Какие факторы влияют на скорость воды в трубе и как произвести необходимые вычисления
Сооружая автономную водопроводную сеть для частного дома, необходимо задуматься о достаточно большом количестве параметров, которые сделают водопровод сетью, работающей долгое время и не требующей больших затрат на ее обслуживание. Один из важных факторов – скорость движения воды в трубопроводах водоснабжения.
Почему скорость должна быть определенного значения
Скорость воды в трубах учитывают при выборе материала и диаметра трубопровода
Если скорость недостаточная, на стенках труб будут осаждаться нерастворенные частицы, которые поступают с водой из скважины или колодца. Это приведет к заиливанию и уменьшению проходного сечения. В результате снизится напор и производительность всей системы в целом.
Если скорость воды в водопроводе большая, это приводит к увеличению давления перекачиваемой жидкости на стенки труб и их стыки. Велика вероятность, что в каком-то месте трубопровода со временем произойдет протечка.
Типовые значения скорости
Существуют рекомендованные значения скорости водяного потока в трубах водоснабжения, которые зависят от материала, из которого водопроводные трубы изготовлены, новые они или уже были в эксплуатации. Вот несколько зависимостей, которые помогут сделать правильный выбор.
Скорость напрямую зависит и от диаметра труб. При этом любые жидкости, движущиеся по трубам, подчиняются законам физики. В водопроводе эти законы стремятся остановить движение воды. Сила, которая к этому прикладывается, называется силой сопротивления. Она ведет к потерям напора, а соответственно и к снижению скорости.
Обычно формулу скорости потока воды в трубопроводах, как таковую, не применяют нигде. Потому что нет смысла рассчитывать то, что уже доказано и находится в свободном доступе в таблицах. Ее принимают, как стандартную рекомендованную величину.
Сам параметр скорости потока воды в трубопроводах применяют для расчета нескольких характеристик водопроводной сети. К примеру, при расчете расхода воды или выбора диаметра труб.
Под водопроводом надо понимать сети питьевой воды, горячего водоснабжения и противопожарной системы.
Примеры расчетов
Чаще с помощью скорости рассчитывают расход воды или диаметр труб. Для этого используют формулу:
W= V×S, где W – расход, V – скорость, S – площадь сечения выбранных труб.
По одной из таблиц выбирается скорость движения воды. Если это пожарный водопровод, в нем данный параметр должен быть в пределах 3 м/с. Достаточно большое значение, но для водопровода этого типа величина усредненная, бывает и больше.
К примеру, надо рассчитать сечение трубы. Для этого дополнительно нужно определиться, сколько воды будет расходоваться через спринклеры или дренчеры противопожарной системы. Это также табличная величина, зависящая от защищаемой площади здания или сооружения. Пусть это будет пожарная система в одну струю, в которой обычно расход составляет 3,5 л/сек или 0,0035 м³/час.
Зная все требуемые параметры водопровода, можно рассчитать сечение труб, которые будут монтироваться в сеть:
Зная сечение трубы, можно подсчитать ее диаметр. Формула площади такова: S=πD²/4, отсюда формула диаметра:
D=√4S/π=√(4×0,0012:3,14)=0,0038 м или 38 мм. Такого значения диаметра труб не существует, поэтому надо выбрать стандартное большее — 40 мм.
Это самый простой пример. В реальности большинство водопроводных систем – это сложные схемы, в которых присутствуют отводы, подсоединяемые участки, установленная запорная арматура и прочие препятствия, которые снижают быстроту движения воды в водопроводе. При этом во многих сетях установлены насосные станции, которые формируют производительность и напор. Нередко в систему устанавливаются насколько насосных агрегатов, которые работают попеременно: по два, по три, по одному, в разных последовательностях включения и отключения.
В таких случаях расчет проводят ступенчато, для каждого участка по отдельности. При этом обязательно учитываются дополнительные коэффициенты, которые нивелируют полученные значения, а также потери напора на фитингах и в местах установки запорной арматуры.
Скорость потока
Скорость воды в трубе имеет два значения: у стенок она равна нулю, у оси — максимальный параметр. Чем дальше от оси, тем слабее движется вода.
Если рассматривать цилиндр, по которому движется жидкость, как воображаемую модель, можно сказать, что на воду внутри трубы не будут действовать никакие силы. Но в реальности все не так. Первая сила, которая действует на водяной поток, — сила трения о внутренние стенки трубопровода. Она уменьшается с отдалением от стенок.
Вторая сила – нагнетающая, действующая от насоса в направлении движении потока. Если этот параметр всегда неизменный, течение жидкости внутри трубы происходит ламинарно. Скорость остается неизменной, у стенок она равна нулю. Это идеальная ситуация.
