Piping Calculations Manual

Front Matter......Page 2
Dedication......Page 4
About the Author......Page 5
Preface......Page 6
Table of Contents......Page 9
1.1.1 Mass and Weight......Page 16
1.1.2 Density and Specific Weight......Page 17
1.1.4 Viscosity......Page 18
1.2 Pressure......Page 20
1.3 Velocity......Page 22
1.4 Reynolds Number......Page 24
1.5 Types of Flow......Page 25
1.6.1 Bernoulli's Equation......Page 26
1.6.2 Darcy Equation......Page 28
1.6.3 Colebrook-White Equation......Page 30
1.6.4 Moody Diagram......Page 31
1.6.5 Hazen-Williams Equation......Page 35
1.6.6 Manning Equation......Page 37
1.7 Minor Losses......Page 39
1.7.1 Valves and Fittings......Page 40
1.7.2 Pipe Enlargement and Reduction......Page 43
1.8.1 Series Piping......Page 45
1.8.2 Parallel Piping......Page 51
1.9 Total Pressure Required......Page 56
1.9.1 Effect of Elevation......Page 57
1.9.2 Tight Line Operation......Page 59
1.10 Hydraulic Gradient......Page 60
1.11 Gravity Flow......Page 62
1.12 Pumping Horsepower......Page 65
1.13.2 Centrifugal Pumps......Page 67
1.13.2.1 Net Positive Suction Head......Page 71
1.13.2.2 Specific Speed......Page 73
1.13.3 Pumps in Series and Parallel......Page 74
1.13.4 System Head Curve......Page 77
1.13.5 Pump Curve versus System Head Curve......Page 79
1.14 Flow Injections and Deliveries......Page 81
1.15 Valves and Fittings......Page 84
1.16 Pipe Stress Analysis......Page 85
1.16.1 Barlow's Equation......Page 86
1.17 Pipeline Economics......Page 88
2.1 Fire Protection Codes and Standards......Page 96
2.2.1 Belowground Piping......Page 98
2.2.2 Aboveground Piping......Page 99
2.2.3 Hydrants and Sprinklers......Page 100
2.2.3.1 Occupancy and Hazard Class......Page 101
2.3 Design of Piping System......Page 104
2.3.1 Pressure......Page 105
2.3.2 Velocity......Page 107
2.4 Pressure Drop due to Friction......Page 109
2.4.1 Reynolds Number......Page 110
2.4.2 Types of Flow......Page 111
2.4.3 Darcy-Weisbach Equation......Page 112
2.4.4 Moody Diagram......Page 115
2.4.5 Hazen-Williams Equation......Page 118
2.4.7 Losses in Valves and Fittings......Page 120
2.4.7.1 Pipe Enlargement and Reduction......Page 125
2.4.8 Complex Piping Systems......Page 127
2.4.8.1 Series Piping......Page 128
2.4.8.2 Parallel Piping......Page 132
2.5 Pipe Materials......Page 136
2.6 Pumps......Page 137
2.6.1 Centrifugal Pumps......Page 138
2.6.3 System Head Curve......Page 139
2.7 Sprinkler System Design......Page 141
3.1 Properties of Wastewater and Stormwater......Page 145
3.1.1 Mass and Weight......Page 146
3.1.3 Volume......Page 147
3.1.5 Viscosity......Page 148
3.2 Pressure......Page 150
3.3 Velocity......Page 152
3.4 Reynolds Number......Page 154
3.5 Types of Flow......Page 155
3.6.1 Manning Equation......Page 156
3.6.2 Darcy Equation......Page 157
3.6.3 Colebrook-White Equation......Page 159
3.6.4 Moody Diagram......Page 160
3.6.5 Hazen-Williams Equation......Page 164
3.7 Minor Losses......Page 166
3.7.1 Valves and Fittings......Page 167
3.7.2 Pipe Enlargement and Reduction......Page 169
3.8 Sewer Piping Systems......Page 172
3.9 Sanitary Sewer System Design......Page 173
3.10 Self-Cleansing Velocity......Page 183
3.11.1 Time of Concentration......Page 189
3.11.2 Runoff Rate......Page 190
3.12 Complex Piping Systems......Page 191
3.12.1 Series Piping......Page 192
3.12.2 Parallel Piping......Page 197
3.13 Total Pressure Required......Page 202
3.13.1 Effect of Elevation......Page 204
3.13.2 Tight Line Operation......Page 205
3.13.3 Slack Line Flow......Page 206
3.14 Hydraulic Gradient......Page 207
3.15 Gravity Flow......Page 208
3.16 Pumping Horsepower......Page 210
3.17.2 Centrifugal Pumps......Page 212
3.18 Pipe Materials......Page 213
3.19 Loads on Sewer Pipe......Page 214
4.1 Codes and Standards......Page 217
4.3 Properties of Steam......Page 218
4.3.1 Enthalpy......Page 219
4.3.3 Pressure......Page 220
4.3.5 Superheated Steam......Page 221
4.3.6 Volume......Page 227
4.3.7 Viscosity......Page 236
4.5 Velocity of Steam Flow in Pipes......Page 237
4.6 Pressure Drop......Page 240
4.6.1 Darcy Equation for Pressure Drop......Page 241
4.6.2 Colebrook-White Equation......Page 243
4.6.3 Unwin Formula......Page 245
4.6.4 Babcock Formula......Page 246
4.6.5 Fritzche's Equation......Page 247
4.7 Nozzles and Orifices......Page 251
4.8 Pipe Wall Thickness......Page 259
4.9 Determining Pipe Size......Page 260
4.10 Valves and Fittings......Page 261
4.10.1 Minor Losses......Page 262
4.10.2 Pipe Enlargement and Reduction......Page 263
4.10.3 Pipe Entrance and Exit Losses......Page 265
5.1 Properties of Air......Page 266
5.1.1 Relative Humidity......Page 271
5.2 Fans, Blowers, and Compressors......Page 272
5.3.1 Free Air, Standard Air, and Actual Air......Page 273
5.3.2 Isothermal Flow......Page 277
5.3.3 Adiabatic Flow......Page 284
5.3.4 Isentropic Flow......Page 285
5.4.1 Darcy Equation......Page 286
5.4.3 Swamee-Jain Equation......Page 292
5.4.4 Harris Formula......Page 295
5.4.5 Fritzsche Formula......Page 296
5.4.6 Unwin Formula......Page 298
5.4.7 Spitzglass Formula......Page 299
5.4.8 Weymouth Formula......Page 300
5.5 Minor Losses......Page 301
5.6 Flow of Air through Nozzles......Page 306
5.6.1 Flow through a Restriction......Page 308
6.1 Density, Specific Weight, and Specific Gravity......Page 314
6.2 Specific Gravity of Blended Products......Page 318
6.3 Viscosity......Page 319
6.4 Viscosity of Blended Products......Page 327
6.5 Bulk Modulus......Page 331
6.6 Vapor Pressure......Page 332
6.7 Pressure......Page 333
6.8 Velocity......Page 335
6.9 Reynolds Number......Page 338
6.10 Types of Flow......Page 339
6.11.1 Bernoulli's Equation......Page 340
6.11.2 Darcy Equation......Page 342
6.11.3 Colebrook-White Equation......Page 345
6.11.4 Moody Diagram......Page 346
6.11.5 Hazen-Williams Equation......Page 351
6.11.6 Miller Equation......Page 355
6.11.7 Shell-MIT Equation......Page 357
6.11.8.1 Churchill Equation......Page 359
6.12.1 Valves and Fittings......Page 360
6.12.2 Pipe Enlargement and Reduction......Page 364
6.13.1 Series Piping......Page 366
6.13.2 Parallel Piping......Page 371
6.14 Total Pressure Required......Page 377
6.14.1 Effect of Elevation......Page 379
6.14.2 Tight Line Operation......Page 380
6.15 Hydraulic Gradient......Page 381
6.16 Pumping Horsepower......Page 383
6.17 Pumps......Page 384
6.17.2 Centrifugal Pumps......Page 385
6.17.3 Net Positive Suction Head......Page 388
6.17.4 Specific Speed......Page 390
6.17.5 Effect of Viscosity and Gravity on Pump Performance......Page 392
6.18 Valves and Fittings......Page 393
6.19 Pipe Stress Analysis......Page 395
6.20 Pipeline Economics......Page 397
7.1.2 Volume......Page 404
7.1.4 Specific Gravity......Page 405
7.1.5 Viscosity......Page 406
7.1.6 Ideal Gases......Page 407
7.1.8 Natural Gas Mixtures......Page 411
7.1.8.1 Pseudo Critical Properties from Gravity......Page 412
7.1.8.2 Adjustment for Sour Gas and Nonhydrocarbon Components......Page 417
7.1.9 Compressibility Factor......Page 418
7.1.9.3 Dranchuk, Purvis, and Robinson Method......Page 419
7.1.9.5 California Natural Gas Association (CNGA) Method......Page 421
7.1.11 Calculating Properties of Gas Mixtures......Page 424
7.2.1 Velocity......Page 426
7.2.2 Reynolds Number......Page 427
7.2.3 Pressure Drop Equations......Page 428
7.2.3.1 General Flow Equation......Page 429
7.2.3.2 Reynolds Number and Friction Factor......Page 432
7.2.4.1 Colebrook-White Equation......Page 435
7.2.4.2 Modified Colebrook-White Equation......Page 437
7.2.4.3 AGA Equation......Page 438
7.2.4.4 Panhandle A Equation......Page 440
7.2.4.5 Panhandle B Equation......Page 442
7.2.4.6 Weymouth Equation......Page 444
7.3 Line Pack in Gas Pipeline......Page 446
7.4 Pipes in Series......Page 448
7.5 Pipes in Parallel......Page 452
7.6 Looping Pipelines......Page 460
7.7.1 Isothermal Compression......Page 462
7.7.2 Adiabatic Compression......Page 463
7.7.3 Discharge Temperature of Compressed Gas......Page 464
7.7.4 Compressor Horsepower......Page 465
7.8 Pipe Stress Analysis......Page 467
7.9 Pipeline Economics......Page 471
8.1 Codes and Standards......Page 478
8.2 Types of Fuel Gas......Page 479
8.3 Gas Properties......Page 480
8.4 Fuel Gas System Pressures......Page 481
8.5 Fuel Gas System Components......Page 482
8.6 Fuel Gas Pipe Sizing......Page 483
8.8 Pressure Testing......Page 495
8.9 LPG Transportation......Page 496
8.9.1 Velocity......Page 497
8.9.2 Reynolds Number......Page 499
8.9.5 Darcy Equation......Page 501
8.9.6 Colebrook-White Equation......Page 504
8.9.7 Moody Diagram......Page 505
8.9.8 Minor Losses......Page 508
8.9.9 Valves and Fittings......Page 509
8.9.10 Pipe Enlargement and Reduction......Page 512
8.9.12 Total Pressure Required......Page 514
8.9.13 Effect of Elevation......Page 515
8.9.17 Pumping Horsepower......Page 0
8.10 LPG Storage......Page 523
8.11 LPG Tank and Pipe Sizing......Page 524
Introduction......Page 531
9.2 Cryogenic Fluids and Refrigerants......Page 532
9.3.1 Single-Phase Liquid Flow......Page 535
9.3.1.1 Velocity......Page 536
9.3.1.2 Reynolds Number......Page 538
9.3.1.5 Darcy Equation......Page 540
9.3.1.6 Colebrook-White Equation......Page 543
9.3.1.7 Moody Diagram......Page 545
9.3.1.8 Minor Losses......Page 548
9.3.1.9 Valves and Fittings......Page 549
9.3.1.10 Resistance Coefficient......Page 550
9.3.1.11 Pipe Enlargement and Reduction......Page 552
9.3.1.14 Series Piping......Page 554
9.3.1.15 Parallel Piping......Page 558
9.3.1.16 Total Pressure Required......Page 561
9.3.1.17 Pumping Horsepower......Page 562
9.3.2 Single-Phase Gas Flow......Page 564
9.3.2.1 Ideal Gases......Page 567
9.3.2.2 Real Gases......Page 568
9.3.2.4 Compressibility Factor......Page 569
9.3.2.6 Velocity......Page 571
9.3.2.7 Reynolds Number......Page 572
9.3.2.8 Isothermal Flow......Page 573
9.3.2.10 Isentropic Flow......Page 580
9.3.2.12 General Flow Equation......Page 581
9.3.2.13 Friction Factor......Page 583
9.3.2.14 Work Done in Compressing Gas......Page 586
9.3.3 Two-Phase Flow......Page 590
9.3.4 Refrigeration Piping......Page 596
9.4 Piping Materials......Page 610
10.1 Physical Properties......Page 614
10.2 Newtonian and Nonnewtonian Fluids......Page 618
10.2.2 Pseudo-Plastic Fluids......Page 620
10.2.3 Yield Pseudo-Plastic Fluids......Page 621
10.3 Flow of Newtonian Fluids......Page 623
10.4.1.1 Bingham Plastic Fluids......Page 626
10.4.1.2 Pseudo-Plastic Fluids......Page 630
10.4.1.3 Yield Pseudo-Plastic Fluids......Page 632
10.4.2.1 Bingham Plastic Fluids......Page 636
10.4.2.2 Pseudo-Plastic Fluids and Yield Pseudo-Plastic Fluids......Page 637
10.5.1 Homogenous Flow......Page 644
10.5.2 Heterogeneous Flow......Page 649
10.6 Pressure Loss in Slurry Pipelines with Heterogeneous Flow......Page 652
Appendix A: Units and Conversions......Page 656
Appendix B: Pipe Properties (U.S. Customary System of Units)......Page 659
Appendix C: Viscosity Corrected Pump Performance......Page 669
References......Page 671
B......Page 672
D......Page 673
E......Page 674
F......Page 677
H......Page 679
L......Page 680
N......Page 681
P......Page 682
R......Page 685
S......Page 686
V......Page 688
Y......Page 689