Перепад давления в трубопроводе: Как определить потери давления в системе трубопроводов сжатого воздуха

Как определить потери давления в системе трубопроводов сжатого воздуха

Перепад давления.

     Проблемы с падением давления могут быть связаны с недостаточно большими распределительными трубопроводами, что приводит к тому, что операторы воздушных систем тратят значительное время и деньги на оптимизацию систем распределения.

     Перепад давления – это термин, используемый для характеристики снижения давления воздуха на пути от компрессора до фактической точки использования. Падение давления происходит при прохождении сжатого воздуха через систему обработки, фильтрации и распределения. Правильно спроектированная система должна иметь потерю давления менее 10% от давления, нагнетаемого компрессором.

     Т.е. вышедшее из резервуара ресивера давление должно быть больше полученного потребитель не более, чем на 10%. Чрезмерное падение давления приведет к низкой производительности системы и чрезмерному потреблению энергии. Ограничения потока сжатой газообразной среды любого типа требуют более высокого рабочего давления, чем необходимо, что приводит к более высокому потреблению энергии.

     Грубо говоря, чем больше фильтров будет стоять на пути движения потока и чем длиннее будет его путь, тем быстрее упадет давление. Соответственно требуется более высокое выходное давление, чтобы компенсировать эти потери. Наиболее типичными проблемными зонами являются промежуточный охладитель, смазочные сепараторы и обратные клапаны.

Что вызывает потери давления?

     Любой тип препятствия, ограничения или шероховатости в системе вызовет сопротивление потоку воздуха и приведет к падению давления. В распределительной системе самые высокие перепады давления обычно обнаруживаются в точках использования, включая недостаточно большие или протекающие:

• шланги;
• трубки;
• разъединители;
• фильтры;
• регуляторы потока: изгибы и проч.

     На приточной стороне системы сепараторы воздуха, охладители, влагоотделители, сушилки и фильтры также могут быть основными элементами, вызывающими значительные потери давления.

     Максимальные потери давления от подачи до точек использования будут происходить, когда скорость потока и температура сжатого воздуха являются самыми высокими. Компоненты системы должны выбираться на основе этих условий, и у производителя каждого компонента следует запрашивать информацию о перепаде давления внутри рабочих узлов в этих условиях. При выборе фильтров также необходимо помнить, что они будут пачкаться и соответственно приводить к потерям давления в системе.

Как определить потери давления в трубопроводе?

     Существует несколько формул для подсчета потерь давления. Для некрупных систем используется следующая формула (она не учитывает сколько в системе расположено клапанов, изгибов и соединений):

Для этой формулы потребуется знать некоторые предварительные величины, в том числе:

• q – это производительность компрессора, ее необходимо выразить в л/сек;
• d – это диаметр внутри трубопровода, он указывается в мм;
• l – это полная длина пневмомагистрали, должна быть переведена в м;
• p – давление на входе, выражается в бар.

     Самыми важными показателями для этого расчета являются длина магистрали и диаметр трубопровода. Они играют ключевую роль: маленький диаметр приводит (как видно из формулы) к падению скорости движения сжатой газообразной среды по трубе. Из-за этого происходят потери давления в системе.

     В процессе конструирования пневматической системы и магистрали необходимо не только стараться сократить длину трубопровода, но и выбрать более широкие трубы. Конечно, это приведет к увеличению стоимости проекта. Но впоследствии это поможет, наоборот, сэкономить на ресурсах, поскольку распределительные трубы большего диаметра не будут приводить к настолько большим потерям давления, как узкие.

     Для крупных систем при проектировании учитываются номинальные значения потерь давления на различных элементах конструкции:

• прямой изгиб;
• колено;
• разные виды соединений;
• обратные клапаны;
• задвижки.

Минимизация потерь давления.

     Минимизация перепада давления требует системного подхода при проектировании и обслуживании пневматической системы. Компоненты обработки воздуха, такие как доохладители, влагоотделители, осушители и фильтры, следует выбирать с минимально возможным перепадом давления при заданных максимальных рабочих условиях. После установки следует соблюдать и документировать рекомендуемые процедуры технического обслуживания.

