Fluida v trubici: otázky a odpovědi

22-05-2018
Různé

Tématem tohoto článku je tekutina v potrubí. Musíme se seznámit s fyzickými zákony a formulemi, které popisují jeho pohyb, rychlost a objem. Budeme se snažit nejít do divočiny složitých výpočtů: naším úkolem je popsat ty vzory, které budou srozumitelné a přístupné pro výpočet osobě vzdálené hydrodynamice.

Takže začneme.

Musíme se seznámit s hydrodynamikou, byť poněkud povrchní.

Rozměry

Průměr

V případě vodovodních a plynových potrubí se zabýváme poměrně běžným měřicím systémem. Pro příslušné potrubí se jako hlavní parametr používá poněkud neobvyklý koncept podmíněného průchodu nebo jmenovitého průměru (DU). Měří se v obou palcích a milimetrech; stejná trubka VGP může být prodána jako 1 1/4 palce nebo DU32 mm.

Odkaz: v tomto případě se používá britský palec, který se rovná 2,54 cm. Při přepočtu palců na milimetry je třeba vzít v úvahu krok jmenovitých průměrů stanovený GOST; takže ve výše uvedeném případě jednoduchá přepočet 1 1/4 palce na milimetry neposkytuje 32, ale 1,25x2,54 = 31,75 mm.

Uvádíme rozměry vodních a plynových potrubí stanovené GOST 3262-75.

Podmíněný průchod (DU), mm Skutečný vnější průměr, mm
15 21.3
20 26,8
25 33.5
32 42.3
40 48,0
50 60,0
65 75,5
80 88,5
90 101,3
100 114,0
125 140,0
150 165,0

Vzhledem k tomu, že tloušťka stěny se mění v rámci stejné velikosti (potrubí jsou lehké, obyčejné a vyztužené), lze říci, že DU je obecně blízko vnitřního průměru, ale v zásadě se s ním nerovná.

Podmínkový průchod je blízko vnitřního průměru potrubí.

Sekce

Při výstavbě vodních trubek se používají, s výjimkou výjimek, kulaté potrubí.

Existují dva velmi dobré důvody.

  1. Kruhová trubka má minimální plochu stěny s maximální průřezovou plochou.. Proto bude cena za metr potrubí s pevnou tloušťkou stěny minimální - jednoduše kvůli nižší spotřebě materiálu.
  2. Kulatá část pro maximální pevnost v tahu. Faktem je, že síla, se kterou vnitřní prostředí s nadměrným tlakem tlačí proti stěnám, je přímo úměrné jejich ploše; a plocha, jak jsme již zjistili, je minimální jen u kulatého potrubí.
Linky s vysokým tlakem mají vždy kruhový průřez.

Vnitřní plocha průřezu se vypočítá pomocí vzorce S = Pi * R ^ 2, kde S je požadovaná hodnota plochy, Pi je číslo pi přibližně rovno 3,14159265 a R je poloměr (polovina vnitřního průměru). Například pro potrubí o vnitřním průměru 200 mm bude úsek 3,14159265x (0,1 ^ 2) = 0,031 m2.

Vzhledem k tomu, že tok tekutiny v kruhové trubce není vždy spojen s plněním celého objemu, koncept živé části se často používá ve výpočtech. Tzv. Oblast toku. Například při plnění trubky přesně na polovinu se bude rovnat (Pi * R ^ 2) / 2 (ve výše uvedeném příkladu, 0,031 / 2 = 0,00155 m2).

Životní část pro tlak, gravitační odvodnění a podnos.

Hlasitost

Zjistíme, jaký je objem kapaliny v potrubí. Pokud jde o geometrii, každá trubka je válec. Jeho objem je vypočítán jako součin průřezu a délky.

Takže při průřezu 0,031 m2 bude objem kapaliny v plně naplněném potrubí o délce 8 metrů rovný 0,031 x 8 = 0,248 m3.

Pro částečně naplněnou trubku se pro výpočet použije průměrná živá část. Při konstantním sklonu a průtoku bude pohyb tekutiny mezi trubkami rovnoměrný; podle toho bude živá část stejná ve všech částech netlakového potrubí.

