Меню

Величина гидростатического давления в трубопроводе

Понятие гидростатического давления

На сайте представлено несколько статей, посвященных основам гидравлики. Этот материал адресован всем людям, которые хотят разобраться в том, как физически работают система водоснабжения и система канализации (водоотведения). Настоящая статья – первая в этом цикле.

В гидравлике есть несколько ключевых понятий. Центральное место отводится понятию гидростатического давления в точке жидкости. Оно тесно связано с понятием напора жидкости, о котором будет сказано чуть позже.

Одно из широко распространенных определений гидростатического давления звучит так: «Гидростатическое давление в точке жидкости – это нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил».

Напряжение – это понятие, широко используемое в курсе сопротивления материалов. Идея в следующем. В физике, мы знаем, есть понятие силы. Сила – векторная величина, характеризующая воздействие. Векторная – это значит, что представляется в виде вектора, т.е. стрелки в трехмерном пространстве. Эта сила может быть приложена в отдельной точке (сосредоточенная сила), или к поверхности (поверхностная), или ко всему телу (говорят, массовая / объемная). Поверхностные и массовые силы являются распределенными. Только такие и могут действовать на жидкость, так как она обладает функцией текучести (легко деформируется от любого воздействия).

Сила приложена к поверхности с какой-то конкретной площадью. В каждой точке этой поверхности возникнет напряжение, равное отношению силы к площади, это и есть понятие давления в физике.

В системе СИ единица измерения силы – Ньютон [Н], площади – квадратный метр [м 2 ].

Отношение силы к площади:

1 Н / 1 м 2 = 1 Па (Паскаль).

Паскаль является основной единицей измерения давления, но далеко не единственной. Ниже представлен пересчет единиц измерения давлений из одной в другую >>>

100 000 Па = 0,1 МПа = 100 кПа ≈ 1 атм = 1 бар = 1 кгс/см 2 = 14,5 psi ≈ 750 мм.рт.ст ≡ 750 Торр ≈ 10 м.вод.ст (м)

Далее, принципиально важным моментом является так называемая шкала давлений или виды давлений. На рисунке ниже представлено, как взаимоувязаны такие понятия как абсолютное давление, абсолютный вакуум, частичный вакуум, избыточное или манометрическое давление.

Абсолютное давление – давление, отсчитываемое от нуля.

Абсолютный вакуум – ситуация, при которой на рассматриваемую точку ничего не действует, т.е. давление, равное 0 Па.

Атмосферное давление – давление, равное 1 атмосфере. Отношение веса (mg) вышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения. Атмосферное давление зависит от места, времени суток. Это один из параметров погоды. В прикладных инженерных дисциплинах обычно все отсчитывают именно от атмосферного давления, а не от абсолютного вакуума.

Частичный вакуум (или еще часто говорят – «величина вакуума», « разрежение» или «отрицательное избыточное давление» ). Частичный вакуум – недостаток давления до атмосферного. Максимально возможная на Земле величина вакуума как раз равняется одной атмосфере (

10 м.вод.ст.). Это означает, что у вас не получится попить воду через трубочку с расстояния 11 м при всем желании.

* на самом деле при нормальном для трубочек для напитков диаметре (

5-6 мм) эта величина будет гораздо меньше из-за гидравлических сопротивлений. Но даже через толстый шланг вы не сможете попить воду с глубины 11 м.

Если заменить вас на насос, а трубочку – на его всасывающий трубопровод, то ситуация принципиально не изменится. Поэтому воду из скважин добывают как правило именно скважинными насосами, которые опускаются непосредственно в воду, а не пытаются засасывать воду с поверхности земли.

Избыточное давление (или также еще называемое манометрическим)– превышение давления над атмосферным.

Приведем следующий пример. На данной фотографии (справа) показано измерение давления в автомобильной шине при помощи прибора манометра.

Манометр показывает именно избыточное давление. На этой фотографии видно, что избычтоное давление в данной шине приблизительно 1,9 бар, т.е. 1,9 атм, т.е. 190 000 Па. Тогда абсолютное давление в этой шине – 290 000 Па. Если мы шину проткнем, то воздух начнет под разницей давлений выходить наружу до тех пор, пока давление внутри и снаружи шины не станет одинаковым, атмосферным. Тогда избыточное давление в шине будет равно 0.

