Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Гидравлическое сопротивление труб

Формулы для расчётов и справочные данные

Расчет тепловой нагрузки на отопление предполагает определение тепловых потерь(Тп) и мощности котла (Мк). Последняя рассчитывается по формуле:

  • Мк – тепловая производительность системы отопления, кВт;
  • Тп – тепловые потери дома;
  • 1,2 – коэффициент запаса (составляет 20%).

Двадцатипроцентный коэффициент запаса позволяет учесть возможное падение давления в газопроводе в холодное время года и непредвиденные потери тепла (например, разбитое окно, некачественная теплоизоляция входных дверей или небывалые морозы). Он позволяет застраховаться от ряда неприятностей, а также даёт возможность широкого регулирования режима температур.

Как видно из этой формулы мощность котла напрямую зависит от теплопотерь. Они распределяются по дому не равномерно: на наружные стены приходится порядка 40% от общей величины, на окна – 20%, пол отдаёт 10%, крыша 10%. Оставшиеся 20% улетучиваются через двери, вентиляцию.

Плохо утеплённые стены и пол, холодные чердак, обычное остекление на окнах — всё это приводит к большим потерям тепла, а, следовательно, к увеличению нагрузки на систему отопления

При строительстве дома важно уделить внимание всем элементам, ведь даже непродуманная вентиляция в доме будет выпускать тепло на улицу. Материалы, из которых построен дом, оказывают самое непосредственное влияние на количество потерянного тепла. Поэтому при расчётах нужно проанализировать, из чего состоят и стены, и пол, и всё остальное

Поэтому при расчётах нужно проанализировать, из чего состоят и стены, и пол, и всё остальное

Материалы, из которых построен дом, оказывают самое непосредственное влияние на количество потерянного тепла. Поэтому при расчётах нужно проанализировать, из чего состоят и стены, и пол, и всё остальное.

В расчётах, чтобы учесть влияние каждого из этих факторов, используются соответствующие коэффициенты:

  • К1 – тип окон;
  • К2 – изоляция стен;
  • К3 – соотношение площади пола и окон;
  • К4 – минимальная температура на улице;
  • К5 – количество наружных стен дома;
  • К6 – этажность;
  • К7 – высота помещения.

Для окон коэффициент потерь тепла составляет:

  • обычное остекление – 1,27;
  • двухкамерный стеклопакет – 1;
  • трёхкамерный стеклопакет – 0,85.

Естественно, последний вариант сохранит тепло в доме намного лучше, чем два предыдущие.

Правильно выполненная изоляция стен является залогом не только долгой жизни дома, но и комфортной температуры в комнатах.  В зависимости от материала меняется и величина коэффициента:

  • бетонные панели, блоки – 1,25-1,5;
  • брёвна, брус – 1,25;
  • кирпич (1,5 кирпича) – 1,5;
  • кирпич (2,5 кирпича) – 1,1;
  • пенобетон с повышенной теплоизоляцией – 1.

Чем больше площадь окон относительно пола, тем больше тепла теряет дом:

Постановка задачи

Гидравлический расчёт при разработке проекта трубопровода направлен на определение диаметра трубы и падения напора потока носителя. Данный вид расчёта проводится с учетом характеристик конструкционного материала, используемого при изготовлении магистрали, вида и количества элементов, составляющих систему трубопроводов(прямые участки, соединения, переходы, отводы и т. д.), производительности,физических и химических свойств рабочей среды.

Многолетний практический опыт эксплуатации систем трубопроводов показал, что трубы, имеющие круглое сечение, обладают определенными преимуществами перед трубопроводами, имеющими поперечное сечение любой другой геометрической формы:

  • минимальное соотношением периметра к площади сечения, т.е. при равной способности, обеспечивать расход носителя, затраты на изолирующие и защитные материалы при изготовлении труб с сечением в виде круга, будут минимальными;
  • круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды сточки зрения гидродинамики, достигается минимальное трение носителя о стенки трубы;
  • форма сечения в виде круга максимально устойчива к воздействию внешних и внутренних напряжений;
  • процесс изготовления труб круглой формы относительно простой и доступный.

Подбор труб по диаметру и материалу проводится на основании заданных конструктивных требований к конкретному технологическому процессу. В настоящее время элементы трубопровода стандартизированы и унифицированы по диаметру. Определяющим параметром при выборе диаметра трубы является допустимое рабочее давление, при котором будет эксплуатироваться данный трубопровод.

Основными параметрами, характеризующими трубопровод являются:

  • условный (номинальный) диаметр – DN;
  • давление номинальное – PN;
  • рабочее допустимое (избыточное) давление;
  • материал трубопровода, линейное расширение, тепловое линейное расширение;
  • физико-химические свойства рабочей среды;
  • комплектация трубопроводной системы (отводы, соединения, элементы компенсации расширения и т.д.);
  • изоляционные материалы трубопровода.

Условный диаметр (проход) трубопровода (DN) – это условная  безразмерная величина, характеризующая проходную способность трубы, приблизительно равная ее внутреннему диаметру. Данный параметр учитывается при осуществлении подгонки сопутствующих изделий трубопровода (трубы, отводы, фитинги и др.).

Условный диаметр может иметь значения от 3 до 4000 и обозначается: DN 80.

Условный проход по числовому определению примерно соответствует реальному диаметру определенных отрезков трубопровода. Численно он выбран таким образом, что пропускная способность трубы повышается на 60-100% при переходе от предыдущего условного прохода к последующему.Номинальный диаметр выбирается по значению внутреннего диаметра трубопровода. Это то значение, которое наиболее близко к реальному диаметру непосредственно трубы.

Давление номинальное (PN) – это безразмерная величина, характеризующая максимальное давление рабочего носителя в трубе заданного диаметра, при котором осуществима длительная эксплуатация трубопровода при температуре 20°C.

Значения номинального давления были установлены на основании продолжительной практики и опыта эксплуатации: от 1 до 6300.

Номинальное давление для трубопровода с заданными характеристиками определяется по ближайшему к реально создаваемому в нем давлению. При этом,вся трубопроводная арматура для данной магистрали должна соответствовать тому же давлению. Расчет толщины стенок трубы проводится с учетом значения номинального давления.

Как выбрать диаметр трубы отопления

Точно рассчитать, какого сечения трубы вам нужны, не получится. Придется выбирать из нескольких вариантов. А все потому, что добиться одинакового эффекта можно разными способами.

Поясним

Нам важно доставить к радиаторам нужное количество тепла и добиться при этом равномерного нагрева радиаторов. В системах с принудительной циркуляцией делаем мы это при помощи труб, теплоносителя и насоса

В принципе все, что нам нужно, — это за определенный промежуток времени «прогнать» определенное количество теплоносителя. Тут есть два варианта: поставить трубы меньшего диаметра и подавать теплоноситель с большей скоростью, или  сделать систему большего сечения, но с меньшей интенсивностью движения. Обычно выбирают первый вариант. И вот почему:

  • стоимость изделий меньшего диаметра ниже;
  • с ними работать легче;
  • при открытой прокладке они не так привлекают внимания, а при укладке в пол или стены требуется меньшие по размерам штробы;
  • при небольшом диаметре в системе находится меньше теплоносителя, что снижает ее инерционность и ведет к экономии топлива.

Так как есть определенный набор диаметров и определенное количество тепла, которое по ним нужно доставить, каждый раз считать одно и то же — неразумно. Потому были разработаны специальные таблицы, по которым в зависимости от требуемого количества тепла, скорости движения теплоносителя и температурных показателей работы системы, определяется возможный размер. То есть для определения сечения труб в системе отопления находите нужную таблицу и по ней подбираете подходящее сечение.

Расчет диаметра труб для отопления производился по такой формуле (при желании можете посчитать). Затем рассчитанные значения записывались в таблицу.

Формула расчета диаметра трубы отопления

Где:

D — искомый диаметр трубопровода, мм
∆t° — дельта температур (разница подачи и обратки), °С
Q — нагрузка на данный участок системы, кВт — определенное нами количество тепла, необходимое на обогрев помещения
V — скорость теплоносителя, м/с — выбирается из определенного диапазона.

В системах индивидуального отопления скорость движения теплоносителя может быть от 0,2 м/с до 1,5 м/с. По опыту эксплуатации известно, что оптимальная скорость находится в пределах 0,3 м/с — 0,7 м/с. Если теплоноситель движется медленнее, возникают воздушные пробки, если быстрее — сильно возрастает уровень шумов. Оптимальный диапазон скоростей и выбирают в таблице. Таблицы разработаны для разных видов труб: металлических, полипропиленовых, металлопластиковых, медных. Рассчитаны значения для стандартных режимов работы: с высокими и средними температурами. Чтобы процесс подбора был более понятен, разберем конкретные примеры.

Пропускная способность канализационной трубы

Пропускная способность канализационной трубы – важный параметр, который зависит от типа трубопровода (напорный или безнапорный). Формула расчета основана на законах гидравлики. Помимо трудоемкого расчета, для определения пропускной способности канализации используют таблицы.

Формула гидравлического расчета

Для гидравлического расчета канализации требуется определить неизвестные:

  1. диаметр трубопровода Ду;
  2. среднюю скорость потока v;
  3. гидравлический уклон l;
  4. степень наполнения h/ Ду (в расчетах отталкиваются от гидравлического радиуса, который связан с этой величиной).
Таблица 3. Самоочищающая скорость канализационных стоков в зависимости от значения условного прохода трубы
Ду, ммh/ДуСамоочищающая скорость, м/с
150-2500,60,7
300-4000,70,8
450-5000,750,9
600-8000,750,1
900+0,81,15

Кроме того, существует нормированное значение минимального уклона для труб с малым диаметром: 150 мм

(i=0.008) и 200 (i=0.007) мм.

Формула объемного расхода жидкости выглядит так:

q=a•v,

где a — это площадь живого сечения потока,

v – скорость потока, м/с.

Скорость рассчитывается по формуле:

v= C√R*i,

где R – это гидравлический радиус;

С – коэффициент смачивания;

i — уклон.

Отсюда можно вывести формулу гидравлического уклона:

i=v2/C2*R

По ней определяют данный параметр при необходимости расчета.

С=(1/n)*R1/6,

где n – это коэффициент шероховатости, имеющий значения от 0,012 до 0,015 в зависимости от материала трубы.

Гидравлический радиус считают равным радиусу обычному, но только при полном заполнении трубы. В остальных случаях используют формулу:

R=A/P,

где А – это площадь поперечного потока жидкости,

P– смоченный периметр, или же поперечная длина внутренней поверхности трубы, которая касается жидкости.

Таблицы пропускной способности безнапорных труб канализации

В таблице учтены все параметры, используемые для выполнения гидравлического расчета. Данные выбирают по значению диаметра трубы и подставляют в формулу. Здесь уже рассчитан объемный расход жидкости q, проходящей через сечение трубы, который можно принять за пропускную способность магистрали.

Кроме того, существуют более подробные таблицы Лукиных, содержащие готовые значения пропускной способности для труб разного диаметра от 50 до 2000 мм.

Таблицы пропускной способности напорных канализационных систем

В таблицах пропускной способности напорных труб канализации значения зависят от максимальной степени наполнения и расчетной средней скорости сточной воды.

Таблица 4. Расчет расхода сточных вод, литров в секунду
Диаметр, ммНаполнениеПринимаемый (оптимальный уклон)Скорость движения сточной воды в трубе, м/сРасход, л/сек
1000,60,020,944,6
1250,60,0160,977,5
1500,60,0131,0011,1
2000,60,011,0520,7
2500,60,0081,0933,6
3000,70,00671,1862,1
3500,70,00571,2186,7
4000,70,00501,23115,9
4500,70,00441,26149,4
5000,70,00401,28187,9
6000,70,00331,32278,6
8000,70,00251,38520,0
10000,70,00201,43842,0
12000,70,001761,481250,0

Расчет диаметра трубы по расходу воды

Определяем правильно расход воды

Чтобы определить диаметр трубы по расходу проходящей жидкости, понадобятся значения истинного потребления воды с учетом всех сантехнических приборов: ванны, кухонного смесителя, стиральной машины, унитаза. Рассчитывается каждый отдельный участок водопровода по формуле:

qc = 5× q0 × α, л/с

где qc – значение потребляемой воды каждым прибором;

q0 – нормируемая величина, которая определяется по СНиП. Принимаем для ванны – 0,25, для кухонного смесителя 0,12, для унитаза -0,1;

а – коэффициент, учитывающий возможность одновременной работы сантехнических приборов в помещении. Зависит от значения вероятности и количества потребителей.

a = f (N × P)

На участках магистрали, где совмещаются потоки воды для кухни и ванны, для унитаза и ванны и т.д., в формулу добавляется значение вероятности. То есть возможности одновременной работы кухонного смесителя, крана в ванной, унитаза и других приборов.

Вероятность определяется по формуле:

Р = qhr µ × u/q0 × 3600 × N,

где N – число потребителей воды (приборов);

qhr µ — максимальный часовой расход воды, который можно принять по СНиП. Выбираем для холодной воды qhr µ =5,6 л/с, общий расход 15,6 л/с;

u – количество человек, использующих сантехнику.

Пример расчета расхода воды:

В двухэтажном доме имеется 1 ванная, 1 кухня с установленными стиральной и посудомоечной машиной, душевая кабина, 1 унитаз. В доме живет семья из 5 человек. Алгоритм расчета:

  1. Рассчитываем вероятность Р = 5,6 × 5/0,25 × 3600 × 6=0,00518.
  2. Тогда расход воды для ванной составит qc = 5× 0,25 ×0,00518=0,006475 л/с.
  3. Для кухни qc = 5× 0,12 ×0,00518=0,0031 л/с.
  4. Для туалета qc = 5× 0,1 ×0,00518=0,00259 л/с.

