Шероховатость поверхности промышленных труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидравлические гладкие и шероховатые трубы (русла). Толщина вязкого подслоя (ламинарной пленки)

Шероховатость поверхности водотоков (труб, каналов и т.д.) может быть различной.

Стенка трубы не является абсолютно гладкой. Она имеет выступы и впадины, называемые шероховатостями. Они имеют разную высоту и расположены на разном расстоянии друг от друга. Такая шероховатость называется неравномерной или неравномерно расположенной.

Средняя высота выступов шероховатостей стенки в гидравлике называется и обозначается К или Д. Строго говоря, шероховатость любой стенки трубы или канала является индивидуальной характеристикой и никогда не повторяется полностью на другой стенке. Чтобы можно было сравнивать стенки между собой, в гидравлике вводится понятие равномерной и эквивалентной шероховатости.

Равномерной называется шероховатость, имеющая одинаковую высоту выступов, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. В природе такая шероховатость не существует. Её можно создать только искусственно. Если поверхность труб и открытых лотков покрыта специально отсортированными зёрнами песка одной фракции, то шероховатость получается равнозернистая и равномерно расположенная по поверхности стенки.

Ее используют только в лабораторных условиях. При этом размеры зёрен являются масштабом зарождающейся турбулентности на стенке.

Выступы технологической шероховатости имеют неодинаковую высоту, форму и плотность распределения по поверхности трубы. Её оценивают некоторой средней высотой Д_Э, называемой эквивалентной шероховатостью.

Поверхность промышленных труб и открытых водотоков обычно неравнозернистая и неравномерно расположенная по поверхности стенки. Она может быть волнистой с различными высотами и длинами волн (или микроволн).

В трубах помимо выступов с неодинаковыми размерами и формой и регулярная шероховатость. Она обусловлена технологией изготовления и назначения труб (например гофрированные трубы). Пример гофрированных труб - гибкие участки в системах холодного, горячего водоснабжения и отопления.

Синтетические гофрированные дренажные трубы различают по очертаниям гофров и относительному расстоянию S/h между вершинами гофров.

В синтетических негофрированных трубах отношение длины S к их высоте h составляет от 15 до 35.

В водотоках, проходящих в песчаных несвязанных грунтах, на дне (а иногда и на откосах) образуются различные формы рельефа (гряды - более крупные образования, рифели - более мелкие). Поверхность этих форм покрыта зернами песка, или других более крупных частиц.

Эквивалентная шероховатость называется абсолютная равномерная шероховатость, которая вызывает также гидравлические потери, как и шероховатость на реальной стенке трубы. Обозначается К_Э или Д_Э.

Абсолютная шероховатость полностью не может характеризовать гидравлическое сопротивление стенки, так как одна и та же её величина в "тонкой" трубе имеет большее значение, чем в "толстой".

Поэтому вводится понятие относительной шероховатости, являющейся отношением эквивалентной шероховатости к диаметру трубы К_Э/d или Д_Э /d. Или к радиусу К_Э /r или Д_Э /r.

Величина, обратная относительной шероховатости называется относительной гладкостью трубы d /К_Э или d/ Д_Э.

Могут быть и другие виды шероховатости с выступами различных размеров по всем трём координатам X,Y,Z. Взаимное расположение элементов шероховатости также может быть различным. Учет конкретных особенностей шероховатости необходим в гидравлических исследованиях и расчетах при проектировании инженерных систем, а также при разработке энергосберегающих мероприятий, связанных с прокачкой различных жидкостей в трубах коррозионностойких покрытий, эмали ПОЛАК (ЭП-21, ЭП-41, ФП-37, которые рекомендованы для антикоррозионной защиты газопроводов, нефтепроводов, инженерных сетей и т. д.).

Для определения коэффициентов гидравлического трения (коэффициента Дарси) никому из исследователей не удалось пока создать единую формулу из-за сложности поведения параметра л в зависимости от числа Рейнольдса, относительной шероховатости, режима течения и структуры потока. Поэтому все случаи течения вязкой жидкости с гидравлическим сопротивлением были разбиты на пять областей или зон:

1) ламинарная;

2) переходная от ламинарного режима к турбулентному;

3) гидравлически гладких труб;

4) переходная (доквадратичная);

5) квадратичная или зона вполне шероховатых труб и развитой турбулентности, автомодельная, зона, где коэффициент гидравлического трения л не зависит от числа Re.

При этом ламинарное течение наблюдается только в первой зоне. Во всех остальных зонах ламинарное течение наблюдается (сохраняется) только в тонкой пленке пристенного приграничного слоя или в вязком подслое. Центральная же часть потока вязкой жидкости называется ядром турбулентности.

Если толщина вязкого подслоя д_b превышает толщину абсолютной шероховатости Д (д_b > Д), то все неровности полностью погружены в ламинарную пленку. Ядро потока как бы катится по пленке, не чувствуя шероховатости стенок. В этом случае шероховатость стенок не влияет на особенности движения ядра потока и, соответственно, потери напора не зависят от пристенной шероховатости.

Такие стенки условно называют гидравлически гладкими.

Хотя некоторые исследователи (Конт Бело), используя термоанемонитры и другие чувствительные датчики скоростей, показали, что турбулентные пульсации могут проникать вплоть до самой стенки, но они затухают в вязком подслое.

Если высота выступов шероховатости Д превышает толщину вязкого подслоя (Д > д_b), нервности стенок выходят в пределы турбулентного ядра.

Поток обтекает выступы с отрывом, сопровождающимся порождением мелкомасштабных вихрей и интенсивным перемешиванием частиц.

В этом случае потери напора на трение сильно возрастают и уже зависят от шероховатости. Такие трубы (или русла) называются гидравлически шероховатыми.

Толщина вязкого подслоя или ламинарной пленки, может быть вычислена по формуле:

д_b = 30d

Rev л

где л - коэффициент гидравлического трения (Дарси).

По ней с увеличением числа Re, а также коэффициента Дарси л вязкого подслоя уменьшается.

Разделение стенок (трубы, русла) на гидравлически гладкие и шероховатые условно. Толщина вязкого подслоя д_b обратно пропорциональна числу Re и v л. Она при движении потока жидкости вдоль одной и той же поверхности с неизменной высотой выступа шероховатости может изменяться.

При увеличении числа Re толщины д_b уменьшается. И стенка, бывшая гидравлически гладкой, проявляет себя шероховатой, так, как высота выступов шероховатости окажется больше толщины вязкого подслоя (Д > д_b). Шероховатость станет влиять на характер движения турбулентного ядра и, следовательно, потери напора в трубе возрастают.

Экспериментальные исследования коэффициента Дарси. Опыты И. Никурадзе, А.П. Зетжда, Ф.А. Шевелева, Г.А. Мурина

Ранее в гидравлике существовало много зависимостей для коэффициента гидравлического трения Дарси л. Но справедливы они были только для частных случаев движения жидкостей. Например, для воды с определенной скоростью в трубе из определенного материала и ограниченного диаметра. Поэтому стал необходим принцип обобщения опыта и распространения его на все случаи движения потока вязкой жидкости.

Если будет одно и то же число Рейнольдса Re и одна и та же относительная шероховатость, будет ли одинаковым коэффициент гидравлического трения л? Оказалось, будет.

Экспериментальное изучение коэффициента Дарси л от числа Re и относительной шероховатости для шероховатых труб было проведено И. Никурадзе а для прямоугольных лотков с искусственной (песочной) шероховатостью (открытые потоки) - А.П. Зегждой.

Для создания этой равнозернистой шероховатости через сита просеивали песок одной фракции, т.е. одинаковых размеров. Затем равномерно наносили песок на стенки, покрытые лаком. Песок приклеивался к стенкам. Размеры зерен песка принимали за размер выступа шероховатости Д. В результате для опытов были подготовлены трубы и лотки с различными значениями относительной шероховатости стенок: Д / r_o или Д / d для труб и Д / R для лотков или относительной гладкости: r_o /Д, d / Д и R /Д.

В опытах были измерены потери напора h_c по показателям пьезометрических высот по длине и расход Q, вычислены средние скорости потоков и коэффициенты гидравлического трения л. По существу исследователями делалась попытка оценить влияние как внутреннего трения, так и поверхностного трения, а также турбулентного перемешивания в пристенном пограничном слое труб и лотков на основные гидравлические характеристики потоков вязкой жидкости.

При некотором значении Re (тем меньшего, чем больше относительная шероховатость) коэффициент Дарси л перестает зависеть от числа Re. Проявляется автомодельность режима.

При турбулентном режиме движения потока вязкой жидкости при одних и тех же значениях Re коэффициент л тем больше, чем выше относительная шероховатость труб (или каналов).

