Płyn w tubie: pytania i odpowiedzi

Tematem tego artykułu jest płyn w rurze. Musimy zapoznać się z fizycznymi prawami i formułami opisującymi jego ruch, szybkość i objętość. Postaramy się nie zagłębiać w skomplikowane obliczenia: naszym zadaniem jest opisanie tych wzorów, które będą zrozumiałe i przystępne do obliczeń dla osoby z dala od hydrodynamiki.

Więc zaczynajmy.

Wymiary

Średnica

W przypadku rur wodociągowych i gazowych mamy do czynienia z niezupełnie zwykłym układem pomiarowym. Dla poszczególnych rurociągów jako główny parametr wykorzystywana jest nieco nietypowa koncepcja przejścia warunkowego lub średnicy nominalnej (DU). Jest mierzona w calach i milimetrach; ta sama rura VGP może być sprzedawana jako 1 1/4 cala lub DU32 mm.

Odniesienie: jako miarę długości w tym przypadku stosuje się cal brytyjski równy 2,54 centymetra. Przy przeliczaniu cali na milimetry należy wziąć pod uwagę stopień nominalnej średnicy przewidziany przez GOST; tak więc, w powyższym przypadku, proste przeliczenie 1 1/4 cala na milimetry da nie 32, ale 1,25x2,54 = 31,75 mm.

Podajemy wymiary rur wodnych i gazowych ustalone przez GOST 3262-75.

Ponieważ grubość ścianki różni się w tym samym rozmiarze (rury są lekkie, zwykłe i wzmocnione), możemy powiedzieć, że DU jest generalnie zbliżony do średnicy wewnętrznej, ale z reguły nie jest równy.

Sekcja

W budowie rur wodociągowych stosuje się, z nielicznymi wyjątkami, rury okrągłe.

Istnieją dwa bardzo dobre powody.

1. Okrągła rura ma minimalny obszar ścianki o maksymalnym polu przekroju poprzecznego.. Dlatego cena za metr rurociągu o stałej grubości ściany będzie minimalna - po prostu ze względu na mniejsze zużycie materiału.
2. Okrągły przekrój dla maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie. Faktem jest, że siła, z jaką wewnętrzne środowisko z nadmiernym ciśnieniem naciska na ściany, jest wprost proporcjonalna do ich powierzchni; a obszar, jak już się dowiedzieliśmy, jest minimalny tuż przy okrągłej rurze.

Obszar wewnętrznej części obliczonej według wzoru S = PI * R ^ 2, gdzie S - żądana wartość obszaru Pi - PI w przybliżeniu równa 3,14159265, R - promień (połowa średnicy wewnętrznej). Na przykład, dla rury o średnicy wewnętrznej 200 mm, przekrój będzie wynosił 3,14159265x (0,1 ^ 2) = 0,031 m2.

Ponieważ przepływ płynu w okrągłej rurze nie zawsze wiąże się z wypełnieniem całej jego objętości, w obliczeniach często wykorzystuje się koncepcję części mieszkalnej. Tak zwany obszar przepływu. Na przykład przy napełnianiu rury dokładnie w połowie będzie ona równa (Pi * R ^ 2) / 2 (w powyższym przykładzie 0,031 / 2 = 0,00155 m2).

Tom

Sprawdźmy, jaka jest objętość płynu w rurze. Pod względem geometrii dowolna rura jest cylindrem. Jego objętość obliczana jest jako iloczyn pola przekroju i długości.

Tak więc, o powierzchni przekroju 0,031 m2, objętość cieczy w całkowicie wypełnionym rurociągu o długości 8 metrów będzie równa 0,031 x 8 = 0,248 m3.

W przypadku częściowo wypełnionej rury do obliczeń wykorzystywana jest średnia sekcja na żywo. Przy stałym nachyleniu i przepływie ruch płynu przez rury będzie jednolity; w związku z tym część mieszkalna będzie taka sama we wszystkich odcinkach rurociągu bezciśnieniowego.