Рассчитываем диаметр трубы

Существует прямая зависимость диаметра от объема перетекающей жидкости, которая выражается формулой:

Q = (πd²/4)•w

где Q – расход воды, м3/с;

d – диаметр трубопровода, м;

w – скорость потока, м/с.

d = √(4Q/πw), м

Скорость потока воды можно принять по таблице 2. Существует более сложный метод расчета скорости потока – с учетом потерь и коэффициента гидравлического трения. Это довольно объемный расчет, но в итоге позволяющий получить точное значение, в отличие от табличного метода.

Таблица 2. Скорость потока жидкости в трубопроводе в зависимости от ее характеристики
Перекачиваемая средаОптимальная скорость в трубопроводе, м/с
ЖИДКОСТИДвижение самотеком:
Вязкие жидкости0,1-0,5
Маловязкие жидкости0,5-1
Перекачиваемые насосом:
Всасывающий трубопровод0,8-2
Нагнетательный трубопровод1,5-3
ГАЗЫЕстественная тяга2-4
Малое давление (вентиляторы)4-15
Большое давление (компрессор)15-25
ПАРЫПерегретые30-50
Насыщенные пары при давлении
Более 105 Па15-25
(1-0,5)*105 Па20-40
(0,5-0,2)*105 Па40-60
(0,2-0,05)*105 Па60-75

Пример:
Рассчитаем диаметр трубы для ванной, кухни и туалета, исходя из полученных значений расхода воды. Выбираем из таблицы 2 значение скорости потока воды в напорном водопроводе – 3 м/с.

Тогда диаметр трубопровода определяется:

для ванной d = √(4*0,006475/3,14*3)=0,052 м

для туалета d = √(4*0,00259/3,14*3)=0,033 м

для кухни d = √(4*0,0031/3,14*3)=0,036 м

Способы расчета пропускной способности трубопровода

Перед тем, как посчитать пропускную способность трубы, нужно узнать основные обозначения, без которых проведение расчетов будет невозможным:

  1. Внешний диаметр. Данный показатель выражается в расстоянии от одной стороны наружной стенки до другой стороны. В расчетах этот параметр имеет обозначение Дн. Внешний диаметр труб всегда отображается в маркировке.
  2. Диаметр условного прохода. Это значение определяется как диаметр внутреннего сечения, который округляется до целых чисел. При расчете величина условного прохода отображается как Ду.

Расчет проходимости трубы может осуществляться по одному из методов, выбирать который необходимо в зависимости от конкретных условий прокладки трубопровода:

  1. Физические расчеты. В данном случае используется формула пропускной способности трубы, позволяющая учесть каждый показатель конструкции. На выборе формулы влияет тип и назначение трубопровода – например, для канализационных систем есть свой набор формул, как и для остальных видов конструкций.
  2. Табличные расчеты. Подобрать оптимальную величину проходимости можно при помощи таблицы с примерными значениями, которая чаще всего используется для обустройства разводки в квартире. Значения, указанные в таблице, довольно размыты, но это не мешает использовать их в расчетах. Единственный недостаток табличного метода заключается в том, что в нем рассчитывается пропускная способность трубы в зависимости от диаметра, но не учитываются изменения последнего вследствие отложений, поэтому для магистралей, подверженных возникновению наростов, такой расчет будет не лучшим выбором. Чтобы получить точные результаты, можно воспользоваться таблицей Шевелева, учитывающей практически все факторы, воздействующие на трубы. Такая таблица отлично подходит для монтажа магистралей на отдельных земельных участках.
  3. Расчет при помощи программ. Многие фирмы, специализирующиеся на прокладке трубопроводов, используют в своей деятельности компьютерные программы, позволяющие точно рассчитать не только пропускную способность труб, но и массу других показателей. Для самостоятельных расчетов можно воспользоваться онлайн-калькуляторами, которые, хоть и имеют несколько большую погрешность, доступны в бесплатном режиме. Хорошим вариантом большой условно-бесплатной программы является «TAScope», а на отечественном пространстве самой популярной является «Гидросистема», которая учитывает еще и нюансы монтажа трубопроводов в зависимости от региона.

