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

Сравнительная оценка нормативных и расчетных значений величины коэффициента гидравлического сопротивления труб из полимерных материалов

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

П. П. Якубчик, профессор кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» ФГБОУ ВО ПГУПС Императора Александра I

На примере проведено сравнение значений величины коэффициента гидравлического сопротивления труб из полиэтилена, рассчитанного по нормативной и рекомендуемой эмпирической зависимости, подтвержденной натурными исследованиями на трубах большого диаметра. Предложено разработать методику производственного контроля значений параметров шероховатости внутренних стенок труб из любых полимерных материалов и рекомендовать прибор для измерения величин этих параметров.

Ключевые слова: полимерные трубы, гидравлический расчет, параметры шероховатости, потери напора.

Гидравлический расчет трубопроводов из любых полимерных материалов регламентируется использованием при расчетах нормативной зависимости [2, 3], имеющей достаточно сложный вид, который был упрощен (формула 2) для проведения практических расчетов [1]. Однако явного упрощения расчета значений λ^н это не дает, так как в формулу (1) входит значение нормированного [2, 3] коэффициента эквивалентной шероховатости К_э, величина которого даже для труб из одного и того же материала этими нормативами точно не определена. Это приводит к нежелательным погрешностям при определении потерь напора в трубах из разных полимерных материалов.

На основе исследований, проведенных известными учеными в начале 60-х годов 20-го века [6] была предложена зависимость для определения λ, подтвержденная результатами гидравлических экспериментов, произведенных авторами, на трубопроводах большого диаметра [7]. Формула имеет следующий вид:

, (1)

где:

Re_ф — фактическое число Рейнольдса,

 [5];

Ra_ср — среднеарифметическое отклонение профиля от средней линии в пределах базовой длины, м;

Sm_ср — средний шаг по вершинам между неровностями, м;

— фактический (измеренный) внутренний диаметр труб, м.

В формуле (1) отсутствует коэффициент эквивалентной шероховатости К_э, что придает ей более практический вид, так как для расчета значения λ требуется измерить только величину средних значений параметров шероховатости Ra_ср и Sm_ср, регламентированных нормативом [4].

Явным достоинством формулы (1) является также ее относительная простота для расчетов. Формула (1) может быть рекомендована для использования при расчетах значения λ, если известны значения параметров Ra_ср и Sm_ср, измерение которых не представляет сложностей, так как значения этих параметров используются для разных целей в большинстве отраслей российской экономики.

Проведем на примере сравнение нормативных значений λ^н, подсчитанных по упрощенной нормативной (2) и рекомендуемой расчетной  λ^p зависимости (1). Результаты для сравнения сведены в табл. 1.

Таблица 1

Из таблицы 1 следует, что точность определения нормативного значения λ^н = 0,01938 отличается от точности определения расчетного значения λ^p = 0,01943 на 0,26%, что вполне удовлетворяет точности проведения практических расчетов.

То есть расчетное значение λ^p по формуле (1) расходится на 0,26% со значением λ^н , рассчитанным по формуле (2).

Использование значения параметра K^э в формуле (1) вообще не требуется, так как объективная оценка измеренных прибором средних значений параметров шероховатости Ra_ср и Sm_ср обеспечивает расчет значений λ^p с достаточной для практических расчетов точностью в сравнении с расчетом по нормативной зависимости (2).

Условия задачи

Задан расход: q = 300 л/с (0,3 м³/с), который транспортируется по трубопроводу из ПНД с

= 0,5528 м. Температуры воды t = 10 °С (ν = 0,00000131 м²/c).

Измеренные значения характеристик шероховатости внутренней поверхности труб из ПНД: Ra_ср = 0,41 мкм (0,0000041 м), Sm_ср = 6000 мкм (0,006 м).

Требуется сравнить для условий задачи нормативное λ^н и расчетное значение λ^p.

Решение

Расчет λ^н по упрощенной нормативной зависимости (2) производится по формуле (2):

,

, (2)

где:

— некоторое число подобия режимов движения жидкости.

При условии b>2 значение b принимают равным 2.

Re_ф — фактическое число Рейнольдса, определяемое по формуле:

,

где:

V_ф — фактическая скорость потока, м/с;

, м/с

— фактический (измеренный) внутренний диаметр труб с учетом технологических допусков, м;

q_ф— фактический заданный расход, м³/с;

Re_кв— число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений:

,

где: К_э — коэффициент эквивалентной (гидравлической) шероховатости, м. Действующими нормативами установлены значения: К_э ≥ 0,00001 м [2] или

К_э = 0,000014 м [3]. Точного значения К_э для труб из ПНД не установлено.

Принимаем для примера расчетное значение К_э = 0,00001 м.

Установлено, что К_э зависит от величины средних значений параметров шероховатости внутренней поверхности Re_ср, м, и рассчитывается по эмпирической зависимости, полученной авторами по результатам натурных исследований трубопроводов по формуле [1, 5, 7]:

, м;

m=

— число подобия параметров трубопровода, отражающее изменения значений фактического внутреннего диаметра труб и изменение средних значений высотного параметра шероховатости Ra_ср;

— фактор, характеризующий изменение фактического расхода q_ф от изменения величины фактического внутреннего диаметра труб из-за влияния технологических допусков на толщину стенок и номинальный наружный диаметр труб [5].

Таким образом, сравнение нормативных λ^н и расчетных значений величин коэффициента гидравлического сопротивления λ^p показывает, что существует подтвержденная экспериментами эмпирическая зависимость для определения значений λ^p для трубопроводов из полимерных материалов, предусматривающая использование для расчета значений λ^p по формуле (1), измеренных в процессе производства труб средних значений параметров шероховатости Ra_ср и Sm_ср.

Для этого необходимыми и обязательными условиями являются:

— разработка и нормирование методики производственного контроля параметров шероховатости внутренних стенок труб из любых полимерных материалов;

— рекомендации по использованию сертифицированного (аттестованного) прибора для проведения замеров средних значений параметров шероховатости в производственных условиях заводов — производителей труб из разных полимерных материалов;

— рассмотрение вопроса о внесении формулы (1) в нормативные документы [2, 3], что позволит, в конечном счете, значительно упростить расчет значений величины потерь напора в трубах из разных полимерных материалов.

Литература

1. Продоус О. А., Васильева М. А. Упрощенный вид нормативной зависимости для проведения гидравлических расчетов трубопроводов из полимерных материалов. Водоснабжение и санитарная техника, № 9, 2017. — С. 53–55.
2. СП 40-102-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. http://docs.cntd.ru/document/1200007490
3. СП 399.1325800.2018 СП 399.1325800.2018 Системы водоснабжения и канализации наружные из полимерных материалов. Правила проектирования и монтажа.                                                      http://docs.cntd.ru/document/552304873
4. МИ 41-75 Методика выполнения измерений параметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73 при помощи приборов профильного метода. Дата актуализации 01.02.2020.                      https://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293815/4293815845.htm
5. Продоус О. А. Влияние колебаний значений параметров, входящих в нормативную зависимость СП 40-102-2000, на величину потерь напора в трубах из разных полимерных материалов. Инженерные системы. АВОК Северо-Запад, № 4, 2019. — С. 50–53.
6. Дунин-Барковский И. В., Рузин М. Я. О шероховатости пластмассовых труб. Водоснабжение и санитарная техника, № 2, 1964. — С. 22–24.
7. Дикаревский В. С., Якубчик П. П., Продоус О. А. О формулах для расчета коэффициента гидравлического сопротивления железобетонных напорных труб. Межвузовский сборник научных трудов «Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте». Л., ЛИИЖТ, 1980. — С. 65–69.

Скачать pdf-версию статьи «Сравнительная оценка нормативных и расчетных значений величины коэффициента гидравлического сопротивления труб из полимерных материалов»