CC BY
48
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/ Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-1 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/ 146TVN 115.pdf DOI: 10.15862/146TVN115 (http://dx.doi.org/10.15862/146TVN115)
УДК 628
Сучилин Владимир Алексеевич
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Россия, Москва1 Доктор технических наук, профессор E-mail: SuchilinV@mail.ru
Кочетков Алексей Сергеевич
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Россия, Москва Магистр
Губанов Николай Николаевич
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Россия, Москва Магистр
Казаков Артем Сергеевич
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Россия, Москва Магистр
К вопросу эффективности работы трубопроводов в быту
и коммунальном хозяйстве
141221, Московская обл., Пушкинский район, поселок Черкизово, ул. Главная, 99
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы, связанные с возможностями снижения потерь в трубопроводах системы подачи воды и тепла в сфере бытового обслуживания и ЖКХ. Показаны причины снижения давления в трубах водоснабжения отпления,Приведены расчетные формулы этих процессов. Дается алгоритм моделирования проблемных участков трубы на основе аналитических зависимостей в системе Mathcad. В бытовой службе и коммунальном хозяйстве много работ связано с разработкой и ремонтом водопроводных и отопительных сетей. Для обеспечения необходимой эффективности этой сферы деятельности приходится решать множество задач, связанных с оптимизацией проектных и производственных проблем. В частности, важно прогнозировать и выявлять причины снижения давления в трубопроводах, которые неизбежны в процессе их эксплуатации. Необходимо правильно оценивать исходные параметры надежности и долговечности, закладывать условия эксплуатации и ресурс как сети в целом, так и отдельных ее элементов. Показаны некоторые, часто встречающиеся задачи в практике обслуживания и разработки трубопроводов в системе бытового обслуживания и коммунального хозяйства, способы моделирования проблемных участков их, что может безусловно способствовать более глубокому пониманию проблем в области повышению эффективности работы системы водоснабжения и энергосбережения отопительных сетей.
Ключевые слова: трубопровод; потери напора; моделирование участков труб; аналитические зависимости.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Сучилин В.А., Кочетков А.С., Губанов Н.Н., Казаков А.С. К вопросу эффективности работы трубопроводов в быту и коммунальном хозяйстве // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/146TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/146TVN115
Введение
В процессе проектирования трубопроводной сети важно правильно моделировать процесс движения потока жидкости по элементам трубопровода, что позволит снижать потери напора при эксплуатации. Известно, что потери напора связаны прежде всего с протяженностью трубопровода, которые отражают в том числе и качество исполнения внутреннего слоя трубы. Кроме этого существуют местные сопротивления в трубопроводе, которые также существенно влияют на потерю напора жидкости в трубе. К местным гидравлическим сопротивлениям относятся различные устройства и элементы, устанавливаемые на трубопроводах, в которых происходит нарушение нормального движения потока жидкости и возникновение вихреобразования. К подобным элементам и устройствам относятся фасонная и трубопроводная арматура: отводы (колена), переходники, тройники, крестовины, диафрагмы, сетки, запорные регулирующие вентили (краны), задвижки, затворы, предохранительные и регулирующие клапаны, всасывающие наконечники, устанавливаемые на входе в трубу насосов, и т.д.
Рассмотрим одно из наиболее часто встречающихся местных сопротивлений в трубопроводе - возможные варианты поворота трубы:
• поворот по дуге (а);
• поворот прямым углом - коленом (б).
я) б)
Рис.1. Виды местных сопротивлений в трубопроводах
Разберем сначала второй вариант (рис.1, б), так как он вызывает большое гидравлическое сопротивление нежели с поворотом трубы по дуге. Данный вид местного сопротивления вызывает значительные потери энергии потока жидкости, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол р. Потерю напора в этом случае рассчитывают по формуле Вейсбаха [1.2,4].
где
(1)
И - потеря напора здесь она измеряется в метрах; £ - коэффициент сопротивления, он определяется по дополнительным формулам, а для труб 30-50 мм данный коэффициент табулирован( табл-1) ; V - скорость потока жидкости (м/с); g - ускорение свободного падения равен 9,81 м/с2
Таблица 1
Значения коэффициента сопротивления £
р" 20° 40° 60° 80° 90° 100° 120° 140°
% 0,045 0,14 0,36 0,74 0,98 1,26 1,86 2,43
Видно, что при 90° коэффициент местного сопротивления приблизительно равен единице. Полученный коэффициент местного сопротивления вставляют в формулу (1) и получают потерю напора в метрах. На практике это незначительная величина, но если движение жидкости отмечается очень большими скоростями и количество таких местных сопротивлений исчисляется десятками, то следует учитывать общее сопротивление движению жидкости. Каждая потеря на местном сопротивление, просто складывается к остальному числу, если они соединены последовательно.