Общий порядок расчета шага стропил

  1. Задаемся приблизительным шагом стропил, который можно выбирать из диапазона от 600 до 1200 мм. Делая это, следует учитывать ширину рулонов утеплителя и гидроизоляции, а также выбранный кровельный материал (каким шагом следует задаваться при монтаже профнастила или металлочерепицы, расскажем ниже).
  2. Длину ската (по карнизу) делим на шаг стропил, который мы выбрали в предыдущем пункте, округляя полученное значение до целого числа (в большую сторону).
  3. К вычисленному вышеописанным способом числу прибавляем единицу, получая таким образом количество стропил на одном скате.
  4. Длину ската делим на количество стропильных ног, определенное в п. 3. В результате получаем уточненное значение шага, с которым будут устанавливаться стропила.

Упрощенная таблица расчета для крыш из металлочерепицы и профнастила

Как учитывать вид кровельного материала при расчете шага стропил?

Если в качестве покрытия кровли выбраны такие материалы, как профнастил или металлочерепица, приблизительный шаг стропил в п. 1 вышеизложенной методике расчета следует выбирать из рекомендованного производителем диапазона. Его границы для каждого из этих кровельных материалов мы опишем в следующих пунктах:

А) Расстояние между стропилами крыши под Профнастил

В инструкциях по монтажу большинства популярных марок профнастила в качестве минимального шага стропил указывается значение в 600 мм, максимально же допустимый шаг не превышает 900 мм. При установке стропил с большим, чем указано, шагом всю стропильную систему придется усиливать монтируемыми в поперечном направлении мощными досками. Стропильные ноги изготавливают из бруса, ширина которого составляет 50 мм, а высота – 100 или 150 мм. Материалом для обрешетки служит доска с размерами сечения 30х100 мм. Шаг ее укладки определяется толщиной и высотой трапеции профнастила, а его минимальное значение составляет 500 мм. Первая доска обрешетки, лежащая на уровне карниза, должна быть толще последующих на 10 – 15 мм. Конструкция и параметры обрешетки должны обеспечивать возможность монтажа дымохода, вентиляционных каналов, чердачных фонарей и прочих элементов.

Б) Расстояние между стропилами кровли под Металлочерепицу

На сегодняшний день металлочерепица является самым популярным в индивидуальном строительстве кровельным материалом. Внешне она похожа на классическую черепицу из глины, но отличается от нее меньшим весом, что позволяет применять менее громоздкую стропильную систему. Рекомендуемый шаг стропил при устройстве металлочерепичной кровли лежит в пределах от 600 до 950 мм. Ширина и высота сечения стропильной ноги при этом равны 50 и 150 мм соответственно. Изготавливать стропила из брусьев с меньшим сечением не рекомендуют, поскольку технология монтажа металлочерепичной кровли предусматривает сверление в верхней части стропил отверстий диаметром от 10 до 12 мм с целью вентиляции подкровельного пространства.

Зачем нужны подобные расчеты

При составлении плана по возведению большого коттеджа, имеющего несколько ванных комнат, частной гостиницы, организации пожарной системы, очень важно обладать более-менее точной информацией о транспортирующих возможностях имеющейся трубы, беря в учет ее диаметр и давление в системе. Все дело в колебаниях напора во время пика потребления воды: такие явления довольно серьезно влияют на качество предоставляемых услуг.

Кроме того, если водопровод не оснащен водосчетчиками, то при оплате за услуги коммунальных служб в расчет берется т.н. «проходимость трубы». В таком случае вполне логично выплывает вопрос о применяемых при этом тарифах.

Компенсаторы расширения трубопроводных сетей

Отводы

Специальные отводы, ввариваемые в трубопроводную сеть, компенсируют естественный показатель линейного расширения изделий. Этому способствует выбор компенсирующих U-образных, Z-образных и угловых отводов, лирных компенсаторов.

Они предназначены для принятия линейного расширения труб за счет деформирования, но для данной технологии предусмотрен ряд ограничений. В трубопроводных магистралях с повышенным уровнем давления для компенсации расширения служат колени под разным углом. Напряжение, предусмотренное в отводах, способствует усилению коррозийного действия.

Волнистые компенсаторы

Изделия представлены тонкостенными гофротрубами из металла, называемыми сильфоном и растягиваемым в направлении трубопроводной линии. Их монтируют в трубопроводной сети, предварительный натяг служит для компенсации расширения.

Выбор осевых компенсаторов позволяет обеспечить расширение по поперечному сечению. Внутренние направляющие кольца предупреждают боковое смещение и внутреннее загрязнение. Для защиты труб от внешнего воздействия служит специальная облицовка. Компенсаторы, не включающие в конструкцию внутреннего направляющего кольца, способствуют поглощению боковых сдвигов и вибрации, исходящей от насосных систем.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации