ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОТЕРЬ НАПОРА ПО ДЛИНЕ В ГИДРАВЛИЧЕСКИ КОРОТКОЙ ТРУБЕ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Экспериментальная оценка потерь напора по длине в гидравлически короткой трубе системы водоснабжения

о сч о сч

СП

о ш m

X

<

m о х

X

Палиивец Максим Сергеевич,

кандидат технических наук, кафедра «Информационные технологии в АПК», ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», [email protected]

В статье приведены результаты оценки экспериментальных исследований гидравлических потерь напора по длине и определение гидравлического коэффициента трения короткого напорного трубопровода системы водоснабжения. Рассмотрен метод гидравлического расчета потерь напора по длине короткого ме-таллопластикового трубопровода VALTEC Pexb-AL0,3-Pexb 20*2,0 PN25 (ГОСТ Р 53630-2015 ISO 9001:2008), также представлена полученная эмпирическая зависимость коэффициента гидравлического трения от относительной эквивалентной шероховатости стенок трубопровода и безразмерного числа Рейнольдса для переходной и начала турбулентной зоны гидравлических сопротивлений труб, дано сравнение опытных значений коэффициента Дарси со значениями, которые были рассчитаны по универсальной формуле А.Д. Альтшуля и формулам других исследователей и рекомендациями Г.А. Адамова и И.Е. Идельчика по выбору длины начального участка трубопровода.

Ключевые слова: Потери напора по длине, короткий напорный трубопровод, коэффициент гидравлического трения (Дарси), число Рейнольдса, абсолютная эквивалентная шероховатость стенок трубопровода, относительная шероховатость стенок трубопровода.

Введение. При проектировании и гидравлическом расчете трубопроводов систем водоснабжения согласно строительным правилам возникает задача по выбору материала напорного трубопровода холодного, горячего водоснабжения и водяного отопления. При этом требуется выбрать трубопроводы из следующих материалов: металлические трубопроводы (стальные, медные или латунные), полимерные трубопроводы (трубы из непластифицированного поливинилхлорида, полипропилена, сшитого или термостойкого полиэтилена) или металлопластиковые трубы [1, 2].

В России долгое время в системах водоснабжения и отопления использовались стальные трубопроводы.

Позднее начали применять полипропиленовые и металлопластиковые трубопроводы в системах подачи холодной и горячей воды.

В строительных нормах и правилах [2] прописано, что можно применять для устройства трубопроводов отопления некоторые полимерные трубопроводы, в том числе и из металлопластиковых полимеров, а так же со стальными трубами было разрешено применение медных и латунных труб.

После появления свода правил СП [3] стали использовать полимерные трубопроводы в системах внутреннего водоснабжения.

А позже в своде правил 2004года [4] было указано, что можно технически применять медные трубы во внутренних системах водоснабжения и отопления зданий.

В итоге появилась возможность устраивать внутренние системы горячего и холодного водоснабжения и отопления из одних и тех же трубопроводов, которые включали в себя широкий набор материалов.

Очень важно при проектировании и расчете учитывать трудоемкость выполнения работ при монтаже (эксплуатации) и ремонте трубопроводов внутренних систем, как водоснабжения, так и отопления с учетом используемого материала труб.

При гидравлическом расчете и выборе материала трубопроводов подвода и развода воды к потребителям, а также гидравлическом расчете магистральных трубопроводов производят подбор размеров систем трубопроводов, которые должны обеспечить снабжение водой этих потребителей.

Для проведения гидравлического расчета трубопроводов водоснабжения в СП [3] приводится метод расчета, но он используется при расчете труб из полимеров.

В документе СНиП 2.04.05-91 [2] приводятся данные по выбору эквивалентной шероховатости внутренней поверхности труб: стальные трубопроводы: Лэ > 0,2 мм, медные трубопроводы: Лэ > 0,11 и полимерные трубопроводы: Лэ> 0,01 мм, но других данных нет. В СП 60.13330.2016 [5] приводятся данные значений эквивалентной шероховатости Лэ внутренней поверхности труб из полимеров, а также медных и латунных, которые следует принимать не меньше 0,01 и 0,11 мм соответственно [5].

Метод гидравлического расчета используется для определения гидравлических параметров полимерных и металлических трубопроводов, а также трубопроводов систем горячего водоснабжения и водяного отопления. Этот метод [3] при проведении гидравлических расчетов всех внутренних систем трубопроводов позволяет осуществлять оптимальный выбор металлических и полимерных труб систем водоснабжения.

