Расчет пропускной способности трубопровода по диаметру и давлению

Зависимость водного давления от диаметра трубопровода

Между давлением водного потока и трубным диаметром наблюдается прямая зависимость, описываемая законом Бернулли. Согласно нему при возрастании давления воды скорость течения снижается, и наоборот.

При пропускании постоянного водного потока через трубы с различным сечением обнаруживается, что в узких частях давление меньше, чем в широких.

При переходе воды из широкой части в узкую, давление снижается, и наоборот.

В трубах с различным сечением за одинаковый промежуток времени протекает равный объем воды. Поэтому на широких участках она течет медленнее, чем по узким.

Таблица соотношения

Водорасход напрямую зависит от пропускной способности. Это такая величина, которая показывает максимальный объем, проходящий через систему за определенный временной промежуток и при определенном давлении.

Для труб с разным диаметром такая величина разнится. Подробная информация указана в таблице ниже:

Основные положения гидравлического расчета

Рабочий носитель (жидкость, газ, пар), переносимый проектируемым трубопроводом, в силу своих особых физико-химических свойств определяет характер течения среды в данном трубопроводе. Одним из основных показателей характеризующих рабочий носитель, является динамическая вязкость, характеризуемая коэффициентом динамической вязкости – μ.

Инженер-физик Осборн Рейнольдс (Ирландия), занимавшийся изучением течения различных сред, в 1880 году провел серию испытаний,  по результату которых было выведено понятие критерия Рейнолдса (Re) – безразмерной величины, описывающей характер потока жидкости в трубе. Расчет данного критерия проводится по формуле:

Критерий Рейнольдса (Re) дает понятие о соотношении сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Значение критерия характеризует изменение соотношения указанных сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока носителя в трубопроводе. Принято выделять следующие режимы потока жидкого носителя в трубе в зависимости от значения данного критерия:

• ламинарный поток (Re<2300), при котором носитель-жидкость движется тонкими слоями, практически не смешивающимися друг с другом;
• переходный режим (2300<Re<4000), который характеризуется нестабильной структурой потока, когда отдельные слои жидкости перемешиваются;
• турбулентный поток (Re>4000) – устойчивый режим, при котором в каждой отдельной точке потока происходит изменение его направления и скорости, что в итоге приводит к выравниванию скорости движения потока по объему трубы.

Критерий Рейнольдса зависит от напора, с которым насос перекачивает жидкость, вязкости носителя при рабочей температуре и геометрических размеров используемой трубы (d, длина). Данный критерий является параметром подобия для течения жидкости,поэтому, используя его, можно осуществлять моделирование реального технологического процесса в уменьшенном масштабе, что удобно при проведении испытаний и экспериментов.

Проводя расчеты и вычисления по уравнениям, часть заданных неизвестных величин можно взять из специальных справочных источников. Профессор, доктор технических наук Ф. А. Шевелев разработал ряд таблиц для проведения точного расчета пропускной способности трубы. Таблицы включают значения параметров, характеризующих как сам трубопровод (размеры, материалы), так и  их взаимосвязь с физико-химическими свойствами носителя. Кроме того, в литературе приводится таблица приближенных значений скоростей движения потока жидкости, пара,газа в трубе различного сечения.

Проведение гидравлических расчетов

Для правильного проведения гидравлических расчетов следует учитывать ряд нюансов:

• минимальный объем веществ, требуемый для каждого конкретного пользователя;
• место нахождения источника транспортируемой среды и конечного потребителя;
• имеющиеся в распоряжении схемы проектируемой конструкции водо- и теплоснабжения с указанием используемых элементов и материалов их изготовления;
• величину максимального давления в магистрали;
• протяженность всей системы и виды сопротивлений в различных местах трубопровода;
• таблицы с указанием соотношения материалов, единиц измерений и прочего;
• эквивалентный материал, из которого сделана внутренняя поверхность трубной продукции.

Среди задач, которым требуются сложнейшие гидравлические расчеты, значатся такие:

• протяженность участка магистрали, который обеспечивает доставку веществ в каждый конечный пункт;
• величина давления в конструкции;
• определение расхода в водопроводных или теплоснабжающих системах.

Существует простая формула расчета диаметра трубы, воспользоваться которой может каждый владелец недвижимости, без участия профессионалов:

d = Q(3,14xW);

ZxnG, где

d — внутренний диаметр;

Q — корень квадратный;

W — тепловые потоки, выраженные в кВт;

Z — скорость теплоносителей в секундах/метрах;

nG — разности температур среды в градусах.

Остается только подставить индивидуальные данные при проектировании простого варианта магистрали. Другие примеры гидравлического расчета трубопровода можно найти в специальной литературе.

Но следует отметить, что проектирование больших по протяженности и сложных отопительных или водоснабжающих систем требует наличия профессиональных знаний, поэтому расчеты лучше доверить специалистам. Только они смогут грамотно и правильно рассчитать параметры трубопровода, который способен будет прослужить без серьезных проблем на протяжении длительного периода.

Квалифицированные инженеры при проектировании используют специальные программы, которые по известным параметрам подсчитывают и выдают окончательные результаты. 

Пропускная способность металлических труб

Если говорит о металле, то для разводки водопровода используются и стальные трубы. Для внутриквартирной или внутридомовой разводки формулы и специальные вычисления применяются крайне редко.

Чаще пользуются проверенными практикой диаметрами:

• Разводка водопровода 15 мм.
• Монтаж стояков 25, 32, 40 мм.

Здесь нужно учитывать внутренний диаметр, который может колебаться на 1-3 мм в зависимости от производителя.

Новая стальная труба практически не уступает в характеристиках пластиковым аналогам, но уже через год ее пропускная способность значительно падает. Это объясняется появлением наростов на внутренних стенках, и, как следствие, уменьшением диаметра и увеличением сопротивления потоку воды.

Однако использование металлических труб оправдано, когда речь идет о постоянном высоком давлении системы, например, при монтаже парового отопления, производственных проектов или в условиях повышенной взрывоопасности.

Методы расчета пропускной способности трубопроводов

Существует несколько методик расчета данного параметра, каждая из которых является подходящей для отдельного случая. Некоторые обозначения, важные при определении пропускной способности трубы:

Наружный диаметр – физический размер сечения трубы от одного края внешней стенки до другого. При расчетах обозначается как Дн или Dн. Этот параметр указывают в маркировке.

Диаметр условного прохода – приблизительное значение диаметра внутреннего сечения трубы, округленное до целого числа. При расчетах обозначается как Ду или Dу.

Физические методы расчета пропускной способности труб

Значения пропускной способности труб определяют по специальным формулам. Для каждого типа изделий – для газо-, водопровода, канализации – способы расчета свои.

Табличные методы расчета

Существует таблица приближенных значений, созданная для облегчения определения пропускной способности труб внутриквартирной разводки. В большинстве случаев высокая точность не требуется, поэтому значения можно применять без проведения сложных вычислений. Но в этой таблице не учтено уменьшение пропускной способности за счет появления осадочных наростов внутри трубы, что характерно для старых магистралей.

Существует точная таблица расчета пропускной способности, называемая таблицей Шевелева, которая учитывает материал трубы и множество других факторов. Данные таблицы редко используются при прокладке водопровода по квартире, но вот в частном доме с несколькими нестандартными стояками могут пригодиться.

Расчет с помощью программ

В распоряжении современных сантехнических фирм имеются специальные компьютерные программы для расчета пропускной способности труб, а также множества других схожих параметров. Кроме того, разработаны онлайн-калькуляторы, которые хоть и менее точны, но зато бесплатны и не требуют установки на ПК. Одна из стационарных программ «TAScope» – творение западных инженеров, которое является условно-бесплатным. В крупных компаниях используют «Гидросистема» — это отечественная программа, рассчитывающая трубы по критериям, влияющим на их эксплуатацию в регионах РФ. Помимо гидравлического расчета, позволяет считать другие параметры трубопроводов. Средняя цена 150 000 рублей.

Как рассчитать ПС для газовых трубопроводов

К определению пропускной способности газопроводов предъявляются особые требования. Это связано с тем, что природный газ относится к сложным и опасным видам. Формула расчёта ПС для газовых трубопроводов имеет следующий вид:

Qmax=0,67Ду2*р;

где, Ду – диаметр условного прохода;

р – давление в газопроводе + 0,10 мПа.

Для расчёта ПС газопровода при использовании труб стандартных диаметров, была разработана специальная таблица. Если же необходимо узнать рассматриваемые величины для нестандартных размеров трубопроводов, то для этого проводятся соответствующие инженерные расчёты.

Расчет мощности отопительной системы

Чтобы рассчитать минимальные показатели мощности отопительной системы, достаточной для эффективного прогрева дома, нужно воспользоваться следующей формулой:

Qт = V∙∆t∙K:860

Расшифровка символов выглядит так:

• Qт – требуемая мощность (кВт/час),
• V – объем отапливаемого помещения (м3),
• ∆t – разность температур внутри и снаружи здания (С),
• K – коэффициент тепловых потерь здания (зависит от конструктивных особенностей здания и теплоизоляции),
• 860 – коэффициент, позволяющий перевести значение результата в кВт/час.

