Гидравлическое сопротивление трубы из сшитого полиэтилена

Расчет водяного теплого пола с точки зрения систем укладки труб и с точки зрения расчета гидравлического сопротивления, соответственно балансировки всей системы водяного теплого пола.

Есть три основные типа укладки труб теплого пола -: Рис № 1 – улитка, Рис № 2 – змейка и Рис № 3 – двойная змейка. Какой из них лучше? Каждый имеет право на применение в зависимости от обстоятельств.

Красная часть трубы, половина длинны трубы, принимается за горячую.,

Синяя часть трубы, вторая половина длинны трубы, за холодную.

Главное требование с точки зрения работоспособности системы водяного «Теплого пола» это

потеря давления или гидравлическое потери одной петли не должно превышать 20 000 Па

( 20 Кпа, 0.2 Бар, 0.02 Мпа).

Максимальная длинна петли теплого пола не должна превышать для трубы 16х2 – 100 метров(желательно – 80 м ) для трубы 20х2 ― 140 метров (желательно 120 м).

При соблюдении этих правила не возникает опасности появления «запорной петли». Когда увеличение мощности насоса пропорционально увеличивает гидравлические потери, которые требуют большей мощности насоса и т.д.

Без : формул, но достаточно точно +/- 10 %, можно посчитать гидравлические потери в каждой петле «Теплого пола». Весь расчет строиться:

1. На скорости теплоносителя внутри трубы (при его температуре 30 гр. С) – примем ее максимальную для трубы 16 х 2 – 0.35 м/сек. и для трубы 20 х 2 – 0.2 м/сек. , т.е. при этих скоростях расход воды ( кг/ сек. )у этих труб будет примерно одинаковым. Эту скорость можно контролировать по расходомерам, установленным на гребенке «Теплого пола», на каждой петле.

2. На гидравлических потерях , при этой скорости и температуре теплоносителя, 1 метра прямого участка трубы: для трубы 16х2 –160 Па, для трубы 20х2 ― 50 Па.

3. На гидравлических потерях, при этой скорости и температуре теплоносителя, на каждом повороте трубы составит :

На поворот 90 гр. для трубы 16х2 – 35 Па, 20х2 ― 20 Па.

..На поворот на 180 гр. для трубы 16х2 ― 70 Па, для трубы 20 х 3 -40 Па.

Теперь каждый может посчитать, какие гидравлические потери будут в каждой петле теплого пола..

Приведу пример расчета Рис № 1. Условие ― труба 16х2 , длинна петли 80 метров. Шаг ( расстояние между трубами в петле теплого пола) не влияет на расчёты, но выше приведенные условия рассчитаны для среднего шага 150 мм. .

1. Определяем гидравлические потери в трубе, разложенной по прямой линии 80 метров х 160 Па = 16 000Па.

2. Считаем количество углов по 90 гр и по 180 гр. в нашей схеме Рис № 1 получается 18 углов по 90 гр. и 2 угла по 180 гр.

3. Определяем гидравлические потери на углах 90 гр. 18 углов х 35 Па = 630 Па. и 2 угла по 180 гр. – 2 угла х 70 Па.= 140 Па.

4. Суммируем все потери 16 000 Па + 630 Па + 140 Па = 16 770 Па

основные условия для этой петли выполнены: меньше 20 000 Па. и меньше 100 метров длинна петли

Эти расчеты важны для балансировки петель «Теплого пола» , подключенных к одной гребенке, для его нормальной работы , т. к . для одной гребенки т надо стараться сделать так, чтобы гидравлические потери самой длинной петли и самой короткой петли отличались примерно не более чем на 25- 30 % и чем меньше отличие тем лучше .

И теперь вернемся к вопросу схем укладки трубы представленных на рис 1,2,3.