Определение потерь напора по длине в коротких напорных трубопроводах производится опытным методом, зная потери и характеристики трубопровода в формуле Дарси-Вейсбаха, находят значения коэффициента Дарси.

Для определения значений коэффициента Дарси в гидравлических расчетах используются графики Нику-радзе, номограммы Кольбрука-Уайта, формулы Коль-брука для гладких труб, Филоненко-Альтшула, А.Д. Аль-тшуля, Френкеля и многие другие.

По данным исследований А.Д. Альтшуля расхождения в расчетах по разным формулам не так значительны по сравнению с ошибками, которые обычно имеют место при выборе значения шероховатости внутренних стенок трубы [6].

Наиболее часто применяется формула для расчета которую получил А.Д. Альтшуль [6]:

(1)

Л = 0,11(—+ —)°,25.

yd Re

где ^ — относительная шероховатость, Re

где V — скорость потока жидкости, б — внутренний диаметр трубопровода, V — коэффициент кинематической вязкости (рассчитывается с учетом температуры воды), — потери напора по длине, I — длина трубопровода, g — ускорение силы тяжести.

При этом коэффициент Дарси Л рассчитывается по одной из известных формул, а число Рейнольдса выражается через диаметр трубопровода б:

Re = —, (5)

V

Опытным путем коэффициент Дарси Л определялся на участке напорного трубопровода гидравлической экспериментальной установки общей длинной 1 = 517,75й = 10,355м — от начала выхода из напорного патрубка насоса до концевой ее части, где размещался шаровый кран ВидаШ и расходомер ВКМ-20 (рис. 1) .

Перед замерами потерь напора по длине в каждой серии экспериментов в напорном баке ртутным термометром измерялась температура воды, по которой рассчитывался коэффициент кинематической вязкости.

■ число

Рейнольдса.

Поэтому при расчете трубопроводов водоснабжения требуется учитывать гидравлические режимы работы трубопровода, потери напора по длине на коротком участке трубопровода, коэффициент гидравлического трения для повышения точности гидравлического расчета при проектировании, что является актуальной задачей обеспечения как технических, так и экономических требований к работе коротких трубопроводов систем водоснабжения способных пропускать заданный расчетный расход к потребителям.

Изменение значений коэффициента гидравлического трения (Дарси) Л происходит в различных зонах сопротивлений: в зоне гидравлически гладких — Л = /(йе); в переходной зоне — в зоне квадра-

тичного сопротивления — Х = [6].

Материал и методы исследований. В данном экспериментальном исследовании рассматривался расчет потерь на трение при турбулентном течении в коротком напорном трубопроводе из металлопластика (сшитого полиэтилена и алюминия —VALTEC 20*2,0 PN25 (внутренний диаметр й = 20мм).

Для трубопровода с внутренним диаметром й, зная расход Q, проходящий через живое сечение трубы, можно получить ш и V:

(2) (3)

где и> — площадь живого сечения, О — расход воды,

Подставляя в формулу Дарси-Вейсбаха (4) диаметр трубопровода, получим выражение закона потерь по длине в трубе [7]:

к,=!-—. (4)

1 й2д К '

Рис. 1. Экспериментальная установка

Гидравлическая установка (рис. 1) состояла из напорного бака объемом пять метров кубических, от напорного бака вода подавалась через насос марки pedrollo, к выходному патрубку насоса через колено и фитинги присоединялась горизонтально выровненная по лазерному уровню труба из металлопластикового материала: VALTEC 20*2,0 PN25 Class 5/10bar Tmax=950C Ta=1300C EN ISO 21003 ГОСТ Р 53630-2015, стандарт качества — ISO 9001:2008. Далее последовательно на коротком участке трубопровода были установлены три манометра VIEIR, первые два использовались для замера потерь напора по длине, третий - для замера потерь давления перед расходомером. Дальше по трассе

X X

о

го А с.

X

го m

о

м о м о

о сч

0 сч

СП

01

о ш т

X

<

т о х

X

трубопровода размещался шаровый кран Bugatti и расходомер ВКМ-20, изменение расхода которого фиксировалось секундомером, обратно весь поток воды возвращался по кольцевой схеме к напорному баку.

Эксперимент по определению гидравлического коэффициент трения Л состоял из двух серий опытов:

1. Определение коэффициента Дарси на прямом участке короткого напорного трубопровода длиной 1 = 323,5^ = 6,47м, на участке без местных сопротивлений;

2. Определение коэффициента Дарси на прямом участке короткого напорного трубопровода длиной 1 = 322,5^ = 6,45м на участке с местными сопротивлениями.

В гидравлических расчетах в формуле коэффициента потерь на трение принимался внутренний диаметр ^=20*2,0 PN25 трубопровода VALTEC, площадью сечения и>.

Коэффициент Дарси рассчитывался по формуле (6):

1 =

2 •дчЛ.^Н^оз

йТ?

(6)

Полученные экспериментальные значения согласуются со значениями, которые были рассчитаны по формуле (1) для переходной и начала квадратичной зоны гидравлических сопротивлений трубопроводов.

Для вычисления относительной шероховатости стенок трубопровода ^ замерялись потери давления по длине трубы при определенном расходе и средней скорости воды в трубопроводе [8]. Потери напора по длине в барах измерялись между двумя манометрами VIEIR, первый манометр был расположен на расстоянии 11 = 70^ = 1,4м от входа в выходной патрубок насоса, а второй манометр на расстоянии 12 = 323,5^ = 6,47м и 12 = 322,5^ = 6,45м от первого. По полученной опытной зависимости Л = /(йе) на рис. 2 и рис. 3 видим изменение

значения коэффициента гидравлического трения Л: для первой серии опытов равно 0,1835 + 0,1193 для чисел Рейнольдса в интервале йе = 2,8 • 104 ^ 3,2-104 и

0,0939 ^ 0,0319 для второй серии опытов равно для чи-

0 „ йе = 2,3 • 104 -^3 •Ю4. Зна-

сел Рейнольдса в интервале

чения гидравлического коэффициента трения Дарси практически не изменяются, так как длины начального участка 11 = 70^ (после выходного патрубка насоса) хватает для стабилизации потока и его выравнивания до первого манометра.

В работах исследователей [9,10,11] отмечено, что значения коэффициента сопротивления трубопроводов уменьшается в зависимости от увеличения расстояния от входа в трубопровод, которые считают практически постоянными на участке длиной более двадцати пяти диаметров трубопровода.

Полученные значение коэффициента Дарси подставляли в формулу (1), далее определяли величину зная диаметр трубы, рассчитывали величину шероховатости металлопластиковой трубы, используемой в эксперименте. Абсолютная эквивалентная шероховатость трубы 4э VALTEC по внутреннему диаметру й = 20мм при значении относительной шероховатости ^ = 0,0055 равняется 4э = 0,11мм.

Результаты и обсуждение. Экспериментальные значения коэффициента Дарси Л при изменении средней скорости в трубопроводе (числах йе) представлены на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости А=ЦНв) экспериментальных данных автора для круглых труб с!=20мм и эквивалентной шероховатостью йэ=0,11мм и данные по формуле А.Д. Альт-шуля

Методами корреляционно-регрессионного анализа получена опытная формула для расчета гидравлического коэффициента трения с коэффициентом детерминации (аппроксимации) й2 = 0,9265:

X = 1,1909 • йе"1'952. (6)

Экспериментальную достоверную зависимость (6) можно применять в диапазоне чисел Рейнольдса йе = 2,3 • 104 ^3-104.

2Л0 Ш ХМ 1.« 1^0 1.00 «ДО

«о

0.40 0Л 0.00

♦

\

V

\

V

V

♦ г- МИ' в}« И*Ч9

Рис. 3. Экспериментальные значения коэффициента Дарси и значения, полученные по другим формулам

показаны зависимости

На рис. 3

и значения, посчитанные по формуле (1) А.Д. Альтшуля, а также по формулам (7), (8) Кольбрука и Филоненко-Альтшуля для гидравлически гладкостенной зоны сопротивлений:

1 , (7)

Л

'Кольбрука

Л

'Филоненко- Альтшуля

(1,8 - 1в(Яе)-1,64)2

(8)

В двух сериях экспериментов по известной в литературе методике была определена абсолютная эквивалентная шероховатость экспериментального короткого трубопровода по всей длине рассматриваемого участка. На рис. 3 построены зависимости Л = /(йе) по формулам Филоненко-Альтшуля для гладких труб и А.Д. Альт-шуля для труб с относительной шероховатостью стенок

