Расчет трубопровода, электромагнитных клапанов и расчет давления на полив

[polivmax]

Рассмотрим тему подбора диаметра трубопровода, подсчет и выбор
типоразмера электромагнитного клапана, а так же расчет минимально
необходимого давления для реализации полива, когда все сплинкеры будут работать «корректно».
В теме Основные законы гидравлики, сказано о правиле 1,5 м/с. О том, что для оптимальности работы системы автополива, скорость потока воды по трубопроводу не должна превышать этого значения. Во-первых, превышение скорости 1,5 м/с, повышает вероятность такого явления как гидравлический удар, а во-вторых дальнейшее увеличении скорости потока воды ведет к значительному увеличению потерь давления на трении по трубе. Поэтому самый легкий способ контролировать эти явления, это не превышать 1,5 м/с скорости потока в трубе. Рассмотрим эту рекомендацию на примере:

В этом примере даны две сплинкерные зоны, по разному подключенные к главной магистрали.
Одна последовательно 1, другая параллельно 2.
Для примера возьмём условно роторы среднего радиуса действия (14,33 м.) рабочим давлением (3,8 бар) и расходом на каждый ороситель 1,8 м3/ч или 0,5 л/с. Каждый участок трубопровода от сплинкера до сплинкера на зоне имеет буквенное обозначение- это поможет в разъяснении.
По расчетам на последних, замыкающих сплинкерах должно быть обеспечено рабочее давление
равное 3,8 бар. Материалом для трубопровода выбрали трубу ПНД. Можно использовать таблицу гидравлических характеристик для ПНД труб нужного SDR. Образмеривание трубопровода начинается от крайне стоящего в цепочки сплинкера в сторону клапана. От последнего к предпоследнему. Следующий участок трубы несет на себе нагрузку уже двух сплинкеров. Расход удвоится. Типоразмер трубы тоже может измениться. И так повторять расчет до первого сплинкера перед клапаном. Этот подход определения типоразмера трубопровода зоны называется «Решающая длина контура». Согласно этому подходу решения вы должны выбрать самую длинную ветку в зоне, и на базе нее рассчитывать.
Посмотрим на зону №1 в примере. Нетрудно заметить, что самая длинная ветвь она же и единственная в этой зоне включает все от «А» до «Г» промежутки между сплинкерами.

В зоне №2 цепочка сплинкеров разбита в центре контура. Говоря точнее, клапан находится не на самом центре ветки. И контур в сторону секций «В», «Г», чуть длиннее. Потому это и будет на этой зоне «решающей длиной».

Определимся с сечениями труб этих зон.
Зона 1.
Отрезок «Г». Расход для сплинкера как у нас было указано составляет 1,8 мЗ/ч или 0,5 л/с. Ищем в таблице гидравлических характеристик для данного расхода сечение трубы, в которой скорость движения будет составлять максимально приближенное к 1,5 м/с. Это будет 25 мм труба (параметры 1,409 м/с ).

На следующем участке «В» будет уже расход от двух сплинкеров 3,6 мЗ/ч или 1,0 л/с. Для расхода
равного 3,6 мЗ/ч будет соответствовать труба с внешним диаметром 40 мм. Т.е. мы пропустили один
типоразмер. По участку «Б» идет расход уже трёх сплинкеров-5 ,4 мЗ/ч или 1,5 л/с. И если мы посмотрим в таблицу потерь давления на трение, то увидим, что для значения расхода 5 ,4 м3/ч
будет на пределе соответствовать труба внешним диаметром 40 мм, либо можно выбрать следующий
типоразмер грубы с внешним диаметром 50 мм, т.к. следующий и последний расход, являющийся
суммарным от 4 сплинкеров 7,2 м3/ч или 2,0 л/с будет также вписывается в 50 мм трубу.

Для зоны №1 трубопровод образмерен, теперь определим диаметры трубопровода для зоны №2.
В данной зоне работают те же сплинкеры и трубопровод выполнен из того же материала из ПНД труб. Соответственно для участка «Г» с расходом от одного сплинкера размер трубы 25 мм, для участка «В» будет 40 мм.
В противоположную сторону от клапана для участков «А» и «Б» ситуация аналогична. Т.е участок
«А» представляет из себя трубу 25 мм, участок «Б» труба диаметр 40 мм. Из примера приведенного
ясно видно, в чем преимущество «параллельной» схемы подключения сплинкеров от последовательной.
Диаметр трубы мы используем на один типоразмер меньше.

Итак, дальше нам нужно подобрать электромагнитные клапана и определить
размеры оставшегося трубопровода. Начнем с поиска типоразмера электромагнитных клапанов.
Зоны на плане идентичны, и расход проходящий через клапан равен 7,2 м3/ч или 2,0 л/с. Для выбора электромагнитного клапана советуем придерживаться следующих рекомендаций:

• Потери давления на электромагнитном клапане не должны превышать значения 10% от
  рабочего давления доступного на полив в главной магистрали;

• Размер клапана должен соответствовать типоразмеру трубы максимального диаметра в
  зоне, или же быть не меньше чем на один типоразмер, чем размер трубы максимального
  диаметра;
• Размер клапана не должен быть больше размера трубы зоны, исключая случаи с
  параллельной схемой подключения, где расход значителен

Допустим в нашем примере с роторами с выдвижной частью, статическое давление на манометре 5 ,2 бар.
Если для данного примера нет изменений давления связанных с изменением высот, то давление 5 ,2 бар будет во всей главной магистрали при скорости потока равной 0. Т.е. в том случае если расхода воды нет. Мы знаем размер трубы подходящей к клапанам. Посмотрим на клапаны.
Откроем страницу каталога с клапанами к примеру Rain Bird серии РЕВ. Эти клапана рассчитаны на работу в системах с высоким давлением. Электромагнитные клапана с соленоидом на 24 В этой серии
существуют 3-х типоразмеров.

Итак для расхода 7,2 м3/ч или 2,0 л/с значение потерь давления не должно превышать 10% от 5 ,2
бара согласно первой рекомендации. Т.е. должно быть не больше 0,52 бар. Для данного расхода по
таблице.
Под первое правило подходят все клапаны этой серии от 100 до 200 РЕВ (1”-2”).
Используем второе правило выбора клапана. Размер 1" соответствует трубе диаметром 32 мм. И
если бы она подошла для зоны №2, то для зоны №1 этот клапан в этом случае не подходит. Диаметр трубы подходящий к клапану 50 мм, значит, минимальный диаметр клапана должен быть не меньше 40мм. Т.е в нашем случае клапан 100-РЕВ исключается, т.к. он рассчитан на диаметр трубы 32 мм. 1,5" соответствует трубе 40 мм. Т.е клапаны серии 150-РЕВ удовлетворяют всем требованиям для того
чтобы их выбрать для работы в зоне №1 и зоне №2.

Внимание: При выборе электромагнитного клапана не руководствуйтесь мыслью, что чем больше клапан, тем меньше потери давления. И выбрав клапан с завышенным диаметром, вы можете получить ситуацию, когда система полива, спроектированная вами работать не будет. Обратите внимание, что вы не должны выбирать клапан на расход, который вы в таблице потерь не нашли или в графе расхода находится прочерк. Так для расхода 10 м7ч использовать клапан 200-РЕВ не рекомендуется.
На клапане должно быть обязательно минимальное значение потерь давления. Эту разницу потерь давления на клапане, клапан использует, чтобы иметь возможность открываться и закрываться. Если вы не видите значение потерь в таблице для клапана при определенном расходе это признак того , что компания не рекомендует использовать данный клапан при данном расходе.
Вернемся к нашему примеру. Итак, аналогично зоне №1, зоны №2 также будет управляться клапаном серии 150-РЕВ. В случае если расход на какой либо зоне отличался по какой либо причине (другие сплинкеры, иная схема подключения ) от расхода зоны №1 то нам бы пришлось произвести расчет аналогичные вышеприведенным с использованием рекомендаций.

Теперь нам надо подобрать размер сечения трубы главной магистрали. Для надежной работы она
должна быть высоко прочной, рассчитанной на работу при больших давлениях, с толстыми стенками,
т.к. находится, будет все время под давлением. Так если для латерального трубопровода вы выберете
трубу с максимальным рабочим давлением 6 бар, то для главной магистральной трубы нужно
использовать трубу с максимальным рабочим давлением больше 10 бар.

Размеры и максимальные рабочие давления труб из полиэтилена ПЭ 80

Также можно воспользоваться таблицей скорости потока и потерь давления.
(таблицы потерь можно запрашивать у заводов изготовителей трубы). Тогда с рабочим расходом системы равным 7,2 м3/ч или 2,0 л/с главная магистральная труба будет диаметром 50 мм SDR 13,6 . Для остального латерального трубопровода вы можете использовать трубу с максимальным рабочим давлением 6-10 бар.
Внимание: С увеличением скорости потока в трубе возрастает вероятность гидравлического удара. Всегда проверяйте ветку трубопровода, в которой у вас превышен расход и которая имеет значительную длину, на максимально-возможное значение давления.

Робщ = Рраб +Ризб;
где Робщ- общее давление в магистрали;
Рраб- рабочее давление системы;
Ризб- избыточное давление вызванное быстрым закрытием клапана или крана;

где, V- скорость потока воды по трубе, м/с;
L- длина, расчетной магистрали трубы, м;
Т- время закрытия клапана или крана, с.
Значение давления Робщ не должно превышать максимально допустимого значения характеризующего данную трубу см, таблицы выше.

Определились со всеми составляющими элементами системы и готовы теперь
к тому, чтобы найти необходимое значение давления для нормального функционирования системы
автополива. Эти действия необходимо провести, чтобы убедится, что система будет работать при данном давлении и расходе.
Запишем формулу давлений:

где
Ро- Давление оставшееся;
Рс- Давление статическое;
Рр- Давление рабочее соответствующее работе сплинкеров в наихудшем случае;
Рп- Суммарная потеря давления по системе (определяется для наихудших условий).

Начинают расчеты с определения зоны с наихудшим случаем, т.е. зона, которая
находится наиболее отдаленно от ТЗВ (Точки забора воды) или же зона, которая сочетает расположение на большой дистанции еще и потребление большого расхода. Т.е. мы используем характеристики, из которых складывается потери давления. Еще вариант зоны с наихудшими условиями это большой расход и значительные изменения по высоте вверх относительно ТЗВ. Если у вас разные зоны с разным сочетанием условий повышающих потери давления, вам нужно их все исследовать и определить «наихудший» вариант- вариант зоны с максимальными потерями давления. В этой зоне вы находите сплинкер тоже находящийся в худших условиях. Это должен быть самый удаленный от клапана сплинкер.

Для нашего примера худшими вариантами зон будут либо зона №1 либо зона №2. На обе зоны
идет одинаковый расход, однако зона №2 находится дальше по главной магистрали. В то же время длина латеральной ветки зона №1 больше (последовательная схема) чем разделенная длина
латеральной ветки зоны №2.
Быстрый способ проверки системы, без подсчета потерь в каждой из этих зон, это подсчитать потери давления в зоне №1 поместив ее на место зоны №2. В данном случае вы будете иметь вариант
хуже, чем на самом деле есть. И если расчеты при таких допущениях покажут, что зона будет
функционировать нормально, то вы будете знать, что и все остальные зоны обеспечены достаточным
давлением, потому что они находятся ближе к источнику.

Если значение давления в формуле Ро будет очень маленьким, или значение даже будет отрицательным, то это будет значить, что для работы нужно большее значение статического давления в источнике. И если этот проект еще находится на бумаге, то проектант может изменить схему орошения, снизив расход воды необходимый для полива, добавить количество зон, увеличить диаметр подводящих труб системы выбрать другой тип дождевателей. Одним словом принять ряд мер, для вписывания схемы полива в начальные параметры источника. Если же система уже смонтирована вы можете выйти из положения, используя насосы повышающие давление в системе.

Для примера, которой мы рассматриваем, мы имеет дело с высоким давлением. Так на манометре вначале системы у нас 7,7 бар а на сплинкерах по всему участку у нас должно быть не более 2,1 бар. (для статических форсунок) Излишнее давление может повредить систему и плохо сказаться на ее работе. Вместо равномерного дождевания на сплинкере у нас будет образовываться туман, который с легкостью уносится даже небольшим ветерком. Вода в этом случае не будет у нас попадать на газон и другой растительный материал. Для этого используется в системе полива в главной магистрали регулятор давления. Регулятор давления позволяет снизить значения давления для всей магистрали. Существует множество производителей таких регуляторов. Но если вы отрегулировали систему регуляции на возможность корректной работы самой дальней зоны, что делать тогда с зонами которые находятся на гораздо близком расстоянии от ТЗВ?
В этом случае значение потерь давления на трение по трубе будет иметь меньшее значение и вы снова будете иметь переизбыток давления на сплинкерах. Для того чтобы снизить значение давления на зоне, компании производители поливочного оборудования наряду с обычными электромагнитными клапанами поставляет клапана с возможностью регуляции потока. При использовании клапанов этого типа в ваших проектах на деле вы будете иметь систему полива с максимально гибкой системой управления давлением полива. Но куда правильнее будет использовать специальные регуляторы давления для электромагнитных клапанов. А так же использование спринклеров с поддержанием заданого давления (PRS). Система микроорошения как правило имеет устройства самокомпенсации и саморегуляции. Но в любом случае вы должны всегда соизмерять рабочее и допустимое давление в системе полива.
Рекомендательный совет: для быстрого образмеривания трубопровода на плане чтобы вам не искать в справочной таблице потерь давления по трубе и соответствия скорости и расхода воды по трубопроводу выпишите себе небольшую «шпаргалку». На ней отобразите значение максимально допустимого расхода для часто используемых типоразмеров труб. Вы должны получить, что то подобное: