Диаметр трубопроводов, скорость течения и расход теплоносителя.
В системе водяного отопления особенно часто у многих встает вопрос: Как вычислить диаметр трубопровода, по которому будет бежать теплоноситель (вода).
Данный материал предназначен понять, что такое диаметр, расход и скорость течения. И какие связи между ними. В других материалах будет подробный расчет диаметра для отопления.
Для того чтобы вычислить диаметр необходимо знать:
1. Расход теплоносителя (воды) в трубе.
2. Сопротивление движению теплоносителя (воды) в трубе определенной длины.
Вот необходимые формулы, которые нужно знать:
S-Площадь сечения м2 внутреннего просвета трубы
π-3, 14-константа - отношение длины окружности к ее диаметру.
r-Радиус окружности, равный половине диаметра, м
Q-расход воды м3/с
D-Внутренний диаметр трубы, м
V-скорость течения теплоносителя, м/с
Сопротивление движению теплоносителя.
Любой движущийся внутри трубы теплоноситель, стремиться к тому, чтобы прекратить свое движение. Та сила, которая приложена к тому, чтобы остановить движение теплоносителя - является силой сопротивления.
Это сопротивление, называют - потерей напора. То есть движущийся теплоноситель по трубе определенной длины теряет напор.
Напор измеряется в метрах или в давлениях (Па). Для удобства в расчетах необходимо использовать метры.
Извиняйте, но я привык указывать потерю напора в метрах. 10 метров водного столба создают 0, 1 МПа.
Для того, чтобы глубже понять смысл данного материла, рекомендую проследить за решением задачи.
Задача 1.
В трубе с внутренним диаметром 12 мм течет вода, со скоростью 1м/с. Найти расход.
Решение: Необходимо воспользоваться вышеуказанными формулами:
1. Находим сечение
2. Находим расход
Дано:
D=12мм=0, 012 м
п=3, 14
S=3.14•0, 0122/4=0, 000113 м2
Q=0, 000113•1=0, 000113 м3/с = 0, 4 м3/ч.
Ответ: 0, 4 м3/ч.
Задача 2.
Имеется насос, создающий постоянный расход 40 литров в минуту. К насосу подключена труба протяженностью 1 метр. Найти внутренний диаметр трубы при скорости движения воды 6 м/с.
Конечно, в реальности насосы не выдают постоянный расход и не выдают бесконечно большой напор. Поэтому по условию задачи мы условно приняли, что насос качает строго 40 литров в минуту, а напор насоса бесконечно большой. Ниже я поясню все нюансы подбора диаметра.
Решение.
Дано:
Q=40л/мин=0, 000666666 м3/с
Из выше указанных формул получил такую формулу.
Ответ: 12мм
К сожалению, по такой формуле находить диаметр трубы не разумно и вот почему!
Каждый насос имеет вот такую расходно-сопротивляемую характеристику:
Это означает, что наш расход в конце трубы будет зависеть от потери напора, которое создается самой трубой.
Чем длиннее труба, тем больше потеря напора.
Чем меньше диаметр, тем больше потеря напора.
Чем выше скорость теплоносителя в трубе, тем больше потеря напора.
Углы, повороты, тройники, заужения и расширение трубы, тоже увеличивают потерю напора.
Такой характеристикой обладают на самом деле не насосы, а жидкости, которые подчиняются гидравлическим законам. Эти законы распространяются не только на насосы, но и на все трубы по которым течет жидкость. Даже если вода будет истекать из наполненного бака, там тоже будет присутствовать такая вот расходно-сопротивляемая характеристика.
Более детально потеря напора по длине трубопровода рассматривается в этой статье:
Стальная (железная) труба проложена длиной 376 метров с внутренним диаметром 100 мм, по длине трубы имеются 21 отводов (угловых поворотов 90°С). Труба проложена с перепадом 17м. То есть труба относительно горизонта идет вверх на высоту 17 метров. Характеристики насоса: Максимальный напор 50 метров (0, 5МПа), максимальный расход 90м3/ч. Температура воды 16°С. Найти максимально возможный расход в конце трубы.
Дано:
D=100 мм = 0, 1м
L=376м
Геометрическая высота=17м
Отводов 21 шт
Напор насоса= 0, 5 МПа (50 метров водного столба)
Максимальный расход=90м3/ч
Температура воды 16°С.
Труба стальная железная
Для решения необходимо знать график насосов: Зависимость расхода от напора.
Я выбрал визуально похожий график всех насосов, от реального может отличаться на 10-20%. Для более точного расчета необходим график насоса, который указан в паспорте насоса.
В нашем случае будет такой график:
Смотрите, прерывистой линией по горизонту обозначил 17 метров и на пересечение по кривой получаю максимально возможный расход: Qmax.
По графику я могу смело утверждать, что на перепаде высоты, мы теряем примерно: 14 м3/час. (90-Qmax=14 м3/ч).
Не существует прямой формулы, которая дает прямой расчет нахождения расхода, а если и существует, то она имеет ступенчатый характер и некоторую логику, которая способна Вас запутать - окончательно.
Ступенчатый расчет получается потому, что в формуле существует квадратичная особенность потерь напора в динамике (движение).
Поэтому решаем задачу ступенчато.
Поскольку мы имеем интервал расходов от 0 до 76 м3/час, то мне хочется проверить потерю напора при расходе равным: 45 м3/ч.
Находим скорость движения воды
Q=45 м3/ч = 0, 0125 м3/сек.
V = (4•0, 0125)/(3, 14•0, 1•0, 1)=1, 59 м/с
Находим число рейнольдса
ν=1, 16•10-6=0, 00000116. Взято из таблици. Для воды при температуре 16°С.
Re=(V•D)/ν=(1, 59•0, 1)/0, 00000116=137069
Δэ=0, 1мм=0, 0001м. Взято из таблицы, для стальной (железной) трубы.
Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.
h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
ζ-Это коэффициент сопротивления. Для колена он равен примерно одному, если диаметр меньше 30мм.
V-скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
g-ускорение свободного падения равен 9, 81 м/с2
ζ-Это коэффициент сопротивления. Для колена он равен примерно одному, если диаметр меньше 30мм. Для больших диаметров он уменьшается. Это связано с тем, что влияние скорости движения воды по отношению к повороту уменьшается.
Смотрел в разных книгах по местным сопротивлениям для поворота трубы и отводов. И приходил часто к расчетам, что один сильный резкий поворот равен коэффициенту единице. Резким поворотом считается, если радиус поворота по значению не превышает диаметр. Если радиус превышает диаметр в 2-3 раза, то значение коэффициента значительно уменьшается.
Теперь я думаю вам понятно как происходит сопротивление движению потока. Если не понятно, то я готов услышать ваши коментарии по данной статье. Пишите коментарии.
В итоге, на размер диаметра влияют:
1. Сопротивление, создаваемое трубой с поворотами
2. Необходимый расход
3. Влияние насоса его расходно-напорной характеристикой
Если расход в конце трубы меньше, то необходимо: Либо увеличить диаметр, либо увеличить мощность насоса. Увеличивать мощность насоса не экономично.
