W przypadku większości przepływów wody i HVAC w rurach ze stali nierdzewnej zazwyczaj stosuje się praktyczny współczynnik tarcia Darcy'ego f ≈ 0,018–0,022 (w pełni turbulentny, zakres „gładki do lekko szorstkiego”). W przypadku wyższych liczb Reynoldsa (bardzo szybki przepływ) f często zmierza w kierunku ~ 0,015–0,018 ; dla niższych turbulentnych liczb Reynoldsa (blisko 5 000–20 000) f może wynosić ~ 0,03–0,04 .
Aby być dokładnym, oblicz f z liczby Reynoldsa (Re) i chropowatości stali nierdzewnej (ε) przy użyciu wyraźnej korelacji (np. Swamee-Jaina lub Haalia) lub równania Colebrooka.
Współczynnik tarcia dla rury ze stali nierdzewnej: jaką wartość zastosować
Skorzystaj z Współczynnik tarcia Darcy’ego (zwany także współczynnikiem tarcia Darcy’ego-Weisbacha), chyba że na wykresie lub oprogramowaniu wyraźnie wskazano „Fanning”. Czynnik Darcy’ego jest 4× czynnik Fanninga.
Szybkie oszacowanie, które można uzasadnić, gdy nie znasz jeszcze dokładnego przepływu, to:
- Woda w typowych rurociągach ze stali nierdzewnej (Re ~ 50 000–300 000): f ≈ 0,018–0,022
- Bardzo wysoki Re (~1 000 000): f często się zbliża ~ 0,015–0,018
- Niższy turbulentny Re (~5 000–20 000): f powszechnie ~ 0,03–0,04
Następnie doprecyzuj, wykonując poniższe kroki obliczeniowe, gdy znasz już średnicę, natężenie przepływu i lepkość płynu.
Chropowatość stali nierdzewnej: dane wejściowe wpływające na wynik
W przepływie turbulentnym współczynnik tarcia silnie zależy od względna szorstkość (ε/D). Stal nierdzewna jest generalnie „gładka”, ale przyjęte ε nadal ma znaczenie.
| Powierzchnia / założenie | Chropowatość bezwzględna, ε (mm) | Chropowatość bezwzględna, ε (m) | Kiedy używać |
|---|---|---|---|
| Czysta stal nierdzewna (wspólne założenie projektowe) | 0.015 | 1,5×10⁻⁵ | Nowa/czysta rura, konserwatywna, ale gładka linia bazowa |
| Lekko zestarzały/nawarstwienie (praktyczna zasada) | 0.03 | 3,0×10⁻⁵ | Jeśli oczekujesz depozytów lub mniej kontrolowanej usługi |
| Stan nieznany (margines projektu) | 0.045 | 4,5×10⁻⁵ | Kiedy potrzebujesz dodatkowego konserwatyzmu |
Oblicz chropowatość względną jako ε/D za pomocą średnica wewnętrzna (nie rozmiar nominalny). Nawet małe zmiany D lub ε/D mogą zauważalnie zmienić f w całkowicie turbulentnym obszarze.
Obliczenia krok po kroku (Re → f), którym możesz zaufać
1) Oblicz liczbę Reynoldsa
Dla pełnej rury okrągłej:
Re = (V·D)/ν
- V = średnia prędkość (m/s)
- D = średnica wewnętrzna (m)
- ν = lepkość kinematyczna (m²/s)
2) Wybierz odpowiednią regułę reżimu przepływu
- Laminarny (Re < 2300): f = 64/Re
- Przejściowe (2300–4000): unikaj „precyzji”; potwierdzić danymi testowymi lub zastosować konserwatywne marginesy
- Turbulentny (Re > 4000): użyj ε/D z wyraźną korelacją
3) Przepływ turbulentny: praktyczne, jednoznaczne wzory
Dwie powszechnie stosowane opcje jawne (Darcy f):
- Swamee – Jain: f = 0,25 / [log10( (ε/(3,7D)) (5,74/Re^0,9) )]^2
- Haaland: 1/√f = -1,8·log10( [ (ε/(3,7D))^1,11 ] [6,9/Re ] )
Jeśli wykonujesz iterację w oprogramowaniu, klasycznym odniesieniem jest Colebrook (domyślnie):
1/√f = -2·log10( (ε/(3,7D)) (2,51/(Re·√f)) )
Przykład praktyczny: współczynnik tarcia rury ze stali nierdzewnej i spadek ciśnienia
Załóżmy, że woda ma temperaturę około 20°C, wyczyść szorstkość stali nierdzewnej ε = 0,015 mm (1,5×10⁻⁵ m) i średnicę wewnętrzną rury D = 0,0525 m (około 2-calowego identyfikatora Schedule 40). Natężenie przepływu Q = 50 gal/min (0,003154 m³/s).
Oblicz prędkość i liczbę Reynoldsa
- Powierzchnia A = πD²/4 = 0,002165 m²
- Prędkość V = Q/A = 1,46 m/s
- Lepkość kinematyczna ν ≈ 1,0×10⁻⁶ m²/s
- Re = (V·D)/ν ≈ 7,6×10⁴
- Chropowatość względna ε/D ≈ 2,86×10⁻⁴
Oblicz współczynnik tarcia (Swamee – Jain)
Współczynnik tarcia Darcy’ego f ≈ 0.0203
Przetłumacz f na stratę ciśnienia (Darcy – Weisbach)
Dla długości L = 100 m i gęstości ρ ≈ 998 kg/m3:
ΔP = f·(L/D)·(ρV²/2) ≈ 41 kPa na 100 m (około 4,2 m słupa wody na 100 m).
Skrócona tabela referencyjna: współczynnik tarcia stali nierdzewnej a liczba Reynoldsa
Poniższe wartości zakładają ε = 0,015 mm and D = 0,0525 m (ε/D = 2,86 × 10⁻⁴), stosując korelację Swamee-Jaina. Użyj tego, aby sprawdzić swoje wyniki.
| Liczba Reynoldsa (Re) | Współczynnik tarcia Darcy’ego (f) | Typowa interpretacja |
|---|---|---|
| 5000 | 0.038 | Nisko turbulentny; f nadal stosunkowo wysokie |
| 10 000 | 0.031 | Wczesne burzliwe; wrażliwy na Re |
| 50 000 | 0.0219 | Wspólny obszar projektowy dla pompowanej wody |
| 100 000 | 0.0194 | Średnio burzliwy; f stabilizuje się |
| 1 000 000 | 0.0156 | Bardzo burzliwy; zbliża się do zachowania kontrolowanego przez chropowatość |
Typowe pułapki powodujące nieprawidłowe współczynniki tarcia
- Używanie nominalnego rozmiaru rury zamiast średnicy wewnętrznej: f zależy od ε/D, a strata ciśnienia zależy od L/D, więc ID ma znaczenie dwa razy.
- Mieszanie współczynników tarcia Darcy'ego i Fanninga: jeśli Twój wynik wydaje się 4-krotnie gorszy, jest to częsty powód.
- Ignorowanie temperatury płynu: zmiany lepkości Re; zimniejsza woda zwiększa ν i może zwiększyć f .
- Zakładając, że stal nierdzewna jest zawsze „idealnie gładka”: spoiny, zgorzeliny lub nagromadzenie się produktu mogą uzasadniać zastosowanie wyższego ε niż w przypadku nowej, czystej rury.
- Oczekując dużej precyzji w przepływie przejściowym: traktuj 2300–4000 jako niepewne i projektuj z marginesem.
Konkluzja: rura ze stali nierdzewnej często ugina się f około 0,02 w powszechnych burzliwych usługach wodnych, ale najbardziej wiarygodna liczba pochodzi z Re i ε/D przy użyciu standardowej korelacji.
