подписка на электронный дайджест
         
Контакты +7 (812) 336-95-69
  • Сегодня, 10 декабря

      (Нет мероприятий)
  • Ближайшие мероприятия

    Показать все ближайшие мероприятия
  • 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 dн к толщине стенки трубы e (рис. 1):

    1

     

     

    рис 1а_Геометрич хар-ки труб

    Рис. 1. Геометрические характеристики труб

     

    где:

    dвн — номинальный внутренний диаметр;

    e — номинальная толщина стенки;

    L — длина трубы, м,

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

     

    2

     

     

    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 dвн, 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 dн = 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]:

     

    3

     

     

     

    где:

    λ — коэффициент гидравлического сопротивления трения по длине;

    dвн — расчетный внутренний диаметр труб, м;

    V — скорость напорного потока, м/с;

    м/с (2)

    dвн = dн – 2e,

     

    где:

    q — заданный расход, м3/с (л/с);

    dн — 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:

     

    33

     

     

     

     

    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:

     

    4

     

     

     

     

    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]:

     

    5

     

     

    где:

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

    dвн — 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)

    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;

    dвн — внутренний диаметр трубы большого диаметра, м;

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

     

    Геометрические, гидравлические и энергетические характеристики труб                                     Таблица 1.

     

     

    Материал трубпо стандарту Диаметры труб Расходq, м3 Скорость потока V, м/с Гидравлические характеристики труб Энергозатраты насоса
    номинал наруж-ныйdн, мм номинал внутрен-нийdвн, мм фактич.с учетом допусковdф расчет-ный факти-ческий расчет-ная факти-ческая λ* 1000 i, мм/м Nдв., кВт/ч
    расчет-ные факти-ческие расчет-ные факти-ческие расчет-ные факти-ческие
    ПЭ 100по ГОСТ 18599-2001, SDR17 500 440,6 437,5 0,160 0,161 1,05 1,07 0,0150 0,0147 1,913 1,834 4,484 5,316
    Композит поDIN SPEC19674-2:2011-02SIDR 10 (SDR12) 610,4 500,0 505,2 0,160 0,164 0,80 0,82 0,0154 0,0153 1,000 1,050 2,413 2,524

    *расчет по формулам 1, 4, 5, 6 [6, 7]

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

     

    7

     

     

     

    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,

     

    8

     

     

     

    Гидравлические и энергетические характеристики труб разного диаметра      Таблица 2.

    Внутренний диаметр труб, dвн, м Расчетные параметры Расчетная скорость потока, V, м/с
    0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
    0,4375с учетом допусков λ 0,0169 0,0154 0,0145 0,0139 0,0136
    1000 i, мм/м 0,493 1,79 3,79 6,41 12,49
    Nдв, кВт/ч 0,542 3,940 12,514 28,560 54,613
    0,4406 λ 0,0131 0,0153 0,0144 0,0139 0,0136
    1000 i, мм/м 0,476 1,77 3,75 6,41 9,83
    Nдв, кВт/ч 0,531 3,951 12,551 28,631 54,838
    0,500 λ 0,0165 0,0148 0,0141 0,0136 0,0133
    1000 i, мм/м 0,421 1,50 3,23 5,53 8,47
    Nдв, кВт/ч 0,605 4,326 13,946 31,826 60,896
    0,5052с учетом допусков λ 0,0164 0,0147 0,0140 0,0135 0,0132
    1000 i, мм/м 0,414 1,48 3,19 5,46 8,35
    Nдв, кВт/ч 0,607 4,350 14,000 34,997 61,304

     

     

    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.

    Model

    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

    Nдв = 0,542 кВт/ч до Nдв = 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 iф. 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:

    Nдв = 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: Nдв = 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