Fluid în tub: întrebări și răspunsuri

Subiectul acestui articol este fluid în conductă. Trebuie să ne cunoaștem legile și formulele fizice care descriu mișcarea, viteza și volumul acesteia. Vom încerca să nu mergem în sălbăticia unor calcule complexe: sarcina noastră este de a descrie acele modele care vor fi ușor de înțeles și accesibile pentru a fi calculate de către o persoană departe de hidrodinamică.

Deci, să începem.

dimensiuni

diametru

În cazul conductelor de apă și gaze, avem de-a face cu un sistem de măsurare destul de obișnuit. Pentru conductele respective, conceptul oarecum neobișnuit de trecere condiționată sau diametru nominal (DU) este utilizat ca parametru principal. Se măsoară atât în ​​centimetri, cât și în milimetri; aceeași țeavă VGP poate fi vândută ca 1 1/4 inchi sau DU32 mm.

Referință: ca măsură de lungime în acest caz, centimetrul englez este folosit, egal cu 2,54 centimetri. Atunci când se convertesc inci la milimetri, trebuie să se țină seama de faza de diametre nominale prevăzute de GOST; astfel încât, în cazul de mai sus, o recalculare simplă de 1 1/4 inci în milimetri nu va da 32, dar 1,25x2,54 = 31,75 mm.

Oferim dimensiunile conductelor de apă și gaze prevăzute de GOST 3262-75.

Deoarece grosimea peretelui variază în aceeași dimensiune (conductele sunt ușoare, obișnuite și armate), putem spune că UI este, în general, aproape de diametrul interior, dar, de regulă, nu este egal cu acesta.

secțiune

În construcția de conducte de apă sunt folosite, cu excepții rare, țevi rotunde.

Există două motive foarte bune pentru acest lucru.

1. O țeavă rotundă are o zonă minimă de perete cu o arie de secțiune maximă.. Prin urmare, prețul pe metru al conductei cu o grosime fixă ​​a peretelui va fi minim - pur și simplu din cauza consumului redus de material.
2. Secțiune rotundă pentru o rezistență maximă la tracțiune. Faptul este că forța cu care mediul intern cu presiune excesivă se apasă asupra pereților este direct proporțională cu aria lor; iar zona, așa cum am aflat deja, este minimă doar la țeava rotundă.

Aria secțiunii interioare calculată cu formula S = Pi * R ^ 2 unde S - valoarea dorită a zonei, Pi - Pi aproximativ egal cu 3.14159265 și R - raza (jumătate din diametrul interior). De exemplu, pentru o țeavă cu un diametru interior de 200 mm, secțiunea va fi 3.14159265x (0.1 ^ 2) = 0.031 m2.

Deoarece fluxul unui fluid într-o conductă circulară nu este întotdeauna asociat cu umplerea întregului său volum, conceptul de secțiune de viață este adesea folosit în calcule. Așa numită zona de curgere. De exemplu, atunci când umpleți o țeavă exact jumătate, aceasta va fi egală cu (Pi * R ^ 2) / 2 (în exemplul de mai sus, 0,031 / 2 = 0,00155 m2).

volum

Hai să aflăm care este volumul de lichid din conductă. În ceea ce privește geometria, orice conductă este un cilindru. Volumul său este calculat ca produs al suprafeței și lungimii secțiunii transversale.

Astfel, cu o arie a secțiunii transversale de 0,031 m2, volumul de lichid dintr-o conductă complet umplută cu o lungime de 8 metri va fi egală cu 0,031x8 = 0,248 m3.

Pentru o țeavă parțial umplută, pentru calcul se utilizează secțiunea medie de funcționare. Cu panta si curgere constanta, circulatia fluidelor prin țevi va fi uniforma; în consecință, secțiunea de viață va fi aceeași în toate secțiunile conductei fără presiune.

consum

Vom înțelege cum arată calculul debitului de lichid prin țeavă. Sarcina are o mare valoare practică: este direct legată de calculele de conducte de apă cu un număr cunoscut de corpuri de iluminat.

Trebuie să fii întristat de faptul că nu există o metodă simplă și universală de calcul. De ce?

Doar pentru că atunci când faci un calcul complet hidrodinamic cu mâinile tale, trebuie să ții cont de un număr mare de factori:

• Coeficientul de frecare al suprafeței interioare a țevii. Evident, oțelul dur, acoperit cu sedimente va asigura mult mai multă rezistență la mișcarea apei decât polipropilena netedă.

• Lungimea conductei. Cu cât este mai mare distanța de trecere prin lichid, cu atât este mai mare scăderea presiunii din cauza decelerării debitului pe pereți, cu atât mai mare este scăderea consumului.
• Diametrul conductei afectează fluxul de fluid vâscos prin conducte într-un mod mult mai complicat decât s-ar părea. Cu cât secțiunea transversală este mai mică, cu atât este mai mare rezistența țevii de curgere. Motivul este că, pe măsură ce diametrul scade, raportul dintre volumul său intern și suprafața peretelui se modifică.

Fiți atenți! Într-o conductă groasă, partea cea mai apropiată de pereți acționează ca un fel de lubrifiant pentru interior. Într-un strat subțire, grosimea acestui lubrifiant este insuficientă.

• În cele din urmă, fiecare rotire a conductei, trecerea diametrului, fiecare element al supapei de închidere afectează de asemenea debitul din acesta, încetinind curgerea.

Trebuie să se înțeleagă că toți acești factori afectează rezultatul, la toate la câteva procente: de exemplu, pentru noi țevi din oțel, cu depozite de interior si care cresc prea lustruite (chiar și fără a lua în considerare căderea lumenul) rezistență hidrodinamică diferă cu mai mult de 200 de ori.

Pentru profesioniști, toate necesare pentru calculul hidraulic al conductei, luând în considerare configurația completă, materialul și vârsta sa, sunt prezentate în tabelele F.A. Sheveleva. Pe baza acestor tabele, au fost create numeroase calculatoare online care vă permit să efectuați calcule cu grade diferite de încredere.

Există totuși o lacună care vă permite să simplificați în mod semnificativ calculele independente. La curgerea fluidului prin gaură, neglijabilă în comparație cu conducta de alimentare cu lichid (care, de fapt, observăm atunci când lucrăm cu majoritatea dispozitivelor sanitare), se aplică legea lui Torricelli.

Conform acestei legi, în cazul descris operează formula V ^ 2 = 2gH, unde V - debitul în deschidere, g - accelerare liberă cădere (9,78 m * s ^ 2), și H - înălțimea coloanei deasupra deschiderii sau, aceeași presiune în fața lui.

Referință: 1 atmosferă (1 kgf / cm2) corespunde presiunii unei coloane de apă de 10 metri.

Cum se corelează debitul în gaură cu debitul? În cazul nostru, instrucțiunea de calcul este simplă: un volum de fluid egal cu produsul S și debitul V va trece prin orificiul cu suprafața secțiunii transversale S

Să exemplificăm, de exemplu, calculul debitului de apă printr-o gaură cu un diametru de 2 cm la o presiune de 10 metri, care corespunde unei atmosfere de presiune în exces.

1. V ^ 2 = 2 x 9,78 * 10 = 195,6
2. V este egal cu rădăcina pătrată de 195.6. Rezultatul (13.985706 m / s) pentru ușurința de calcul este rotunjit până la 14 m / s.
3. Suprafața secțiunii transversale a orificiului cu un diametru de doi centimetri conform formulei de mai sus este de 3,14159265 * 0,01 ^ 2 = 0,000314159265 m2.
4. Prin urmare, cheltuielile vor fi egale cu 0,000314159265 * 14 = 0,00439822971 m3 / s. Pentru comoditate, îl vom traduce în litri: deoarece 1 metru cub este egal cu 1000 de litri, în reziduul uscat va rezulta un rezultat de 4,4 litri pe secundă.

Pentru completare, prezentăm câteva date de referință.

Debitul

Care este calculul debitului de fluid al țevii? În cazul în care se scurge printr-o gaură de diametru mic, se aplică legea Torricelli de mai sus.

Totuși, în majoritatea cazurilor, debitul fluidului din conductă este calculat pentru o conductă lungă a cărei rezistență hidraulică nu poate fi neglijată. Dacă este așa - ne confruntăm cu aceleași probleme: prea mulți factori afectează viteza cu o diferență constantă în secțiune.

Situația este mult simplificată dacă cunoaștem cheltuielile. Pentru fluide incompresibile acționează ecuația simplificată formulă de continuitate: Q = Av, unde Q - debitul de apă în metri pe secundă, A - suprafață totală sau zonă deschisă, v - viteza medie a fluidului în conducta de secțiune transversală circulară sau orice altă formă.

Cunoscând datele de referință de mai sus privind consumul de apă de către echipamentul sanitar, este ușor de calculat viteza debitului într-o conductă de apă cu un diametru cunoscut.

Ca un exemplu, să aflăm cât de repede apa se va deplasa în podvodke cu un diametru HVS interior de 15 mm (0.015 m), în timp ce rezervorul de toaletă este umplut, utilizarea mașinii de spălat vase și chiuveta.

1. Consumul total de apă al dispozitivelor, conform tabelului de mai sus, va fi de 0,1 + 0,3 + 0,12 = 0,52 l / s sau de 0,00052 m3 / s.
2. Suprafața secțiunii transversale a țevii este 3.14159265 x 0.0075 m ^ 2 = 0.000176714865625 m2.
3. Debitul în metri pe secundă este 0.00052 / 0.000176714865625 = 2.96.

Pentru referință, oferim câteva valori ale vitezei apei în conducte pentru diferite scopuri.

Util: debitul de până la 1,5 m / s este considerat confortabil și nu provoacă accelerarea eroziunii abrazive a pereților conductei. O creștere temporară a vitezei de până la 2,5 m / s este acceptabilă.

Diametru și presiune

Un alt aspect interesant al comportamentului unui fluid într-o conductă este relația dintre viteza de curgere și presiunea statică din el. Este descrisă de legea Bernoulli: presiunea statică este invers proporțională cu viteza fluxului.

Aplicarea practică a acestei legi este încorporată în multe mecanisme moderne.

Iată câteva exemple:

• Pistolul de pulverizare pneumatic funcționează tocmai datorită ranforsării create în jetul de aer, care aspiră literalmente vopseaua din rezervor și o transformă într-un aerosol portabil pe suprafața vopsită.
• În unitatea de ascensoare a unei case conectate la centrala de încălzire, vidul din jetul de apă creat de duza de la conductele de alimentare trage prin partea de aspirație a apei de la întoarcere în ciclul de circulație repetată.

concluzie

Sperăm că cititorul nu a găsit excursia noastră mică în fundamentele fizicii, geometriei și hidrodinamicii prea obositoare. Ca de obicei, informații suplimentare tematice pot fi găsite în videoclipul din acest articol (a se vedea, de asemenea, Chimneys: Installation and Maintenance).

Mult noroc!