Падение напора в трубопроводе что это?
Teplotehnika33.ru

Отопление и водоснабжение

Падение напора в трубопроводе что это?

Почему возникает потеря давления в трубопроводе и как этого можно избежать

Каждый человек, решивший самостоятельно обустроить водоснабжения своего дома, должен быть готов к такой проблеме, как уменьшение напора внутри системы. Как правило, причина кроется в том, что падает общее давление воды в трубе: именно поэтому подбор мощности скважинного насоса должен осуществляться с особой тщательностью.

Почему падает напор в водопроводе

Когда жидкость двигается по трубопроводу, она встречает определенные препятствия на своем пути.

На внутреннее сопротивление водопровода оказывают влияние такие факторы:

  1. Внутренний диаметр трубы. Его уменьшение прямо пропорционально увеличению сопротивления.
  2. Скорость движения воды в системе. Чем она больше, тем сопротивление сильнее.
  3. Особенности покрытия трубы, которое находится в непосредственном контакте с водой. Потери давления в трубопроводе могут возникать по причине излишней шероховатости внутренней поверхности.

Следует сказать, что даже если речь идет о транспортировке воды по прямой трубе, все равно определенное торможение ее потока наблюдается. Чем более увеличивается протяженность водовода, тем более возрастает показатель суммарного сопротивления.

Потеря давления в прямых трубопроводах

Чтобы точно произвести необходимые расчеты, удобнее всего применить особые таблицы и формулы: они позволят получить наиболее точные параметры. Следует также взять во внимание, что питающие водопроводы в последнее время в основном монтируются из полимерных труб. Падение давления в трубопроводе данного типа наблюдается в заметно меньших масштабах.

Для данных изделий характерны следующие эксплуатационные преимущества:

  • Небольшой вес и удобная установка.
  • Антикоррозийная безопасность.
  • Отличные показатели гладкости используемых для изготовления данных труб полимеров. Благодаря этому удается заметно снизить внутреннее сопротивление системы. По этому параметру пластиковые водоводы примерно в 1,5 раза выгоднее металлических аналогов.

Как учитывать местные сопротивление

Наряду с линейными потерями внутри трубопроводов могут иметься так называемые «местные» сопротивления. Речь идет прежде всего об элементах, обеспечивающих разветвление и управление мощностью потока – тройниках, кранах, вентилях, угловых коленах, клапанах и т.п. На параметры потери внутри этих изделий влияет скорость потока жидкости и их конфигурация. Читайте также: «Какое должно быть давление в трубах водоснабжения – правила расчета».

Формула, по которой рассчитывается внутреннее сопротивление

Как определить потери напора в трубопроводе? Расход воды определяется такой формулой: Q = V×S. Расход воды здесь обозначается, как «Q» (м3/сек), площадь сечения трубы – как «S». Для обозначения скорости здесь используется буква «V» (м/сек). Для вычисления площади сечения используется классическая формула S = π×D2/4, где под «D» понимается диаметр водопроводной трубы. Читайте также: «Как рассчитать расход воды по диаметру трубы – теория и практика».

Когда расчеты искомых величин будут закончены, можно прийти к выводу о мизерности показателей местного сопротивления, при сравнении с общими (суммарными) потерями, вне зависимости от того, какие именно образцы используются. Сопротивление воды в трубах может немного возрасти, если повысить скорость потока: это происходит из-за того, что водный канал по своей узкой части начинает пропускать большой объем воды.

Потери воды в трубопроводах могу возрасти до значительных показателей. Чтобы этого не происходило, рекомендуется изначально комплектовать водопроводы изделиями с большим диаметром: впоследствии некоторые дополнительные финансовые траты с лихвой компенсируются. Это даст возможность вообще отказаться от учета местного сопротивления. Если же говорить об общих ситуациях, то параметры потери в водопроводной системе вычисляются с учетом расхода 2-4 м3 жидкости для местных сопротивлений. Когда приходится учитывать потери при прохождении прямолинейных участков, то уровень суммарных потерь может достигать примерно 5 м3.

Падение напора в трубопроводе что это?

В этой статье мы решим задачку на потерю напора в трубопроводе. Данная статья поможет вам понять, как идет сопротивление движению потока. На реальных цифрах, опишу алгоритм как это делать. Используем основные формулы.

Разберем простой пример с трубой, как видно на изображении в начале трубы насос потом идет манометр, который позволяет измерить давление жидкости в начале трубы. Через определенную длину установлен второй манометр, который позволяет измерить давление в конце трубы. Ну и в самом конце стоит кран. Эта схема достаточно проста, и я попытаюсь привести примеры. И так начнем.

Вообще существует не один способ как узнать потерю напора: Способ, когда известно давление вначале и в конце трубы, можно вычислить потерю напора по формуле: М1-М2=Давление, то есть эта разница между двумя манометрами. Допустим у нас получилось, грубо говоря 0,1 МПа, что составляет одну атмосферу. Это значит у нас потеря напора по длине составляет 0,1 МПа. Обратите внимание, мы можем указывать потерю напора по двум величинам, это по гидростатическому давлению, что составляет 0,1 МПа и по высоте напора водного столба в метрах, что составляет 10 метров. Как я не однократно говорил каждые 10 метров это одна атмосфера давления.

Существует ряд методов, как рассчитать потерю напора не имея манометров на трубах. Ученые исследователи приготовили для нашего пользования замечательные формулы и цифры, которые нам пригодятся.

Существует хорошая формула которая позволяет вычислить потерю напора по длине трубопровода.

h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
λ-коеффициент гидравлического трения, находится дополнительными формулами о которых опишу ниже.
L-длина трубопровода измеряется в метрах.
D-внутренний диаметр трубы, то есть диаметр потока жидкости. Должен быть вставлен в формулу в метрах.
V-скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
g-ускорение свободного падения равен 9,81 м/с 2
Читать еще:  Как выполняются пассивные упражнения на гибкость?

А теперь поговорим о коэффициенте гидравлического трения.

Формулы нахождения этого коэффициента зависит от числа Рейнольдса и эквивалента шероховатости труб.

Напомню эту формулу (она применима только к круглым трубам):

V-Скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
D-Внутренний диаметр трубы, то есть диаметр потока жидкости. Должен быть вставлен в формулу в метрах.
ν-Кинематическая вязкость. Это обычно для нас готовая цифра, находится в специальных таблицах.

Далее находим формулу для нахождения коэффициента гидравлического трения по таблице:

Здесь Δэ — Эквивалент шероховатости труб. Эта величина в таблицах указывается в милиметрах, но вы когда будете вставлять в формулу обязательно переводите в метры. Вообще не забывайте соблюдать пропорциональность единиц измерения и не смешивайте в формулах разных типа [мм] с [м].

d-внутренний диаметр трубы, то есть диаметр потока жидкости.

Также хочу подметить, что подобные величины по шероховатости бывают абсолютными и относительными или даже есть относительные коэффициенты. Поэтому когда если будете искать таблицы с величинами, то величина эта должа называться «эквивалентом шероховатости труб» и не как иначе, а то результат будет ошибочный. Эквивалент означает — средняя высота шероховатости.

В некоторых ячейках таблицы указаны две формулы, вы можете считать на любой выбранной, они почти дают одинаковый результат.

Таблица: (Эквивалент шероховатости)

Таблица: (Кинематическая вязкость воды)

А теперь давайте решим задачу:

Найти потерю напора по длине при движении воды по чугунной новой трубе D=500мм при расходе Q=2 м 3 /с, длина трубы L=900м, температура t=16°С.

Дано:
D=500мм=0.5м
Q=2 м 3 /с
L=900м
t=16°С
Жидкость: H2O
Найти: h-?

Решение: Для начала найдем скорость потока в трубе по формуле:

Сдесь ω — площадь сечения потока. Находится по формуле:

ω=πR 2 =π(D 2 /4)=3.14*(0,5 2 /4)=0,19625 м 2

Далее находим число Рейнольдса по формуле:

Re=(V*D)/ν=(10,19*0.5)/0,00000116=4 392 241

ν=1,16*10 -6 =0,00000116. Взято из таблицы. Для воды при температуре 16°С.

Δэ=0,25мм=0,00025м. Взято из таблицы, для новой чугунной трубы.

Далее сверяемся по таблице где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.

Далее завершаем формулой:

h=λ*(L*V 2 )/(D*2*g)=0,01645*(900*10,19 2 )/(0,5*2*9,81)=156,7 м.

Ответ: 156,7 м. = 1,567 МПа.

Давайте рассмотрим пример, когда труба идет вверх под определенным углом.

В этом случае нам к обычной задаче нужно прибавить высоту(в метрах) к потери напора. Если труба будет идти на спуск в низ, то тут необходимо вичитать высоту.

Чтобы в ручную не считать всю математику я приготовил специальную программу:

Что такое потери напора?

Третья статья в цикле статей по теоретическим основам гидравлики посвящена определению потерь напора.

Как рассказывалось ранее, при своем движении жидкость испытывает сопротивление, что выражается затратами ее энергии, т.е. затратами ее напора, что называют потерями напора.

Потери напора принципиально делятся на два типа:

  1. Местные (на рисунке обведены красным)
  2. Потери по длине (на рисунке подчеркнуты зеленым)

Местные потери конкретно на данном рисунке: поворот, задвижка (условное обозначение по ГОСТ – «бантик»), еще один поворот и внезапное (т.е. не плавное) расширение.

1. Местные потери напора (говорят также потери напора на местные сопротивления) – это потери напора, которые происходят в основном из-за вихреобразования в конкретных местах трубопровода (потому и «местные»). Любое препятствие на пути движения потока жидкости является местным сопротивление. Чем сильнее деформируется поток, тем больше будет потеря напора. Например, на рисунке ниже показано внезапное сужение трубопровода. Хорошо видны 4 вихревые зоны до и после сужения.

(говорят также потери напора на местные сопротивления) – это потери напора, которые происходят в основном из-за вихреобразования в конкретных местах трубопровода (потому и «местные»). Любое препятствие на пути движения потока жидкости является местным сопротивление. Чем сильнее деформируется поток, тем больше будет потеря напора. Например, на рисунке ниже показано внезапное сужение трубопровода. Хорошо видны 4 вихревые зоны до и после сужения.

Местную потерю напора можно определить, зная коэффициент сопротивления для данного сопротивления (обозначается буквой дзэта ζ, не имеет размерности) и среднюю скорость потока в сопротивлении V.

(g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с 2 , для быстрых подсчетов можно округлить до 10 м/с 2 )

Пример. Определить потерю напора в вентиле, установленном на трубе внутренним диаметром d = 51 мм, при расходе Q = 2 л/с.

Сначала по уравнению неразрывности (ссылка на статью 2) определим среднюю скорость движения жидкости.

V = Q / ω = 4 · Q / 3,14 · d² = 4 · 0,002 / 3,14 · 0,051² = 0,98 м/с

Теперь необходим коэффициент сопротивления вентиля. Такие данные берут из гидравлических справочников или у производителей конкретной арматуры. По справочным данным находим, что коэффициент местного сопротивления вентиля равен 6.

Тогда потеря напора на вентиле: hвент = ζ · V²/ 2 · g = 6 · 0,98² / 2 · 10 = 0,29 м.

Иллюстрация местных потерь напора

При расчете трубопроводных систем (внутренний водопровод здания, наружная водопроводная сеть и т.п.) обычно высчитывают не все сопротивления (так как их может быть очень много), а только самые существенные, создающие наибольшие сопротивления: например, счетчик воды. Потеря напора на остальных местных сопротивлениях учитывается коэффициентом, на который умножается значение потерь напора по длине (1,05 – 1,15 для наружных сетей, 1,1 – 1,3 для внутренних сетей здания).

2. Потери напора по длине – потери напора на участках трубопровода. Возникают из-за работы сил трения. (сила трения возникает между слоями движущейся жидкости). Величина потерь напора, также, как и местных потерь, напрямую зависит от скорости движения жидкости. При достаточно высокой скорости усиливается влияние шероховатости стенок трубы.

Читать еще:  Как заделать трубу на крыше из шифера?

Потерю напора по длине можно увидеть по разнице в уровнях воды между двумя пьезометрами

Точное определение потерь напора по длине является довольно сложной задачей, для этого необходимо устанавливать режим движения жидкости (бывает ламинарный и турбулентный), подбирать расчетную формулу для коэффициента гидравлического трения в зависимости от числа Рейнольдса Re, характеризующего степень турбулизации потока. Это изучается студентами в рамках курса механики жидкости.

При этом для быстрого расчета потерь напора были составлены специальные таблицы для инженеров, позволяющие, зная материал трубы и ее диаметр, а также расход воды, быстро определить так называемые удельные потери напора (сколько напора теряется на 1 м трубы). Эта величина называется 1000i, значение 1000i = 254 означает, что поток, проходя 1 м такой трубы теряет 254 мм (миллиметра) напора, т.е. 0,254 метра. Это значение также называется «гидравлический уклон», и это нельзя путать с геодезическим, т.е. просто с физическим уклоном (наклоном) самой трубы. Для расчета стальных труб используют таблицы Шевелева

Фрагмент этих таблиц представлен на рисунке ниже.

Например, из данного фрагмента видно, что если вода с расходом 1,50 л/с пойдет по трубе диаметром 50 мм, то скорость в этой трубе будет 0,47 м/с, а 1000i составит 9,69 мм на метр (на каждом метре трубы теряется 9,69 миллиметров напора).

Чтобы определить, сколько метров напора будет потеряно на всем участке – нужно перемножить 1000i с длиной участка. Чтобы ответ получился в метрах, 1000i делят на 1000.

Итак, потери напора по длине: hl = 1000i·l / 1000 = i·l

Если наш участок трубы имеет длину, скажем, 25 метров, то потеря напора на нем:

hl = 9,69*25/1000 = 0,24 м.

Учтем и местные сопротивления, тогда полная потеря напора на данном участке:

Таблицы были переведены в электронный вид в виде программы, созданной студентом Любчуком Ю.Е. Загрузить программу можно с нашего сайта. С помощью этой программы, можно легко посчитать потери напора в трубах из различных материалов. В следующей статье подробно опишем, как пользоваться данной программой на задаче из жизни.

Онлайн-калькулятор потерь напора в зависимости от расхода жидкости и сечения трубопровода

Зачем нужен этот калькулятор?

Калькулятор умеет рассчитывать потери напора в метрах в зависимости от длины и диаметра вашего трубопровода, а также объемного расхода жидкости. Зная потери напора, вы сможете более точно подобрать нужный насос под вашу задачу.

Чтобы воспользоваться калькулятором, введите исходные данные, потом нажмите кнопку «Рассчитать».
Ниже этой кнопки будут показаны результаты расчета.

1. Этот калькулятор работает в тестовом режиме. Обязательно проверьте полученные данные на адекватность. Если вы нашли очевидную ошибку или неточность, пожалуйста, сообщите нам на электронную почту.

2. Калькулятор рассчитывает потери давления жидкости без учета изменения высоты труб. Подробнее об этом будет указано в конце статьи.

Подробнее о заполнении полей калькулятора и результатах расчета

Поясним чуть подробнее как заполнить исходные данные.

  • Внутренний диаметр трубопровода. Измеряется в миллиметрах. Лучше измерять диаметр труб непосредственно штангенциркулем, а не ориентироваться на справочные данные. Также обратите внимание на то, что диаметр требуется именно внутренний. В каталогах труб часто указывают номинальный диаметр труб, который чуть больше, чем внутренний.
  • Длина трубопровода.Измеряется в метрах. Длина трубопровода — это сумма длин всех прямых участков трубы, а не расстояние между начальной и конечной точкой. К примеру, если у вас труба идет 10 метров по земле, а затем поднимается на 3 метра вверх, и идет 2 метра в обратном направлении, то в калькулятор нужно занести число 15. Это важно учитывать на предприятиях, где трубы часто обходят препятствия и имеют технологические изгибы.
  • Расход жидкости.Пример расчета потери напора для подбора насоса

Допустим, мы хотим подобрать насос для двухэтажного дома. Нам нужно, чтобы на втором этаже могла работать стиральная машина, для которой нужно обеспечить давление в 6 м.в.ст. Источником воды будет колодец или скважина, глубиной 10 метров. Сам насос будет располагаться на уровне воды. Начертим эскиз водопровода и укажем все известные нам размеры: расстояние от скважины до дома 15 метров, расстояние от земли до места установки стиральной машины 5 метров.

Сложив все эти величины, получаем длину трубопровода 30 метров. Вводим это значение в калькулятор. Заполняем остальные значения: в нашем случае внутренний диаметр труб будет 15 мм. В качестве значения расхода воды укажем максимальное потребление для стиральной машины — 30 литров в минуту. В качестве жидкости у нас будет выступать вода, а в качестве труб — полипропилен. Нажимаем кнопку рассчитать, и получаем потери напора в 22 метра водяного столба.

Но это еще не окончательный ответ. Из рисунка выше видно, что в нашем случае насос должен поднять воду на высоту 15 метров (10 метров высота скважины и 5 метров — высота дома). Значит к 22 м.в.ст. нужно добавить еще 15 метров высоты. Общие потери напора, с учетом подъема воды из скважины до высоты второго этажа составят 22+15=37 метров водяного столба. Однако, если взять насос с максимальным напором в 37 м.в.ст он сможет лишь поднять воду до уровня стиральной машины. Но ни капли жидкости не перельется через край трубы. Для того, чтобы жидкость выливалась из крана, нужно создать избыточный напор. Причем, впускной клапан стиральной машины, по условиям нашей задачи, требует как минимум 6 м.в.ст избыточного давления. Их тоже нужно прибавить к результату: 37+6=43 метра водяного столба.

Вот теперь мы можем подобрать насос для данного водопровода: нам подойдут любые модели, способные обеспечить напор более 43 метров водяного столба.

Но, обратите внимание на получившуюся цифру: при длине линии в 30 метров у нас на одно только трение теряется аж 22 метра напора. Если трубы еще не проложены, то стоит выбрать диаметр труб побольше. Посмотрим, что будет, если мы всего на треть увеличим диаметр трубы. Диаметр у нас был 15, а теперь возьмем трубы диаметром 20 мм. Остальные данные оставим теми же.

Нажимаем кнопку «рассчитать» и получаем потери давления — чуть более 6 метров водяного столба: это более чем в три раза меньше. Не забудем прибавить к этой цифре 15 метров подъема по высоте и 6 метров давления, которое мы хотим видеть на выходе из трубопровода: 6+15+6=27 метров водяного столба. Получается, что увеличив диаметр труб всего на треть, мы можем существенно снизить требования к насосу. В нашем случае, для сечения труб ⌀ 20 мм нам подойдет любой насос с рабочим давлением более 27 метров водяного столба.

Расчет потери напора сделан. Как теперь подобрать насос?

Когда известны расчетные параметры трубопроводной сети, можно подобрать насос онлайн, пользуясь нашим каталогом. Для подбора насоса онлайн вам необходимо будет указать желаемую производительность насоса и его напор (давление). Подробнее об онлайн-подборе насосов на нашем сайте написано здесь.

Как вариант, вы всегда можете позвонить нам или написать на электронную почту, чтобы переложить подбор насоса на наших приветливых и заботливых менеджеров по продажам.

Гидравлическое сопротивление труб

Гидравлическое сопротивление – это сопротивление движению потока рабочей среды, которое оказывается со стороны трубопроводной системы и оценивается количеством потерянной удельной энергии, безвозвратно расходуемой на работу сил трения. При этом гидропотери могут возникать в результате:

  • Трения по длине. Даже на прямых отрезках трубопровода создаётся противодействие движущемуся потоку. Это возникает на фоне появления сил вязкого трения. Причём с увеличением длины прямолинейного участка повышается сопротивление внутри трубопровода на данном участке.
  • Местных факторов. Это могут быть повороты, различные сужения, тройники, краны и прочее.

Расчет гидравлического сопротивления и его роль

Любая трубопроводная коммуникация имеет не только прямолинейные участки, но и повороты, ответвления, для создания которых используются различные фитинги. А для регулирования потока рабочей среды устанавливается запорная арматура. Всё это создаёт сопротивление, поэтому очень важно перед тем, как приступать к монтажу трубопровода, необходимо выполнить ряд расчётов, в том числе определить гидравлическое сопротивление. Это позволит в будущем сократить теплопотери и, соответственно, избежать лишних энергозатрат.

Гидравлический расчёт выполняется с целью:

  • Вычисления потерь давления на конкретных отрезках системы отопления;
  • Определения оптимального диаметра трубопровода с учётом рекомендованной скорости перемещения рабочего потока;
  • Расчёта тепловых потерь и величины наименьшего давления в трубопроводе;
  • Правильного выполнения увязки параллельно расположенных гидравлических ветвей и закреплённой на ней запорной арматуры.

Во время движения по замкнутому контуру рабочему потоку приходится преодолевать определённое гидравлическое сопротивление. Причём с увеличением его значения, должна увеличиваться мощность насоса. Только правильные расчёты помогут выбрать оптимальный вариант насоса. Нет смысла покупать слишком мощное оборудования для трубопроводов с низким гидравлическим сопротивлением, ведь, чем больше мощность, тем выше энергозатраты.

А если мощность будет, наоборот, недостаточной, то насосное оборудование не сможет обеспечить достаточный напор теплоносителя, что приведёт к увеличению тепловых потерь.

Коэффициент гидравлического сопротивления трубы

Это безмерная величина, показывающая, каковы потери удельной энергии.

Ламинарное перемещение рабочего потока

При ламинарном (равномерном) перемещении рабочей среды по трубопроводу круглого сечения потери давления по длине вычисляется по формуле Дарси-Вейсбаха:

— потери давления по длине;

— коэффициент гидравлического сопротивления;

v – скорость движения рабочей среды;

g – ускорение силы тяжести;

d – диаметр трубопроводной магистрали.

Практически определено, что на коэффициент гидравлического сопротивления непосредственное влияние оказывает число Рейнольдса (Re) – безмерная величина, которая характеризует поток жидкости и выражается отношением динамического давления к касательному напряжению.

Если Re меньше, чем 2300, то для расчёта применяется формула:

Для трубопроводов в форме круглого цилиндра:

Для трубопроводных коммуникаций с другим (не круглым) сечением:

Где А=57 – для квадратных труб.

Турбулентное течение рабочего потока

При турбулентном (неравномерном, беспорядочном) перемещении рабочего потока коэффициент сопротивления вычисляют опытным путём, как функцию от Re. Если необходимо определить коэффициент гидравлического сопротивления для магистрали круглого сечения с гладкими поверхностями при

, то для расчёта применяется формула Блаузиуса:

В случае турбулентного перемещения рабочей среды на величину коэффициента трения влияет число Рейнольдса (характер течения) и насколько гладкая внутренняя поверхность трубопроводной коммуникации.

Коэффициент местного сопротивления

Это безмерная величина, которая устанавливается экспериментальным путём с помощью формулы:

– коэффициент местного сопротивления;

– потеря напора;

– отношение скорости потока к ускорению силы тяжести – скоростной поток.

При неизменной скорости перемещения рабочей среды по всему сечению применяется формула:

, где

– энергия торможения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector