Гидравлические расчеты напорных трубопроводов для подбора насосного оборудования

29.07.2022

Подбор насоса требует определения параметров движения жидкости в напорных трубопроводах – расхода, скоростей, потерь давления. С этими показателями связаны обороты, гидравлическая мощность насоса, что определяет выбор двигателя, допустимый кавитационный запас насоса, влияющий на максимальную высоту всасывания.

Скорости движения жидкостей в трубопроводах

При проектировании напорных трубопроводов важным фактором является назначение допустимых скоростей движения жидкостей в трубопроводах. Потери давления в трубопроводе зависят от скорости движения. Для стационарных трубопроводов максимальные скорости, как правило ограничивают 3 м/с. Это определяется экономическими факторами – выгоднее положить трубы большего диаметра, чем использовать более высоконапорный насос и мощный двигатель, что будет соответствовать и большему расходу топлива.

Использование мобильных насосных станций и напорных линий – шлангов, быстросборных трубопроводов имеет свои особенности. Мобильные системы могут работать в разных режимах, в том числе и с повышенными расходами при сокращенной длине трубопровода, поэтому допустимые скорости движения жидкости можно принимать до 5,5 м/с.

Так, на шланговых системах для внесения жидких органических удобрений на поля при использовании транспортирующих шлангов 6 дюймов и буксируемых 5 дюймов расходы могут меняться о 100 до 250 м³/час, что соответствует скоростям движения – 1,5-5,5 м/с, при транспортирующих шлангов 8 дюймов и буксируемых 6 дюймов – 175-460 м³/час и 1,5-7,0 м/с соответственно.

При перекачивании жидкостей с твердыми включениями ограничения есть не только по максимальным, но и минимальным скоростям движения. Это связано с тем, что примеси при малых скоростях движения могут выпадать в осадок во время движения в трубопроводе. Минимальные скорости, при которых этого не происходит называются критическими (незаиляющими). Эти скорости различаются в зависимости от диаметров трубопроводов и вида перекачиваемой жидкости – сточные воды, навоз свиней или КРС, шламы.

Технология перекачки жидкого навоза из животноводческих помещений в навозохранилища предполагает работу оборудования с перерывами. В этом случае скорости движения нужно применять не незаиляющие, а более высокие – промывные (1,2-1,5 м/с). Для обеспечения достаточных скоростей движения жидкого навоза важно правильно подобрать диаметр трубопровода. Мы сталкивались с ситуациями, когда благие намерения увеличить диаметр трубопровода чтобы он не забивался навозом, приводили к обратным, плачевным результатам.

Гидравлические потери давления в трубопроводах

При движении жидкости в трубопроводах происходят потери давления. Гидравлические потери давления складываются из потерь по длине и местных потерь. Движение жидкости в трубопроводе может происходить в ламинарном или турбулентном режимах. Ламинарный (равномерный, без поперечного перемешивания) режим характерен для низких скоростей движения вязких жидкостей, и на практике встречается редко. Жидкость в напорных трубах, как правило, движется в турбулентном (хаотичный, с активным перемешиванием) потоке. 

Расчетные скорости движения и потери напора по длине в шлангах для воды приведены в табл. 1. Потери выражены в значении 1000i – это потери напора в мм на 1 м или в метрах на 1000 м трубопровода. Трубы, шланги из полимерных материалов относятся к гидравлически гладким, и при расчете применялись соответствующие формулы.

Таблица выполнена по аналогии с известными «Таблицами Шевелева» для имеющихся диаметров шлангов (наименование шлангов принято по внутреннему диаметру).

В шлангах стыков практически нет (длина отрезка 200 м), а в случае если трубопровод из отрезков полиэтиленовых труб (длиной 6-13 м), то целесообразно при расчетах вводить коэффициентам 1,15, учитывающим влияние стыков.

