Гидравлический расчет обычного бытового трубопровода выполняется при помощи уравнения Бернулли:
Для гидравлического расчета трубопровода вы можете воспользоваться калькулятором гидравлического расчета трубопровода .
В данном уравнении h 1-2 - потери напора (энергии) на преодоление всех видов гидравлического сопротивления, которое приходится на единицу веса перемещающейся жидкости.
Потери напора на трение по длине потока вы можете рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха
Значения эквивалентной шероховатости Δ внутренней поверхности труб разных типов и видов указаны в таблице 2. А зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Re и относительной шероховатости Δ/d указаны в таблице 3.
В случае, когда режим движения ламинарный, то для труб некруглого сечения коэффициент гидравлического сопротивления λ находится по персональным для каждого отдельного случая формулам (табл. 4).
Если турбулентное течение развито и функционирует с достаточной степенью точности, то при определении λ можно использовать формулы для круглой трубы с заменой диаметра d на 4 гидравлических радиуса потока R г (d=4R г)
Потери напора в местных сопротивлениях можно определить по форм. Вейсбаха
При развитом турбулентном режиме ζ = const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления L экв. т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого h t = h м. В данном случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к фактической длине трубопровода добавляется сумма их эквивалентных длин
L пр =L + L экв.
Зависимость потерь напора h 1-2 от расхода называется характеристикой трубопровода .
В случаях когда движение жидкости в трубопроводе обеспечивает центробежный насос, то для определения расхода в системе насос - трубопровод выстраивается характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок ∆z (h 1-2 + ∆z при z 1 < z 2 и h 1-2 - ∆z при z 1 >z 2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q) , которая приведена в паспортных данных насоса (смотреть рисунок). Точка пересечения таких кривых указывает на максимально возможный расход в системе.
Наружный диаметр d н, мм |
Внутренний диаметр d вн, мм |
Толщина стенки d. мм |
Наружный диаметр d н, мм |
Внутренний диаметрd вн, мм |
Толщина стенки d, мм |
1. Трубы стальные бесшовные общего назначения |
3. Трубы насосно-компрессорные |
||||
А. Гладкие |
|||||
2. Трубы нефтепроводные и газопроводные |
Б. Трубы с высаженными концами |
||||
Группа |
Материалы, вид и состояние трубы |
∆*10 -2 . мм |
1. Давленые или тянутые трубы |
Давленые или тянутые трубы (стеклянные, свинцовые, латунные, медные. цинковые. Оловянные, алюминиевые, никелированные и пр.) |
|
2. Стальные трубы |
Бесшовные стальные трубы высшего качества изготовления |
|
Новые и чистые стальные трубы |
||
Стальные трубы, не подверженные коррозии |
||
Стальные трубы, подверженные коррозии |
||
Стальные трубы сильно заржавевшие |
||
Очищенные стальные трубы |
||
3. Чугунные трубы |
Новые черные чугунные трубы |
|
Обыкновенные водопроводные чугунные трубы, б /у |
||
Старые заржавленные чугунные трубы |
||
Очень старые, шероховатые. заржавленные чугунные трубы с отложениями |
||
4. Бетонные, каменные и асбоцементные трубы |
Новые асбоцементные трубы |
|
Очень тщательно изготовленные трубы из чистого цемента |
||
Обыкновенные чистые бетонные трубы |
Режим (зона) |
Коэффициент гидравлического сопротивления l |
||
Ламинарный |
Reкр(Re кр »2320) |
64/Re (форм. Стокса) |
|
Турбулентный: |
|||
Зона перехода турбулентного движения в ламинарное |
2.7/Re 0. 53 (форм. Френкеля) |
||
Зона гидравлически гладких труб |
Reкр < Re<10 d/D |
0.3164/Re 0.25 (форм. Блазиуса) 1/(1.8 lg Re - 1.5) 2 (фор.Конакова при Re<3*10 6) |
|
Зона смешанного трения или гидравлически шероховатых труб |
0.11 (68/Re + D/d) 0.25 (форм. Альтшуля) |
||
Зона квадратичного сопротивления (вполне шероховатого трения) |
1/(1.14 + 2lg(d/D)) 2 (форм. Никурадзе) 0.11(D/d) 0.25 (форм. Шифринсона) |
Форма поперечного сечения |
Гидравлический радиус. Rг |
Число РейнольдаRe |
Коэффициент гидравлического сопротивления |
Потери напора. h |
128νQL/πgD 4 . |
||||
64/Re*(1 - d/D)2/(1 + (d/D)2 + (1 - (d/D)2)/ln(d/D)) |
128νQL/πg(D 4 - d 4 + (D 2 - d 2) 2 /ln(d/D)). |
|||
320νQL/ga 4 √3 |
||||
4vab/((a + b)ν) |
64/Re*8(a/b)/((1 + a/b) 2 K) |
4νQL/a 2 b 2 gK. |
Вид местного сопротивления |
Схема |
Коэффициент местного сопротивления z |
Внезапное расширение |
(1 - S 1 /S 2) 2 , S 1 = πd 2 /4, S 2 = πD 2 /4. |
|
Выход из трубы в резервуар больших размеров |
||
Постепенное расширение (диффузор) |
0.15 - 0.2 ((1 - (S 1 /S 2) 2)
sin α (1 - S 1 /S 2) 2
(1 - S 1 /S 2) 2 |
|
Вход в трубу: |
С острыми краями |
|
С закругленными краями |
Трубы и соединительные детали для систем горячего и холодного водоснабжения из обладают рядом преимуществ:
Полипропилен - изотактический термопласт, макромолекулы которого имеют спиральную конформацию, впервые был получен в 1954 году.
Полипропилен производят путём полимеризации газа пропилена, имеющего химическую формулу: СН 2 СНСН 3 .
Полипропилен имеет следующие модификации:
Трубы и фитинги для водоснабжения PRO AQUA производятся из 3-го типа полипропилена - рандом сополимера.
Рандом сополимер PPR, получаемый путём набора молекул пропилена и этилена в беспорядочном их сочетании и представляется следующей графической формулой:
Физико-механические свойства всех разновидностей отличаются в небольших пределах, и не дифференцируются, когда приводятся свойства полипропилена:
Стандартное размерное отношение - SDR (Standart Dimension Ratio) - безразмерный показатель, характеризующий отношение номинального наружного диаметра трубы Dn к номинальной толщине стенки S (в одинаковых единицах измерения обеих величин в мм или м) Значение стандартного размерного отношения трубы рассчитывается по формуле:
SDR = Dn / S;
Значение SDR соединительной детали будет соответствовать SDR трубы с которой она монтируется. Например, тройник с маркировкой SDR 11 предназначен для сварки с трубой имеющий такую же маркировку.
Показатели типов труб PN, SDR, S находятся в связи между собой, их соотношение представлено в таблице 3.1:
|
Молекулярная масса, (ат. ед. массы) | 75 000 - 300 000 |
Плотность, г/см 3 | 0,91 - 0,92 |
Предел текучести при растяжении, Н/мм 2 | 27-30 |
Предел прочности при разрыве, Н/мм 2 | 34 - 35 |
Относительное удлинение при разрыве, % | > 500 |
Модуль упругости, МПа | 900 - 1200 |
Теплостойкость, °С | 100 |
Температура плавления, °С | > 146 |
Средний коэффициент линейного расширения, мм/м^°С | 0,15 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м. °С | 0,23 |
Отличительные особенности полипропилена
Для полипропилена характерна высокая стойкость к многократным изгибам и истиранию. Стойкость к поверхностно-активным веществам (ПАВ) у полипропилена повышена, в этом состоит и его преимущество перед полиэтиленом.
Ударная вязкость с надрезом составляет 5 - 12 кДж/м 2 , морозостоек при отрицательных температурах.
Полипропилен получил наибольшее распространение в системах холодного и горячего водоснабжения, внутренней и наружной канализации.
Армированные полипропиленовые трубы производятся поэтапно. Первоначально экструзией изготавливают однородную полипропиленовую трубу. Затем в непрерывном процессе твёрдую наружную поверхность трубы плотно охватывают сплошной или перфорированной алюминиевой лентой, кольцевую форму которой придают обкатывающими роликами. Существуют две технологии сварки алюминиевой ленты на трубе - внахлест и встык. Наиболее передовая технология сшивки - встык (как при производстве армированных труб PRO AQUA). Фиксация краёв ленты относительно друг друга производится ультразвуковой сваркой. Далее полученную трубную конструкцию вновь экструдируют (поверх алюминиевой оболочки наносят новый слой полипропилена).
Армирование трубы преследует одну из главных целей, заключающуюся в резком снижении температурных удлинений термопластичной трубы, которые у однородных полипропиленовых труб проявляются в значительной мере.
Не случайно разработчики армированных полипропиленовых труб, добившись промышленной реализации такой армированной конструкции, называют её термином «стабильная». Под этим подразумевается малая зависимость изменения первоначальной длины трубы при её нагреве или охлаждении.
Коэффициент линейного теплового расширения а (мм/м^°С) для PPR трубы а = 0,15, а для армированной PPR трубы а = 0,03.
Схема армирования и конструктивное исполнение PPR трубы
Рис. 5.1. а - разрез армированной трубы PPR;
1 - слой алюминия. б - конструкция армированной трубы PPR; 1 - слой перфорированного алюминия; 2, 3 - полипропилен.
Исходя из технологии раструбной сварки, при которой наружный диаметр трубы при нормальной температуре должен соответствовать внутреннему диаметру соединительной детали, стенку трубы наращивают на 2 - 3 мм и в этот размер вписывают алюминиевую оболочку и внешний полимерный слой облицовки, который перед сваркой удаляется при помощи специального инструмента.
Армированные трубы PRO AQUA производятся двух типов: перфорированные и гладкие. Отличие перфорированной оболочки армированной PPR трубы от гладкой заключается в том, что алюминиевая оболочка имеет частую перфорацию - сетку отверстий малого диаметра.
В процессе экструдирования полипропиленовой трубы, вязкотекучий материал затекает в эти отверстия и тем самым создаёт сцепление полимера и металла. На поверхности труб такого типа остаются заметные на глаз «утяжины», повторяющие структуру применённой перфорации.
Армирование PPR труб кроме температурной стабилизирующей способности несёт и ещё одну важную функцию - создание антидиффузионного барьера, предотвращающего проникновение молекул кислорода через стенку трубы в теплоноситель.
Проектирование трубопроводов из PPR для систем холодного и горячего водоснабжения осуществляется в соответствии с регламентами строительных норм и правил 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий» с учетом специфики полипропиленовых труб и Сводом правил по проектированию и монтажу трубопроводов из полипропилена рандом сополимера СП 40-101-96.
Гидравлический расчёт трубопроводов из PPR 80 заключается в определении потерь напора (или давления) на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих в трубе, в соединительных деталях, в местах резких поворотов и изменений диаметра трубопровода.
Гидравлические потери напора на местные сопротивления в соединительных деталях рекомендуется определять по следующей таблице:
Коэффициент местного гидравлического сопротивления для соединительных деталей из полипропилена PP-R 80
Поскольку полимерные материалы имеют увеличенный по сравнению с металлами коэффициент линейного удлинения, то при проектировании систем отопления, холодного и горячего водоснабжения, производят расчёт удлинений или укорочений трубопроводов при возникающих перепадах температур.
Проектирование и монтаж трубопроводов необходимо выполнять так, чтобы труба могла свободно двигаться в пределах величины расчетного расширения. Это достигается за счет компенсирующей способности элементов трубопровода, установкой температурных компенсаторов и правильной расстановкой опор (креплений). Неподвижные крепления труб должны направлять удлинения трубопроводов в сторону этих элементов.
Расчёт изменения длины трубопровода при изменении его температуры производится по формуле:
AL = аЧ^ At,
Величину температурных изменений длины трубы можно также определить по таблицам 6.2 и 6.3.
