Как рассчитать потери давления на повороте потока в угловом клапане

Угловой клапан меняет направление потока на 90° прямо в корпусе, поэтому отдельное колено не нужно. Потери давления в нем считают по формуле ?p = ? ? ? ? v? ? 2. Здесь ? коэффициент местного сопротивления, ? плотность среды в кг/м?, v скорость потока в м/с, ?p потеря давления в паскалях.

Расчет по шагам

1. Найдите скорость: v = Q ? (3600 ? ? ? d? ? 4). Q расход в м?/ч, d внутренний диаметр в метрах.
2. Возьмите ? из паспорта: он зависит от конструкции корпуса и степени открытия. Если значения нет, используйте ориентиры из таблицы ниже.
3. Подставьте значения в формулу и переведите результат: 100 000 Па равны 1 бару.

Пример

Вода, расход 20 м?/ч, Ду50, ? = 2,5. Скорость: 20 ? (3600 ? 0,00196) = 2,83 м/с. Потеря давления: 2,5 ? 1000 ? 2,83? ? 2 ? 10 000 Па, то есть 0,1 бар, или около 1 м вод. ст. Проходной клапан с ? = 6 при том же расходе даст 0,24 бар.

Скорость в формуле стоит в квадрате. Расход 40 м?/ч в том же клапане даст потерю 0,4 бар, то есть вчетверо больше.

Во что превращаются потери

Потерянное давление насос восполняет мощностью: N = Q ? ?p ? ?, где ? КПД насоса. При расходе 20 м?/ч и потере 10 000 Па дополнительная мощность равна 0,00556 м?/с ? 10 000 Па ? 56 Вт. С учетом КПД насоса 60% это около 93 Вт. За 8000 часов работы в год клапан потребляет примерно 740 кВт·ч. В линии из десятка единиц арматуры цифра уже заметна.

Что учитывать

1. Степень открытия. При открытии наполовину ? растет в несколько раз, а запорный клапан для регулирования не предназначен.
2. Вязкость. Для масла и мазута ? выше, расчет ведут по данным изготовителя.
3. Замена колена. Связка из отвода 90° (? около 0,5) и проходного клапана (? около 6) дает 6,5, угловой клапан заменяет ее при ? около 2,5.
4. Запас. К результату добавляют 10–15% на загрязнение и износ седла.
5. Температура. Горячая вода легче холодной: при +90 °C ее плотность около 965 кг/м?, потери получаются немного меньше.

Как снизить потери

Самый простой рычаг: диаметр. Если для расхода 20 м?/ч взять клапан Ду65 вместо Ду50, скорость упадет с 2,83 до 1,67 м/с, а потеря давления с 0,1 до 0,035 бар, то есть почти втрое. Клапан обходится дороже, зато электричество экономится годами.

Другие приемы:

1. Заменяйте связку из колена и проходного клапана одним угловым клапаном.
2. Оставляйте прямой участок в несколько диаметров до и после клапана: после колена поток завихряется, и сопротивление растет.
3. Открывайте запорный клапан полностью, частичное открытие создает потери и изнашивает седло.

Как использовать результат

Потерю на клапане суммируют со всеми местными сопротивлениями и потерями на трение по длине трубы. Итог сравнивают с напором насоса: запас должен покрывать все потери плюс 10–15%. Например, при напоре 30 м вод. ст. и суммарных потерях 24 м резерв невелик, а клапан с потерей 1 м добавляет к сумме еще около 4%.

Для газа и пара расчет отличается: плотность зависит от давления, поэтому ? берут при рабочих условиях.

Второй способ опирается на коэффициент Kv: для воды ?p (бар) = (Q ? Kv)?. Для клапана Ду50 с Kv 63 м?/ч и расходом 20 м?/ч получится 0,1 бар, как и в расчете по ?. Паспорта угловых запорных клапанов содержат одну из двух величин, и по любой из них можно получить вторую.