Kategorie blog
Ciśnienie wody w systemach nawadniających - kalkulacja strat ciśnienia

Ciśnienie wody jest jednym z kluczowych parametrów systemu nawadniającego, ma ogromny wpływ na jego poprawne funkcjonowanie. Stąd tak ważne jest, aby w trakcie projektowania nawadniania mieć tą wartość pod stałą kontrolą. Czynnikami obniżającymi ciśnienie wody w systemie, są straty powstałe w trakcie przepływu wody.

Same przyczyny powstawania strat ciśnienia wydają się proste i intuicyjnie. Woda przepływając przez rury oraz inne elementy armatury ma ciągły kontakt z ich ściankami. Na tym styku występuje tarcie, które powoduje rozproszenie części energii kinetycznej jaką posiada przepływająca woda. Jednak główną przyczyną strat pozostaje sam charakter przypływu wody. Wraz ze wzrostem prędkości staje się on coraz bardziej zaburzony (turbulentny), powstają lokalne wiry, które skutecznie utrudniają przemieszczane się i rozpraszają energię kinetyczną strumienia. Utracona energia przekłada się zaś na niższe ciśnienie w bardziej oddalonych częściach systemu. Łatwo zauważyć, że kluczowym parametrem decydującym o wielkości tych strat jest prędkość z jaką woda przepływa przez system. Nie bez znaczenia pozostaje materiał z jakiego wykonana jest armatura, tego czy jej powierzchnia jest gładka czy chropowata. Do przyczyn powstawania strat należy zaliczyć również konieczność doprowadzenia wody w obszar położony wyżej niż znajduje się źródło.

Nim przejdziemy do szacowania wielkości powstałych strat, musimy znać: przewidywane długości rur, armaturę (zraszacze, zawory, elektrozawory) oraz różnice w wysokości terenu (mieć jakiś wstępny szkic systemu). Łatwo zauważyć, że powstałe straty nie zależą bezpośrednio od źródła wody, ale bardziej od wydajności systemu. Można wyodrębnić trzy obszary powstawania strat. Oto jak można oszacować poszczególne z nich:

a) Różnica wysokości terenu (Sw). Każdy metr wyżej oznacza stratę ciśnienia o wartości 1 metra słupa wody co w przybliżeniu jest równe 0,1 bara (współczynnik straty wynosi 0,1 [bar/m]). Stąd znając różnicę wysokości (H) możemy wyliczyć powstałą stratę Sw [bar] = H [m] * 0,1 [bar/m] .

Przykład: Jedna z sekcji systemu znajduje się na krawędzi skarpy wznoszącej się sześć metrów powyżej poziomu źródła, z którego system jest zasilany. Jaka będzie strata związana tylko i wyłącznie w związku z ukształtowaniem terenu? 

Rozwiązanie: Straty wynikające z rzeźby terenu wyniosą w przybliżeniu: 6  [m] * 0,1 bar/m = 0,6 bar.

b) Straty liniowe w rurach (Sl). By je obliczyć musimy wiedzieć jaki będzie przepływ (F [m^3/h]) przez dany odcinek rury, znać długość odcinka (L [m]) oraz średnicę rury (D). Mając te dane możemy skorzystać z odpowiedniego nomogramu, wykresu lub tabeli przedstawiającej straty ciśnienia. Poniżej zamieszczamy wykres ilustrujący wielkość spadku ciśnienia w typowych rurach irygacyjnych w zależności od wielkości przepływu (w załączniku link do pobrania wykresu w formacie .pdf). Oszacowania dokonujemy na wszystkich odcinkach strefy i sumujemy od źródła do zraszacza aby oszacować łączną stratę dla poszczególnych zraszaczy.

 Wykres strat ciśnienia w rurach irygacyjnych

Przykład: Obliczyć stratę ciśnienia na 50 m rury irygacyjnej o średnicy 32 mm przy przewidywanym przepływie 2 m^3/s.

Rozwiązanie: Z wykresu odczytujemy stratę około 0,45 bar na każde 100 metrów rury (patrz wykres poniżej).

Obliczanie liniowych strat ciśnienia wody.

Ponieważ długość rury wynosi 50 metrów.

0,45 [bar] * (50/100) = 0,225 [bar].

Strata wyniesie około 0,225 [bar].

c) Straty miejscowe (Sm). Powodowane są one pozostałymi elementami, które wchodzą w skład systemu rozprowadzania wody. Mamy tu na myśli: zawory, elektrozawory, złączki, trójniki, kolana, wodomierze, filtry, oraz wszystko co może zaburzać lub utrudniać przepływ wody. Dla niektórych elementów (np. elektrozaworów) łatwo odszukamy wartość spadku ciśnienia w odpowiednich tabelach udostępnianych przez producentów. Dla pozostałych można zastosować równoważną długość dla danego oporu miejscowego - co w praktyce oznacza, zastąpienie oporu miejscowego (np. zaworu) odpowiadającą mu długością rury. Problem w tym, że każda przeszkoda jest nieco inna i matematyczny model obliczania strat może być obarczony dużym błędem (np. z powodu stosowania różnych profili kolana przez producentów) i staje się bardzo niewygodny w stosowaniu. Stąd można spotkać się z uproszczoną metodą szacowania strat miejscowych. Przyjmuje się, że wynoszą one 20% strat liniowych. Sm [bar] = Sl [bar] * 0,2.

Przykład: Oszacować straty miejscowe dla zraszacza, którego straty liniowe wynoszą 0,5 bara.

Rozwiązanie: Oszacowanie strat miejscowych wynosi Sm = 0,5 [bar] * 0,2 = 0,1 [bar].

Przykład: Obliczyć straty ciśnienia i oraz ciśnienie na zraszaczach C oraz D, wiedząc, że każdy z nich zużywa 1 m^3/h wody, a źródło przy wydajności 2 m^3/h (dwa zraszacze) zapewnia ciśnienie 4 bary na poziomie punktu A. Użyto rur o średnicy 32 mm. Długości odcinków i różnice wysokości podane są na rysunku poniżej.

Kalkulacji strat ciśnienia dla przykładowej sekcji nawadniania.

Rozwiązanie:

Sw dla zraszacza C oraz D wynoszą:

8 [m] * 0,1 [bar/m] = 0,8 [bar].

Sl dla odcinka AB + BC (łączna długość to 60 m):

0,45 [bar] * ((20+40)/100) = 0,27 [bar].

Sl dla odcinka CD (tutaj przepływ wynosi tylko 1 m^3/h):

0,15 [bar] * (30/100) = 0,045 [bar].

Sl dla zraszacza C wyniosły 0,27 [bar].

Sl dla zraszacza D wyniosły 0,27 [bar] + 0,045 [bar] = 0,315 [bar].

Sm dla zraszacza C to 0,27 [bar] * 0,2 = 0,054 [bar].

Sm dla zraszacza D to 0,315 [bar] * 0,2 = 0,63 [bar].

Sumujemy wszystkie straty (Sw + Sl + Sm) dla kolejnych zraszaczy:

Straty całkowite zraszacz C: 0,8 [bar] + 0,27 [bar] + 0,054 [bar] = 1,124 [bar].

Straty całkowite zraszacz D: 0,8 [bar] + 0,315 [bar] + 0,063 [bar] = 1,178 [bar].

Szacowane ciśnienie na zraszaczu C: 4 [bar] - 1,124 [bar] = 2,876 [bar].

Szacowane ciśnienie na zraszaczu D: 4 [bar] - 1,178 [bar] = 2,822 [bar].

Jeśli po oszacowaniu strat, okaże się, że ciśnienie na zraszaczach jest zbyt niskie, należy zwiększyć średnicę rury. Poprawę przyniesie również przeprojektowanie systemu tak, by obniżyć wydajność najbardziej obciążonych stref. Ostatnim rozwiązaniem jest zwiększenie wydajności źródła (np. wybierając pompę o lepszych parametrach). Ważne, żeby dobierając średnice rur pamiętać, aby prędkość wody nie była zbyt wysoka. Dobrze jest unikać prędkości powyżej 1,5 m/s (załączony wykres nie zawiera takich informacji).

 

 

Pliki (1)

do góry
Sklep jest w trybie podglądu
Pokaż pełną wersję strony
Sklep internetowy od home.pl