Таблица линейного расширения (в мм): труба PP-R 80 PN10 и PN20 - (a = 0,15 мм/м^°С)
|
Таблица линейного расширения (в мм): армированная труба PP-R 80 PN 25
(а = 0,03 мм/м. °С)
|
Компенсацию тепловых удлинений решают конструктивно, используя углы поворота, скользящие и неподвижные опоры, а также готовые компенсаторы. В неподвижных опорах труба жёстко крепится хомутом через резиновую прокладку, а в скользящих опорах фиксаторы позволяют трубе перемещаться в осевом направлении. На примере проектного решения трассировки трубопровода в виде угла поворота приведем расчёт тепловой компенсации горизонтального участка полипропиленового трубопровода, определив нужную длину вертикального участка, который с учётом упругих свойств трубы будет “пружинить” без разрушения в интервале величины удлинения равной AL.
Рис 6.1. Расчетная схема Г-образного компенсатора:
В целях устранения разночтений предлагается производить отсчёт пружинящей длины от оси горизонтального участка до края неподвижной опоры на вертикальном участке. Формула длины пружинящего участка трубопровода имеет вид:
L n pyx.уч. = К * √ D * AL+ D,
Расчёт Г-образного компенсатора выполняется в следующей последовательности: сначала определяется величина теплового удлинения расчётного участка, затем вычисляется необходимая длина перпендикулярного к нему пружинящего участка.
Рис 6.2. Расчетная схема П- и U-образного компенсаторов :
При решении тепловой компенсации участка трубопровода с использованием трубного П-образного компенсатора, можно применить 2 приёма его расположения между неподвижными опорами:
В первом случае расчёта, величина AL равна для обеих ветвей трубопровода и общее удлинение равняется: AL, = 2AL.
Во втором случае величина AL рассчитывается независимо для каждой ветви и удлинение составляет сумму вычисленных удлинений: AL, = AL + AL,
Ширина компенсатора b (вставка), независимо от длины его ветвей, назначается конструктивно и составляет величину равную 11 - 13 D. Вставка всегда крепится посередине хомутом (жесткое крепление).
Тепловое удлинение A L расчётных участков трубопроводов плюс некоторый гарантированный зазор между сблизившимися верхними деталями компенсатора (порядка 150 мм) не должны превышать ширину компенсатора. В противном случае следует уменьшить расстояние между неподвижными опорами расчётных участков.
Расчёт П-образного компенсатора ведётся аналогично расчёту Г-образного.
Если конструктивные размеры трубных Г и П - образных компенсаторов принимаются по расчёту, то О-образные компенсаторы для различных диаметров пластмассовых труб выпускаются с вычисленными фиксированными значениями их геометрических размеров.
О-образный компенсатор
Рис 6.3. Схема О-образного, петлеобразного компенсатора:
В местах обеспечивающих их защиту от механических повреждений (шахтах, штробах, каналах и т.д.), при этом должна обеспечиваться возможность их теплового удлинения. При невозможности скрытой прокладки трубопроводов их следует защищать от механических повреждений и огня.
Подводки к сантехприборам допускается прокладывать открыто.
Расстояние между трубами и строительными конструкциями должно быть не менее 20 мм.
В местах прохода через строительные конструкции стен и перегородок, полипропиленовые трубы следует прокладывать в футлярах или гильзах из металла.
Внутренний диаметр гильзы должен быть больше на 20 - 30 мм наружного диаметра проходящего в ней трубопровода. Этот зазор заполняется мягким негорючим материалом, способствующим свободному перемещению трубопровода, вдоль оси. Край гильзы должен выступать за пределы строительной конструкции на 30 - 50мм.
Запрещается располагать в гильзе стыковые соединения как разъёмного, так и не разъёмного характера.
В случае прокладки трубопроводов в слое бетона или цементно-песчаного раствора запрещается замоноличивать разъёмные резьбовые соединения.
При разделяются на отдельные участки, путем распределения точек жёсткого крепления. Таким образом, предотвращается не контролируемое перемещение трубопроводов и гарантируется их надёжная фиксация. Точки жёсткого крепления рассчитываются и выполняются с учётом действия сил, возникающих при расширении трубопроводов, а так же дополнительных нагрузок.
Скользящие или направляющие крепления должны позволять перемещения трубы в осевом направлении, исключая при этом механические повреждения трубы.
Расстояние между скользящими опорами при горизонтальной прокладке трубопровода определяется по таблице 6.4:
Расстояние между опорами в зависимости от температуры воды в трубопроводе
|
Неподвижные опоры необходимо размещать так, чтобы температурные изменения длины участка трубопровода между ними не превышали компенсирующей способности отводов и компенсаторов, расположенных на этом участке и распределялись пропорционально их компенсирующей способности.
В тех случаях, когда температурные изменения длины участка трубопровода превышают компенсирующую способность ограничивающих его элементов, на нём необходимо установить дополнительный компенсатор.
Запорную и водоразборную арматуру во избежание передачи их веса трубопроводу необходимо жёстко закреплять на строительных конструкциях.
Традиционным способом соединения напорных трубопроводов из полипропилена является сварка, заключающаяся в нагреве деталей до вязкотекучего состояния, соединении их под некоторым давлением, и последующем охлаждении деталей до образования неразъёмного соединения - сварного шва.
Наиболее часто применяющимся методом сварки является раструбная сварка, при которой производится соединение концов труб через промежуточную деталь в раструб.
Для сварки труб небольшого диаметра используется комплект сварочного оборудования (представлен на рис. 7.1), в состав которого входят:
Для сварки пластмассовых деталей диаметрами больше 40 мм используют специальный сварочный аппарат, который поставляется в специальном чемоданчике. Общий вид сварочного аппарата (мощностью 1500 Вт) представлен на рисунке 7.2.
В зависимости от температуры окружающей среды нагрев нагревательного элемента длится 10 - 15 минут. Рабочая температура на поверхности достигается автоматически. Процесс нагрева закончен, когда гаснет или загорается (в зависимости от типа сварочного аппарата) лампочка контроля температуры.
ВНИМАНИЕ:
Сварочные инструменты должны содержаться в чистоте. При необходимости наргеватель- ные гильзу и дорн прочистить растворителем с помощью грубой салфетки.