Последовательные шаги на пути к минимизации перепада давления:

• правильно спроектировать систему распределения;
• эксплуатировать и правильно обслуживать оборудование для фильтрации и сушки воздуха, чтобы уменьшить воздействие влаги, приводящее к коррозии труб;
• выбрать охладители, сепараторы, осушители и фильтры с минимально возможным перепадом давления для номинальных условий;
• уменьшить расстояние, которое проходит воздух через распределительную систему;
• использовать в системе регуляторы давления, шланги и соединения, имеющие наилучшие рабочие характеристики при наименьшем перепаде давления. Эти компоненты должны быть рассчитаны на основе фактической, а не средней скорости потока.

     Определение потерь давления в трубопроводе помогает уже на этапе проектирования. Зная предварительные потери, можно приобрести материалы, максимально снижающие эту величину. И необходимо учесть «маршрут» магистрали, чтобы рассчитать оптимальное количество муфт, поворотов и соединений. А также выбрать подходящий диаметр трубопровода. Чем шире будет труба, тем меньше будет падение давления по ходу потока, ведь он будет меньше соприкасаться с внутренней стенкой трубы. Грамотный подход на этапе проектирования поможет существенно минимизировать потери давления в пневматической системе.

Расчет падения давления в трубопроводах – KAESER KOMPRESSOREN

• Расчет номинальной длины

Выбрать единицу измерения

Используйте точку для отделения десятичных долей числа!

Расчет падения давления

	Расчет номинальной длины трубопровода производится путем сложения длины прямого трубопровода и длины используемой арматуры.
	Эквивалентная длина арматуры может быть вычислена с помощью прилагаемой программы или приблизительно рассчитана методом прибавления 60% от длины прямого трубопровода, т. е. номинальная длина = длина прямого трубопровода x 1,6.
	Расчет действителен для гладкой трубы.

Расчет эквивалентной длины трубопровода

Диаметр трубопровода		DN	25405080100125150200250300400
		эквивалентная длина [м]	Количество
Колено		1.5
Колено R = 2d		0. 3
Колено R = d		0.4
Т-образное соединение для прямого направления		0.5
Т-образное соединение для ответвления трубопровода		1.5
Седельный клапан		5
Запорная заслонка / шаровой кран		0.3
Обратный клапан		2
Сокращение до DN:   20		0.5
Эквивалентная длина трубопровода всей установленной арматуры			м

© 2022 KAESER KOMPRESSOREN

Что такое падение давления?

Системы технологических трубопроводов подвержены явлению, известному как перепад давления . Проще говоря, перепад давления — это разница общего давления между двумя точками в сети, несущей жидкость. Когда жидкий материал входит в один конец трубопроводной системы и выходит из другого, возникает падение давления или потеря давления.

Падение давления возникает в результате трения, вызванного трением жидкостей о компоненты трубопровода и внутренние стенки трубопроводной системы.

Для данной системы ее можно рассчитать с помощью инженерных моделей, используя тип жидкости, ее скорость потока, расположение и характеристики трубопроводов (включая диаметр труб), характеристики компонентов системы (таких как насосы) и многое другое.

Падение давления само по себе не обязательно плохо. Понимание того, как рассчитать его для конкретного трубопровода, позволяет инженерам правильно спроектировать систему и определить такие переменные, как диаметр трубы, технические характеристики насоса и типы используемых клапанов, среди прочего. Однако есть и отрицательные последствия, связанные с перепадом давления, если он недостаточно изучен для конкретной установки.

При чрезмерном падении давления в системе температура рабочей жидкости повышается, и системным насосам приходится работать с большей нагрузкой из-за повышенного потребления энергии. Падение давления может также увеличить общее давление в системе, увеличить износ компонентов и создать потенциально опасные условия избыточного давления. Наконец, чрезмерный перепад давления может привести к выходу из строя некоторых компонентов системы трубопроводов из-за недостаточного рабочего давления или вызвать кавитацию в системе. Эти отрицательные стороны и общее влияние перепада давления находятся в центре внимания этой статьи.

Какое значение имеет падение давления?

На самом базовом уровне понимание перепада давления, связанного с конкретной сетью подачи жидкости, позволяет инженерам технологических установок определить размер необходимых насосов/двигателей и диаметр технологической трубы, необходимый для перемещения определенного типа продукта через система трубопроводов.

Чем выше перепад давления в линии, тем больше энергии расходуется на поддержание желаемого технологического потока, что требует более мощного двигателя.

И наоборот, чем ниже перепад давления в трубопроводной системе, тем меньше потребляется энергии, что дает возможность использовать двигатель меньшей мощности. Падение давления также определяет общие требования к напору системы.  

Напор (или напор насоса) — это просто высота, на которую конкретный насос может поднять столб воды, обычно выражаемый в метрах.

По сути, это мера силы, с которой насос воздействует на перекачиваемую жидкость. Высота напора насоса может быть рассчитана или может быть получена от производителя насоса. Как бы то ни было, напор насоса должен быть добавлен обратно к любому перепаду давления, который в противном случае возникает в системе трубопроводов.

Если требуемый напор слишком велик из-за необходимости преодолевать большой перепад давления, это может отрицательно сказаться на компонентах системы, включая правильную работу вспомогательного оборудования, преждевременный выход из строя уплотнений и потенциально опасные ситуации избыточного давления.

Влияние перепада давления на уплотнения

Уплотнения, используемые в таком оборудовании, как насосы и теплообменники, имеют определенные ограничения по давлению. Когда оборудование работает в подходящем диапазоне (с точки зрения давления, температуры, скорости и т. д.), уплотнения будут иметь заранее определенный срок службы.

Когда оборудование работает за пределами оптимального диапазона, вызванного такими факторами, как избыточное давление, уплотнения разрушаются или деформируются, вызывая утечки в системе.  

Даже после того, как инцидент с избыточным давлением был устранен, уплотнения будут продолжать протекать, поскольку они больше не подходят должным образом.

Влияние перепада давления на безопасность

Ситуации избыточного давления, вызванные перепадом давления, также могут вызывать проблемы с безопасностью. Системы обработки предназначены для безопасной и эффективной работы. Когда размер трубопровода системы недостаточен для конкретного применения, размер насоса должен быть увеличен, чтобы компенсировать падение давления. В этой ситуации в оборудовании, расположенном рядом с насосом, давление превышает допустимое.

Это может привести к разрыву трубопровода, в результате чего персонал перерабатывающего предприятия окажется в небезопасных условиях труда (например, горячие жидкие продукты, агрессивные чистящие химикаты и т. д.)

Что влияет на перепад давления?

1. Продукт

При рассмотрении возможного падения давления в конкретной системе обработки жидкости первое, что необходимо, — это понимание природы продукта, прокачиваемого через нее.

Свойства жидкости, включая

• Плотность
• Теплоемкость
• Температура
• Вязкость

все влияют на падение давления.

Например, на предприятии по переработке пищевых продуктов некоторые продукты — , такие как кетчуп — резко изменяют свою вязкость при перекачивании по трубопроводу из-за сдвига. Эти типы продуктов становятся тоньше из-за трения, вызванного прохождением через насосы и внутренние поверхности труб.

Это явление называется тиксотропией и представляет собой зависящее от времени свойство утончения при сдвиге. Тиксотрофные жидкости обычно вязкие в статическом состоянии (например, кетчуп в бутылке), но становятся более жидкими или менее вязкими при встряхивании или взбалтывании, возвращаясь к своему нормальному состоянию, когда источник взбалтывания удаляется.

