Основные расчетные зависимости

Уравнение Бернулли для установившегося движения по трубопроводу несжимаемой жидкости, выражающее, отнесенный к единице массы, энергетический баланс этой жидкости без учета ее энтальпии, может быть записано в виде (рис. 4)

где Z₁ и Z₂ - геометрическая высота оси трубопровода в сечениях 1 и 2 по отношению к горизонтальной плоскости отсчета, м; w₁ и w₂ - скорости движения жидкости в сечениях 1 и 2, м/с; Р₁ и Р₂ — давления жидкости, измеренные на уровне оси трубопровода в сечениях 1 и 2, Па; р — падение давления на участке 1-2;  - плотность жидкости, кг/м; g— ускорение свободного падения, = 9,81 м/с.

Первый член в уравнении Zg - удельная энергия высоты в данном сечении, (отнесенная к единице массы жидкости), дж/кг; w²/2 - удельная кинетическая энергия жидкости в данном сечении, дж/кг; р/ — удельная потенциальная энергии жидкости в данном сечении, дж/кг; р / — удельная потеря потенциальной энергии жидкости из-за трения и местных сопротивлений на участке трубопровода 1—2, дж/кг, которая переходит в теплоту, что приводит к увеличению удельной энтальпии жидкости в процессе ее движения по трубопроводу.

Наряду с удельной энергией в гидравлическом расчете тепловых сетей широко используется другой параметр — напор, м,

где р —давление в трубопроводе, Па; р/ = Н— пьезометрический напор, м;  — удельный вес жидкости, Н/м

При гидравлическом расчете тепловых сетей не учитывают отношение w²/2, представляющее собой скоростной напор потока в трубопроводе, так как он составляет сравнительно небольшую долю полного напора и изменяется по длине сети незначительно. Обычно принимают

т.е. считают полный напор равным сумме пьезометрического напора и высоты расположения оси трубопровода над плоскостью отсчета. Под пьезометрическим напором понимается давление в трубопроводе, выраженное в линейных единицах (обычно в метрах) столба той жидкости, которая передается по трубопроводу.

Пьезометрический напор равен разности между полным напором и геометрической высотой оси трубопровода над плоскостью от счета Н = Н₀ - Z. Падение давления и потеря напора в сети, или располагаемый перепад (разность напоров), в сети связаны следующими зависимостями:

где Н - потеря напора или располагаемый напор, м; р падение давления, или располагаемый перепад давления, Па; h, R — удельная потеря напора (безразмерная величина) и удельное падение давления, Па/м.

Падение давления в трубопроводе может быть представлено как сумма двух слагаемых: линейного падения и падения в местных сопротивлениях

где р_л — линейное падение давления; р_м — падение давления в местных сопротивлениях.

Линейное падение давления.

В трубопроводах, транспортирующих жидкость или газы,

где р_л - линейное падение давления на участке, Па; R — удельное падение давления, т.е. падение давления, отнесенное к единице длины трубопровода, Па/м; l — длина трубопровода, м.

Исходной зависимостью для определения удельного линейного падения в трубопроводе является уравнение Дарси:

где  — коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина); w²— скорость среды, м/с;  — плотность среды, кг/м³; d - внутренний диаметр трубопровода, м; G — массовый расход, кг/с.

Коэффициент гидравлического трения зависит от состояния стенки трубы (гладкая или шероховатая) и режима движения жидкости (ламинарное или турбулентное).

Поскольку гладкие трубы в технике транспортировки теплоты имеют ограниченное применение (в основном в теплообменных аппаратах), ниже приведены формулы для расчета коэффициента трения гладких труб без их подробного анализа:

Rе  2300 (ламинарное движение) Формула Пуазейля, = 64/Re

Основное применение для транспортировки теплоты имеют шероховатые стальные трубы.

Шероховатую поверхность можно представить состоящей из ряда элементарных выступов k. В качестве первого характеристического параметра шероховатости принимают высоту выступа шероховатости, называемую абсолютной шероховатостью стенки. У большинства работающих стальных трубопроводов она составляет в зависимости от технологии изготовления труб и условий эксплуатации от 0,05 до 2 мм. В качестве второго характеристического параметра принимают отношение абсолютной шероховатости к радиусу трубопровода k/r, называемое относительной шероховатостью

При малых числах Rе коэффициент гидравлического трения имеет максимальное значение. С увеличением числа Rе коэффициент гидравлического трения монотонно уменьшается и при некотором значении Rе_пр практически достигает минимального значения, При дальнейшем увеличении числа Rе коэффициент гидравлического трения остается постоянным.