Процесс раструбной сварки включает одновременный нагрев соединяемых деталей, технологическую выдержку, снятие деталей с насадок, их сопряжение и последующее естественное охлаждение сваренных деталей. Для каждого наружного диаметра подобраны соответствующие пары насадок. Порядок сварки:
На сварочный аппарат устанавливаются насадки соответствующего диаметра, при этом рабочие поверхности насадок должны быть обезжирены ацетоном или водным раствором спирта. В случаях налипания на насадки остатков полимеров от предыдущей сварки, необходимо провести очистку рабочих поверхностей.
Для армированных полипропиленовых труб перед сваркой конец трубы зачищается зачисткой, при этом происходит снятие тонкого полимерного слоя вместе с фольгой. В результате этого получившийся наружный диаметр трубы должен соответствовать в пределах допусков стандартному наружному диаметру данного типоразмера.
ВНИМАНИЕ:
Технологические параметры раструбной сварки деталей из ПП рандомсополимер (температура наружного воздуха 20 °С)
|
Сварка термопластов сопровождается обязательным выдавливанием в месте сварного шва расплава материала называемого гратом. При раструбной сварке грат выходит на наружную поверхность трубы и внутреннюю поверхность соединительной детали
Необходимо отметить, что марки полипропилена различных производителей различаются между собой по композиционному составу, поэтому в случае сварки труб и деталей разных производителей для получения гарантированного соединения перед началом основных работ необходимо провести пробную сварку.
Системы внутреннего холодного и горячего водоснабжения должны быть испытаны гидростатическим или манометрическим методом с соблюдением требований ГОСТ 24054-80, ГОСТ 25136-82 и настоящих правил.
Величину пробного давления при гидростатическом методе испытания следует принимать равной 1,5 величины избыточного рабочего давления.
Гидростатические и манометрические испытания систем холодного и горячего водоснабжения должны производиться до установки водоразборной арматуры.
Выдержавшими испытания считаются системы, если в течение 10 мин нахождения под пробным давлением при гидростатическом методе испытаний не обнаружено падения давления более
0,05 МПа (0,5 кгс/см 2) и капель в сварных швах, трубах, резьбовых соединениях, арматуре и утечки воды через смывные устройства.
По окончании испытаний гидростатическим методом необходимо выпустить воду из систем внутреннего холодного и горячего водоснабжения.
Манометрические испытания системы внутреннего холодного и горячего водоснабжения следует производить в следующей последовательности:
Система признается выдержавшей испытание, если при нахождении ее под пробным давлением падение давления не превысит 0,01 МПа (0,1 кгс/см 2) .
Испытание водяных систем отопления и теплоснабжения должно производиться при отключенных котлах и расширительных сосудах гидростатическим методом давлением, равным 1,5 рабочего давления, но не менее 0,2 МПа (2 кгс/см 2) в самой нижней точке системы.
Система признается выдержавшей испытание, если в течение 5 мин нахождения ее под пробным давлением падение давления не превысит 0,02 МПа (0,2 кгс/см 2) и отсутствуют течи в сварных швах, трубах, резьбовых соединениях, арматуре, отопительных приборах и оборудовании.
Величина пробного давления при гидростатическом методе испытания для систем отопления и теплоснабжения, присоединенных к теплоцентралям, не должна превышать предельного пробного давления для установленных в системе отопительных приборов и отопительно-вентиляционного оборудования.
Манометрические испытания систем отопления и теплоснабжения соответствуют манометрическим испытаниям систем внутреннего холодного и горячего водоснабжения и производятся в той же последовательности (пункт 8.1).
Системы панельного отопления должны быть испытаны, как правило, гидростатическим методом. Манометрическое испытание допускается производить при отрицательной температуре наружного воздуха.
Гидростатическое испытание систем панельного отопления должно производиться (до заделки монтажных окон) давлением 1 МПа (10кгс/см 2) в течение 15 мин, при этом падение давлении допускается не более 0,01 МПа (0,1 кгс/см 2).
Для систем панельного отопления, совмещенных с отопительными приборами, величина пробного давления не должна превышать предельного пробного давления для установленных в системе отопительных приборов.
Величина пробного давления систем панельного отопления, паровых систем отопления и теплоснабжения при манометрических испытаниях должна составлять 0,1 МПа (1 кгс/см 2). Продолжительность испытания -5 мин. Падение давления должно быть не более 0,01 МПа (0,1 кгс/см 2).
Система признается выдержавшей испытание давлением, если в течение 5 мин нахождения ее под пробным давлением падение давления не превысит 0,02 МПа (0,2 кгс/см 2 ] и отсутствуют течи в сварных швах, трубах, резьбовых соединениях, арматуре, отопительных приборах.
Теплоизоляция трубопроводов водоснабжения выполняется в соответствии с требованиями СНиП 2.04.14-88 (раздел 3).
При монтаже систем холодного водоснабжения необходимо защитить трубопроводы от образования конденсата. Определение величины минимальной толщины изоляции для полипропиленовых труб можно произвести по таблице 9.1:
Определение толщины изоляции для холодного водоснабжения
|
Согласно СП 40-101-96 Транспортирование, погрузка и разгрузка полипропиленовых труб должны проводиться при температуре наружного воздуха не ниже - 10 °С. Их транспортирование при температуре до - 20 °С допускается только при использовании специальных устройств, обеспечивающих фиксацию труб, а также принятии особых мер предосторожности.
Трубы и соединительные детали необходимо оберегать от ударов и механических нагрузок, а их поверхности - от нанесения царапин. При перевозке трубы из PPRCнеобходимо укладывать на ровную поверхность транспортных средств, предохраняя от острых металлических углов и ребер платформы.
Трубы и соединительные детали из PPRC, доставленные на объект в зимнее время, перед их применением в зданиях должны быть предварительно выдержаны при положительной температуре не менее 2 ч.
Трубы должны храниться на стеллажах в закрытых помещениях или под навесом. Высота штабеля не должна превышать 2 м. Складировать трубы и соединительные детали следует не ближе 1 м от нагревательных приборов.
При контакте с открытым огнем материал труб горит коптящим пламенем с образованием расплава и выделением углекислого газа, паров воды, непредельных углеводородов и газообразных продуктов.
Сварку трубосоединительных деталей следует производить в проветриваемом помещении.
При работе со сварочным аппаратом следует соблюдать правила работы с электроинструментом.
Зарубежная нормативная база:
В связи с тем, что закон «О техническом регулировании» привел к нестабильности в области нормативной базы и отнесению целого ряда положений и документов в разряд рекомендательных, есть смысл привести ряд международных стандартов, регламентирующих важнейшие параметры термопластов. Эти нормы, как правило, находят отражение и в новых российских нормативных документах.
Международный стандарт 1ЭО 15874 определяет требования к трубопроводам для горячего и холодного водоснабжения из полипропилена, ISO 161-1:1996 - номинальные наружные диаметры и номинальные давления для труб из термопластов, ISO 4065:1996 - толщину стенок; ISO 9080:2003 содержит методику определения длительной гидростатической прочности, ISO 10508:19995 - требования к трубам и фитингам.
За последние десять лет полипропиленовые трубы стали пользоваться популярностью, как у профессиональных строителей, так и у тех людей, кто занимается обустройством своей квартиры или загородного дома. Отправляясь за покупкой, многие столкнулись с проблемой выбора изделия, так как труб из полипропилена на рынке предлагают очень много. Но, прежде всего, параметры полипропиленовых труб должны соответствовать параметрам вашей инженерной системы.
Срок службы
1. Срок службы полипропиленовых труб составляет 50 лет в системе холодного водоснабжения. В отопительной системе, а также в системе горячего водоснабжения они прослужат 25 лет, сохраняя при этом все свои изначальные характеристики.
2. Нужно знать, что максимальный срок эксплуатации труб из полипропилена зависит от правильной комбинации двух важных факторов: давления и температуры. При высокой температуре и маленьком давлении или же все наоборот, трубы могут служить долго. Это даже указывается в специальных таблицах. Но если и давление, и температура будут большими, то трубы прослужат недолго.
3. Что же сделать, чтобы трубы прослужили как можно дольше? Чтобы срок службы был максимальным, то есть, 50 лет должна быть температура не больше 60-75 градусов или же давление не больше 4-6 атмосфер. Вообще то, труба из полипропилена прослужит столько, сколько она сможет выдержать без разрушений с учетом коэффициента надежности воздействия постоянной на нее температуры и давления. И если соблюдать все эксплуатационные параметры, которые указываются в строительных нормах, трубы из полипропилена прослужат долго.
Полипропиленовые трубы и мороз
Полипропиленовые трубы могут использоваться при температуре до 40 градусов мороза. Морозостойкость у них высокая. При морозе они не потрескаются и зимой не разморозятся даже на небольшой глубине закапывания. Даже если в трубах замерзнет вода, они не разрушаются, а только немного увеличатся в размере, при оттаивании они становятся прежнего размера. Единственное, что нужно опасаться – это внешнего большого давление на трубу, так она может лопнуть. Несмотря на нормы температуры, температура горячей воды в отопительной системе может в некоторых регионах превысить указанные 95 градусов. В первую очередь это относится к регионам с резко континентальным климатом: Якутии, Дальнему Востоку и Сибири. Если температура будет 52 градуса мороза, то для обогрева зданий при такой высокой температуре воду в теплотрассах приходится нагревать намного выше точки кипения. И при этом полипропиленовые трубы могут пострадать. Поэтому вывод один: трубы из полипропилена можно смело использовать в отоплении и системе водоснабжения везде, кроме самых холодных регионов.
Шероховатость и диаметр
1. При проектировании напорной трубопроводной системы важное значение имеют ее гидравлические расчеты. По ним вычисляют диаметр труб и подбирают насосное оборудование, обеспечивающее нужный режим работы вышеуказанной системы за весь срок эксплуатации.
2. У полипропиленовых труб довольно гладкая внутренняя поверхность и маленькие гидравлические потери. Это позволяет использовать в монтаже трубы из полипропилена меньшего диаметра, чем стальные. Монтаж оказывается более экономичным и компактным.
3. Коэффициент шероховатости эквивалентной у полипропиленовых труб составляет 0,003-0,005 мм. У новых стальных труб – 0,2 мм. Поэтому становится понятно, почему при замене стальной трубы на полипропиленовую выбирают трубу с меньшим диаметром.
Гидравлический расчет является важной составляющей процесса выбора типоразмера трубы
для строительства трубопровода
. В нормативной литературе по проектированию этот ясный с точки зрения физики вопрос основательно запутан. На наш взгляд, это связано с попыткой описать все варианты расчета коэффициента трения, зависящего от режима течения, типа жидкости и ее температуры, а также от шероховатости трубы
, одним (на все случаи) уравнением с вариацией его параметров и введением всевозможных поправочных коэффициентов. При этом краткость изложения, присущая нормативному документу, делает выбор величин этих коэффициентов в значительной степени произвольным и чаще всего заканчивается номограммами, кочующими из одного документа в другой.
С целью более подробного анализа предлагаемых в документах методов расчета представляется полезным вернуться к исходным уравнениям классической гидродинамики .
Потеря напора, связанная с преодолением сил трения при течении жидкости в трубе , определяется уравнением:
Где: L и D длина трубопровода
и его внутренний диаметр, м; ? - плотность жидкости, кг/м3; w - средняя объемная скорость, м/сек, определяемая по расходу Q, м3/сек:
λ - коэффициент гидравлического трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерции, и именно ее определение и есть предмет гидравлического расчета трубопровода
. Коэффициент трения зависит от режима течения, и для ламинарного и турбулентного потока определяется по-разному.
Для ламинарного (чисто вязкого режима течения) коэффициент трения определяется теоретически в соответствии с уравнением Пуазейля:
λ = 64/Re (2)
где: Re - критерий (число) Рейнольдса.
Опытные данные строго подчиняются этому закону в пределах значений Рейнольдса ниже критического (Re При превышении этого значения возникает турбулентность. На первом этапе развития турбулентности (3000 λ = 0,3164 Re -0,25 (3)
В несколько расширенном диапазоне чисел Рейнольдса (4000
λ = 1,01 lg(Re) -2,5 (4)
Для значений Re > 100000 предложено много расчетных формул, но практически все они дают один и тот же результат .
