Коэффициент гидравлического сопротивления


Гидравлическое сопротивление труб

ГлавнаяСтатьи и материалыГидравлическое сопротивление труб

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.

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:

Где:

 - 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:

Где:

 – 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.

Для фитингов из ППР:

ДетальОбозначениеПримечаниеКоэффициент
Муфта0,25
Муфта переходнаяУменьшение на 1 размер0,40
Уменьшение на 2 размер0,50
Уменьшение на 3 размер0,60
Уменьшение на 4 размер0,70
Угольник 90°1,20
Угольник 45°0,50
ТройникРазделение потока1,20
Соединение потока0,80
КрестовинаСоединение потока2,10
Разделение потока3,70
Муфта комб. вн. рез.0,50
Муфта комб. нар. рез0,70
Угольник комб. вн. рез.1,40
Угольник комб. нар. рез.1,60
Тройник комб. вн. рез.1,40 - 1,80
Вентиль 20 мм9,50
25 мм8,50
32 мм7,60
40 мм5,70

Для полиэтиленовых труб

ТрубаРасход, м3/часСкорость, м/сПотери напора, м/100м
Сталь новая 133x5601,43,6
Сталь старая 133x5601,46,84
ПЭ 100 110x6,6 (5ЭР 17)/td> 602,264,1
ПЭ 80 110x8,1 (ЗйР 13,6)602,414,8
Сталь новая 245x64002,64,3
Сталь старая 245x64002,67,0
ПЭ 100 225x13,4 (50 В 17)4003,64,0
ПЭ 80 225x16,6 (ЗЭК 13,6)4003,854,8
Сталь новая 630x1030002,851,33
Сталь старая 630x1030002,851,98
ПЭ 100 560x33,2 (ЗЭК 17)30004,351,96
ПЭ 80 560x41,2 (ЗЭК 13,6)30004,652,3
Сталь новая 820x1240002,230,6
Сталь старая 820x1240002,230,87
ПЭ100 800x47,4 (ЗЭК 17)40002,850,59
ПЭ 80 800x58,8 (ЗЭР 13,6)40003,00,69

Для бесшовных стальных труб

Режим движенияЧисло РейнольдсаОпределения λ
Ламинарный или 
ПереходныйПроектирование трубопроводов не рекомендуется
Турбулентный1-я область (ф-ла Блазиуса) Бф-ла Конакова)
2-я область (ф-ла Альтшуля)
3-я область (ф-ла Альтшуля) (ф-ла Никурадзе)

Для металлопластиковых труб

НаименованиеСимволКоэффициент
Тройник разделения потока7,6
Тройник проходной4,2
Тройник противоположные потоки при разделении потока8,5
Тройник противоположные потоки при слиянии потока8,5
Угол 90°6,3
Дуга0,9
Редукционный переход6,3
Установочный уголок5,4
С точки зрения гидравлического сопротивления, наиболее оптимальными являются трубопроводные системы с гладкой внутренней стенкой:

Полипропиленовые трубы произведенные в Германии, широкого спектра применения.

Система отлично подходит для систем горячего и холодного водоснабжения и отопления, как в частных, так и промышленных масштабах. Так же используется для транспортировки химических сред.

Имеет гладкую внутреннюю стенку, что обеспечивает низкий коэффициент гидравлического сопротивления.

Полипропиленовые трубы произведенные в Германии, широкого спектра применения.

Трубопроводная система из инновационного материала fusiolen, специально разработанная для систем холодоснабжения, обогрева поверхностей, транспортировки агрессивных сред и сжатого воздуха, а также для систем геотермальной энергетики.

Имеет гладкую внутреннюю стенку, что обеспечивает низкий коэффициент гидравлического сопротивления.