Напротив, другие продукты, такие как уксус, в условиях обработки действуют скорее как ньютоновские жидкости. Ньютоновские жидкости — это жидкости, которые не являются тиксопрофными и не подвержены изменению вязкости под действием силы сдвига. Продукты, обладающие ньютоновскими характеристиками, поэтому могут способствовать более высокому перепаду давления при перекачивании по трубопроводу, поскольку их вязкость существенно не изменяется при прохождении через систему.

2. Механические компоненты

Механические компоненты в системе трубопроводов — , включая клапаны, расходомеры, адаптеры, муфты и трубки — также могут влиять на перепад давления. Помимо насосов, все эти компоненты, обычно встречающиеся в системе технологического трубопровода, будут способствовать падению давления в системе, поскольку они забирают энергию из технологического потока, а не добавляют к нему.  

Механический перепад давления также зависит от 

• Площадь поперечного сечения трубы
• Шероховатость внутренней поверхности трубы
• Длина трубы
• Количество изгибов в системе
• Геометрическая сложность каждого компонента

Например, изменения потока или направления жидкости — созданный путем введения 45- или 90-градусных отводов , может увеличить трение и падение давления. Кроме того, чем больше расстояние, которое жидкость должна пройти в системе, тем больше площадь поверхности, вызывающая трение.

3. Изменения высоты трубопровода

На падение давления также может существенно повлиять изменение высоты трубопроводной системы. Если начальная отметка трубы ниже, чем ее конечная отметка, в системе возникнет дополнительный перепад давления, вызванный подъемом отметки (измеряемый с точки зрения напора жидкости, который эквивалентен подъему отметки).

И наоборот, , если начальная отметка трубы выше ее конечной отметки, будет дополнительный прирост давления из-за падения отметки (опять же, измерено с точки зрения напора жидкости и эквивалентно падению высоты в данном случае).

Для конкретной системы трубопроводов общий перепад давления можно рассчитать с помощью нескольких уравнений. Один пример, используемый для расчета перепада давления в технологическом трубопроводе, представлен следующим образом:

P(конец)= P(начало) — потери на трение — потери в фитингах — потери компонентов + высота (начало-конец) + напор насоса

Где

• P(end)= давление на конце трубы
• P(начало)= давление в начале трубы
• Высота (начало-конец) = (высота в начале трубы) – (высота в конце трубы)
• Напор насоса= 0 (если насоса нет)

Таким образом, при проектировании технологической системы для минимизации или устранения падения давления инженеры технологического предприятия должны сделать следующее:

1. Убедитесь, что внутренний диаметр технологической трубы и размер насоса (мощность, производительность) соответствуют типу жидкости, прокачиваемой через систему. Ошибки, допущенные в любом из них, могут привести либо к чрезмерному падению давления, либо к ситуации избыточного давления.
2. Сведите к минимуму количество дополнительных механических компонентов (клапанов, расходомеров, переходников и муфт) в технологическом трубопроводе, поскольку все это может усугубить проблемы с падением давления.
3. Убедитесь, что технологический трубопровод максимально компактен, с минимальной длиной и изгибами. Чрезмерная длина участка трубопровода и изменение направления будут способствовать падению давления.
4. Убедитесь, что технологические трубопроводы расположены как можно ровнее, в идеале, чтобы начальная и конечная отметки были примерно на одной высоте. Как отмечалось выше, изменения высоты трубопровода во всей системе будут способствовать либо падению давления, либо избыточному давлению.

Следующие шаги

Определение перепада давления в конкретной системе трубопроводов является высокотехнологичной задачей, требующей понимания гидродинамики . Расчет таких элементов, как потери на трение в системе трубопроводов, требует применения математических уравнений, которые выходят за рамки, предусмотренные в этой статье.

Тем не менее, CSI может помочь. Мы являемся экспертами в проектировании и настройке технологических трубопроводов и будем работать с вами, чтобы разработать решение, позволяющее понять перепады (или повышения) давления в вашей трубопроводной системе и правильно спроектировать его для удовлетворения потребностей конкретного технологического приложения. Свяжитесь с CSI по телефону (417) 831-1411 для получения дополнительной информации.

