Особенности гидравлического расчета полимерных и металлических трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения

А. А. Отставнов, канд. техн. наук, почетный строитель Москвы, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой»,

В. С. Ионов, управляющий программы аккредитованного представительства Европейского института меди

Для устройства трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения зданий (рис. 1) используется широкая гамма труб из различных материалов. Доминируют по-прежнему стальные трубы, но их постепенно вытесняют трубы из термостойких пластмасс (из металлополимеров, сшитого полиэтилена, полипропилена, полибутена, дополнительно хлорированного поливинилхлорида и некоторых других как отечественного, так и зарубежного производства). Ожидается существенная экспансия медных труб российских производителей, а также поставляемых из-за рубежа (на выходе в свет Свод правил по проектированию и монтажу трубопроводов внутренних систем водоснабжения и отопления из медных труб).

Рисунок 1. (подробнее) Схема возможного устройства внутренней системы горячего водоснабжения 10-этажного здания.

Для оптимального выбора тех или иных труб необходимо своевременно учесть множество экономических и технических факторов. Среди последних особое место занимает гидравлический расчет разветвленных трубопроводных сетей, к которым в полной мере можно отнести внутренние системы горячего водоснабжения. Ведь именно в процессе проведения гидравлического расчета подбираются параметры трубопроводов, которые на долгое время будут определять устойчивое снабжение горячей водой все квартиры независимо от этажности здания.

При проведении гидравлических расчетов согласно СНиПу [1] вначале следует определять потери напора на участках трубопроводов по формуле

(1)

где i – удельные потери напора; k_l – коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях, значения которого следует принимать: 0,2 – для подающих и циркуляционных распределительных трубопроводов; 0,3 – в сетях хозяйственно-питьевых водопроводов жилых и общественных зданий; 0,5 – для трубопроводов в пределах тепловых пунктов, а также для трубопроводов водоразборных стояков с полотенцесушителями; 0,1 – для трубопроводов водоразборных стояков без полотенцесушителей и циркуляционных стояков.

В СНиПе для систем с учетом зарастания труб удельные потери напора i рекомендуется принимать по сетчатой номограмме (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Номограмма для гидравлического расчета стальных труб с учетом зарастания в процессе эксплуатации для систем горячего водоснабжения (СНиП 2.04.01.85)

Что касается номограммы, то в СНиПе, к сожалению, не указывается, о какой степени зарастания идет речь и по каким гидравлическим формулам номограмма разработана. Это ограничивает возможности ее использования. Для систем, где не требуется учитывать зараста-ние труб, рекомендаций по выбору гидравлических формул и номограмм не приводится.

В работе [2] для гидравлического расчета трубопроводов горячего водоснабжения рекомендуются номограммы на выровненных точках (рис. 3).

Рисунок 3. (подробнее) Номограммы для гидравлического расчета стальных труб горячего водоснабжения [2] при режиме гидравлического сопротивления: а) квадратичном и б) переходном

Эти номограммы дают потери напора для стальных трубопроводов того же диаметра, отличные от получаемых по номограмме СниПа.

Расчетный диаметр d для использования приведенных номограмм получается путем вычитания из значения внутреннего диаметра для соответствующего условного прохода выбранной стальной трубы значения зарастания указанного для закрытых систем теплоснабжения (табл. 1).

Имеющиеся в настоящее время фактические данные о величинах зарастаний трубопроводов горячего водоснабжения при закрытых системах теплоснабжения весьма малочисленны и отрывочны, поэтому в данной работе [2] были использованы результаты исследований для условий Москвы [3]. В условиях эксплуатации, отличных от московских, величины, приведенные в табл. 1, могут оказаться иными, поэтому этими данными авторы рекомендуют пользоваться тогда, когда фактические показатели зарастания стальных труб отсутствуют.

Номограммы построены по гидравлическим формулам, которые учитывают различные пределы изменения средних скоростей движения по трубопроводам горячей воды (температура 55 °С, принимаемая при гидравлических расчетах [2] систем горячего водоснабжения):

(2)

при v < 0,5 м/с

(3)

при v ≥ 0,5 м/с

Объясняется это тем, что при температуре воды 60 °С граница между квадратичной областью гидравлического сопротивления и переходной областью соответствует скорости движения воды, равной 0,44 м/с. При меньших скоростях применение квадратичных формул может вызвать существенное занижение фактических потерь напора. Это может ограничить снабжение горячей водой квартиры верхних этажей в некоторых жилых домах, что нежелательно. К сожалению, авторы не сообщают, какие значения коэффициентов эквивалентной шероховатости К_э использованы при разработке этих формул.

Совершенно другой подход к гидравлическому расчету трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения используется для полимерных труб [4].

Предлагаемая в [4] методика – полуэмпирическая. Она получена А. Я. Добромысловым путем аппроксимации теоретически доказанной советским ученым В. Н. Евреиновым формулы * Прандтля – Кольбрука.

(*)

Эта формула с успехом используется за рубежом для гидравлического расчета трубопроводов различного назначения и из разных материалов. Недостатком ее является то, что коэффициент гидравлического сопротивления по длине трубопровода l находится в формуле в неявном виде.

Преимуществом же методики А. Я. Добромыслова является то, что в отличие от формулы Прандтля – Кольбрука коэффициент гидравлического сопротивления l выражен в ней в явном виде. Это значительно упрощает проведение гидравлических расчетов.

Согласно методике [4] величина напора H_тр, необходимая для подачи горячей воды потребителю, определяется по формуле

(4)

где i_т, – удельные потери напора при температуре воды t, °C (потери напора на единицу длины трубопровода), м/м;

l – длина участка трубопровода, м;

h_мс – потери напора в стыковых соединениях и в местных сопротивлениях, м, (допускается Sh_мс принимать равной 20–30 % от Si_тl);

h_геом – геометрическая высота (отметка самой высокой точки расчетного участка трубопровода), м;

h_св – свободный напор на изливе из трубопровода, м (для санитарнотехнических приборов принимается по приложению 2 СНиП 2.04.01 ).

Потери напора на единицу длины трубопровода i_т без учета гидравлического сопротивления стыковых соединений следует определять по формуле

(5)

где V – средняя скорость движения воды, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

d – расчетный (внутренний) диаметр трубопровода, м.

Коэффициент гидравлического сопротивления l следует определять по формуле

(6)

где b – число подобия режимов течения воды;

Re – число Рейнольдса, фактическое.

Число подобия режимов течения воды b определяют по формуле

(7)

(при b > 2 следует принимать b = 2).

Фактическое число Рейнольдса Rе_ф определяется по формуле

(8)

где n – коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с.

Число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений при турбулентном движении воды, определяется по формуле

(9)

Использование рассмотренной методики для гидравлических расчетов как полимерных, так и металлических трубопроводов по различным вариантам (к примеру, табл. 2) должно позволить оптимизировать эффективность применения труб из различных материалов и качество устройства внутренних систем горячего водоснабжения зданий.

Как видно из табл. 2, трубы из всех материалов дают меньшие потери напора, чем стальные. Что касается скоростей движения горячей воды (55 °C [2]), они во всех случаях выше, чем для стальных труб. Это повысит общие потери напора, если придется учитывать местные сопротивления. Ведь h_мс будут прямо пропорциональны квадрату скоростей. Как это может выглядеть для конкретных трубопроводов внутренних систем горячего водоснабжения? Ответ на этот вопрос может быть нами дан в следующей статье.

Литература

1. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

2. Гейнц В. Г., Шевелев А. Ф. Номограммы для гидравлического расчета труб горячего водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1986. № 3. С. 22–23.

3. Гейнц В. Г., Шевелев А. Ф. О гидравлическом расчете трубопроводов горячего водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1986. № 1. С. 5–6.

4. СП 40-102-2000. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.

5. Добромыслов А. Я. Таблицы для гидравлических расчетов напорных и безнапорных трубопроводов из полимерных материалов / Под ред. В. С. Ромейко. Пособие к СНиП и СП. М.: ТОО «Изд-во ВНИИМП», 2000.

6. Отставнов А. А. Соединение полимерных трубопроводов. Склеивание труб из дополнительно хлорированного поливинилхлорида // Сантехника. 2003. № 2. С. 38–44.