На практике так случается редко. Факторов для этого много, к примеру, включение и отключение насоса, засорение фильтра и так далее. В таком случае у стенок трубопроводов скорость изменяется резко: то больше, то меньше с иногда огромной разницей. В остальной части эта характеристика изменяется меньше.
Многие интернет-порталы предлагают калькуляторы, с помощью которых можно рассчитать скорость потока жидкости, проходящей через цилиндр. Для этого потребуется всего лишь два параметра:
- внутренний диаметр трубы в мм;
- производительность водопровода, а точнее, объем жидкости, проходящей через трубу за определенный промежуток времени (м³/час).
Но в таких калькуляторах не учитывается материал, из которого трубы изготовлены, а также наличие или отсутствие фитингов, дополнительных контуров и запорной арматуры. Эти расчетные сервисы можно взять за основу, но точного значения от них ждать не стоит.
Решая вопрос, связанный со скоростью перемещения водного потока внутри водопроводной сети, необходимо четко определиться со сложностью системы, производительностью насосных станций и видами используемых труб. Проще всего – подобрать это значение по таблице, в которой показатели давно рассчитаны и гарантированно достоверны.
Источник
В какую сторону течёт вода?
Пятничная статья про столкновение задачи из собеседования с реальным миром.
Есть довольна известная задача — перед вами находится металлическая труба с текущей внутри водой. Как определить, в какую сторону она течёт? Её всё ещё могут задать вам на собеседованиях.
По многим задачам с неточной формулировкой уже проходились, давайте разберёмся, что же не так с этой трубой.
Ожидаемое решение — нагреть трубу и посмотреть, в какую сторону будет распространяться тепло. Но тут есть много дополнительных нюансов. Как правило подразумевается, что греть будут газовой горелкой. Встречалось даже ограничение, что у вас может быть любой предмет ценой до ста рублей, что делает задачу практически нерешаемой таким способом, но об этом позже.
Во-первых, надо быть уверенным, что температура воды достаточно низка, чтобы её можно было трогать. Ну, точнее, чтобы можно было понять разницу между «очень горячо» и «очень-очень горячо». Точно сказать сложно, но вряд ли это выше 50 градусов Цельсия.
Во-вторых, надо быть уверенным, что вода течёт со скоростью значительно большей скорости распространения тепла в воде. Например, при скорости потока 1мм/с вы вряд ли поймёте, куда вода движется и движется ли вообще.
В-третьих, надо быть уверенным, что вода не течёт со слишком большой скоростью. Иначе она просто не успеет достаточно прогреться.
Температурная чувствительность человека к разницам температур составляет примерно один градус. Исходя из теплоёмкости воды
4,2 кДж/кг получим, что на грамм протекающей воды мы должны передать в районе 4,2 Джоуля чтобы иметь возможность ощутить разницу температур.
Предположим, что подогревая трубу какой-то горелкой мы передаём трубе примерно половину теплоты сгораемого топлива. Это достаточно щедрое предположение, например хорошие газовые котлы имеют КПД в районе 95%.
Скорость потока в обычном холодном водоснабжении составляет примерно 1м/с. Для обычной трубы 1/2″, скажем в ванной, это даст расход примерно 200 г/с. Будем опираться на эти цифры чтобы иметь представление о том, какого размера должна быть труба, чтобы при привычной скорости потока мы могли определить его направление.
Зайдём с козырей. Предположим, что для решения задачи у вас есть хорошая сварочная горелка, ацетилен и кислород. Расход горелки примерно килограмм ацетилена в час, теплота сгорания примерно 50МДж/кг. Соответственно, в секунду получим примерно 13888 Дж, с учётом низкого КПД трубе передастся примерно 7000 из них. В принципе, можно прогреть на градус трубу с проходом 1.7 кг воды в секунду.
Ну… Решение вроде работает. Но давайте признаем, что большинство программистов никогда не держали в руках сварочную аппаратуру. И глядя на архитектуру некоторых приложений — это к лучшему. Пусть в качестве нагревательного прибора используется обычная газовая горелка со сменным баллоном, вроде той что используется для розжига кальянного угля. Расход газа составляет примерно 100 г/час. Для простоты расчёта возьмём теплоту сгорания пропана такой же, то есть 50МДж. В секунду мы сможем получить 700 Дж. Этого хватит для нагрева 170 грамм воды.
Выглядит уже не так перспективно. Если на дальний конец этой таинственной трубы надет шланг и моя бабушка поливает из него помидоры, то есть поток жидкости по трубе практически не ограничен, то понять направления потока мы уже не сможем. Бабуле придётся слегка зажимать шланг пальцем чтобы задача стала решаемой.
Вообще в условии подразумевалось, что смышлёный соискатель возьмёт зажигалку и нагреет трубу. Я нигде не смог найти нормы расхода газа для зажигалок. Вероятно, проводить подобные изменения никому в голову не пришло.
