Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Зависимость энергозатрат насосов в напорных полиэтиленовых трубопроводах от величин их фактического внутреннего диаметра

О. А. Продоус, генеральный директор ООО «ИНКО-Инжиниринг»

Л. Д. Терехов, заместитель генерального директора ООО «ИНКО-инжиниринг»

Различные технологии производства напорных и высоконапорных полиэтиленовых труб предусматривают классификацию типоразмеров выпускаемой продукции по разным параметрам — SDR и SIDR, характеризующих отношение номинального наружного или внутреннего диаметра труб к толщине их стенки. Вследствие чего для одних и тех же труб их внутренний диаметр при разных технологиях производства — различный, а энергозатраты насосов — существенно отличаются.

Ключевые слова: полиэтиленовые трубы, технологии производства, типоразмеры, гидравлические характеристики, энергозатраты.

Существуют две разные классификации типоразмеров полиэтиленовых труб: по стандартному размерному соотношению — SDR, равному отношению номинального наружного диаметра d_н к толщине стенки трубы e (рис. 1):

Рис. 1. Геометрические характеристики труб

где:

d_вн — номинальный внутренний диаметр;

e — номинальная толщина стенки;

L — длина трубы, м,

и по стандартному размерному соотношению SIDR, равному отношению номинального внутреннего диаметра трубы d_вн к номинальной толщине стенки e:

или SDR = SIDR + 2.

Обе классификации типоразмеров труб разработаны для возможности характеризовать полиэтиленовые трубы, выпускаемые по двум принципиально разным технологиям: методом напорной экструзии через калибр (показатель SDR) и методом намотки на предварительно нагретый металлический барабан композитного слоя из смеси ПЭ 100, резаного стекловолокна и связующего материала в соотношении по массе 78% х 20% х 2% по технологии фирмы КАТ GmbH, Германия (показатель SIDR). Такая технология позволяет за счет использования композитной смеси (ПЭ, плюс стекловолокно) снижать долю ПЭ 100, что способствует увеличению давления в трубах и уменьшению стоимости готовой трубы [3].

Кроме того, при фиксированном наружном диаметре металлического барабана, на который наматывается композитный слой, на него можно наматывать практически любую толщину композитных слоев, обеспечивая этим увеличение давления в трубах, которое заведомо будет выше, чем в трубах, изготовленных по первой технологии.

При производстве напорных полиэтиленовых труб по любой из двух приведенных технологий нормативными требованиями для этих технологий установлены технологические допуски, в соответствии с действующими стандартами [1, 2], на наружный (или внутренний) диаметр труб и толщину их стенки. В работе [4] показано влияние заложенных в стандарт ГОСТ 18599-2011 ограничений по толщине стенок труб на величины их внутренних диаметров и гидравлические характеристики, а также отмечено, что чем больше внутренний диаметр d_вн, тем меньше удельные потери 1000 i по длине трубопровода и, соответственно, затраты электроэнергии на перекачку жидкости на расстояние.

Подтвердим этот вывод на конкретном примере для труб одного и того же номинального диаметра, изготовленных по приведенным выше технологиям, характеризуемых параметрами SDR и SIDR. В табл. 1 приведены геометрические, гидравлические и энергетические характеристики труб SDR 17, SIDR 10 (SDR 12) с диаметром d_н = 500 мм, PN10, изготовленных по двум технологиям для обычных условий строительства — С = 1,25 [5], по которым транспортируется расход q = 0,16 м³/с (160 л/с). Для расчетов приняты размеры труб по действующим стандартам с учетом технологических допусков на наружный (внутренний) диаметр труб и толщину их стенки при температуре t = 10 ՞C

(υ = 0,00000131 м²/с) [1, 2].

Потери напора в трубах из полимерных материалов определяются по формуле Дарси-Вейсбаха, имеющей вид [5]:

где:

λ — коэффициент гидравлического сопротивления трения по длине;

d_вн — расчетный внутренний диаметр труб, м;

V — скорость напорного потока, м/с;

м/с (2)

d_вн = d_н – 2e,

где:

q — заданный расход, м³/с (л/с);

d_н — наружный диаметр, м;

e — толщина стенки трубы, м.

Преобразовав формулу (1) с помощью формулы (2), увидим, что величина потерь напора по длине трубопровода обратно пропорциональна фактическому внутреннему диаметру , зависящему от толщины стенки труб e в пятой степени:

То есть, чем меньше толщина стенки трубы e, обеспечивающая заданное давление, тем меньше потери напора по длине трубопровода h и меньше энергопотребление насосов на перекачку заданного расхода q.

Коэффициент гидравлического сопротивления λ определяется согласно нормативному документу [6] по упрощенной формуле, подробно рассмотренной в справочном пособии [5] на конкретных примерах:

где:

b=1+ lgReф/lgReкв— некоторое число подобия режимов движения жидкости. При условии  b>2 значение b принимается равным 2;

Reф= V*dвн/υ— фактическое число Рейнольдса;

υ — коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с, принимаемый для расчета  м²/с при температуре воды + 10 ՞С;

Reкв=500*dвн/2Ra1.33— число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области  гидравлических сопротивлений;

Ra — интегральная высотная характеристика шероховатости стенок труб, измеряемая  прибором, — среднеарифметическое абсолютное значение отклонений профиля в  пределах базовой длины, м (мкм) [5];

m=lg3,7*dвн/2Ra1,33 — число подобия параметров трубопровода, отражающее изменение расчетного внутреннего диаметра и значения величины измеренной шероховатости стенок труб

n=lgReф-1 — фактор, характеризующий изменение расхода транспортируемого  потока жидкости, в зависимости от ее физических свойств.

Энергозатраты двигателей насосов в трубах с различным внутренним диаметром (табл. 1, 2) определяются по формуле [7]:

где:

i — удельные потери напора на трение, мм/м;

d_вн — внутренний диаметр труб, м;

V — скорость напорного потока, м/с;

η — КПД насосной установки. Для расчетов принимают η = 0,7.

Разность энергозатрат двигателей насосов на 1 км трубопровода за счет использования труб с различным внутренним диаметром определяется по формуле [7]:

 кВт/ч (6)

где:

i₁ — гидравлический уклон для труб, изготовленных по ГОСТ 18599-2001;

i₂ — гидравлический уклон для труб, изготовленных по СТ РК ISO 4427-1-2014;

d_вн — внутренний диаметр трубы большого диаметра, м;

V — скорость потока в трубе с большим диаметром, м/с.

Геометрические, гидравлические и энергетические характеристики труб                                     Таблица 1.

*расчет по формулам 1, 4, 5, 6 [6, 7]

Δ N_дв, кВт/ч (по формуле 6) для данных табл. 1

В табл. 2 приведены гидравлические и энергетические параметры труб с различным внутренним диаметром для разных скоростей транспортируемого потока. По данным табл. 2 построены графики зависимости, приведенные на рис. 2,

Гидравлические и энергетические характеристики труб разного диаметра      Таблица 2.

Анализ данных, приведенных в табл. 2, показывает следующее:

— удельные потери напора в трубах, за счет влияния технологических допусков на толщину стенки труб, с наименьшим фактическим внутренним диаметром  м, в зависимости от скорости потока V = 0,5÷2,5 м/с изменяются в диапазоне 1000 i = 0,493 мм/м÷12,490 мм/м, т. е. на 96,05%, или в 25,3 раза.

Рис. 2. Зависимость энергопотребления насосов от значений фактических внутренних диаметров труб, N_дв=f(d_вн^ф,i^ф )

Вследствие этих изменений также существенно изменяются энергозатраты наосов с

N_дв = 0,542 кВт/ч до N_дв = 54,613 кВт/ч, то есть на 99,0%, или в 100,8 раза;

— аналогично, в трубах с наибольшим фактическим внутренним диаметром за счет влияния технологических допусков при производстве труб, в зависимости от скорости потока V = 0,5÷2,5 м/с, изменяются значения удельных потерь напора в диапазоне

1000 i = 0,414 мм/м ÷ 8,35 мм/м, то есть на 95,04%, или в 20,17 раза.

Энергозатраты насосов являются величиной, значение которой зависит от величины фактического внутреннего диаметра труб  и фактических потерь напора по длине i^ф. Это наглядно представлено в табл. 2 и на рис. 2.

Энергозатраты насосов в трубопроводе с наименьшим внутренним диаметром  м при скоростях потока V = 0,5÷2,5 м/с изменяются в диапазоне:

N_дв = 0,542 кВт/ч ÷ 54,613 кВт/ч, то есть на 99%, или 100,8 раза.

Аналогично, энергозатраты насосов в трубопроводе с наибольшим внутренним диаметром  при скоростях потока V = 0,5÷2,5 м/с изменяются в диапазоне значений: N_дв = 0,607 кВт/ч ÷ 61,304 кВт/ч, то есть на 99%, или 101,0 раза.

Разность энергозатрат двигателей насосов в диапазоне скоростей V = 0,80÷1,07 м/с (табл. 1) составляет:  То есть фактические энергозатраты насосов в диапазоне указанных скоростей на 90,36% меньше, чем расчетные, т. е. в 10,37 раза.

Таким образом, проведенный анализ гидравлических и энергетических характеристик насосов для полиэтиленовых труб с различным внутренним диаметром убедительно свидетельствует о том, что перед технологами и специалистами трубных производств должны быть поставлены вопросы о необходимости проработки технических и технологических задач, результатом решения которых станет выпуск трубной продукции в расширенном диапазоне значений по внутреннему диаметру труб (SDR), отличных от выпускаемых по ГОСТ 18599-2001.

Увеличение внутренних диаметров полиэтиленовых труб по ГОСТ 18599-2001, за счет совершенствования технологии их производства, будет способствовать также эффективному выполнению Федерального закона от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [8].

Литература

1. СТ РК ISO4427-1-2014 Трубы полиэтиленовые и фитинги для водоснабжения. Часть 1. Общие положения. // http://nd.gostinfo.ru/document/6107845.aspx
2. ГОСТ 18599-2001 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия. //М.:ИПК Издательство стандартов, 2002. // http://docs.cntd.ru/document/1200029492
3. Продоус О. А. Современные инновационные технологии производства напорных и высоконапорных труб для систем водоснабжения. // «Трубопроводы и экология», № 2, 2011. — С. 15.
4. Продоус О. А. Влияние величины внутреннего диаметра труб напорных из полиэтилена на значение потерь напора по длине. // Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». 2018/6 (126). — С. 14–19.
5. Продоус О. А. Таблицы для гидравлического расчета труб напорных из полиэтилена. Справочное пособие. Издание 3-е — дополненное. // СПб.: ООО «Свое издательство», 2017. — 240 с. ил.
6. СП 40-102-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. // http://docs.cntd.ru/document/1200007490
7. Продоус О. А. Об энергопотреблении насосов в трубопроводах из полимерных материалов. // Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». 2017/12 (120). — С. 36–38.
8. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ (ред. от 03.08.2018) //

https://fzrf.su/zakon/ob-ehnergosberezhenii-261-fz

Скачать статью в pdf-формате: Зависимость энергозатрат насосов в напорных полиэтиленовых трубопроводах от величин их фактического внутреннего диаметра