С достаточной для практических расчетов точностью принимают, что в так называемой переходной области, т.е. при 2300 < Rе < Rе_пр коэффициент гидравлического трения зависит как от эквивалентной относительной шероховатости k/r, так и от числа Rе, а при Rе>Re_пр коэффициент гидравлического трения зависит только от k/r и не зависит от числа Rе.

Под эквивалентной относительной шероховатостью реального трубопровода понимается искусственная относительная равномерная шероховатость цилиндрической стенки, коэффициент гидравлического трения которой в области Rе > Rе_пр такой же, как и в данном реальном трубопроводе.

Полученная опытным путем зависимость коэффициента гидравлического трения стальных труб от числа Rе и относительной шероховатости хорошо описывается универсальным уравнением, предложенным АД. Адьтшулем

При Re = формула Альтшуля переходит в формулу Шифринсона

=0,11(k_э/d)^0,25.

Принимая допустимое расхождение в коэффициенте гидравлического трения по формулам Альтшуля и Шифринсона равным З % получаем

Re_пр = 568·d/k_э.

Поэтому при Re_пр < 568·d/k_э коэффициент гидравлического трения должен определяться по формуле Альтшуля, а при Re >Re_пр >568d/k_э по более простой формуле ЕЛ. Шифринсона. Чем меньше относительная шероховатость, тем больше значение Re_пр. При Rе > Rе_пр практически имеет место квадратичная зависимость падения давления в трубопроводе от расхода.

На основе имеющихся материалов гидравлических испытаний тепловых сетей и водопроводов в СНиП 2.04.07-86 рекомендуются следующие значения абсолютной эквивалентной шероховатости, м, для гидравлического расчета тепловых сетей

Паропроводы 0,2 ·10^-3

Водяные сети в условиях нормальной эксплуатации 0,5·10 ^–3

Конденсатопроводы и сети горячего водоснабжения 1· 10^-3

В тепловых сетях обычно Rе>Re_пр поэтому тепловые сети работают в квадратичной области.

Линейное падение давления в квадратичной области можно определять

R_л=A_RG²/(·d^5.25), Па/м.

Диаметр трубопровода, м,

d=A_d·G^0.38/(R_л·)^0,19.

Пропускная способность трубопровода, кг/с,

G=A_G(R_л·)^0.5·d^2,625.

При транспортировке жидкости, и в частности воды, т.е. при  = const приведенные выше формулы можно записать в следующем виде:

R_л=A_R^в G²/d^5.25

d=A_d ^в·G^0.38/R_л^0,19

G=A_G ^в·R_л^0.5·d^2,625.

Значения коэффициентов А и А^в приведены в справочной литературе.

Местное падение давления.

При наличии на участке трубопровода ряда местных сопротивлений суммарное падение давления во всех местных сопротивлениях. Па, определяется по формуле

где — сумма коэффициентов местных сопротивлений, установленных на участке;  - безразмерная величина, зависящая от характера сопротивления.

Если представить прямолинейный трубопровод диаметром d, линейное падение давления на котором равно падению давления в местных сопротивлениях, то длина такого участка трубопровода, называемая эквивалентной длиной местных сопротивлений, может быть найдена из равенства

откуда эквивалентная длина местных сопротивлений, м,

При подстановке в (5.20) коэффициента (5.14) гидравлического трения по Шифринсову формула для эквивалентной длины местных сопротивлений приводится к виду

Эквивалентная длина местных сопротивлений пропорциональна сумме коэффициентов местных сопротивлений в первой степени и диаметру трубопровода в степени 1,25.

Отношение падения давления в местных сопротивлениях трубопровода к линейному падению в этом трубопроводе представляет собой долю местных потерь. Доля местных потерь равна отношению эквивалентной длины местных сопротивлений к длине трубопровода:

l_э = р_л/р_м= l_э/l.

Суммарное падение давления

р = р_л + р_м = р_л·(1+р_м/р_л) = R_л·l (1+) = R_л·(l+l_э),

или

R_л = р/{l/(1+)}.