Как рассчитать площадь поперечного сечения трубы

Проведение расчетов

Следовательно, объем рассчитывается путем умножения площади внутреннего сечения трубы на ее длину.

Сечение трубопроводов чаще всего имеет форму круга, площадь которого равна произведению квадрата радиуса на число π = 3,14. Или, как вариант, произведению π на квадрат диаметра, поделенный на 4. Формула объема цилиндра (в нашем случае — воды) выглядит так:

Таким образом, объем воды в трубе равен произведению площади сечения на длину трубы в метрах. Полученная величина покажет количество воды в м3.

Рассмотрим, как рассчитать объем трубы не в кубометрах, а в литрах. Для расчета надо умножить ее объем на 1000, именно столько литров вмещает один кубометр. Можно сразу считать объем трубопровода в литрах, но для этого надо все измерения длины производить в дециметрах, площадь трубы также надо считать в квадратных дециметрах. Это неудобно и наверняка внесет путаницу, поэтому проще найти кубометры и умножить их на 1000. Посчитать объём трубы в м3 поможет рассмотренная формула или онлайн-калькулятор, которых много в сети Интернет. Все они действуют по единому принципу — в пустые графы надо внести свои данные, нажать кнопку, и система мгновенно выдаст правильный результат.

Площадь поперечного сечения

S = 0,785 × D2

При этом ситуация будет выглядеть несколько сложнее, чем это представляется поначалу. Дело в том, что для расчета нужен внутренний диаметр, который измеряется обычным штангенциркулем. Как найти объем жидкости, если неизвестна толщина стенок трубы, а доступен только наружный диаметр.

Если возможности измерить внутренний диаметр нет, то приходится либо использовать предполагаемое значение, либо делать два (или более) расчета, из которых выбирать наиболее подходящее значение.

Толщина стенок может составлять один или два миллиметра, для изделий большого диаметра толщина может быть до 5 мм. При большой длине объем трубопровода с толстыми стенками значительно отличается от объема тонкостенных труб. В некоторых ситуациях важно найти точное значение, например, рассчитывая количество теплоносителя в системе теплого пола, отопительном контуре дома

Для тех, кто затрудняется, как посчитать площадь трубы, создан онлайн-калькулятор (и не один). Его легко отыскать в сети Интернет и, подставляя в окошечки программы собственные данные, легко и быстро получить необходимые значения.

Сколько жидкости в системе

Рассмотрим, как посчитать количество воды или иной жидкости во всей системе. Самый простой вариант — вычислить площадь сечения и умножить ее на суммарную длину трубопровода. Однако систем, состоящих из одних только труб, не бывает. Кроме того, трубопроводы тоже разные, что способно изменить искомое значение в большую или меньшую сторону.

• трубопроводы;
• радиаторы, конвекторы или иные нагревательные приборы;
• задвижки, шаровые краны, прочая запорная аппаратура.

Если речь идет о системе частного дома, то в расчет придется принимать дополнительные элементы:

• котел отопления;
• расширительный бак;
• система теплого пола (если она есть);
• коллектор отопления, регулировочный узел;
• фитинги, переходники и прочие дополнительные элементы.

Таким образом рассчитывается вместимость всех участков трубопроводов. Внутреннюю емкость фитингов можно найти в сети или вычислить самостоятельно.

Для узлов регулировки, коллекторов и прочих приборов данные указываются в документации: техническом паспорте, руководстве пользователя или иных сопроводительных документах. Объем всей системы является суммой габаритов всех ее элементов.

Внутренний объем

Существенно облегчает расчет расчет объема воды в 1 метре трубы таблица, приведенная ниже. Она содержит параметры трубопроводов и объемы 1 и 10 погонных метров. Значения приведены именно в литрах, поскольку большинство проблем возникает именно на стадии перевода кубометров в литры. Вместо того, чтобы мучиться с калькулятором и считать количество воды в 1 погонном метре, таблица сразу выдает нужное значение, необходимо лишь измерить внутренний диаметр. Если это сделать невозможно, система собрана и уже функционирует, то можно вычесть из имеющегося диаметра 2 или 4 мм и найти необходимое значение.

Из таблицы можно получить данные о всех существующих типоразмерах труб с внутренним диаметром от 4 до 1000 мм. Это самые распространенные варианты, а другие вряд ли могут понадобиться. Данные достаточно точны, и могут обеспечить вполне качественный подсчет параметров системы или отдельной трубы.

Как рассчитать площадь сечения дымовой трубы?

Существует несколько методик расчета оптимального сечения. Например, от размеров топочной камеры очага или от площади поддувального окна печи

Но в этой публикации внимание будет сконцентрировано на той методике, которая основана на оценке объема образующихся в процессе сгораний дымовых газов

Горение древесины и другого твёрдого топлива всегда сопровождается весьма значительным дымообразованием. И дымоходная труба должна быть в состоянии своевременно отводить эти объемы наружу.

На основе расчётов и опытов специалистами давно уже составлены таблицы, из которых можно получить информацию об удельном дымообразовании для разных типов твердого топлива. То есть какой объем продуктов сгорания образуется при сжигании, скажем, одного килограмма дров, угля, торфа и т.п.

Приведем и мы такую таблицу (в сокращенном варианте). В ней, помимо удельного дымообразования, показаны калорийность топлива (количество тепла, выделяемого при сжигании одного килограмма) и примерная температура продуктов сгорания на выходе из дымоходной трубы. Первая из указанных характеристик нас в заданный момент особо не интересует — просто дает общее представление об эффективности топлива. А вот температура, да, понадобится для расчетов.

Тип топлива	Удельная калорийность топлива, кКал/кг, усредненно	Удельный объем выделяемых продуктов сгорания от сжигания 1 кг, м³	Рекомендуемая температура на выходе из дымохода, °С
Дрова со средним уровнем влажности — 25%	3300	10	150
Торф кусковой (россыпью), воздушной просушки, со средним уровнем влажность не выше 30%	3000	10	130
Торф — брикеты	4000	11	130
Уголь бурый	4700	12	120
Уголь каменный	5200	17	110
Антрацит	7000	17	110
Пеллеты или древесные топливные брикеты	4800	9	150

Как видите, объемы впечатляют. Даже дающие минимальную дымность типы топлива – это уже около 10 кубометров на каждый сожженный килограмм. Значит, просто из соображений физики и геометрии сечение дымоходного канала должно быть в состоянии постоянно отводить эти немалые объемы наружу.

От этого и «пляшем» при расчёте.

Цены на дымовую трубу

дымовая труба

Объем продуктов сгорания, выделяемых при сжигании твёрдого топлива в течение часа можно определить по следующей формуле (с учетом температурного расширения газов).

Vgч = Vуд × Мтч × (1 + Тд/273))

Vgч — объем продуктов сгорания, образующийся в течение часа.

Vуд — удельный объем образующихся продуктов сгорания для выбранного типа топлива, м³/кг (из таблицы).

Мтч — масса топливной закладки, сгораемой в течение одного часа. Обычно находится отношением полной топливной закладки ко времени ее полного прогорания. Например, в печь загружается разом12 кг дров, и они прогорают за 3 часа. Значит, Мтч = 12 / 3 = 4 кг/час.

Тд — температура газов (℃) на выходе из дымоходной трубы (из таблицы).

273 — константа, для приведения температурных параметров к шкале Кельвина, использующейся в термодинамических расчетах.

Так как единица времени в нашей системе исчисления —  секунда, то узнать объем, получающийся за секунду, несложно – результат просто делится на 3600:

Vgс = Vgч / 3600

Чтобы узнать площадь сечения канала, который гарантированно пропустит через себя этот объем при определенной скорости движения газов, надо найти их отношение

Sc = Vgс / Fд

Sc — площадь поперечного сечения канала дымохода, м².

Fд — скорость потока газов в дымоходной трубе, м/с

Несколько слов об этой скорости. Для отопительных приборов и сооружений бытового класса обычно стремятся остановиться в диапазоне от 1,5 до 2.5 м/с. При такой, с одной стороны – невысокой скорости не наблюдается значительного сопротивления потоку, не возникает сильных завихрений, тормозящих движение газов. Минимизируются тепловые потери, снижается до нормальных величин температура газов на выходе из трубы. Вместе с тем, скорость в достаточной степени большая для того, чтобы уменьшить образование конденсата и оседание золы на внутренних стенках канала.

Если найдено сечение (а это – минимальная его величина), то по известным геометрическим формулам можно найти или диаметр для трубы круглого сечения, или длину стороны – при квадратном сечении, или подобрать длины сторон при прямоугольном.

Ниже предложен калькулятор, который до предела упростит проведение этих вычислений. В нем необходимо указать тип топлива, примерный расход его расход (точнее, массу и время прогорания полной загрузки) и ожидаемую скорость потока газов в дымоходе. Остальное программа выполнит сама.

Итоговый результат показывается в трех представлениях:

— минимальный диаметр для круглого сечения;

— минимальная длина стороны для квадратного сечения;

— площадь сечения, по которой можно, например, подобрать размеры сторон для прямоугольного сечения.

Как произвести расчет?

Рассчитываем сечение

Определение сечения трубы является несложной геометрической задачей. Для этого следует для начала воспользоваться формулой площади круга:

Sн= π Rн^2, (1)

где Rн – наружный радиус трубы, равен половине наружного диаметра.

Таким образом, мы определим площадь круга, образованного наружным диаметром.

Теперь определим площадь круга, образованного внутренним диаметром трубы. Для этого необходимо определить внутренний радиус, который определяется по следующей формуле:

Rвн=Rн-?, (2)

где? – толщина стенки трубы.

Определив площадь внутреннего круга Sве аналогично формуле (1), рассчитаем площадь сечения по формуле:

Sсеч=Sн?-S?вн.

Все действия можно свести в упрощенную формулу определения площади сечения:

Sсеч=? (?D_н/2?^2- ??/2?^2).

В качестве примера определим площадь сечения, внешний диаметр которого равен 1 метру, а толщина стенки – 10 мм.

Sсеч=3,14 (?1/2?^2- ?0,01/2?^2)=0,75 м^2.

Производим расчет площади внешней поверхности

Такой расчет также является геометрической задаче. Если развернуть трубу, то получится прямоугольник. Его ширина равна длине окружности внешней стенки трубы, а длина – длине.

Тогда площадь развертки трубы будет вычисляться по формуле:

S=? D_н L_тр,

где Lтр – длина трубы.

В качестве примера рассчитаем площадь поверхности под окраску теплотрассы, длина которой составляет 10 км, а внешний диаметр – 1 метр.

S=3,13 1 10000=31416 м^2.

Если говорить о количестве теплоизоляционного материала, то при подсчете следует учесть толщину слоя минеральной ваты.

Тогда формула примет вид:

S=? ?(D?_н+?2 ??_(в)) L_тр,

где?_в-толщина слоя минеральной ваты.

В действительности материала для теплоизоляции будет потрачено меньше, так как он накладывается в внахлест.

Производим расчет площади внутренней поверхности

Для начала необходимо определиться, для чего такой расчет следует проводить. Чаще всего он нужен при расчете гидродинамики движения теплоносителя в трубе. Внутренняя поверхность трубы является местом, где вода при её движении соприкасается с трубой. Таким образом, возникает гидравлическое сопротивление, которое необходимо учитывать при расчете сети коммуникации.