Результаты своих исследований И. Никурадзе представил в виде графика л =f (Re; Д/ r_o). Они наглядно свидетельствуют о наличии различных областей гидравлического сопротивления при напорном движении потока вязкой жидкости в трубах.

1-я зона движения - ламинарный режим, прямая I - I, которая построена по зависимости Пуазейля л=f(Re^-1).

Для этой зоны характерно:

а) Re < 2320;

б) л=f(Re);

в) величина гидравлически потерь h_e ~V¹ (пропорциональны средней скорости в 1-ой степени):

h_e = л.

Все опытные точки И. Никурадзе до lg Re = 3,35 (Re<2300) при ламинарном режиме движения независимо от шероховатости стенок труб укладываются на прямую I-I. Это значит, что при ламинарном движении л не зависит от шероховатости стенки трубы.

2 - зона - зона переходного режима к турбулентному. При Re = 2300…3000 (lgRe = 3,35…3,5).Это сравнительно узкая переходная область, в которой наблюдаются ламинарно-турбулентная перемежаемость. В опытах с равнозернистой шероховатостью в пределах 2300 < Re < 4000 коэффициент л также не зависит от шероховатости.

Для 1- ой и 2-ой зон ламинарный пограничный слой полностью открывает выступы шероховатостей.

3 - я область - турбулентный режим, гидравлически гладкие трубы, л_rл = f(Re^-0,25), прямая II - II, которая строиться по зависимости Блазиуса:

л_rл =

а) величина гидравлических потерь h_e ~V^{1, 75};

докажем это:

h_e=.

Границы области гидравлически гладких труб колеблются от 3,1 lg Re до 5,1 lg Re.

4 - я область - турбулентный режим переходная область между зоной гидравлически гладких труб и квадратичной областью, л=f(Re, ), (между прямой II-II и III-III)

а) h_e ~V^p, где 1,75<p<2;

б) л=f (Re, ).

Для этой области выступы (или гребешки) шероховатости соизмеримы с толщиной ламинарной пленки. Лишь некоторая часть выступов проникает сквозь пленку в ядро. Поэтому возрастает гидравлическое сопротивление.

Область гидравлического сопротивления при расчетах определяют непосредственно по графикам л=f(Re, ),, полученным опытным путем для труб из различных материалов и приведенным в справочной литературе, например, по графику Никурадзе, или же с помощью соотношений 10 d/Д_Э и 500 d/Д_Э, предложенных А.Д. Альтшулем на основе использования упомянутых графиков. В последнем случае поступают следующим образом.

Вычисляют соотношения 10 d/Д_Э 500 d/Д_Э и сравнивают их с числом Re = . При этом, если Re , трубопровод работает в области гидравлически гладких труб.

Если Re , трубопровод работает в области квадратичного сопротивления. Если же , трубопровод работает в области переходного от гидравлически гладких труб к трубам с развитой шероховатостью (турбулентностью) - в области доквадратичного сопротивления.

Для каждой области гидравлического сопротивления предложены и используют при гидравлических расчетах свои формулы для коэффициента л.

5- а область квадратичного сопротивления, л_кв f (Re), линии III, т. е. л от числа Re не изменяется, а изменяется только от относительной шероховатости.

а) л = ;

б) потери h_e ~V²:

h_e = л= .

Поэтому название квадратичная область сопротивления указывает, что потери напора зависят от квадрата средней скорости. В таком случае констатируют также, что имеет место автомодельность по числу Рейнольдса, т. е. независимость л от Re (правее линии III-III). Для этой зоны характерно, что выступы шероховатости Д_Э больше толщины ламинарной пленки и проникают в турбулентное ядро. Поэтому они оказывают определяющее влияние на величину гидравлических потерь в трубах (каналах).

При турбулентном движении и Re > 4000, экспериментальные кривые различные в зависимости от относительной гладкости . При больших относительных шероховатостях ( = ) кривая продолжает подниматься, а затем при Re = становиться горизонтальной. При меньших относительных шероховатостях экспериментальные точки сначала независимо от относительной шероховатости ложатся на кривую гидравлически гладких труб. Но при достижении Re = 20 , эта точка отходит от неё, образуя впадину, и при Re = 500 превращается горизонтальную кривую.

Величину коэффициента гидравлического трения л вычисляют по опытным данным из формулы Дарси - Вейсбаха. При гидравлических расчетах по эмпирическим и полу эмпирическим формулам, например, при ламинарном режиме л_л = , а при турбулентном режиме и работе трубопровода в области доквадратичного сопротивления - по формуле А. Д. Альтшуля:

лдокв = 0,11 ;

При работе в области квадратичного сопротивления - по формуле Б. Л. Шифринсона:

лкв = 0,11.

Величину абсолютной эквивалентной шероховатости ДЭ при расчетах берут из справочной литературы в зависимости от материала трубопровода, состояния его внутренней поверхности и условий эксплуатации (табл. П-15).

Например, для труб из органического стекла ДЭ = 0,006 мм (6 мкм), но по другим данным - 0,002 мм (1 мкм). А для стальных водопроводных умеренно заржавленных труб ДЭ = 0,20 … 0,50 мм. Однако гидравлическое сопротивление указанных стальных труб не учитывает влияние сварных швов и другие факторы.

На рис. 1 представлены кривые сопротивления для новых стальных труб (без стыков), а на рис. 2 - то же для новых чугунных труб (нормальной длины).

Для стальных и чугунных труб кривые сопротивления являются ниспадающими с ростом Re. Причем при относительно больших (различных для каждого диаметра труб) значениях Re они достигают области квадратичного сопротивления. При относительно малых значениях Re кривые сопротивления для стальных труб сопрягаются с кривой сопротивления для гладких труб, приближающихся к шероховатости технически гладких труб. К результатам опытов Ф. А. Шевелёва [15] близки данные Г. А. Мурина [16].

Однако кривые сопротивления, по опытам Г. А. Мурина, при малых значениях Re несколько отклоняются от гладких труб.

Иной характер кривых сопротивления новых стальных и чугунных труб с технической шероховатостью стенки (т. е. с неравномерно расположенными и разновысокими выступами) связан с проявлением эффекта "затенения" при обтекании жидкостью указанных выступов.

На рис. показаны результаты исследований новых чугунных труб d=51,5; 152,0 и 301,0 мм различной длины, в том числе и труб нормальной длины.

Раструбные стыки не вызывают существенного увеличения сопротивления трубопровода. Жидкость в незначительной ширине паза практически находится в покое. Благодаря этому дополнительных вихрей не создается, а осредненные линии тока остаются параллельными стенке трубы.

При муфтовом соединении стальных газовых труб между ними оставляется зазор 2-3 мм. Пазы такой ширины не могут вызывать увеличения сопротивления трубопровода.

Ф. А. Шевелёв [15] получил следующие уравнения для граничной кривой, разделяющей переходную и квадратичную области:

для новых стальных труб (без стыков)

лкв = ;

для новых чугунных труб (нормальной длины)

лкв = .

Ф. А. Шевелёвым [15] были также получены размерные формулы (для метров):

для новых стальных труб

лкв = ;

для новых чугунных труб

лкв = .

Эти формулы предназначены для определенных типов труб.

Квадратичное сопротивление в новых стальных трубах наступает при , а в новых чугунных трубах - при .

Предлагаемые формулы Ф. А. Шевелёва [15] при указанных значениях параметра дают величины коэффициента сопротивления, превышающие лкв примерно на 1%.

Для гидравлического расчета труб, работающих как в области квадратичного сопротивления, так и в переходной области, целесообразно иметь соответствующие этим областям отдельные формулы.

Окончательно формулы Ф. А. Шевелёва [15] для гидравлического расчета стальных и водопроводных труб с учетом увеличения их сопротивления в процессе эксплуатации имеют вид (для метров):

при , л = ;

при , л = .

Кривые, соответствующие указанным формулам, даны ниже на рис.

На границе между переходной областью и областью квадратичного сопротивления

.

Отсюда при получаем , что соответствует опытным данным.

Коэффициенты сопротивления. Коэффициенты сопротивления широко используются при расчетах силы сопротивления, действующей на тело, обтекаемые потоком жидкости. Коэффициент сопротивления определяется таким же образом, как и коэффициент трения, т. е.

, м.

Площадь сечения А обычно определяется как максимальная площадь поперечного сечения тела (Миделя) в плоскости, перпендикулярной направлению потока.

Параметры потока для 10³ < Re < 10⁴ особенно чувствительны к стенке шероховатости. Так при одинаковых геометрических формах каналов, отличающихся лишь степенью шероховатости, можно получить совершенно различные значения коэффициентов трения. Однако при Re < 10⁴ и, особенно при Re > влияние шероховатости коэффициент трения обычно заметно ослабляется и лишь незначительно изменяется с изменением числа Рейнольдса. (автомодельность).

Коэффициенты Дарси для некоторых перспективных труб, применяемых в системах холодного и горячего водоснабжения, отопления, газоснабжения и гидромелиорации

шероховатый труба гидравлический трение

Пластиковые трубы:

К современным пластмассовым относят трубы из полиэтилена (стабилизированного и не стабилизированного), поливинилхлорида, винипласта (стабилизированного и не стабилизированного), фторопласта, полиметилметакрилата (органического стекла), фаолита, текстолита, асбовинила, стеклопласта и т. д. При этом даже изделия из одного материала, но изготовленные на разных заводах, по разной технологии, имеют несколько отличающиеся от классических зависимости для определения л.

Для полиэтиленовых труб широко применяют формулу Ф А. Шевелёва, по которой составлены и изданы специальные таблицы

л = 0,25 / Re^0,226.

Значения л по этой формуле достаточно близко к значениям л_r^, найденным по формуле Блазиуса.

Для промышленных полиэтиленовых труб с учетом влияния стыков и условий укладки, отличающихся от лабораторных (они обусловлены во многом технологией спайки) Коэффициент л может быть определен по формуле

л = 0,288 / Re^0,226.

Приведенные выше формулы для л не учитывают влияния возникающей волнистости из-за удлинений, которой подвержены при монтаже и эксплуатации трубы, на их гидравлическое сопротивления.

Отметим, что пластмассовые и металлопластиковые трубы в отличие от графика Блазиуса имеют более низкие значения л и, следовательно, обладают большей пропускной способностью. Они не коррозируют и обладают вдвое большим ресурсом, чем стальные, оцинкованные трубы в системах водоснабжения. Но при высоких температурах они могут подвергаться старению.

Металлопластиковые трубы сочетают в себе преимущества пластмассы и металла. Они представляют собой многослойную конструкцию, которая состоит из внутреннего и внешнего слоя сшитого полиэтилена и промежуточного слоя и алюминия. Алюминиевый слой армирует металлопластиковую трубу и препятствует проникновению кислорода атмосферного воздуха, защищая металлические части систем водоснабжения и отопления от преждевременного износа из-за коррозии.

В отличие от других пластиковых труб металлопластиковые трубы имеют 100% защиту от проникновения кислорода в систему. Внутренний слой из пищевого сшитого полиэтилена высокого давления трубы из металлопластика имеет гладкую поверхность (К). Это снижает трение воды в системах водоснабжения и отопления и затрудняет отложение известкового налета и образование ржавчины. Они ухудшают качество воды. наружный и внутренний слои из сшитого пространственного полиэтилена обеспечивают защиту алюминиевого слоя от кислот, щелочей, влаги и других агрессивных сред. Это увеличивает срок службы труб из металлопластика по сравнению с трубами из других материалов.

Покажем основные технологические характеристики в таблице П-29.

Наиболее надежным методом определения тепловых потоков, переносимых трубой (пластиковой или металлопластиковой), является калориметрический.

Измеряя в процессе эксперимента температуры _входа и T_вых на участке трубы, а также объемный расход W, м³/с, можно определить тепловой поток по формуле:

Q = W с C_p (T_{входа -} T_вых) = m C_p ДT,

где с = 1000 кг/м³ плотность воды; C_p= 4,189 кДж / (кг °С) - массовая теплоемкость воды; m - массовый расход воды, кг/с;

ДT = T_{входа -} T_вых,

°С - температурный перепад по воде на участке трубы.

При стационарном плоскопараллельном режиме движения потока вязкой жидкости объемный расход

W = щ * V = const

вдоль потока,

щ = рd²/4

в площадь живого сечения потока, V - средняя по живому сечению скорость потока.

Из основной формулы для теплового потока следует, что максимальной пропускной способности труб соответствует максимальный переносимый тепловой поток (см. таблицу П-30).

Указанные параметры позволяют проектировщикам "увязать" при выборе системы отопления переносимую тепловую мощность с геометрией труб, удельными потерями давления, со средней скоростью движения воды.

