Пластиковые трубы. Руководство для инженеров. Выбор подходящих труб и фитингов. Часть 6

Теперь переходим к рассмотрению вопросов, связанных с потерями, вызванными трением в трубопроводной системе, что напрямую зависит от гладкости/шероховатости материала. Основным преимуществом термопластичных труб является их исключительно гладкая внутренняя поверхность, которая снижает потери на трение по сравнению с другими материалами. Потери на трение в пластиковой трубе остаются постоянными в течение длительных периодов времени, в отличие от некоторых других материалов, где значение коэффициента Хазена и Вильямса (постоянное для внутренней шероховатости) уменьшается со временем. В особенности этим страдают металлические трубы, чугунные и стальные. В результате пропускная способность термопластов оказывается выше при полностью турбулентных условиях потока, подобных тем, которые встречаются в системах водоснабжения. Испытания, проведенные как с новой трубой, так и с трубой, которая находилась в эксплуатации, выявили значения коэффициента C для пластиковой трубы между 160 и 165. Таким образом, коэффициент 150, рекомендуемый для воды, имеет консервативную оценку. С другой стороны, коэффициент C для металлических труб варьируется от 65 до 125, в зависимости от срока службы и шероховатости внутренней поверхности. Очевидное преимущество заключается в том, что с пластиковыми системами часто можно использовать трубу меньшего диаметра и при этом получать такие же или даже более низкие потери на трение. Наиболее значительные потери возникают в результате длины трубы и фитингов и зависят от следующих факторов.

Прежде всего это скорость потока жидкости, тип транспортируемой среды и особенно ее вязкость. Далее нужно учитывать диаметр трубы, шероховатость поверхности внутренней части трубы и длину трубопровода. Потери напора в результате различных скоростей потока воды в пластиковых трубах можно рассчитать по формуле Хазена и Уильямса, где учитываются такие показатели, как гидростатический напор воды в метрах на 10 м трубы, потеря давления в барах на 10 м трубы, внутренний диаметр трубы в мм, расход в литрах в минуту, а также константа C для внутренней шероховатости (C равно 150 для термопластов). Справочные таблицы могут использоваться для оказания помощи в разработке системы трубопроводов в зависимости от желаемой точности. При расчете внутреннего давления для указанной скорости потока необходимо учитывать изменения статической потери напора из-за ограничений (клапаны, отверстия и т. д.). Также необходимо принимать во внимание потери напора потока. Формулы могут использоваться для определения потери напора из-за потока, если известны вязкость и плотность жидкости, а также скорость потока. Потеря напора определяется при помощи коэффициента трения, который является функцией числа Рейнольдса, безразмерного параметра, который указывает степень турбулентности. Число Рейнольдса также определяется по специальной формуле.

Взаимосвязь между коэффициентом трения f и числом Рейнольдса R можно узнать, обратившись к специальной литературе, здесь же мы просто укажем на эту особенность. Если смотреть на графики, где отмечен коэффициент трения, то будет видно, что существуют три отдельные зоны течения. В зоне ламинарного потока от чисел Рейнольдса от 0 до 2000 коэффициент трения задается специальным уравнением. Подставляя коэффициент в данное уравнение для определение потери напора, получим формулу для определения ламинарного потока. Поток в критической зоне, с числом Рейнольдса от 2000 до 4000, является нестабильным. Трубопроводы должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать работы в критической зоне, поскольку потери напора не могут быть точно рассчитаны в этой зоне. Кроме того, нестабильный поток приводит к скачкам давления и гидравлическим ударам, которые могут быть чрезмерно сильными. В переходной зоне степень турбулентности возрастает с увеличением числа Рейнольдса. Однако из-за гладкой внутренней поверхности пластиковой трубы полная турбулентность встречается редко. Большинство трубопроводных систем предназначены для работы в переходной зоне.

Коэффициент шероховатости Мэннинга — это еще одно уравнение, используемое для определения потерь на трение в гидравлическом потоке. Как и фактор Хазена-Вильямса, фактор Мэннинга «n» является эмпирическим числом, которое определяет гладкость внутренней стенки трубы. Труба из ПВХ имеет значение «n» в диапазоне от 0,008 до 0,012 в зависимости от лабораторных испытаний. По сравнению с чугуном с диапазоном от 0,011 до 0,015, ПВХ по меньшей мере на 37,5% более эффективен. Другой способ выразить это различие: можно посчитать, что для того, чтобы иметь равные показатели потока понадобится диаметр трубы ПВХ на одну треть меньше, чем у чугуна. В специальных таблицах можно найти диапазон значений «n» для различных материалов труб. Вот наиболее важные для нас значения, из которых видно, что ПВХ обладает минимальными значениями шероховатости, а значит, и минимальными потерями на трение.

• чугун — от 0,011 до 0,015;
• обычная сталь — от 0,012 до 0,015;
• нержавеющая сталь — от 0,013 до 0,017;
• медь и латунь — от 0,009 до 0,013;
• стекло — от 0,009 до 0,013;
• асбестоцемент — от 0,011 до 0,017;
• бетон — от 0,012 до 0,016;
• ПВХ — от 0,008 до 0,012;
• дерево — от 0,010 до 0,013.