МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПОРНЫХ ТРУБ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРАВЛИКА. ГЕОТЕХНИКА. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 628.14:725.193

DOI: 10.22227/1997-0935.2022.12.1677-1686

Моделирование изменения гидравлических характеристик напорных труб в зависимости от температуры

Владимир Александрович Орлов, Сергей Петрович Зоткин, Дмитрий Александрович Петербургский

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

(НИУМГСУ); г. Москва, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Уменьшение гидравлического сопротивления внутренних стенок напорных трубопроводов из различных материалов — актуальная задача в области трубопроводного транспорта, так как позволяет экономить электроэнергию при транспортировке жидкости. Решение подобных задач возможно с использованием физического и математического моделирования работы трубопроводов при изменении температурных условий в широких диапазонах как транспортируемой среды, так и окружающей обстановки. Физическое моделирование подразумевает экспериментальные исследования процесса транспортировки воды по трубопроводам с выявлением зависимости изменения гидравлических характеристик альтернативных материалов труб от температурного фактора. Поставленная цель моделирования гидравлических характеристик в зависимости от температуры обеспечивается за счет выполнения пилотных экспериментов на гидравлическом стенде, а также применения автоматизированной программы расчета, где имитируется работа производственного трубопровода при различных температурных режимах. Материалы и методы. Материалами для научных исследований являются трубы из полиэтилена. Метод исследо- (¡Т ф ваний — проведение экспериментальных и расчетно-аналитических работ. ü т

Результаты. Результат работы представлен комплексным анализом опытных и расчетно-аналитических данных k и по гидравлическому и энергетическому расчету для полиэтиленовых труб с учетом температурных условий эксплуа- _ я тации трубопроводных сетей и транспортируемой среды. G 3

Выводы. На основе стендовых гидравлических испытаний полимерного трубопровода мерной длины из полиэтиле- (л С на ПЭ 80 SDR 9 получены математические зависимости, описывающие динамику изменения потерь напора от рас- • я хода для соответствующих температур стенки трубы и транспортируемой воды, что позволяет проводить предвари- M | тельный анализ обеспечения оптимальных режимов работы трубопроводной системы в широких диапазонах о S температур. Получены математические зависимости, описывающие изменение потерь напора от расхода для соот- l z ветствующих температур стенки трубы и транспортируемой воды. С помощью автоматизированного комплекса уста- J 9 новлены граничные значения температур окружающей среды и транспортируемой воды, позволяющие производить о 7 оценку потребления электроэнергии. о о

z 3

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидравлические эксперименты, напорные трубы, температурные условия, автоматизиро- о ( ванные расчеты, экономия электроэнергии q r

0 Ü

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Орлов В.А., Зоткин С.П., Петербургский Д.А. Моделирование изменения гидравлических характеристик напорных труб в зависимости от температуры // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 12. С. 1677-1686. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.12.1677-1686

Автор, ответственный за переписку: Владимир Александрович Орлов, OrlovVA@mgso.ro.

< П

СО

со

о

a 0

z 6

A ®

r 6 c Я

h о

Simulation of changes in hydraulic characteristics of pressure pipes t1

depending on temperature • 2

¡r

Vladimir A. Orlov, Sergey P. Zotkin, Dmitry A. Petersburgskiy c 2

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 2 7

Moscow, Russian Federation !_

-j 00

- I T

ABSTRACT s y

C O

Introduction. Reducing the hydraulic resistance of the inner walls of pressure pipelines made of various materials is an urgent 2 2

10 10

task in the field of pipeline transport, as it allows you to save electricity when transporting liquids. The solution of such problems is possible with the use of physical and mathematical modeling of the operation of pipelines under changing temperature conditions in wide ranges of both the transported medium and the surrounding environment. Physical modeling involves о О conducting experimental studies of the process of transporting water through pipelines with the identification of the dependence 2 2 of changes in the hydraulic characteristics of alternative pipe materials on the temperature factor. The goal of modeling

© В.А. Орлов, С.П. Зоткин, Д.А. Петербургский, 2022 1677

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

hydraulic characteristics depending on temperature is achieved by conducting pilot experiments on a hydraulic stand, as well as using an automated calculation program, where the work of the production system is simulated. Materials and methods. Materials for scientific research are pipes made of polyethylene (PE). The method of research is to conduct experimental and computational and analytical work.

Results. The result of the work is presented by a comprehensive analysis of experimental and computational and analytical data on hydraulic and energy calculations for polyethylene pipes, taking into account the temperature conditions of operation of pipeline networks and the transported medium.

Conclusions. Mathematical dependences describing the change in pressure losses from the flow rate for the corresponding temperatures of the pipe wall and the transported water are obtained. On the basis of the use of an automated complex, boundary values of ambient temperatures and transported water have been established, allowing for an assessment of electricity consumption.