Канализационная система из материала НПВХ, подходит для транспортировки агрессивных сред, в том числе хлорированной воды

Имеет гладкую внутреннюю стенку, что обеспечивает низкий коэффициент гидравлического сопротивления.

agpipe.ru

Гидравлический расчет трубопровода

Гидравлический расчет простого трубопровода

Гидравлический расчет простого трубопровода производится с помощью уравнения Бернулли:

Здесь h2-2 – потери напора (энергии) на преодоление всех видов гидравлического сопротивления, приходящиеся на единицу веса движущейся жидкости.

ht – потери напора на трение по длине потока,

Σhм – суммарные потери напора на местном сопротивлении Потери напора на трение по длине потока определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

где L –длина трубопровода,

d -диаметр участка трубопровода,

v - средняя скорость течения жидкости,

λ -коэффициент гидравлического сопротивления, в общем случае зависящий от числа Рейнольдса (Re=v*d/ν), и относительной эквивалентной шероховатости труб (Δ/d).

Значения эквивалентной шероховатости Δ внутренней поверхности различных труб представлены в таблице 2. А зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Re и относительной шероховатости Δ/d приведены в таблице 3.

Если режим движения ламинарный, то для труб некруглого сечения коэффициент гидравлического сопротивления λ определяется по частным для каждого случая формулам (табл. 4).

При развитом турбулентном течении с достаточной степенью точности при определении λ можно пользоваться формулами для круглой трубы с заменой диаметра d на 4 гидравлических радиуса потока Rг (d=4Rг)

Rг =w/c,

где w– площадь «живого» сечения потока,

c- «смоченный» его периметр (периметр «живого» сечения по контакту жидкость – твердое тело)

Потери напора в местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха

Где ς– коэффициент местного сопротивления, зависящий от конфигурации местного сопротивления и числа Рейнольдса.

При развитом турбулентном режиме ς= const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления Lэкв, т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого ht = hм. В этом случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к реальной длине трубопровода прибавляется сумма их эквивалентных длин

Lпр =L + Lэкв,

где Lпр – приведенная длина трубопровода.

Зависимость потерь напора h2-2 от расхода называется характеристикой трубопровода.

Если движение жидкости в трубопроводе обеспечивается центробежным насосом, то для определения расхода в системе насос – трубопровод строится характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок ∆z (h2-2 + ∆z  при z1< z2 и h2-2 - ∆z при z1>z2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q), которая приводится в паспортных данных насоса (см. рис.). Точка пересечения этих кривых указывает на максимально возможный расход в системе.  

Сортамент труб

Таблица 1                                

Наружный диаметр dн, мм

Внутренний диаметр dвн, мм

Толщина стенки d, мм

Наружный диаметр dн, мм

Внутренний диаметр dвн, мм

Толщина стенки d,мм

1. Трубы стальные бесшовные общего назначения

3, Трубы насосно-компрессорные

14

10

2,0

А. Гладкие

22

18

2,0

48,3

40,3

4,0

32

27

2,5

60,3

50,3

5,0

54

49

2,5

73,0

62,0

5,5

60

54

3,0

88,9

75,9

6,5

70

64

3,0

101,6

88,6

6,5

95

88

3,5

114,3

100,3

7,0

108

100

4,0

2. Трубы нефтепроводные и газопроводные

Б. Трубы с высаженными концами

114

106

4,0

32,0

25,0

3,5

146

136

5,0

42,2

35,2

3,5

168

156

6,0

48,3

40,3

4,0

194

180

7,0

60,3

50,3

5,0

245

227

9,0

73,0

62,0

5,5

273

253

10,0

88,9

75,9

6,5

299

279

10,0

101,6

88,6

6,5

426

492

12,0

114,3

100,3

7,0

529

513

8,0

632

616

8,0

Значения коэффициентов эквивалентной шероховатости ∆ для труб из различных материалов

Таблица 2                               

Группа

Материалы, вид и состояние трубы

∆*10-2, мм

1. Давленые или тянутые трубы

Давленые или тянутые трубы (стеклянные, свинцовые, латунные, медные, цинковые, оловянные, алюминиевые, никелированные и пр.)

