Влияние диаметра прорезаемого отверстия при установке седлового отвода на давление газа в боковом отделе
Как уже отмечалось в [1], среди деталей с закладными нагревателями (ЗН) можно выделить широко используемые детали седлового типа, у большей части которых ЗН выполнен в виде концентрической спирали. ЗН расположен на нижней изогнутой поверхности седловой части, имеющей тот же радиус изгиба, что и труба, на которую такие детали устанавливаются. В центре и по периметру седловой части имеются холодные зоны, где спирали ЗН отсутствуют.
Преимущества деталей седлового типа перед деталями муфтового типа при использовании для одинаковых целей (например, выполнение ответвлений от трубопровода) заключаются в их более низкой стоимости, меньшем времени монтажа и сварки, снижении рисков и повышении безопасности работ, возможности монтажа на трубопроводе, находящемся под давлением.
На российском рынке в настоящее время имеются седловые детали с ЗН, в том числе и седловые отводы (седелки), различных производителей (рис. 1).
Рис.1. Седловые отводы различных производителей.
Седловые отводы отличаются по конструкции, по диапазону диаметров как основного трубопровода, так и патрубков — отводов, по диаметрам прорезаемого фрезой в основном трубопроводе отверстия. У большинства производителей максимальный диаметр отвода—63 мм, однако в Китае производятся седловые отводы с диаметром отвода до 90 мм. Конструкция детали определяет вид и способ установки ответной части при монтаже на трубопровод, форму и устройство седловой части и головки с отводом, конструкцию крышки, конструкцию и ход фрезы. Все это прямо влияет на качество приварки седлового отвода, на прочность всего соединения.
Известно, что при прохождении перекачиваемой среды (воды, газа и т.п.) по трубопроводу ее давление постепенно снижается из-за расхода энергии на трение о стенки трубы. На давление перекачиваемой среды также влияют сварные швы, соединительные детали: муфты, повороты, переходы диаметров, детали седлового типа и другие, а также местные сужения потока: служат вентили, задвижки, краны, клапаны, диафрагмы, капиллярные трубки и т.п., установленные на трубопроводе. На седловых отводах давление в боковом патрубке — отводе зависит от диаметра прорезаемого фрезой в основном трубопроводе отверстия, который всегда меньше внутреннего диаметра основного трубопровода (рис. 2).
Рис.2. Седловой отвод 110х25 мм, приваренный к основной трубе, в разрезе (левый снимок), вид на прорезанное фрезой в основной трубе отверстие снизу (правый снимок).
При прохождении газа через седловой отвод, который представляет собой местное сужение, происходит его дросселирование, т.е. снижение давления газа без совершения им механической работы. При подходе к прорезанному фрезой отверстию поток газа, сужаясь, разгоняется, давление внутри него уменьшается, а на стенке трубопровода вследствие торможения газа в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия поток, расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление газа при этом возрастает. Однако давление Р2 после сужения оказывается меньше давления Р1 перед сужением [2]. Снижение давления является следствием потерь на трение и вихреобразование, вызванное разностью давлений (рис. 3).
Рис.3. Влияние сужения сечения трубопровода на скорость течения (W) и давление (Р) газа.
Величина снижения давления зависит от природы газа, параметров его состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода. Абсолютное значение падение давления зависит также от расхода газа (рис. 4). Это снижение в конечном счете может влиять на работу газоиспользующего оборудования у потребителей.
Рис.4. Зависимость перепада давления газа (ΔP) на сужающем устройстве от его расхода (q)
Согласно табл. 2 из п. 4.4 [3] величина низкого давления на входе в жилые здания не должно превышать 0,003 МПа, а согласно того же п. 4.4 «давление газа … перед газоиспользующими установками должно соответствовать давлению, необходимому для устойчивой работы этих установок, указанному в технических паспортах заводовизготовителей…». Ряд моделей современных газовых бытовых котлов допускают снижение давления на входе до 0, 0008 МПа. Однако, несмотря на все это, известны случаи, когда в зимнее время из-за падения давления в наружных сетях низкого давления после прохождения седлового отвода отопительные котлы в жилых домах отключались или затруднялась их наладка и пуск в эксплуатацию.
Необходимо отметить, что в нормативной документации и специальной литературе довольно мало информации по этому вопросу. Поэтому имеет смысл попытаться рассмотреть его подробнее.
Известна формула для перепада давления ΔР на сужающем устройстве, которое пропорционально квадрату расхода газа q: ΔР = q2 /с2
где с — постоянный коэффициент для данного расходомера, зависящий от температуры, плотности, давления газа, диаметра сужения. Величина расхода газа также зависит от квадрата внутреннего диаметра сужения и скорости газа. График качественной зависимости ΔР от q приведен на рис. 4.
Точный численный расчет падения давления газа для конкретного седлового отвода является достаточно сложной задачей, требующей применения численных методов, поэтому попробуем оценить это падение также качественно, пользуясь экспериментальными зависимостями, которые были получены при изучении явления дросселирования на других сужающих устройствах (рис. 5). Как известно, этот эффект широко используется для снижения давления, измерения объема перекачиваемого газа.
Рис. 5. Некоторые виды сужающих устройств на газопроводе. а диафрагма; б – сопло; в – сопло Вентури; г – трубка Вентури
Форма пути, по которому газ проходит из основного трубопровода через седловой отвод в патрубок, напоминает изогнутое сопло Вентури (рис. 5 в). Однако общий вид зависимостей для всех видов сужений похож: из графиков на рис. 6 следует, что величина относительного падения давления на сужающем устройстве тем больше, чем больше разница между квадратом диаметра основной трубы и квадратом диаметра сужения (т.е. чем меньше параметр m). Крутизна графиков зависит от конструкции и геометрии конкретного вида сужающего устройства.
Для надежной работы газоиспользующего оборудования необходимо, чтобы величины как абсолютного (рис. 4) так и относительного падения давления газа (рис. 6) на седловом отводе были как можно меньшими.
Попробуем использовать зависимость относительного падения давления газа после прохождения сопла Вентури со страницы 444 [4] (график 4 на рис. 6) для качественного сравнения газодинамических характеристик различных седловых отводов. В реальности за счет изгиба и, соответственно, большей потери на нем энергии проходящего газа, зависимость относительного падения давления газа после попадания в патрубокотвод седлового отвода должна быть ближе к графику 2 на рис. 6, однако без строгих численных расчетов или экспериментальных данных точный вид графика определить нельзя. Тем не менее соотношение относительных падений давления у разных седловых отводов с одинаковым параметром m будет сохраняться независимо от того, какой именно график с рис. 6 был бы использован.
Рис. 6. Зависимость относительного перепада давления потока газа от соотношения сечений на сужениях разной формы. 1 диафрагма; 2 сопло; 3, 4, 5 – сопла Вентури различных конструкций. Обозначения: Pn = DР = Р1 – Р2 потеря давления в сужающем устройстве; ΔP = Р1 – Р2min – перепад давления; m = d²/D² модуль сужающего устройства; D – внутренний диаметр трубопровода перед сужением; d – диаметр отверстия сужающего устройства.
Диаметры фрез седловых отводов (т.е. диаметр сужения трубопровода) некоторых производителей, предлагаемых на российском рынке, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость диаметра фрезы (мм) от наружного диаметра бокового патрубка седловых отводов Дн (мм) разных производителей.
Используя график 4 и данные из таблицы, можно построить зависимость относительного падения давления на седловых отводах разных производителей и разной геометрии (рис. 7 и 8), которым будут соответствовать разные модули сужающих устройств m = d2 /D2 (рис. 6). По значению модуля на графике 4 с рис. 6 можно определить значение Pn/ΔP. На построенных таким образом графиках для наглядности по горизонтальной шкале будем откладывать диаметр основного трубопровода, поэтому зависимость на наших графиках будет обратной относительно графиков на рис. 6.
Рис.7. Зависимость относительного падения давления газа (Рn /ΔР) на седловом отводе от диаметра основной трубы при диаметре патрубка – отвода 32 и 40 мм для деталей разных производителей. Диаметры фрез соответствуют табличным.
Из приведенных графиков следует, что диаметр фрезы седлового отвода, различный у разных производителей, весьма существенно влияет на относительное падение давления газа после прохождения через седловой отвод при небольших диаметрах основного трубопровода.
Для патрубков — отводов диаметром 32 и 40 мм наименьшее относительное падение давления газа наблюдается у седловых отводов производства фирмы «Георг Фишер». Для них относительное падение давления газа на диаметре основного трубопровода 63 мм примерно в полтора раза меньше, чем для седловых отводов марки «Элофит». Однако с увеличением диаметра основного трубопровода до 250 мм показатели относительного падения давления газа всех производителей возрастают и становятся близки по значению, в диапазоне 0,27–0,29.
Для патрубков — отводов диаметром 50 и 63 мм наименьшее относительное падение давления газа наблюдается у седловых отводов марки «Элофит». Для них относительное падение давления газа на диаметре основного трубопровода 90 мм примерно на 15% меньше, чем для седловых отводов марки «Евростандарт». Однако, как и в предыдущем случае, с увеличением диаметра основного трубопровода до 250 мм и выше показатели относительного падения давления газа всех производителей возрастают и становятся близки по значению, в диапазоне 0,26–0,28.
Из графиков следует, что определяющее влияние на значение относительного падения давления газа имеет диаметр основного трубопровода. Диаметр патрубка-отвода на это падение не влияет, если диаметр фрезы не изменяется. Как и следовало ожидать, наибольшее относительное падение давления газа наблюдается на больших диаметрах основного трубопровода, т.е. при малых значениях параметра m, на которых разница газодинамических характеристик седловых отводов разных производителей становится несущественной.
Литература.
- М.А. Зуев, В.И. Жуков, С.В. Иванов Соединительные седловые детали с закладными нагревателями для полиэтиленовых трубопроводов. Полимергаз, № 4, 2014.
- Андрющенко В.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М, Наука, 1965.
- СНиП 42–01–2002 Газораспределительные системы.
- Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов».— 3е изд., перераб.— Москва: «Энергия», 1978.—704 с.