KEYWORDS: hydraulic experiments, pressure pipes, temperature conditions, automated calculations, energy saving

FOR CITATION: Orlov V.A., Zotkin S.P., Petersburgskiy D.A. Simulation of changes in hydraulic characteristics of pressure pipes depending on temperature. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(12):1677-1686. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.12.1677-1686 (rus.).

Corresponding author: Vladimir A. Orlov, OrlovVA@mgsu.ru.

N N N N О О N N

NN г г

К (V U 3 > (Л

с и ta N

il л?

<D <D

О %

ОТ ОТ

.Е о

dl"

^ с ю о

S 1

о ЕЕ

СП ^ t- ^

£

от °

> А I

Zs

О И

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании новых трубопроводных систем, а также при реновации (модернизации) ветхих напорных трубопроводов должны быть обеспечены их соответствующие прочностные и энергетические показатели, отвечающие условиям долговременной работы сетей при минимальном потреблении электроэнергии на транспортировку жидкостей [1]. Для минимального потребления электрической энергии при перекачке воды, т.е. создания условий эффективной работы напорных трубопроводов, в первую очередь необходимо обратить внимание на степень шероховатости используемых труб, а также учитывать температурный фактор [2-5]. Решение подобных задач сводится к вопросам оперативного управления потреблением электроэнергии на стадии проекта.

Ранее установлено, что изменение температуры транспортируемой по трубопроводу жидкости отражается на ее вязкости и величине коэффициента гидравлического трения [6]. Однако предложенные зависимости и методические подходы решения задачи по определению коэффициента гидравлического трения для широкого ассортимента труб из новых материалов, которые используются в различных природно-климатических, производственных и эксплуатационных условиях, требуют дополнительной проработки [7, 8]. Для любого материала трубопровода, который потенциально рассматривается для работы в различных температурных режимах, важным является проведение стендовых экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях [9, 10]. Способствовать этому, в том числе с подтверждением выдвигаемых по результатам опытов гипотез, предназначены автоматизированные программные комплексы, с помощью которых осуществляется моделирование процессов транспортировки воды в широких диапазонах ее температур по напорным сетям при их работе в различных климатических условиях [11, 12]. Наблюдается симбиоз опытного и расчетно-аналитического подходов к выявлению динамики и диапазонов изменения гидрав-

лических и энергетических характеристик потока жидкости в напорных трубопроводах [13]. Конечная цель подобных подходов — возможность сопоставления натурных данных с расчетными, оценки их расхождений и корреляции окончательных выводов в соответствующих рамках эксплуатационных характеристик действующих трубопроводных сетей.

Представленное исследование может быть использовано в проектных решениях по экономии электроэнергии и назначению оптимальных режимов работы напорных трубопроводных сетей в зависимости от температуры. Кроме того, благодаря применению автоматизированных комплексов, приведенные сведения могут содействовать прогнозированию эффективной работы трубопроводов в условиях их изношенности, выбора метода ремонта, исключающего утечки, в том числе с помощью бестраншейных технологий [14-20].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалами для научных исследований являются трубы из полиэтилена (ПЭ), методом исследований служит проведение экспериментальных (первый этап) и расчетно-аналитических работ (второй этап), которые базируются на использовании теории полуэмпирической турбулентности.

Первый этап заключался в проведении пилотных гидравлических экспериментов на опытном малогабаритном стенде, компоновочная схема которого представлена на рис. 1. Монтаж стенда выполнен в лаборатории кафедры водоснабжения и водо-отведения НИУ МГСУ

На рис. 2 показан гидравлический стенд с мерной емкостью, греющим кабелем, электронным терморегулятором и пьезометрами.

Гидравлический стенд представляет собой систему, включающую емкость с водой определенной температуры /ж, скрученным в виток (для обеспечения компактности) гибким полимерным трубопроводом мерной длины из полиэтилена ПЭ 80 PN 16 SDR 9 внутренним диаметром 12 мм, помещенным в греющий кабель, и защитную пленку для имитации

1678

различных температурных условии эксплуатации трубопроводной системы. В состав стенда также входит электронный терморегулятор, обеспечивающий требуемый температурный режим стенки трубопровода в период проведения экспериментов. В двух точках полиэтиленового трубопровода за пределами греющего кабеля (до и после него) установлены тонкие патрубки белого цвета (см. рис. 2, Ь) для отбора статического давления воды. Патрубки подсоединены посредством гибких прозрачных полиэтиленовых трубок к платформе с миниатюрным пьезометрическим стендом (рис. 2, Ь).

Работа на экспериментальной установке состояла из операций замера относительных величин потерь напора h на двух пьезометрах как разницы в их показаниях, фиксации расхода Q вытекающей из ем-

кости воды объемным методом с последующим построением графических зависимостей Лh = /(О) в широком диапазоне изменения расходов О путем его регулирования вентилем.

