подписка на электронный дайджест
         
Контакты +7 (812) 336-95-69
  • Сегодня, 29 октября

  • Ближайшие мероприятия

    Показать все ближайшие мероприятия
  • 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 λн это не дает, так как в формулу (1) входит значение нормированного [2, 3] коэффициента эквивалентной шероховатости Кэ, 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:

    Reф — фактическое число Рейнольдса,

     [5];

     

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

    Smср — средний шаг по вершинам между неровностями, м;

    — фактический (измеренный) внутренний диаметр труб, м.

     

    В формуле (1) отсутствует коэффициент эквивалентной шероховатости Кэ, что придает ей более практический вид, так как для расчета значения λ требуется измерить только величину средних значений параметров шероховатости Raср и Smср, 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 Raср и Smср, 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 λн, подсчитанных по упрощенной нормативной (2) и рекомендуемой расчетной  λp зависимости (1). Результаты для сравнения сведены в табл. 1.

    Таблица 1

     

     

     

     

     

     

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

    То есть расчетное значение λp по формуле (1) расходится на 0,26% со значением λн , рассчитанным по формуле (2).

    Использование значения параметра Kэ в формуле (1) вообще не требуется, так как объективная оценка измеренных прибором средних значений параметров шероховатости Raср и Smср обеспечивает расчет значений λp 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: Raср = 0,41 мкм (0,0000041 м), Smср = 6000 мкм (0,006 м).

    Требуется сравнить для условий задачи нормативное λн и расчетное значение λp.

    Решение

    Расчет λн 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.

     

    Reф — фактическое число Рейнольдса, определяемое по формуле:

    ,

     

    где:

    Vф — фактическая скорость потока, м/с;

    , м/с

     

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

     

    qф— фактический заданный расход, м3/с;

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

    ,

     

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

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

     

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

    Установлено, что Кэ зависит от величины средних значений параметров шероховатости внутренней поверхности Reср, 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 Raср;

    — фактор, характеризующий изменение фактического расхода qф 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 λн и расчетных значений величин коэффициента гидравлического сопротивления λp показывает, что существует подтвержденная экспериментами эмпирическая зависимость для определения значений λp для трубопроводов из полимерных материалов, предусматривающая использование для расчета значений λp по формуле (1), измеренных в процессе производства труб средних значений параметров шероховатости Raср и Smср.

    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»