Грапавост на полиетиленовите тръби
Хидравличното изчисление е важна част от процеса на избор на размер натръба за изграждане натръбопровод. В нормативната литература по дизайн този въпрос, ясен от гледна точка на физиката, е напълно объркан. Според нас това се дължи на опита да се опишат всички варианти за изчисляване на коефициента на триене, в зависимост от режима на потока, вида на течността и нейната температура, както играпавостта на тръбата, с едно (за всички случаи) уравнение с вариация на неговите параметри и въвеждане на различни корекционни коефициенти. В същото време краткостта на представянето, присъща на нормативния документ, прави избора на стойностите на тези коефициенти до голяма степен произволен и най-често завършва с номограми, скитащи от един документ в друг. За целите на по-подробен анализ на методите за изчисление, предложени в документите, изглежда полезно да се върнем към оригиналните уравнения на класическата хидродинамика [1].
Загубата на налягане, свързана с преодоляването на силите на триене по време на потока на флуида втръбата се определя от уравнението: където: L и D са дължината натръбопровода и неговия вътрешен диаметър, m; ? - плътност на течността, kg/m3; w е средната обемна скорост, m/sec, определена от дебита Q, m3/sec: λ е коефициентът на хидравлично триене, безразмерна величина, характеризираща съотношението на силите на триене и инерционните сили, и именно неговото определяне е предмет на хидравлично изчисление натръбопровода. Коефициентът на триене зависи от режима на потока и се определя по различен начин за ламинарен и турбулентен поток. За ламинарен (режим на чисто вискозен поток), коефициентът на триене се определя теоретично в съответствие с уравнението на Поазейл: λ = 64/Re (2) където:Re - критерий (число) Reynolds. Експерименталните данни стриктно се подчиняват на този закон в рамките на стойностите на Рейнолдс под критичната (Re 100 000, предложени са много формули за изчисление, но почти всички дават един и същ резултат [1 - 3].
Фигура 1 показва как "работят" уравнения (2) - (4) в посочения диапазон от числа на Рейнолдс, което е достатъчно, за да опише всички реални случаи на флуиден поток в хидравлично гладкитръби. Фиг.1
Грапавостта на стената натръбата влияе върху хидравличното съпротивление само при турбулентен поток, но в този случай, поради наличието на ламинарен граничен слой, тя влияе значително само при числа на Рейнолдс, надвишаващи определена стойност в зависимост от относителната грапавост ξ/D, където ξ е изчислената височина на неравностите на грапавостта, m.
се счита за хидравлично гладка, а коефициентът на триене се определя от уравнения (2) - (4). За числа Re, по-големи от тези, определени от неравенство (5), коефициентът на триене става постоянна стойност и се определя само от относителната грапавост съгласно уравнението:
което след трансформация дава:
Хидравличната концепция за грапавостта няма нищо общо с геометрията на вътрешната повърхност натръбата, която може да бъде измерена инструментално. Изследователите приложиха ясно възпроизводима и измерима зърнистост към вътрешната повърхност на моделнитетръби и сравниха коефициента на триене за модела и реалните техническитръби при същите режими на потока. Това определя обхвата наеквивалентната хидравлична грапавост, която трябва да се вземе при хидравличните изчисления на техническитетръби. Следователно уравнение (6) следва по-точнозаписвам:
където: ξ e - нормативна еквивалентна грапавост (Таблица 1).
Таблица 1 [1, 2]
| Тип тръбопровод |
Данните в таблица 1 са получени за традиционните за този период материалитръбопроводи. В периода 1950-1975 г. западните хидродинамики по подобен начин определят ξ eтръби от полиетилен и PVC с различни диаметри, включително след продължителна експлоатация. Получени са стойности на еквивалентна грапавост в диапазона от 0,0015 до 0,0105 mm затръби с диаметър от 50 до 300 mm [3]. В САЩ за PVC тръбопровод , монтиран върху залепени съединения, този показател се приема като 0,005 mm [3]. В Швеция, въз основа на действителните загуби на налягане в петкилометровтръбопровод от челно заварениполиетиленови тръби с диаметър 1200 mm, беше определено, че ξ e = 0,05 mm [3]. В българските строителни норми, в случаите, свързани сполимерни (пластмасови) тръби, тяхната грапавост или изобщо не се споменава [5 - 8], или се приема: за водоснабдяване и канализация - "не по-малко от 0,01 mm" [9], за газоснабдяване ξ e = 0,007 mm [10]. Пълномащабните измервания на загубите на налягане в действащиягазопровод, изработен от полиетиленови тръби с външен диаметър 225 mm и дължина повече от 48 km, показаха, че трябва да се използва ξ e 100 000, модификация на уравнение (4). В ISO TR 10501 [4] запластмасови тръби при 4000 g = J*L, m).
Пример: Определете вътрешния диаметър напластмасатръбопровод с дължина 1000 m, с w max = 2 m / s и ∆ N g = 10 m (1 bar), т.е. J = 10/1000 = 0,01 m. Като изберем например коефициентите на уравнение (11), получаваме:
В този случай дебитът ще бъде Q=460 m3/h. Ако полученият дебит е голям или малък, достатъчно е да коригирате стойността на скоростта. Като вземем например w=1,5 m/s, получаваме D=0,188 m и Q=200 m3/h. Потреблението втръбопровода се определя от нуждите на потребителя и се задава на етапа на проектиране на мрежата. Оставяйки този въпрос на проектантите, нека сравним специфичните загуби на налягане в стоманени (нови и стари) ипластмасови тръбопроводи при равни скорости на потока за различни диаметри натръби.
Както може да се види от таблица 4, като се вземе предвид неизбежното стареене на стоманенататръба по време на работа, затръби с малък и среден диаметърполиетиленовата тръба може да бъде избрана една стъпка по-малък външен диаметър. И само затръби с диаметър от 800 mm и повече, поради относително по-малкото влияние на абсолютната еквивалентна грапавост върху загубите на налягане, диаметрите натръбите трябва да бъдат избрани от същия ред.
Литература. 1. Н. З. Френкел, Хидравлика, Госенеогоиздат, 1947. 2. I.E.Idelchik, Ръководство за хидравлично съпротивление на профилни и прави частитръбопроводи, TsAGI, 1950. 3. Л.-Е. Янсон, Пластмасови тръби за водоснабдяване и канализация. Boras, Borealis, 4-то издание, 2003 г. 4. ISO TR 10501 Термопластични тръби за транспортиране на течности под налягане - Изчисляване на загубите на напор. 5. SP 40-101-2000 Проектиране и монтаж натръбопроводи отполипропилен "произволен съполимер". 6. SNiP 41-01-2003 (2.04.05-91) Отопление, вентилация и климатизация. 7. SNiP 2.04.01-85 Вътрешноводоснабдяване и канализация на сгради. 8. SNiP 2.04.02-84 водоснабдяване. Външни мрежи и конструкции. 9. SP 40-102-2000 Проектиране и монтаж натръбопроводи на водоснабдителни и канализационни системи отполимерни материали. 10. SP 42-101-2003 Общи разпоредби за проектиране и изграждане на газоразпределителни системи от метални иполиетиленови тръби. 11. Е. Х. Китайцева, Хидравлично изчисляване на стоманени иполиетиленови газопроводи, Полимергаз, № 1, 2000 г.
Автори: Владимир Швабауер, Игор Гвоздев, Мирон Гориловски Източник: (Списание за полимерни тръби)