Таким образом, из емкости к полимерному трубопроводу поступала и вытекала из него вода с относительно стабильной температурой в диапазоне /ж = 14-18 °С (в среднем 16 °С). При этом необходимо отметить, что относительная стабильность температуры /ж вытекающей из емкости воды в период серии экспериментов достигалась пополнением ее из водопровода. Соответствующая температура стенок трубопровода / (или окружающей его среды) искусственно изменялась и контролировалась датчиком, предварительно настраиваемым на определенный градус.

Рис. 1. Эскиз испытательного гидравлического стенда, обернутого греющим кабелем электронного терморегулятора (справа): 1 — емкость с водой определенной температуры; 2 — вентили; 3 — навесная платформа; 4 — пьезометры; 5 — мерная линейка; 6 — электронный терморегулятор МПРТ-11; 7 — скрученная часть трубопровода, помещенная в греющий кабель и защитную пленку

Fig. 1. Sketch of a hydraulic test bench wrapped with a heating cable of an electronic thermostat (right): 1 — a container with water of a certain temperature; 2 — valves; 3 — a hinged platform; 4 — piezometers; 5 — dimensional ruler; 6 — an electronic thermostat MPRT-11; 7 — a twisted part of the pipeline placed in a heating cable and a protective film

< П

tT

iH О Г

0 CO n CO

1 <

< -»

J CD

u -

< 3

0 <

01

О 5

CO CO

l\J со

0

1

CD CO о о

a b

Рис. 2. Отдельные фрагменты экспериментальной установки с мерной емкостью и терморегулятором (а) и с пьезометрами, вынесенными на платформу (b)

Fig. 2. Individual fragments of an experimental setup with a measuring tank and a temperature controller (a) and piezometers placed on the platform (b)

< ) fr

л * -J 00 I T

(Л У

с о <D Ж f f NN 22 о о

КЗ КЗ КЗ КЗ

1679

сч N сч N о о

N N

сч сч

г г

¡г (V U 3 > (Л

с и

BQ N

ij л?

ф Ф

о ё

Одним из базовых результатов экспериментов стало подтверждение/опровержение принципиальной гипотезы о влиянии нагрева стенки трубопровода на изменение гидравлических сопротивлений трубопровода за счет определенных соотношений динамических вязкостей, отнесенных соответственно к температурам стенки трубы, т.е. окружающего пространства трубопровода (например, находящегося в помещении, при наземной или подземной прокладке труб и т.д.) в условиях стабильной температуры транспортируемой жидкости.

Второй этап работы заключался в моделировании описанной выше ситуации при транспортировке воды с постоянной температурой и изменением температурных условий окружающей трубопровод среды, а также анализе изменения при этих условиях величин энергопотребления. Обработка результатов экспериментов проводилась с помощью запатентованных авторами автоматизированных программ1, 2.

Базовый результат функционирования автоматизированного комплекса — определение численных значений таких физических характеристик, как динамическая и кинематическая вязкость, расчетный коэффициент гидравлического трения, величина затрачиваемой энергии на перекачку жидкости, которая выражается через коэффициент гидравлического трения и/или удельного сопротивления трубопровода.

Ниже представлен краткий алгоритм решения описанной задачи.

В автоматизированном комплексе при выполнении расчетов использовались следующие формулы:

1) скорости течения воды V, м/с:

V = 4Q/nd2

(1)

<л w

.Е о

^ с

ю о

S g

о ЕЕ

а> ^

т- ^

£

4S J

> А £ w

■8 El

О (Я

где Ö — расход воды в трубопроводе, м3/с; d — диаметр трубопровода, м;

2) коэффициента динамической вязкости, отнесенного к потоку жидкости пж, Пах:

Лж =-ö-5-7' (2)

562 + 17?ж + 0,2 Ii2 - 0,000934 + 0,00000 где /ж — температура потока воды;

3) коэффициента динамической вязкости, отнесенного к температуре стенки трубы nt, Пах:

-^-z-я (3)

562 + lit + 0,2112-0,00093i + 0,0000016г4

где t — температура стенки трубопровода;

4) соотношения динамических вязкостей:

^ = ПжЧ

(4)

( если величина Т находилась в диапазоне от 2,5 до 0,83, то расчет продолжался; в противном случае выдавалась распечатка с комментарием «требуется оптимизация температурных параметров»);

5) коэффициента кинематической вязкости жидкости V, м2/с:

V =

1

550 000 + 21 000^ + 1 ml - 0,35tl'

6) чисел Рейнольдса Re:

Re* = 4Q/(ndv)

(5)

(6)

( если величина коэффициента Re находилась в диапазоне от 2,8 • 104 до 4,5 • 105, то расчет продолжался; в противном случае выдавалась распечатка с комментарием «требуется оптимизация расхода»);

7) расчетного коэффициента гидравлического трения X:

*.=---г; (7)

[1,82 • 1§(Яе ■ 7) - 1,64]