О CSI

Компания Central States Industrial Equipment (CSI) является лидером в области дистрибьюции гигиенических труб, клапанов, фитингов, насосов, теплообменников и расходных материалов для техобслуживания для гигиеничных промышленных процессоров с четырьмя распределительными предприятиями в США. CSI также обеспечивает детальное проектирование и исполнение для гигиенических технологических систем в пищевой, молочной промышленности, производстве напитков, фармацевтике, биотехнологии и производстве средств личной гигиены. Специализируясь на технологических трубопроводах, запуске систем и системах очистки, CSI использует технологии, интеллектуальную собственность и отраслевой опыт для решения технологических проблем. Дополнительную информацию можно найти на сайте www.csidesigns.com.

Попада вдоль длины трубы

Падение давления жидкости вдоль длины трубы однородного диаметра

Соблюдение потока жидкости.

Для определения перепада давления жидкости (жидкости или газа) вдоль трубы или элемента трубы необходимо выполнить следующие расчеты в следующем порядке.

Число Рейнольдса в уравнении:

Если число Рейнольдса < 2320, то у вас ламинарный поток.

Ламинарное течение характеризуется упорядоченным скольжением концентрических цилиндрических слоев относительно друг друга. Скорость жидкости максимальна на оси трубы и резко уменьшается до нуля у стенки. Падение давления, вызванное трением ламинарного потока, не зависит от шероховатости трубы.

Если число Рейнольдса > 2320, у вас турбулентный поток.

Неравномерное движение частиц жидкости в направлениях, поперечных направлению основного потока. Распределение скоростей при турбулентном течении более равномерно по диаметру трубы, чем при ламинарном. Падение давления, вызванное трением турбулентного потока, зависит от шероховатости трубы.

Выберите коэффициент трения трубы:

Коэффициент трения трубы представляет собой безразмерное число. Коэффициент трения для условий ламинарного потока является функцией только числа Рейнольдса, для турбулентного потока он также является функцией характеристик стенки трубы.

Определить коэффициент трения трубы при ламинарном потоке:

λ = 64 / Re

Где:

λ = коэффициент трения трубы
Re = число Рейнольдса
Примечание. Идеально гладкие трубы будут иметь нулевую шероховатость.

Определить коэффициент трения трубы при турбулентном течении (в большинстве случаев) Уравнение Колбрука:

или

0,8 м/с/с)
Re = число Рейнольдса (безразмерное)
k = абсолютная шероховатость (мм)
D = диаметр трубы (м)
lg = сокращение от Log

число Рейнольдса для создания диаграммы Муди.

В следующей таблице приведены типичные значения шероховатости в миллиметрах для наиболее часто используемых материалов трубопроводов.

Определите падение давления в круговых трубах:

Где:

Δp = капля давления (PA или KG / M-S ² )
λ = Pipe Frict Coeftifit 9099 (
9000 (Pipectip Driefifit 9000 9000
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
) m)
D = диаметр трубы (м)
p = плотность (кг/м ³ )
ω = скорость потока (м/с)

падение давления с коэффициентами сопротивления конкретно для элемента. Коэффициенты сопротивления в большинстве случаев находятся в ходе практических испытаний и в документах спецификаций поставщиков. Зная коэффициент сопротивления, можно рассчитать падение давления на элементе.

Где:

= Падение давления (кг/м ² )
= Коэффициент сопротивления (определяется испытанием или спецификацией поставщика)
p = Плотность (кг/м ³ ) 60 2 Скорость 09009 ω = Расход

Падение давления под действием силы тяжести или вертикального подъема

Где:

Δp = падение давления
(кг/м ² )
p = Плотность (кг/м ³ )
g = ускорение свободного падения (9,8 м/с/с)
ΔH = вертикальный подъем или падение
(м)

Падение давления газов и паров

Сжимаемые жидкости расширяются из-за перепада давления (трения), и скорость увеличивается.