Kaip apskaičiuoti skysčio slėgio jėgą į vamzdžio sienelę: teorija, pritaikymas ir praktiniai pavyzdžiai

Hidrostatinė slėgio jėga paviršiuje - tai jėga, kuri veikia ploto vienetą dėl skysčio gylyje esančio spaudimo. Šiame straipsnyje naudojami pateikiami fragmentai ir terminai apie hidrostatinę slėgio plėtrą, slėgio matavimo prietaisus, kavitaciją, srauto ir nuostolių priklausomybę nuo vamzdyno geometrijos bei praktinius skaičiavimo pavyzdžius. Supažindiname su pagrindiniais dydžiais: pakėlimu, slėgiu, srautu, NPSH, nuostoliais ir eksploatacijos kreivėmis, kurios leidžia tiksliai įvertinti, kiek jėgos reikia išpumpuoti skystį į vamzdį ir įtvirtinti sienelę.

Slėgis, jėga ir skysčių savybės

Slėgio intensyvumas arba spaudimas paviršiui yra slėgio jėga ploto vienetui. Slėgis didėja tiesiškai su gyliu, kur h - gylis po laisvojo paviršiaus. Laisvas skystis sustingusioje būsenoje turi horizontalią plokštumą, o slėgio intensyvumas yra vienodas visoje horizontalioje plokštumoje. Slėgio jėga ploto vienetui apibrėžiama pagal Paskalio dėsnių principą: slėgis bet kokiame statiškai veikiamame skysčiuje yra vienodas balanso būsenoje.

• Slėgio matavimo prietaisai: pjezometras, manometras ir Burdono matuoklis. Jie skirti matuoti slėgį skysčiuose su laisvu paviršiumi ir uždarytuose vamzdynuose.
• Vertinant srauto dinamiką, svarbu atsižvelgti į slėgio nuostolius dėl trinties vamzdyje ir dėl srauto susiaurėjimo vietose (droseliai, vožtuvai).
• NPSH (Net Positive Suction Head) - minimalus įsiurbimo linijos slėgis, užtikrinantis nebuvimą kavitacijos įsiurbimo taške. Reikšmės palyginamos su siurblio NPSHr, kad išvengtume kavitacijos.

Slėgio matavimas vamzdynuose

Norint tiksliai apskaičiuoti slėgį į vamzdžio sienelę, reikia įvertinti skysčio lygį, gylius ir įsiurbimo bei išmetimo punktų nuostolius. Yra keli matavimo metodai:

1. Pjezometras - naudojamas vidutiniam slėgiui matuoti, kai skystis teka ir vamzdyje laikomas ribinis paviršius. Reikalingas ilgas vamzdis, laikantis tam tikrų paviršiaus sąlygų, kad slėgis būtų stabilus.
2. Manometras - naudojamas stambesniems slėgiams matuoti; skystis dažnai yra gyvsidabris (savitasis svoris 13,6). Slėgis vamzdyje apskaičiuojamas pagal lygtis, kur h - skysčio lygio skirtumas, w, wm - skysčių savitoji masė, vamzdžio šakų išsiskyrimai.
3. Diferencialinis manometras - matuoja slėgio skirtumą tarp dviejų atšakų ir dažnai naudojamas kiekybiniam vamzdžių srautų įvertinimui. Slėgio skirtumas pt-pzis apskaičiuojamas pagal atitinkamas lygtis.

Burdeno matuokliai - komercinis įrenginys, tvirtinamas prie vamzdžio ar prie pjezometro linijos, kur deformacija ir slėgio prieaugis perskaičiuojami atsižvelgiant į įsiurbimo ir išmetimo sąlygas. Burdono matuoklis suteikia bendrą slėgio indikatorių, bet jis nėra tikslus ten, kur būtinas didelis slėgio skirtumo tikslumas.

Išcentrinių siurblių ir slėgio kreivės

Išcentriniai siurbliai paverčia mechaninę energiją į hidraulinę energiją per slėgį ir srautą. Paprastai siurblių charakteristikų rinkiniai naudoja QH kreives - srauto (Q) ir pakėlimo aukščio (H) santykį. Bendras pakėlimas (Total Head) yra potreniruotas per išmetimą ir įsiurbimą, atėmus įsiurbimo aukštį, ir pridėjus visus hidraulinius nuostolius. Inyginiai kreivės rodo, kaip efektyvumas kinta priklausomai nuo darbo taško (operating point).

Be to, svarbi sąlyga yra NPSH - kuo didesnis srautas, tuo didesnė NPSH vertė, tad reikia užtikrinti, kad įsiurbimo linija atitiktų minėtą įsiurbimo tašką be kavitacijos. Kavitacija pasireiškia susidarius dujų bei garų burbulams, įmetant į siurblio aukštą slėgį. Tai sukelia didelių nuostolių ir gali pažeisti siurblių dalis.