8) потребления электроэнергии ЕХ (через коэффициент гидравлического трения), кВт-ч в год:

ЕХ =

0,81 • Q3 ■ I ■ X • 24 • 365 d5-k '

(8)

где I — длина трубопровода, м; к — коэффициент полезного действия насосной установки;

9) потребления электроэнергии ЕА (через коэффициент удельного сопротивления), кВт-ч в год:

9,81 ■ Q3- К- /■ <Гп- 24 ■ 365

(9)

1 Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №№ 2021615221. Анализ потребления электроэнергии при транспортировке воды по напорным трубопроводам из альтернативных материалов / В.А. Орлов, С.П. Зоткин, М.А. Иншакова, В.А. Герасимов. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 06.04.2021.

2 Свидетельство о государственной регистрации программ

для ЭВМ № 2020661754. Программа расчета гидравличе-

ских параметров напорных труб при изменении темпера-

турных режимов / В.А. Орлов, С.П. Зоткин, М.А. Иншакова, Д.А. Петербургский. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 30.09.2020.

где п, К — соответственно показатели степени и коэффициент в формуле удельного сопротивления трубопровода.

Следует отметить, что правомерность использования расчетных величин X для исследуемого материала трубопровода (ПЭ) вместо опытных была предварительно обоснована путем их сравнения при эксплуатации программного комплекса, где расхождение величин гидравлических сопротивлений составило не более 10 %, что для инженерных расчетов можно считать допустимым.

Конечная цель моделирования — выявление динамики снижения потребления электроэнергии при увеличении температуры трубопровода при постоянной температуре транспортируемой воды.

1680

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По результатам первого этапа натурных экспериментов, реализованных на гидравлическом стенде при температуре стенки трубопровода 1, равной 17, 25, 30 и 35 °С, и при средней температуре воды в период проведения экспериментов 1ж = 16 °С, получен ряд графических зависимостей, выборочные из которых представлены на рис. 3. Поддержание температуры воды определенного градуса в мерной емкости обеспечивалось периодическим подливом в нее свежей воды и замером термометром.

Анализ графиков на рис. 3 показывает, что при разных температурах стенок трубопровода наблюдается идентичный линейный характер изменения потерь напора, но при этом прослеживается зависимость: чем выше температура стенки трубопровода, тем меньше потери напора, что, очевидно, связано

с изменением динамической вязкости воды, отнесенной соответственно к температуре стенки трубы. Это подтверждает выдвинутую ранее гипотезу о влиянии температуры стенки трубопровода на изменение гидравлических сопротивлений [6].

Основываясь на данном предположении, по результатам натурных экспериментов для нескольких характерных расходов воды Q выполнены расчеты по определению величин потерь напора для четырех случаев температуры стенки трубы t, т.е. 17; 25; 30 и 35 °С (табл.).

По данным таблицы для наглядности строились зависимости h = f(t) с линиями тренда для увеличенного диапазона температуры стенки трубы t, т. е. от 12 до 40 °С (рис. 4). Искусственное увеличение интервала температур объясняется тем, что такие значения температур в опытах на гидравлическом стенде обеспечить проблематично.

0,02 Q, л/с / 1/s

0,04

Рис. 3. Графики зависимости потерь напора Ah от расхода воды Q для соответствующих температур стенки трубы t ( для температуры 17 °С, — — 30 °С и — — 35 °С)

Fig. 3. Graphs of the dependence of the pressure loss Ah on the water flow rate Q for the corresponding pipe wall temperatures t ( for temperature 17 °C, —— 30 °C and — 35 °C)

Расчетные данные по величинам потерь напора для нескольких значений расхода транспортируемой воды по трубопроводу при ее температуре 1ж = 16 °С

Calculated data on the values of pressure losses for several values of the water flow rate of transported water through the pipeline at its temperature f, = 16 °C

Величина потерь напора Ah, см, в виде зависимостей Ah = f(Q) The magnitude of the pressure loss Ah, cm, in the form of dependencies Ah = f(Q)

Расход воды Q, л/с Water flow rate Q, l/s При 17 °С At 17 °C Ah = 636,86Q - 3,1741 При 25 °С At 25 °С Ah = 601,29Q - 2,539 При 30 °С At 30 °С Ah = 511,94Q - 1,9384 При 35 °С At 35 °С Ah = 450,72Q - 1,6567

0,02 9,5631 9,4868 8,3004 7,35

0,03 15,9317 15,4997 13,4198 11,8649

0,035 19,116 18,50615 15,9795 14,1185

< П

tT

iH

О Г s 2

0 со

n CO

1 <

< -»

J CD

u -

r i

< 3 o <

n)

СЛ '

CO CO

l\J CO

0

1

CO CO о о

< )

® . л ' -J 00 I T

(Л у с о

<D Ж !!

