Теплотрассы, системы отопления зданий, гидравлические схемы станков, системы водоотведения, водопроводы – все эти объекты состоят из трубопроводов. Созданные на их основе инженерные коммуникации являются самым экономичным средством транспортировки различных субстанций. Гидравлический расчёт трубопроводов позволяет определить значения множества характеристик при максимальной пропускной способности трубных элементов магистрали.

Гидравлический расчет трубопроводов

Гидравлические расчеты проводятся для всех систем — отопительных, водопроводных, канализационных

Что рассчитывается

Выполняется данная процедура в отношении нижеперечисленных рабочих параметров инженерной коммуникации.

  1. Расход жидкости на отдельных сегментах водопровода.
  2. Скорость потока рабочей среды в трубах.
  3. Оптимальный диаметр водопровода, который обеспечивает приемлемое падение напора.

Рассмотрим методику расчёта этих показателей подробно.

Расход воды

Данные по нормативному расходу воды отдельными сантехническими приборами указаны в приложении к СНиП 2.04.01-85. Этот документ регламентирует сооружение канализационных сетей и внутренних водопроводов. Ниже приведена часть соответствующей таблицы.

Таблица 1

Сантехнический прибор Общий расход (ГВС и ХВС), литр/секунда Расход ХВС, литр/секунда
Унитаз с вентилем прямой подачи воды 1,4 1,4
Унитаз с бачком для слива воды 0,10 0,10
Душевая кабинка (смеситель) 0,12 0,08
Ванна (смеситель) 0,25 0,17
Мойка (смеситель) 0,12 0,08
Умывальник (смеситель) 0,12 0,08
Умывальник (водоразборный кран) 0,10 0,10
Кран для полива 0,3 0,3

Если предполагается использовать одновременно несколько приборов, расход суммируется. Так, в случае, когда работает душевая кабинка на первом этаже с одновременным использованием туалета на втором этаже, логично сложить объём расхода воды обоими потребителями – 0,12+0,10 = 0,22 литр/секунда.

Гидравлический расчет трубопроводов

Напор воды в будущем водопроводе зависит от правильности проводимых расчетов

Важно! На пожарные водопроводы распространяется следующая норма: на одну струю он должен обеспечивать расход  не менее 2,5 литр/сек.

Вполне понятно, что при пожаротушении количество струй от одного пожарного гидранта определяется площадью и типом здания. Для удобства ознакомления информация по этому вопросу тоже размещена в табличной форме.

Таблица 2

Тип здания Требуемое количество струй при пожаротушении
Администрации предприятий (объём до 25 000 кубометров) 1
Общественные здания (объём до 25 000 кубометров, более 10 этажей) 2
Общественные здания (объём до 25 000 кубометров, до 10 этажей) 1
Здание управления (объём до 25 000 кубометров, 10 и больше этажей) 2
Здание управления (от 6 до10 этажей) 1
Жилое здание (от 16 до 25 этажей) 2
Жилое здание (до 16 этажей) 1

Скорость потока

Предположим, что перед нами поставлена задача расчёта тупиковой водопроводной сети при заданном пиковом расходе через неё. Цель вычислений – определение диаметра, при котором будет обеспечена приемлемая скорость перемещения потока по трубопроводу (согласно СНиПу – 0,7 – 1,5 м/сек).

Гидравлический расчет трубопроводов

Для подбора диаметра трубы также необходимы расчеты

Применяем формулы. Размер трубопровода увязывается со скоростью потока воды и её расходом такими формулами:

S=π*R2 , где

S – площадь поперечного сечения трубы. Единица измерения – метр квадратный; π – известное иррациональное число; R – радиус внутреннего диаметра трубы.

Единица измерения — те же метры квадратные.

На заметку! Для чугунных и стальных труб радиус обычно приравнивают к половине их условного прохода (ДУ). У большинства пластиковых трубных изделий  номинальный наружный диаметр на шаг больше внутреннего диаметра. Например, у полипропиленовой трубы с  внутренним сечением 32 миллиметра наружный диаметр равен 40 миллиметров.