Применение металлопластиковых труб. Металлопластиковые трубы можно применять в любых инженерных ах (отопление, горячее и холодное водоснабжение и т. д.).

Системы могут быть как комбинированными (с применением труб из разного материала), так и только из металлопластика. Единственное ограничение: их нельзя применять в открытых инженерных системах, т.к. замерзание жидкости в трубах может привести к необратимым повреждениям металлопластиковых труб. Это повлечёт за собой последующий демонтаж и восстановление системы отопления или водоснабжения.

Металлопластиковые трубы (МПТ). Основные термины

Термопласты - разные виды пластиков, из которых производятся трубопроводы инженерных систем;

металлополимерные - трубопроводы из термопластов, у которых есть алюминиевый слой;

металлопластиковые - трубопроводы из поперечно-сшитого полиэтилена или по другому из PEX. Согласно ГОСТ 52134-2003 под термопластичными материалами (термопластами) подразумевается группа полимерных материалов, которые при нагревании выше температуры плавления сохраняют способность перехода в вязкотекучее состояние. В настоящем стандарте сшитый полиэтилен отнесён к группе термопластов.

Нормативные документы по применению металлополимерных труб в инженерных системах:

СП 40 - 103 - 98 Проектирование и монтаж трубопроводов систем горячего и холодного водоснабжения с использованием металлополимерных труб;

СП 41 - 102 - 98 Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб;

ГОСТ З52134 - 2003 (дата введения 2004 -03-01) Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления.

Стеклянные трубы. Они применяются тогда, когда необходимо обеспечить достаточную гигиеничность и стойкость к коррозии. Часто стеклянные трубы используют в лабораторных условиях, в химических производствах.

Исследованиями ВНИИ ВОДГЕО установлено, что стеклянные трубы, изготовленные способом вертикального вытягивания, в диапазоне чисел Re = относятся к гидравлически гладким. Для них коэффициент трения определяется с учетом влияния стыков по формуле:

л = 0,312 / Re^0,226.

Трубы для сточных вод. для них коэффициент находят по формуле Н. Ф. Федорова:

),

где d_Г = 4R, Дэ и а₂ - соответственно эквивалентная шероховатость и безразмерный коэффициент (по справочным данным), учитывающий характер шероховатости стенок труб,

d_Г - гидравлический эквивалентный диаметр.

При вычислении числа Re = в зависимости от концентрации в воде взвешенных частиц значения х увеличивают по сравнению с чистой водой.

Трубы для внутрипочвенного и капельного орошения.

В стенках таких труб изготавливают отверстия. Через них при поливе подают воду непосредственно к корням растений. Условия движения, когда расход воды по длине трубы уменьшается, отличается от условий постоянства расхода. Кроме того, появляются дополнительные потери энергии из-за раздачи воды во многих точках по длине. Их можно отнести к местным потерям. Поэтому для некоторых условий коэффициенты л могут увеличиваться по сравнению с л при Q = const.

Обычно в поливных трубопроводах для капельного орошения с d = 0,016…0,05 м на длине от 0,006 до 4 м выполняют отверстия диаметром 1…3 мм, в которых устанавливает капельницы. При изменении расхода по длине в трубопроводах из полиэтилена систем капельного орошения создается турбулентное движение с максимальным значением Re < 10⁵. Коэффициенты л для этих труб определяются по формулам гидравлически гладких труб.

Для полиэтиленовых трубопроводов при Re> различия между л для условий постоянного или переменного расхода практически нет.

Дренажные трубы. В условиях притока воды в собирающие (дренажные) трубопроводы расход по длине увеличивается. Поэтому коэффициенты л при переменном расходе могут увеличиваться по сравнению со случаем, когда Q = const. Дренажные трубы изготавливают различных конструкций и из разных материалов (пластмассовые, гладкостенные или гофрированные с дренажными отверстиями, гончарные, керамические, из стеклопластика и др.).

Дренажные трубы из стеклопластика работают на практике в конце переходной (доквадратичной) и в квадратичной областях сопротивления. Тщательно уложенные керамические трубы при турбулентном движении и Re ? 10⁵ работают как гидравлически гладкие. Увеличение коэффициента л, связанное с наличием дренажных отверстий и стыков в гофрированных трубах оценивают в ~5%.

Способы снижения гидравлического сопротивления

Введение в жидкость малых добавок полимеров или поверхностно-активных веществ (ПАВ), (например, несколько частей на миллион частей воды) при определенных условиях приводит к снижению гидравлических сопротивлений (уменьшению коэффициента Дарси л).

Добавки влияют на градиент скорости вблизи стенок - он уменьшается. Поверхность, создающаяся из молекул добавок вблизи стенок трубы способствует сильному (до 4…5 раз) уменьшению интенсивности пульсаций поперечной составляющей скорости, соответственно уменьшаются касательные напряжения, а значит и л.

Полимерные добавки сейчас довольно широко применяют в трубопроводах промышленного водоснабжения, теплоснабжения, шахтах, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Применяют ПАВ и в мелиоративных трубопроводах.

Использование некоторых ПАВ способствует очистке воды, приводит к замедлению коррозии.

Концентрация растворов ПАВ изменяется от 0,001 до 0,1%. Применение добавок снижает коэффициент до 60…80% по сравнению с л жидкости без добавок.

Отопительные трубы Rantherm-s, системы напольного отопления REHAU

Прочные пластмассовые трубы Rantherm-s изготавливаются из молекулярного сшитого полиэтилена (PE - Xa) и имеют наружный кислородонепроницаемый слой. В соответствии со стандартом ДИН ИЭ26 трубы Rantherm-s рекомендуются для использования при температуре до 70°С и рабочем давлении p = 3 бар (0,3мпа). Размеры труб: 17 х 2,0 мм, 20 х 2,0 мм, 25 х 2,3 мм, 32 х 2,9 мм, где первая цифра - наружный диаметр, вторая - толщина стенок трубы.

Трубы Rantherm-s не предназначены для водопроводной сети. для этих целей рекомендуются трубы из сшитого полиэтилена из комплекта REHAU - HiS 311, имеющего соответствующий сертификат Германского отраслевого объединения газового и водопроводного хозяйства.

Материал. Основой трубы Rantherm-s служит хорошо зарекомендовавшая себя в течение 20 лет труба Rantherm-s из сшитого полиэтилена. Сшивка полимера происходит при высокой температуре при помощи пероксидов. При этом молекулы полиэтилена соединяются в трехмерную сетку. За счет этого происходит дальнейшее улучшение и без того хороших свойств полиэтилена.

Особенно улучшаются такие свойства, как устойчивость к высокой температуре и высокому давлению, ударопрочность при низкой температуре и прочность на разрыв.

Коэкструзивный слой, не пропускающий кислород, состоит из этиленвинилалкоголя (EVAL) - полимера с наилучшим защитным эффектом.

Прочная сцепка основного и защитного слоев достигается за счет специального адгезионного материала. В отношении истираемости и погодной стойкости водонерастворимый слой из этиленвинилалкоголя обладает большими запасами прочности и способен выдерживать влияние самых суровых условий при эксплуатации.

Свойства материала. Трубы Rantherm-s из сшитого полиэтилена (PE - Xa) обладают следующими свойствами:

· высокой усталостной прочностью даже при температуре до 110°С;

· трещиностойкостью;

· стабильностью формы;

· оптимальным соотношением гибкости и выдерживаемости давления;

· устойчивостью к старению при повышенной температуре;

· высокой ударопрочностью и ударной вязкостью при температуре до 50°С;

· высокой прочностью на нее и надрез;

· при перегибании трубы, материал не лопается;

· высокой эластичностью;

· высокой устойчивостью к воздействию химических веществ;

· наличием кислородонепроницаемого из этиленвинилалкоголя по ТУ ДИН ИЭ26;

· термостойкостью;

· долговечностью;

· незначительными шумами в трубах

· низкими потерями давления;

· отсутствием ионов тяжёлых металлов;

· устойчивостью к коррозии;

· отсутствием накипи даже после многолетней эксплуатации.

Технические характеристики:

Плотность - 0,93 г/см³; коэффициент упругости ~ 600 н/мм²; коэффициент удлинения при + 20°С - 1,4 х 10^-4 К^-1; при + 100°С - 2,0 х 10^-4 К^-1; теплопроводность л = 0,35 Вт/ (м * к); шероховатость - Д = 7 мкм.

Средняя высота выступов шероховатости 7 мкм свидетельствует о том, что трубы Rantherm-s при эксплуатации работают практически как гидравлически гладкие и обладают низкими потерями давления (напора) в течение ресурса.

Долговечность. При использовании полимерных материалов, подверженных механическим нагрузкам, необходимо учитывать их ползучесть. Под этим понимается то, что деформация и прочность завися от температуры и продолжительности нагрузок. Для того, чтобы найти допустимые пределы длительной нагрузки, необходимо исследовать механизм воздействия механических нагрузок в течение длительного времени (>50 лет) и при различных температурных режимах.

Результаты множества проведенных экспериментов и испытаний труб из сшитого полиэтилена и по расчетам усталостной прочности фирма REHAU представила в виде номограмм. Её можно применить к трубам любого размера. В качестве эталона приводятся не значения нагрузок от внутреннего давления, а так называемое напряжение (см. для сравнении "котельную" формулу).

Связь между внутренним давлением и эталонным напряжением описывается формулой:

,

где у_v- эталонное напряжение, н/мм²; D - наружный диаметр трубы, мм; s - толщина стенки трубы, мм.

На рис. 1 приведены результаты таких расчетов для труб из сшитого полиэтилена. Кривые на номограмме выражают минимальные значения, отдельные значения измерений находятся выше кривых. В температурном режиме до 95°С значения лежат выше 120000 ч без малейших признаков разрушения (что весьма типично для несшитого полиэтилена).

За 50 лет эксплуатации при температуре 70°С эталонное напряжение составляет 5, 55 Н/мм².

Применительно к трубе Rautherm-S 17 x 2 мм это значение соответствует внутреннему давлению 14, 6 бар (1,4 6 МПа).

Таким образом, даже после 50-летней эксплуатации при t = 70°С прочность трубы на выдерживаемое давление в 4, 9 раза выше, чем при максимальном рабочем давлении, (3 бар). Это число носит название коэффициента безопасности трубы.

Ограничения по давлению и температуре:

· максимальное рабочее давление 6 бар (0, 6 МПа) при температуре 90°С;

· максимальная температуре теплоносителя на входе 90°С (кратковременно 110°С).

Технология труб на подвижной гильзе.

Соединение методом холодной запрессовки по технологии REHAU является неразъемным соединением.

Комплекс универсальных характеристик обеспечивает пластмассовым трубам Rautherm-S важные преимущества пред стальными водогазопроводными трубами при эксплуатации и удобство при монтаже систем.

Поверхностное отопление - важный фактор в создании благоприятного климата в помещениях, как в случае отопления, так и охлаждения. REHAU предлагает комплексную систему, рассчитанную на всевозможные случаи применения: в жилых и офисных зданиях. для поверхностей полов и стен, для обогрева и охлаждения, для "мокрых" и "сухих" типов монтажа - промышленных зданий, футбольных полей, водных бассейнов и т. д.

Все системы REHAU для поверхностного обогрева или охлаждения разработаны для повседневных условий строительной площадки.

Все компоненты систем монтажа на матах с системами варио, на матах при помощи гарпун-скоб, при помощи шин RAVFIX и монтаж на сетке, позволяют осуществить быструю и простую укладку и обеспечивают высокую степень надежности.

Стеклянные трубы. Они находят все большее применение тогда, когда необходимо обеспечить достаточную гигиеничность и стойкость к коррозии, например в конденсаторах-утилизаторах, котельных установок на стеклянных тепловых трубах, работающих в режиме двухфазных термосифонов. Предусматривается и подземная прокладка стеклянных труб.

Часто стеклянные трубы используют для прокачки жидкостей и в лабораторных условиях.

Исследованиями ВНИИ ВОДГЕО установлено, что стеклянные трубы, изготовленные способом вертикального вытягивания, в диапазоне чисел Re = относятся к гидравлически гладким. Для них коэффициент Дарси может быть определен с учетом влияния стыков по формуле:

л = 0,312 / Re^0,226.

Трубы для сточных вод. В этих трубах коэффициент л находят по формуле Н. Ф. Федорова:

),

где d_Г = 4R, Дэ и а₂ - соответственно эквивалентная шероховатость и безразмерный коэффициент (по справочным данным), учитывающий характер шероховатости стенок труб,

d_Г - гидравлический эквивалентный диаметр.

При вычислении числа Re = в зависимости от концентрации в воде взвешенных частиц значения коэффициента кинематической вязкости х увеличивают по сравнению с v для чистой воды (по справочным данным).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Номограмма для определения рабочего давления в теплопроводе с использованием труб из сшитого полиэтилена в зависимости от срока службы трубы

Размещено на Allbest.ru