Какой диаметр трубы нужен в зависимости от расхода и давления

Для того чтобы правильно смонтировать конструкцию водопровода, начиная разработку и планирование системы, необходимо рассчитать расход воды через трубу.
От полученных данных зависят основные параметры домашнего водовода.

В этой статье читатели смогут познакомиться с основными методиками, которые помогут им самостоятельно выполнить расчет своей водопроводной системы.

Как рассчитать необходимый диаметр трубы

Цель расчета диаметра трубопровода по расходу: Определение диаметра и сечения трубопровода на основе данных о расходе и скорости продольного перемещения воды.

Выполнить такой расчет достаточно сложно. Нужно учесть очень много нюансов, связанных с техническими и экономическими данными. Эти параметры взаимосвязаны между собой. Диаметр трубопровода зависит от вида жидкости, которая будет по нему перекачиваться.

Если увеличить скорость движения потока можно уменьшить диаметр трубы. Автоматически снизится материалоемкость. Смонтировать такую систему будет намного проще, упадет стоимость работ.

Однако увеличение движения потока вызовет потери напора, которые требуют создание дополнительной энергии, для перекачки. Если очень сильно ее уменьшить, могут появиться нежелательные последствия.

С помощью формул ниже можно как рассчитать расход воды в трубе, так и, определить зависимость диаметра трубы от расхода жидкости.

Когда выполняется проектирование трубопровода, в большинстве случаев, сразу задается величина расхода воды. Неизвестными остаются две величины:

• Диаметр трубы;
• Скорость потока.

Сделать полностью технико-экономический расчет очень сложно. Для этого нужны соответствующие инженерные знания и много времени. Чтобы облегчить такую задачу при расчете нужного диаметра трубы, пользуются справочными материалами. В них даются значения наилучшей скорости потока, полученные опытным путем.

Итоговая расчетная формула для оптимального диаметра трубопровода выглядит следующим образом:

d = √(4Q/Πw) Q – расход перекачиваемой жидкости, м3/с d – диаметр трубопровода, м w – скорость потока, м/с

Методы расчета

На коэффициент трения влияет наличие запорных элементов и их количество
Чтобы определить проходимость системы водоснабжения, можно воспользоваться тремя расчетными методами:

• Физический способ. Для выяснения показателей применяют формулы. Для исчисления требуется знание нескольких параметров, в частности, размер сечения трубного отрезка и с какой скоростью передвигается вода в магистрали.
• Табличный метод. Он наиболее прост, поскольку подобрав в таблице показатели, можно тут же выяснить нужные данные.

  
  Программа расчета водоснабжения

• Компьютерное программирование. Подобный «софт» просто отыскать и скачать в Интернете. Он создан специально для нахождения проходимости труб любой системы. Чтобы узнать нужный параметр, надо ввести в программу отправные данные: материал, протяженность, качество теплоносителя.

Последний метод, хоть и самый точный, не годится для расчетов обычных бытовых коммуникаций. Он достаточно сложен, и для его применения потребуется знать самые разные показатели. Чтобы рассчитать простую сеть для частного дома стоит прибегнуть к помощи онлайн-калькулятора. Хотя он и не такой точный, но зато бесплатен и не нуждается в установке на компьютер. Достичь более точной информации можно, сверив рассчитанные программой данные с таблицей.

Подходящая скорость жидкости, в зависимости от вида трубопровода

Прежде всего учитываются минимальные затраты, без которых невозможно перекачивать жидкость. Кроме того, обязательно рассматривается стоимость трубопровода.

При расчете, нужно всегда помнить об ограничениях скорости двигающейся среды. В некоторых случаях, размер магистрального трубопровода должен отвечать требованиям, заложенным в технологический процесс.

На габариты трубопровода влияют также возможные скачки давления.

Когда делаются предварительные расчеты, изменение давление в расчет не берется. За основу проектирования технологического трубопровода берется допустимая скорость.

Когда в проектируемом трубопроводе существуют изменения направления движения, поверхность трубы начинает испытывать большое давление, направленное перпендикулярно движению потока.

Такое увеличение связано с несколькими показателями:

• Скорость жидкости;
• Плотность;
• Исходное давление (напор).

Причем скорость всегда находится в обратной пропорции к диаметру трубы. Именно поэтому для высокоскоростных жидкостей требуется правильный выбор конфигурации, грамотный подбор габаритов трубопровода.

К примеру, если перекачивается серная кислота, значение скорости ограничивается до величины, которая не станет причиной появления эрозия на стенках трубных колен. В результате структура трубы никогда не будет нарушена.

Устройства преобразования дельта «Р» в сигнал расхода

Тремя самыми распространенными устройствами являются манометры, мембраны и сильфоны. При помощи манометра можно снимать показание перепада давления непосредственно с прибора. Мембраны же и сильфоны можно подсоединять к контрольно-измерительным приборам.

Схема с манометром

Манометр является одним из самых распространенных приборов, применяемых для контроля и измерения перепада давления. На изображенной схеме манометром измеряют перепад давления, созданный при помощи диафрагмы. Один конец манометра подсоединен к отбору высокой стороны, расположенному вверх по потоку относительно диафрагмы. Другой конец манометра подсоединен к отбору низкой стороны, расположенному вниз по потоку относительно диафрагмы. Во время того, как поток жидкости, газа или пара проходит через диафрагму, манометр воспринимает разницу в давлении, созданную диафрагмой, и показывает эту разницу посредством высоты жидкости в трубке. Шкала манометра позволяет снимать показание этой измеренной дельты «Р» фактически непосредственно с прибора.

Защита манометра от попадания жидкости, газа или пара из трубопровода обычно осуществляется в измерительных системах с помощью изолирующих мембран или с помощью каких-либо других способов.

Схема с мембраной

На рисунке выше изображена схема, на которой мембрана выступает в роли устройства определения дельта «Р». На этой схеме мембрана помещена в камеру, в которую имеются входы с двух сторон. Один вход подсоединен к отбору высокой стороны, а другой вход подсоединен к отбору низкой стороны. Индикаторный рычаг закреплен в верхней части камеры, а его нижний конец крепится к мембране. Разница давлений внутри камеры приводит в движение мембрану, которая, в свою очередь, приводит в движение стрелку, заставляя ее отклоняться то в одну, то в другую сторону. По мере увеличения или уменьшения величины перепада давления механическое движение мембраны передается на индикаторный рычаг.

Схема с двумя сильфонами

Это схема, в которой для преобразования величины дельты «Р» в механическое движение использованы два гофрированных сильфона. Детали изображенной схемы включают в себя: два соединенных вместе сильфона с перегородкой между ними, рычаг, индикаторную стрелку и шкалу.

Сильфон, обозначенный буквой «А», подсоединяется к отбору высокой стороны, а сильфон под буквой «В» подсоединяется к отбору низкой стороны. Сильфоны помещены в камеру. Перегородка же между сильфонами может свободно перемещаться. С помощью рычага, закрепленного на перегородке, механическое движение сильфонов передается на индикаторную стрелку, которая может перемещаться вдоль шкалы.

Плотность и удельный вес

Важнейшими характеристиками механических свойств жидкости являются ее плотность и удельный вес. Они определяют «весомость» жидкости.

Под плотностью ρ (кг/м 3 ) понимают массу жидкости m, заключенную в единице ее объема V, т.е.

Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес γ (Н/м 3 ), т.е. вес G = m⋅g, приходящийся на единицу объема V:

γ = G / V = m⋅g / V = ρ⋅g

Изменения плотности и удельного веса жидкости при изменении температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают.