Таблица для гидравлического расчета напорных трубопроводов из плоскосворачиваемых шлангов

Расход		Диаметр (внутренний), мм
м3/час	л/с	127		154		203
		Скорость, м/с	1000 i, м	Скорость, м/с	1000 i, м	Скорость, м/с	1000 i, м
100	28	2,2	35,0	1,5	14,01	0,9	3,77
125	35	2,7	51,7	1,9	20,71	1,1	5,58
150	42	3,3	71,2	2,2	28,5	1,3	7,67
175	49	3,8	93,2	2,6	37,3	1,5	10,05
200	56	4,4	117,8	3,0	47,1	1,7	12,69
225	63	4,9	144,7	3,4	57,9	1,9	15,59
250	69	5,5	174,0	3,7	69,7	2,1	18,8
275	76	6,0	205,6	4,1	82,3	2,4	22,2
300	83	6,6	239,4	4,5	95,8	2,6	25,8
325	90	7,1	275,4	4,8	110,2	2,8	29,7
350	97	7,7	313,6	5,2	125,5	3,0	33,8
375	104	8,2	353,8	5,6	141,6	3,2	38,1
400	111	8,8	396,1	6,0	158,5	3,4	42,7
425	118	9,3	440,4	6,3	176,3	3,6	47,5
450	125	9,9	486,8	6,7	194,8	3,9	52,5
475	132	10,4	535,1	7,1	214,2	4,1	57,7
500	139	11,0	585,3	7,5	234,3	4,3	63,1
525	146	11,5	637,5	7,8	255,2	4,5	68,7
550	153	12,1	691,6	8,2	276,8	4,7	74,5
575	160	12,6	747,5	8,6	299,2	4,9	80,6
600	167	13,2	805,3	9,0	322,3	5,2	86,8

Зависимость потерь от скорости движения не линейная, и при увеличении скоростей резко возрастают потери давления.

При движении загрязненных вязких жидкостей (шлама, жидкого навоза) потери давления будут выше. При влажности жидкости более 98% допускается принимать расчеты по чистой воде. При меньшей влажности вязкость жидкости увеличивается.

Точно рассчитать потери напора при перекачке жидких органических удобрений, соответственно и производительность насосной станции проблематично, так как вязкость зависит от вида удобрения и его влажности. Но даже при одной и той же влажности вязкость навоза может меняться в зависимости от рациона кормления животных. Максимальные потери давления в трубопроводах характерны для навоза крупного рогатого скота пониженной влажности.

Для гидравлического расчета напорных пульповодов для несвязанных грунтов (песка, гравия, продуктов дробления крупнообломочных пород), связанных глинистых грунтов, золы и шлака предназначены разные методики расчета. При этом должны учитываться много показателей состава пульпы – объемная концентрация гидросмеси, удельный вес твердого материала, гранулометрический состав, и даже форма частиц влияет на потери давления при движении гидросмеси. Целесообразно осуществлять подбор системы-аналога с подобным составом пульпы для определения оптимальных параметров гидротранспортирования. Проектированием пульповодов занимаются узкие специалисты.

Местные потери напора (повороты трубопровода, сужения, расширения, тройники и т.д.) также увеличиваются при возрастании скорости потока. В отдельных случаях их допускается считать в процентах от потерь по длине.

Подбор насосов

Расход, напор

Для подбора насоса необходимо правильно определить значения расхода и напора (рабочая точка).

Расход при орошении равен суммарным расходам дождевальной или поливной техники. При откачке жидкости из котлованов производительность системы диктуется условиями поступления в них воды или заданным временем их опорожнения. На шланговых системах для внесения жидких органических удобрений получается широкий разброс производительности в зависимости от расстояния до полей, но тут есть выбор зон расходов в зависимости от диаметров шлангов (приведены выше).

При больших расходах могут использоваться несколько насосных станций (установка параллельно).

