11

Gasilska zveza Mežiške doline

Tečaj za strojnikemarec 2010

HIDROMEHANIKA

Mirko Paradiž

22

Vsebina tečaja

1.0. Aerostatika

-Kaj je pritisk

-Enote za pritisk

-Naprave za merjenje pritiska

-Kaj je podtlak

- Zrak in zračni pritisk

33

Vsebina tečaja

2.0. Hidrostatika

- tekočine

- voda kot najbolj razširjena tekočina

- hidrostatični pritisk

- zakon veznih posod

- višina vodnega stebra

- vpliv toplote na vodo

44

Vsebina tečaja

3.0. HIDRODINAMIKA

- Kaj je pretok

- Enačba kontinuitete

- Bernoulijeva enačba

- Impulzni stavek

- Ejektorski učinek

- Upori pretakanja tekočin

- Hidraulični udar

- Piezometrična črta

55

Vsebina tečaja

4.0. UPORABA V GASILSTVU

- Padec pritiska pri pretakanju

- Delovanje ročnika za gašenje

- Pretok vode skozi ročnik

- Kaj je sesalna višina

- Dobavna količina motorne črpalke

66

1.1. PRITISK

• Pritisk je stanje v katerem se nahaja snov. Brez

snovi ni pritiska.

• Imenujemo ga tudi tlak, presure, druck

• Mednarodni znak za pritisk je “p”

• P=F / A

F ….. Sila s katero deluje telo na ploskev

A …..Površina ploskve na katero deluje sila

7

F

A

p

A

A

F

F

p

88

ENOTE ZA PRITISK

• Enote v uporabi

- 1Pa (Paskal)=1 N/m2

- 1Pa (Paskal)=10-5 bar, 1bar=100 000Pa

- 1bar=1,0197 at

- 1bar=0,9868 atm

- 1N/mm2= 106 Pa

• Enote, ki niso več v uporabi

- 1 kp/cm2=1at=0,98 105 Pa

- 1 mmWS=9,8 Pa

- 1 torr=1 mm Hg,

- 1atm=760 torr

9

ATMOSFERSKI TLAK

• Pritisk zraka

1 atm =pritisk zraka na morski gladini pri 15oCin povprečni vlažnost

• Vakum je stanje brez pritiska (0 bar, 0 atm)

• Pritisk zraka in temperatura z nadmorsko višino padata:

0 km 15,0oC 1,00 atm

1 km 8,5oC 0,89 atm

2 km 2,0oC 0,78 atm

8 km -37,0oC 0,35 atm

1010

-12

10-9

10-6

10-3

100

103

106

109

1012

1015

[Pa]

t

l

a

k

najboljši vakuum ustvarjen na Zemlji

središče Sonca

središče Zemlje

najvišji tlak dosežen v laboratoriju

atmosferski tlak

krvni tlak (tlak

nad atm. tlakom)

11

MANOMETRI

• Manometer imenovan

“Burdonova cev”

V spiralo zvita cev je

napolnjena s tekočino

pod pritiskom, ki želi

cev izravnati.

• Manovakummetri so

naprave zamerjenje

podtlaka

12

manometer

p

p

p0

nivo 1

nivo 2

h

p p gh0

p p p gh0

razlika tlakov

višinska razlika

med gladinama

Princip merjenja pritiska

13

Hidrostatični tlak

• Ali tlak mirujočih tekočin

• p= po+ρ gh (Pa)ali MWS

h…višina vodnega stebra v m

ρ ….specifična gostota

Voda ……1 kg/dm3

zrak…….1,2 kg/m3

živo srebro 13,6 kg/dm3

Olje ……… 0,8 kg/dm3

g=zemeljski pospešek =9,81 m/s2

p0

h

1414

Pritisk v mirujočih tekočinah

– Pritisk v mirujočih

tekočinah je enak v

vsakem delu posode in

deluje v vseh smereh v

vsaki točki tekočine.

Pritisk nima smeri,saj

deluje v vseh smereh.

– Pritisk v tekočini

povzročajo zunanje sila,

pritisk tekočine pa po

zakonu akcije in reakcije

deluje na stene posode.

A1

p

F2 F1A2

15

ZAKON VEZNIH POSOD

• Vezna posoda

Posodo, ki ima med seboj povezana dva ali več krakov, imenujemo vezna posoda. Če v odprto vezno posodo nalijemo tekočino, je nivo v vseh krakih vezne posode enak.

16

PASCALOVO NAČELO

S1 S2

F1

F2 … sila tekočine na bat

FB… sila bremena na bat

bat je v ravnovesju:

F2 = FB

tlak pod levim batom se poveča:

pF

S1

1

Pascal poveča se tlak pod drugim

batom:p

FS

2

2

17

PRETOK TEKOČINE

• Pretok je količina tekočine, ki steče skozi presek v časovni enoti

• Znak za pretok je Q

• Q=V/t

• Q=A x v• V… volumen v m3

• t……čas v s

• A……presek cevi v m2

• v…...hitrost pretakanja

v m/s

Enota za pretok: m3/s

v1Q

v2

p1

p2

s1

A1A2

18

Kontinuiteta pretoka

• Pretok skozi zaprto cev

se ne spreminja

• Zmanjšanje preseka

pomeni istočasno

povečanje hitrosti

Q1= Q2

A1x v1 =A2 x v2

19

Energijska enačba za tekočine

• Imenuje se tudi Bernoullijeva enačba

• p1+ρgz1+ ρv12/2 =p2+ ρgz2+ ρv2

2/2

• Vsota energij se ohranja. To pomeni,

Da je vsota energij v točki 1 enaka vsoti

energij v točki 2.

• Wp…potencialna energija = ρgh

• Wt …tlačna energij = p

• Wk …kinetična energija = ρv2/2

20

x

y

BERNOULLIJEVA ENAČBA

t

t+ t

x

y

L

p1

v1

V

V

p2

v2

y2

y1

zakon o ohranitvi

energije:

p v gy1 1

2

1

1

2

p v gy2 2

2

2

1

2

p v gy1

22 konst

21

Ventourijeva cev

• Ker se presek cevi na mestu

A2 zmanjša, se poveča

hitrost tekočine.

• Zaradi večje hitrosti se na

tem mestu zmanjša pritisk v

tekočini.

• Zmanjšanje je lahko tako

veliko, da pride do sesanja.

22

Injektorski učinek

• Zaradi povečanja hitrosti skozi

šobo (večja kinetična energija) se

je zmanjšal na tistem mestu statični

pritisk, kar povzroči da se plin iz

okolice, ki je pod večjim pritiskom

vdre v curek tekočine.

• To je princip delovanja vodne

črpalke

• Injektorski učinek se koristi za:

• Medmešalce

• Ročnike za peno

• Injektorske sesalke pri MB

23

p0

p1

24

Impulzni stavek

• Pretok tekočine ob vsaki

spremembi smeri povzroči

silo na oviro, ki mu

spreminja smer

• F=ρQv(cosβ1+ ρQv(cosβ2)

• Tako se lahko izračuna sila,

ki hoče poravnati ukrivljene

cevi.

Fv1

v2

ß2

ß1

25

Pretočni upor tekočine

• Zaradi trenja med steno cevi in

tekočino prihaja do upora v cevi

in s tem izgube pritiska

• Sila upora:

F=η*S*v/d

• Izguba tlaka

Δp=λ*l*ρ*v2/di

λ…torni koeficient tekočin

l…dolžina cevi

di….premer cevi

p0

p0

26

Laminarni in turbulentni tok

• Laminarni tok ima vzporedne namišljene

tokovnice. Upor pretakanja je majhen.

• Turbulentni tok je vrtinčast, značilen za velike

hitrosti.

27

Pretočni upor tekočine

• Laminarno pretakanje tekočine je enakomerno, brez mešanja.

λlam=64/Re Re<2320Reynoldsovo število)

• Turbolentno pretakanje Re>2320

λtur=0,316/Re1/4

Tekočina se meša in vrtinči in upor pretakanja je večji

• Re=v*d/ν ν…. Kinematična vizkoznost tekočine

enota je cSt (centiStokes)

Težka olja so bolj viskozna: 40-200 cSt

28

Pretočni upor tekočine

• Podobnost z elektriko:

Q= Δp/Rp

Q…pretok

p… pritisk

R….upor

• I=U/R

I…elekt. Tok

U…napetost

29

Pretočni upor tekočine

• Padci pritiska pri pretakanju tekočin

- v cevi(ravni)

- v krivini

-v armaturah (ventilih, ročniku)

- pri dviganju na višino

• Manjša kot je hitrost pretakanja, manjši je pretok,

manjši so upori oziroma tlačne izgube.

Pretok: Hitrost(B cev) Izguba (C cev) Izguba

400 l/min 1,51m/s 0,4 bar 3,12 m/s 2,5 bar

800 l/min 3,03 m/s 1,4 bar ----- -------

30

Tlačna, sesalna in dobavna višina

• Dobavna višina je vsota

sesalne in tlačne višine

• Geodetska sesalna in tlačna

višina sta manjši od

manometrične višine za

vrednost izgub

• Teoretično je Hg,s= 10m

• Praktično je Hg,s<7,5 m

• Sesalna višina z nadmorsko

višino in tudi s temperaturo

pada

31

Trojna točka vode

• Voda ima tri agregatna stanja, ki so v eni točki

v ravnovesju

p

+°c

1,03

0,31

0,06

0,010 70° 100°

PARA

VODA

LED

32

Vpliv toplote sesalno višino

• Voda hlapi tudi pri temperaturi,ki je nižja od vrelišča

• Delni tak pare v zaprtem prostoru nad tekočino narašča dokler se nad tekočino ne ustvari nasičen parni tlak, ki je odvisen od temperature.

• Pri višji temperaturi je hlapenje intenzivnejše in ustvari se nasičen parni tlak vode, ki nasprotuje zunanjemu tlaku zato ta težje potisne vodo v sesalno cev-

• Nasičen parni tlak vode:

10oC 0,0125 bar 0,125 mVS

20oC 0,0240 bar 0,240 m

40oC 0,0750 bar 0,750 mVS

50oC 0,2000 bar 2,000 mVS

100oC 1,0300 bar 10,000 mVS

33

Praktična sesalna višina

• Nadmorska višina: 600 m

• Zračni pritisk: 941 hPa (0,941 bar)

• Temperatura vode 30oC

• Teor. sesalna višina.

pri 4 oC 941:100= 9,41 m

• Odvzem pri 30oC: - 0,43 m

• Izgube v sesalnih ceveh. - 1,38 m

• Praktična sesalna višina: 7,60 m

34

Hidraulični udar

• Kadar v cevi po, kateri se pretaka tekočina, nastopi hitra (nenadna) sprememba pretoka, pritiska ali smeri pride do hitrega in močnega porasta pritiska, ki mu pravimo hidravlični udar.

• V gasilstvu je to pogosto pri sunkovitem zapiranju zasunov, ko se pretok hipoma ustavi.

• Zato zasune zapiramo počasi. Raje uporabljamo armature z ventili.

• Kjer pričakujemo hidravlični udar ali drug porast pritiska vgradimo v sistem varnostni ventil (omejevalec pritiska)-

35

36

37

Naloge:

Pretok skozi ročnik

• Ročnik z ustnikom Φ12mm bomo uporabili za

gašenje objekta na oddaljenost 33 m.

• Kolikšen pretok vode mu moramo priskrbeti?

• L=33 m, Φ=12 mm; p=? Str 187

p=8 bar

• P=8 bar, Φ=12 mm; Q=? Str180

Q=270 l/min

38

Naloge:

Domet ročnika

• Ročnik z ustnikom Φ=16mm ima priključen manometer, ki kaže,

da ima hidrant pritisk 80 m VS.

1. Kolikšen je pretok vode skozi ročnik?

2. Kolikšna je hitrost iztekanja vode iz ročnika?

3. Kakšen je domet curka iz ročnika?

1. Φ=16mm, p=80 mVS=8 bar; Q=?, str 180

Q=480 l/min

2. v=√2gh=√ (2*10*80) =√1600 =40 m/s

3. Φ=16mm, p= 8 bar, L=?; str 187

L=38 m

39

Naloge:

Izgube pritiska v ceveh

• Črpalka dobavlja vodo pretoka 400 l/min po B

cevi dolžine 210m do trojaka in od trojaka

naprej po C cevi do ročnika.Kolikšna je izguba

tlaka v B in kolikšna v C cevi?

Q=400 l/min; B cev(75 mm)=210 m; Δp=?

Q=400 l/min; C cev(52 mm)=150 m; Δp=?

1. str.190, Δp=0,77 bar

2. str.191, Δp=3,45 bar

40

Naloge:

Obremenitev brizgalne

• Na daljavo 27 m gasimo z dvema ročnikoma d=12mm. Oba napada sta na ravnini priključena na trojak s C cevema dolžine 60m. B cev od črpalke do trojaka je dolga 210m in se dvigne za 25 m. Sesalna višina črpalke je 1,5m.

Kolikšna je dobavna količina(pretok) in kolikšna manometrična dobavna višina brizgalne?

1. L=27 m; d=12 mm; → p=5 bar

2. D=12 mm (2x); p=5 bar; → Q=2x215 l/min=430l/min

3. Δproč=5 bar; Δpb=1,04bar; Δpc=0,40bar; Δph=2,5bar

4. Δp=5,00+1,04+0,40+2,50=8,94 bar

5. Hman=89,4+1,5=90,9 mVS

41

42

43

44

45

KONEC

Hvala za pozornost