Следующая формула выглядит так:

                                                                              W= V×S, где

W – расход воды в кубометрах; V – скорость потока воды (м/сек.); S – площадь сечения (метры квадратные).

Пример. Выполним расчет трубопровода системы пожаротушения для одной струи, расход воды в которой равен 3,5 литра в секунду. В системе СИ значение этого показателя будет таким: 3,5 л/сек = 0,0035 м3/сек. Такой расход на одну струю нормируется на тушение пожара внутри складских и производственных зданий объёмом от 200 до 400 кубометров и высотой до 50 метров.

Гидравлический расчет трубопроводов

У полимерных труб наружный диаметр может быть на шаг больше внутреннего

Сначала берём вторую формулу и вычисляем минимальную площадь сечения. Если скорость составляет 3 м/сек., этот показатель равен

                                                              S=W/V=0,0035/3= 0,0012 м2

                Тогда радиус внутреннего сечения трубы будет таким:

   R=√S/π=0,019 м.

Таким образом, внутренний диаметр трубопровода должен быть  равен минимум

                                               Dвн. = 2R = 0,038 м =3,8 сантиметров.

Если результат вычислений является промежуточной величиной между стандартными значениями размеров трубных изделий, округление производится в большую сторону. То есть в данном случае подойдёт стандартная стальная труба с ДУ=40 мм.

Как просто узнать диаметр. Для того чтобы выполнить быстрый расчёт, можно использовать ещё одну таблицу, которая непосредственно увязывает расход воды через трубопровод с его условным диаметром. Она представлена ниже.

Таблица 3

Расход, литр/сек. Минимальный ДУ трубопровода, миллиметры
10 50
6 40
4 32
2,4 25
1,2 20
0,6 15
0,20 10

 

Потеря напора

Расчёт потери напора на участке трубопровода известной длины выполняется достаточно просто. Но здесь необходимо использовать изрядное количество переменных. Найти их значения можно в справочниках. А формула выглядит следующим образом:

                                                              P = b×L×(1 +K), где

P – потеря напора в метрах водяного столба. Такая характеристика применима ввиду того, что изменяется давление воды в её потоке; b – гидравлический уклон трубопровода; L – длина трубопровода в метрах; K – специальный коэффициент. Этот параметр зависит от назначения сети.

Гидравлический расчет трубопроводов

На потерю напора влияет наличие запорной арматуры и изгибы трубопровода

Данная формула значительно упрощена. На практике падение напора вызывают запорная арматура и изгибы трубопровода. С цифрами, отображающими данное явление в фасонных частях, вы можете ознакомиться, изучив следующую таблицу.

Таблица 4

Эквивалент длины прямого участка трубопровода, метры
Диаметр 300 250 200 150 125 100 80 65 50 40 32 25
Открытый на 50% запорный кран 60 60 60 45 30 30 15 15,0 15 15,0 15 15,0
Открытый на 75% запорный кран 8 8 8 6 4 4 2 2 2 3 3 2
Открытый на 100% запорный кран 2 2 2 1,5 1 1 0,50 0,50 0,5 0,5 0,50 0,5
Обратный клапан 35 25 25 20 15 10 9 8 7 6 5 4
Обратный клапан водоразборный 45 30 30 25 20 15 12 10 9 8 7 6
Коническое сужение 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0
Колено 90 градусов 7 5 4 2,7 2,5 1,7 1,30 0,9 0,70 0,6 0,40 0,3
Отвод 90 градусов 5,5 5 3 2 1,8 1,20 1 0,7 0,50 0,4 0,30 0,2

 

Некоторые элементы вышеуказанной формулы необходимо прокомментировать. С коэффициентом всё просто. Его значения можно узнать из СНиПа № 2.04.01-85.

Таблица 5

Назначение водопровода

Коэффициент
Производственно-противопожарный 0,15
Хозяйственно-питьевой 0,3
Противопожарный 0,1
Хозяйственный производственно- противопожарный 0,2

 

Что же касается понятия «гидравлический уклон», то здесь всё намного сложнее.

Важно! Данная характеристика отображает сопротивление, оказываемое трубой движению воды.

Гидравлический уклон – величина производная от следующих параметров:

  • скорость потока. Зависимость прямо пропорциональная, то есть гидравлическое сопротивление тем выше, чем быстрее движется поток;
  • диаметр трубы. Здесь зависимость уже обратно пропорциональная: гидравлическое сопротивление возрастает с уменьшением сечения ветки инженерной коммуникации;
  • шероховатость стенок. Этот показатель зависит в свою очередь от материала трубы (поверхность ПНД или полипропилена более гладкая, чем у стали). В некоторых случаях немаловажным фактором является возраст труб водопровода. Формирующиеся со временем известковые  отложения и ржавчина увеличивают шероховатость поверхности их стенок.
Гидравлический расчет трубопроводов

В старых трубах гидравлическое сопротивление возрастает, так как из-за зарастания внутренних стенок труб их просвет сужается

Использование таблицы Шевелёва

Решить проблему, связанную с определением гидравлического уклона, используя калькулятор, можно полностью с помощью таблицы гидравлического расчёта труб водопровода, разработанной Шевелёвым Ф.А. В ней приведены данные для разных диаметров, материалов и скоростей потока. Помимо этого, в таблице содержатся поправки,  относящиеся к старым трубам. Но здесь следует уточнить один момент: ко всем типам полимерных трубных изделий возрастные поправки  не применяются. Структура поверхности обычного или сшитого полиэтилена, полипропилена и металлопластика не меняется в течение всего периода эксплуатации.

Из-за большого объёма таблицы Шевелёва, полностью публиковать её нецелесообразно. Ниже приведена лишь небольшая выдержка из этого документа для трубы из пластика диаметром 16 миллиметров.

Таблица 6

Скорость, м/сек Расход  литр/сек Гидравлический уклон для трубопровода длиной 1000 метров (1000i)
1,50 0,17 319,8
1,41 0,16 287,2
1,33 0,15 256,1
1,24 0,14 226,6
1,15 0,13 198,7
0,88 0,1 124,7
0,90 0,09 103,5
0,71 0,08 84

При анализе результатов расчёта падения напора необходимо учитывать, что большая часть сантехприборов требует для нормальной работы наличие избыточного давления определённой величины. В СНиПе, принятом 30 лет назад, приводятся цифры для уже устаревшей техники. Более современные модели бытового и санитарного оборудования требуют для нормальной работы, чтобы избыточное давление составляло не менее 0,3 кгс/см2 (или 3 метра напора). Однако, как показывает практика, закладывать  в расчет лучше немного большее значение данного параметра – 0,5 кгс/см2.

Гидравлический расчет трубопроводов

Нормальная работа сантехприборов обеспечивается избыточным давлением в трубопроводе

Примеры

Для лучшего усвоения информации ниже приведён пример гидравлического расчёта пластикового водопровода. В качестве исходных принимаются следующие данные:

  • диаметр – 16,6 миллиметров;
  • длина – 27 метров;
  • максимально допустимая скорость потока воды – 1,5 м/сек.

На заметку! При сдаче водопровода в эксплуатацию испытания проводятся давлением, равным, как минимум, рабочему, умноженному на коэффициент 1,3. При этом акт гидравлических испытаний конкретной ветки трубопровода должен включать отметки об испытательном давлении, а также о продолжительности испытательных работ.

Гидравлический уклон длины 1000 метров равен (берём значение из таблицы) 319,8. Но поскольку в формулу расчёта падения напора необходимо подставить не 1000i, а просто i, этот показатель необходимо разделить на 1000. В результате получим:

        319,8:1000=0,3198

Для хозяйственно-питьевого водопровода коэффициент К принимается равным 0,3.

Гидравлический расчет трубопроводов

При расчетах важно принимать во внимание назначение водопровода

После подстановки этих значений, формула будет выглядеть так:

                               Р =0,3198×27×(1+0,3)= 11,224 метра.

