31132 0 22

Пропускная способность трубы: просто о сложном

Как меняется пропускная способность трубы в зависимости от диаметра? Какие факторы, помимо поперечного сечения, влияют на этот параметр? Наконец, как рассчитать, пусть приблизительно, проходимость водопровода при известном диаметре? В статье я постараюсь дать на эти вопросы максимально простые и доступные ответы.

Наша задача — научиться рассчитывать оптимальное сечение водопроводных труб.

Зачем это нужно

Гидравлический расчет позволяет получить оптимальное минимальное значение диаметра водопровода.

С одной стороны, денег при строительстве и ремонте всегда катастрофически не хватает, а цена погонного метра труб растет с увеличением диаметра нелинейно. С другой — заниженное сечение водопровода приведет к чрезмерному падению напора на концевых приборах из-за его гидравлического сопротивления.

При расходе на промежуточном приборе падение напора на концевом приведет к тому, что температура воды при открытых кранах ХВС и ГВС резко изменится. В результате вас либо окатит ледяной водой, либо ошпарит кипятком.

Ограничения

Я намеренно ограничу область рассматриваемых задач водопроводом небольшого частного дома. Причины две:

1. Газы и жидкости разной вязкости ведут себя при транспортировке по трубопроводу абсолютно по-разному. Рассмотрение поведения природного и сжиженного газа, нефти и прочих сред увеличило бы объем этого материала в несколько раз и увело бы нас далеко от моей специализации — сантехники;
2. В случае большого здания с многочисленными сантехническими приборами для гидравлического расчета водопровода придется рассчитывать вероятность одновременного использования нескольких точек водоразбора. В небольшом доме расчет выполняется для пикового потребления всеми имеющимися приборами, что сильно упрощает задачу.

Факторы

Гидравлический расчет системы водоснабжения — это поиск одной из двух величин:

• Расчет пропускной способности трубы при известном сечении;
• Расчет оптимального диаметра при известном планируемом расходе.

В реальных условиях (при проектировании водопровода) куда чаще приходится выполнять вторую задачу.

Бытовая логика подсказывает, что максимальный расход воды через трубопровод определяется его диаметром и давлением на входе. Увы, реальность гораздо сложнее. Дело в том, что у трубы есть гидравлическое сопротивление : попросту говоря, поток тормозит за счет трения о стенки. Причем материал и состояние стенок предсказуемо влияют на степень торможения.

Вот полный список факторов, влияющих на производительность водопроводной трубы:

• Давление в начале водопровода (читай — давление в трассе);
• Уклон трубы (изменение ее высоты над условным уровнем грунта в начале и конце);

• Материал стенок. Полипропилен и полиэтилен имеют куда меньшую шероховатость, чем сталь и чугун;
• Возраст трубы. Со временем сталь обрастает ржавчиной и известковыми отложениями, которые не только увеличивают шероховатость, но и снижают внутренний просвет трубопровода;

Это не относится к стеклянным, пластиковым, медным, оцинкованным и металлополимерным трубам. Они и через 50 лет эксплуатации находятся в состоянии новых. Исключение — заиливание водопровода при большом количестве взвесей и отсутствии фильтров на входе.

• Количество и угол поворотов ;
• Изменения диаметра водопровода;
• Наличие или отсутствие сварных швов, грата от пайки и соединительных фитингов;

• Запорная арматура . Даже полнопроходные шаровые краны оказывают движению потока определенное сопротивление.

Любой расчет пропускной способности трубопровода будет весьма приблизительным. Волей-неволей нам придется использовать усредненные коэффициенты, типичные для близких к нашим условий.

Закон Торричелли

Живший в начале 17 века Эванджелиста Торричелли известен как ученик Галилео Галилея и автор самого понятия атмосферного давления. Ему принадлежит и формула, описывающая расход воды, выливающейся из сосуда через отверстие известных размеров.

Для работоспособности формулы Торричелли необходимо:

1. Чтобы нам был известен напор воды (высота водяного столба над отверстием);

Одна атмосфера при земной гравитации способна поднять водяной столб на 10 метров. Поэтому давление в атмосферах пересчитывается в напор простым умножением на 10.

1. Чтобы отверстие было существенно меньше диаметра сосуда , исключая, таким образом, потерю напора за счет трения о стенки.

На практике формула Торрричелли позволяет рассчитать расход воды через трубу с внутренним сечением известных размеров при известном мгновенном напоре во время расхода. Проще говоря: чтобы воспользоваться формулой, нужно установить манометр перед краном или рассчитать падение напора на водопроводе при известном давлении в трассе.

Сама формула выглядит так: v^2=2gh. В ней:

• v — скорость потока на выходе из отверстия в метрах в секунду;
• g — ускорение падения (для нашей планеты оно равно 9,78 м/с^2);
• h — напор (высота водяного столба над отверстием).

Чем это поможет в нашей задаче? А тем, что расход жидкости через отверстие (та самая пропускная способность) равен S*v , где S — площадь сечения отверстия, а v — скорость потока из приведенной выше формулы.

Капитан Очевидность подсказывает: зная площадь сечения, нетрудно определить внутренний радиус трубы. Как известно, площадь круга вычисляется как π*r^2, где π округленно берется равным 3,14159265.

В этом случае формула Торричелли будет иметь вид v^2=2*9,78*20=391,2. Квадратный корень из 391,2 округленно равен 20. Значит, вода будет выливаться из отверстия со скоростью 20 м/с.

Вычисляем диаметр отверстия, через которое изливается поток. Переведя диаметр в единицы СИ (метры), получаем 3,14159265*0,01^2=0,0003141593. А теперь вычисляем расход воды: 20*0,0003141593=0,006283186, или 6,2 литра в секунду.

Обратно в реальность

Уважаемый читатель, рискну предположить, что у вас перед смесителем не установлен манометр. Очевидно, что для более точного гидравлического расчета нужны какие-то дополнительные данные.

Обычно расчетная задача решается от обратного: при известных расходе воды через сантехнические приборы, длине водопровода и его материале подбирается диаметр, обеспечивающий падение напора до приемлемых значений. Ограничивающим фактором выступает скорость потока.

Справочные данные

Нормой скорости потока для внутренних водопроводов считаются 0,7 — 1,5 м/с. Превышение последнего значения приводит к появлению гидравлических шумов (в первую очередь — на изгибах и фитингах).

Нормы расхода воды для сантехприборов несложно отыскать в нормативной документации. В частности, их приводит приложение к СНиП 2.04.01-85. Чтобы избавить читателя от длительных поисков, я приведу здесь эту таблицу.

В таблице приведены данные для смесителей с аэраторами. Их отсутствие уравнивает расход через смесители мойки, умывальника и душевой кабины с расходом через смеситель при наборе ванны.

Напомню, что если вы хотите своими руками рассчитать водопровод частного дома, суммируйте расход воды для всех установленных приборов . Если эта инструкция не соблюдается, вас будут ждать сюрпризы вроде резкого падения температуры в душе при открытии крана горячей воды на .

Если в здании присутствует пожарный водопровод, к плановому расходу добавляется 2,5 л/с на каждый гидрант. Для пожарного водопровода скорость потока ограничивается значением в 3 м/с : при пожаре гидравлические шумы — это последнее, что будет нервировать жильцов.

При расчете напора обычно исходят из того, что на крайнем от ввода приборе он должен быть не менее 5 метров, что соответствует давлению 0,5 кгс/см2. Часть сантехнических приборов (проточные водонагреватели, заливные клапаны автоматических стиральных машин и т.д.) просто не срабатывают, если давление в водопроводе ниже 0,3 атмосфер. Кроме того, приходится учитывать гидравлические потери на самом приборе.

На фото — проточный водонагреватель Atmor Basic. Он включает нагрев лишь при давлении 0,3 кгс/см2 и выше.

Расход, диаметр, скорость

Напомню, что они увязываются между собой двумя формулами:

1. Q = SV . Расход воды в кубометрах в секунду равен площади сечения в квадратных метрах, умноженной на скорость потока в метрах в секунду;
2. S = π r ^2. Площадь сечения высчитывается как произведение числа «пи» и квадрата радиуса.

Где взять значения радиуса внутреннего сечения?

• У стальных труб он с минимальной погрешностью равен половине ДУ (условного прохода, которым маркируется трубный прокат);
• У полимерных, металлополимерных и т.д. внутренний диаметр равен разности между наружным, которым маркируются трубы, и удвоенной толщиной стенки (она тоже обычно присутствует в маркировке). Радиус, соответственно, представляет собой половину внутреннего диаметра.

1. Внутренний диаметр равен 50-3*2=44 мм, или 0,044 метра;
2. Радиус составит 0,044/2=0,022 метра;
3. Площадь внутреннего сечения будет равной 3,1415*0,022^2=0,001520486 м2;
4. При скорости потока 1,5 метра в секунду расход будет равным 1,5*0,001520486=0,002280729 м3/с, или 2,3 литра в секунду.