По формуле (1) определяют местное сопротивление и в трубах на поворотах по дуге (рис.1, а). Это могут быть и гнутые трубы определенного радиуса и под определенным углом. В связи с этим выше приведенная формула (1) справедливо при условии []:
с1<2Я<5с1
Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и местное сопротивление на данном участке трубы по сравнению с участком в виде колена. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны участка Я / ё (рис. 1, а). Коэффициент сопротивления £ зависит от отношения Я / ё, угла в, а также формы поперечного сечения трубы.
Для поворота трубы по дуге с круглым сечением при Р = 90 и Я б/=М и при турбулентном течении можно воспользоваться при определении местного сопротивления эмпирической формулой [4] или табулированными данными (табл. 2).
Таблица 2
Значение коэффициента сопротивления £ для поворота по дуге на 90°
6/Л 0,2 0Г4 0,6 0,5 1 и 1А 1,3 г
1, 0ДЭ1 0,133 снш 0/294 0,44 0,661 0,977 1406 1,978
Полученный коэффициент местного сопротивления также вставляют в формулу (1) и получают потерю напора на местном сопротивлении. Если их много, то просто необходимо найти потерю напора на одном подомном местном сопротивлении и полученный ответ помножить на количество поворотов.
Движение жидкости на рис.1 представлено как движение в плоскости с небольшим перепадом по высоте, та же методика оценки будет практически правомочна и для случая пространственного расположения участка трубопровода. К местным сопротивлениям можно отнести и сужения в трубопроводе. В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис. 2).
Полная потеря напора при внезапном сужении определится по формуле:
, (2)
где коэффициент сопротивления сужения ^суж определяется по полуэмпирической формуле[]:
(3)
в которой п = 81/82 - степень сужения.
При постепенном сужение трубы .местное сопротивление значительно ниже (рис.2, б)
Плавное закругление сужения трубы дает дополнительное уменьшение потери напора при входе в трубу.
Потеря напора наблюдается и при внезапном расширении трубы, т.к. происходит расход энергии на вихреобразование с отрывом потока от стенок трубы(рис.3.)
Рис. 3. Внезапное расширение трубы
При внезапном расширении трубы (рис.3) поток срывается с угла и расширяется не внезапно, как профиль трубы, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Рассматривая сечения потока жидкости 1-1 и 2-2 в зоне расширения трубы, видно, что в сечении 2-2 он заполняет все сечение широкой трубы. Так как поток между рассматриваемыми сечениями расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает. Поэтому вторая измерительная трубка показывает высоту на АН большую, чем первая; но если бы потерь напора в данном месте не было, то вторая трубка измерительная показала бы высоту большую еще на краем. Эта высота и есть местная потеря напора на расширение, которая определяется по формуле [4]:
(4)
где 81, 82 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2.
При постепенном расширение трубы сопротивление течению уменьшается. Однако так же, как и при внезапном расширении трубы, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения трубы а (рис.4).
Рис. 4. Постепенное расширение трубы
Надо также отметить, что на всех приведенных участках трубы имеются и обычные потери на трение, подобные тем, которые возникают в трубах постоянного сечения, что особенно важно при использовании труб в подземных коммуникациях [5, 6]. Поэтому полную потерю напора на отмеченных участках надо рассматривать как сумму двух слагаемых: из местного сопротивления и потери на трение.
Как отмечалось выше, повышение качества вновь создаваемых трубопроводных сетей во многом зависит от предварительного моделирования проблемных мест, в которых возможны большие потери энергии на прокачку жидкости. А в случае необходимости и проведение исследований гидродинамических процессов в них. В качестве примера рассмотрим ряд подобных элементов. При моделировании, например, колена трубы по дуге можно воспользоваться компьютерными возможностями, в частности программой в среде Mathcad. Моделируем элементы трубы на основе аналитических зависимостей [3]. Для этого составляют в трехмерной системе координат формулы(1) каркаса участка трубы. Меняя значения переменных u и v, а также параметров а и b, получают необходимую форму участка и его размеры. Аналитические зависимости дают возможность точно определять также поверхностную площадь участка и объем его. Параметрическая форма задания данной поверхности для моделирования в системе Mathcad имеет вид:
(1)
(2)
Таким же способом, т.е. по аналитическим зависимостям (2) строится модель плавного расширения-сужения участка трубы, обеспечивающего наилучшее(гармоническое) течение жидкости(рис.б).
Рис. 6. Моделирование участка расширение-сужение трубы по аналитическим зависимостям
Та же процедура проводится и для участка трубы, где поворот осуществляется не в плоскости, а в пространстве. Аналитические зависимости каркаса участка трубы будут иметь вид (3). Подобные участки в трубопроводной сети встречаются часто. Тут дополнительно проведен расчет площади участка. Весь алгоритм не показан, так как это дается в разделах вузовского учебника по высшей математики. Зная площадь участка трубы дополнительно можно рассчитать необходимые расходы на изоляционные материалы и покраску.