Теперь посмотрим, как определить давление в жидкости, находящейся в определенном объеме. Допустим, мы рассматриваем открытую бочку с водой.

На поверхности воды в бочке устанавливается атмосферное давление (обозначно маленькой буквой p с индексом «атм»). Соответственно, избыточное давление на поверхности равняется 0 Па. Теперь рассмотрим давление в точке X. Эта точка заглублена относительно поверхности воды на расстояние h, и за счет столба жидкости над этой точкой, давление в ней будет больше, чем на поверхности.

Давление в точке X (px) будет определяться, как давление на поверхности жидкости + давление, создаваемое столбом жидкости над точкой. Это называется основным уравнением гидростатики.

Для приблизительных расчетов можно принимать g = 10 м/с 2 . Плотность воды зависит от температуры, но для приблизительных расчетов может приниматься 1000 кг/м 3 .

При глубине h 2 м, абсолютное давление в точке X составит:

100 000 Па + 1000·10·2 Па = 100 000 Па +20 000 Па = 120 000 Па = 1,2 атм.

Избыточное давление – это значит за вычетом атмосферного: 120 000 – 100 000 = 20000 Па = 0,2 атм.

Таким образом, в избыточное давление в точке X определяется высотой столба жидкости над этой точкой. Форма емкости при этом никак не влияет. Если мы рассмотрим гигантский бассейн с глубиной 2 м, и трубку высотой 3 м, то давление на дне трубки будет больше, нежели на дне бассейна.

(Абсолютное давление на дне бассейна: 100000 + 1000*9,81*2 =

Высота столба жидкости определяет давление, создаваемое этим столбом жидкости.

pизб = ρgh. Таким образом, давление можно выражать единицами длины (высоты):

Например, рассмотрим, какое давление создает столб ртути высотой 750 мм:

p = ρgh = 13600 · 10 · 0,75 = 102 000 Па ≈ 100 000 Па, что отсылает нас к единицам измерения давления, рассмотренным ранее.

Т.е. 750 мм.рт.ст. = 100 000 Па.

По тому же принципу получается, что давление в 10 метров водяного столба равняется 100 000 Па:

1000 · 10 · 10 = 100 000 Па.

Выражение давления в метрах водяного столба принципиально важно для водоснабжения, водоотведения, а также гидравлических расчетов отопления, гидротехнических расчетов и т. д.

Теперь посмотрим давление в трубопроводах. Что физически означает замеренное мастером давление в определенной точке (X) трубопровода? Манометр в данном случае показывает 2 кгс/см² (2 атм). Это избыточное давление в трубопроводе, оно эквивалентно 20 метрам водяного столба. Иными словами, если подсоединить к трубе вертикальную трубку, то вода в ней поднимется на величину избыточного давления в точке X, т.е. на высоту 20 м. Вертикальная трубка, сообщающеяся с атмосферой (т.е. открытая) называются пьезометром.

Основная задача системы водоснабжения заключается в том, чтобы в требуемой точке вода имела необходимое избыточное давление. Например, согласно нормативному документу:

[ Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 N 354 (ред. от 13.07.2019) «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов» (вместе с «Правилами предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов») ] >>> давление в точке водоразбора должно быть не менее 3 м.вод.ст (0,03 МПа)

Под точкой водоразбора можно понимать место подключения смесителя (точка 1). Эта точка находится приблизительно на расстоянии 1 м от пола, там же, где и подключение к стояку самой квартиры (точка 2) . То есть давление в этих точках примерно одинаково при закрытых кранах (вода не движется!). Давление регламентируется именно в этих точках, и, как указано выше, должно быть не меньше 3 — 6 м.вод.ст.

Однако необходимо отметить, что нормативно допустимая величина в 3 м.вод.ст – это совсем не много, так как современное сантехническое оборудование может требовать давление до 13 м.вод.ст в точке подключения для нормальной работы (подачи достаточного количества воды). Например, даже в старом СНиП по внутреннему водопроводу (СНиП 2.04.01-85*), указано, что при использовании аэратора на смесителе (сеточка, перекрывающая выходное отверстие), в точке подключения смесителя необходимо давление 5 м.вод.ст.

Источник

Гидравлические характеристики тепловых энергоустановок

Гидростатическое давление. Если в трубе высотой Н 1 содержится вода (рис. 2), то согласно закону Паскаля столб воды оказывает на свое основание (сечение 0 – 0) давление, равное:

РСТ = Н1 ρ gПа, (7)

где ρ =1000 кг/м 3 — плотность воды, g = 9,81 м/с 2 — ускорение свободного падения, м/с 2 .

Как следует из формулы, давление водяного столба создается силами земного притяжения и зависит только от высоты столба (трубы). Такое давление называется гидростатическим. Оно не зависит от длины трубы, наличия или отсутствия движения воды, или от направления движения воды. Поэтому гидростатическое давление, например, в обратном трубопроводе системы отопления девятиэтажного дома составит, примерно, 0,27 МПа или 27 м вод (9 этажей по 3 м) независимо от числа присоединенных к стояку нагревательных приборов.

Рис. 2. К определению гидростатического давления

Гидростатическое давление действует всегда вниз. Поэтому подъем воды по трубе с помощью насоса возможен только в случае, когда насос преодолевает действие гидростатического давления. При опускании воды по трубам гидростатическое давление помогает движению воды, увеличивает ее расход.

Формула 1 используется также и для нахождения силы естественной тяги S в котлах. Последняя находится как разность давления воздуха РВ перед топкой и давления газов РГ (продуктов сгорания) в основании дымовой трубы:

Где H – высота дымовой трубы; ρВ иρГплотности воздуха и газов, кг/м 3 .

Полное давление воды (воздуха)характеризует давление потока воды (воздуха) внутри трубы (канала). Часть полного давления, называемая статическим, действует на стенки трубы. Другая часть полного давления действует вдоль потока воды и называется динамическим давлением. Таким образом полное давление движущейся воды есть сумма статического и динамического давлений потока воды. При отсутствии движения воды динамическое давление равно нулю, а полное давление равно статическому.

На рис. 3 показано измерение полного давления воды открытой, изогнутой под углом 90 0 напорной трубкой 4. Полное давление воды действует на открытый конец напорной трубки и вытесняет жидкость (ртуть) из правого колена U – образного манометра в левое колено. Если левое колено манометра соединено с атмосферой, то манометр покажет избыточное полное давление, выраженное высотой столба ртути.

Статическое давление измеряется U – образным манометром, подключенным к трубе через штуцер 2. Если отсоединить трубку 4 от манометра, то ртуть из левого колена будет частично вытеснена статическим давлением в правое колено. Перепад уровней столбиков ртути в коленах манометра покажет величину избыточного статического давления. Заметим, что на практике к штуцеру 2 для измерения статического давления воды присоединяется обычный пружинный манометр.

При подключении U–образного манометра к отборной трубке 4 и штуцеру 2 манометр показывает разность полного и статического давлений, т.е. динамическое давление. Величина динамического давления находится как

РД = W 2 ρ /2Па, (9)

где W – скорость воды, м/с; ρ – плотность воды, кг/м 3 .

Из выражения (9) следует: во –первых, динамическое давление возникает, когда скорость воды больше нуля; во-вторых, величина давления меняется прямо пропорционально изменению скорости в квадрате.

Режим работы тепловой энергоустановки, когда скорость движения воды больше нуля, называется динамическим.

Рис. 3. Схема измерения динамического давления:

1 – стенка трубы; 2 – отбор статического давления; 3 — стеклянный U – образный манометр; 4 – отбор полного давления

Установлено, что в идеальном трубопроводе (гидравлические сопротивления отсутствуют) полное давление является постоянной величиной. Поэтому при увеличении скорости воды возрастает динамическое давление, а статическое давление снижается. Снижение скорости воды приводит к увеличению статического давления. Максимальное статическое давление устанавливается только при прекращении движения воды.

В реальном трубопроводе полное давление равно сумме статического, динамического давлений и гидравлических сопротивлений. Поэтому по длине трубопровода полное давление из-за роста сопротивлений снижается. Однако и в этом случае воздействие скорости воды на статическое давление остается прежним.