Необходимый напор, который должен развивать насос, определяется суммой потерь давления по длине и местных, разницей высот установки насосной станции и конца трубопровода, требуемого остаточного напора на выходе из трубопровода (например, для дождевальной машины). Потери напора в трубопроводе определяются гидравлическими расчетами, по вышеприведенным таблицам при использовании шлангов или по Справочному пособию «Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб».

 

При недостатке давления, насосы устанавливаются последовательно. В этом случае при неизменном расходе давление, развиваемое насосами, суммируется. При определении места установки второго подкачивающего (бустерного) насоса необходимо не превышать рабочее давление трубопровода. Для этого на шланговых системах при использовании высоконапорных насосов вторая бустерная насосная станция устанавливается примерно в середине трассы.

Высота всасывания

При использовании мобильных насосных станции остро стоит проблема обеспечения необходимой высоты всасывания. При сооружении капитальных сооружений для насосных станций стараются максимально понижать место установки насосной станции относительно уровня водоисточника, в идеале для ее работы под заливом. Мобильные насосные станции, как правило, стоят значительно выше уровня жидкости, и для заполнения насоса используются вакуумные системы или самовсасывающие насосы.

Максимальную высоту всасывания насоса лимитирует необходимость исключения процесса кавитации. Кавитация - это процесс образования и схлопывания пузырьков воздуха, что приводит к порче насоса. Мы все знаем вода закипает при 100°С. 1 атм. (10,3 м) – это давление насыщенных паров при 100°С. При 20°С давление насыщенных паров составляет примерно 0,3 м и необходимо обеспечить режим, чтобы внутри насоса давление не приближалось к этому значению во избежание «закипания».

Показателем, позволяющим определить допустимую высоту всасывания, является значение кавитационного запаса (NPSHr, Δh). Этот показатель характеризует требуемое остаточное давление на входе в насос. Кавитационный запас для каждого насоса не постоянен, а растет с увеличением расхода. Создаваемое же давление не оказывает такого выраженного влияния на этот показатель.

Максимальная высота всасывания будет определяться атмосферным давление за минусом давления насыщенных паров, NPSHr, гидравлических потерь давления во всасывающем шланге. Еще для исключения угрозы кавитации необходимо вычесть дополнительный запас (0,5-1,5 м) на случаи понижения атмосферного давления, повышения температуры жидкости. При подборе насосов для высокогорной местности при определении допустимой высоты всасывания необходимо принимать атмосферное давление на соответствующей высоте над уровнем моря.

Высота всасывания считается не от уровня поверхности земли, а от оси насоса. На мобильных насосных станциях, особенно на шасси, эта разница значительна – 1,0-1,8 м.

В комплектации насосной станции важно правильно подобрать всасывающий шланг. Потери давления в нем уменьшают высоту всасывания, соответственно следует ограничивать в нем скорости движения жидкости, что регулируется диаметром шланга. При больших расходах для уменьшения гидравлических потерь могут применяться несколько веток всасывающих шлангов с соединительной арматурой на входе в насос.

И поэтому такие заявления – высота всасывания насоса до 7 м, мягко говоря, лукавство. Может этот насос и может обеспечить такую высоту всасывания, но при низком расходе, который вряд ли кого устроит.

При выборе мобильного оборудования (передвижных насосных станций, шлангов или быстросборных трубопроводов) строительство капитальных сооружений не требуется и, как правило, проектировщики не привлекаются. В этом случае важно обращаться к специалистам для правильного проведения гидравлических расчетов для определения требуемых в зависимости от заданного расхода параметров насосной станции (напора, оборотов и мощности двигателя,) с учетом выбранного диаметра передвижного трубопровода. Также важен подбор насоса с учетом требуемой высоты всасывания для исключения возникновения угрозы кавитации. В «МЗ «ПОТОК» есть дипломированные специалисты по гидравлике, насосным станциям и двигателям, что позволяет грамотно подобрать оптимальный вариант оборудования мобильной системы.