Fluido nel tubo: domande e risposte

L'argomento di questo articolo è fluido nella pipa. Dobbiamo familiarizzare con le leggi fisiche e le formule che descrivono il suo movimento, la sua velocità e il suo volume. Cercheremo di non entrare nel caos di calcoli complessi: il nostro compito è quello di descrivere quei modelli che saranno comprensibili e accessibili per il calcolo a una persona lontana dall'idrodinamica.

Quindi iniziamo.

dimensioni

diametro

Nel caso di condutture dell'acqua e del gas, abbiamo a che fare con un sistema di misurazione non del tutto ordinario. Per le rispettive condotte, come concetto principale viene utilizzato il concetto alquanto inusuale di passaggio condizionale o diametro nominale (DU). È misurato in pollici e millimetri; lo stesso tubo VGP può essere venduto come 1 1/4 pollici o DU32 mm.

Riferimento: come misura di lunghezza in questo caso, viene utilizzato il pollice britannico, pari a 2,54 centimetri. Quando si convertono i pollici in millimetri, si dovrebbe tener conto della fase dei diametri nominali fornita da GOST; quindi, nel caso precedente, un semplice ricalcolo di 1 1/4 pollici in millimetri non darà 32, ma 1,25x2,54 = 31,75 mm.

Diamo le dimensioni di tubi per acqua e gas stipulati da GOST 3262-75.

Poiché lo spessore della parete varia all'interno delle stesse dimensioni (i tubi sono leggeri, ordinari e rinforzati), possiamo dire che il DU è generalmente vicino al diametro interno, ma, di regola, non è uguale ad esso.

sezione

Nella costruzione di tubi dell'acqua vengono utilizzati, con rare eccezioni, tubi tondi.

Ci sono due ottime ragioni per questo.

1. Un tubo tondo ha un'area minima della parete con un'area della sezione trasversale massima.. Pertanto, il prezzo per metro di tubazione con uno spessore di parete fisso sarà minimo - semplicemente a causa del minor consumo di materiale.
2. Sezione tonda per la massima resistenza alla trazione. Il fatto è che la forza con cui l'ambiente interno esercita una pressione eccessiva contro le pareti è direttamente proporzionale alla loro area; e l'area, come abbiamo già scoperto, è minima solo al tubo circolare.

L'area della sezione trasversale interna viene calcolata utilizzando la formula S = Pi * R ^ 2, dove S è il valore dell'area desiderato, Pi è il numero pi, approssimativamente uguale a 3.14159265 e R è il raggio (metà del diametro interno). Ad esempio, per un tubo con un diametro interno di 200 mm, la sezione sarà 3,14159265x (0,1 ^ 2) = 0,031 m2.

Poiché il flusso di un fluido in un tubo circolare non è sempre associato al riempimento dell'intero volume, nei calcoli viene spesso utilizzato il concetto di sezione vivente. Così chiamato l'area di flusso. Ad esempio, quando si riempie esattamente una metà di un tubo, sarà uguale a (Pi * R ^ 2) / 2 (nell'esempio sopra, 0,031 / 2 = 0,00155 m2).

volume

Scopriamo qual è il volume del fluido nel tubo. In termini di geometria, qualsiasi tubo è un cilindro. Il suo volume è calcolato come il prodotto dell'area e della lunghezza della sezione trasversale.

Quindi, con un'area della sezione trasversale di 0,031 m2, il volume di liquido in una condotta completamente piena con una lunghezza di 8 metri sarà uguale a 0,031x8 = 0,248 m3.

Per una tubazione parzialmente riempita, per il calcolo viene utilizzata la sezione media in tensione. Con una pendenza e un flusso costanti, il movimento del fluido attraverso i tubi sarà uniforme; di conseguenza, la sezione vivente sarà la stessa in tutte le sezioni del gasdotto non in pressione.

consumo

Capiremo come si presenta il calcolo della portata del liquido attraverso il tubo. Il compito ha un grande valore pratico: è direttamente correlato ai calcoli delle condotte idriche con un numero noto di impianti idraulici.

Devi essere rattristato dal fatto che non esiste un metodo di calcolo semplice e universale. Perché?

Solo perché quando si esegue un calcolo idrodinamico completo con le proprie mani è necessario prendere in considerazione un numero enorme di fattori:

• Coefficiente di attrito della superficie interna del tubo. Ovviamente, l'acciaio grezzo, rivestito di sedimenti, fornirà molta più resistenza al movimento dell'acqua rispetto al polipropilene liscio.

• La lunghezza della pipeline. Maggiore è la distanza da percorrere attraverso il liquido, maggiore è il calo di pressione dovuto alla decelerazione del flusso contro le pareti, maggiore è la diminuzione del consumo.
• Il diametro della tubazione influenza il flusso del fluido viscoso attraverso i tubi in un modo molto più complicato di quanto possa sembrare. Più piccola è la sezione trasversale, maggiore è la resistenza del flusso del tubo. Il motivo è che quando il diametro diminuisce, il rapporto tra il volume interno e l'area della parete cambia.

Fai attenzione! In una condotta densa, la parte del flusso più vicina alle pareti agisce come una sorta di lubrificante per il suo interno. In uno strato sottile, lo spessore di questo lubrificante è insufficiente.

• Infine, ad ogni giro della tubazione, al passaggio del diametro, ogni elemento della valvola di intercettazione influenza anche la portata in esso contenuta, rallentando il flusso.

Dovrebbe essere chiaro che tutti questi fattori non influenzano il risultato di pochi punti percentuali: ad esempio, per un nuovo tubo di acciaio con una superficie interna levigata e per i depositi eccessivi (anche senza tener conto del calo di lumen), la resistenza idrodinamica differisce di oltre 200 volte.

Per i professionisti, tutti i dati necessari per il calcolo idraulico della condotta, tenendo conto della sua configurazione completa, del materiale e dell'età, sono riportati nelle tabelle F.A. Sheveleva. Sulla base di queste tabelle, sono stati creati molti calcolatori online che consentono di eseguire calcoli con vari livelli di confidenza.

Esiste tuttavia una lacuna che consente di semplificare in modo significativo i calcoli indipendenti. Al flusso di fluido attraverso il foro, trascurabile rispetto al tubo di alimentazione del liquido (che, infatti, osserviamo quando si lavora con la maggior parte dei dispositivi idraulici), si applica la legge di Torricelli.

Secondo questa legge, nel caso descritto, la formula V ^ 2 = 2gH, dove V è la velocità del flusso nel foro, g è l'accelerazione di gravità (9,78 m * s ^ 2), e H è l'altezza della colonna sopra il foro o qualcosa del genere lo stesso, la pressione di fronte a lui.

Riferimento: 1 atmosfera (1 kgf / cm2) corrisponde alla pressione di una colonna d'acqua di 10 metri.

In che modo la portata nel foro è correlata al flusso? Nel nostro caso, l'istruzione di calcolo è semplice: un volume di fluido uguale al prodotto S e la portata V passerà attraverso il foro con l'area della sezione trasversale S

Facciamo un esempio, calcoliamo il flusso di acqua attraverso un foro con un diametro di 2 centimetri ad una pressione di 10 metri, corrispondente ad una atmosfera di eccesso di pressione.

1. V ^ 2 = 2 x 9,78 * 10 = 195,6
2. V è uguale alla radice quadrata di 195.6. Il risultato (13,985706 m / s) per facilità di calcolo è arrotondato a 14 m / s.
3. L'area della sezione trasversale del foro con un diametro di due centimetri secondo la formula di cui sopra è 3,14159265 * 0,01 ^ 2 = 0,000314159265 m2.
4. La spesa, quindi, sarà pari a 0,000314159265 * 14 = 0,00439822971 m3 / s. Per comodità, lo traduciamo in litri: dal momento che 1 metro cubo equivale a 1000 litri, nel residuo secco ci sarà un risultato di 4,4 litri al secondo.

Per completezza, presentiamo alcuni dati di riferimento.

Portata

Qual è il calcolo della portata del fluido nel tubo? In caso di fuoriuscita attraverso un foro di piccolo diametro, si applica la legge di Torricelli sopra riportata.

Tuttavia, nella maggior parte dei casi, la portata del fluido nel tubo viene calcolata per una condotta lunga la cui resistenza idraulica non può essere trascurata. Se è così, affrontiamo gli stessi problemi: troppi fattori influenzano la velocità con una differenza costante nella sezione.

La situazione è notevolmente semplificata se conosciamo la spesa. Per i liquidi incomprimibili, è valida una formula semplificata per l'equazione di continuità: Q = Av, dove Q è il flusso d'acqua in metri al secondo, A è l'area di una sezione completa o vivente, v è la velocità media di un liquido in un tubo di sezione circolare o qualsiasi altra forma.

Conoscendo i dati di riferimento sopra del consumo di acqua da parte di apparecchiature sanitarie, è facile calcolare la velocità del flusso in un tubo dell'acqua di un diametro noto.

Ad esempio, scopriamo quanto velocemente l'acqua si muoverà nel tubo di alimentazione dell'acqua fredda con un diametro interno di 15 mm (0,015 m) durante il riempimento del serbatoio di scarico, utilizzando una lavastoviglie e un lavandino.

1. Il consumo totale di acqua dei dispositivi, secondo la tabella sopra, sarà 0,1 + 0,3 + 0,12 = 0,52 l / s, o 0,00052 m3 / s.
2. L'area della sezione trasversale del tubo è 3,14159265 x 0,0075 m ^ 2 = 0,000176714865625 m2.
3. La portata in metri al secondo è 0,00052 / 0,000176714865625 = 2,96.

Per riferimento, diamo alcuni valori della velocità dell'acqua nelle condotte per vari scopi.

Utile: la portata fino a 1,5 m / s è considerata confortevole e non causa l'accelerazione dell'erosione abrasiva delle pareti della condotta. È accettabile un aumento temporaneo della velocità fino a 2,5 m / s.

Diametro e pressione

Un altro aspetto interessante del comportamento di un fluido in un tubo è la relazione tra la velocità del flusso e la pressione statica in esso. È descritto dalla legge di Bernoulli: la pressione statica è inversamente proporzionale alla velocità del flusso.

L'applicazione pratica di questa legge è incarnata in molti meccanismi moderni.

Qui ci sono solo un paio di esempi:

• La pistola a spruzzo pneumatica funziona proprio a causa della rarefazione creata nel getto d'aria, che letteralmente succhia il colorante dal serbatoio e lo trasforma in un aerosol portatile sulla superficie verniciata.
• Nell'unità di ascensore di una casa collegata alla conduttura di riscaldamento, il vuoto nel getto d'acqua creato dall'ugello dalla tubazione di alimentazione trascina attraverso la parte di aspirazione dell'acqua dal ritorno nel ciclo di circolazione ripetuto.

conclusione

Speriamo che il lettore non abbia trovato troppo noiosa la nostra piccola escursione sui fondamenti della fisica, della geometria e dell'idrodinamica. Come al solito, ulteriori informazioni tematiche possono essere trovate nel video in questo articolo (vedi anche Tubi da camino: installazione e manutenzione).

Buona fortuna!