Скорость воды в трубопроводах не превышает 2-3 м/с. При скорости, например 2 м/с динамическое давление потока воды составит W 2 ρ /2 =2 2 · 1000/2 = 2000 Па. (0,02 кгс/см 2 ). Если в системе отопления используются чугунные радиаторы, то избыточное статическое давление не должно превышать 0,6 МПа (6 кгс/см 2 ), что в 300 раз больше величины динамического давления в рассмотренном примере. Поэтому в динамическом режиме полное давление, практически, равно статическому и соответствует показаниям пружинных манометров.

К такому же выводу можно прийти, рассмотрев соотношение давлений в воздушных и газовых каналах. Однако в горелочных устройствах котлов, где скорости воздуха для создания качественной горючей смеси велики, полное давление воздуха перед горелкой в основном определяются величиной динамического давления.

Гидравлические сопротивления.Придвижении воды по трубопроводам поток воды преодолевает сопротивления трения и местные сопротивления.

Сопротивления трения обусловлены трением между слоями воды, а также между водой и стенками трубы.

К местным сопротивлениям относятся сужения, расширения и повороты трубопроводов, а также запорно-регулирующая арматура трубопроводов. Такие же сопротивления движению воздуха и продуктов сгорания имеют место в котельных установках и системах вентиляции.. В отличие от гидравлических их называют аэродинамическими сопротивлениями.

Суммарное сопротивление участка трубопровода находится по формуле:

D h = hтр + hм = (l L / d + Z) W 2 r/ 2Па, (10)

где h тр сопротивления трения; h м – местные сопротивления;

l – коэффициент трения;L – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м; Z – коэффициент местного сопротивления; W – скорость воды, м/с; r — плотность воды, кг/м 3 .

Из выражения (10) следует, что сопротивления прежде всего зависят от изменения скорости воды поскольку она входит формулу (10) в квадрате: скорость увеличилась в 2 раза, сопротивления возросли в 4 раза.

Кроме того сопротивления увеличиваются с ростом длины трубопровода (воздуховода), с уменьшением диаметра трубопровода (например, из-за их загрязнения), а также с увеличением степени деформации потока (сужение и расширение, неполное открытие задвижки, закрутка потока и др., о чем судят по величине коэффициента местного сопротивления). Например, коэффициент местного сопротивления газомазутной горелки равен 8, вследствие чего сопротивление воздушного тракта котла на 90 % определяется сопротивлением горелки. В теплопроводах сопротивления в основном зависят от количества и типа установленной арматуры, наличия регуляторов расхода и давления, водоподогревателей и нагревательных приборов. Так, например, коэффициент местного сопротивления полностью открытых задвижек и вентилей составляет 0,2 – 2,5 (большие значения относятся к вентилям), для чугунных радиаторов его величина достигает 1,5 – 1,8.

На преодоление сопротивлений насос (элеватор) затрачивает часть создаваемого им напора (часть динамического давления). Напором называется разность полных давлений на выходе и входе в насос (для элеватора – разность давлений в подающем и обратном трубопроводах в тепловом пункте). О потере напора можно судить по разности давлений, которые показывают манометры, установленные в начале и в конце участка трубопровода. Давление Р1 вначале участка всегда больше давления в его конце:

Р2 = Р1D h,(11)

где —D h –суммарное сопротивление участка трубопровода.

Для обеспечения требуемого давления Р2давление Р1 должно быть увеличено на величину D h.

По экономическим соображения скорости воды не должны превышать 2,5– 3 м/с (для воздуха – 8–10 м/с, для пара – 40-70 м/с). Скорость воды ограничивается так же требованиями недопущения в трубопроводах возникновения гидравлических ударов. Величина гидравлического сопротивления, например, 1 погонного метра магистрального теплопровода составляет, примерно, 8 мм вод ст, а для ответвлений от них –30 мм вод. ст. Потери в вентилях стальных радиаторов достигают 400 – 650 мм вод. ст. Наибольшие потери напора (12 – 15 м вод. ст ) имеют элеваторы. Сопротивление систем отопления обычно не превышает 1 – 1, 5 вод. ст.

Расход воды в установке зависит от величины напора Н = (Р1 – Р2) на входе и сопротивления установки D h:

G = к (Н 0,5 / D h), (12)

где к –коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что расход сетевой воды, потребляемой, например, системой отопления будет тем больше, чем больше напор на тепловом вводе и чем меньше гидравлическое сопротивление системы отопления.

Гидравлическое сопротивление может играть и положительную ролью. Для регулирования потоков воды в местных системах в отдельные трубопроводы, где расходы воды повышенные, устанавливаются дроссельные диафрагмы Диаметр проходного отверстия диафрагмы меньше диаметра трубопровода, а потому диафрагма является местным сопротивлением; давление воды на входе в трубопровод снижается и расход воды уменьшается. Выбор диаметра отверстия дроссельной диафрагмы производится по формуле:

d = 10 G 0,5 / D H 0,25 мм, (13)

где G– расчетный расход воды в трубопроводе, т/ч; D H— напор, гасимый дроссельной диафрагмой, м

Уравнение неразрывности потокаустанавливает постоянство объемного секундного расхода воды в любом сечении трубопровода (закон сохранения массы вещества), независимо от величины и формы сечения:

V = f w= Соnst м 3 /с , (14)

где f— сечение трубопровода, м 2 ; w —скорость воды,м /с.

Из уравнения следует, что при увеличении сечения канала скорость потока падает обратно пропорционально изменению сечения, и наоборот. Например, для увеличения скорости воды в 10 раз площадь сечения трубопровода нужно уменьшить тоже в 10 раз. Если канал выполнить форме сужающегося сопла, при движении воды от входа к выходу сопла скорость воды будет увеличиваться от минимальной (на входе) до максимальной (на выходе).

Принцип действия элеватора. Отмеченная выше зависимость скорости воды от сечения канала реализуется установкой в элеваторе сужающегося сопла 1, диаметр которого на выходе в несколько раз меньше, диаметра трубопровода (рис. 4). В связи с этим скорость воды (рабочего потока) на выходе из сопла возрастает в 5 и более раз. Поэтому доля динамического давления струи воды в приемной камере резко возрастает, а доля статического давления становится малой. Статическое давление в приемной камере 2, куда поступает струя воды, становится ниже давления снаружи приемной камеры. Поэтому в приемную камеру поступает (инжектируется) обратная вода, охлажденная в радиаторах отопления.

В расчетном режиме работы системы отопления рабочим потоком является сетевая вода с температурой 150 0 С, а инжектируемым – обратная вода с температурой 70 0 С. После смешения в камере 3 температура воды становится равной 95 0 С, но она по прежнему имеет низкое давление. Для повышения давления используется диффузор 4. Вследствие постоянного увеличения поперечного сечения диффузора поток воды тормозится и динамическое давление преобразуется в статическое. Движение воды в элеваторе сопровождается большими гидравлическими сопротивлениями, на преодоление которых затрачивается большая часть напора элеватора. Поэтому полное давление на выходе из диффузора значительно меньше давления рабочего потока перед элеватором и по своему характеру практически является статическим давлением. Его величина должна быть достаточным для преодоления гидравлического сопротивления системы отопления, присоединенной к элеватору.

На каждый кг воды рабочего потока в элеватор поступает 2,2 кг обратной воды.

Рис.4. Принципиальная схема элеватора:

1 – сопло; 2 – приемная камера; 3 – камера смешения; 4 – диффузор

Эта величина называется коэффициентом смешения и является его основной характеристикой.

Действительное значение коэффициента смешения зависит от температур воды и находится по формуле:

где t1 — температура сетевой воды перед элеватором, 0 С;

t2 — температура воды в обратном трубопроводе системы отопления, 0 С;

t3 – температура смеси воды на выходе из элеватора, 0 С.

Диаметр сопла элеватора, мм, определяется по формуле:

d С = 9,6 G 0,5 / H 0,25 ,(15)

где G– расчетный расход воды на отопление из тепловой сети, т/ч; H –напор перед элеватором, определяемый по пьезометрическому графику, м вод. ст.

Минимальный необходимый напорперед элеватором, м, приближенно определяется как

Н = 1,4 Н (1 + U),(16)

Где Н – потеря напора в системе отопления после элеватора, м.

Источник

Читайте также:  Какое должно быть глазное давление у ребенка
Adblock
detector