Плотности наиболее употребляемых жидкостей и газов (кг/м 3 ):

Рекомендуемое комфортное давление

Пользоваться водой из водоразборных кранов и смесителей при высоком или низком напоре в водопроводе не удобно. Для комфортного пользования водой из смесителей и душа рекомендуется давление в водопроводе от 1,0 до 2,0 кгс/см2. Однако некоторые виды бытового оборудования требую более высокого давления. В этом случае стоит ориентироваться на минимум для такого оборудования.

Если вода используется для полива участка частного дома или на даче, можно увеличить давление в водопроводе до 3 кгс/см2, для уменьшения времени полива и компенсации потери напора в тонком длинном шланге.

Сжимаемость

Сжимаемость — это способность жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость капельных жидкостей и газов существенно различается. Так, капельные жидкости при изменении давления изменяют свой объем крайне незначительно. Газы, наоборот, могут значительно сжиматься под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии.

Для учета сжимаемости газов при различных условиях могут быть использованы уравнения состояния газа или зависимости для политропных процессов.

Сжимаемость капельных жидкостей характеризуется коэффициентом объемного сжатия βр (Па -1 ):

где dV — изменение объема под действием давления; dр — изменение давления; V — объем жидкости.

Знак «минус» в формуле обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается, т.е. положительное приращение давления вызывает отрицательное приращение объема.

Разновидности давлений трубопроводов

Любой пользователь, самостоятельно занимающийся водоснабжением, нередко сталкивается с различными терминами, определяющими давление в водопроводе, основные из них (по ГОСТ 356-80 (СТ СЭВ 253-76):

Номинальное PN. Приобретая на строительном рынке трубы для монтажа водопровода, часто сталкиваются с указанием срока их службы, у изделий из различных материалов он разный и колеблется в диапазоне от 20 лет для сталей и 50 лет для полимеров.

Пользователю следует знать, что показатель PN означает, что труба при данном наибольшем избыточном напоре может функционировать указанный эксплуатационный срок при единственном условии — температура рабочей среды не должна превышать порога в + 20 °С.

Рабочее Рр. Известно, что при повышении температуры транспортируемой среды, эксплуатационный срок любых трубопроводов снижается. В контуре отопления температура теплоносителя обычно не выходит за границы диапазона 50 — 70 °С для радиаторов и 35 — 50 °С для теплых полов, то есть номинальный PN для этих труб не актуален.

Поэтому для трубопроводов дополнительно устанавливают рабочее давление в системе водоснабжения, равное наибольшего избыточному, при котором труба может функционировать отведенный ей срок службы в заданном эксплуатационном режиме. Обычно Рр рассчитывается при подаче рабочей среды определенной температуры (обычно выше + 20 °С) или отличных от нейтральных водных ее физико-химических характеристиках.

Пробное Рпр. Указывает избыточное нормативное давление, которое устанавливают при проведении гидравлических испытаний трубопроводов и арматуры на прочность и герметичность соединений в стандартизированном диапазоне температур от + 5 до + 70 °С.

Рис. 9 Редуктор и его конструктивное устройство

Статья по теме:

Регулятор давления воды в системе водоснабжения — виды и конструкции, монтаж. В отдельной статье подробно рассказываем про специальные регуляторы давления, которые устанавливаются в системе водоснабжения нормализуя, при этом, давление воды. Почитайте, возможно, будет интересно.

Температурное расширение

Способность жидкости изменять свой объем при изменении температуры называется температурным расширением. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения βt:

где dT- изменение температуры; dV- изменение объема под действием температуры; V — объем жидкости.

При конечных приращениях температуры:

Как видно из формул, с увеличением температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается.

Коэффициент температурного расширения жидкостей зависит от давления и температуры:

То есть при разных условиях коэффициент температурного расширения изменился в 50 раз. Однако на практике обычно принимают среднее значение в данном диапазоне температур и давления.Например, для минеральных масел βt ≈ 800·10 -6 1/град.

Газы весьма значительно изменяют свой объем при изменении температуры. Для учета этого изменения используют уравнения состояния газов или формулы политропных процессов.