Схема укладки Рис № 2 «двойной змейки» имеет примерно на !0 % большее гидравлические потери, при одних и тех же условиях работы, чем схема на Рис № 1-« улитка». Значит, петлю с меньшей длиной лучше уложить « двойной змейкой», чтобы увеличить гидравлические потери петли и приблизить их к гидравлическим потерям самой длинной петли, а самую длинную петлю возможно лучше уложить трубой 20 х 2 ,чтобы снизить гидравлические потери в этой петле и приблизить их к самой короткой. Так манипулируя схемами укладки и диаметром труб можно уменьшить разброс гидравлических потерь в петлях Теплого пола, подключенных к одной гребенке.

Правильно рассчитанный водяной теплый пол это полови условия длительной нормальной его работы .

Второе и самое важное условие это выбрать правильный тип труб для изготовления и качество этих труб должно соответствовать Европейским стандартам :

Вы открыли сайт компании ООО «Стандарт полимер». производителя металлопластиковых труб для отопления, водоснабжения и теплого пола в РБ . Запрос, «водяной теплый пол», по которому Вы зашли на наш сайт предполагает, что Вы находитесь, как нам кажется, в стадии принятия решения ― создания на Своем объекте водяного теплого пола

Ниже представленную информацию Вам представляет директор компании ― ООО «Стандарт полимер» ― Амельченко Валентин Павлович. Компания, в г. Минске, производит металлопластиковые трубы и пресс фитинги для них. Автор этой публикации внес дополнения и изменения в СТБ 1908 -2008 с изменением №1.

Автор этой публикации так же хорошо знаком с теории полимерных материалов , физико – химических свойствах этих материалов, особенно такого полимерного материала , как полиэтилен. На основании этого считаю, что могу дать компетентную информацию посетителю нашего сайта.

. Главным элемент ом водяного теплого пола является труба, которую Вы примените для его создания. От этого элемента (трубы) зависит, сколько лет этот водяной теплый пол, без проблем, будет работать ― .5 или 50 лет. 50 лет работы водяного теплого пола могут обеспечить только два типа труб:

1. Мягкая (отожженная) медная труба. .В виду высокой стоимости медной трубы, Мы ее рассматривать не будем.

2. Металлопластиковая труба.

Если в первом варианте ― медная труба, приобрести не качественную медную трубу практически исключается, то с металлопластиковыми трубами все с точностью наоборот. Металлопластиковые трубы, представленные на рынке РБ, которые действительно проработают минимум 50 лет, в системе водяного теплого пола, представлены крайне не достаточно и причин этого крайне много. Перечисление всех их, в данной статье, займет много времени. Кого из наших читателей интересуют более подробная информация по этой проблеме, смотрите на нашем сайте в разделе «Новые статьи» статью 2.2 и другие статьи с индексом 2,3 и 4.

Остановлюсь только на основном требовании к металлопластиковой трубе, которое гарантирует работу этой трубы во внутренних системах отопления, водоснабжения и теплый пол для зданий и сооружений. Эту гарантию дают только полимерные материалы, которые применяются производителем металлопластиковых труб, для их производства. Требования к этим материалам должно соответствовать Европейским стандартам ISO на этот вид изделий:

Приведу только один пример – полимерные материалы, для металлопластиковой трубы с аббревиатурой PE – RT / AL / PE – RT и гарантией работы 50 лет делает, пока, только один производитель в мире это Corp . «DOW Chemical» USA ( крупнейший мировой химический концерн -70 000 работающих) изготавливающая « термостойкий полиэтилен PE-RT» под маркой Dowlex 2344 или 2388. Эта компания придумала этот материал и запатентовала его. Соответственно, МП трубы с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT соответствующая стандарту ISO 22391 должна быть изготовлена только из этого материала Dowlex 2344 или 2388. Комментарий к таблице:

К примеру ― металлопластиковая труба с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT, размер 1 6 х 2 , при постоянной работе с температурой теплоносителя протекающего внутри трубы равного 110 гр. С и постоянным давлением в трубе 6.5 Бар,. изготовленной из полимерного материала Dowlex 2344 прослужит 1.55 года, из Dowlex 2388 прослужит 1.47 года . Требование , Европейского стандарта ISO 22391( " Ke factor ") к выше приведенным параметрам работы трубы составит 1 год.