(3)
> —Г Г
2 2
-.Л
2 Л
Ь -а -(оф)-Щ4кЬаг^а +Ъ
2 I Л А
2-1 -аг^а +Ь
3
Рис.7. Моделирование дугового пространственного колена трубы по аналитическим зависимостям
Заключение
В практике обслуживания и разработки трубопроводов в системе бытового обслуживания и коммунального хозяйства часто используется моделирование проблемных участков [7], что способствует более глубокому пониманию проблем в области повышению эффективности работы системы водоснабжения и энергосбережения отопительных сетей. Данные проблемы остро возникают при монтажных работах тепловых водных полов, когда оптимальным считается прокладка труб по спирали, т.е. практически без переходных колен, или подключения тепловых насосов в сфере ЖКХ и частном секторе. Эти задачи необходимо учитывать также и в системе автосервиса, где, например, отмечается большой расход воды и при достаточно высоком напоре ее на операциях мойки машин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б. О. Ботук. Гидравлика. Москва, «Высшая школа», 1962.
2. Н. Н. Кременецкий и др. Гидравлика. Москва, «Энергия», 1973.
3. С.Н.Кривошапко и др. Аналитические поверхности. Наука. Москва, 2006.
4. www.techgidravlika.ru
5. Губанов, Н. Н., Иванов, В. А. Методика пластики рельефа в территориальном планировании подземных коммуникаций // Сервис в России и за рубежом. - 2011. - № 8(27). (дата обращения: 07.03.2014).
6. Губанов Н. Н., Иванов В. А., Крымская Е. Я., Есипов В. Е. Влияние внешних факторов на долговечность инженерных подземных коммуникаций//Сервис в России и за рубежом. №1(39) 2013. С.59-69 (дата обращения: 07.03.2014).
7. Иванов, В.А., Комаров, Н.М., Крымская, Е.Я., Панова, М.В. Водные ресурсы России, модели метода их сохранения и вызовы проекта. // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/88EVN613.pdf (доступ свободный).
Рецензент: Комаров Николай Михайлович, доктор экономических наук, профессор, член редколлегии журнала.
Suchilin Vladimir Alekseevich
Russian State University of Tourism and Service
Russia, Moskow SuchilinV@mail.ru
Kochetkov Aleksey Sergeevich
Russian State University of Tourism and Service
Russia, Moskow
Gubanov Nikolay Nikolaevich
Russian State University of Tourism and Service
Russia, Moskow
Kazakov Artem Sergeevich
Russian State University of Tourism and Service
Russia, Moskow
To question the efficiency of the pipeline in households
and communal services
Abstract. The article discusses issues related to the opportunities to reduce losses in piping systems supplying water and heat in the domestic sector and utilities. The causes of decrease of pressure in the water pipes of heating systems,calculation formulas of these processes. Given an algorithm for modeling the problem areas of pipes based on analytical dependencies in Mathcad. In domestic service, and many utilities works associated with the development and repair of plumbing and heating networks. To ensure the necessary efficiency in this sphere of activity is necessary to solve many problems related to the optimization of design and production problems. In particular, it is important to predict and to identify the causes of pressure drop in pipelines, which are inevitable in the course of their operation. It is necessary to correctly estimate the source parameters of reliability and durability, to lay down the conditions and resource network as a whole and its separate elements. Shows some common tasks in servicing and development pipelines in the system of consumer services and utilities, methods of modeling their problem areas that may certainly contribute to a deeper understanding of the problems in the field of improving the efficiency of water and energy saving heating networks.
Keywords: pipe; head loss; modeling tube parts; analytical dependences.
REFERENCES
1. B. O. Botuk. Gidravlika. Moskva, «Vysshaya shkola», 1962.
2. N. N. Kremenetskiy i dr. Gidravlika. Moskva, «Energiya», 1973.
3. S.N.Krivoshapko i dr. Analiticheskie poverkhnosti. Nauka. Moskva, 2006.
4. www.techgidravlika.ru
5. Gubanov, N. N., Ivanov, V. A. Metodika plastiki rel'efa v territorial'nom planirovanii podzemnykh kommunikatsiy // Servis v Rossii i za rubezhom. - 2011. - № 8(27). (data obrashcheniya: 07.03.2014).
6. Gubanov N. N., Ivanov V. A., Krymskaya E. Ya., Esipov V. E. Vliyanie vneshnikh faktorov na dolgovechnost' inzhenernykh podzemnykh kommunikatsiy//Servis v Rossii i za rubezhom. №1(39) 2013. S.59-69 (data obrashcheniya: 07.03.2014).
7. Ivanov, V.A., Komarov, N.M., Krymskaya, E.Ya., Panova, M.V. Vodnye resursy Rossii, modeli metoda ikh sokhraneniya i vyzovy proekta. // Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE» Tom 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/88EVN613.pdf (dostup svobodnyy).