Таким образом, на концевом сантехприборе избыточное давление, равное 0,5 атмосферы, будет продуцироваться при давлении  в трубопроводе системы  водоснабжения 0,5+1,122=1,622  кгс/см2. А поскольку давление в магистрали, как правило, не опускается ниже отметки 2,5 – 3 атмосфер, это условие вполне выполнимо.

Гидравлический расчёт трубопроводов систем отопления с помощью программ

Расчёт отопления частного дома – достаточно сложная процедура. Однако специальные программы её значительно упрощают. Сегодня доступен выбор нескольких онлайн сервисов такого типа. На выходе получаются следующие данные:

  • требуемый диаметр трубопроводной линии;
  • определённый вентиль, служащий для балансировки;
  • размеры элементов отопления;
  • значения датчиков перепадов давления;
  • параметры контроля термостатических клапанов;
  • числовые настройки регулирующих деталей.

Программа «Oventrop co» для выбора полипропиленовых труб. Перед её запуском необходимо определить искомые элементы оборудования и задать настройки. По окончании вычислений пользователь получает несколько вариантов реализации системы отопления. В них итерационно вносятся изменения.

Гидравлический расчет трубопроводов

Расчет теплосети позволяет правильно подобрать трубы и узнать расход теплоносителя

Данное программное обеспечение гидравлического расчёта позволяет выбрать трубные элементы магистрали нужного диаметра и определить расход теплоносителя. Оно – надёжный помощник при вычислении как однотрубной, так и двухтрубной конструкции. Удобство работы – вот одно из основных достоинств «Oventrop co». В комплект данной программы входят готовые блоки и каталоги материалов.

Программа «HERZ CO»: расчёт с учётом коллектора. Это программное обеспечение находится в свободном доступе. Оно позволяет производить расчёты вне зависимости от количества труб. «HERZ CO» помогает создавать проекты для ремонтируемых и новых зданий.

Обратите внимание! Здесь есть один нюанс: для создания конструкций  используется гликолевая смесь.

Программа тоже ориентирована на расчёт одно- и двухтрубных систем отопления. С её помощью учитывается действие термостатического вентиля, а также определяются потери давления в отопительных приборах и показатель сопротивления потоку теплоносителя.

Результаты расчётов выводятся в графическом и схематическом виде. В «HERZ CO» реализована функция справки. В программе имеется модуль, выполняющий функцию поиска и локализации ошибок. Пакет программ сдержит каталог данных о приборах для обогрева и об арматуре.

Программный продукт Instal-Therm HCR. С помощью данного программного обеспечения можно рассчитать радиаторы и обогрев поверхностей. В комплект его поставки входит модуль Tece, в котором содержатся подпрограммы для проектирования систем водоснабжения разных типов, сканирования чертежей и расчёта тепловых потерь. Программа оснащена различными каталогами, которые содержат арматуру, батареи, теплоизоляцию и разнообразные фитинги.

Гидравлический расчет трубопроводов

Протяженность трубопровода имеет важное значение для расчетов

Компьютерная программа «ТРАНЗИТ». Данный пакет программ позволяет осуществлять многовариантный гидравлический расчёт нефтепроводов, в которых имеются промежуточные нефтеперекачивающие станции (далее НПС). В качестве исходных данных выступают:

  • абсолютная шероховатость труб, давление в конце магистрали и её протяжённость;
  • упругость и кинематическая вязкость насыщенных паров нефти и её плотность;
  • марка и число насосов, включаемых как на головной станции, так и на промежуточных НПС;
  • раскладка труб по величине диаметра;
  • профиль трубопровода.

Результат расчёта представлен в виде данных о характеристиках самотёчных участков магистрали и о расходе перекачки. Помимо того, пользователю выдаётся таблица, отображающая величину давления до и после любой из НПС.

В заключение необходимо сказать, что выше были приведены самые простые методики расчётов. Профессионалы используют куда более сложные схемы.