Возьмём данные по газовым паяльникам. Определённо, это более мощный прибор чем зажигалка, но примем эти цифры для расчёта. Газовый паяльник потребляет примерно 20 мл/час, то есть примерно 10 г/час. Значит с его помощью мы сможем нагревать на один градус примерно 17 грамм воды в секунду.
17 г/с это очень немного. Для такого расхода к трубе должен быть подключен весьма скромный потребитель, например автомат для газировки. Причём это не тот автомат как в торговом центре — пять секунд и поллитровый стакан готов. Это автомат, который наливает стакан очень медленно, с приличествующей случаю торжественностью.
Суммируя всё вышесказанное, задачу нужно было бы поставить следующим образом:
Вы находитесь в бесконечном поле. Перед вами металлическая труба толщиной не более стандартной водопроводнной. В ней течёт вода, температуры не выше 50 градусов Цельсия, со скоростью не более 1 м/с и не менее 1мм/с. Начала и конца этой трубы вы достигнуть не сможете. Какой предмет вам потребуется для определения направления движения жидкости?
Звучит довольно глупо. И это мы ещё опустили совсем уж дурацкие уточнения вроде того, что труба не сделана из галлия, температура вокруг не -190, атмосфера не состоит из гремучего газа или вас не реинкарнировало в бурундука.
Для решения задачи в хоть сколько-нибудь приближенных к реальным условиях вам требуется весьма серьёзное оборудование. С которым работать вы, кстати, скорее всего не умеете.
Как и во всех логических задачах, условности тут просто неисчислимы. Даже если взять задачу с волком козой и капустой — как такое вообще возможно? Вы голый, стоите на берегу реки, перед вами всё это добро и вам надо переправиться? Ах да, берега реки сделаны из адамантия, чтобы вы капусту закопать не догадались. В такой ситуации любой нормальный человек в первую очередь задумается, не позвать ли санитара.
Мы уже прикинули выше, для того, что нормальный человек представляет себе при фразе «труба с водой», тепловое решение практически неприменимо. По крайней мере если у вас нет случайно с собой горелки и двух баллонов.
Тем не менее, можно придумать несколько других решений. Тоже, не без ограничений, но более широко применимых.
Тепловой, но «обратный» вариант — обдуть трубу углекислотой из огнетушителя и посмотреть, как будет стаивать иней.
Можно положить на трубу камертон и слушать звук левее и правее. В направлении движения жидкости звук разнесётся дальше. Тут, впрочем, нужны достаточно большие скорости. Для совсем уж больших скоростей можно будет даже услышать эффект Доплера.
Особо мощные кандидаты могут просто пнуть трубу и посмотреть, в каком направлении волна быстрее затухнет.
При помощи зажима с регулировкой усилия можно сжать трубу, чтобы уменьшить проход, и затем замерить усилие необходимое для её сжатия с обеих сторон от сужения.
В общем решения есть. Но весьма причудливые для столь простой задачи. И все они сложнее очевидного — дойти до конца трубы. В реальном мире бесконечные трубы не встречаются. Более того, там где это важно, направление движение жидкости указывается при монтаже. И даже есть клапаны, препятствующие обратному движению.
К сожалению, такие задачи ничего о кандидате не скажут. Ну кроме того, что он любит на досуге решать головоломки.
Источник
Вода движется по трубопроводу
В данном посте опишу теорию гидравлики простыми словами, чтобы понимать принципы поведения воды в трубе.
Как показала практика, многие работающие с системами автоматического полива люди, имеют ошибочное представление о поведении воды в трубопроводе. Так что опытным монтажникам думаю так же будет полезна данная статья.
Гидравлика изучает поведение жидкости, как в положении покоя, так и при ее движении. Грамотно спроектированная система трубопровода, значительно снижает количество проблем в течение всего жизненного цикла работы системы полива. Поддерживая скорость потока в определенных пределах, вы сможете увеличить значительно срок службы всей системы в целом.
Неверно спроектированная система с неправильными расчетами может привезти к поломке трубопровода, в случаях гидроудара и наводнению на участке.
Грамотный проектировщик учтет же при расчете все факторы, которые будут так или иначе влиять на работу системы, что позволит избежать аварий и существенных поломок в будущем.
Вдобавок неправильное проектное решение по поливу, заставит вас тратить излишнюю воду, а, следовательно, и деньги. Гидравлический анализ системы важен для уменьшения финансовых рисков, увеличения эффективности проекта и для того чтобы избавиться от излишних затрат.
Вода, подчиняясь законам гравитации, стекает в самые низкие точки поверхности и создает на этой поверхности давление. Давление -сила тяжести объема воды на данную площадь. 
где Р- давление килограмм на квадратный сантиметр,
F- сила в килограммах,
А- площадь в квадратных сантиметрах
Сила давления в измеряемой точке создается столбом воды находящимся выше этой точки. Для примера на площади равной 1 см2, сила будет просто зависеть от высоты водного столба. Чем больше высота столба воды, больше веса воды действующего на дно, больше сила а, следовательно, и давление. Давление выражается, из выше сказанного, как килограмм на сантиметр квадратный или кг/см2 равный 1 бару.
Пример: На дне сосуда с 1 см2 площадью в основании и высотой водяного столба 50 см- давление будет равно: 
Эта связь между давлением и изменением высоты водяного столба известно как напор в метрах. Используя эту закономерность, мы в дальнейшем сможем легко определять статическое (покоя) давление в любом месте трубопровода.
Статическое давление
Статическое давление- характеризует свойства воды когда она в покое т.е она не движется.
Динамическое давление- свойство воды, характеризующее ее при ее движении в заданном направлении по трубопроводу для обеспечения, например полива. Параметры двигающейся воды, с которыми мы будем в дальнейшем иметь дело это расход и давление.
Итак, статическое давление воды мы имеем в закрытой системе (перекрытые клапана) при неподвижном потоке воды. Значения давления в этом случае меняются только с изменением высоты водного уровня. Статическое давление показывает потенциал давления, с которым система сможет работать.
Следует запомнить, что значение статического давления на плоской местности остается постоянным и действующим с одинаковой силой во всех направлениях. Перепады высот оказывают влияние на его значение. Повышение высоты снижает, а снижение высоты повышает уровень статического давления.
Как только мы открываем, клапан или кран, вода начинает двигаться и, в этом случае, мы уже имеем дело с динамическим давлением. В этом случае появляются новые потери давления, а именно потери давления на трение по трубопроводу и местные потери (фитинги, обратные клапана, электромагнитные клапана и т.д.). Шероховатость стенок трубы, турбулентность — вот лишь та малая часть явлений, которые отрицательным образом сказываются на значении давления в трубопроводе при движении воды от магистрали к дождевателям.
Динамическое давление
Динамическое давление или «рабочее давление» отличается от статического тем, что оно зависит от потерь связанных с движением воды, и его необходимо также учитывать, как и изменение статического давления связанного с изменением высоты. Динамическое давление непосредственно связанно с расходом или тем количеством воды, которое проходит по трубе или в месте местного сопротивления.
С увеличением количества воды протекающего по трубопроводу, увеличивается скорость движения потока, увеличивая потери в давлении. Можно найти ряд таблиц с потерями на трение, учитывающих диаметры трубопровода, его материал и скорость потока воды. А также вы всегда сможете найти таблицу местных потерь давления в зависимости от расхода в каталогах производителей поливочного оборудования.
ВАЖНО!!
Самое частое заблуждение и стереотип даже у опытных людей, много лет работающих с системами автоматического полива- это святая вера в то, что ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ЗАУЖЕНИЕМ ДИАМЕТРА ТРУБОПРОВОДА- СОХРАНЯЕТСЯ ИЛИ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ДАВЛЕНИЕ. Это не ТАК.
Увеличение скорости течения жидкости при переходе из участка трубы с большей площадью поперечного сечения в участок трубы с меньшей площадью поперечного сечения означает, что жидкость движется с ускорением.
Согласно второму закону Ньютона, причиной ускорения является сила. Этой силой в данном случае является разность сил давления, действующих на текущую жидкость в широкой и узкой частях трубы. Следовательно, в широкой части трубы давление жидкости должно быть больше, чем в узкой.
Закон Бернулли 
Скорость потока (м3/ч, л/с), значение с которым вода двигается через компоненты трубопровода системы полива, очень важный фактор в анализе гидравлического расчета. Чем быстрее вода движется по трубе, тем выше потери на трение. Слишком большие скорости потока воды могут, также быть причинами других проблем (гидравлические удары, выход из строя запорного оборудования и т.д.).
Опытным путем и с помощью расчетов установлено, что скорость потока равная 1,5 м/с, является оптимальной для движения воды по пластиковым трубам. Дальнейшее увеличение скорости потока, приводит к непропорциональному увеличению значения потерь давления, порой в разы, что может привести к неприятным последствиям, когда на отдаленных зонах вы будете иметь давление, при котором полив осуществляться будет некорректно. А также, при скоростях меньших или равных 1,5 м/с, в системе снижается вероятность появления повреждений, связанных с гидравлическим ударом.
Напомню, что в сервисе по проектированию систем автоматического полива IRRISketch весь гидравлический расчёт делается автоматически, но знать азы всё равно полезно даже опытным работникам.
Источник