1

Л = -j = 0,0005 и абсолютной эквивалентной шероховатостью стенок трубопровода — Лэ = 0,01 и 0,11мм. На этом рисунке можно увидеть, что шероховатость стенок экспериментального участка эквивалентна естественной шероховатости А = 0,0005 и в двух сериях экспериментов сохраняла свое постоянное значение. Так как экспериментальные точки коэффициента гидравлического трения Л находятся ближе к расчетной зависимости X = f(Re;^j) с 4= 0,0005, следовательно, можем принять с осторожностью эту величину относительной шероховатости стенок трубопровода — А= 0,0005.

Научная новизна. В исследованиях других авторов имеется достаточно много формул по гидравлическим расчетам потерь напора и определения коэффициента гидравлического трения (Дарси) [6,12], но таких данных нет для металлопластикового короткого напорного трубопровода VALTEC 20*2,0 PN25 (Class 5/10bar Tmax=950C Ta=1300C EN ISO 21003 ГОСТ Р 53630-2015 ISO 9001:2008), в справочной литературе [12] приводятся лишь номограммы для определения потерь напора для соответствующего диаметра трубопровода. Научная новизна заключается в экспериментальном изучении потерь напора в металлопластиковом коротком напорном трубопроводе VALTEC 20*2,0 PN25, в получении эмпирической зависимости коэффициента гидравлического трения от относительной эквивалентной шероховатости стенок трубопровода и безразмерного числа Рейнольдса для переходной и начала турбулентной зоны гидравлических сопротивлений труб и последующего экспериментального получения коэффициентов местных потерь напора на сопротивлениях (фитинги, тройники, колена, отводы и т.п.) в зоне их влияния.

Выводы

По экспериментальным гидравлическим исследованиям потерь напора по длине в гидравлически коротком трубопроводе VALTEC PexbAL0,3-Pexb получены графики зависимостей коэффициента гидравлического трения от относительной эквивалентной шероховатости стенок трубопровода и безразмерного числа Рейнольдса для переходной и начала турбулентной зоны гидравлических сопротивлений, также получена экспериментальная статистически достоверная зависимость, используемая в интервале чисел Рейнольдса йе = 2,3 • 104 -^3 -104. На основе экспериментально полученной зависимости коэффициента гидравлического трения от относительной эквивалентной шероховатости стенок трубопровода и безразмерного числа Рейнольдса для переходной и начала турбулентной зоны гидравлических сопротивлений труб могут быть экспериментально получены коэффициенты местных потерь напора на сопротивлениях (фитинги, тройники, колена, отводы и т.п.) в зоне их влияния (зона квадратичного сопротивления). Также в результате дальнейших экспериментальных исследований будут получены значения коэффициентов местных потерь напора при их взаимном влиянии и дополнены соответствующие рекомендации по монтажу таких коротких трубопроводов и местных сопротивлений на них в соответствии со сводами правил по проектированию и строительству СП 40-103-98 [13].

Литература

1. сНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

2. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

3. СП 40-102-2000. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.

4. СП 40-108-2004. Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий из медных труб.

5. СП 60.13330.2016. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003 (с Изменением N 1).

6. Альтшуль, А.Д. Гидравлические сопротивления : учебник : 2-е изд., перераб. и доп. / А.Д. Альшуль. - М. : Недра, 1982. - 224 с.

7. Жабо, В. В., Уваров, В. В. Гидравлика и насосы : учеб. для энерг. и энергостроит. техникумов : 2-е изд., перераб. / В. В. Жабо, В. В. Уваров. - М. : Энергоатом-издат, 1984. - 327 с.

8. Калицун, В. И., Кедров, В. С., Ласков, Ю. М. Гидравлика, водоснабжение и канализация : учеб. пособие для вузов по спец. "Пром. и гражд. стр-во" : 4. изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 2003. - 396c. - ISBN 5-274-00833-X (в обл.).

9. Адамов, Г.А., Идельчик, И.Е. Экспериментальное исследование сопротивления фанерных труб круглого и квадратного сечений при вполне развившемся турбулентном течении : Труды МАП № 670 / Г.А. Адамов, И.Е. Идельчик. - М., 1948. - 27 с.

10. Адамов, Г.А., Идельчик, И.Е. Экспериментальное исследование турбулентного течения в начальных участках прямых труб круглого и квадратного сечений : Технические отчеты МАП № 124 / Г.А. Адамов, И.Е. Идельчик. - М., 1948. - 14 с.

11. Палиивец, М.С. К вопросу экспериментального определения гидравлического коэффициента трения в напорных водоводах квадратного сечения / М.С. Палии-вец // Природообустройство. - 2016. - № 4. - С. 20-26.

12. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / И.Г. Грачев, В.М. Низовцев, С.Ю. Пирогов, Н.П. Савищенко, А.С. Юрьев. - С.-Пб. : АНО НПО «Мир и семья», 2001. - 1154 с.

13. СП 40-103-98. Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения с использованием металлополимерных труб.

Experimental estimation of pressure losses along length in

hydraulically short pipe of water supply system Palivets M.S.

Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev

Agricultural Academy The article presents the results of evaluation of experimental studies of hydraulic pressure losses along the length and determination of the hydraulic friction coefficient of the short pressure pipeline of the water supply system. The method of hydraulic calculation of head losses along the length of short metal-plastic pipeline VALTEC Pexb-AL0,3-Pexb 20 * 2.0 PN25 (GOST R 536302015 ISO 9001:2008) also presents the obtained empirical dependence of the hydraulic friction coefficient on the relative equivalent roughness of the pipeline walls and the dimensionless Reynolds number for the transient and beginning of the turbulent zone of hydraulic resistance of the pipes; comparison of experimental values of Darcy coefficient with values which were calculated by universal formula of A.D. Altshul and formulas of other researchers and recommendations of G.A. Adamov and I.E. Idelchik on selection of length of initial section of pipeline is given.

X X О го А С.

X

го m

о

м о м о

Keywords: Length head loss, short pressure line, hydraulic friction coefficient (Darcy), Reynolds number, absolute equivalent roughness of pipeline walls, relative roughness of pipeline walls. References

1. SNiP 2.04.01-85 *. Internal water supply and sewerage of buildings.

2. SNiP 2.04.05-91. Heating, ventilation and air conditioning.

3. SP 40-102-2000. Design and installation of pipelines of water

supply and sewerage systems from polymer materials. General requirements.

4. SP 40-108-2004. Design and installation of internal water supply

and heating systems of copper pipe buildings.

5. SP 60.13330.2016. Heating, ventilation and air conditioning.

Updated revision of SNiP 41-01-2003 (with Change N 1).

6. Altshul, A.D. Hydraulic resistances: textbook: 2nd ed., Conversion. and additional/A.D. Alshul. - M.: Nedra, 1982. - 224 p.

7. Zhabo, V.V., Uvarov, V.V. Hydraulics and pumps: training for

energy. and power generation. technical schools: 2nd ed., Converted ./V.V. Zhabo, V.V. Uvarov. - M.: Energoatomizdat, 1984. - 327 s.

8. Kalitsun, V.I., Kedrov, V.S., Laskov, Yu. M. Hydraulika, water

supply and sewerage: text. manual for universities on specialty. "Prom. and rpawg. page ": 4. ed., Rework. and additional/- M.: Stroyizdat, 2003. - 396c. - ISBN 5-274-00833-X (in the region).

9. Adamov, G.A., Idelchik, I.E. Experimental study of the resistance

of plywood pipes of round and square sections with a completely developed turbulent current: Works of MAP No. 670/G.A. Adamov, I.E. Idelchik. - M., 1948. - 27 s.

10. Adamov, G.A., Idelchik, I.E. Experimental study of turbulent flow in the initial sections of straight pipes of round and square sections: Technical reports of MAP No. 124/G.A. Adamov, I.E. Idelchik. - M., 1948. - 14 s.

11. Palivets, M.S. On the issue of experimental determination of the hydraulic coefficient of friction in pressure water ducts of square cross-section/M.S. Palivets//Natural environment. - 2016. - No. 4. - S. 20-26.

12. Handbook on calculations of hydraulic and ventilation systems/I.G. Grachev, V.M. Nizovtsev, S.Yu. Pirogov, N.P. Savishchenko, A.S. Yuryev. - S.-Pb.: ANO NPO "World and Family," 2001. - 1154 s.

13. SP 40-103-98. Design and installation of cold and hot water pipelines using metal polymer pipes.

o

CN O CN

an

O HI

m

X

<

m o x

X