Гидравлический расчет трубопроводов

Опубликовано 08 Апр 2014
Рубрика: Теплотехника | 16 комментариев



Труба с манометромСистемы отопления зданий, теплотрассы, водопроводы, системы водоотведения, гидравлические схемы станков, машин – все это примеры систем, состоящих из трубопроводов. Гидравлический расчет трубопроводов — особенно сложных, разветвленных...

... — является очень непростой и громоздкой задачей. Сегодня в век компьютеров решать ее стало существенно легче при использовании специального программного обеспечения. Но хорошие специальные программы дорого стоят и есть они, как правило, только у специалистов-гидравликов.

В этой статье мы рассмотрим гидравлический расчет трубопроводов на примере расчета в Excel горизонтального участка трубопровода постоянного диаметра по двум методикам и сравним полученные результаты. Для «неспециалистов» применение представленной ниже программы позволит решить несложные «житейские» и производственные задачи. Для специалистов применение этих расчетов возможно в качестве проверочных или для выполнения быстрых простых оценок.

Как правило, гидравлический расчет трубопроводов включает в себя решение двух задач:

1. При проектировочном расчете требуется по известному расходу жидкости найти потери давления на рассматриваемом участке трубопровода. (Потери давления – это разность давлений между точкой входа и точкой выхода.)

2. При проверочном расчете (при аудите действующих систем) требуется по известному перепаду давления (разность показаний манометров на входе в трубопровод и на выходе) рассчитать расход жидкости, проходящей через трубопровод.

Приступаем к решению первой задачи. Решить вторую задачу вы сможете легко сами, используя сервис программы MS Excel «Подбор параметра». О том, как использовать этот сервис, подробно описано во второй половине статьи «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!».

Предложенные далее расчеты в Excel, можно выполнить также в программе OOo Calc из свободно распространяемого пакета Open Office.

Правила цветового форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, детально описаны на странице «О блоге».

Расчет в Excel трубопроводов по формулам теоретической гидравлики.

Рассмотрим порядок и формулы расчета в Excel на примере прямого горизонтального трубопровода длиной 100 метров из трубы ø108 мм с толщиной стенки 4 мм.

Гидравлический расчет трубопроводов. Схема.

Исходные данные:

1. Расход воды через трубопровод G в т/час вводим

в ячейку D4: 45,000

2. Температуру воды на входе в расчетный участок трубопровода  tвх в °C заносим

в ячейку D5: 95,0

3. Температуру воды на выходе из расчетного участка трубопровода  tвых в °C записываем

в ячейку D6: 70,0

4. Внутренний диаметр трубопровода  d в мм вписываем

в ячейку D7: 100,0

5. Длину трубопровода  L в м записываем

в ячейку D8: 100,000

6. Эквивалентную шероховатость внутренних поверхностей труб  в мм вносим

в ячейку D9:  1,000

Выбранное значение эквивалентной шероховатости соответствует стальным старым заржавевшим трубам, находящимся в эксплуатации много лет.

Эквивалентные шероховатости для других типов и состояний труб приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls», ссылка на скачивание которого дана в конце статьи.

7. Сумму коэффициентов местных сопротивлений  Σ(ξ) вписываем

в ячейку D10:  1,89

Мы рассматриваем пример, в котором местные сопротивления присутствуют в виде стыковых сварных швов (9 труб, 8 стыков).

Для ряда основных типов местных сопротивлений данные и формулы расчета представлены на листах «Расчет коэффициентов» и «Справка» файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

Гидравлический расчет трубопроводов в Excel. Теоретическая гидравлика.

Результаты расчетов:

8. Среднюю температуру воды tср в °C вычисляем

в ячейке D12: =(D5+D6)/2 =82,5

tср=(tвх+tвых)/2

9. Кинематический коэффициент вязкости воды n в cм2/с при температуре tср рассчитываем

в ячейке D13: =0,0178/(1+0,0337*D12+0,000221*D12^2) =0,003368

n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2)

10. Среднюю плотность воды ρ в т/м3 при температуре tср вычисляем

в ячейке D14: =(-0,003*D12^2-0,1511*D12+1003,1)/1000 =0,970

ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000



11. Расход воды через трубопровод Gв л/мин пересчитываем

в ячейке D15: =D4/D14/60*1000 =773,024

G=G*1000/(ρ*60)

Этот параметр пересчитан нами в других единицах измерения для облегчения восприятия величины расхода.