0,10

2. Стальные трубы

Бесшовные стальные трубы высшего качества изготовления

1,0

Новые и чистые стальные трубы

6,0

Стальные трубы, не подверженные коррозии

15,0

Стальные трубы, подверженные коррозии

20,0

Стальные трубы сильно заржавевшие

200

Очищенные стальные трубы

17

3. Чугунные трубы

Новые черные чугунные трубы

25

Обыкновенные водопроводные чугунные трубы, бывшие в употреблении

100

Старые заржавленные чугунные трубы

150

Очень старые, шероховатые, заржавленные чугунные трубы с отложениями

250

4. Бетонные, каменные и асбоцементные трубы

Новые асбоцементные трубы

4

Очень тщательно изготовленные трубы из чистого цемента

15

Обыкновенные чистые бетонные трубы

50

Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и эквивалентной шероховатости труб

Таблица 3        

Режим (зона)

Границы

Коэффициент гидравлического сопротивления l

Ламинарный

Re

www.ars.gubkin.ru

Гидравлическое сопротивление трения труб

Гидравлические потери или гидравлическое сопротивление — безвозвратные потери удельной энергии (переход её в теплоту) на участках гидравлических систем (систем гидропривода, трубопроводах, другом гидрооборудовании), обусловленные наличием вязкого трения.

Калькулятор расчета коэффициента гидравлического сопротивления трения труб
Расход жидкости
Коэффициент кинематической вязкости ( для воды тем-рой 100C = 1,3, 200C = 1)
Диаметр трубопровода
Длина трубопровода
Плотность жидкости
Коэффициент шероховатости стенок трубопровода
Режим течения  
Скорость движения жидкости в трубопроводе, м/c  
Число Рейнольдса (Re)  
Коэффициент трения (λ)  
Коэффициент гидравлического сопротивления (ξ)  
Потеря давления (Δp), Па  

Гидравлические потери принято разделять на два вида:

  • потери на трение по длине — возникают при равномерном течении, в чистом виде — в прямых трубах постоянного сечения, они пропорциональны длине трубы;
  • местные гидравлические потери — обусловлены т. н. местными гидравлическими сопротивлениями — изменениями формы и размера канала, деформирующими поток. Примером местных потерь могут служить: внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п.

Во многих случаях приближённо можно считать, что потери энергии при протекании жидкости через элемент гидравлической системы пропорциональны квадрату скорости жидкости. По этой причине удобно бывает характеризовать сопротивление безразмерной величиной ζ, которая называется коэффициент потерь или коэффициент местного сопротивления и такова, что

То есть в предположении, что скорость w по всему сечению потока одинакова, ζ=Δp/eторм, где eторм = ρw²/2 —энергия торможения единицы объёма потока относительно канала. Реально в потоке скорость жидкости не равномерна, в справочной литературе в данных формулах принимается среднерасходная скорость w=Q/F, где Q — объёмный расход, F — площадь сечения, для которого рассчитывается скорость[1]. Таким образом, средняя энергия торможения потока обычно несколько больше ρw²/2, см. Среднее квадратическое.

Для линейных потерь обычно пользуются коэффициентом потерь на трение по длине (также коэффициент Дарси) λ, фигурирующего в формуле Дарси — Вейсбаха

где L — длина элемента, d — характерный размер сечения (для круглых труб это диаметр). Иначе в единицах давления

таким образом, для линейного элемента относительной длины L/d коэффициент сопротивления трения ζтр=λL/d.

wpcalc.com

4 Коэффициент гидравлического сопротивления для газопроводов. Коэффициент эффективности

IV  Коэффициент гидравлического сопротивления для газопроводов. Коэффициент эффективности

Природа гидравлического сопротивления для газа и капельной жидкости одна и та же. Поэтому нет принципиальных различий между формулами, определяющими коэффициент гидравлического сопротивления для газопроводов и нефтепроводов.