На рис.1 показано, как "работают" уравнения (2) - (4) в указанном диапазоне чисел Рейнольдса, который достаточен для описания всех реальных случаев течения жидкости в гидравлически гладких трубах
.
Рис.1
Шероховатость стенки трубы
влияет на гидравлическое сопротивление только при турбулентном потоке, но и в этом случае, из-за наличия ламинарного пограничного слоя существенно сказывается только при числах Рейнольдса, превышающих некоторое значение, зависящее от относительной шероховатости ξ/D, где ξ - расчетная высота бугорков шероховатости, м.
Труба
, для которой при течении жидкости выполняется условие:
считается гидравлически гладкой, и коэффициент трения определяется по уравнениям (2) - (4).
Для чисел Re больше определенных неравенством (5) коэффициент трения становится величиной постоянной и определяется только относительной шероховатостью по уравнению:
которое после преобразования дает:
Гидравлическое понятие шероховатости не имеет ничего общего с геометрией внутренней поверхности трубы , которую можно было бы инструментально промерить. Исследователи наносили на внутреннюю поверхность модельных труб четко воспроизводимую и измеряемую зернистость, и сравнивали коэффициент трения для модельных и реальных технических труб в одних и тех же режимах течения. Этим определяли диапазон эквивалентной гидравлической шероховатости , которую следует принимать при гидравлических расчетах технических труб . Поэтому уравнение (6) точнее следует записать:
где: ξ э - нормативная эквивалентная шероховатость (Таблица 1).
Таблица 1
Данные таблицы 1 получены для традиционных на тот период материалов трубопроводов
.
В период 1950-1975 годов западные гидродинамики аналогичным способом определили ξ э
труб из полиэтилена и ПВХ
разных диаметров, в том числе и после длительной эксплуатации. Получены значения эквивалентной шероховатости в пределах от 0,0015 до 0,0105 мм для труб
диаметром от 50 до 300 мм . В США для собранного на клеевых соединениях трубопровода из ПВХ
этот показатель принимается 0,005 мм . В Швеции, на основе фактических потерь давления в пятикилометровом трубопроводе
из сваренных встык полиэтиленовых труб
диаметром 1200 мм, определили, что ξ э
= 0,05 мм . В российских строительных нормах в случаях, относящихся к полимерным (пластиковым) трубам
, их шероховатость либо совсем не упоминается , либо принимается: для водоснабжения и канализации - "не менее 0,01 мм" , для газоснабжения ξ э
= 0,007 мм . Натурные измерения потерь давления на действующем газопроводе
из полиэтиленовых труб наружным диаметром 225 мм длиной более 48 км показали, что ξ э
Вот, пожалуй, и все, чем положения классической гидродинамики могут помочь при анализе нормативной документации, посвященной гидравлическому расчету трубопроводов
. Напомним, что
Re = w D/ν (7)
где: ν - кинематическая вязкость жидкости, м2/сек.
Первый вопрос, который следует решить раз и навсегда - являются ли , имеющие, как показано выше, уровень шероховатости, от ≈ 0,005 мм для труб
малых диаметров, до ≈ 0,05 мм для труб большого диаметра
, гидравлически гладкими.
В Таблице 2 для труб
различных диаметров по уравнениям (5) и (7) определены значения расходных скоростей движения воды при температуре 20°С (ν
= 1,02*10-6 м2/сек), выше которых труба
не может считаться гидравлически гладкой. Для полимерных (пластиковых) труб
шероховатость плавно повышали с увеличением диаметра, как это оговорено выше; для новых и старых стальных труб
- принимали минимальные значения из Таблицы 1. Отметим, что критические скорости в старых стальных трубопроводах
в 10 раз ниже, чем в новых, и их шероховатость не может не учитываться при расчете гидравлических потерь напора.
Таблица 2
Для трубопроводов
внутри зданий предельными значениями скорости воды в трубопроводах
являются:
для отопительных систем - 1,5 м/сек ;
для водопровода
- 3 м/сек .
Для наружных сетей мы таких ограничений в нормативной документации не нашли, но если оставаться пределах, определенных таблицей 2, можно сделать однозначный вывод - полимерные (пластиковые) трубы
являются, безусловно, гладкими.
Оставляя предельное значение скорости, w = 3 м/сек, определим, что при течении воды в трубах
диаметром 20-1000 мм число Рейнольдса лежит в диапазоне 50000-2500000, то есть для расчета коэффициента трения течения воды в вполне корректно использовать уравнения (3) и (4). Уравнение (4) вообще охватывает весь диапазон режимов течения.
В нормативной документации, посвященной проектированию систем водоснабжения , уравнение для определения удельных потерь напора (Па/м либо м/м) дается в развернутом относительно диаметра трубы
и скорости движения воды виде:
где: К - набор всевозможных коэффициентов, n и m - показатели степеней при диаметре D, м и скорости w, м/сек.
Уравнение Блязиуса (3), наиболее удобное для подобного преобразования, для воды при 20°С при 3000
но оно действует при Re 100000 следует пользоваться модификацией уравнения (4).
В ISO TR 10501 для пластмассовых труб
при 4000
Для диапазона чисел Рейнольдса 150000
СНиП 2.04.02-84 без указания диапазона режима течения дает уравнение, которое подстановкой соответствующих коэффициентов для пластмассовых труб принимает вид:
которое после проверки и выполнения различных условий, для ряда режимов течения воды в шероховатых трубах (b ≥ 2) превращается в уравнение:
λ = 0,5 /(lg(3,7D/ ξ)) 2
что в точности совпадает с уравнением (61)
Обозначения в уравнении (12) здесь не расшифровываем, потому что они многоступенчато зависят одно от другого и с трудом понимаются из текста оригинала.
Таким образом, с небольшими вариациями коэффициентов и показателей степеней уравнения (9 - 12) базируются на классических уравнениях гидродинамики.
Приняв скорость движения воды в трубопроводе
w=3 м/сек, рассчитаем потери давления J, м/м (табл.3, рис.2) в полимерных (пластиковых) трубах
разных диаметров по четырем рассмотренным выше подходам. При расчетах по СП 40-102-2000 (уравнение 12) уровень шероховатости в зависимости от диаметра труб
принимался как в таблице 2.
