Поперечное сечение трубы и ее внутренний объем: методы расчета

Сегодня нам предстоит небольшой экскурс в школьные программы геометрии и физики. Мы вспомним, как вычисляется площадь поперечного сечения трубы и ее внутренний объем. Кроме того, нам предстоит выяснить, как изменения диаметра трубопровода действуют на давление в потоке жидкости. Итак, в путь.

На фото – водогазопроводные трубы. Нам предстоит научиться вычислять их внутреннее сечение.

Вычисляем площадь сечения

Очевидно, формула площади поперечного сечения трубы будет зависеть от того, какова форма этого сечения. Какие варианты возможны?

Круглая

Площадь круга имеет вид S = Pi R^2, где:

• S – искомое значение;
• Pi – число “пи”, которое обычно округляют до 3,14;
• R – радиус круга (применительно к трубе – половина ее внутреннего диаметра).

В качестве примера давайте выполним расчет площади внутреннего сечения круглого трубопровода с внутренним диаметром, равным 100 миллиметрам.

1. Радиус, очевидно, будет равным 50 мм, или 0,05 метра.
2. Площадь будет равна 3,14 х 0,05^2 = 0,00785 м2.

Обратите внимание: при расчете проходимости самотечных трубопроводов (например, бытовой канализации) актуально не полное, а так называемое живое сечение потока, ограниченное средним уровнем воды.

А – полное сечение, б – живое сечение потока в частично заполненной трубе, в – живое сечение потока в лотке.

Где взять данные о внутреннем диаметре ВГП труб, использующихся при монтаже внутренних коммуникаций зданий? Продавцами обычно указывается лишь ДУ (условный проход) и тип – легкая, обыкновенная или усиленная.

Вся нужная информация найдется в ГОСТ 3262-75, по которому эти изделия производятся.

Как на основе этой таблицы своими руками вычислить фактический внутренний диаметр?

Инструкция проста и, в общем-то, очевидна.

1. Выбираем соответствующие интересующей вас продукции ДУ и тип.
2. Вычитаем из наружного диаметра удвоенную толщину стенок.

Подсказка: онлайн-калькулятор площади поперечного сечения трубы любого типа зачастую можно найти на сайте производителя или дилеров.

Квадратная

Профильные трубы сравнительно редко используются для транспортировки жидкостей: это области приоритетного применения трубопроводов круглого сечения.

Почему?

• Круг обладает минимальной длиной стенок при максимальной площади из всех геометрических фигур. Отсюда – практическое следствие: при постоянной толщине стенок именно круглая труба будет обладать максимальной пропускной способностью. Или, иначе говоря, при фиксированной пропускной способности цена погонного метра круглой трубы будет минимальной.
• В силу этой же особенности круглая труба имеет максимальную прочность на разрыв. Давление недаром измеряется в килограммах на квадратный сантиметр: чем больше площадь стенок трубы – тем большее усилие воздействует на них при фиксированном давлении внутри трубопровода.

Тем не менее, в ряде случаев приходится рассчитывать и внутреннее сечение профтруб. В случае квадратной трубы оно равно квадрату разности наружного размера трубы и удвоенной толщины ее стенок. Так, для изделия размером 100х100 мм со стенками толщиной 4 мм расчет приобретет вид (100 – (4 х 2)) ^2 = 8464 мм2.

Приведенная схема расчета будет иметь небольшую погрешность за счет скругления углов.

Важно!
В большинстве формул используется площадь, выраженная в квадратных метрах.
Коэффициент пересчета мм2 в м2 – 1:1000000, то есть в приведенном выше случае мы получим 0,008464 м2.

Прямоугольная

Схема расчетов практически идентична описанной для квадратных профтруб. Разница лишь в том, что стенки неодинаковы; соответственно, мы перемножаем их размеры за вычетом… да-да, опять-таки удвоенной толщины стенок.

Так, для прямоугольной профтрубы размером 150х180 мм при толщине стенки 6 мм искомое значение будет равным (150 – (6 х 2)) х (180 – (6 х 2)) = 23184 мм2, или 0,023184 м2.

Для расчета нужны три параметра: оба размера и толщина стенки.

Объем

Здесь все совсем просто. Объем трубы любого типа равен произведению ее длины (погонажа) на площадь сечения. В последнем примере внутренний объем 25-метрового трубопровода будет равным 0,023184 х 25 = 0,5796 м2.

Сечение и давление

Жил да был в славном 18 веке швейцарец Даниил Бернулли. Жил он, жил да и сформулировал между делом закон, который впоследствии положил начало современной гидродинамике и был назван его именем.

Если перевести сухой язык формул на привычный нам русский, то его можно сформулировать так: скорость потока обратно пропорциональна статическому давлению жидкости или газа в нем.

С практической стороны это означает, что на переходах диаметра трубопровода поток ведет себя вопреки здравому смыслу: увеличение сечения вызывает увеличение давления, а уменьшение и связанное с ним ускорение движения жидкости или газа – рост.

Взаимосвязь между сечением трубы, скоростью потока и давлением в нем.

В наше время этот эффект широко используется в механизмах самого разного назначения.

Приведем пару самых очевидных примеров, с которыми сталкивался любой из нас.

• Главный элемент теплового узла дома – элеватор.Он представляет собой сопло, в котором струя воды с более высокими температурой и давлением из подающего трубопровода впрыскивается в объем, заполненный более холодной водой с низким давлением из обратки. Благодаря падению статического давления в струе она вовлекает часть воды из обратного трубопровода через предназначенный для этой цели подсос в повторную циркуляцию. (См. также статью Как согнуть профильную трубу: особенности.)

Принципиальная схема работы элеватора – главного элемента теплового узла дома.

• Краскопульт и аэрограф используют тот же эффект: быстрый воздушный поток за счет создающегося в нем разрежения вытягивает из бачка краситель, дробит его, превращая в аэрозоль, и осаждает на окрашиваемой поверхности.

Заключение

Надеемся, что не утомили читателя обилием цифр, формул и расчетов. Как всегда, дополнительные материалы по исследуемой нами тематике можно обнаружить в видео в этой статье. Успехов!