Spotřeba

Rozumíme, jak vypadá výpočet průtoku kapaliny skrze trubku. Úloha má velkou praktickou hodnotu: přímo souvisí s výpočty vodovodů se známým počtem vodovodních armatur.

Musíte být zarmouceni skutečností, že neexistuje žádná jednoduchá a univerzální metoda výpočtu. Proč

Jen proto, že při plném hydrodynamickém výpočtu s vlastními rukama je třeba vzít v úvahu obrovské množství faktorů:

  • Koeficient tření vnitřního povrchu potrubí. Je zřejmé, že hrubá ocel potažená sedimenty poskytne mnohem větší odolnost proti pohybu vody než hladký polypropylen.
Obrázek vám umožňuje posoudit přetržení ocelových trubek.
  • Délka potrubí. Čím větší je vzdálenost procházející kapalinou, tím větší je pokles tlaku v důsledku zpomalení průtoku proti stěnám, tím silnější je pokles spotřeby.
  • Průměr potrubí ovlivňuje proudění viskózní tekutiny trubkami mnohem složitějším způsobem, než by se mohlo zdát. Čím menší je průřez, tím větší je odpor potrubí. Důvodem je, že snižujícím se průměrem se změní poměr vnitřního objemu a plochy stěny.

Dávejte pozor! V tlustém potrubí je část proudu, která je nejblíže stěnám, působící jako vnitřní mazivo. V tenké vrstvě je tloušťka tohoto mazadla nedostatečná.

  • Nakonec, každé otočení potrubí, průchod průměru, každý prvek uzavíracího ventilu také ovlivňuje průtok v něm a zpomaluje průtok.
Otočení a prvky ventilů způsobují pokles tlaku.

Mělo by být zřejmé, že všechny tyto faktory neovlivňují výsledek o několik procent: například u nové ocelové trubky s leštěným vnitřním povrchem a při zarostlých nánosů (i bez zohlednění poklesu lumenu) se hydrodynamická odolnost liší o více než 200 krát.

Pro profesionály jsou všechny údaje potřebné pro hydraulický výpočet potrubí, s přihlédnutím k jeho úplné konfiguraci, materiálu a věku, uvedeny v tabulkách F.A. Sheveleva. Na základě těchto tabulek byla vytvořena řada online kalkulaček, které umožňují provádět výpočty s různou mírou důvěry.

Existuje však jedna mezera, která vám umožňuje významně zjednodušit nezávislé výpočty. Při průtoku kapaliny skrz otvor, který je zanedbatelný ve srovnání s přívodním potrubím kapaliny (což ve skutečnosti pozorujeme při práci s většinou instalatérských zařízení) platí Torricelliho zákon.

Evangelista Torricelli, jeden ze zakladatelů hydrodynamiky.

Podle tohoto zákona je v uvedeném případě vzorec V ^ 2 = 2gH, kde V je rychlost proudění v otvoru, g je zrychlení gravitace (9,78 m * s ^ 2) a H je výška kolony nad otvorem nebo něco stejný tlak před ním.

Odkaz: 1 atmosféra (1 kgf / cm2) odpovídá tlaku vodního sloupce 10 metrů.

Jak průtok v otvoru koreluje s průtokem? V našem případě je výpočtová instrukce jednoduchá: objem kapaliny rovný výrobku S a průtoková rychlost V projde otvorem s průřezem S

Projděme například příkladem toku vody průtokem o průměru 2 centimetry při tlaku 10 metrů, což odpovídá jedné atmosféře nadměrného tlaku.

  1. V ^ 2 = 2 x 9,78 * 10 = 195,6
  2. V se rovná druhé odmocnině 195,6. Výsledek (13.985706 m / s) pro snadné výpočty je zaokrouhlený až na 14 m / s.
  3. Plocha průřezu otvoru o průměru dva centimetry podle výše uvedeného vzorce je 3,14159265 * 0,01 ^ 2 = 0,000314159265 m2.
  4. Náklady se tedy budou rovnat 0,000314159265 * 14 = 0,00439822971 m3 / s. Pro pohodlí je překládáme do litrů: protože 1 metr krychlový se rovná 1000 litrům, v suchém zbytku bude výsledkem 4,4 litrů za sekundu.

Pro úplnost uvádíme některé referenční údaje.

Vodovodní armatura Průměrná spotřeba vody, l / s
Umyvadlo s vodovodní kohoutek 0,1
Umyvadlo se směšovačem 0,12
Dřez se směšovačem 0,12
Vana se směšovačem 0,25
Bidet se směšovačem a provzdušňovačem 0,08
WC mísa 0,1
Myčka nádobí (voda) 0,3
Automatická pračka 0,25
Poznámka: Pokud je zapojeno v sérii, všechna zainteresovaná zařízení způsobují celkové napětí.

Průtok

Jaký je výpočet průtoku tekutiny v potrubí? V případě jeho vytečení skrz otvor s malým průměrem platí výše uvedený zákon Torricelli.

Nicméně ve většině případů se průtoková rychlost kapaliny v potrubí vypočte pro dlouhé potrubí, jehož hydraulický odpor nelze zanedbat. Pokud ano, čelíme stejným problémům: příliš mnoho faktorů ovlivňuje rychlost s konstantním rozdílem v sekci.

Situace je značně zjednodušená, pokud známe náklady. Pro nestlačitelné kapaliny je platný zjednodušený vzorec pro rovnici kontinuity: Q = Av, kde Q je průtok vody v metrech za sekundu, A je plocha plného nebo živého průřezu, v je průměrná rychlost kapaliny v potrubí kruhového průřezu nebo v jiné formě.

Znát výše uvedené referenční údaje o spotřebě vody sanitárním zařízením je snadné vypočítat rychlost průtoku ve vodovodním potrubí o známém průměru.

Jako příklad zjistíme, jak rychle se voda v potrubí pro přívod studené vody pohybuje s vnitřním průměrem 15 mm (0,015 m) při plnění odtokové nádrže pomocí myčky nádobí a umyvadla.

Ve foto - vodovodu v bytě. 15 mm je nejčastěji používaný průměr.
  1. Celková spotřeba vody zařízení podle výše uvedené tabulky činí 0,1 + 0,3 + 0,12 = 0,52 l / s nebo 0,00052 m3 / s.
  2. Plocha průřezu potrubí je 3,14159265 x 0,0075 m ^ 2 = 0,000176714865625 m2.
  3. Průtok v metrech za sekundu je 0.00052 / 0.000176714865625 = 2.96.

Pro referenci uvádíme různé hodnoty rychlosti vody v potrubí pro různé účely.

Systému Rychlostní rozsah, m / s
Systém gravitačního vytápění 0,2 - 0,5
Vyhřívací systém s nuceným oběhem, plnění do lahví 0,5 - 3
Vykurovací systém s nuceným oběhem, přípojky k topným zařízením 0,2 - 0,5
Vodovod 0,5 - 4
Dodávka vody 0,5 - 1
Oběh v systému TUV 0,2 - 0,5
Volně odváděná odpadní voda (včetně odpadních vod) 0,35 - 1

Užitečné: průtok do 1,5 m / s je považován za pohodlný a nezpůsobuje zrychlení abrazivní eroze stěn potrubí. Je přijatelné dočasné zvýšení rychlosti až 2,5 m / s.

Průměr a tlak

Dalším zajímavým aspektem chování kapaliny v potrubí je vztah mezi rychlostí proudění a statickým tlakem v něm. To je popsáno Bernoulliho zákonem: statický tlak je nepřímo úměrný rychlosti proudění.

Vizuální demonstrace zákona.

Praktické uplatnění tohoto zákona je zapracováno do mnoha moderních mechanismů.

Zde jsou jen některé příklady:

  • Pneumatické stříkací pistole pracuje přesně díky vyfrézování vytvořenému ve vzduchovém prstenci, který doslova vyzařuje barvu z nádrže a přemění ho na přenosný aerosol na lakovaném povrchu.
  • Ve výtahové jednotce domu připojeného k vytápěcímu potrubí vakuum v tryskové vodě vytvořené tryskou z napájecího potrubí přesahuje odsávací část vody z návratu do opakovaného cirkulačního cyklu.
Schéma výtahu.

Závěr

Doufáme, že čtenář nenašel naši malou exkurzi do základů fyziky, geometrie a hydrodynamiky příliš únavnou. Jak je obvyklé, další informace naleznete v videu v tomto článku (viz také Komíny: Instalace a údržba).

Úspěchy!