В тоже время, эта металлопластиковая труба, но с температурой теплоносителя 70 гр. С и давлением 6.5 Бар, из полимерного материала Dowlex 2344 прослужит- 77.29 года, из Dowlex 2388 -73.29 года . Требование , Европейского стандарта ISO 22391( " Ke factor ") к этим условиям работы трубы должен составлять 50 лет.

Колонка " Ke factor " это требование Европейского стандарта ISO 22391 в годах. к сроку службы трубы из PE-RT

Все производители металлопластиковых труб, как очень известные, так и никому не известные, изготавливающие свои трубы с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT из выше названного полимерного материала будут однозначно работать минимум 50 лет. Наш читатель, конечно понимает, что любой качественный продукт стоит не дешево. Соответственно, металлопластиковые трубы, сделанные из этих полимерных материалов, стоят не дешево. Приведу пример, проверенных нами на качество, металлопластиковых труб немецкого производителя компании « Oventrop », его труба достаточно широко представлена на рынке РБ. Цена на их трубы очень высокая и конкурировать по цене на рынке РБ ей крайне сложно, а вот по качеству своей продукции она на первых местах на этом рынке. Ведь цену видит каждый покупатель, а качество металлопластиковых трубы. по внешнему виду не видно, они все примерно одинаковы. Доказывать покупателю, что цена на продукцию соответствует ее качеству, всегда крайне сложно, ведь проверить качество труб покупатель сможет в процессе их эксплуатации, а. гарантия на этот тип продукции в РБ составляет 3 года.

Компания ООО "Стандарт полимер" с полной уверенностью маркирует свою металлопластиковую трубу сроком гарантии работы трубы 50 лет и более, т.к это гарантирует производитель полимерного материала из которого изготавливается труба.

Компания ООО "Стандарт полимер" с полной уверенностью маркирует свою металлопластиковую трубу сроком гарантии работы трубы 50 лет и более.

Selecting Characteristics of Polyethylene Pipes depending on the Hydraulic Calculation Results

Keywords: pressure polyethylene pipes, single-layer pipes, multi-layer pipes, hydraulic calculation of pipelines, flow head losses

Use of pressure polyethylene (PE) pipes for construction of outside networks is becoming more and more popular over the last years. An important stage of outside water supply pipelines’ design is correct selection of pipes. This article describes the main characteristics of pipes, provides an algorithm for hydraulic calculations and recommendations on selection of pipes based on their characteristics.

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В данной статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета и рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета, преставлены рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Использование труб из полиэтилена для устройства трубопроводов наружного водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов обусловлено рядом преимуществ, которыми ПЭ-трубы обладают по сравнению с трубами из традиционных материалов, а именно:

• коррозионная стойкость;
• срок службы не менее 50 лет * ;
• санитарно-гигиеническая и экологическая безопасность;
• низкая шероховатость и практическое отсутствие зарастания труб;
• высокая стойкость к гидроабразивному износу;
• высокая химическая стойкость;
• устойчивость к гидравлическим ударам;
• устойчивость к воздействию блуждающих токов (не проводят ток);
• небольшой вес труб;
• легкость транспортирования;
• прочность сварных соединений, превосходящая прочность самих труб;
• высокая ремонтопригодность.

Типы напорных полиэтиленовых труб и выбор способа прокладки

Трубы для водоснабжения и канализации изготавливаются в соответствии с ГОСТ 18599–2001 [1]. Выпускаются следующие типы напорных труб из полиэтилена:

• однослойные трубы с защитной оболочкой и без нее;
• многослойные трубы.

Трубы с защитной оболочкой предназначены для траншейного и бестраншейного способов прокладки напорных сетей водоснабжения и водоотведения.

Однослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC с/без защитной оболочки

Пример возможного вида труб приведен на рис. 1, 2.

Многослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC

Трубы изготавливаются из ПЭ 100 и ПЭ 100 RC. ПЭ 100 RC – новый тип полиэтилена. Отличительной чертой полиэтилена ПЭ 100 RC является повышенная стойкость к распространению трещин по сравнению с обычным полиэтиленом ПЭ 100. При условии соблюдения правил монтажа и эксплуатации срок службы сетей из труб ПЭ 100 RC составляет 100 лет. В соответствии с классификацией труб из ПЭ100 RC РМД 40–20–2016 трубы с защитной оболочкой относятся к типу 3.

Наружные сети из полиэтиленовых труб рекомендуется прокладывать подземным способом, так как при надземной прокладке требуется защита трубопровода теплоизоляционными материалами для предотвращения замерзания транспортируемого вещества при отрицательных температурах воздуха и нагрева стенок труб при воздействии солнечной радиации и повышенных температур воздуха (табл. 1).

Полиэтиленовые трубопроводы также могут быть проложены:

• в зданиях (внутрицеховые или внутренние трубопроводы) на подвесках, опорах и кронштейнах;
• открыто или внутри борозд, шахт, строительных конструкций, в каналах, образованных, например, из гофрированных пластмассовых труб, скрыто;
• вне зданий (межцеховые или наружные трубопроводы) на эстакадах и опорах (в обогреваемых или необогреваемых коробах и галереях), в каналах (проходных или непроходных) и в грунте (бесканальная прокладка).

Понятия MRS и SDR, применяемые при подборе труб и расчете трубопроводов из полиэтилена

Полиэтилен, как и все термопласты, является вязкоупругим материалом, поведение которого в деформированном состоянии зависит от нагрузки, температуры и времени. Это означает, что закон Гука для него не применим и в соответствии с ГОСТ ИСО 12162 [2] и ISO 9080[3] допустимая нагрузка на трубу при прочих равных условиях зависит от величины минимальной длительной прочности материала, обозначаемой как MRS (Minimum Required Strength). Минимальная длительная прочность – напряжение, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет в результате испытаний труб на их стойкость к внутреннему гидростатическому давлению воды при ее температуре 20 °C. Напряжение, возникающее в стенке трубы, как известно, прямо пропорционально гидростатическому давлению и приведенному среднему радиусу трубы и обратно пропорционально толщине ее стенки. Поэтому при прочих равных условиях с увеличением толщины стенки трубы увеличивается и допустимое гидростатическое давление, которое в ней может быть создано.

Максимально допустимое рабочее давление в трубопроводе обозначается как MOP (Maximum Allowable Operating Pressure) и определяется по формуле

(1)

С – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1,25 для водопроводов из полиэтиленовых труб;

SDR – стандартное размерное соотношение, равное отношению номинального наружного диаметра трубы dн к номинальной толщине стенки е, определяется по формуле

(2)

Между SDR и номинальным рабочим давлением PN труб существует зависимость, представленная в табл. 2.

Для маркировки труб вместо SDR иногда используется трубная серия S.

Выражение SDR – 1, входящее в формулу (1), характеризует трубную серию S

(3)

Максимальное рабочее давление в трубопроводе, МПа

(4)

σ – допускаемое напряжение в стенке трубы, равное MRS/C, МПа.

(5)

Зависимости (1) – (5) дают возможность рассчитать соотношение диаметра и толщины стенки трубы применительно к конкретным условиям объекта строительства. Окончательно выбор диаметра трубы производится на основании гидравлического расчета трубопровода.

Гидравлический расчет полиэтиленовых напорных трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов выполняется с целью определения потерь напора потока, на основании чего в дальнейшем выбираются диаметр труб и марка повысительного (или вакуумного) насоса.

Потери напора Н, мм вод. ст., в общем случае течения жидкости равны

(6)

i – удельная потеря напора на трение, м/м;

hм.с. – потери напора в местных сопротивлениях, м;

l – расчетная длина трубопровода, м;

hв – потери напора в водоизмерительных устройствах, м;

hг.в – геометрическая высота подъема воды (плюс или минус), м;

hг – гарантийный напор перед насосным оборудованием, м;

hсв.н – свободный напор, необходимый для создания комфортной струи в водоразборной арматуре.

Удельная потеря напора i определяется по формуле

(7)

λ – коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода;

V – скорость течения жидкости, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

dр – расчетный диаметр труб, м. Допускается определять как d – 2е (наружный диаметр минус две толщины стенки).

Скорость течения жидкости равна

(8)

q – расчетный расход жидкости, м³/c;

w = πdр2/4 – площадь живого сечения трубы, м².

Коэффициент сопротивления трения λ определяется в соответствии с регламентами СП 40-102–2000 [4]

(9)

b – некоторое число подобия режимов течения жидкости. При b > 2 принимается b = 2.

(10)

Re – фактическое число Рейнольдса.

(11)

υ – коэффициент кинематической вязкости жидкости, мг/с. При расчетах холодных водопроводов принимается равным 1,31 · 10 м²/с – вязкость воды при температуре +10 °C;

Reкв – число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений

(12)

Кэ – гидравлическая шероховатость материала труб, м. Для труб из полимерных материалов принимается Кэ = 0,00002 м, если производитель труб не дает других значений шероховатости.

В случае течения, когда Re > Reкв, расчетное значение параметра b становится равным 2 и формула (9) существенно упрощается, обращаясь в известную формулу Прандтля

(13)

При Кэ = 0,00002 м квадратичная область сопротивлений наступает при скорости течения воды (υ = 1,31 · 10–6 м²/с), равной 32,75 м/с, что практически недостижимо в коммунальных водопроводах.

Затраты электроэнергии на перекачку жидкости находятся в прямой пропорциональной зависимости от величины Н (при прочих равных условиях). Подставив выражение (9) в формулу (8), нетрудно увидеть, что величина i (а следовательно, и Н) обратно пропорциональна расчетному диаметру dp в пятой степени

(14)

Выше показано, что величина dp зависит от толщины стенки трубы е: чем тоньше стенка, тем выше dg и тем, соответственно, меньше потери напора на трение и затраты электроэнергии.

Таким образом, результаты расчетов толщины стенки е трубы по формулам (1) – (5) в сочетании с результатами гидравлических расчетов по формулам (6) – (14) позволяют выбрать трубу с конкретным значением SDR и конкретным значением MRS. В зависимости от величины расчетного расхода жидкости на объекте и требуемого напора подбирается марка повысительного (вакуумного) насоса. Если в дальнейшем по каким-либо причинам меняется значение MRS трубы, ее диаметр и толщина стенки (SDR) должны быть пересчитаны.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев применение труб с MRS10,0 взамен труб с MRS8,0 позволяет на один типоразмер уменьшить диаметр трубопровода. Например, применение компанией «ИКАПЛАСТ» полиэтилена ПЭ 100 (MRS10,0) взамен полиэтилена ПЭ 80 (MRS8,0) для изготовления труб позволяет уменьшить толщину стенки труб, их массу и материалоемкость.

Литература

1. ГОСТ 18599–2001 «Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия (с изменением №1)». М., 2001.
2. ГОСТ ИСО 12162–2017 «Материалы термопластичные для напорных труб и соединительных деталей. Классификация и обозначение. Коэффициент запаса прочности». М., 2017.
3. ГОСТ Р 54866–2011 (ИСО 9080:2003) «Трубы из термопластичных материалов. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции». М., 2011.
4. СП 40-102–2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования». М., 2000.

Статья подготовлена по материалам компании ООО «ИКАПЛАСТ».

* При использовании в сетях холодного водоснабжения и канализации в соответствии с ГОСТ 18599–2001.

Гидравлическое сопротивление – это сопротивление движению потока рабочей среды, которое оказывается со стороны трубопроводной системы и оценивается количеством потерянной удельной энергии, безвозвратно расходуемой на работу сил трения. При этом гидропотери могут возникать в результате:

• Трения по длине. Даже на прямых отрезках трубопровода создаётся противодействие движущемуся потоку. Это возникает на фоне появления сил вязкого трения. Причём с увеличением длины прямолинейного участка повышается сопротивление внутри трубопровода на данном участке.
• Местных факторов. Это могут быть повороты, различные сужения, тройники, краны и прочее.

Расчет гидравлического сопротивления и его роль

Любая трубопроводная коммуникация имеет не только прямолинейные участки, но и повороты, ответвления, для создания которых используются различные фитинги. А для регулирования потока рабочей среды устанавливается запорная арматура. Всё это создаёт сопротивление, поэтому очень важно перед тем, как приступать к монтажу трубопровода, необходимо выполнить ряд расчётов, в том числе определить гидравлическое сопротивление. Это позволит в будущем сократить теплопотери и, соответственно, избежать лишних энергозатрат.

Гидравлический расчёт выполняется с целью:

• Вычисления потерь давления на конкретных отрезках системы отопления;
• Определения оптимального диаметра трубопровода с учётом рекомендованной скорости перемещения рабочего потока;
• Расчёта тепловых потерь и величины наименьшего давления в трубопроводе;
• Правильного выполнения увязки параллельно расположенных гидравлических ветвей и закреплённой на ней запорной арматуры.

Во время движения по замкнутому контуру рабочему потоку приходится преодолевать определённое гидравлическое сопротивление. Причём с увеличением его значения, должна увеличиваться мощность насоса. Только правильные расчёты помогут выбрать оптимальный вариант насоса. Нет смысла покупать слишком мощное оборудования для трубопроводов с низким гидравлическим сопротивлением, ведь, чем больше мощность, тем выше энергозатраты.

А если мощность будет, наоборот, недостаточной, то насосное оборудование не сможет обеспечить достаточный напор теплоносителя, что приведёт к увеличению тепловых потерь.

Коэффициент гидравлического сопротивления трубы

Это безмерная величина, показывающая, каковы потери удельной энергии.

Ламинарное перемещение рабочего потока

При ламинарном (равномерном) перемещении рабочей среды по трубопроводу круглого сечения потери давления по длине вычисляется по формуле Дарси-Вейсбаха:

– потери давления по длине;

– коэффициент гидравлического сопротивления;

v – скорость движения рабочей среды;

g – ускорение силы тяжести;

d – диаметр трубопроводной магистрали.

Практически определено, что на коэффициент гидравлического сопротивления непосредственное влияние оказывает число Рейнольдса (Re) – безмерная величина, которая характеризует поток жидкости и выражается отношением динамического давления к касательному напряжению.

Если Re меньше, чем 2300, то для расчёта применяется формула:

Для трубопроводов в форме круглого цилиндра:

Для трубопроводных коммуникаций с другим (не круглым) сечением:

Где А=57 – для квадратных труб.

Турбулентное течение рабочего потока

При турбулентном (неравномерном, беспорядочном) перемещении рабочего потока коэффициент сопротивления вычисляют опытным путём, как функцию от Re. Если необходимо определить коэффициент гидравлического сопротивления для магистрали круглого сечения с гладкими поверхностями при

, то для расчёта применяется формула Блаузиуса:

В случае турбулентного перемещения рабочей среды на величину коэффициента трения влияет число Рейнольдса (характер течения) и насколько гладкая внутренняя поверхность трубопроводной коммуникации.

Коэффициент местного сопротивления

Это безмерная величина, которая устанавливается экспериментальным путём с помощью формулы:

– коэффициент местного сопротивления;

– потеря напора;

– отношение скорости потока к ускорению силы тяжести – скоростной поток.

При неизменной скорости перемещения рабочей среды по всему сечению применяется формула:

, где

– энергия торможения.