Kalkulator Aliran Paip

Analisis aliran paip adalah penting untuk mereka bentuk sistem paip, HVAC, dan sistem industri yang cekap.

Parameter utama termasuk:

• kadar aliran
• halaju
• susutan tekanan
• rejim aliran

Aliran laminar (Re < 2300) mudah diramal tetapi jarang berlaku dalam praktikal.

Aliran gelora (Re > 4000) adalah biasa dan memberikan pencampuran yang lebih baik.

Zon peralihan hendaklah dielakkan bagi memastikan tingkah laku sistem yang boleh diramal.

Kadar aliran isipadu bersamaan dengan luas keratan rentas dalaman paip didarabkan dengan halaju aliran purata: Q = A x v, di mana A = pi x d^2 / 4. Bagi paip bulat dengan diameter dalaman d dan halaju v, ini menjadi Q = (pi/4) x d^2 x v.

Contoh: paip 50 mm (0.05 m) yang membawa air pada 2 m/s mempunyai A = pi x 0.05^2 / 4 = 0.001963 m^2, jadi Q = 0.001963 x 2 = 0.003927 m^3/s, bersamaan dengan 3.93 L/s atau kira-kira 62 gelen AS seminit.

Sentiasa gunakan diameter dalaman sebenar, bukan saiz paip nominal, kerana ketebalan dinding mengurangkan luas aliran.

Dalam unit SI:

• kadar aliran isipadu diukur dalam meter padu per saat (m^3/s)
• halaju dalam meter per saat (m/s)
• tekanan dan susutan tekanan dalam pascal (Pa)
• diameter paip dalam meter

Pascal ditakrifkan oleh BIPM dan NIST sebagai satu newton per meter persegi (1 Pa = 1 N/m^2). Kejuruteraan praktikal lebih cenderung menggunakan liter per saat (L/s) atau gelen AS seminit (GPM) untuk aliran, kilopascal (kPa) atau bar untuk tekanan, dan milimeter untuk diameter.

Pertukaran unit yang berguna:

• 1 m^3/s = 1000 L/s
• 1 L/s = 15.85 US GPM
• 1 kPa = 1000 Pa

Nombor Reynolds dan faktor geseran Darcy adalah tanpa dimensi, jadi nilainya adalah sama dalam mana-mana sistem unit yang konsisten.

Nombor Reynolds ialah nisbah tanpa dimensi antara daya inersia dan daya pekat (viskos), dikira sebagai Re = (rho x v x d) / mu, di mana rho ialah ketumpatan cecair (kg/m^3), v ialah halaju (m/s), d ialah diameter dalaman (m), dan mu ialah kelikatan dinamik (Pa.s).

Bagi air pada suhu 20 C, rho adalah kira-kira 998 kg/m^3 dan mu adalah kira-kira 0.001002 Pa.s.

Contoh: air pada halaju 2 m/s dalam paip 50 mm memberikan Re = (998 x 2 x 0.05) / 0.001002 = 99,600.

Seperti yang dijelaskan oleh HyperPhysics Universiti Georgia State, Re di bawah 2,300 menunjukkan aliran laminar, di atas 4,000 menunjukkan aliran gelora, dan julat di antaranya adalah peralihan dan sukar diramal.

Susutan tekanan daripada geseran paip ditentukan melalui persamaan Darcy-Weisbach: delta_P = f x (L/d) x (rho x v^2 / 2), di mana f ialah faktor geseran Darcy, L ialah panjang paip (m), d ialah diameter (m), rho ialah ketumpatan (kg/m^3), dan v ialah halaju (m/s). Keputusannya adalah dalam unit pascal.

Kehilangan turus diperolehi secara langsung sebagai h_f = f x (L/d) x (v^2 / 2g), dengan g = 9.80665 m/s^2 (nilai graviti standard yang ditakrifkan oleh NIST).

Faktor geseran bergantung pada nombor Reynolds dan kekasaran relatif; bagi aliran laminar f = 64/Re, manakala aliran gelora menggunakan persamaan Colebrook atau carta Moody.

Encyclopaedia Britannica mencatatkan bahawa hubungan ini menjadi asas kepada hampir semua rekaan paip hidraulik.

Faktor geseran Darcy (f) mengukur rintangan terhadap aliran daripada kekasaran dinding paip dan ricihan kelikatan.

Bagi aliran laminar (Re < 2,300), ia adalah tepat: f = 64/Re. Bagi aliran gelora, ia bergantung pada nombor Reynolds dan kekasaran relatif (epsilon/d) dan diselesaikan secara tersirat menggunakan persamaan Colebrook-White, atau dibaca daripada carta Moody.

Kekasaran mutlak berbeza mengikut bahan:

• Bahan licin seperti kuprum teritar dan PVC mempunyai kekasaran mutlak yang sangat rendah (kira-kira 0.0015 mm dan 0.0015-0.007 mm)
• keluli komersial adalah sekitar 0.045 mm
• besi tuang kira-kira 0.26 mm
• konkrit 0.3-3 mm

Paip yang lebih kasar meningkatkan f dan seterusnya meningkatkan susutan tekanan untuk aliran yang sama, itulah sebabnya pemilihan bahan adalah sama pentingnya dengan diameter.

Untuk menentukan saiz paip, susun semula Q = (pi/4) x d^2 x v untuk mencari diameter: d = sqrt(4Q / (pi x v)). Pilih halaju sasaran terlebih dahulu, biasanya 1-2 m/s (3-6 ft/s) untuk air bagi mengimbangi kerugian geseran dengan kebisingan dan hakisan.

Contoh: untuk membawa 5 L/s (0.005 m^3/s) pada 1.5 m/s, d = sqrt((4 x 0.005) / (pi x 1.5)) = sqrt(0.004244) = 0.0651 m, kira-kira 65 mm, jadi anda perlu memilih saiz piawai berikutnya yang lebih besar.

Disebabkan penurunan tekanan berkadar kira-kira dengan 1/d^5 pada aliran tetap, mengurangkan diameter separuh akan mendarabkan kerugian geseran sebanyak kira-kira 32 kali ganda, menjadikannya penentuan saiz yang betul sebagai keputusan reka bentuk yang paling penting.

Analisis aliran paip digunakan dalam pelbagai disiplin:

• Tukang paip dan jurutera bangunan menentukan saiz talian bekalan dan saliran untuk memenuhi permintaan lekapan tanpa kebisingan melampau atau tukulan air (water hammer), mengikut kod yang dimaklumkan oleh ASHRAE.
• Pereka HVAC mengira aliran air berdingin dan gelung hidronik untuk menyampaikan pemindahan haba berkadar.
• Jurutera perbandaran memodelkan rangkaian pengagihan air dan pembetung untuk tekanan yang mencukupi dan halaju pembersihan kendiri.
• Loji proses dan kimia menggunakannya untuk pemilihan pam, penentuan saiz injap, dan sistem pelepasan keselamatan, selalunya merujuk kepada metodologi Crane Technical Paper 410.
• Jurutera perlindungan kebakaran menentukan saiz paip utama pemercik untuk aliran dan tekanan baki yang diperlukan oleh piawaian NFPA.

Dalam setiap kes, anggaran halaju dan susutan tekanan yang betul menghalang prestasi buruk dan pembaziran tenaga pengepaman.

Sifat bendalir mengubah nombor Reynolds dan penurunan tekanan walaupun halaju ditetapkan pada kadar sama. Ketumpatan (rho) menetapkan penggal inersia rho x v^2 / 2 dalam persamaan Darcy-Weisbach, manakala kelikatan dinamik (mu) mengawal rintangan lekit dan faktor geseran.

Air pada suhu 20 C mempunyai rho kira-kira 998 kg/m^3 dan mu kira-kira 0.001002 Pa.s; memanaskannya ke 60 C mengurangkan kelikatan kepada sekitar 0.000466 Pa.s, meningkatkan nombor Reynolds dan menolak aliran lebih jauh ke dalam rejim gelora.

Bendalir pekat seperti minyak SAE 30 mempunyai kelikatan yang jauh lebih tinggi, jadi ia mungkin kekal laminar pada kelajuan di mana air berada dalam keadaan gelora.

Gas seperti udara boleh dimampatkan dan jauh kurang tumpat, memerlukan andaian berbeza untuk pengiraan halaju tinggi atau jarak panjang.

Beberapa kesilapan biasa kerap berlaku semasa mengira aliran paip:

• Kesilapan yang sering berlaku ialah menggunakan saiz paip nominal dan bukannya diameter dalaman sebenar; ketebalan dinding boleh mengurangkan luas aliran sebanyak 10 peratus atau lebih, menjejaskan Q = A x v.
• Satu lagi ialah mencampuradukkan sistem unit, seperti memasukkan milimeter ke dalam formula yang memerlukan meter, yang menjejaskan luas dan nombor Reynolds.
• Ramai pengguna mengguna pakai formula laminar f = 64/Re pada aliran gelora, atau mengabaikan kelengkapan dan siku paip yang menambah kerugian minor di atas geseran paip lurus.
• Menganggap sifat bendalir dimalarkan manakala suhu berubah juga menjejaskan nombor Reynolds dan penurunan tekanan.
• Akhir sekali, sesetengah orang terlupa bahawa penurunan tekanan berkadar dengan kuasa dua halaju dan berkadar songsang dengan diameter kuasa lima, jadi perubahan dimensi yang kecil memberi kesan yang sangat besar.

Sentiasa sahkan input dan unit sebelum mempercayai keputusan.