Однако при расчете магистральных газопроводов обычно пользуются специальными формулами. До 60-х годов весьма широко применялись эмпирические формулы, в которых коэффициент гидравлического сопротивления λ выражен в зависимости от числа Рейнольдса и диаметра трубопровода: λ= λ (Re) и  λ = λ (D). Число таких формул велико, и порой было трудно решить, какой из них следует отдать предпочтение. После появления универсальных формул  λ= λ (Re, k/D), учитывающих как число Рейнольдса, так и относительную шероховатость труб (k/D), стали пользоваться формулой

λ= 0,067 (158/Re+2k/D)0,2                                    (5.18)

аналогичной по своей структуре формуле Альтшуля

λ=0,ll(68/Re+k/D)0,25

При режиме гладкого трения, когда 158/Re >> 2k/D, она переходит в

λ= 0,1844/Re0,2 ,

а при квадратичном режиме, когда 158/Re Qпер

Коэффициент гидравлического сопротивления с течением времени изменяется.

Если газ сухой и не содержит сероводорода, то находящиеся в нем твердые частицы шлифуют стенки трубопровода, шероховатость, а следовательно, и коэффициент гидравлического сопротивления постепенно уменьшаются. И наоборот, наличие в газе влаги и особенно сероводорода (внутренняя коррозия) приводит к постепенному возрастанию шероховатости и коэффициента гидравлического сопротивления. Сильное влияние на гидравлическое сопротивление оказывают скопления в пониженных точках трассы конденсата и влаги. К значительному увеличению гидравлического сопротивления приводит образование гидратов. Изменение гидравлического сопротивления трубопровода по сравнению с проектным характеризуется коэффициентом эффективности

,

где  – теоретическое значение коэффициента гидравлического сопротивления, определяемое обычно по формуле (5.19);  – фактический коэффициент гидравлического сопротивления.

Коэффициент λф  находят из формулы, определяющей пропускную способность газопровода. Входящие в нее значения Q, рн, рк  и Δ берут по фактическим, опытным данным,  Т  и  z предварительно вычисляют, использовав средние значения давлений и температур, измеренных в начальной и конечной точках рассматриваемого участка трубопровода. Измерения делают в дни, когда режим наиболее близок к стационарному.

Коэффициент эффективности свидетельствует также об изменении пропускной способности трубопровода:

,

где  – фактическая пропускная способность;  – пропускная способность, вычисленная при коэффициенте гидравлического сопротивления  и при значениях рH, рк, Δ, T и z, полученных по опытным данным.

Коэффициент эффективности определяют периодически для каждого участка (перегона между станциями). По величине  судят о загрязненности трубопровода. Низкие значения  указывают на необходимость очистки трубопровода. Скопления конденсата и воды удаляют продувкой. Если это не приводит к нужному эффекту, то прибегают к очистке трубопровода специальными скребками, поршнями.

ПАДЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПО ДЛИНЕ ГАЗОПРОВОДА. СРЕДНЕЕ ДАВЛЕНИЕ

Распределение давления по длине трубопровода можно получить из (5.12), заменив L на х:

или

р2= р2H  - сQ2х,                                                              (5.22)

если принять для краткости

Это уравнение падения квадрата давления.

Для магистральных газопроводов можно считать, что с не изменяется по длине трубопровода и, следовательно, зависимость р2 от х — линейная (рис. 5.5). Из (5.22) получаем уравнение распределения давления по длине газопровода

                                                                      (5.23)

Замечая, что согласно (5.11)  cQ2 = (p2H—p2K)/L, представим уравнение (5.23) в другом виде:

.                                                   (5.24)

График р = р (х)— отрезок ветви параболы, ограниченной точками О, рH и L, рк (см. рис. 5.5).

Воспользовавшись формулой (5.24), найдем среднее давление в газопроводе:

После интегрирования получаем

или

Среднее давление устанавливается в газопроводе после остановки перекачки. По среднему давлению находят коэффициент z, учитывающий отклонение от законов идеального газа, а также определяют количество газа, содержащегося в трубопроводе. Положив в (5.24) Р= рср, найдем расстояние, на котором давление равно среднему:

Из этой формулы видно, что расстояние Хср зависит от отношения давлений рH/рK. При изменении рH/рK от 1 до ∞ Xcp/L изменяется от 0,5 до 5/9.

studizba.com


Смотрите также