Точный расчет коэффициента теплопотерь достаточно сложен, поэтому в частном строительстве можно использовать упрощенные значения, величина которых зависит от типа постройки:

• 3-4 – такое значение коэффициента тепловых потерь используется в том случае, если здание не имеет теплоизоляции (например, в случае с простыми деревянными постройками);
• 2-2,9 – коэффициент используется в формуле при наличии слабой теплоизоляции (упрощенная конструкция здания, например, кирпичная кладка толщиной в один кирпич);
• 1-1,9 – данный коэффициент подходит для зданий, имеющих средние показатели теплоизоляции (стандартная постройка, например, кирпичная кладка толщиной в два кирпича, обычная кровля и оптимальное количество окон);
• 0,6-0,9 – такое значение коэффициента теплопотерь используется при расчете отопительной системы зданий, имеющих хорошую теплоизоляцию (улучшенная схема постройки, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшим количеством окон, оснащенных двойными рамами).

Зависимость пропускной способности от давления

При выборе труб для монтажа любой трубопроводной системы необходимо обязательно учитывать давление потока в общем трубопроводе. Если предусмотрен напор воды или иного потока под большим давлением, то необходимо монтировать трубы большего диаметра, чем при подаче потока самотеком. Если параметры трубы выбраны без учета этих рекомендаций, а по небольшим системам проходит большой поток воды, то они будут шуметь, вибрировать и быстро выйдут из строя.

Если поток в системе подается под давлением, то при проведении подсчетов необходимо обязательно включать величину давления в расчетную форму. Это позволит смонтировать максимально эффективную трубопроводную систему, которая будет долговечной и надежной.

Особенности расчета сечения металлических труб

Для больших отопительных систем с трубами из металлов необходимо учитывать потери тепла через стенки. Потери не так и велики, но при большой протяженности могут привести к тому, что на последних радиаторах температура будет совсем низкой из-за неправильного выбора диаметра.

Рассчитаем потери для стальной трубы 40 мм с толщиной стенки 1,4 мм. Потери рассчитываются по формуле:

q = k*3.14*(tв-tп)

где:

q — тепловые потери метра трубы,

k – линейный коэффициент теплопередачи (для данной трубы он составляет 0,272 Вт*м/с);

tв — температура воды в трубе — 80°С;

tп — температура воздуха в помещении — 22°С.

Подставив значения получаем:

q = 0,272*3,15*(80-22)=49 Вт/с

Получается, что на каждом метре теряется почти 50 Вт тепла. Если протяженность значительная, это может стать критическим. Понятно, что чем больше сечение, тем больше будут потери.

Если нужно учесть и эти потери, то при расчете потерь к снижению тепловой нагрузки на радиаторе добавляют потери на трубопроводе, а затем, по суммарному значению находят требуемый диаметр.

Но для систем индивидуального отопления эти значения обычно некритичны. Тем более что при расчете теплопотерь и мощности оборудования, чаще всего округление расчетных величин делают в сторону увеличения. Это дает определенный запас, который позволяет не делать столь сложных расчетов.

Важный вопрос: где брать таблицы? Почти на всех сайтах производителей такие таблицы есть. Можно считать прямо с сайта, а можно скачать себе. Но что делать, если нужных таблиц для расчета вы все-таки не нашли.

Можете воспользоваться описанной ниже системой подбора диаметров, а можно поступить по-другому.

Несмотря на то, что при маркировке разных труб указываются разные значения (внутренние или наружные), с определенной погрешностью их можно приравнять.

По расположенной ниже таблице можно найти тип и маркировку при известном внутреннем диаметре. Тут же можно будет найти соответствующей размер трубы из другого материала. Например, нужен расчет диаметра металлопластиковых труб отопления. Таблицу для МП вы не нашли. Зато есть для полипропилена.

Подбираете размеры для ППР, а потом по этой таблице находите аналоги в МП. Погрешность естественно, будет, но для систем с принудительной циркуляцией она допустима.

Как устроено водоснабжение в квартире или доме

Хотя внутренний диаметр имеет существенное значение при расчете водопотребления, тем не менее, определить его иногда бывает сложно. Для этой цели могут использоваться специальные таблицы, однако не для всех марок оборудования можно здесь найти информацию.

Монтаж водопровода Источник san-kras.ru

Если есть возможность непосредственно измерить искомую величину, то её нужно использовать для расчётов. Однако такой способ удобен при применении пластиковых или металлопластиковых труб.

Если рассматривать металлические, то с течением времени они зарастают изнутри, причём это происходит неравномерно. Поэтому в таком случае сделать расчет потребления воды непосредственно затруднительно. Обычно для компенсации сужения берут трубы чуть большего диаметра по сравнению с расчётным.