Потеря напора

Как вычислить, сколько напора теряется на водопроводе с известными параметрами?

Простейшая формула расчета падения напора имеет вид H = iL(1+K). Что означают переменные в ней?

• H — заветное падение напора в метрах;
• i — гидравлический уклон метра водопровода ;
• L — длина водопровода в метрах;
• K — коэффициент , позволяющий упростить расчет падения напора на запорной арматуре и . Он привязан к назначению водопроводной сети.

Где взять значения этих переменных? Ну, кроме длины трубы — рулетку-то пока никто не отменял.

Коэффициент К принимается равным:

С гидравлическим уклоном картина куда сложнее. Сопротивление, оказываемое трубой потоку, зависит от:

• Внутреннего сечения;
• Шероховатости стенок;
• Скорости потока.

Список значений 1000i (гидравлического уклона на 1000 метров водопровода) можно найти в таблицах Шевелева, которые, собственно, и служат для гидравлического расчета. Объем таблиц слишком велик для статьи, поскольку они приводят значения 1000i для всех возможных диаметров, скоростей потока и материалов с поправкой на срок службы.

Вот небольшой фрагмент таблицы Шевелева для пластмассовой трубы размером 25 мм.

Автор таблиц приводит значения падения напора не для внутреннего сечения, а для стандартных размеров, которыми маркируются трубы, с поправкой на толщину стенок. Однако таблицы были изданы в 1973 году, когда соответствующий сегмент рынка еще не сформировался.
При расчете учтите, что для металлопластика лучше брать значения, соответствующие трубе на шаг меньшего размера.

Давайте, пользуясь этой таблицей, вычислим падение напора на полипропиленовой трубе диаметром 25 мм и длиной 45 метров. Условимся, что мы проектируем водопровод хозяйственно-бытового назначения.

1. При максимально близкой к 1,5 м/с скорости потока (1,38 м/с) значение 1000i будет равным 142,8 метра;
2. Гидравлический уклон одного метра трубы будет равным 142,8/1000=0,1428 метра;
3. Коэффициент поправки для бытовых водопроводов равен 0,3;
4. Формула в целом приобретет вид H=0,1428*45(1+0,3)=8,3538 метра. Значит, на конце водопровода при расходе воды 0,45 л/с (значение из левого столбца таблицы) давление упадет на 0,84 кгс/см2 и при 3 атмосферах на входе составит вполне приемлемые 2,16 кгс/см2.

Этим значением можно воспользоваться, чтобы определить расход согласно формуле Торричелли . Способ расчета с примером приведен в соответствующем разделе статьи.

Кроме того, чтобы вычислить максимальный расход через водопровод с известными характеристиками, можно выбрать в столбце «расход» полной таблицы Шевелева такое значение, при котором давление в конце трубы не упадет ниже 0,5 атмосферы .

Заключение

Уважаемый читатель, если приведенная инструкция, несмотря на предельную упрощенность, все же показались вам утомительной — просто воспользуйтесь одним из многочисленных онлайн-калькуляторов . Как всегда, дополнительную информацию можно найти в видео в этой статье. Я буду признателен за ваши дополнения, поправки и комментарии. Успехов, камрады!

Если вы хотите выразить благодарность, добавить уточнение или возражение, что-то спросить у автора - добавьте комментарий или скажите спасибо!

Во время проектирования трубопровода, выбор размеров труб осуществляется по основанию гидравлического расчета, который определяет внутренний диметр труб для пропуска нужного количества газа при допускаемых потерях давления или, напротив, потери давления при транспортировке нужного количества газа по срубу ранее заданного диаметра. Сопротивление, которое оказывается движению газа в трубопроводе, суммируется из местных сопротивлений и линейных сопротивлений трения: сопротивления трения выполняют свою роль на всей протяженности трубопровода, а местные сопротивления создаются только в пункте изменений направления и скорости движения газа (тройники, углы и т.д.). Подробный гидравлический подсчёт газопроводов выполняется по формулам, которые приведены в CП 42-101-2003, там также учитывается режим движения газа и коэффициенты гидравлического сопротивления газопровода.
***
Так же вы можете использовать Онлайн расчеты , расчёт диаметра газопровода и его размеры. Здесь приводится сокращенный вариант.
***

Для подсчета внутреннего диаметра газопровода можно использовать формулу:

DР= (626AQ0/ρ0 ΔPуд)1/m1

DP – расчетный диаметр. Q0 – расчетный расход газа (м3/ч). ΔРуд – удельные потери давления (ПA/м)

Внутренний диаметр газопровода берется из стандартных внутренних диаметров трубопроводов:: ближайший меньший – для полиэтиленовых газопроводов и ближайший больший – для стальных.

В газопроводах низкого давления, расчётные суммарные потери давления газа принимаются не больше 1.80*10(в третьей степени) ПА, во внутренних газопроводах и газопроводах-вводах – 0,60*10(в третьей степени) ПА.

Для того чтобы рассчитать падение давления нужно определить такой параметр, как число Рейнольдса, которое зависит от характера движения газа. Также нужно определить «λ» -коэффициент гидравлического трения. Число Рейнольдса является безразмерным соотношением, которое отражает – в каком режиме передвигается газ или жидкость: турбулентном и ламинарном.

Существует, так называемое критическое число Рейнольдса, которое равно 2320. Если число Рейнольдса меньше критического значения, то режим является ламинарным, если больше, то турбулентным.

Число Рейнольдса, как критерий перехода с ламинарного режима на турбулентный и обратно актуален для напорных потоков. Если рассматривать переход к безнапорным потоком, то здесь переходная зона между турбулентным и ламинарным режимом возрастает, поэтому использовать число Рейнольдса как критерий, не особо требуется.

Новости по теме:

Натяжные потолки легко комбинируются с различными цветовыми и фактурными вариантами, к тому же они очень легкие. Главной особенностью натяжного потолка является возможность его монтажа по разным наклоном и углом в различных плоскостях. Потолок снабжен бактериальной пленкой, что послужит хорошей защитой от насекомых и позволит монтировать потолок в медицинских и детских учреждениях. Как у любого материала, кроме недостатков есть и небольшие недостатки, тем более данным материал относится к сегменту класса люкс. Итак, минусы: Невозможность демонтирования потолка и установка его снова в том же помещении, так как физические свойства материала не позволяют осуществить такой процесс. Однако как я уже говорил, установка в другом помещении осуществима, но при меньших размерах. Последний...

Сами камины в своей конструкции уже предусматривают вид топлива, который используется для горения. Это может быть жидкое топливо, газ или твердое топливо. Но в большинстве случаев в домах установлены камины на твердом топливе (дрова, каменный уголь, торфобрикет, антрацит). Твердые породы деревьев (береза, дуб, лещина, боярышник, тис, граб, ясень) горят долго, выделяют много теплоэнергии, и дают ровное длинное пламя, но и колоть их трудно. Тополь и все хвойные относятся к мягким породам: прекрасно раскалываются, горят гораздо быстрее. Но их лучше не использовать, так как они смолосодержащие, и эта смола искрит и выделяет при горении вредные для здоровья пары. Наиболее подходящим вариантом будут дрова из дуба, березы, осины либо ольхи. Березовые поленья дают большее количество...

Художественная ковка, представляет собой один метод обработки поверхности металлического типа, что позволяет тем самым создать уникальные изделия, которые сегодня применяются практически во всех областях. В целом можно сказать, что художественный тип ковки, считается достаточно популярным в силу своей нейтральности, потому как он может выглядеть уместно в совершенно разных областях. Одним из основных направлений, где активно используется художественная ковка, является оформление дизайнов интерьеров и приусадебных участков, где как раз красиво будет установить забор кованый. Такой достаточно широкий план использования ковки художественного типа обеспечивается тем, что в силу своей универсальности, она может стать действительно незаменимым элементом. Сейчас любой тип предмета можно...

Выбор обеденного стола – задача непростая и очень ответственная, ведь именно столовая – место, где собирается вся семья. Именно эта комната – воплощение сердца дома. Необходимо подбор предмета интерьера осуществлять с учетом габаритов комнаты таким образом, чтобы он не казался громоздким, при этом не стоит приобретать слишком маленький предмет. Уделить внимание следует ширине, чтобы стол не оказался слишком узким, что не даст возможности аккуратно и удобно сервировать блюда, не должен он быть и слишком широким, что помешает общению. При размещении стола необходимо учитывать, что требуется некоторое место для того, чтобы выдвинуть стул, на что следует зарезервировать минимум метр с каждой стороны. Не только помещению должны соответствовать размеры стола, но и количеству членов семьи. ...

Крайне важно, чтобы в ванной комнате вы чувствовали себя максимально удобно и комфортно. Для этого необходимо правильно подобрать сантехническое оборудование, оформить ванную в соответствии с вашим вкусом. Сегодня мы расскажем, как правильно выбрать такой важный элемент сантехнической зоны, как душевая кабина. Для начала следует определить место - где будет располагаться душевая кабина, замерить расстояние, убедиться, что ничего не помешает открытию дверок, вход будет удобный и свободный. Замерить строительным уровнем ровность пола и стен, чтобы кабина не стояла криво. По материалу рекомендуют выбирать душевые кабины из акрила. Акрил способствует более быстрому нагреванию и более длительному сохранению тепла. Поддон в целях безопасности следует приобретать с рифленой поверхностью, он...

Б.К. Ковалев, заместитель директора по НИОКР

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с примерами, когда оформление заказов на промышленное газовое оборудование ведут менеджеры, не имеющие достаточного опыта и технических знаний в отношении предмета закупок. Иногда результатом становится не вполне корректная заявка или принципиально неверный подбор заказываемого оборудования. Одной из наиболее распространенных ошибок является выбор номинальных сечений входного и выходного трубопроводов газораспределительной станции, сориентированный только на номинальные значения давления газа в трубопроводе без учета скорости потока газа. Цель данной статьи – выдача рекомендаций по определению пропускной способности трубопроводов ГРС, позволяющих при выборе типоразмера газораспределительной станции проводить предварительную оценку ее производительности для конкретных значений рабочих давлений и номинальных диаметров входного и выходного трубопроводов.

При выборе необходимых типоразмеров оборудования ГРС одним из основных критериев является производительность, которая в значительной мере зависит от пропускной способности входного и выходного трубопроводов.

Пропускная способность трубопроводов газораспределительной станции рассчитывается с учетом требований нормативных документов, ограничивающих максимально допустимую скорость потока газа в трубопроводе величиной 25м/с. В свою очередь, скорость потока газа зависит главным образом от давления газа и площади сечения трубопровода, а также от сжимаемости газа и его температуры.

Пропускную способность трубопровода можно рассчитать из классической формулы скорости движения газа в газопроводе (Справочник по проектированию магистральных газопроводов под редакцией А.К. Дерцакяна, 1977):

где W - скорость движения газа в газопроводе, м/сек;
Q - расход газа через данное сечение (при 20°С и 760 мм рт. ст.), м 3 /ч;
z - коэффициент сжимаемости (для идеального газа z = 1);
T = (273 + t °C) - температура газа, °К;
D - внутренний диаметр трубопровода, см;
p = (Pраб + 1,033) - абсолютное давление газа, кгс/см 2 (атм);
В системе СИ (1 кгс/см 2 = 0,098 МПа; 1 мм = 0,1 см) указанная формула примет следующий вид:

где D - внутренний диаметр трубопровода, мм;
p = (Pраб + 0,1012) - абсолютное давление газа, МПа.
Отсюда следует, что пропускная способность трубопровода Qmax, соответствующая максимальной скорости потока газа w = 25м/сек, определяется по формуле:

Для предварительных расчетов можно принять z = 1; T = 20?С = 293 ?К и с достаточной степенью достоверности вести вычисления по упрощенной формуле:

Значения пропускной способности трубопроводов с наиболее распространенными в ГРС условными диаметрами при различных величинах давления газа приведены в таблице 1.

Примечание: для предварительной оценки пропускной способности трубопроводов, внутренние диаметры труб приняты равными их условным величинам (DN 50; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500).

Примеры пользования таблицей:

1. Определить пропускную способность ГРС с DNвх=100мм, DNвых=150мм, при PNвх=2,5 – 5,5 МПа и PNвых=1,2 МПа.

Из таблицы 1 находим, что пропускная способность выходного трубопровода DN=150мм при PN=1,2 МПа составит 19595 м 3 /ч, в то же время входной трубопровод DN=100мм при PN=5,5 МПа сможет пропустить 37520 м 3 /ч, а при PN=2,5 МПа - только 17420 м 3 /ч. Таким образом, данная ГРС при PNвх=2,5 – 5,5 МПа и PNвых=1,2 МПа сможет максимально пропустить от 17420 до 19595 м 3 /ч. Примечание: более точные значения Qmax можно получить из формулы (3).

2. Определить диаметр выходного трубопровода ГРС, производительностью 5000 м 3 /ч при Pвх=3,5 МПа для выходных давлений Pвых1=1,2 МПа и Pвых2=0,3 МПа.

Из таблицы 1 находим, что пропускную способность 5000м 3 /час при Pвых=1,2 МПа обеспечит трубопровод DN=80мм, а при Pвых=0,3 МПа - только DN=150мм. При этом на входе ГРС достаточно иметь трубопровод DN=50мм.