Необходимо помнить ряд следующих нюансов:

• При увеличении диаметра трубопровода снижается гидравлическое трение теплоносителя о стенки труб. Поэтому при большом диаметре и длине водопровода гидравлическое сопротивление трубы потоку воды можно не учитывать.
• Качество поверхности, её шероховатость, оказывает большое значение на величину гидравлического сопротивления. При этом такое влияние сильнее, чем зависимость сопротивления от площади поверхности внутренней стенки трубопровода. Так, полиэтиленовая труба обладает меньшей шероховатостью нежели ржавая металлическая. Поэтому величина гидравлического сопротивления в пластиковой трубе будет меньшей.
• Если в качестве материала для изготовления трубы применяется неоцинкованная сталь, то площадь поверхности внутренней стенки меняется во времени. На стенках такого трубопровода постепенно откладываются ржавчина и минеральные отложения. Как результат – происходит уменьшение внутреннего диаметра трубы и увеличение величины гидравлического сопротивления. Такой эффект необходимо учитывать при проектировании водопровода из стали.

S=? ?(D?_н-2 ?) L_тр.

В качестве примера рассчитаем трубу, диаметр которой равен одному метру, а толщина стенки – 10 мм.

S=3,14 (1-2 0,01) 10000=30788 м^2.

Заключение

Итак, приведенные в статье расчеты не являются сложными и доступны любому человеку. Они пригодятся при проектировании собственного трубопровода. Чтобы возведенная коммуникация соответствовала ожиданиям о её работоспособности, предложенные расчеты следует производить в обязательном порядке.

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.

Расчет пропускной способности канализационных труб

При проектировании канализационной системы нужно в обязательном порядке рассчитывать пропускную способность трубопровода, которая напрямую зависит от его вида (канализационные системы бывают напорными и безнапорными). Для осуществления расчетов используются гидравлические законы. Сами расчеты могут проводиться как при помощи формул, так и посредством соответствующих таблиц.

Для гидравлического расчета канализационной системы требуются следующие показатели:

• Диаметр труб – Ду;
• Средняя скорость движения веществ – v;
• Величина гидравлического уклона – I;
• Степень наполнения – h/Ду.

Скорость и предельный уровень наполнения бытовой канализации определяются по таблице, которую можно выписать так:

1. 150-250 мм — h/Ду составляет 0,6, а скорость – 0,7 м/с.
2. Диаметр 300-400 мм — h/Ду составляет 0,7, скорость – 0,8 м/с.
3. Диаметр 450-500 мм — h/Ду составляет 0,75, скорость – 0,9 м/с.
4. Диаметр 600-800 мм — h/Ду составляет 0,75, скорость – 1 м/с.
5. Диаметр 900+ мм — h/Ду составляет 0,8, скорость – 1,15 м/с.

Для изделия с небольшим сечением имеются нормативные показатели минимальной величины уклона трубопровода:

• При диаметре 150 мм уклон не должен быть менее 0,008 мм;
• При диаметре 200 мм уклон не должен быть менее 0,007 мм.

Для расчета объема стоков используется следующая формула:

q = a*v,

Где а – площадь живого сечения потока;

v – скорость транспортировки стоков.

Определить скорость транспортировки вещества можно по такой формуле:

v= C√R*i,

где R – величина гидравлического радиуса,

С – коэффициент смачивания;

i – степень уклона конструкции.

Из предыдущей формулы можно вывести следующую, которая позволит определить значение гидравлического уклона:

i=v2/C2*R.

Чтобы вычислить коэффициент смачивания, используется формула такого вида:

С=(1/n)*R1/6,

Где n – коэффициент, учитывающий степень шероховатости, который варьируется в пределах от 0,012 до 0,015 (зависит от материала изготовления трубы).

Значение R обычно приравнивают к обычному радиусу, но это актуально лишь в том случае, если труба заполняется полностью.

Для других ситуаций используется простая формула:

R=A/P,

Где А – площадь сечения потока воды,

Р – длина внутренней части трубы, находящейся в непосредственном контакте с жидкостью.

Методики расчета

Расчет сечения

Собственно, задача-то из геометрии средних классов. Нам нужно рассчитать площадь круга, диаметр которого равен наружному диаметру трубы за вычетом толщины ее стенок.

Площадь круга, как мы помним, рассчитывается как S = Pi R^2.

Таким образом, рассчитывающая площадь сечения трубы формула имеет вид S=Pi*(D/2-N)^2, где S — площадь внутреннего сечения трубы, Pi — число «пи», D — наружный диаметр трубы, а N — толщина стенки трубы. Диаметр, как мы помним — это два радиуса.

Итак, считающая площадь поперечного сечения трубы формула перед нами. Давайте воспользуемся ей на примере очередного сферического коня в вакууме — горячекатаной бесшовной трубы внешним диаметром 1 метр и со стенками толщиной 10 мм.

S=3.14159265*(1/2-0,01)^2=0,754296 м2.

От точного подбора сечения трубы порой очень многое зависит

Площадь внешней поверхности трубы

И это тоже задача сугубо геометрическая. Как посчитать площадь поверхности трубы снаружи?

А как найти в общем случае площадь стенок цилиндра?

Поверхность цилиндра — это, в сущности, прямоугольник, одна сторона которого — длина окружности цилиндра, а вторая — длина самого цилиндра. Так?

Длина окружности, как мы помним, равна Pi*D, где Pi — число Пи, а D — диаметр трубы.

Как рассчитать площадь прямоугольника? Необходимо его длину умножить на ширину.

Площадь заветного прямоугольника будет такой: S=Pi*D*L, где Pi — старое доброе число Пи, D — диаметр трубы, а L — ее длина.

Для теплотрассы диаметром в один метр при ее длине в десять километров площадь окраски труб будет равной: 3,14159265*1*10000=31415,9265 м2. Теплоизоляции понадобится чуть больше: она имеет толщину, отличную от нуля, к тому же труба заворачивается в минеральную вату с перехлестом полотен.

И здесь точный расчет площади поверхности был необходим

Площадь внутренней поверхности трубы

Зачем внутренняя поверхность? Неужели трубы красят изнутри?

Нет, площадь внутренней поверхности может пригодиться при гидродинамических расчетах. Это площадь поверхности, с которой контактирует вода при движении по трубам.

Есть несколько связанных с этой площадью нюансов:

• Чем больше диаметр трубы для водопровода — тем меньше влияние шероховатости ее стенок на скорость потока в ней. Для трубопроводов большого диаметра при небольшой протяженности сопротивлением трубы можно полностью пренебречь;
• Для гидродинамических расчетов шероховатость поверхности имеет не меньшее значение, чем ее площадь. Ржавая внутри стальная водопроводная труба и идеально гладкая полипропиленовая очень по разному влияют на скорость потока;
• Трубы из неоцинкованной стали имеют, так сказать, непостоянную площадь внутренней поверхности. Они со временем зарастают ржавчиной и минеральными отложениями, в результате чего просвет сужается. Если вам придет в голову странная фантазия изготовить из стали водопровод холодного водоснабжения — этим фактом нельзя пренебрегать, поскольку проходимость водопроводной трубы может упасть вдвое уже за десять лет.

Зарастание стальной неоцинкованной трубы приходиться учитывать при расчете водопровода

Ну а что с формулой? Она проста. Диаметр цилиндра в этом случае, как легко догадаться, равен разности диаметра и удвоенной толщины стенок трубы.

Раз так — площадь стенок цилиндра приобретает вид S=Pi*(D-2N)*L, где D — по-прежнему диаметр трубы, N-толщина ее стенок, а L — протяженность.

Для теплотрассы длиной в 10 километров из трубы диаметром 1 метр со стенками толщиной 10 мм площадь внутренней поверхности окажется равной: 3,14159265*(1-2*0,01)*10000 = 30787,60797 м2.

Условные диаметры труб

ГОСТ 28338-89 чётко регламентирует параметры и маркировку всех трубных изделий, независимо от материала их изготовления. И одним из важных здесь является условный проход тубы. Условным диаметром (просветом, проходом, ДУ) называют внутренний диаметр изделия, который отличается от наружного благодаря толщине стенок изделия.

Понимая и зная величину внутреннего просвета (ДУ) тубы, можно подобрать все соединительные элементы таким образом, чтобы система водопровода (канализации и пр.) имела единый и целостный вид без риска разгерметизации.

Исходя из этого, становится ясно, что условный проход всей продукции для монтажа канализационной или водопроводной магистрали — наиболее важный параметр, который способствует сборке прямой и качественно работающей системы.

Важно: первоначально условный проход трубы маркировался литерами ДУ. Сегодня это значение определяют литерами DN

Отметим, что чаще всего размерные параметры сборных элементов из чугуна или стали маркируются по внутреннему диаметру (условному просвету/ДУ), в то время как прокат из полимеров, меди и иногда стали маркируют по внешнему диаметру.

Размерная сетка трубного проката

Все производимые тубы на современном и в зарубежном производстве изготавливаются в соответствии с размерным рядом, который насчитывает 49 вариантов. При этом диаметр (ДУ) изделий варьируется от 2,5 мм до 4000 мм.

Стоит отметить, что всего лишь три типа туб из всей размерной сетки можно использовать для монтажа гидравлических и пневматических магистралей. Таковыми являются элементы диаметром 16, 63 и 160 мм. Есть также пять типов отрезов круглого сечения, которые не используются в качестве трубной арматуры общего назначения. Это шланги диаметром 0,175 м, 2,6 м, 3,2 м, 3,6 и 3,8 м.

Подобные исключения свидетельствуют о том, что ГОСТ 28338-89 имеет четкий регламент для 40 стандартных и 8 специализированных габаритов трубного проката.

Определение маркировки

Согласно установленных норм и стандартов сегодня условный проход обозначается литерами DN (ранее ДУ), а величина просвета маркируется в мм. Таким образом, если перед нами будет лежать туба с маркировкой DN150, это вовсе не значит, что её внутренний просвет равен этой величине. Такой маркировкой могут отмечать элементы с наружным и внутренним диаметрами 156/149 или элементы с наружным и внутренними сечениями 156/144 мм. Согласно таблице допустимых условных значений в ГОСТ 28338-89 и показатель 144 и показатель 149 мм округляют до условного сечения 150 мм.

А чтобы точно высчитать диаметр условного прохода для трубопровода, можно воспользоваться формулой:

В формуле значение Д(вн) означает внешний диаметр элемента круглого сечения. S — толщина его стенки.

К примеру, имеем отрез сечением DN110 мм с толщиной стенок 6 мм. Необходимо 110 отнять (6х2). Получим точный просвет труб, равный 98 мм.

Условные диаметры для труб из стали

Стальной металлопрокат имеет условные просветы, которые формируются в зависимости от способа производства элементов. Поэтому имеется таблица условных значений, которые сведены к следующим значениям:

• Для туб, изготовленных при использовании технологии горячего проката — 20-500 мм (в соответствии с ГОСТ 8732-78);
• Если изделия были произведены при использовании технологии холодного проката — значения сужаются до 5-250 мм (по ГОСТ 8734-75);
• Сварные тубы с наличием продольного шва — 10-1400 мм (в соответствии с ГОСТ 10704-91);
• Для сварных трубных элементов со швом в виде спирали — 160-2400 мм (ГОСТ 8696-74).

Важно: весь стальной металлопрокат имеет 38-значную размерную сетку с условными числовыми значениями для каждого диаметра. Кроме того, среди ассортимента стальных изделий имеются тубы с четырьмя специальными просветами, которые используются для пневматических и гидравлических магистралей

Условные значения диаметров для труб из полимеров

Параметры полимерных элементов для магистрали (трубопровода) круглого сечения регламентируются ГОСТ 18599-2001, где чётко прописано, что ассортимент изделий может выполняться в 32 типоразмерах. Их диапазон в размерном ряду составляет 10-1600 мм.

При этом все 32 типа размерного ряда пластиковых изделий дополнительно делят на четыре группы по толщине стенки изделия. Та, в свою очередь варьируется в диапазоне 2-70 мм. Сопротивляемость давлению внутри тубы для полимерных прокатов может быть в пределах 0,16-2 МПа.

Таким образом, понимая внутренний условный диаметр каждого элемента, можно максимально точно спроектировать магистраль (трубопровод), определив её внутреннее давление и пропускную способность сети.