Определение потерь давления при движении воды по системе трубопроводов

Использование таблиц для определения размеров трубы.

Существует два вида давления в системе полива.

1. Статическое давление
   
   Статическое давление характеризует свойства воды, когда она в покое т.е. она не движется. Например, в магистрали при выключенном поливе насосом создаётся давление и насос выключается при достижении заданного давления. Именно это давление и будет статическим. Значение давления в этом случае меняются только с изменением высоты водяного столба. Статическое давление показывает потенциал давления, с которым система сможет работать.
   
   
2. Динамическое давление
   
   Как только мы открываем клапан или кран, вода начинает двигаться, и в этом случае мы уже имеем дело с динамическим давлением. В этом случае появляются новые потери давления, а именно, потери давления на трение по трубопроводу и местные потери (фитинги, обратные клапаны, электромагнитные клапаны и т.д.).
   
   Необходимо всегда учитывать эти потери, которые иногда достигают внушительных цифр, чтобы избежать «непролитые» участки или получить такой случай, когда не хватает давления для того, чтобы шток дождевателя поднялся из корпуса.
   
   Динамическое давление или «рабочее давление» отличается от статического тем, что оно зависит от потерь, связанных с движением воды. Оно непосредственно связанно с расходом или тем количеством воды, которое проходит по трубе или в месте местного сопротивления.
   
   
   
   Рис. 1. Местные гидравлические потери
   
   С увеличением количества воды, протекающего по трубопроводу, увеличивается скорость движения потока, увеличивая потери в давлении. Всегда можно найти таблицу местных потерь давления в зависимости от расхода в каталогах производителей поливочного оборудования для конкретных единиц оборудования орошения.
   
   
   
   Рис. 2. Примеры потери давления на оборудовании (фрагмент каталога)
   
   

Теперь рассмотрим, как определить потерю в трубопроводе.

Для быстрого определения потерь давления при различных единицах измерения расходов (м3 /ч или л/мин) в данной статье в приложении приводятся «Таблицы потерь на трение в трубопроводе» для труб ПНД. Потери даны в бар на каждые 100 м трубы определенного диаметра (мм). Значения потерь значительно отличается для труб одного диаметра, но имеющих разный SDR. Этот факт делает каждый тип трубы гидравлически индивидуальным.

SDR означает "Standard Dimension Ratio", то есть отношение внешнего диаметра трубы к ее толщине стенки. Чем меньше SDR, тем толще стенка трубы, и наоборот. Чем толще стенка трубы, тем потери на трение будут выше, труба будет тяжелее и дороже, но будет выдержиться большее давление.

*Рис. 3. Разрез трубы

Потери на трении для данных таблицах высчитываются следующим образом:
Входные данные:
Длина трубы (100м)
Внутренний диаметр трубы
Коэффициент шероховатости трубы
Объём потока (расхода)

1 - определить скорость потока
2 - определить число Рейнольдса (на основании кинематической вязкости жидкости, скорости потока, диаметра,)
3 - определить гидравлическое трение (на основании Re, диаметра и шероховатости)
4 - определить потери (на основании гидравлического трения, длины, диаметра и скорости, а также ускорения свободного падения).

Для расчета потерь на трении используется уравнение Дарси-Вейсбаха, которое имеет следующий вид:

Δh = f ( L / D ) ( V² / 2g )

где:

Δh - потери на трении
f - коэффициент трения
L - длина трубы
D - диаметр трубы (внутренний)
V - скорость потока
g - ускорение свободного падения.

С помощью таблиц приведенных в приложении помимо значений потерь вы также можете определить скорость движения воды для улучшения гидравлических расчетов.

Скорость потока (м/с) – значение, с которым вода двигается через компоненты трубопровода системы полива, очень важный фактор в анализе гидравлического расчета. Чем быстрее вода движется по трубе, тем выше потери на трение. Слишком большие скорости потока воды могут, также быть причинами других проблем (гидравлические удары, выход из строя запорного оборудования и т.д.).

Опытным путем и с помощью расчетов установлено, что скорость потока равная 1,5 м/с, является оптимальной для движения воды по пластиковым трубам. Дальнейшее увеличение скорости потока, приводит к непропорциональному увеличению значения потерь давления, порой в разы, что может привести к неприятным последствиям, когда на отдаленных зонах вы будете иметь давление, при котором полив осуществляться будет некорректно. А также, при скоростях меньших или равных 1,5 м/с, в системе снижается вероятность появления повреждений, связанных с гидравлическим ударом.

Рис. 4. Зависимость потерь на трение от потока и характеристик трубопровода

В данной таблице значения скорости в затемненной области превышают 1,5 м/с. Советуем при подборе диаметра труб полива, использовать значения над затемненной областью.

Как использовать таблицы потерь на трении.

Рис. 5. Использование таблицы потерь

1. В данной строчке указан тип трубы и SDR для которой рассчитаны потери
2. Номинальный диаметр трубы (наружный)
3. Внутренний диаметр трубы
4. Толщина стенки трубы.
5. В данном столбце указан поток он же расход, при котором рассчитаны потери в л/мин и м3/ч
6. Скорость потока в м/с
7. Потери давления в бар.

Далее зная расход в зоне (рассчитанный в проекте), смотрим в таблицу в столбик с расходами и находим нужный нам расход.

Пример:
Нам нужно подобрать диаметр магистрального трубопровода. Мы знаем, что максимальный расход в зоне 1 у нас 63 л/мин или 3,8 м3/ч Находим это значение. Проводим горизонтальную линию соответствующей строчки

Рис. 6. Использование таблицы потерь

Мы видим, что для диаметра трубы 25мм и 32мм показатели скорости потока превышают 1,5м/с и находятся в серой зоне.
Соответственно, выбираем ближайший диаметр, в котором при данном расходе показатели находятся вне серой зоны. В нашем примере это труба с диаметром 40мм. При расходе 63,3 л/мин или 3,8 м3/ч скорость потока в трубе будет 1,16 м/с и потери давления на 100 метров будут составлять 0,45 бар.