Рис. 2
Как видно из табл.3 и рис.2, расчеты по ISO TR 10501 практически совпадают с расчетами по уравнениям классической гидродинамики, расчеты по российским нормативным документам, также совпадая между собой, дают несущественно завышенные по сравнению с ними результаты. Непонятно, почему составители СП 40-102-2000 в части гидравлического расчета полимерного водопровода
отошли от рекомендаций более раннего документа СНиП 2.04.02-84 и не учли рекомендаций международного документа ISO TR 10501.
Уравнения (9 - 11) охватывают все реально возможные режимы течения воды в гладких трубах
и удобны тем, что легко могут быть решены относительно любой входящей в них величины (J, w и D). Если это сделать относительно D:
где: К - коэффициент, а n и m - показатели степеней при диаметре D и скорости w, то можно предварительно выбрать диаметр трубопровода по рекомендованной для данного типа сети скорости w, м/сек, c учетом допустимых потерь напора для данной протяженности трубопровода (∆ Нг = J*L, м).
Пример:
Определить внутренний диаметр пластмассового трубопровода
длиной 1000 м, при wмакс
= 2 м/сек и ∆ Нг
= 10 м (1 бар), то есть J = 10/1000 = 0,01 м.
Выбрав, например, коэффициенты уравнения (11), получаем:
При этом расход составит Q=460 м3/час. Если полученный расход велик или мал, достаточно скорректировать значение скорости. Взяв, например, w=1,5 м/сек, получим D=0,188 м и Q=200 м3/час.
Расход в трубопроводе
определяется потребностями потребителя и устанавливается на этапе проектирования сети. Оставив этот вопрос проектировщикам, сравним удельные потери давления в стальном (новом и старом) и пластмассовом трубопроводах
при равных расходах для различных диаметров труб
.
Как видно из таблицы 4, учитывая неизбежное старение стальной трубы в процессе эксплуатации, для труб малых и средних диаметров полиэтиленовую трубу можно выбирать на одну ступень наружного диаметра меньше. И только для труб диаметром 800 мм и выше, вследствие относительно меньшего влияния абсолютной эквивалентной шероховатости на потери напора, диаметры труб нужно выбирать из одного ряда.
Литература.
1. Н.З.Френкель, Гидравлика, Госэнеогоиздат, 1947.
2. И.Е.Идельчик, Справочник по гидравлическому сопротивлению фасонных и прямых частей трубопроводов
, ЦАГИ, 1950.
3. L.-E. Janson, Plastics pipes for water supply and sewage disposal. Boras, Borealis, 4th edition, 2003.
4. ISO TR 10501 Thermoplastics pipes for the transport of liquids under pressure - Calculation of head losses.
5. СП 40-101-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов
из полипропилена
"рандом сополимер".
6. СНиП 41-01-2003 (2.04.05-91) Отопление, вентиляция и кондиционирование.
7. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод
и канализация зданий.
8. СНиП 2.04.02-84 . Наружные сети и сооружения.
9. СП 40-102-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов
систем водоснабжения и канализации из полимерных
материалов.
10. СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб
.
11. Е.Х.Китайцева, Гидравлический расчет стальных и полиэтиленовых газопроводов
, Полимергаз, №1, 2000.
"Рандом сополимер"
СП 40-101-96
2. Проектирование трубопроводов
2.1. Проектирование систем трубопроводов связано с выбором типа труб, соединительных деталей и арматуры, выполнением гидравлического расчета, выбором способа прокладки и условий, обеспечивающих компенсацию тепловых изменений длины трубы без перенапряжения материала и соединений трубопровода. Выбор типа трубы производится с учетом условий работы трубопровода: давления и температуры, необходимого срока службы и агрессивности транспортируемой жидкости.
2.2. Сортамент труб, соединительных деталей и арматуры приводится в прил. 3 .
2.3. Гидравлический расчет трубопроводов из PPRC заключается в определении потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих в трубе, в стыковых соединениях и соединительных деталях, в местах резких поворотов и изменений диаметра трубопровода.
2.4. Гидравлические потери напора в трубах определяются по номограммам рис. 2.1. и 2.2.
Расход, л/сек.
Потеря напора на трение, мм/м
Рис. 2.1. Номограмма для инженерного гидравлического расчета холодного водопровода из труб PPRC (PN10)
Пример определения
Дано: труба PPRC 32PN10,
расход жидкости 1 л/с
По номограмме: средняя скорость течения жидкости 1,84 м/с, потеря напора 140 мм/м
Расход, л/сек.
Потеря напора на трение, мм/м
Рис. 2.2. Номограмма для инженерного гидравлического расчета холодного водопровода из труб PPRC (PN20)
Пример определения
Дано: труба PPRC50 PN20,
расход жидкости 1 л/с
По номограмме: средняя скорость течения жидкости 1,1 м/с, потеря напора 45 мм/м
2.5. Гидравлические потери напора в стыковых соединениях можно принять равными 10-15% величины потерь напора в трубах, определенными по номограмме. Для внутренних водопроводных систем величину потерь напора на местные сопротивления, в соединительных деталях и арматуре рекомендуется принимать равной 30% величины потерь напора в трубах.
2.6. Трубопроводы в зданиях прокладываются на подвесках, опорах и кронштейнах открыто или скрыто (внутри шахт, строительных конструкций, борозд, в каналах). Скрытая прокладка трубопроводов необходима для обеспечения защиты пластмассовых труб от механических повреждений.
2.7. Трубопроводы вне зданий (межцеховые или наружные) прокладываются на эстакадах и опорах (в обогреваемых или необогреваемых коробах и галереях или без них), в каналах (проходных или непроходных) и в грунте (бесканальная прокладка).
2.8. Запрещается прокладка технологических трубопроводов из PPRC в помещениях, относящихся по пожарной опасности к категориям А, Б, В.
2.9. Не допускается прокладка внутрицеховых технологических трубопроводов из пластмассовых труб через административные, бытовые и хозяйственные помещения, помещения электроустановок, щиты системы контроля и автоматики, лестничные клетки, коридоры и т.п. В местах возможного механического повреждения трубопровода следует применять только скрытую прокладку в бороздах, каналах и шахтах.