12. Скорость воды в трубопроводе v в м/с вычисляем

в ячейке D16: =4*D4/D14/ПИ()/(D7/1000)^2/3600 =1,640

v=4*G/(ρ*π*(d/1000)2*3600)

К ячейке D16 применено условное форматирование. Если значение скорости не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки становится красным, а шрифт белым.

Предельные скорости движения воды приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

13. Число Рейнольдса Re определяем

в ячейке D17: =D16*D7/D13*10 =487001,4

Re=v*d*10/n

14. Коэффициент гидравлического трения λ рассчитываем

в ячейке D18: =ЕСЛИ(D17<=2320;64/D17;ЕСЛИ(D17<=4000; 0,0000147*D17;0,11* (68/D17+D9/D7)^0,25)) =0,035

λ=64/Re                              при Re≤2320

λ=0,0000147*Re                при 2320≤Re≤4000

λ=0,11*(68/Re+/d)0,25  при Re≥4000

15. Удельные потери давления на трение R в кг/(см2*м) вычисляем

в ячейке D19: =D18*D16^2*D14/2/9,81/D7*100 =0,004645

R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d)

16. Потери давления на трение dPтр в кг/см2 и Па находим соответственно

в ячейке D20: =D19*D8 =0,464485

dPтр=R*L

и в ячейке D21: =D20*9,81*10000 =45565,9

dPтр=dPтр*9,81*10000

17. Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2 и Па находим соответственно

в ячейке D22: =D10*D16^2*D14*1000/2/9,81/10000 =0,025150

dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10)

и в ячейке D23: =D22*9,81*10000 =2467,2

dPтр=dPмс*9,81*10000

18. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см2 и Па находим соответственно

в ячейке D24: =D20+D22 =0,489634

dP=dPтр+dPмс

и в ячейке D25: =D24*9,81*10000 =48033,1

dP=dP*9,81*10000

19. Характеристику гидравлического сопротивления трубопровода S в Па/(т/ч)2 вычисляем

в ячейке D26: =D25/D4^2 =23,720

S=dP/G2

Гидравлический расчет в Excel трубопровода по формулам теоретической гидравлики выполнен!

Гидравлический расчет трубопроводов в Excel по формулам СНиП 2.04.02-84.

Этот расчет определяет потери на трение в трубопроводах по эмпирическим формулам без учета коэффициентов местных сопротивлений, но с учетом сопротивлений, вносимых стыками.

На длинных трубопроводах, каковыми являются водопроводы и теплотрассы, влияние местных сопротивлений мало по сравнению с шероховатостью стенок труб и перепадами высот, и часто коэффициентами местных сопротивлений можно пренебречь при оценочных расчетах.

Исходные данные:

Этот расчет использует ранее введенные в предыдущем расчете значения внутреннего диаметра трубопровода d и длины трубопровода L, а также рассчитанное значение скорости движения воды v.

1. Выбираем из выпадающего списка, расположенного над ячейками A30…E30 вид трубы:

Неновые стальные и неновые чугунные без внутр. защитного покр. или с битумным защитным покр., v > 1,2м/c

Гидравлический расчет трубопроводов в Excel. СНиП 2.04.02-84.

Результаты расчетов:

По выбранному виду трубы Excel автоматически извлекает из таблицы базы данных значения эмпирических коэффициентов. Таблица базы данных, взятая из СНиП 2.04.02–84, расположена на этом же рабочем листе «РАСЧЕТ».

2. Коэффициент m извлекается

в ячейку D32: =ИНДЕКС(H31:H42;H29) =0,300

3. Коэффициент A0 извлекается

в ячейку D33: =ИНДЕКС(I31:I42;I29) =1,000

4. Коэффициент 1000A1 извлекается

в ячейку D34: =ИНДЕКС(J31:J42;J29) =21,000

5. Коэффициент 1000A1/(2g) извлекается

в ячейку D35: =ИНДЕКС(K31:K42;K29) =1,070

6. Коэффициент С извлекается

в ячейку D36: =ИНДЕКС(L31:L42;L29) =0,000

7. Коэффициент  гидравлического сопротивления i  в м.вод.ст./м рассчитываем

в ячейке D37: =D35/1000*((D33+D36/D16)^D32)/((D7/1000)^(D32+1))*D16^2 =0,057

i=((1000A1/(2g))/1000)*(((A0+C/v)m)/((d/1000)(m+1)))*v2

8. Расчетные потери давления в трубопроводе dP в кг/см2 и Па находим соответственно

в ячейке D38: =D39/9,81/10000 =0,574497

dP=dP/9,81/10000

и в ячейке D39: =D37*9,81*1000*D8 =56358,1

dP=i*9,81*1000*L

Гидравлический расчет трубопровода по формулам Приложения 10 СНиП 2.04.02–84 в Excel завершен!

Итоги.

Полученные значения потерь давления в трубопроводе, рассчитанные по двум методикам отличаются в нашем примере на 15…17%! Рассмотрев другие примеры, вы можете увидеть, что отличие иногда достигает и 50%! При этом значения, полученные по формулам теоретической гидравлики всегда меньше, чем результаты по СНиП 2.04.02–84. Я склонен считать, что точнее первый расчет, а СНиП 2.04.02–84 «подстраховывается». Возможно, я ошибаюсь в выводах. Следует отметить, что гидравлические расчеты трубопроводов тяжело поддаются точному математическому моделированию и базируются в основном на зависимостях, полученных из опытов.

В любом случае, имея два результата, легче принять нужное правильное решение.

При гидравлическом расчете трубопроводов с перепадом высот входа и выхода не забывайте добавлять (или отнимать) к результатам статическое давление. Для воды – перепад высот в 10 метров ≈ 1 кг/см2.

Уважаемые читатели, Ваши мысли, замечания и предложения всегда интересны коллегам и автору. Пишите их внизу, в комментариях к статье!

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл после подписки на анонсы статей!

Не забывайте подтвердить подписку кликом по ссылке в письме, которое придет к вам на указанную почту (может прийти в папку «Спам»)!!!

Ссылка на скачивание файла: gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov (xls 57,5KB).

Важное и, думаю, интересное продолжение темы читайте здесь.

Другие статьи автора блога

На главную


Введите Ваш e-mail:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

16 комментариев на «Гидравлический расчет трубопроводов»

  1. Алексей 28 Авг 2014 00:28

    Хочу выразить огромную благодарность автору за составление Гидравлического расчета!

    Это на много упростило мою работу!

    Хотел уточнить, данный файл подходит только лишь для расчета трубопроводов горизонтального положения? Как перейти на вертикальный?

  2. Александр Воробьев 28 Авг 2014 20:46

    Алексей, здравствуйте!

    Ответ на ваш вопрос в конце статьи:

    «При гидравлическом расчете трубопроводов с перепадом высот входа и выхода не забывайте добавлять (или отнимать) к результатам статическое давление. Для воды – перепад высот в 10 метров ≈ 1 кг/см2.»

    Расчет учитывает трение жидкости о стенки трубы и потери давления в местных сопротивлениях, а эти виды потерь не зависит от расположения трубопровода относительно горизонта. При выборе насоса, конечно, статическое давление следует учесть обязательно!

    Спасибо за отзыв.

  3. Николай 07 Ноя 2014 02:10

    Пользуюсь простенькой программкой, написал для себя

    По мотивам приложения 10 к СНиП 2.04.02-84

    гидравлический расчет трубопровода онлайн

    (vik.by/instruments/shevelev-online)

  4. Анатолий 14 Июл 2015 19:34

    Все понятно, спасибо.