22 О о 10 10 10 10

1681

Рис. 4. Графики зависимости потерь напора ДА от расхода воды Q для соответствующих температур стенки трубы t с линиями тренда для 12 и 40 °С при Q: 0,02 л/с (^_ кривая); 0,03 л/с и 0,035 л/с

Fig. 4. Graphs of the dependence of the pressure loss ДА on the water flow rate Q for the corresponding pipe wall temperatures t with trend lines for 12 and 40 °C at Q: 0.02 l/s ( curve); 0.03 l/s ( ) and 0.035 l/s ( )

N N

N N

О О

СЧ СЧ

РЧРЧ т- т-К (V U 3 > (Л С И

2 "7

ВО N

ij <D <D

о ё

S S

.Е о

^ с

ю о

S g

о ЕЕ

а> ^

т- ^

£

от °

> А £ w

■8 El

О (Я

В качестве выводов по первому этапу исследований необходимо отметить, что, изменяя величины температурных параметров трубопровода /, можно получить расчетные зависимости величины коэффициентов гидравлического трения от динамической вязкости в широких диапазонах температур стенки трубопровода, используя для расчетов автоматизированный комплекс. Это также можно отнести к температуре транспортируемой воды Кроме того, это позволяет отслеживать экономический эффект работы трубопроводной системы в части снижения затрат на перекачку воды при различных ее температурах и соответствующей температуре окружающей среды.

Такая задача, как указывалось выше, была сформулирована для второго этапа исследований, т.е. выявления возможности оптимизации процесса транспортировки воды и управления им с помощью предварительных автоматизированных расчетов по установлению затрат электроэнергии при применении соответствующих материалов напорных сетей, варьируя диапазонами температур воды и стенки трубопровода.

Результатом второго этапа расчетно-теорети-ческих исследований, выполняемых с помощью автоматизированного комплекса, стал анализ выходной информации и построение ряда зависимостей, позволяющих осуществлять управление работой трубопроводной системы, выявляя ее оптимальные температурные параметры.

В качестве входной информации каждого этапа расчета на автоматизированном комплексе использовался определенный набор показателей. В виде примера приведены выборочные значения показателей одного из этапов расчета.

Входная информация.

1. Материал трубы — полиэтиленовая труба SDR 17 с наружным диаметром 200 мм.

2. Внутренний диаметр d, м (0,1762).

3. Протяженность трубопровода L, м (150).

4. Расход воды Q, м3/с (0,025).

5. Коэффициент полезного действия насосной установки к (0,95).

6. Температура потока жидкости /ж, градусы Цельсия (16 °С).

7. Температура стенки трубы t, градусы Цельсия (10 °С).

8. Коэффициент в формуле удельного сопротивления материала трубы К (0,0004).

9. Степень диаметра в формуле удельного сопротивления n (5,7276).

Выходная информация по представленному выше этапу расчета включала следующие значения показателей.

1. Скорость течения воды в трубе 1,0253 м/с.

2. Коэффициент динамической вязкости, отнесенный к потоку жидкости, — 0,001131151 Па-с.

3. Коэффициент динамической вязкости, отнесенный к температуре стенки трубы, — 0,001329635 Пас.

4. Соотношение динамической вязкости — 0,851.

5. Коэффициент кинематической вязкости жидкости — 0,000001096 м2/с.

6. Число Рейнольдса — 164886,40.

7. Расчетный коэффициент гидравлического трения — 0,016746.

8. Потребление электроэнергии через коэффициент гидравлического трения —1726,117 кВт-ч/год.

1682

9. Потребление электроэнергии через коэффициент удельного сопротивления — 1766,027 кВт-ч/ год.

Сущность последующего анализа результатов автоматизированного расчета гидравлических и энергетических параметров трубопроводной системы при изменении температурных условий сводилась, в частности, к выявлению зависимости величины коэффициента гидравлического трения от динамической вязкости, отнесенной к температуре стенки трубы. Кроме того, анализу подверглись величины потребления электроэнергии через коэффициенты гидравлического трения X и удельного сопротивления А трубопровода определенной длины Ь, диаметра й, расхода О транспортируемой воды и других показателей, значения которых приведены выше.

Моделирование проводилось в оптимальном интервале значений температур стенки трубопровода установленным ранее при эксплуатации программного комплекса при соблюдении расчетных параметров в допустимой области. Результаты расчета показали,

что при температуре воды свыше 60 °С значения величин чисел Рейнольдса и соотношения вязкостей выходят за рамки установленных значений, что свидетельствует о невозможности предварительной оценки изменения потребления электроэнергии, т.е. управления системой в данном диапазоне температур воды. Таким образом, предварительная теоретическая оценка потребления энергии в системе горячего водоснабжения становится невозможной. Это же относится к температуре воды менее 10 °С. На рис. 5 представлены графические зависимости изменения коэффициента гидравлического трения X трубопровода от температуры t его стенки, т.е. X = f(t), что фактически повторяет натурные эксперименты, где выявлялась зависимость потерь напора от температурных условий и расхода воды. Однако использование программного комплекса позволило провести оценку изменения расчетных параметров в более широких диапазонах температуры стенки трубы t при разных значениях температуры транспортируемой воды tw.

0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002

0

10

20

30

40

50

60

70

t,° С

Рис. 5. Зависимость величины коэффициента гидравлического трения X от динамической вязкости, отнесенной к температуре стенки полиэтиленовой трубы, при постоянном расходе воды 0,025 м3/с при температуре воды 1ж 12 °С

Fig. 5. The dependence of the value of the coefficient of hydraulic friction X on the dynamic viscosity related to the temperature of the polyethylene pipe wall at a constant water flow rate of 0.025 m3/s at a water temperature t = 12 °C curve) and

< П

tT

i H

О Г S

0 со

n CO

1 <

< -»

J CD

u -

r i

< 3

o <1

О n

CO CO

l\J CO

0

1

CO CO о о

Как следует из рис. 5, кривые X = /(/) близки друг к другу (фактически накладываются друг на друга), хотя температуры транспортируемой воды отличаются почти в 2 раза (т.е. 12 и 25 °С). Это свидетельствует о том, что температура транспортируемой воды по сравнению с температурой стенки трубопровода 1 не оказывает существенного влияния на динамику изменения величины коэффициента гидравлического трения X.

На рис. 6 для аналогичных температурных условий приведены графики изменения (уменьшения) потребления электроэнергии Ех (см. формулу (8)) при

расчете ее через коэффициенты гидравлического трения X в виде процентов Р от величин потребленной электроэнергии ЕА. Для подсчета энергетических характеристик ЕА по формуле (9) температура стенки трубы в ней отсутствует, а значения ЕА остаются неизменными при любой температуре стенки трубы 1. Так, например, при исходных данных, представленных выше, потребление электроэнергии, рассчитанное по формуле (9), составляет 1766,027 кВт-ч, а по формуле (8) — 1726,117 кВт-ч/год. В процентном отношении наблюдается снижение потребления электроэнергии на 2,18 %.

< )

® . л * -J 00

I т

(у

с о

<D X !!

22 О о 10 10 10 10

1683

Рис. 6. Иллюстрация снижения процента потребления P, %, электроэнергии при изменении температуры t стенки трубопровода (^^^н кривая при температуре воды 12 °С и — 25 °С)

Fig. 6. Illustration of a decrease in the percentage of electricity consumption P, %, when the temperature t of the pipeline wall changes (^^^н curve at a water temperature of 12 °C and 25 °C)

N N N N О О N N

СЧ СЧ г г

¡г ai

U 3 > (Л С И 2

U N

Ii

<D <D

о ё

<л

(Л

.E о

^ с

ю о

S g

о EE

a> ^

T- ^

£

22 J

> A £ w

■8 El

О (Я

Анализ кривых на рис. 6 показывает их практически идентичный характер. Можно констатировать, что чем больше температура стенки трубопровода, тем процент снижения потребления электроэнергии будет выше.

Представленные на рис. 5 и 6 результаты свидетельствуют о возможности достижения определенного положительного эффекта от повышения температуры стенок трубопровода в плане уменьшения гидравлических сопротивлений движению жидкости и снижения энергозатрат на транспортировку воды по напорным водопроводным сетям с относительно высокой температурой наружных стенок. На практике это относится к достижению положительного эффекта в виде экономии электроэнергии при транспортировке воды при проектировании, строительстве и ремонте наземных и надземных напорных систем трубопроводов в южных регионах. В противном случае, т.е. при размещении трубопровода в зоне низких температур (например, в условиях вечной мерзлоты или в зимних условиях), холодная наружная поверхность трубопровода будет провоцировать повышение гидравлических сопротивлений, что негативно отразится на повышении потребления электроэнергии. Используя результаты гидравлических экспериментов и автоматизированную программу расчета, возможно получение аналогичных математических зависимостей с определением оптимальной области эффективной эксплуатации инженерных сетей для любого материала и диаметра трубопровода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основе стендовых гидравлических испытаний полимерного трубопровода мерной длины из полиэтилена ПЭ 80 SDR 9 получены математические зависимости, описывающие динамику изменения потерь напора от расхода для соответствующих температур стенки трубы и транспортируемой воды, что позволяет проводить предварительный анализ обеспечения оптимальных режимов работы трубопроводной системы в широких диапазонах температур.

В результате проведенных экспериментов и выполнения теоретических разработок, включая создание автоматизированной программы моделирования гидравлических и энергетических параметров трубопроводов в широких диапазонах температур транспортируемых вод и стенок труб из ПЭ 100 SDR 17, получен важный практический материал для проектировщиков, который может быть использован при обосновании принятия решений на стадии разработок по оптимизации строительства, ремонта и эксплуатации трубопроводного транспорта в различных климатических зонах.

С помощью автоматизированного комплекса установлены граничные значения температур окружающей среды и транспортируемой воды, позволяющие производить оценку потребления электроэнергии на этапе проектирования и эксплуатации магистральных трубопроводных коммуникаций, т.е. иметь возможность влиять на их управление в целях экономии энергозатрат на транспортировку воды по напорным сетям систем водоснабжения.

1684

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Gavrila§ M., Gavrilas G. Improving energy efficiency in water distribution systems based on water consumption profiling // Environmental Engineering and Management Journal. 2008. Vol. 7. Issue 3. Pp. 321-327. DOI: 10.30638/eemj.2008.035

2. Grossmann S., Lohse D. Curvature effects on the velocity profile in turbulent pipe flow // The European Physical Journal E. 2017. Vol. 40. Issue 2. DOI: 10.1140/ epje/i2017-11504-x

3. АлександровВ.И., Гвоздев О.Б., КарелинА.Э., Морозов А.А. Оценка влияния шероховатости внутренней поверхности гидротранспортных трубопроводов на величину удельных потерь напора // Горное оборудование и электромеханика. 2017. № 3 (130). С. 34-40.

4. Орлов В .А. Бестраншейные технологии и энергосбережение. М. : Изд-во АСВ, 2021. 124 с.

5. Продоус О.А., ЯкубчикП.П. Гидравлический расчет трубопроводов из полимерных материалов с учетом параметров шероховатости внутренней поверхности труб (в порядке обсуждения) // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. № 11. С. 55-60.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М. : Недра, 1982. 224 с.

7. Салаватов CM. Характеристика мерзлых грунтов при инженерно-геологических изысканиях // Символ науки: Международный научный журнал. 2017. Т. 2. № 1. С. 32-34.

8. Орлов В.А., Нечитаева В.А., Петербургский Д.А. Строительство и реконструкция трубопроводов в условиях вечной мерзлоты // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2021. № 5 (233). С. 18-23.

9. СухаревМ.Г., Карасевич А.М., Самойлов Р.В., Тверской И.В. Исследования гидравлического сопротивления полиэтиленовых трубопроводов // Инженерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 2. С. 136-144.

10. Чесноков Ю.Г. Новые формулы для расчета характеристик течения жидкости или газа в трубе

Поступила в редакцию 12 октября 2022 г. Принята в доработанном виде 31 октября 2022 г. Одобрена для публикации 10 ноября 2022 г.

Об авторах: Владимир Александрович Орлов — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; OrlovVA@mgsu.ru;

Сергей Петрович Зоткин—кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры информатики и прикладной математики; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26; ZotkinSP@mgsu.ru;

Дмитрий Александрович Петербургский — аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; Piter.rus@inbox.ru.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

кругового поперечного сечения // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 4. С. 1005-1011.

11. Самарин О.Д. Построение универсальной зависимости для потерь давления в трубопроводах // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. № 1 (169). С. 24-25.

12. GavrilasM., Gavrilas G., Ivanov O. Electricity load prediction for water supply systems // Environmental Engineering and Management Journal. 2008. Vol. 7. Issue 4. Pp. 453-458. DOI: 10.30638/eemj.2008.067

13. Ghanbari A., FarshadF.F. Newly developed friction factor correlation for pipe flow and flow assurance // Journal of Chemical Engineering. 2011. Vol. 2. Pp. 83-86.

14. Fang X., Xu Y., Zhou Z. New correlations of single-phase friction factor for turbulent pipe flow and evaluation of existing single-phase friction factor correlations // Nuclear Engineering and Design. 2011. Vol. 241. Issue 3. Pp. 897-902. DOI: 10.1016/j.nuceng-des.2010.12.019

15. Альтшуль А.Д., Калицун В.И., Майранов-ский Ф.Г., Пальгунов П. П. Примеры расчетов по гидравлике. М. : Изд-во Альянс, 2013. 255 с.

16. El Drainy Y.A., Saqr K.M., Aly H.S., Jaafar Mohammad N.M. CFD Analysis of Incompressible Turbulent Swirling Flow through Zanker Plate // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2009. Vol. 3. Issue 4. Pp. 562-572. DOI: 10.1080/19942060.2009.11015291

17. Продоус О.А. Прогнозирование потерь напора в трубопроводах из разных полимерных материалов // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 11. С. 60-64.

18. Сычев О.Ф. О целесообразности создания гидравлической модели для изношенных водопроводных сетей // Вода MAGAZINE. 2017. № 3 (115). С. 18-22.

19. Орлов В.А. Трубопроводы систем транспорта жидкостей. М. : Изд-во АСВ, 2022. 237 с.

20. Примин О.Г. Утечки воды. М. : МГСУ, 2022. 167 с.

< п

tT

iH О Г

0 СО n СО

1 <

< -»

J CD

U -

r i

n °

< 3 О

oi

O n

CO CO

l\J со

0

1

CD CO о о

< )

fí

л ' -J 00

1 T

s У с о <D Ж f f ,,

2 2 О О 10 10 10 10

1685

REFERENCES

N N N N O O N N

fifí r r

¡É ai

u 3 > in C M

ta N

il <u a

o ë

M M

.E o

dl"

c

LT> o

S ]s

o EE

CD ^

t- ^

22 J > A

Si

o iñ

1. Gavrila§ M., Gavrilas G. Improving energy efficiency in water distribution systems based on water consumption profiling. Environmental Engineering and Management Journal. 2008; 7(3):321-327. DOI: 10.30638/eemj.2008.035

2. Grossmann S., Lohse D. Curvature effects on the velocity profile in turbulent pipe flow. The European Physical Journal E. 2017; 40(2). DOI: 10.1140/ epje/i2017-11504-x

3. Alexandrov V.I., Gvozdev O.B., Karelin A.E., Morozov A.A. Evaluation of the effect of the roughness of polyurethane coating on the inner surface of pipelines on specific head loss in the hydrotransport systems. Mi-ningEquipment andElectromechanics. 2017; 3(130):34-40. (rus.).

4. Orlov V.A. Trenchless technologies and energy saving. Moscow, ASV Publ., 2021; 124. (rus.).

5. Prodous O.A., Yakubchik P.P. Hydraulic calculation of pipelines made of polymer materials taking into account the parameters of the roughness of the inner surface of the pipes (in order of discussion). Water Supply and Sanitary Equipment. 2020; 11:55-60. (rus.).

6. Altshul A.D. Hydraulic resistances. Moscow, Nedra Publ., 1982; 224. (rus.).

7. Salavatov S.Yu. Characteristics of frozen soils during engineering and geological surveys. Symbol of Science: International Scientific Journal. 2017; 2(1):32-34. (rus.).

8. Orlov V.A., Nechitaeva V.A., Peterburgs-kiy D.A. Construction and reconstruction of pipelines in permafrost conditions. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2021; 5(233):18-23. (rus.).

9. Sukharev M.G., Karasevich A.M., Samoilov R.V., Tverskoi I.V. Investigation of the hydraulic resistance in polyethylene pipelines. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2005; 78(2):136-144. (rus.).

Received October 12, 2022.

Adopted in revised form on October 31, 2022.

Approved for publication on November 10, 2022.

B i o n o t e s : Vladimir A. Orlov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Water Supply and Sanitation; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; OrlovVA@mgsu.ru;

Sergey P. Zotkin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Computer Science and Applied Mathematics; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ZotkinSP@mgsu.ru;

Dmitry A. Petersburgsky — postgraduate of the Department of Water Supply and Sanitation; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Piter.rus@inbox.ru.

Contribution of the authors: all authors have made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The authors declare that there is no conflict of interest.

10. Chesnokov Y.G. New formulas for calculating the fluid flow characteristics in a circular pipe. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017; 90(4):1005-1011. (rus.).

11. Samarin O.D. Construction of a universal dependence for pressure losses in pipelines. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2016; 1(169):24-25. (rus.).

12. Gavrilas M., Gavrilas G., Ivanov O. Electricity load prediction for water supply systems. Environmental Engineering and Management Journal. 2008; 7(4): 453-458. DOI: 10.30638/eemj.2008.067

13. Ghanbari A., Farshad F.F. Newly developed friction factor correlation for pipe flow and flow assurance. Journal of Chemical Engineering. 2011; 2:83-86.

14. Fang X., Xu Y., Zhou Z. New correlations of single-phase friction factor for turbulent pipe flow and evaluation of existing single-phase friction factor correlations. Nuclear Engineering and Design. 2011; 241(3):897-902. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2010.12.019

15. Altshul A.D., Kalitsun V.I., Mayranovsky F.G., Palgunov P.P. Examples of calculations on hydraulics. Moscow, Publishing house Alliance, 2013; 255. (rus.).

16. El Drainy Y.A., Saqr K.M., Aly H.S., Jaafar Mohammad N.M. CFD Analysis of Incompressible Turbulent Swirling Flow through Zanker Plate. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2009; 3(4):562-572. DOI: 10.1080/19942060.2009.11015291

17. Prodous O.A. Predicting head loss in pipelines made of different polymer materials. Water Supply and Sanitary Technique. 2018; 11:60-64. (rus.).

18. Sychev O.F. Do I need to create a hydraulic model for the worn water supply networks. Water MAGAZINE. 2017; 3(115):18-22. (rus.).

19. Orlov V.A. Pipelines of liquid transport systems. Moscow, ASV Publ., 2022; 237. (rus.).

20. Primin O.G. Water leaks. Moscow, MGSU, 2022; 167. (rus.).

1686