Расчет диаметра трубопровода сжатого воздуха | Kraftmachine

Как рассчитать диаметр трубопровода сжатого воздуха: скорость потока, потери давления, длина магистрали и выбор Примеры расчёта для промышленной пневмосети

Как рассчитать диаметр трубопровода сжатого воздуха: скорость, потери давления и выбор трубы

Расчёт диаметра трубопровода сжатого воздуха необходим для того, чтобы обеспечить потребителей требуемым расходом и давлением без лишних энергетических потерь. Слишком маленькая труба увеличивает скорость потока и сопротивление, из-за чего давление возле оборудования становится ниже, чем на выходе компрессора. Слишком большой диаметр уменьшает потери, но увеличивает стоимость самой пневмосети.

В этой статье разберём, как подобрать диаметр трубы для расхода 5, 10, 20, 30 и 50 м³/мин, сравним DN40, DN50, DN65, DN80 и DN100, рассчитаем потери давления на участках длиной 50, 100 и 200 метров, а также учтём повороты 90°, тройники, краны и магистральные фильтры.

Что такое расчёт диаметра трубопровода сжатого воздуха

Расчёт диаметра трубопровода сжатого воздуха — это определение внутреннего сечения трубы, при котором заданный объём воздуха можно передать от компрессора к потребителю с допустимой скоростью и потерей давления.

При движении воздуха возникает трение о стенки трубы. Дополнительное сопротивление создают повороты, тройники, переходы, запорная арматура, фильтры, осушители и гибкие соединения.

Чем меньше внутренний диаметр при одинаковом расходе, тем выше скорость воздуха. Вместе со скоростью резко увеличиваются и потери давления.

Поэтому трубопровод нельзя выбирать только по размеру выходного патрубка компрессора. Компрессор может иметь присоединение DN65, но при большой длине магистрали для самого трубопровода может потребоваться DN80 или DN100.

Для стационарной распределительной сети желательно проектировать систему так, чтобы потеря давления от компрессорной до наиболее удалённого потребителя была минимальной. В инженерных рекомендациях для постоянных сетей часто ориентируются примерно на 0,1 бар суммарных потерь в трубопроводах до удалённой точки потребления.

Подробнее о других причинах снижения давления можно прочитать в статье «Почему падает давление в пневмосистеме: причины и способы устранения».

Как работает трубопровод сжатого воздуха и почему диаметр влияет на давление

После компрессора воздух находится под повышенным давлением и занимает значительно меньший объём, чем при атмосферных условиях. Поэтому при расчёте важно понимать, к каким условиям приведена указанная производительность компрессора.

Например, если компрессор производит 20 м³/мин свободного воздуха и подаёт его в сеть с давлением около 8 бар(изб.), объёмный поток непосредственно внутри трубы будет значительно меньше 20 м³/мин из-за сжатия воздуха.

При уменьшении диаметра скорость этого потока возрастает. Высокая скорость создаёт большее сопротивление, шум, турбулентность и увеличивает чувствительность системы к поворотам и местным сужениям.

Особенно заметным эффект становится на длинных магистралях. Труба, которая нормально работает на участке 10–20 метров, может создавать недопустимое падение давления при длине 100–200 метров.

Потери необходимо рассчитывать не только для прямого участка трубы, но и для всей трассы с учётом фитингов и оборудования.

Основные параметры расчёта трубопровода сжатого воздуха

Для правильного подбора трубы необходимо учитывать несколько параметров.

Производительность компрессора и расход воздуха

Обычно расход указывается в м³/мин или л/мин и относится к свободному воздуху — FAD. Для проектирования необходимо учитывать не только номинальную производительность компрессора, но и максимальный одновременный расход потребителей.

Если сегодня производство потребляет 15 м³/мин, но в ближайшее время планируется установка дополнительного оборудования, магистраль желательно рассчитывать с запасом.

Рабочее давление

Чем выше давление внутри сети, тем меньше фактический объём воздуха, проходящий через трубу при одинаковом расходе FAD.

Поэтому одна и та же труба при 8 бар и при 4 бар будет работать по-разному.

Внутренний диаметр трубы

При расчёте используется именно внутренний, а не наружный диаметр.

Обозначение DN является условным проходом. Фактический внутренний диаметр зависит от материала трубы, толщины стенки и конкретной серии трубопровода.

Поэтому в окончательном проектном расчёте нужно использовать фактический внутренний диаметр выбранной трубы.

Длина магистрали

Чем длиннее трубопровод, тем больше сопротивление.

При предварительном расчёте необходимо учитывать путь от компрессорной до наиболее удалённого потребителя.

Повороты и арматура

Каждый поворот, тройник, клапан или переход создаёт дополнительное местное сопротивление.

Его можно представить как дополнительную, или эквивалентную, длину прямой трубы.

Магистральные фильтры и осушители

Фильтры и осушители также создают перепад давления. Он должен прибавляться к потерям непосредственно в трубопроводе.

В каталоге Kraftmachine представлены отдельные магистральные фильтры для систем сжатого воздуха и оборудование для подготовки сжатого воздуха.

Как рассчитать потери давления в трубопроводе сжатого воздуха

Для предварительного инженерного расчёта прямого участка можно использовать зависимость:

Δp = 450 × q¹·⁸⁵ × L / (d⁵ × p)

где:

• Δp — потеря давления, бар;
• q — расход свободного воздуха FAD, л/с;
• L — расчётная длина трубопровода, м;
• d — внутренний диаметр трубы, мм;
• p — абсолютное давление в начале участка, бар(a).

Подобная зависимость применяется для расчёта сетей сжатого воздуха и показывает главное: диаметр трубы находится в знаменателе примерно в пятой степени. Поэтому даже небольшое увеличение внутреннего диаметра может многократно уменьшить потери давления.

Например, увеличение диаметра с 50 до 65 мм — это не просто увеличение площади трубы примерно на треть. С точки зрения гидравлического сопротивления эффект значительно больше.

Именно поэтому экономия на диаметре основной магистрали часто приводит к постоянным эксплуатационным затратам в будущем.

Какая скорость воздуха допустима в трубопроводе

Скорость потока является одним из основных критериев выбора диаметра.

Для магистральных и соединительных трубопроводов целесообразно стремиться примерно к 6–7 м/с или ниже. Скорости выше примерно 9 м/с уже нежелательны для основных распределительных магистралей: возрастают турбулентность, сопротивление и вероятность переноса конденсата по системе.

Для коротких ответвлений иногда допускаются более высокие скорости, однако основной коллектор лучше проектировать с меньшей скоростью и запасом на увеличение расхода.

Ниже приведена ориентировочная скорость воздуха при рабочем давлении 8 бар(изб.), то есть около 9 бар абсолютного давления.

Скорость воздуха в трубах DN40–DN100

Из таблицы видно, что одной только величины DN недостаточно для любого расхода.

Например, DN40 можно использовать для сравнительно небольшого расхода, но при 20 м³/мин скорость уже приближается к 30 м/с. Для основной производственной магистрали это неприемлемо.

При 50 м³/мин даже DN100 даёт скорость около 11,8 м/с, поэтому для такого расхода необходимо рассматривать уже DN125 или DN150.

Потери давления в DN40, DN50, DN65, DN80 и DN100

Рассмотрим пример для промышленной пневмосистемы.

Исходные условия расчёта:

• рабочее давление — 8 бар(изб.);
• абсолютное давление — примерно 9 бар(a);
• расход указан по свободному воздуху FAD;
• внутренние расчётные диаметры условно приняты 40, 50, 65, 80 и 100 мм;
• в таблицу пока не включены фильтры, осушители, краны, тройники и повороты.

Цифры в каждой ячейке указаны для длины:

50 м / 100 м / 200 м.