  5. Елена 25 Авг 2015 16:41

    спасибо за вашу программу. Одно понять не могу, со скоростью все понятно, если превышает будет красная ячейка, а каковы нормы по потери давления? какие они должны быть ? спасибо за ответ

  6. Александр Воробьев 25 Авг 2015 20:53

    Елена, Ваш вопрос относится больше к экономике чем к гидравлике.

    Заузите трубопровод — меньше денег на трубы, опоры, арматуру, насос (не всегда), монтаж, но эксплуатационные расходы (электроэнергия) будут больше, чем при трубопроводе большего сечения.

    Это типичная задача на оптимизацию и при различных исходных данных (трубопровод на даче / магистральная теплотрасса; длина 50м / длина 15000м; срок эксплуатации 3года / 15лет; рабочее давление 2кг/см2 / 50кг/см2; и т.д.) имеет совершенно непохожие и часто неожиданные решения.

    Ориентир из старых справочников (теплотрассы) — не более 0,0008...0,0030 (кг/см2)/м. Хотя в новых нормативных документах, вроде, никаких ограничений на этот счет нет... главное не дойти до абсурда!

  7. Игорь 21 Сен 2015 02:09

    Уважаемый Александр! Спасибо за Программу!!!

    Есть вопрос «Как Вычислить «Гидро-Статическое Давление» в Уравнееии Бернули???»

    (0,5ρV2)+(ρgh)+Рг-с.= Constante;

    ρ ≈ 1000 кг./м3; – Плотноть жидкости;

    V2 = (Q = m3/s. : Sтруба = m2); – Квадрат Скорости потока (м./с.);

    g ≈ 9,81 m./s2; – Ускорение свободного падения;

    h = Rтруба = m.; – Радиус Трубы;

    Рг-с. = ??????????????

    Пожалуйста! ...если это не очень Вас утомит.

    С Уважением Игорь из Чили. pipproceso@gmail.com

  8. Александр Воробьев 21 Сен 2015 13:50

    Игорь, я не понял смысла вопроса.

    Где Вы взяли, что p=Pr-c? Это через критерий Прандтля? Уравнение Бернулли обычно решают относительно 2-х точек трубопровода (Вы же не знаете чему равна Const).

  9. Игорь 21 Сен 2015 21:47

    Уважаемый Александр!

    Ну конечно же это не критерий Прандтля!!! Рг-с — Это Давление Гидро-Статическое. Если бы я имел вожможность прилепить фаил, то всё было бы более понятно и с рисунком. Однако не нашёл этой опции. Или если бы я знал Ваш Личный e-mail — Возможно ли это???

    С Уважением Игорь из Чили. pipproceso@gmail.com

  10. Александр Воробьев 21 Сен 2015 22:07

    Высылайте файл, e-mail отправил.

  11. Олександр 28 Окт 2015 04:08

    А если бы ещё для более вязких жиж было бы, напр. для масла — вообще было бы прекрасно!

  12. Александр Воробьев 31 Окт 2015 20:32

    Замените в первой программе в п.9 и п.10 формулы зависимостей от температуры коэффициента кинематической вязкости и плотности воды на формулы для нужной Вам среды, и станет все прекрасно!

  13. Игорь 21 Дек 2015 03:47

    Неплохо бы было если бы были рассмотрены задачи с применением формул Бернулли для расчета более сложных задач, например когда два потока объединяются в одном узле .Подобные задачи часто стоят в расчете корректирующих узлов систем отопления с подмесом

  14. Александр Воробьев 21 Дек 2015 09:00

    Игорь, посмотрите эту статью.

  15. Владимир 02 Дек 2016 18:38

    Здравствуйте, скажите пожалуйста, расчет для топливопровода дизтоплива можно применить данную программу?

    Температуры на входе и выходе одинаковые. Протяженность порядка 100 м.

  16. Александр Воробьев 03 Дек 2016 10:49

    Здравствуйте, Владимир.

    Для приблизительного — можно. На сколько кинематическая вязкость и плотность дизельного топлива отличаются от вязкости и плотности воды — на столько и будет ошибка...

Ваш отзыв







  • Посетители: 662 541

  • Подписчики: 3 446