Подробное сравнение пластиковых и чугунных труб. Часть 43. Теория потока. Формулы

Следует отметить, что гладкая внутренняя поверхность пластиковой канализационной трубы позволяет эффективно использовать имеющуюся энергию и является важным фактором, который следует учитывать при строительстве гидравлической системы. Этого нельзя сказать о чугунных трубах, которые, из-за повышенной шероховатости, оказываются менее эффективными. Был разработан ряд формул, касающихся скорости потока и потери энергии из-за трения. Наиболее выдающиеся из них с применением гидравлики с открытым каналом были представлены Робертом Мэннингом Ирландский инженер Роберт Мэннинг в 1890 году предложил известное уравнение для потока, управляемого трением.

С годами формула Мэннинга получила широкое признание. Это единственный эмпирический тип формулы потери энергии, который широко используется для определения полностью турбулентного потока в открытом канале. Среди его преимуществ — наличие многочисленных результатов испытаний для установления значений n и включение гидравлического радиуса, что делает его пригодным для определения расхода в трубопроводах различной формы и из разных материалов. Формула Мэннинга, написанная в терминах скорости нагнетания, используется в различных исследованиях для определения пропускной способности чугунных и пластиковых труб. Для корректных расчётов требуется, чтобы обе стороны формулы умножались на площадь поперечного сечения потока. А вот основные значения: Q или aV = скорость течения, a = площадь поперечного сечения потока, r = коэффициент шероховатости.

Коэффициент шероховатости имеет важное значение. Значения коэффициента шероховатости, n, в формуле Мэннинга были определены экспериментально для различных материалов трубопровода, и значение n = 0,012 рекомендуется для использования при проектировании гидравлических систем из чугунных труб. Для пластика это значение будет равно 0,009 (поскольку эти трубы более гладкие) и его не нужно корректировать с увеличением срока эксплуатации, чего нельзя сказать о чугунных трубах, которые теряют гладкость и, соответственно, увеличивают шероховатость. Хотя более низкие, более благоприятные значения коэффициента обычно получают в контролируемых испытаниях, особенно при использовании труб с различными покрытиями, рекомендуемое значение учитывает вероятность того, что изгибы и ответвления соединения в реальной системе могут замедлить поток.

Помощь в проектировании санитарно-гигиенических систем из пластиковых и чугунных труб могут оказать также различные таблицы (по коэффициенту шероховатости мы приведём значения в конце этой части). Также указываются уклоны, необходимые для получения скоростей самоочищения системы или очистки при различных скоростях разгрузки. Скорость самоочищения, или скорость, достаточная для переноса твердых частиц по трубопроводу, позволяет системе работать эффективно и снижает вероятность остановок. Минимальная скорость 0,5 м в секунду является обычно предписываемой нормой, соответствующей удалению твердых частиц сточных вод, но скорость 0,8 м в секунду может использоваться в случаях, когда требуется дополнительная степень безопасности. В дополнение к расчету скоростей самоочистки в канализационных коллекторах, считается хорошей практикой устанавливать верхний предел скорости в 3 м в секунду как в канализационных коллекторах, так и в дренажных системах. Это ограничивает абразивное действие песка и других примесей, которые могут переноситься через систему. Однако, поскольку пластиковые трубы, в отличие от чугунных, обладают высокой устойчивостью к истиранию, они наиболее подходят для использования там, где нельзя избежать работы на высокой скорости.

Пропускная способность пластиковых и чугунных канализационных и дренажных труб измеряется следующим образом. Скорость и расход в канализационных и дренажных трубах рассчитываются по формуле Мэннинга. Определение пропускной способности предусматривается для систем, в которых используются трубы с различными диаметрами, установленные на полном диапазоне уклонов, а заполненность труб обычно усредняется и измеряется так: одна четверть, половина, три четверти и полная. Схемы основаны на значении коэффициентов шероховатости 0,009 для пластиковых труб и 0,012 для чугунных, и на внутренних диаметрах труб, указанных в международных стандартах. Однако нужно учитывать, что для чугунных труб необходима последующая коррекция в сторону ухудшения. И в заключение для вашего удобства приведём коэффициенты шероховатости (R) для основных материалов, используемых для производства канализационных, дренажных, водопроводных и других промышленных и бытовых трубопроводных систем.

• Асбестоцементные — 0,011;
• Чугунные, новые — 0,012;
• Керамические — 0,014;
• Железобетонные — 0,011;
• Бетонные — 0,012;
• Стальные, новые — 0,012;
• Стальные с внутренним эмалированием — 0,010;
• Стеклянные — 0,010;
• Свинцовые — 0,011;
• Медные и латунные — 0,011;
• Пластиковые (полиэтилен, полипропилен, ПВХ) — 0,009.

Как видим, ни один из остальных материалов не может соперничать с пластиками по пропускной способности. Что же до чугунных и стальных труб, то их коэффициент шероховатости со временем только увеличивается и может достигать двукратных значений в сравнении с новыми трубами.