2.10. Теплоизоляция трубопроводов водоснабжения выполняется в соответствии с требованиями СНиП 2.04.14-88 (раздел 3).
2.11. Изменение длины трубопроводов из PPRC при перепаде температуры определяется по формуле
L = 0,15 x L x t (2.1)
где L - температура изменения длины трубы, мм;
0,15 - коэффициент линейного расширения материала трубы, мм/м;
L - длина трубопровода, м;
t - расчетная разность температур (между температурой монтажа и эксплуатации), С.
2.12. Величину температурных изменений длины трубы можно также определить по номограмме рис. 2.3.
Температура t, ° С
Изменение длины трубы L, мм
Пример: T 1 = 20 ° C, t 2 = 75 ° C, L = 6,5 м.
По формуле 2.1
L = 0,15 x 6,5 x (75 - 20) = 55 мм
t = 75 - 20 = 55 ° С.
По номограмме = 55 мм.
2.13. Трубопровод должен иметь возможность свободно удлиняться или укорачиваться без перенапряжения материала труб, соединительных деталей и соединений трубопровода. Это достигается за счет компенсирующей способности элементов трубопровода (самокомпенсация) и обеспечивается правильной расстановкой опор (креплений), наличием отводов в трубопроводе в местах поворота, других гнутых элементов и установкой температурных компенсаторов. Неподвижные крепления труб должны направлять удлинения трубопроводов в сторону этих элементов.
2.14. Расстояние между опорами при горизонтальной прокладке трубопровода определяется из табл. 2.1.
Таблица 2.1
Расстояние между опорами в зависимости от температуры воды в трубопроводе
Номинальный наружный |
Расстояние, мм |
||||||
диаметр трубы, мм |
|||||||
2.15. При проектировании вертикальных трубопроводов опоры устанавливаются не реже чем через 1000 мм для труб наружным диаметром до 32 мм и не реже чем через 1500 мм для труб большого диаметра.
2.16. Компенсирующие устройства выполняются в виде Г-образных элементов (рис. 2.4), П-образных (рис. 2.5) и петлеобразных (круговых) компенсаторов (рис. 2.6).
Рис. 2.4. Г-образный элемент трубопровода
Рис. 2.5. П-образный компенсатор
Рис. 2.6. Петлеобразный компенсатор
2.17. Расчет компенсирующей способности Г-образных элементов (рис. 2.4) и П-образных компенсаторов (рис. 2.5) производится по номограмме (рис. 2.7) или по эмпирической формуле (2.2)
где L k - длина участка Г-образного элемента, воспринимающего температурные изменения длины трубопровода, мм;
d - наружный диаметр трубы, мм;
L - температурные изменения длины трубы, мм.
Величину L k можно также определить по номограмме (рис. 2.7).
(2.2)
Рис. 2.7. Номограмма для определения длины участка трубы, воспринимающего тепловое удлинение
Пример: d н = 40 мм,
По формуле 2.2
По номограмме L = 1250 мм
2.18. Конструирование систем внутренних трубопроводов рекомендуется производить в следующей последовательности:
На схеме трубопроводов предварительно намечают места расположения неподвижных опор с учетом компенсации температурных изменений длины труб элементами трубопровода (отводами и пр.);
Проверяют расчетом компенсирующую способность элементов трубопровода между неподвижными опорами;
Намечают расположение скользящих опор с указанием расстояний между ними.
2.19. Неподвижные опоры необходимо размещать так, чтобы температурные изменения длины участка трубопровода между ними не превышали компенсирующей способности отводов и компенсаторов, расположенных на этом участке, и распределялись пропорционально их компенсирующей способности.
2.20. В тех случаях, когда температурные изменения длины участка трубопровода превышают компенсирующую способность его элементов, на нем необходимо установить дополнительный компенсатор.
2.21. Компенсаторы устанавливаются на трубопроводе, как правило, посредине, между неподвижными опорами, делящими трубопровод на участки, температурная деформация которых происходит независимо друг от друга. Компенсация линейных удлинений труб из PPRC может обеспечиваться также предварительным прогибом труб при прокладке их в виде "змейки" на сплошной опоре, ширина которой допускает возможность изменения формы прогиба трубопровода при изменении температуры.
2.22. При расстановке неподвижных опор следует учитывать, что перемещение трубы в плоскости перпендикулярно стене ограничивается расстоянием от поверхности трубы до стены (рис. 2.4). Расстояние от неподвижных соединений до осей тройников должно быть не менее шести диаметров трубопровода.
2.23. Запорная и водоразборная арматура должна иметь неподвижное крепление к строительным конструкциям для того, чтобы усилия, возникающие при пользовании арматурой, не передавались на трубы PPRC.
2.24. При прокладке в одном помещении нескольких трубопроводов из пластмассовых труб их следует укладывать совместно компактными пучками на общих опорах или подвесках. Трубопроводы в местах пересечения фундаментов зданий, перекрытий и перегородок должны проходить через гильзы, изготовленные, как правило, из стальных труб, концы которых должны выступать на 20-50 мм из пересекаемой поверхности. Зазор между трубопроводами и футлярами должен быть не менее 10-20 мм и тщательно уплотнен несгораемым материалом, допускающим перемещение трубопроводов вдоль его продольной оси.
2.25. При параллельной прокладке трубы из PPRC должны располагаться ниже труб отопления и горячего водоснабжения с расстоянием в свету между ними не менее 100 мм.
2.26. Проектирование средств защиты пластмассовых трубопроводов от статического электричества предусматривается в случаях:
Отрицательного воздействия статического электричества на технологический процесс и качество транспортируемых веществ;
Опасного воздействия статического электричества на обслуживающий персонал.
2.27. Для обеспечения срока службы трубопроводов горячего водоснабжения из труб PPRC не менее 25 лет необходимо поддерживать рекомендуемые режимы эксплуатации (давление, температуру воды), указанные в прил. 2 .
2.28. Принимая во внимание диэлектрические свойства труб из PPRC, металлические ванны и мойки должны быть заземлены согласно соответствующим требованиям действующих нормативных документов.