя;

t o — температурный режим холодного теплоносителя.

 

схема отопления с естественной циркуляцией

 

Гидрорасчеты отопительных гравитационных систем: скорость транспортировки теплоносителя

 

Минимальная скорость теплоносителя составляет 0,2-0,26 м/с. При снижении параметра из жидкости могут выделяться избыточные воздушные массы, приводящие к образованию воздушных пробок. Это выступает причиной для полного или частичного отказа от системы отопления. Верхний порог скорости теплоносителя составляет 0,6-1,5 м/с. Не достижение скорости до заданных параметров возможно образование гидравлических шумов. На практике оптимальная скорость варьирует в диапазоне 0,4-0,7 м/с.

 

схема системы теплоснабжения

 

Для более точных вычислений используются параметры материалов для изготовления труб, Например, для стальных труб скорость жидкости варьирует в диапазоне 0,26-0,5 м/с. При использовании полимерных или медных изделий, допускается увеличение скорости до 0,26-0,7 м/с.

 

Вычисление сопротивления отопительных гравитационных систем: потери давления

 

Сумма всех потерь при гидравлическом трении и локальном сопротивлении определяется в Па:

 

Руч = R * l + ((p * v2) / 2) * E3,

 

  • где v — скорость транспортируемых сред м/с;
  • p — плотность жидкости, кг/м³;
  • R — потери давления, Па/м;
  • l — длина, используемая для расчета труб, м;
  • E3 — сумма всех коэффициентов локального сопротивления на обустроенном участке запорной арматуры.

 

Общий уровень гидравлического сопротивления определяется суммой сопротивлений расчетных участков.

 

гидрорасчет двухтрубный систем

 

Гидрорасчет двухтрубных гравитационных отопительных систем: выбор основной ветви

 

Если система гидравлики характеризуется попутной транспортировкой теплоносителя, для двухтрубных систем следует выбрать кольцо максимально загруженного стояка через размещенные внизу отопительные приборы. Для систем, характеризующихся тупиковым движением теплоносителя, требуется выбор кольца нижнего прибора обогрева для максимально загруженного из самых удаленных стояков. Для горизонтальных отопительных конструкций подбирают кольца через наиболее загруженные ветви, относящиеся к нижним этажам.

 

нонограмма гидравлического расчета

 

Примеры номограмм

 

расход пара

расход пара и воды

нонограмма водяной системы

нонограммы паровой системы

нонограмма для гравитационных и насосных систем

для систем низкого давления

для водяных тепловых сетей

примеры определения ре

 

При выборе параметров труб и материала для разработки, специалисты ориентируются на технологические и конструктивные требования, предъявляемые в конкретной ситуации. Для стандартизации габаритов их классифицируют и унифицируют, с учетом допустимого для эксплуатации давления.

 

Видео

 


Написать отзыв

Ваше имя:

Ваш EMail: (не для публикации)

Ваш город:

Ваш отзыв:
Примечание: HTML разметка не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо Хорошо

Введите код, указанный на картинке: