Гидравлический расчет трубопроводов в Excel

Опубликовано 08 Апр 2014
Рубрика: Теплотехника | 56 комментариев

Системы отопления зданий, теплотрассы, водопроводы, системы водоотведения, гидравлические схемы станков, машин – все это примеры систем, состоящих из трубопроводов. Гидравлический расчет трубопроводов — особенно сложных, разветвленных…

… — является очень непростой и громоздкой задачей. Сегодня в век компьютеров решать ее стало существенно легче при использовании специального программного обеспечения. Но хорошие специальные программы дорого стоят и есть они, как правило, только у специалистов-гидравликов.

В этой статье мы рассмотрим гидравлический расчет трубопроводов на примере расчета в Excel горизонтального участка трубопровода постоянного диаметра по двум методикам и сравним полученные результаты. Для «неспециалистов» применение представленной ниже программы позволит решить несложные «житейские» и производственные задачи. Для специалистов применение этих расчетов возможно в качестве проверочных или для выполнения быстрых простых оценок.

Как правило, гидравлический расчет трубопроводов включает в себя решение двух задач:

1. При проектировочном расчете требуется по известному расходу жидкости найти потери давления на рассматриваемом участке трубопровода. (Потери давления – это разность давлений между точкой входа и точкой выхода.)

2. При проверочном расчете (при аудите действующих систем) требуется по известному перепаду давления (разность показаний манометров на входе в трубопровод и на выходе) рассчитать расход жидкости, проходящей через трубопровод.

Приступаем к решению первой задачи. Решить вторую задачу вы сможете легко сами, используя сервис программы MS Excel «Подбор параметра». О том, как использовать этот сервис, подробно описано во второй половине статьи «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!».

Предложенные далее расчеты в Excel, можно выполнить также в программе OOo Calc из свободно распространяемого пакета Open Office.

Правила цветового форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, детально описаны на странице «О блоге».

Расчет в Excel трубопроводов по формулам теоретической гидравлики.

Рассмотрим порядок и формулы расчета в Excel на примере прямого горизонтального трубопровода длиной 100 метров из трубы ø108 мм с толщиной стенки 4 мм.

Исходные данные:

1. Расход воды через трубопровод G в т/час вводим

в ячейку D4: 45,000

2. Температуру воды на входе в расчетный участок трубопровода  t_вх в °C заносим

в ячейку D5: 95,0

3. Температуру воды на выходе из расчетного участка трубопровода  t_вых в °C записываем

в ячейку D6: 70,0

4. Внутренний диаметр трубопровода  d в мм вписываем

в ячейку D7: 100,0

5. Длину трубопровода 

L в м записываем

в ячейку D8: 100,000

6. Эквивалентную шероховатость внутренних поверхностей труб  ∆ в мм вносим

в ячейку D9:  1,000

Выбранное значение эквивалентной шероховатости соответствует стальным старым заржавевшим трубам, находящимся в эксплуатации много лет.

Эквивалентные шероховатости для других типов и состояний труб приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls», ссылка на скачивание которого дана в конце статьи.

7. Сумму коэффициентов местных сопротивлений  Σ(ξ) вписываем

в ячейку D10:  1,89

Мы рассматриваем пример, в котором местные сопротивления присутствуют в виде стыковых сварных швов (9 труб, 8 стыков).

Для ряда основных типов местных сопротивлений данные и формулы расчета представлены на листах «Расчет коэффициентов» и «Справка» файла

Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

Результаты расчетов:

8. Среднюю температуру воды t_ср в °C вычисляем

в ячейке D12: =(D5+D6)/2 =82,5

t_ср=(t_вх+t_вых)/2

9. Кинематический коэффициент вязкости воды n в cм²/с при температуре t_ср рассчитываем

в ячейке D13: =0,0178/(1+0,0337*D12+0,000221*D12^2) =0,003368

n=0,0178/(1+0,0337*t_ср+0,000221*t_ср²)

10. Среднюю плотность воды ρ в т/м³ при температуре t_ср вычисляем

в ячейке D14: =(-0,003*D12^2-0,1511*D12+1003,1)/1000 =0,970

ρ=(-0,003*t_ср²-0,1511*t_ср+1003, 1)/1000

11. Расход воды через трубопровод G’ в л/мин пересчитываем

в ячейке D15: =D4/D14/60*1000 =773,024

G’=G*1000/(ρ*60)

Этот параметр пересчитан нами в других единицах измерения для облегчения восприятия величины расхода.

12. Скорость воды в трубопроводе v в м/с вычисляем

в ячейке D16: =4*D4/D14/ПИ()/(D7/1000)^2/3600 =1,640

v=4*G/(ρ*π*(d/1000)²*3600)

К ячейке D16 применено условное форматирование. Если значение скорости не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки становится красным, а шрифт белым.

Предельные скорости движения воды приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

13. Число Рейнольдса Re определяем

в ячейке D17: =D16*D7/D13*10 =487001,4

Re=v*d*10/n

14. Коэффициент гидравлического трения λ рассчитываем

в ячейке D18: =ЕСЛИ(D17<=2320;64/D17;ЕСЛИ(D17<=4000; 0,0000147*D17;0,11* (68/D17+D9/D7)^0,25)) =0,035

λ=64/Re                              при Re≤2320

λ=0,0000147*Re                при 2320≤Re≤4000

λ=0,11*(68/Re+∆/d)^0,25  при Re≥4000

15. Удельные потери давления на трение R в кг/(см²*м) вычисляем

в ячейке D19: =D18*D16^2*D14/2/9,81/D7*100 =0,004645

R=λ*v²*ρ*100/(2*9,81*d)

16. Потери давления на трение dP_тр в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D20: =D19*D8 =0,464485

dP_тр=R*L

и в ячейке D21: =D20*9,81*10000 =45565,9

dP_тр=dP_тр*9,81*10000

17. Потери давления в местных сопротивлениях dP_мс в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D22: =D10*D16^2*D14*1000/2/9,81/10000 =0,025150

dP_мс=Σ(ξ)*v²*ρ/(2*9,81*10)

и в ячейке D23: =D22*9,81*10000 =2467,2

dP_тр=dP_мс*9,81*10000

18. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D24: =D20+D22 =0,489634

dP=dP_тр+dP_мс

и в ячейке D25: =D24*9,81*10000 =48033,1

dP=dP*9,81*10000

19. Характеристику гидравлического сопротивления трубопровода S в Па/(т/ч)² вычисляем

в ячейке D26: =D25/D4^2 =23,720

S=dP/G²

Гидравлический расчет в Excel трубопровода по формулам теоретической гидравлики выполнен!

Гидравлический расчет трубопроводов в Excel по формулам СНиП 2.04.02-84.

Этот расчет определяет потери на трение в трубопроводах по эмпирическим формулам без учета коэффициентов местных сопротивлений, но с учетом сопротивлений, вносимых стыками.

На длинных трубопроводах, каковыми являются водопроводы и теплотрассы, влияние местных сопротивлений мало по сравнению с шероховатостью стенок труб и перепадами высот, и часто коэффициентами местных сопротивлений можно пренебречь при оценочных расчетах.

Исходные данные:

Этот расчет использует ранее введенные в предыдущем расчете значения внутреннего диаметра трубопровода d и длины трубопровода L, а также рассчитанное значение скорости движения воды v.

1. Выбираем из выпадающего списка, расположенного над ячейками A30…E30 вид трубы:

Неновые стальные и неновые чугунные без внутр. защитного покр. или с битумным защитным покр., v > 1,2м/c

Результаты расчетов:

По выбранному виду трубы Excel автоматически извлекает из таблицы базы данных значения эмпирических коэффициентов. Таблица базы данных, взятая из СНиП 2.04.02–84, расположена на этом же рабочем листе «РАСЧЕТ».

2. Коэффициент m извлекается

в ячейку D32: =ИНДЕКС(h41:h52;h39) =0,300

3. Коэффициент A₀ извлекается

в ячейку D33: =ИНДЕКС(I31:I42;I29) =1,000

4. Коэффициент 1000A₁ извлекается

в ячейку D34: =ИНДЕКС(J31:J42;J29) =21,000

5. Коэффициент 1000A₁/(2g) извлекается

в ячейку D35: =ИНДЕКС(K31:K42;K29) =1,070

6. Коэффициент С извлекается

в ячейку D36: =ИНДЕКС(L31:L42;L29) =0,000

7. Коэффициент  гидравлического сопротивления i  в м.вод.ст./м рассчитываем

в ячейке D37: =D35/1000*((D33+D36/D16)^D32)/((D7/1000)^(D32+1))*D16^2 =0,057

i=((1000A1/(2g))/1000)*(((A0+C/v)^m)/((d/1000)^(m+1)))*v²

8. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см² и Па находим соответственно

в ячейке D38: =D39/9,81/10000 =0,574497

dP=dP/9,81/10000

и в ячейке D39: =D37*9,81*1000*D8 =56358,1

dP=i*9,81*1000*L

Гидравлический расчет трубопровода по формулам Приложения 10 СНиП 2.04.02–84 в Excel завершен!

Итоги.

Полученные значения потерь давления в трубопроводе, рассчитанные по двум методикам отличаются в нашем примере на 15…17%! Рассмотрев другие примеры, вы можете увидеть, что отличие иногда достигает и 50%! При этом значения, полученные по формулам теоретической гидравлики всегда меньше, чем результаты по СНиП 2.04.02–84. Я склонен считать, что точнее первый расчет, а СНиП 2.04.02–84 «подстраховывается». Возможно, я ошибаюсь в выводах. Следует отметить, что гидравлические расчеты трубопроводов тяжело поддаются точному математическому моделированию и базируются в основном на зависимостях, полученных из опытов.

В любом случае, имея два результата, легче принять нужное правильное решение.

При гидравлическом расчете трубопроводов с перепадом высот входа и выхода не забывайте добавлять (или отнимать) к результатам статическое давление. Для воды – перепад высот в 10 метров ≈ 1 кг/см².

Уважаемые читатели, Ваши мысли, замечания и предложения всегда интересны коллегам и автору. Пишите их внизу, в комментариях к статье!

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл после подписки на анонсы статей!

Не забывайте подтвердить подписку кликом по ссылке в письме, которое придет к вам на указанную почту (может прийти в папку «Спам»)!!!

Ссылка на скачивание файла: gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov (xls 57,5KB).

Важное и, думаю, интересное продолжение темы читайте здесь.

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Гидравлический расчет отопления с учетом трубопровода. Расчет нужного диаметра труб для отопления

Гидравлический расчёт системы отопления с учетом трубопроводов.

При проведении дальнейших расчетов мы будем использовать все основные гидравлические параметры, в том числе расход теплоносителя, гидравлическое сопротивление арматуры и трубопроводов, скорость теплоносителя и т.д. Между данными параметрами есть полная взаимосвязь, на что и нужно опираться при расчетах.

К примеру, если повысить скорость теплоносителя, одновременно будет повышаться гидравлическое сопротивление у трубопровода. Если повысить расход теплоносителя, с учетом трубопровода заданного диаметра, одновременно возрастет скорость теплоносителя, а также гидравлическое сопротивление. И чем больше будет диаметр трубопровода, тем меньше будет скорость теплоносителя и гидравлическое сопротивление. На основе анализа данных взаимосвязей, можно превратить гидравлический (программа расчета есть в сети) в анализ параметров эффективности и надежности работы всей системы, что, в свою очередь, поможет снизить расходы на использующиеся материалы.

Отопительная система включает в себя четыре базовых компонента: теплогенератор, отопительные приборы, трубопровод, запорная и регулирующая арматура. Данные элементы имеют индивидуальные параметры гидравлического сопротивления, которые нужно учесть при проведении расчета. Напомним, что гидравлические характеристики не отличаются постоянством. Ведущие производители материалов и отопительного оборудования в обязательном порядке указывают информацию по удельным потерям давления (гидравлические характеристики) на производимое оборудование или материалы.

Например, расчет для полипропиленовых трубопроводов компании FIRAT существенно облегчается за счет приведенной номограммы, в которой указываются удельные потери давления или напора в трубопроводе для 1 метра погонного трубы. Анализ номограммы позволяет четко проследить обозначенные выше взаимосвязи между отдельными характеристиками. В этом и состоит основная суть гидравлических расчетов.

Гидравлический расчет систем водяного отопления: расход теплоносителя

Думаем, вы уже провели аналогию между термином «расход теплоносителя» и термином «количество теплоносителя». Так вот, расход теплоносителя будет напрямую зависеть от того, какая тепловая нагрузка приходится на теплоноситель в процессе перемещения им тепла к отопительному прибору от теплогенератора.

Гидравлический расчет подразумевает определение уровня расхода теплоносителя, касательно заданного участка. Расчетный участок представляет собой участок со стабильным расходом теплоносителя и с постоянным диаметром.

Гидравлический расчет систем отопления: пример

Если ветка включает в себя десять киловаттных радиаторов, а расход теплоносителя рассчитывался на перенос энергии тепла на уровне 10 киловатт, то расчетный участок будет представлять собой отрезом от теплогенератора до радиатора, который в ветке является первым. Но только при условии, что данный участок характеризуется постоянным диаметром. Второй участок располагается между первым радиатором и вторым радиатором. При этом, если в первом случае высчитывался расход переноса 10-киловаттной тепловой энергии, то на втором участке расчетное количество энергии будет составлять уже 9 киловатт, с постепенным уменьшением по мере проведения расчетов. Гидравлическое сопротивление должно рассчитываться одновременно для подающего и обратного трубопровода.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления подразумевает вычисление расхода теплоносителя

для расчетного участка по следующей формуле:

Gуч= (3,6*Qуч)/(с*(tг-tо))

Qуч –тепловая нагрузка расчетного участка в ваттах. К примеру, для нашего примера нагрузка тепла на первый участок будет составлять 10000 ватт или 10 киловатт.

с (удельная теплоемкость для воды) – постоянная, равная 4,2 кДж/(кг °С)

tг –температура горячего теплоносителя в отопительной системе.

tо –температура холодного теплоносителя в отопительной системе.

Гидравлический расчет системы отопления: скорость потока теплоносителя

Минимальная скорость теплоносителя должна принимать пороговое значение 0,2 — 0,25 м/с. Если скорость будет меньше, из теплоносителя будет выделяться избыточный воздух. Это приведет к появлению в системе воздушных пробок, что, в свою очередь, может служить причиной частичного или полного отказа отопительной системы. Что касается верхнего порога, то скорость теплоносителя должна достигать 0,6 — 1,5 м/с. Если скорость не будет подниматься выше данного показателя, то в трубопроводе не будут образовываться гидравлические шумы. Практика показывает, что оптимальный скоростной диапазон для отопительных систем составляет 0,3 — 0,7 м/с.

Если есть необходимость рассчитать диапазон скорости теплоносителя более точно, то придется брать в расчет параметры материала трубопроводов в отопительной системе. Точнее, вам понадобится коэффициент шероховатости для внутренней трубопроводной поверхности. К примеру, если речь идет о трубопроводах из стали, то оптимальной считается скорость теплоносителя на уровне 0,25 — 0,5 м/с. Если трубопровод полимерных или медный, то скорость можно увеличить до 0,25 – 0,7 м/с. Если хотите перестраховаться, внимательно почитайте, какая скорость рекомендуется производителями оборудования для систем отопления. Более точный диапазон рекомендованной скорости теплоносителя зависит от материала трубопроводов применяемых в системе отопления а точнее от коэф

Гидравлический расчет трубопроводов системы отопления — Студопедия

При проектировании следует расход теплоты системы водяного отопления и расход теплоносителя определять по обязательному приложению 11 (ГОСТ 21.602-79* СПДС. «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Рабочие чертежи.», с. 138). Необходимо также руководствоваться рекомендациями, приведенными в СНиП 2-04.05-86 ( с.17…25, п. 3.25… 3.63).

Разность давления воды в подающем и обратном трубопроводах для циркуляции воды в системе отопления следует определять с учетом давления, возникающего вследствие разности температур воды. Неучтенные потеря циркуляционного давления в системе отопления следует принимать равными 10% от максимальных потерь давления;

— однотрубных системах водяного отопления потери давления в стояках должны составлять не менее 70% общих потерь давления в циркуляционных кольцах (без учета потерь давления в общих участка;

— невязка потерь давления в циркуляционных кольцах (без учета потерь давления в общих участках), недолжна превышать 5% при попутной и 15% при тупиковой разводке трубопроводов;

— трубопроводы систем отопления следует прокладывать открыто; скрытая прокладка должна быть обоснована;

— в системах отопления следует предусматривать устройства для их опорожнения; в зданиях с числом этажей 4 и более на каждом стояке следует предусматривать краны со штуцерами для присоединения гибких шлангов;

— уклоны трубопроводов воды, пара и конденсата следует принимать не менее 0,002; допускается прокладывать трубопроводы без уклона при скорости движения воды вних 0,25 м/с и более;

— отопительные приборы в лестничных клетках следует размещать на первом этаже и присоединять к отдельным ветвям или стоякам систем отопления по однотрубной проточной, схеме;

— запорную арматуру допускается не устанавливать на стояках c числом, этажей три и менее.

До гидравлического расчета необходимо вычертить аксонометричес­кую систему отопления с указанием уклонов, запорной арматуры, воздхоудаления в масштабе 1:100.

На аксонометрической расчетной схеме необходимо указать тепловые нагрузки (то есть количество теплоты, отдаваемое каждым нагревательным прибором) и определить самую нагруженную ветвь; далее следует выбрать расчетное циркуляционное кольцо через самый удаленный от ввода нагревательный прибор наиболее нагруженной ветви.

Затем производится гидравлический расчет одного кольца системы водяного отопления или одной ветви парового отопления (в зависимости от принятой система отопления).

Примера расчетов трубопроводов системы водяного и парового отопления приведены в Справочнике по теплоснабжению и вентиляции. Часть I. Под редакцией Шохина Р.В.- Киев: Будивельник, 1976., с. 92…95, 105…109, 146…190, § 39-48.

Расчет двухтрубных систем отопления следует производить по методу удельных потерь давления, однотрубных – по методу характеристик сопротивления. Особенности этих методов расчета указаны в Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980., с. 148-164.

Результаты расчета следует записать в таблицу 4, форма которой указана ниже.

Рекомендуется следующий порядок заполнения таблицы.

В первой графе записывают номера расчетных участков; во второй – тепловую нагрузку в Вт на соответствующем расчетном участке; в третьей – количество воды в кг/ч, проходящей по участку, или (что то же самое) – тепловую нагрузку в Вт при перепаде температур G_УЧ; в четвертой – длину соответствующего расчетного участка в м; в пятой – диаметр трубопровода расчетного участка в мм; в шестой – скорости движения теплоносителя на расчетном участке в м/с; в седьмой — потерю давления на трение на 1 м длины расчетного участка; в восьмой – потерю давления на трение на всем расчетном участке, что является результатом умножения потери давления на одном метре расчетного участка на длину расчетного участка; в девятой — åx — сумму единиц местных сопротивлений на каждом расчетном участке; в десятой – потерю давления на преодоление местных сопротивлений в Па на каждом расчетном участке.

Вычерчиваем принципиальную аксонометрическую схему системы отопления. На схеме указываем тепловые нагрузки на приборах, на стояках и на ответвлениях к стоякам.

За главное циркуляционное кольцо системы при попутном движении воды в подающей и обратной магистралях принимается кольцо через нижний прибор среднего наиболее нагруженного стояка.

Разбиваем главное циркуляционное кольцо на участки. Нагрузку записываем в числитель дроби около номера каждого участка, в знаменателе проставляем длину участка.

Ø Расход воды определяем по тепловой нагрузке и разности температур теплоносителя в системе:

где Q – тепловая нагрузка участка, Вт.

По полученным значениям расхода по приложению определяем ориентировочные диаметры трубопроводов на участках.

Ø Определяем скорости движения теплоносителя на участках по формуле:

где ρ – плотность воды при данной температуре, кг/м³, (см. прил.).

Ø Определяем режим течения теплоносителя и коэффициент гидравлического трения λ:

Определяем число Рейнольца по формуле:

где ν – коэффициент кинематической вязкости жидкости при данной температуре, (см. прил.).

Если 2300 < Re < 10000, то режим течения переходный и λ определяется как:

где k_э – коэффициент шероховатости поверхности, для стальных водогазопроводных труб равен 0,4 мм (см. прил.).

Если Re > 10000, то режим течения турбулентный и λ определяется как:

Ø Определяем потери давления на трение:

где l – длина участка, м.

Ø Определяем потери давления на местные сопротивления:

где Σx — сумма коэффициентов местных сопротивлений на данном участке трубопроводов, (см. прил.).

Ø Определяем суммарные потери давления на участке и главном циркуляционном кольце:

Система отопления рассчитывается на давление DP = 0,2 атм = 20 КПа. Разница должна составлять не более 5%.

Если при предварительном подборе диаметров это условие не выполняется, необходимо на некоторых участках изменить диаметры. После приступаем к расчету и увязке полуколец через остальные стояки. Невязка не должна превышать 15%.

По этому значению подбираем диаметры участков, добиваясь получения как можно меньшей невязки в потерях давления.

Если и это не помогло , то необходима установка шайбы.

Ø Расчет шайбы производится по формуле:

где G_ст – расход теплоносителя на стояке, кг/ч, где будет установлена шайба,

DP_ш – перепад давления, Па, необходимый для выполнения условия в предыдущем пункте.

Поскольку расчетное число диаметра проходного сечения шайбы получается не целы округляем его до десятых, так как с такой точностью позволяет сделать данное отверстие обычный токарный станок.

Таблица 4

Этажи

Номер участка

Тепловая нагрузка

Длина участка (м)

Расход теплоносителя

Диаметр труб (мм)

Диаметр труб (м)

Температура

Плотность воды

Скорость движения теплоносителя

Коэф-т Кинематической вязкости воды

Рейнольц

Коэф-т гидравл. трения λ

Переходный

Турбулентный

Удельные потери давления, R

Потери давления на трение, Rl

Сумма коэф-ов местных сопротивлений

Потери давления в местных сопротивлениях

Суммарные потери давления на участке

Расчет шайбы

Форма таблицы расчета паропроводов низкого давления почти ничем не отличается от формы, таблицы трубопроводов систему водяного отопления. Различие заключается в отсутствии в нем графа 3, в которой при расчете трубопроводов системы водяного отопления проставляется тепловая нагрузка на расчетном участке при передаче температур в один гра­дус.

При расчете однотрубных систем желательно пользоваться методом характеристик сопротивления. Данный метод подробно изложен на стр. 95 … 101 Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980. Суть его заключается в том, что общая потеря на расчетном участке при неизменном расходе и диаметре трубы может быть представлена в виде

— характеристика сопротивления трубопроводов, равная потере давления при расходе теплоносителя

— расход воды в ветви или стояке, кг/ч.

Значение характеристики сопротивления S может быть отнесено к отдельному участку или к части сети из нескольких участков, соединенных между собой последовательно или параллельно.

Метод расчета водяного отопления при помощи характеристик сопротивления труб весьма удобен, так как требует минимума вычислительных операций.

Примеры расчета однотрубных систем методом характеристик можно рассмотреть в Богословский ВА и др. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980, с. 146 … 163.

В технико-экономическом расчете необходимо привести сравнение вариантов установки либо нагревательных приборов, либо присоединения системы к тепловым сетям, либо дать конструктивный вариант выбора системы отопления (по усмотрению руководителя).

Гидравлический расчет трубопровода | Онлайн-калькулятор

Наш универсальный онлайн-калькулятор позволяет выполнить полный гидравлический расчет простого трубопровода, то есть определить гидравлическое сопротивление, потери напора по длине по всему участку или на 1 погонный метр, узнать средний расход воды. Расчет выполняется по принципу, описанному в СНиП 2.04.02-84 (СП 31.13330.2012) «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», более подробно с теорией можно ознакомиться ниже. Оптимальная скорость воды в трубе от 0.6 м/с до 1.5 м/с, максимальная – 3 м/с. Обращайте внимание на единицы измерения и материал трубопровода, это важно. Для того чтобы получить результат гидравлического расчета, корректно заполните поля калькулятора и нажмите кнопку «Рассчитать».

 

Смежные нормативные документы:

• СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»
• СП 30.13330.2016 «Внутренний водопровод и канализация зданий»
• СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»
• ГОСТ 10705-80 «Трубы стальные электросварные»
• ГОСТ 9583-75 «Трубы чугунные, напорные, изготовленные методами центробежного и полунепрерывного литья»
• ГОСТ 539-80 «Трубы и муфты асбестоцементные напорные»
• ГОСТ 12586.0-83 «Трубы железобетонные напорные виброгидропрессованные»
• ГОСТ 16953-78 «Трубы железобетонные напорные центрифугированные»
• ГОСТ 18599-2001 «Трубы напорные из полиэтилена»
• ГОСТ 8894-86 «Трубы стеклянные и фасонные части к ним»

 

Теоретическое обоснование гидравлического расчета

Гидропотери в трубопроводах систем водоснабжения вызваны гидравлическим сопротивлениям труб, смежных стыковых соединений, арматуры и прочих соединительных элементов. Калькулятор выполняет расчет только для простого (прямого) трубопровода, поэтому для сложных систем рекомендуется совершать вычисления для каждого отдельного участка.

Согласно методике СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», гидравлический уклон (потери напора на единицу длины) определяется по формуле:

i = (λ / d) × (v² / 2g)

• λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
• d – внутренний диаметр труб, м;
• V – скорость воды, м/с;
• g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Таким образом, из неизвестных остается только коэффициент гидравлического сопротивления, который рассчитывается по формуле:

λ = A₁ × (A₀ + C/V)^m / d^m

Коэффициенты А0, А1, С и значения показателя степени m соответствуют современным технологиям изготовления трубопроводов и принимаются согласно нижеуказанной таблицы. В случае, если эти параметры отличаются от перечисленных, производитель должен указывать их самостоятельно.

Виды труб		m	A0	A1	С
Новые стальные без внутреннего защитного покрытия или с битумным защитным покрытием		0,226	1	0.0159	0.684
Новые чугунные без внутреннего защитного покрытия или с битумным защитным покрытием		0,284	1	0.0144	2.360
Неновые стальные и неновые чугунные без внутреннего защитного покрытия или с битумным защитным покрытием	v < 1,2 м/с	0,30	1	0.0179	0.867
	v ⩾ 1,2 м/с	0,30	1	0.021	0.000
Асбестоцементные		0,19	1	0.011	3.510
Железобетонные виброгидропрессованные		0,19	1	0.01574	3.510
Железобетонные центрифугированные		0,19	1	0.01385	3.510
Стальные и чугунные с внутренним пластмассовым или полимерцементным покрытием, нанесенным методом центрифугирования		0,19	1	0.011	3.510
Стальные и чугунные с внутренним цементно-песчаным покрытием, нанесенным методом набрызга с последующим заглаживанием		0,19	1	0.01574	3.510
Стальные и чугунные с внутренним цементно-песчаным покрытием, нанесенным методом центрифугирования		0,19	1	0.01385	3.510
Пластмассовые		0,226	0	0.01344	1.000
Стеклянные		0,226	0	0.01461	1.000

 

Расход воды в трубопроводе рассчитывается на основании известной усредненной скорости движения воды по трубе заданного сечения.

Q = π × (d² / 4) × V / 1000

• d – внутренний диаметр трубопровода, мм;
• V – скорость потока жидкости, м/с.

Согласно СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий» скорость движения воды в трубопроводах внутренних сетей не должна превышать 1.5 м/с, в трубопроводах хозяйственно-противопожарных и производственно-противопожарных систем – 3 м/с, в спринклерных и дренчерных системах – 10 м/с. Для большинства современных многоквартирных квартир и частных домов оптимальная скорость воды в трубе должна составлять от 0.6 м/с до 1.5 м/с.

5.2. Гидравлический расчет системы отопления по удельным линейным потерям давления

Гидравлический расчет центрального водяного отопления сводится к определению экономичных сечений участков трубопроводов, обеспечивающих при определенном перепаде давления подачу необходимого количества теплоносителя ко всем отопительным приборам.

Гидравлический расчет выполняют по пространственной схеме системы отопления, вычерчиваемой обычно в аксонометрической проекции. На схеме системы выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки и наносят тепловые нагрузки.

Участок — это часть теплопровода с неизменным расходом теплоносителя.

Расчет начинают с основного циркуляционного кольца системы, в котором установлено наименьшее значение р₁ – отношение расчетного циркуляционного давления р_р к длине кольца l:

р₁ = р_р/l. (5.11)

В насосной вертикальной однотрубной системе – это кольцо через наиболее нагруженный стояк из удаленных от теплового пункта при тупиковом движении воды или через наиболее нагруженный из средних стояков при попутном движении воды в магистралях. В насосной двухтрубной системе – это кольцо через нижний отопительный прибор аналогично выбранных стояков.

Расход воды на расчетном участке теплопровода G_уч рассчитывается по формуле

G_уч = 3,6Q_уч₁₂/(ct_с), (5.12)

где Q_уч — тепловая нагрузка участка, составленная из тепловых нагрузок ОП, обслуживаемых протекающей по участку водой, Вт;

с, ₁, ₂, t_с – то же, что в формулах (5.6) и (5.7).

Выбор диаметров участков производится из условия максимального приближения фактических потерь напора на трение на участке R_уч к значению средних удельных потерь давления на трение (удельное сопротивление) R_ср

R_ср = Р_е/l, (5.13)

где  — коэффициент, учитывающий долю потерь давления на трение в системе, принимаемый для систем с естественной циркуляцией воды 0,5, с насосной циркуляцией — 0,65;

l — сумма длин участков циркуляционного кольца.

По R_ср при определенных значениях G_уч по таблицам для гидравлического расчета трубопроводов (приложение В) находятся диаметр трубопровода d, фактические потери на трение R, скорость движения воды . Эти данные заносятся в расчетную ведомость (приложение Г).

Потери давления в местных сопротивлениях участка

Z = ²/2, (5.14)

где  — сумма коэффициентов местных сопротивлений в данном участке теплопровода;

 — скорость воды в теплопроводе, м/с;

²/2 — динамическое давление воды в данном участке теплопровода, Па.

К местным сопротивлениям относятся тройники, крестовины, отводы, вентили, краны, ОП, котлы, теплообменники и др.

Коэффициенты  местных сопротивлений можно принимать по приложению Д (приближенные значения). Для точных расчетов коэффициенты местных сопротивлений принимают по табл. II.13…II.20 [6].

Для определения потерь давления на местные сопротивления для расчетов трубопроводов водяного отопления в зависимости от скорости движения воды и суммы коэффициентов местных сопротивлений можно использовать табл. Е.1 (приложение Е).

Местные сопротивления относятся к участку с меньшим расходом теплоносителя, а коэффициенты местных сопротивлений котлов и ОП учитывают пополам.

Общая потеря давления на расчетном участке должна быть меньше располагаемого давления, которое определяется с учетом 10-ного запаса на неучтенные потери:

(R_учl_уч+Z_уч)  0,9р_р. (5.15)

Расчет второстепенных циркуляционных колец системы проводят исходя из расчета основного кольца. В каждом новом кольце рассчитывают только дополнительные (не общие) участки, параллельно соединенные с участками основного кольца. При этом стремятся к получению равенства

(Rl+Z)_доп = 0,9р_р.доп, (5.16)

где р_р.доп – располагаемое циркуляционное давление для расчета дополнительных не общих участков.

Это давление принимают равным потерям давления (ранее вычисленным) на параллельно соединенных с ними участках, входящих в основное кольцо:

двухтрубной системы

р_р.доп = (Rl+Z)_осн; (5.17)

однотрубной системы

р_р.доп = (Rl+Z)_осн + (р_е.доп —р_е.осн ) , (5.18)

с поправкой на разность естественных циркуляционных давлений в рассчитываемом и основном кольце по формуле (5.6).

Невязка потерь давления в циркуляционных кольцах не должна превышать 5  при попутной и 15  — при тупиковой разводке систем при расчете с постоянными разностями температур [5].

Если полученная невязка больше допустимой, изменяют диаметры трубопроводов на нескольких участках и расчет повторяют.

Для однотрубной системы с замыкающими участками расход воды в приборах определяется с учетом коэффициента затекания воды в приборы, представляющего собой отношение массы воды, затекающей в прибор, к общей массе воды, проходящей по стояку:

 = G_пр/G_ст. (5.19)

Значения коэффициента затекания воды в приборы приведены в табл. 5.3

Таблица 5.3

Значения коэффициента затекания воды  в приборных узлах

с радиаторами секционными и панельными типа РСВ1

Приборный узел	Присоединение приборов к стояку	Подводка с замыкающим участком	
С трехходовым краном КРТ	Одностороннее Двустороннее	— —	1,0 0,50
С проходным краном КРП	Одностороннее	Смещенным* Осевым	0,50 0,33
	Двустороннее	Смещенным Осевым	0,20 0,17
* При подводках с утками для этого узла =0,33, для остальных узлов  не изменяется

В однотрубных системах водяного отопления потери давления в стояках должны составлять не менее 70% общих потерь давления в циркуляционных кольцах без учета потерь давления в общих участках.

Для увязки потерь давления могут применяться составные стояки из труб различного диаметра. В первую очередь изменяют диаметр труб, соединяющих стояки с магистралями.

При невозможности увязки потерь давления путем изменения диаметра труб прибегают к диафрагмированию стояков. Диаметр диафрагмы определяют по формуле

, (5.20)

где G – расход воды в месте установки диафрагмы, кг/ч;

р_и — избыточное давление в циркуляционном кольце, Па.

Диаметр отверстия шайбы во избежание засорения должен быть не менее 5 мм.

По окончании гидравлического расчета на аксонометрической схеме системы и на планах здания проставляются диаметры рассчитанных трубопроводов и диафрагм.

Гидравлический расчет тепловых сетей | Блог инженера теплоэнергетика

         Здравствуйте! Основной целью гидравлического расчета на стадии проектирования является определение диаметров трубопроводов по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давления в сети, или на отдельных участках теплосети. В процессе же эксплуатации сетей приходиться решать обратную задачу – определять расходы теплоносителя на участках сети или давления в отдельных точках при изменении гидравлических режимов. Без расчетов по гидравлике не построить пьезометрический график теплосети. Также этот расчет необходим для выбора схемы подключения внутренней системы теплоснабжения непосредственно у потребителя и выбора сетевых и подпиточных насосов.

         Как известно, гидравлические потери в сети складываются из двух составляющих: из гидравлических линейных потерь на трение и потерь даления в местных сопротивлениях. Под местными сопротивлениями подразумеваются – задвижки, повороты, компенсаторы и т.п.

То есть ∆P = ∆Pл + ∆Pмест,

Линейные потери на трение определяют из формулы:

где λ – коэффициент гидравлического трения ; l – длина трубопровода, м ; d – диаметр трубопровода внутренний, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; w² — скорость движения теплоносителя, м/с.

В этой формуле коэффициент гидравлического трения определяем по формуле А.Д.Альтшуля:

где Re — число Рейнольдса, kэ/d — эквивалентная шероховатость трубы. Это справочные величины. Потери в местных сопротивлениях определяем по формуле:

где ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений. Его необходимо просчитать вручную используя таблицы со значениями коэффициентов местных сопротивлений. В прилагаемом к статье расчете в формате Exel я добавил таблицу с коэффициентами местных сопротивлений.

         Для выполнения гидравлического расчета вам обязательно потребуется схема тепловой сети, вот примерно в таком виде:

На самом деле схема, конечно, должна быть более развернутой и подробной. Эту схемку я привел только в качестве примера. Из схемы теплосети нам нужны такие данные как: длина l трубопровода, расход G, и диаметр трубопровода d.

         Как выполнять гидравлический расчет? Вся тепловая сеть, которую необходимо просчитать, делится на так называемые расчетные участки. Расчетный участок – это участок сети, на котором расход не изменяется. Сначала гидравлический расчет ведут по участкам в направлении главной магистрали, которая соединяет теплоисточник с наиболее удаленным потребителем тепла. Затем уже рассчитывают второстепенные направления и ответвления теплосети. Мой гидравлический расчет участка тепловой сети можно скачать здесь:

Гидравлический расчет теплосети

Это, конечно, расчет только одной ветки теплосети (гидравлический расчет теплосети большой протяженности достаточно трудоемкое дело), но достаточно для того, чтобы понять, что такое расчет гидравлики, и даже неподготовленному человеку начать считать гидравлику.

Буду рад комментариям к статье.

Гидравлические расчеты трубопроводов. Расчет диаметра трубопровода. Подбор трубопроводов

Пример № 1

Каковы потери напора на местные сопротивления в горизонтальном трубопроводе диаметром 20 х 4 мм, по которому вода перекачивается из открытого резервуара в реактор с давлением 1,8 бар? Расстояние между резервуаром и реактором 30 м. Расход воды 90 м3 / час. Общий напор равен 25 м. Коэффициент трения принимается равным 0.028.

Решение:

Скорость потока воды в трубопроводе равна:

w = (4 · Q) / (π · d ² ) = ((4 · 90) / (3,14 · [0,012] ² )) · (1/3600) = 1,6 м / с

Находим потери на трение напора в трубопроводе:

H _Т = (λ · l) / (d _э · [w ² / (2 · g)]) = (0,028 · 30) / (0,012 · [1,6] ² ) / ((2 · 9,81)) = 9,13 м

Всего потерь:

ч _п = H — [(p ₂ -p ₁ ) / (ρ · г)] — H _г = 25 — [(1,8-1) · 10 ⁵ ) / (1000 · 9,81)] — 0 = 16,85 м

Убытки на локальном сопротивлении находятся в пределах:

16,85-9,13 = 7,72 м

Пример №2

Вода перекачивается центробежным насосом по горизонтальному трубопроводу со скоростью 1,5 м / с. Суммарный создаваемый напор равен 7 м. Какова максимальная длина трубопровода, если вода берется из открытого резервуара, перекачивается по горизонтальному трубопроводу с одной задвижкой и двумя коленами на 90 ° и вытекает из трубы в другой резервуар? Диаметр трубопровода 100 мм. Относительная шероховатость принята равной 4 · 10 ^-5 .

Решение:

Для трубы диаметром 100 мм коэффициенты местных сопротивлений будут равны:

Для колена 90 ° — 1.1; задвижка — 4,1; выход трубы — 1.

Затем определяем значение скоростного напора:

w ² / (2 · g) = 1,5 ² / (2 · 9,81) = 0,125 м

Потери напора на местные сопротивления будут равны:

∑ζ _МС · [w ² / (2 · g)] = (2 · 1,1 + 4,1 + 1) · 0,125 = 0,9125 м

Суммарные потери напора на сопротивление трению и местные сопротивления находим по формуле полного напора насоса (геометрический напор в этих условиях равен 0):

ч _п = H — (p ₂ -p ₁ ) / (ρ · г) — H _г = 7 — ((1-1) · 10 ⁵ ) / (1000 · 9 , 81) — 0 = 7 м

Тогда потери напора на трение составят:

7-0,9125 = 6,0875 м

Рассчитываем значение числа Рейнольдса для потока в трубопроводе (динамическая вязкость воды принята равной 1 · 10 ^-3 Па · с, а плотность — 1000 кг / м ³ ):

Re = (w · d _Э · ρ) / μ = (1,5 · 0,1 · 1000) / (1 · 10 ^-3 ) = 150000

В соответствии с этим числом с помощью таблицы рассчитываем коэффициент трения (арифметическая формула выбрана из того принципа, что значение Re попадает в диапазон 2,320

λ = 0,316 / Re ^0,25 = 0,316 / 150000 ^0,25 = 0,016

Выразим и найдем максимальную длину трубопровода по формуле потерь на трение напора:

l = (H _об · d _э ) / (λ · [w ² / (2g)]) = (6,0875 · 0,1) / (0,016 · 0,125) = 304,375 м

Пример №3

Дан трубопровод с внутренним диаметром 42 мм. Подключается к водяному насосу с расходом 10 м ³ / час и создающим напором 12 м. Температура перекачиваемой среды 20 ° C. Конфигурация трубопровода представлена ​​на рисунке ниже. Необходимо рассчитать потери напора и проверить, способен ли этот насос перекачивать воду при заданных параметрах трубопровода. Абсолютная шероховатость труб принята равной 0,15 мм.

Решение:

Рассчитываем скорость потока жидкости в трубопроводе:

w = (4 · Q) / (π · d ² ) = (4 · 10) / (3,14 · 0,042 ² ) · 1/3600 = 2 м / с

Напор, соответствующий найденной скорости, будет равен:

w ² / (2 · g) = 2 ² / (2 · 9,81) = 0,204 м

Коэффициент трения следует найти до расчета c потерь на трение в трубах.В первую очередь определяем относительную шероховатость трубы:

e = Δ / d _Э = 0,15 / 42 = 3,57 · 10 ^-3 мм

Критерий Рейнольдса для расхода воды в трубопроводе (динамическая вязкость воды при 20 ° C 1 · 10 ^-3 Па · с, плотность 998 кг / м ³ ):

Re = (w · d _Э · ρ) / μ = (2 · 0,042 · 998) / (1 · 10 ^-3 ) = 83832

Узнаем режим протока воды:

10 / е = 10 / 0,00357 = 2667

560 / е = 560 / 0,00357 = 156863

Найденное значение критерия Рейнольдса находится в диапазоне 2667 <83832 <156,863 (10 / e

λ = 0,11 · (e + 68 / Re) ^0,25 = 0,11 · (0,00375 + 68/83832) ^0,25 = 0,0283

Потери на трение напора в трубопроводе будут равны:

H _Т = (λ · l) / d _э · [w ² / (2 · g)] = (0,0283 · (15 + 6 + 2 + 1 + 6 + 5)) / 0,042 · 0,204 = 4,8 м

Затем необходимо рассчитать потери напора на местные сопротивления.Из схемы трубопровода следует, что местные сопротивления представлены двумя задвижками, четырьмя прямоугольными коленами и одним выходом трубы.

В таблицах не указаны значения коэффициента местных сопротивлений для нормальных задвижек и прямоугольных колен с диаметром трубы 42 мм, поэтому воспользуемся одним из способов приблизительного расчета интересующих нас значений.

Берем табличные значения коэффициентов местных сопротивлений нормальной задвижки для диаметров 40 и 80 мм.Мы предполагаем, что график значений коэффициентов представляет собой прямую линию в этом диапазоне. Составим и решим систему уравнений, чтобы найти график зависимости коэффициента местного сопротивления от диаметра трубы:

{

4,9 = a · 40 + b
4 = a · 80 + b

=

{

а = -0,0225
б = 5,8

Уравнение искомого имеет вид:

ζ = -0,0225 · d + 5,8

При диаметре 42 мм коэффициент местного сопротивления будет равен:

ζ = -0,0225 · 42 + 5,8 = 4,855

Аналогично находим значение коэффициента местного сопротивления для прямоугольного колена.Мы берем табличные значения для диаметров 37 и 50 мм и решаем систему уравнений, делая аналогичные предположения о характере графика на этом участке:

{

1,6 = a · 37 + b
1,1 = a · 50 + b

=

{

а = -0,039
б = 3,03

Уравнение искомого имеет вид:

ζ = -0,039 · d + 3,03

При диаметре 42 мм коэффициент местного сопротивления будет равен:

ζ = -0,039 · 42 + 3,03 = 1,392

Для выхода трубы коэффициент местного сопротивления принимается равным единице.

Потери напора на местные сопротивления будут равны:

∑ζ _МС · [w ² / (2g)] = (2 · 4,855 + 4 · 1,394 + 1) · 0,204 = 3,3 м

Суммарные потери напора в системе будут равны:

4,8 + 3,3 = 8,1 м

На основании полученных данных можно сделать вывод, что данный насос подходит для перекачивания воды по этому трубопроводу, так как создаваемый им напор больше, чем общие потери напора в системе, а скорость потока жидкости остается в пределах оптимального запаса.

Пример № 4

Отрезок прямого горизонтального трубопровода внутренним диаметром 300 мм подвергся ремонту путем замены участка трубопровода длиной 10 м на внутренний диаметр 215 мм. Общая протяженность ремонтируемого участка трубопровода — 50 м. Заменяемый участок находится на расстоянии 18 м от начала. Вода течет по трубопроводу при температуре 20 ° C со скоростью 1,5 м / с. Необходимо выяснить, как изменится гидравлическое сопротивление ремонтируемого участка трубопровода. Коэффициенты трения для труб диаметром 300 и 215 мм принимаются равными 0.01 и 0,012 соответственно.

Решение:

Первоначальный трубопровод создавал потери напора только из-за трения жидкости о стенки во время откачки. Замена участка трубы привела к появлению двух местных сопротивлений (резкое сжатие и резкое расширение проходного канала) и участка с измененным диаметром трубы, где потери на трение будут другими. Остающийся участок трубопровода не изменился и, следовательно, не может рассматриваться как часть данной проблемы.

Рассчитываем расход воды в трубопроводе:

Q = (π · d²) / 4 · w = (3,14 · 0,3²) / 4 · 1,5 = 0,106 м³ / с

Поскольку расход не меняется по длине трубопровода, можно определить скорость потока на участке трубы, подлежащем ремонту:

w = (4 · Q) / (π · d²) = (4 · 0,106) / (3,14 · 0,215²) = 2,92 м / с

Полученное значение скорости потока в заменяемом участке трубы находится в оптимальном диапазоне.

Для определения коэффициента местного сопротивления сначала рассчитывается критерий Рейнольдса для разных диаметров труб и соотношения площадей поперечного сечения этих труб.Критерий Рейнольдса для трубы диаметром 300 мм (динамическая вязкость воды при 20 ° C 1 · 10 ^-3 Па · с, а плотность — 998 кг / м ³ ):

e = (w · d _Э · ρ) / μ = (1,5 · 0,3 · 1000) / (1 · 10 ^-3 ) = 450000

Критерий Рейнольдса для трубы диаметром 215 мм (динамическая вязкость воды при 20 ° C 1 · 10 ^-3 Па · с, а плотность — 998 кг / м ³ ):

Re = (w · d _Э · ρ) / μ = (1,5 · 0,215 · 1000) / (1 · 10 ^-3 ) = 322500

Соотношение площадей поперечного сечения трубы равно:

((π · d ₁ ²) / 4) / ((π · d ₂ ²) / 4) = 0,215² / 0,3² = 5,1

По таблицам найдем значения коэффициентов местных сопротивлений, округленные до отношения площадей до 5.Для внезапного расширения он будет равен 0,25, а для внезапного сжатия также будет равен 0,25.

Потери напора на местные сопротивления будут равны:

∑ζ _МС · [w² / (2g)] = 0,25 · [1,5² / (2 · 9,81)] + 0,25 · [2,92² / (2 · 9,81)] = 0,137 м

Теперь рассчитаем потери на трение в замененном участке трубопровода для начального и нового участков трубопровода. Для трубы диаметром 300 мм они будут равны:

H _Т = (λ · l) / d _э · [w² / (2g)] = (0,01 · 10) / 0,3 · [1,5² / (2 · 9,81)] = 0,038 м

Для трубы диаметром 215 мм:

H _Т = (λ · l) / d _э · [w² / (2g)] = (0,012 · 10) / 0,215 · 2,92² / (2 · 9,81) = 0,243 м

Отсюда делаем вывод, что потери на трение в трубопроводе увеличатся на:

0,243-0,038 = 0,205 м

Суммарный прирост потерь на трение в трубопроводе составит:

0,205 + 0,137 = 0,342 м

Инженеры

всегда готовы оказать консультационные услуги или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемому нами насосному оборудованию и трубопроводной арматуре.

Запросы на трубопроводы просим направлять в технический отдел нашей компании на e-mail: [email protected], телефон +7 (495) 225 57 86

Центральный сайт ENCE GmbH
Наша сервисная компания Intekh GmbH

Головные представительства в странах СНГ:

Россия
Казахстан
Украина
Туркменистан
Узбекистан
Латвия
Литва

.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ, Назначение и классификация трубопроводов, Расчет и проектирование трубопроводов

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

После изучения главы 7 бакалавр должен:

знаю

• обозначение и классификация трубопроводов;

• Основы расчета и проектирования трубопроводов;

• метод эквивалентной потери напора;

• разница между простыми и сложными трубопроводами;

• Теория гидроудара в трубах;

• влияние кавитации на работу трубопроводов;

может

• уметь выполнять расчет и проектирование трубопроводов;

• построить гидравлические характеристики трубопроводов;

• рассчитать гидравлический удар в трубах;

собственный

• Знания по определению гидроэнергетического баланса насосного агрегата;

• математический аппарат для расчета сифонных трубопроводов;

• навыки построения суммарных гидравлических характеристик для параллельных и последовательных соединений трубопроводов.

Назначение и классификация трубопроводов

Трубопроводы служат для перемещения различных жидкостей и газов. В зависимости от типа перекачиваемой жидкости различают водопроводы, нефтепроводы, нефтепроводы, газопроводы и др.

В зависимости от комплектации различают простые и сложные трубопроводы.

Простая — это труба, не имеющая ответвлений от точки забора до точки потребления.

Комплексные трубопроводы имеют ответвления.Они делятся на следующие основные типы:

а) разветвленная или тупиковая;

б) трубопроводы с параллельным подключением;

в) циркуляр.

В зависимости от длины и гидравлических условий расчета они делятся на длинные и короткие.

Длинные — те трубопроводы, которые имеют значительную длину и в которых линейные потери напора являются основными. В них местные потери давления обычно специально не учитываются, но принимаются в размере 5-10% от потерь по длине.В коротких трубопроводах основными являются местные потери давления.

Расход жидкости в трубопроводе может быть транзитным потоком, т.е. передаваемым по магистрали без выделения, и трековым, т.е. выбранным от магистрали по пути.

Расчет и проектирование трубопровода

В самой общей постановке задачи расход Q и положение начальной и конечной точек трубопровода задаются при проектировании трубопроводов.В случае сложного трубопровода задается расход жидкости на всех его участках и расположение потребителей. На основании топографических съемок на плане наносится трасса трубопровода с указанием длины.

Определите диаметр трубопровода d и головку H 1 в его начальной точке. Рассматриваемая задача допускает набор решений, поскольку при внесении изменения H 1: чем больше диаметр d , тем меньше требуется напор N 1.Поэтому диаметр трубопровода обычно определяется из экономических расчетов.

Очевидно, что с увеличением диаметра трубопровода капитальные затраты будут увеличиваться. Но в то же время снизятся эксплуатационные расходы, так как h2 уменьшается с увеличением d , а затраты энергии на перекачку жидкости уменьшаются. Для определения экономически выгодного диаметра d строится график (рисунок 7.1), где кривая S 1 = f 1 (d) — капитальные затраты (руб. ), рассчитанный с учетом срока окупаемости; кривая S2 = f 2 ( d ) ~ эксплуатационные расходы.

Рис. 7.1. Схема определения оптимального диаметра трубопровода

Тогда общие затраты выражаются кривой, полученной как сумма S = S1 + S2 = f (d). По оси абсцисс и определяется экономически выгодный диаметр, при котором затраты будут наименьшими; S = S мин.

Помимо основной рассматриваемой задачи, при расчете трубопроводов могут возникнуть и особые проблемы.

1. Определение перепада напора Δ H = H 1- H 2 при заданном расходе Q и размерах трубопровода.

2. Определение расхода Q для заданного перепада напора Δ H и размеров трубы.

3. Определение диаметра d для заданного расхода Q и разницы напора AN.

Если число Рейнольдса мало (коэффициент λ зависит от числа Рейнольдса), то при определении Q или d коэффициент λ = f (Re) становится известен только после расчета завершается, поэтому в этом случае расчет усложняется и проводится методом последовательных приближений.

.

Политерм

ЗулуГИС

Геоинформационная система, предназначенная для создания ГИС приложений и карт, моделирования инженерных сетей. Анализ пространственных данных.

ZuluThermo

Расчет и анализ тепловых сетей. Гидравлическое моделирование и симуляция. Настройка сети. Расчет диаметров трубопроводов. Расчет тепловых потерь и надежности.Сертификация, отчетность, пьезо графика.

ZuluServer

Серверное программное обеспечение для многопользовательской работы с данными ZuluGIS в локальной сети и в Интернете через клиент ZuluGIS, библиотеки ZuluXTools и веб-службы Zulu.

ЗулуГидро

Расчеты и анализ сетей водоснабжения. Гидравлическое моделирование и симуляция. Расчет диаметров трубопроводов.Моделирование и моделирование нестационарных процессов. Сертификация, отчетность, пьезо графика.

ZuluGIS Mobile

Android-приложение для работы с сервисами геоданных ZuluServer, WMS и Tile на мобильных устройствах.

ZuluDrain

Гидравлический расчет самотечных и напорных канализационных систем. Расчет диаметров трубопроводов. Дизайн высотной схемы.Аттестация, отчетность, продольный профиль.

ZuluXИнструменты

библиотеки ActiveX, реализующие функциональность ZuluGIS для разработки плагинов, макросов и пользовательских приложений Zulu.

ZuluNetИнструменты

библиотеки ActiveX для использования гидравлических расчетов инженерных сетей Zulu при разработке плагинов, макросов и пользовательских приложений Zulu.

ЗулуГаз

Расчеты и анализ сетей газоснабжения. Гидравлическое моделирование сетей низкого, среднего и высокого давления. Расчет диаметров трубопроводов. Сертификация, отчетность, графика.

ZuluSteam

Теплогидравлические расчеты паровых сетей. Расчет тупиковых и кольцевых паропроводов с несколькими источниками пара разного давления и температуры и наличием двухфазного потока.

ZuluGIS Online

Веб-приложение для просмотра и редактирования пространственных данных с помощью веб-служб ZuluServer.

.

Расчет и подбор теплообменников

Проблема 1

Выходящий из реактора поток горячего продукта необходимо охладить от начальной температуры t _{1 000} = 95 ° C до конечной температуры t ₁ = 50 ° C; для этого он направляется в холодильник, куда подается вода с начальной температурой t _{2 н} = 20 ° C. Пожалуйста, рассчитайте ∆t _ср для условий прямого и противотока в холодильнике.

Решение: 1) Поскольку конечная температура охлаждающей воды t ₂ для прямого потока теплоносителя не может превышать значение конечной температуры горячего теплоносителя (t _{1 к} = 50 ° C), поэтому предположим, что t _{2 к} = 40 ° C.

Рассчитаем средние температуры на входе и выходе холодильника:

∆t _{н ср} = 95 — 20 = 75;

∆t _{к ср} = 50 — 40 = 10

∆t _ср = 75 — 10 / л (75/10) = 32.3 ° С

2) Для условий противотока, предположим, что конечная температура воды такая же, как и для прямого потока теплоносителя, т.е. t _{2 к} = 40 ° C.

∆t _{н ср} = 95 — 40 = 55;

∆t _{к ср} = 50 — 20 = 30

∆t _ср = 55 — 30 / л (55/30) = 41,3 ° C

Проблема 2

Используя условия задачи 1, определите требуемую поверхность теплообмена (F) и расход охлаждающей воды (G).Расход горячего продукта G = 15000 кг / час и его теплоемкость C = 3430 Дж / кг · град (0,8 ккал · кг · град). Параметры охлаждающей воды следующие: теплоемкость c = 4080 Дж / кг · град (1 ккал · кг · град), коэффициент теплопередачи k = 290 Вт / м ² · град (250 ккал / м ² * град. ).

Решение: Используя уравнение теплового баланса, получим выражение для определения теплового потока при нагревании холодного теплоносителя:

Q = Q _гт = Q _хт

Откуда: Q = Q _гт = GC (t _{1 н} — t _{1 к} ) = (15000/3600) · 3430 · (95-50) = 643125 Вт

Полагая t _{2 к} = 40 ° C, найдем расход холодного теплоносителя:

G = Q / c (t _{2 к} — t ₂ ) = 643125/4080 (40-20) = 7.9 кг / с = 28 500 кг / ч

Требуемая поверхность теплообмена

В случае прямого потока:

F = Q / k · ∆t _ср = 643125/290 · 32,3 = 69 м ²

В случае противотока:

F = Q / k · ∆t _ср = 643125/290 · 41,3 = 54 м ²

Проблема 3

На заводе газ транспортируется по стальному трубопроводу с наружным диаметром d ₂ = 1500 мм, толщиной стенки δ ₂ = 15 мм, теплопроводностью λ ₂ = 55 Вт / м · град.Изнутри трубопровод облицован шамотным кирпичом толщиной δ ₁ = 85 мм, теплопроводностью λ ₁ = 0,91 Вт / м · град. Коэффициент теплопередачи от газа к стене α ₁ = 12,7 Вт / м ² · град; от внешней поверхности стены до воздуха α ₂ = 17,3 Вт / м ² · град. Найдите коэффициент теплопередачи от газа к воздуху.

Решение: 1) Определим внутренний диаметр трубопровода:

d ₁ = d ₂ — 2 · (δ ₂ + δ ₁ ) = 1500 — 2 (15 + 85) = 1300 мм = 1.3 м

Средний диаметр футеровки:

d _{1 ср} = 1300 + 85 = 1385 мм = 1,385 м

Средний диаметр стенки трубопровода:

d _{2 ср} = 1500-15 = 1485 мм = 1,485 м

Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле:

k = [(1 / α ₁ ) · (1 / d ₁ ) + (δ ₁ / λ ₁ ) · (1 / d _{1 ср} ) + (δ ₂ / λ ₂ ) · (1 / d _{2 ср} ) + (1 / α ₂ )] ^-1 = [(1/12.7) · (1 / 1,3) + (0,085 / 0,91) · (1 / 1,385) + (0,015 / 55) · (1 / 1,485) + (1 / 17,3)] ^-1 = 5,4 Вт / м ² · град

Проблема 4

Однопроходный кожухотрубный теплообменник нагревает метанол с водой от начальной температуры 20 до 45 ° C. Водяной поток охлаждается от 100 до 45 ° C. Пучок теплообменника содержит 111 трубок, диаметр одной трубки 25х2,5 мм. Скорость потока метанола по трубкам составляет 0,8 м / с (Вт). Коэффициент теплопередачи 400 Вт / м ² · град.Пожалуйста, определите общую длину пучка труб.

Решение:

Определим среднюю разность температур теплоносителя как среднее логарифмическое значение.

∆t _{н ср} = 95 — 45 = 50;

∆t _{к ср} = 45-20 = 25

∆t _ср = 50 + 25/2 = 37,5 ° C

Затем давайте определим среднюю температуру теплоносителя, протекающего через межтрубное пространство.

∆t _ср = 45 + 20/2 = 32.5 ° С

Определим массовый расход метанола.

G _сп = n · 0,785 · d _вн ² · w _сп · ρ _сп = 111 · 0,785 · 0,02 ² · 0,8 · = 21,8

ρ _сп = 785 кг / м ³ — плотность метанола при 32,5 ° С, значение взято из справочной литературы.

Затем определим тепловой поток.

Q = G _сп с _сп (т _{к сп} — т _{н сп} ) = 21.8 · 2520 (45-20) = 1,373 · 10 ⁶ Вт

c _сп = 2520 кг / м ³ — теплоемкость метанола при 32,5 ° С, значение взято из справочной литературы.

Определим требуемую поверхность теплообмена.

F = Q / K∆t _ср = 1,373 · 10 ⁶ / (400 · 37,5) = 91,7 м ³

Рассчитаем общую длину пучка труб по среднему диаметру трубок.

L = F / nπd _ср = 91.7/111 · 3,14 · 0,0225 = 11,7 м.

В соответствии с рекомендациями, общая длина пучка труб должна быть разделена на несколько участков предлагаемого типоразмера с обеспечением необходимого запаса поверхности теплообмена.

Проблема 5

Пластинчатый теплообменник используется для нагрева потока 10% раствора NaOH с 40 ° C до 75 ° C. Расход гидроксида натрия 19000 кг / ч. В качестве теплоносителя используется конденсат водяного пара с расходом 16000 кг / ч и начальной температурой 95 ° C.Примем коэффициент теплопередачи 1400 Вт / м ² · град. Рассчитайте основные параметры пластинчатого теплообменника.

Решение: Найдем количество переданного тепла.

Q = G _р с _р (t _{к р} — t _{н р} ) = 19000/3600 · 3860 (75-40) = 713 028 W

Из уравнения теплового баланса определим конечную температуру конденсата.

т _{к х} = (Q · 3600 / G _к с _к ) — 95 = (713028 · 3600) / (16000 · 4190) — 95 = 56.7 ° С

с _{р , к} — теплоемкость раствора и конденсата, значения указаны в справочных материалах.

Определим средние температуры теплоносителя.

∆t _{н ср} = 95 — 75 = 20;

∆t _{к ср} = 56,7 — 40 = 16,7

∆t _ср = 20 + 16,7 / 2 = 18,4 ° C

Определим сечение каналов; для расчета примем массовую скорость конденсата Wk = 1500 кг / м ² · сек.

S = G / W = 16000/3600 · 1500 = 0,003 м ²

Полагая ширину канала b = 6 мм, найдем ширину спирали.

B = S / b = 0,003 / 0,006 = 0,5 м

Исходя из рекомендаций, допустим, что ширина спирали соответствует ближайшему большему табличному значению B = 0,58 м.

Уточним сечение канала

S = B · b = 0,58 · 0,006 = 0,0035 м ²

и массовая скорость потоков

W _р = G _р / S = 19000/3600 · 0.0035 = 1508 кг / м ³ · сек

W _к = G _к / S = 16000/3600 · 0,0035 = 1270 кг / м ³ · сек

Поверхность теплопередачи спирального теплообменника определяется следующим образом.

F = Q / K∆t _ср = 713028 / (1400 · 18,4) = 27,7 м ²

Определим рабочую длину спирали

L = F / 2B = 27,7 / (2 · 0,58) = 23,8 м

Далее определим шаг спирали, задав толщину листа δ = 5 мм.

t = b + δ = 6 + 5 = 11 мм

o Рассчитать количество витков каждой спирали, исходный диаметр спирали следует принять, исходя из рекомендаций, как d = 200 мм.

N = (√ (2L / πt) + x ² ) — x = (√ (2 · 23,8 / 3,14 · 0,011) +8,6 ² ) — 8,6 = 29,5

где х = 0,5 (d / t — 1) = 0,5 (200/11 — 1) = 8,6

Требуемый диаметр спирали определяется следующим образом.

D = d + 2Nt + δ = 200 + 2 · 29,5 · 11 + 5 = 860 мм.

Проблема 6

Определите гидравлическое сопротивление теплоносителя, создаваемого в четырехходовом пластинчатом теплообменнике с длиной канала 0,9 м и эквивалентным диаметром 7,5 × 10 ^-3 , когда бутиловый спирт охлаждается водой. Свойства бутилового спирта следующие: расход G = 2,5 кг / с, скорость W = 0,240 м / с и плотность ρ = 776 кг / м ³ (критерий Рейнольдса Re = 1573> 50). Свойства охлаждающей воды следующие: расход G = 5 кг / с, скорость W = 0.175 м / с и плотностью ρ = 995 кг / м ³ (критерий Рейнольдса Re = 3101> 50).

Решение: Определим коэффициент местного гидравлического сопротивления.

ζ _бс = 15 / Re ^0,25 = 15/1573 ^0,25 = 2,38

ζ _в = 15 / Re ^0,25 = 15/3101 ^0,25 = 2,01

Уточним скорость движения спирта и воды в арматуре (считая, что d _шт = 0,3м)

W _шт = G _бс / ρ _бс 0.785d _шт ² = 2,5 / 776 · 0,785 · 0,3 ² = 0,05 м / с меньше 2 м / с, поэтому его можно не учитывать.

W _шт = G _в / ρ _в 0,785d _шт ² = 5/995 · 0,785 · 0,3 ² = 0,07 м / с меньше 2 м / с, поэтому может игнорировать.

Определим гидравлическое сопротивление для бутилового спирта и охлаждающей воды.

∆Р _бс = хζ · (л / сут) · (ρ _бс w ² /2) = (4 · 2.38 · 0,9 / 0,0075) · (776 · 0,240 ² /2) = 25532 Па

∆Р _в = хζ · (л / сут) · (ρ _в w ² /2) = (4 · 2,01 · 0,9 / 0,0075) · (995 · 0,175 ² /2) = 14699 Па.

.

No related posts.