Slėgio ir jėgų skaičiavimas praktikoje

Pateikiamas praktinis pavyzdys, kuriame reikia apskaičiuoti būtinas siurblio specifikacijas norint pasiekti norimą slėgį 2 barus, per 100 metrų vamzdį su DN32 įtekėjimu. Darbo duomenys: srautas 3,0 m³/h, vamzdžio vidinis skersmuo 26 mm (DN32 HDPE), gylys 22 m, armatūra - 3 alkūnės 90°, 1 kranas, 1 adapteris. Skaičiuoklėje įvestos reikšmės: 3, 26, HDPE, 100, 22. Rezultatas be papildomų nuostolių yra apie 33,08 m pakėlimo aukščio. Pridėjus 2 barų perteklinį slėgį (20 m stulpelio), gaunamas reikalingas siurblio slėgis - 53,08 m. Pridėjus hidraulinius nuostolius dėl armatūros (pavyzdžiui, 3 x 1,16 + 1 x 0,244 + 1 x 0,853 = 4,58 m), gaunamas galutinis pakėlimas, kurį turi užtikrinti siurblys.

Taip pat svarbu suprasti, kaip skysčio tekėjimo greitis tarp vamzdžio sienos ir centro keičia trinties nuostolius. Laminarinis srautas - skysčio tekėjimas be turbulencijų, kur dalelės juda lygiagrečiai vamzdžiui; turbulentinio srauto atveju srautas yra su sūkurių grandine ir energijos nuostoliai didėja. Bernulio teorema paaiškina, kad kai srauto kinetinė energija mažėja, slėgio energija turi didėti, o priešingai - kai kinetinė energija didėja, slėgis mažėja. Tai ypač svarbu droselio vietose ir posūkiuose.

Praktiniai patarimai apie vamzdynų projektavimą

• Norint išvengti kavitacijos, įsiurbimo vamzdyje turi būti pakankamas NPSH ir tinkamas srauto taškas, atsižvelgiant į atmosferos slėgį bei skysčio garų slėgį darbinėje temperatūroje.
• Vamzdžio skerspjūvio teisingas pasirinkimas yra kritiškai svarbus. Per mažas skerspjūvis didina trinties nuostolius ir gali sukelti pernelyg didelį slėgio kritimą; per didelis skerspjūvis - netikslingas energijos švaistymas.
• Hidraulinių nuostolių įvertinimas priklauso nuo vamzdžio ilgio, kryptinių posūkių, vožtuvų ir jungčių, jų dydžių bei medžiagos.
• Prieš skaičiuojant, reikia žinoti tikslų skystiesiukį, jo klampumą ir temperatūrą, nes viskas tiesiogiai veikia srauto dinamiką ir nuostolius.

Terminų santrauka

• HEAD - Pakėlimas (metrais): energijos kiekis, kurį skystis turi dėl spaudimo ir sunkio.
• FLOW - Našumas (srautas): skysčio tūrio per laiko vienetą matavimo vienetas (L/min, m³/h).
• QH kreivė - darbo kreivė: vaizduoja bendrą siurblio pakėlimo aukštį ir našumą, priklausomai nuo taško.
• NPSH/NPSHA - įsiurbimo aukščių lygio rezervas; skirta išvengti kavitacijos.
• Kavitacija - garų burbulų formavimasis dėl per mažo vietinio slėgio, kai skystis pereina iš vienos į kitą sritį.
• Klampumas - skysčio pasipriešinimas deformacijai veikiant šlyties jėgoms.

Galimi žingsniai skaičiuojant

1. Nustatykite srautą (Q) ir vamzdžio vidinį skersmenį (d).
2. Apskaičiuokite pakėlimą išlaikydami reikiamą slėgį (P) ir pridėkite nuostolius dėl vamzdžio ilgio bei jungčių.
3. Apskaičiuokite įsiurbimo aukštį (Suction Head) ir NPSH, palyginkite su siurbliu, kad išvengtumėte kavitacijos.
4. Pasirinkite siurblio tipą ir taško, kuriame H(Q) kreivė reiškia efektyvų darbą, nustatykite darbo tašką (BEPSH).

Pridėsime vizualinę informaciją

Turinio santrauka

Šiame straipsnyje apžvelgiama, kaip apskaičiuoti skysčio slėgio jėgą į vamzdžio sienelę, apima hidrostatinę pagrindų teoriją, slėgio matavimo įrangą ir jų taikymą, išsamius paaiškinimus apie nuostolius, srautą ir kavitaciją, taip pat praktinį skaičiavimo pavyzdį. Taip pat įtraukti terminų aiškinimai ir patarimai inžineriniams sprendimams, užtikrinantiems tikslų slėgio kontrolės ir jėgų paskirstymo vadovavimą vamzdynuose.

tags: #kaip #apskaiciuojama #skyscio #slegio #jega #i