Расчётные потери давления, бар

Важно: значения с очень большой потерей давления приведены для наглядного сравнения диаметров. Если расчётная потеря приближается к 1 бар или превышает её, такой диаметр уже заведомо неприемлем для рассматриваемой магистрали, а точный расчёт необходимо выполнять с учётом изменения давления по длине участка.

Какой диаметр выбрать при расходе 5 м³/мин

При расходе 5 м³/мин DN40 обеспечивает скорость около 7,4 м/с.

На 50-метровом участке расчётная потеря составит около 0,087 бар. На 100 метрах она уже вырастет примерно до 0,175 бар.

Поэтому для небольшой короткой сети DN40 технически возможен, но большого запаса не имеет.

DN50 уменьшает потерю примерно до 0,057 бар на 100 м, а DN65 — примерно до 0,015 бар.

Для промышленной основной магистрали при расходе 5 м³/мин разумно рассматривать DN50, а при большой длине, большом количестве арматуры или перспективе расширения — DN65.

Какой диаметр выбрать при расходе 10 м³/мин

При 10 м³/мин DN40 уже имеет скорость около 14,7 м/с и теряет около 0,63 бар на 100 метрах.

Такую трубу нельзя считать оптимальной основной магистралью.

DN50 даёт скорость около 9,4 м/с и потерю около 0,206 бар на 100 метрах. Для короткого участка он возможен, но для длинной промышленной сети запас небольшой.

DN65 снижает скорость до 5,6 м/с и потери примерно до 0,056 бар на 100 метров.

Поэтому для расхода 10 м³/мин основной магистралью чаще следует рассматривать DN65, а на длинных трассах 150–200 м — DN80.

Какой диаметр выбрать при расходе 20 м³/мин

При расходе 20 м³/мин DN40 и DN50 создают слишком большие потери.

Даже DN65 обеспечивает скорость около 11,2 м/с и потерю примерно 0,2 бар на 100 м.

DN80 снижает скорость до 7,4 м/с, а потерю — примерно до 0,071 бар на 100 метров.

Если длина трассы достигает 200 метров, только прямой DN80 даст около 0,142 бар без учёта фильтров и арматуры.

Поэтому для расхода 20 м³/мин при относительно короткой трассе можно рассматривать DN80, а для длинной сети рациональнее выбирать DN100.

Какой диаметр выбрать при расходе 30 м³/мин

При 30 м³/мин DN65 даёт скорость около 16,7 м/с, поэтому для основной магистрали его недостаточно.

DN80 обеспечивает примерно 11,1 м/с и теряет около 0,15 бар на каждые 100 метров.

DN100 снижает скорость приблизительно до 7,1 м/с.

Потеря давления при этом составляет примерно:

• 50 м — 0,025 бар;
• 100 м — 0,049 бар;
• 200 м — 0,098 бар.

Таким образом, для расхода около 30 м³/мин DN100 является значительно более рациональным решением.

При планируемом росте производства или сложной разветвлённой сети можно заранее рассмотреть DN125.

Какой диаметр выбрать при расходе 50 м³/мин

При 50 м³/мин даже DN100 даёт скорость около 11,8 м/с.

Потери на прямом участке составят приблизительно:

• 50 м — 0,063 бар;
• 100 м — 0,127 бар;
• 200 м — 0,253 бар.

Причём к этим значениям необходимо добавить местные сопротивления и потери на оборудовании подготовки воздуха.

Поэтому для производительности порядка 50 м³/мин диапазон DN40–DN100 уже недостаточен для длинной основной магистрали.

При ориентировочном внутреннем диаметре 125 мм скорость снижается примерно до 7,5 м/с, а потеря давления составляет около 0,041 бар на 100 м.

При диаметре около 150 мм скорость снижается примерно до 5,2 м/с, а потеря — примерно до 0,017 бар на 100 м.

Поэтому для 50 м³/мин следует рассматривать как минимум DN125, а при длинной сети или необходимости большого резерва — DN150.

Как учитывать повороты 90°, тройники и другие фитинги

Потери создаёт не только длина трубы. Изменение направления потока также вызывает сопротивление.

Для предварительного расчёта фитинг можно заменить определённой эквивалентной длиной прямой трубы.

Например, ориентировочные значения для сетей сжатого воздуха выглядят следующим образом:

Пример расчёта поворотов

Предположим, реальная длина магистрали DN80 составляет 100 метров.

На трассе установлены:

• четыре стандартных колена 90°;
• два тройника с прямым проходом;
• один тройник с отводом потока в сторону.

Эквивалентная дополнительная длина:

4 × 1,8 + 2 × 1,3 + 1 × 4,6 = 14,4 м.

Для расчёта необходимо использовать уже не 100 м, а примерно:

100 + 14,4 = 114,4 м.

При большом количестве фитингов разница может быть значительной.

Для предварительных оценок сложной сети при отсутствии полной информации о фитингах допускается закладывать дополнительную эквивалентную длину. Например, в одном из инженерных подходов для грубой оценки предлагается увеличивать прямую длину примерно на 60%, однако окончательный расчёт лучше выполнять по фактической арматуре.

Как влияют краны и запорная арматура на потери давления

Полностью открытый полнопроходной шаровой кран создаёт сравнительно небольшое сопротивление.

Но клапаны со сложным направлением движения воздуха, обратные клапаны, редукционные клапаны и арматура с уменьшенным проходом могут создавать существенно большие потери.

Особенно опасна ситуация, когда магистраль выполнена, например, DN80, а внутри установлен кран или быстроразъёмное соединение с фактическим проходом 40–50 мм.

В этом случае именно арматура становится «бутылочным горлышком» всей системы.

При проектировании следует проверять не только резьбу или условное присоединение клапана, но и его фактический проход, коэффициент расхода и перепад давления при требуемой производительности.

Для ответственных магистралей рекомендуется применять полнопроходную арматуру того же условного прохода, что и сама труба.

Как учитывать магистральные фильтры и осушители воздуха

Падение давления на фильтрах нельзя автоматически переводить в несколько метров трубы без данных производителя.

Фильтр создаёт собственный перепад давления, зависящий от конструкции корпуса, фильтроэлемента, расхода воздуха и степени загрязнения.

По мере накопления загрязнений сопротивление фильтра увеличивается. Поэтому контролировать необходимо не только давление в трубопроводе, но и разницу давления до и после оборудования подготовки воздуха.

На сайте Kraftmachine также отмечается, что сопротивление магистрального фильтра является одним из факторов падения давления в системе.

Например, если трубопровод теряет 0,08 бар, два фильтра вместе создают ещё 0,12 бар, а осушитель — 0,1 бар, суммарное падение составит:

0,08 + 0,12 + 0,10 = 0,30 бар.

Это условный пример: фактический перепад на конкретном фильтре и осушителе необходимо брать из технической документации при расчётном расходе и давлении.

Поэтому увеличивать давление компрессора только для компенсации загрязнённых фильтров или слишком маленькой трубы неправильно.

Подробнее о влиянии давления на энергопотребление можно прочитать в статье «Как выбрать давление компрессора 7–16 бар».

Почему нельзя компенсировать маленькую трубу повышением давления компрессора

На практике встречается ситуация: оборудование в дальнем конце цеха требует 6,5 бар, но из-за маленького диаметра магистрали туда приходит только 6 бар.

Самое простое решение — поднять давление компрессора.

Однако компрессор в этом случае постоянно затрачивает дополнительную электроэнергию только для того, чтобы компенсировать сопротивление трубопровода.

Кроме того, при снижении расхода воздуха потери в трубе уменьшаются, а давление у потребителей может стать выше требуемого.

Правильнее устранить первопричину: увеличить диаметр магистрали, убрать чрезмерные местные сопротивления, заменить загрязнённые фильтры или изменить схему распределения воздуха.

Себестоимость работы пневмосистемы можно дополнительно оценить в статье «Как рассчитать стоимость 1 м³ сжатого воздуха».

Преимущества и недостатки увеличенного диаметра трубопровода

Правильный выбор трубы — это компромисс между стоимостью монтажа и будущими эксплуатационными расходами.

Плюсы увеличенного диаметра

• снижается скорость движения воздуха;
• уменьшаются потери давления;
• появляется запас по производительности;
• снижается влияние длинной трассы;
• система легче переносит кратковременные пики расхода;
• можно подключать дополнительное оборудование;
• уменьшается необходимость повышать давление компрессора.

Минусы увеличенного диаметра

• выше стоимость трубы и фитингов;
• дороже запорная арматура;
• увеличивается объём монтажных работ;
• требуется больше места для прокладки;
• увеличивается внутренний объём всей сети.

Несмотря на более высокие первоначальные затраты, основную промышленную магистраль часто выгоднее сразу выполнить с запасом, чем через несколько лет полностью переделывать пневмосеть после расширения производства.

Какой материал трубы выбрать для сжатого воздуха

Диаметр является главным, но не единственным параметром.

Для промышленных пневмосетей применяются стальные, нержавеющие, алюминиевые и специализированные полимерные трубопроводы.

Стальная труба

Преимущества:

• высокая механическая прочность;
• доступность;
• большой выбор диаметров;
• возможность использования при высоком давлении.

Недостатки:

• значительный вес;
• сложнее монтаж;
• внутренняя коррозия при наличии влаги;
• со временем шероховатость внутренней поверхности может увеличиваться.

Алюминиевый трубопровод

Преимущества:

• небольшой вес;
• гладкая внутренняя поверхность;
• быстрота монтажа;
• отсутствие внутренней ржавчины;
• удобство последующей модернизации.

Недостатки:

• более высокая первоначальная стоимость по сравнению с некоторыми вариантами стальной трубы;
• требуется использование совместимой фирменной арматуры.

Нержавеющая сталь

Используется там, где предъявляются повышенные требования к коррозионной стойкости и чистоте воздуха.

Такой вариант актуален для пищевой, фармацевтической, химической промышленности и других ответственных производств.

При сравнении различных материалов всегда необходимо смотреть именно на фактический внутренний диаметр, а не только на обозначение DN.

Где применяется расчёт диаметра пневмолинии

Правильный расчёт трубопровода требуется практически на любом предприятии, использующем централизованный сжатый воздух.

В первую очередь это:

• машиностроительные заводы;
• металлообрабатывающие предприятия;
• автомобильные производства;
• лазерная резка;
• покрасочные линии;
• пищевые предприятия;
• фармацевтические производства;
• нефтегазовая отрасль;
• химическое производство;
• деревообработка;
• упаковочные линии;
• производственные цеха с большим количеством пневмоинструмента.

Особенно важен расчёт на предприятиях, где расход достигает десятков кубических метров в минуту, а расстояние между компрессорной и конечными потребителями составляет сотни метров.

Как выбрать диаметр трубопровода сжатого воздуха

Практический подбор можно выполнить в несколько этапов.

1. Определить максимальный расход

Необходимо сложить расход оборудования, которое может работать одновременно.

Если компрессор производит 20 м³/мин, но реальный пиковый расход потребителей составляет 15 м³/мин, расчёт можно вести по 15 м³/мин с необходимым запасом.

2. Определить рабочее давление

Нужно знать давление на выходе компрессора и минимально допустимое давление непосредственно у потребителя.

Разница между этими значениями является общим доступным запасом на фильтры, осушители, трубопровод и арматуру.

3. Определить фактическую длину

Измеряется путь от компрессорной до наиболее удалённой или наиболее требовательной точки.

Не следует использовать расстояние «по прямой» между помещениями.

4. Учесть фитинги

К физической длине добавляется эквивалентная длина:

• поворотов;
• тройников;
• клапанов;
• редукторов;
• переходов.

5. Проверить скорость

Для основной магистрали желательно стремиться к скорости примерно 6–7 м/с или ниже.

При значениях выше 9 м/с стоит проверить возможность перехода на следующий диаметр.

6. Проверить потерю давления

Для постоянной промышленной сети полезно стремиться к минимальной потере давления и ориентироваться примерно на величину до 0,1 бар от компрессорной до удалённого участка самой трубопроводной системы.

7. Добавить сопротивление оборудования

Отдельно прибавляются:

• циклонный сепаратор;
• магистральные фильтры;
• осушитель;
• обратные клапаны;
• редукторы;
• гибкие шланги;
• быстроразъёмные соединения.

Только после этого можно оценить реальное давление у потребителя.

Ориентировочная таблица выбора диаметра

Для рассматриваемого примера при давлении около 8 бар(изб.) можно использовать следующие ориентиры:

Эта таблица предназначена только для предварительного подбора.

Окончательный диаметр зависит от давления, длины, внутреннего диаметра конкретной трубы, конфигурации сети, количества фитингов, допустимого перепада давления и перспектив расширения производства.

Кольцевая магистраль или тупиковая линия

При проектировании большого цеха желательно также рассмотреть не только диаметр, но и конфигурацию сети.

В тупиковой системе весь необходимый воздух движется к потребителю по одному маршруту.

В кольцевой сети воздух может поступать к точке потребления с двух направлений. Это помогает более равномерно распределять поток и давление по производственному помещению.

Для крупных предприятий кольцевая магистраль часто является более рациональным вариантом, особенно если точки потребления расположены по всему периметру цеха.

Подробнее об устройстве всей системы можно прочитать в статье «Как работает пневмосистема и от чего зависит давление воздуха».

Типичные ошибки при выборе трубы для сжатого воздуха

Выбор трубы по выходному патрубку компрессора

Размер патрубка компрессора не определяет требуемый диаметр всей магистрали.

При длине в сотни метров труба может потребоваться значительно больше.

Расчёт только по средней производительности

Сеть должна обеспечивать пиковый одновременный расход.

Если считать только среднее потребление за смену, при включении нескольких крупных потребителей давление будет проседать.

Игнорирование поворотов и тройников

Физическая длина 100 метров не означает, что расчётная длина тоже равна 100 метрам.

Большое количество фитингов может добавить десятки метров эквивалентной длины.

Игнорирование фильтров

Даже правильно выбранная труба не устранит падение давления на загрязнённом фильтроэлементе.

Слишком маленький запас на развитие

Трубопровод служит значительно дольше одного компрессора.

Если через несколько лет планируется увеличение производства, разумно предусмотреть резерв при монтаже основной магистрали.

Повышение давления вместо устранения сопротивления

Поднятие уставки компрессора не исправляет неправильно спроектированную пневмосеть, а только увеличивает затраты на производство сжатого воздуха.

Заключение

Диаметр трубопровода сжатого воздуха необходимо выбирать одновременно по расходу, рабочему давлению, длине магистрали, скорости потока и допустимой потере давления. При этом расчёт должен учитывать не только прямые участки, но и повороты, тройники, краны, фильтры, осушители и остальные элементы системы.

Для расхода около 5 м³/мин в рассматриваемых условиях может быть достаточно DN50, для 10 м³/мин целесообразно рассматривать DN65, для 20 м³/мин — DN80–DN100, для 30 м³/мин — DN100, а при производительности около 50 м³/мин уже требуется переход к DN125–DN150.

Экономить на диаметре основной магистрали следует осторожно: стоимость увеличения трубы при первоначальном монтаже обычно значительно ниже затрат на последующую реконструкцию пневмосети и многолетнюю компенсацию потерь повышенным давлением компрессора.

Подобрать компрессорное оборудование, фильтры и систему подготовки воздуха можно в каталоге Kraftmachine.