Zużycie

Zrozumiemy, jak wygląda obliczenie natężenia przepływu cieczy przez rurę. Zadanie ma dużą wartość praktyczną: jest bezpośrednio związane z obliczeniami rurociągów wodnych ze znaną liczbą urządzeń hydraulicznych.

Musisz być zasmucony faktem, że nie ma prostej i uniwersalnej metody obliczeniowej. Dlaczego?

Tylko dlatego, że wykonując pełne obliczenia hydrodynamiczne własnymi rękami, należy wziąć pod uwagę ogromną liczbę czynników:

• Współczynnik tarcia wewnętrznej powierzchni rury. Oczywiście szorstka, pokryta osadem stal zapewnia znacznie większy opór przepływu wody niż gładki polipropylen.

• Długość rurociągu. Im większa odległość przechodzenia przez ciecz, tym większy spadek ciśnienia ze względu na spowolnienie przepływu w ścianach, tym silniejsze zmniejszenie zużycia.
• Średnica rurociągu wpływa na przepływ lepkiego płynu przez rury w znacznie bardziej skomplikowany sposób, niż mogłoby się wydawać. Im mniejszy przekrój, tym większy opór rury. Powodem jest to, że wraz ze zmniejszaniem się średnicy zmienia się stosunek jego objętości wewnętrznej do powierzchni ściany.

Zwróć uwagę! W grubym rurociągu część strumienia znajdująca się najbliżej ścian działa jako środek smarny do wnętrza. W cienkiej warstwie grubość tego smaru jest niewystarczająca.

• Wreszcie, każdy obrót rurociągu, przejście średnicy, każdy element zaworu odcinającego wpływa również na natężenie przepływu w nim, spowalniając przepływ.

Należy rozumieć, że wszystkie te czynniki wpływają na wyniki w ogóle o kilka procent, na przykład o nowych rur stalowych o wypolerowanych osadów wewnętrznych i przerośnięte (nawet bez uwzględnienia spadek prześwitu) hydrodynamiczne odporność różni się o więcej niż 200 razy.

Dla profesjonalistów wszystkie niezbędne do hydraulicznego obliczenia rurociągu, biorąc pod uwagę jego pełną konfigurację, materiał i wiek, podano w tabelach F.A. Sheveleva. Na podstawie tych tabel utworzono wiele kalkulatorów online, które umożliwiają wykonywanie obliczeń z różnym stopniem pewności.

Istnieje jednak jedna luka, która pozwala znacznie uprościć niezależne obliczenia. Przy przepływie płynu przez otwór, pomijalny w porównaniu do rury doprowadzającej ciecz (co w rzeczywistości obserwujemy podczas pracy z większością urządzeń hydraulicznych), obowiązują prawo Torricellego.

Zgodnie z tym prawem w przypadku opisanym działa wzór V ^ 2 = 2gH, gdzie: V - prędkość przepływu w otworze, g - wolne przyspieszenie maleje (9,78 m * y ^ 2) i H - wysokość słupa powyżej otworu lub, ten sam nacisk przed nim.

Odniesienie: 1 atmosfera (1 kgf / cm2) odpowiada ciśnieniu słupa wody 10 metrów.

Jak natężenie przepływu w otworze jest skorelowane z przepływem? W naszym przypadku instrukcja obliczeń jest prosta: objętość płynu równa produktowi S i natężenie przepływu V przejdzie przez otwór o polu przekroju poprzecznego S

Jako przykład obliczyć przepływ wody przez otwór o średnicy 2 centymetrów przy ciśnieniu 10 metrów, odpowiadającym jednej atmosferze nadciśnienia.

1. V ^ 2 = 2 x 9,78 * 10 = 195,6
2. V jest równe pierwiastkowi kwadratowemu 195,6. Wynik (13,985706 m / s) dla łatwości obliczania jest zaokrąglany do 14 m / s.
3. Przekrój poprzeczny otworu o średnicy dwóch centymetrów zgodnie z powyższym wzorem wynosi 3,14159265 * 0,01 ^ 2 = 0,000314159265 m2.
4. Koszt będzie zatem równy 0,000314159265 * 14 = 0,00439822971 m3 / s. Dla wygody przełożymy go na litry: ponieważ 1 metr sześcienny jest równy 1000 litrów, w suchej pozostałości będzie wynik 4,4 litrów na sekundę.

Dla kompletności przedstawiamy niektóre dane referencyjne.

Natężenie przepływu

Jakie jest obliczenie natężenia przepływu płynu w rurze? W przypadku wypłynięcia przez otwór o małej średnicy obowiązuje powyższe prawo Torricellego.

Jednak w większości przypadków natężenie przepływu płynu w rurze obliczane jest dla długiego rurociągu, którego oporność hydrauliczna nie może być pominięta. Jeśli tak, napotykamy na te same problemy: zbyt wiele czynników wpływa na prędkość przy stałej różnicy w sekcji.

Sytuacja jest znacznie uproszczona, jeśli znamy koszt. Dla płynów nieściśliwych działa uproszczonego równania ciągłości wzoru: P = Av, gdzie Q - strumień wody w metrach na sekundę, a - pełny obszar lub obszar otwarty, V - średnia prędkość przepływu w rurze o okrągłym przekroju poprzecznym lub jakimkolwiek innym kształcie.

Znając powyższe dane referencyjne dotyczące zużycia wody przez urządzenia sanitarne, łatwo obliczyć prędkość przepływu w rurze wodnej o znanej średnicy.

Na przykład, dowiedzmy się, jak szybko porusza się woda w rurze doprowadzającej zimną wodę o średnicy wewnętrznej 15 mm (0,015 m) podczas napełniania zbiornika spustowego, używając zmywarki i umywalki.

1. Całkowite zużycie wody w urządzeniach, zgodnie z powyższą tabelą, wyniesie 0,1 + 0,3 + 0,12 = 0,52 l / s, czyli 0,00052 m3 / s.
2. Przekrój poprzeczny rury wynosi 3,14159265 x 0,0075 m ^ 2 = 0,000176714865625 m2.
3. Natężenie przepływu w metrach na sekundę wynosi 0,00052 / 0,000176714865625 = 2,96.

Dla porównania podajemy wartości prędkości wody w rurociągach dla różnych celów.

Przydatny: natężenie przepływu do 1,5 m / s jest uważane za wygodne i nie powoduje przyspieszenia erozji ściernej ścian rurociągu. Dopuszczalne jest chwilowe zwiększenie prędkości do 2,5 m / s.

Średnica i ciśnienie

Innym interesującym aspektem zachowania płynu w rurze jest związek między prędkością przepływu a ciśnieniem statycznym w nim. Jest to opisane przez prawo Bernoulliego: ciśnienie statyczne jest odwrotnie proporcjonalne do prędkości przepływu.

Praktyczne zastosowanie tej ustawy jest zawarte w wielu nowoczesnych mechanizmach.

Oto kilka przykładów:

• Pneumatyczny pistolet natryskowy działa dokładnie dzięki rzadkiemu tworzeniu się strumienia powietrza, który dosłownie zasysa barwnik ze zbiornika i zamienia go w przenośny aerozol na malowanej powierzchni.
• W zespole windy domu połączonego z głównym ogrzewaniem próżnia w strumieniu wody wytworzonym przez dyszę z rurociągu zasilającego przepływa przez część ssącą wody od powrotu do powtarzanego cyklu obiegu.

Wniosek

Mamy nadzieję, że czytelnik nie uznał naszej małej wycieczki w podstawy fizyki, geometrii i hydrodynamiki za zbyt męczące. Jak zwykle, dodatkowe informacje tematyczne można znaleźć w wideo w tym artykule (patrz także Kominy: instalacja i konserwacja).

Sukcesy!