Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Вплив гідравлічного опору фітингів на загальні втрати напору у трубопровідній системі ІЗОПРОФЛЕКС-115А


Вступ

Стрімкий розвиток технологій виробництва полімерних трубопровідних систем дозволив значно розширити їх сферу застосування, в тому числі й для теплових мереж. Черговим кроком щодо збільшення експлуатаційних параметрів стало розширення продуктової лінійки сімейства полімерних труб ІЗОПРОФЛЕКС. Гнучкі теплоізольовані труби ІЗОПРОФЛЕКС-115А розраховані на експлуатацію в широкому діапазоні робочих температур (до 115 ° С) і тисків (до 1,25 МПа).

Більш високі експлуатаційні параметри системи зумовлюють необхідність перегляду традиційних методів монтажу з'єднувальних елементів. Це диктує потребу як створення принципово нової конструкції з'єднувального вузла, так і посилення вимог до способу та технології проведення монтажу. Таким чином, спеціально для труб ІЗОПРОФЛЕКС-115А було розроблено новий тип з'єднувальних елементів – прес-фітинги з полімерною втулкою (рис. 1).

Основною відмінністю прес-фітингів з полімерною втулкою є те, що при проведенні монтажних робіт немає потреби у механічному розширенні торця труби. Така технологія дозволяє уникнути деструктивного впливу гідравлічного розширювального інструмента, який міг б порушити структуру переплетення армуючих волокон напірної труби і в результаті знизити міцність і експлуатаційні характеристики системи.

Внутрішня геометрія прес-фітинга з полімерною втулкою розроблена таким чином, щоб мінімізувати гідравлічні втрати трубопровідної системи.

Основним завданням цієї публікації є оцінка величини гідравлічних втрат, привнесених у трубопровідну систему з'єднувальними елементами (прес-фітингами) та ступеня їх впливу на загальні втрати напору в системі.


Рис. 1. Зовнішній вигляд компонентів прес-фітинга з полімерною втулкою системи ІЗОПРОФЛЕКС-115А

Об'єкт дослідження
Як об'єкт дослідження розглянемо ділянку трубопровідної системи, що складається з відрізка гнучкою полімерної теплоізольованої труби ІЗОПРОФЛЕКС-115А (з напірною трубою ДЖІ-ПЕКС-115-АМТ) (надалі – труба) та двох прес-фітингів з полімерною втулкою, встановлених на обох кінцях труби.

Основне припущення, яке бралося за основу в рамках проведення даної роботи, – що трубу прокладено ідеально рівно на горизонтальній поверхні без ухилів. У реальних умовах досягти такого практично неможливо, однак для досягнення поставленої нами задачі вирішено знехтувати додатковими джерелами гідравлічних втрат.

Усі розрахунки проводилися для всієї лінійки типорозмірів труб ІЗОПРОФЛЕКС-115А з зовнішнім діаметром напірної труби від 50 до 160 мм.

Методи та підходи, що були використані
Для вирішення завдання застосовувався теоретичний розрахунок, заснований на методиці, досить докладно описаній в спеціалізованій літературі [1-3].

Втрати питомої енергії (напору), що виникають через подолання опорів руху теплоносія (гідравлічних опорів), складаються з втрат двох видів:

1) втрати напору через подолання гідравлічних опорів по довжині, пропорційні довжині ділянок труби, по яких рухається рідина – втрати по довжині hдов;

2) втрати напору через подолання гідравлічних опорів у межах коротких ділянок у безпосередній близькості до тих чи інших місцевих конструктивних пристроїв трубопроводу – місцеві втрати напору hм.

Загальні втрати напору в трубопроводі дорівнюють сумі втрат напору по довжині окремих ділянок і всіх місцевих втрат напору:

hвтр = Σhдов + Σhм.

Досліди показують, що величина втрат напору по довжині hдов прямо пропорційна довжині ділянки труби, на якій ці втрати визначаються, і залежить від внутрішнього перерізу трубопроводу та режимів руху рідини:

hдов = f (L, V, d, Kе),

де L – довжина ділянки трубопроводу, м;
V – швидкість руху потоку рідини, м/с;
d - діаметр внутрішнього перерізу трубопроводу, м;
Kе - коефіцієнт еквівалентної шорсткості, м.

Для труб із зшитого поліетилену Ке = 0,0000136 м (значення отримано експериментальним шляхом у лабораторних умовах).

Рис. 2. Конструкція прес-фітинга:
1 – втулка з патрубком під зварювання; 2 – полімерна втулка; 3 – гільза насувна; 4 – труба напірна

Розрахунок місцевих опорів зводиться до розрахунку втрат потоку, обумовлених наявністю з’єднувальних елементів. На рис. 2 показана конструкція прес-фітинга з полімерною втулкою. В рамках проведеного дослідження в подальшому під поняттям фітинг будемо мати на увазі втулку з патрубком під зварювання (позиція 1). Очевидно, що внутрішню геометрію фітинга спрощено можна уявити як послідовність конфузор-дифузор [3]. Таким чином, коефіцієнт гідравлічного опору фітинга:

 
Для розглянутої ділянки трубопроводу сумарна втрата напору на фітингах обчислюється за формулою:



де V – швидкість руху потоку рідини, м/с;
g – прискорення вільного падіння, м/с2.


Рис. 3. Відношення величини втрати напору на фітингах hф до величини втрати напору в напірній трубі hт

Результати
Як показано вище, величина гідравлічних втрат на фітингах залежить від внутрішнього перерізу трубопроводу та швидкості руху теплоносія. Для полегшення інтерпретації даних, отриманих внаслідок розрахунків, введемо спеціальну еквівалентну величину Lекв, яка визначається як відношення місцевих втрат на парі кінцевих фітингів до втрат напору на одному погонному метрі напірної труби:


де h1 – втрата напору на фитингах, м;

h2 – втрата напору на погонному метрі труби (h2 - величина безрозмірна).

Фізичний зміст: коефіцієнт Lекв показує, на яку умовну довжину збільшиться розглянута ділянка трубопроводу при появі в системі пари кінцевих фітингів. Значення коефіцієнта Lекв для різних типорозмірів труби та при різних швидкостях потоку рідини наведені в таблиці 1.

Проведені розрахунки дозволили визначити, що втрати напору на парі кінцевих прес-фітингів трубопровідної системи ІЗОПРОФЛЕКС-115А в діапазоні швидкостей потоку теплоносія 0,3-3,0 м/с не перевищують величини, що еквівалентна втратам напору на відрізку напірної труби довжиною 0,7–1,8 м (у залежності від типорозміру труби).

Зі збільшенням довжини розрахункової ділянки трубопроводу частка місцевих втрат на парі кінцевих прес-фітингів по відношенню до загальних гідравлічних втрат ділянки трубопроводу знижується (з величини 1,6-3,7 % на ділянці завдовжки 50 метрів до 0,8-1,8 % на ділянці довжиною 100 метрів).

Таким чином гідравлічні втрати напору, зумовлені звуженням внутрішнього перерізу трубопроводу в місцях установки з’єднувальних елементів, настільки малі, що при створенні довгомірних ділянок трубопроводу ними можна знехтувати.
 
Таблиця 1. Значення коефіцієнта Lекв для різних типорозмірів труби та при різних швидкостях потоку рідини
 

Автори: Руслан Міранович, Сергій Царьов, Ілля Аверкеєв

Література

1. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1965.
2. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992.

 
 
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА