Таблицы коэффициентов местных сопротивлений

Таблицы коэффициентов местных сопротивлений

Таблица 1. Коэффициенты сопротивления колен и отводов

Таблица 2. Коэффициенты сопротивления тройников

Таблица 3. Коэффициенты сопротивления запорной арматуры

Таблица 4. Коэффициенты сопротивления изменения сечения

Основы теории местных сопротивлений в трубопроводах

Местные сопротивления представляют собой участки трубопроводных систем, где происходит резкое изменение скорости или направления движения потока жидкости. Коэффициент местного сопротивления ξ (КМС) — безразмерный показатель, который характеризует сопротивление, оказываемое потоку на определённом элементе трубопровода. В отличие от потерь на трение по длине трубопровода, местные потери сосредоточены на коротких участках и вызваны деформацией потока.

К основным типам местных сопротивлений относятся:

• Повороты и колена различных углов и радиусов
• Тройники, крестовины и другие разветвления
• Запорная и регулирующая арматура (задвижки, вентили, краны)
• Изменения сечения трубопровода (сужения, расширения)
• Входы и выходы из трубопроводов
• Фильтры, грязевики и другое оборудование

Физически потери энергии в местных сопротивлениях обусловлены вихреобразованием, отрывом потока от стенок, турбулентным перемешиванием и изменением профиля скоростей. Эти явления приводят к необратимым потерям механической энергии потока.

Формула расчёта потерь напора на местных сопротивлениях

Потери напора на местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха, которая связывает потери с кинетической энергией потока:

где:

• h_м — потери напора на местном сопротивлении, м
• ξ — коэффициент местного сопротивления (безразмерный)
• v — средняя скорость потока в трубопроводе, м/с
• g — ускорение свободного падения = 9,81 м/с²

Для удобства расчётов часто используют формулу для потерь давления:

где:

• Δp_м — потери давления на местном сопротивлении, Па
• ρ — плотность жидкости, кг/м³

При последовательном соединении нескольких местных сопротивлений общие потери определяются как сумма потерь на каждом элементе. Автомодельность (независимость) коэффициента местного сопротивления от числа Re при резких переходах в трубопроводе наступает при Re > 3000, что соответствует турбулентному режиму течения в большинстве практических случаев.

Коэффициенты сопротивления для поворотов и колен

Повороты трубопроводов являются одними из наиболее распространённых местных сопротивлений. Величина коэффициента сопротивления колена зависит от угла поворота, радиуса изгиба и качества изготовления.

Для гладких колен с углом поворота 90° коэффициент сопротивления существенно зависит от относительного радиуса поворота R/d:

• При R/d = 1 коэффициент ξ = 1,0
• При R/d = 3 коэффициент ξ = 0,5
• При R/d = 4 коэффициент ξ = 0,3

Наличие складок или сварных швов увеличивает сопротивление. Так, для колен со складками при том же радиусе поворота коэффициенты выше на 30–60%. Сварные отводы имеют промежуточные значения коэффициентов между гладкими и складчатыми.

Коэффициенты сопротивления для тройников и крестовин

Тройники представляют собой сложные местные сопротивления, где происходит разделение или слияние потоков. Крестовина на проход имеет коэффициент сопротивления ξ = 2, крестовина на ответвление — ξ = 3. Коэффициент сопротивления тройника зависит от направления движения жидкости и соотношения расходов.

Различают следующие основные схемы работы тройников:

• Разделение потока — жидкость из магистрали частично отводится в боковое ответвление
• Слияние потоков — жидкость из бокового ответвления вливается в магистраль
• Встречные потоки — потоки движутся навстречу друг другу

Наибольшие потери наблюдаются при встречном движении потоков (ξ = 3,0), наименьшие — при разделении потока на проход (ξ = 1,0). Для ответвлений коэффициенты всегда выше, чем для прохода, что объясняется необходимостью изменения направления движения части потока.

Коэффициенты сопротивления запорной арматуры

Запорная арматура создаёт значительные местные сопротивления даже в полностью открытом состоянии. Коэффициент сопротивления открытой задвижки ξ = 0,4–0,5, что делает её наиболее предпочтительной для магистральных трубопроводов.

Сравнительная характеристика различных типов арматуры показывает существенные различия в коэффициентах сопротивления:

• Шаровые краны имеют минимальное сопротивление (ξ = 0,1–0,15) благодаря прямому проходному сечению
• Задвижки обеспечивают низкое сопротивление при полном открытии
• Вентили с вертикальным шпинделем создают высокое сопротивление (ξ = 6,0) из-за сложной траектории движения потока
• Обратные клапаны имеют наибольшие коэффициенты сопротивления среди арматуры

При частичном закрытии арматуры коэффициенты сопротивления резко возрастают. Например, при закрытии задвижки на 50% коэффициент увеличивается в 20–30 раз. Это необходимо учитывать при использовании арматуры для регулирования расхода.

Практические примеры расчёта потерь напора

Рассмотрим практический пример расчёта потерь напора в системе водоснабжения здания. Участок трубопровода диаметром 50 мм, расход воды 5 л/с, температура 20 °C.

Данный пример показывает, что местные сопротивления могут создавать значительные потери напора, сопоставимые с потерями на трение по длине трубопровода. Особенно это актуально для коротких участков с большим количеством арматуры и фасонных частей.

Рекомендации по выбору и применению коэффициентов

При выборе коэффициентов местных сопротивлений для проектных расчётов следует руководствоваться следующими принципами:

1. Использование нормативных источников. Приоритет следует отдавать данным из актуальных нормативных документов, таких как СП 60.13330.2020 (с изменениями №2 и №3, действующими с 20.10.2024) и специализированных справочников. Для балансировочных клапанов следует руководствоваться ГОСТ Р 70338. При отсутствии данных в нормативах можно использовать справочник Идельчика (3-е издание, 1992 г.) или результаты экспериментальных исследований производителей оборудования.

2. Учёт режима течения. Влияние относительной шероховатости стенок проявляется в местных сопротивлениях только при больших значениях числа Re. Для ламинарного режима коэффициенты существенно зависят от числа Рейнольдса.

3. Запас на неучтённые факторы. При проектировании рекомендуется принимать коэффициенты с запасом 10–15% для учёта возможных отклонений от идеальной геометрии, загрязнений и износа в процессе эксплуатации.

4. Оптимизация трассировки. На стадии проектирования следует минимизировать количество местных сопротивлений, использовать плавные повороты большого радиуса, избегать резких изменений сечения.

5. Выбор арматуры. Для магистральных трубопроводов предпочтительны полнопроходные шаровые краны и задвижки. Вентили следует применять только там, где требуется регулирование расхода.