Každodenní otázky, proč čerpadla nemohou nasávat kapalinu z hloubky více než 9 metrů, mě přiměly napsat o tom článek.
Nejprve trocha historie:
V roce 1640 se v Itálii vévoda z Toskánska rozhodl nainstalovat fontánu na terasu svého paláce. Pro zásobování vodou z jezera bylo postaveno dlouhé potrubí a čerpadlo, jaké ještě nikdy nebylo postaveno. Ukázalo se ale, že systém nefunguje – voda v něm vystoupala pouze do 10,3 m nad hladinu nádrže.
Nikdo nedokázal vysvětlit, co se zde děje, dokud Galileův student E. Toricelli nenavrhl, že voda v systému stoupá pod vlivem gravitace atmosféry, která tlačí na povrch jezera. Sloupec vody vysoký 10,3 m přesně tento tlak vyrovnává, a proto voda nestoupá výše. Toricelli vzal skleněnou trubici s jedním uzavřeným koncem a druhým otevřeným a naplnil ji rtutí. Pak zavřel otvor prstem, otočil trubici a spustil její otevřený konec do nádoby naplněné rtutí. Rtuť se z trubice nevylila, ale jen trochu klesla.
Sloupec rtuti v trubici je ustaven ve výšce 760 mm nad povrchem rtuti v nádobě. Hmotnost sloupce rtuti o průřezu 1 cm2 se rovná 1,033 kg, tedy přesně se rovná hmotnosti sloupce vody stejného průřezu o výšce 10,3 m. Právě s touto silou že atmosféra tlačí na každý centimetr čtvereční jakéhokoli povrchu, včetně povrchu našich těl.
Stejně tak, když při pokusu se rtutí nalijete do zkumavky místo toho vodu, bude sloupec vody vysoký 10,3 metru. To je důvod, proč nevyrábějí vodní barometry, protože. byly by příliš objemné.
Tlak sloupce kapaliny (P) se rovná součinu gravitačního zrychlení (g), hustoty kapaliny (ρ) a výšky sloupce kapaliny:
Předpokládá se, že atmosférický tlak na hladině moře (P) je roven 1 kg/cm2 (100 kPa).
Poznámka: Skutečný tlak je 1,033 kg/cm2.
Hustota vody při teplotě 20°C je 1000 kg/m3.
Tíhové zrychlení – 9,8 m/s2.
Z tohoto vzorce je zřejmé, že čím nižší je atmosférický tlak (P), tím nižší výška může kapalina stoupat (tzn. čím výše nad hladinou moře, například v horách, tím nižší je hloubka, ze které může čerpadlo nasávat).
Z tohoto vzorce je také zřejmé, že čím nižší je hustota kapaliny, tím větší hloubku ji lze odčerpat a naopak s vyšší hustotou se bude hloubka sání zmenšovat.
Například stejnou rtuť lze za ideálních podmínek zvednout z výšky nejvýše 760 mm.
Předvídám otázku: proč výpočty vedly ke sloupci kapaliny o výšce 10,3 m, ale čerpadla sají pouze z 9 metrů?
Odpověď je celkem jednoduchá:
– za prvé, výpočet byl proveden za ideálních podmínek,
– za druhé, žádná teorie nedává absolutně přesné hodnoty, protože empirické vzorce.
– a za třetí, vždy dochází ke ztrátám: v sacím potrubí, v čerpadle, v přípojkách.
Tito. U běžných vodních čerpadel není možné vytvořit podtlak dostatečný k tomu, aby voda vystoupala výše.
Jaké závěry lze tedy z toho všeho vyvodit:
1. Čerpadlo nenasává kapalinu, ale pouze vytváří podtlak na svém vstupu (t.j. snižuje atmosférický tlak v sacím potrubí). Voda je vtlačena do čerpadla atmosférickým tlakem.
2. Čím větší je hustota kapaliny (například s vysokým obsahem písku), tím nižší je sací výška.
3. Sací výšku (h) můžete vypočítat tak, že budete vědět, jaké vakuum čerpadlo vytváří a hustotu kapaliny pomocí vzorce:
h = P / ( ρ* g) – x,
kde P je atmosférický tlak, je hustota kapaliny. g – tíhové zrychlení, x – hodnota ztráty (m).
Poznámka: vzorec lze použít pro výpočet sací výšky za normálních podmínek a teplot do +30°C.
Ještě bych dodal, že sací výška (obecně) závisí na viskozitě kapaliny, délce a průměru potrubí a teplotě kapaliny.
Například při zvýšení teploty kapaliny na +60°C se sací výška sníží téměř o polovinu.
K tomu dochází, protože se zvyšuje tlak nasycených par v kapalině.
V každé kapalině jsou vždy vzduchové bubliny.
Myslím, že každý viděl, jak se při varu nejprve objevují malé bublinky, které se pak zvětšují a dochází k varu. Tito. Při varu je tlak ve vzduchových bublinách větší než atmosférický tlak.
Tlak nasycených par je tlak v bublinách.
Zvýšení tlaku par způsobuje, že kapalina vře při nižším tlaku. A čerpadlo vytváří v potrubí snížený atmosférický tlak.
Tito. Při nasávání kapaliny za vysokých teplot existuje možnost jejího varu v potrubí. A žádná čerpadla nemohou nasávat vařící kapalinu.
To je obecně vše.
A nejzajímavější je, že tím vším jsme si všichni prošli v hodině fyziky při studiu tématu „atmosférický tlak“.
Ale protože čtete tento článek a naučili jste se něco nového, pak jste „prošli“
Čerpadla nemohou čerpat kapaliny z velkých hloubek. Přesná hladina závisí na různých faktorech, ale za standardních podmínek je omezena na devět metrů. O tom, proč se to děje, na čem ukazatel závisí a jak jej pro konkrétní situaci vypočítat, hovořili odborníci z firmy Elektroservice.
Tajemství, kterému Italové čelí
Vévoda z Toskánska byl první, kdo v roce 1640 narazil na omezení v provozu čerpadel. Protože vlastnil krásný palác v Itálii, rozhodl se umístit do areálu fontánu. V té době se již fontány nacházely v bohatých panstvích, ale vévoda se chtěl stát majitelem té nejluxusnější a největší stavby.
Vévoda nebyl omezen finančními prostředky, a tak se po nějaké době od nejbližšího jezera k fontáně natáhlo potrubí nebývalé délky. Vévoda z toho, že nápad nevyšel, obvinil vědce a dokonce i církevníky – ti se prý nedokázali vyrovnat s vymítáním démonů. Voda však nikdy nedosáhla fontány a zastavila se jen něco málo přes 10 m nad hladinou v jezeře.
Torricelliho výzkum
Řešení tohoto jevu našel italský fyzik a matematik Evangelista Torricelli. V 10,3. století dokázal, že voda v potrubí stoupá vlivem atmosférického tlaku na hladinu nádrže. K přepravě kapaliny stačí XNUMX metru, ale ne více.
Jak Torricelli učinil tento objev:
- Evangelista naplnil dlouhou úzkou nádobu podobnou trubici rtutí. A pak ji umístil otevřeným koncem dolů do nádoby se stejnou rtutí.
- Látka se z nádoby nevylila, ale její hladina se znatelně snížila.
- Podle výsledků měření byl sloupec rtuti nad povrchem nádoby 760 mm.
Porovnáme-li hmotnost rtuti a vody, pak z pokusů s vodou měl vzniknout sloup o výšce 10,3 m. To se později experimentálně potvrdilo.
Matematické výpočty
Moderní specialisté používají ve svých výpočtech vzorec P = p*g*h.
- P – atmosférický tlak, který na hladině moře je 1,033 kg/cm2;
- p je hustota kapaliny, pro vodu při teplotě 20 o C je 1000 kg/m2;
- g – zrychlení volného pádu 9,8 m/s 2 ;
- h – výška sloupku.
Výška sloupu tedy není vždy 10,3 m. Závisí na hustotě kapaliny (čím hustší, tím nižší je h index) a výšce nádrže (čím níže je umístěn, tím hlouběji může jít) .
Jak věci fungují v praxi
Čerpací zařízení nenasává kapalinu, vytváří zředěný tlak na vstupu do systému, aby mohla být voda volně vytlačována stávajícím atmosférickým tlakem. Výše uvedený vzorec v původní podobě však nelze použít k výpočtu hloubky, ze které může čerpadlo čerpat vodu. Faktem je, že má své vlastní chyby a údaj 10,3 m je použitelný pouze pro provoz zařízení za optimálních podmínek.
- v nadmořské výšce rovné hladině moře;
- s teplotou vody 20°C;
- standardní hustota kapaliny.
V tomto případě musí být zcela eliminovány ztráty vody, což v reálných podmínkách není realizovatelné.
Vzorec pro čerpadla:
- h = P / (p*g) – x, kde x je hodnota ztráty použitá v metrech.
Výsledky výpočtů pomocí zpřesněného vzorce budou objektivní, pokud teplota vody nepřekročí 30 o C. Již při 60 o C překročí výsledek výpočtu prakticky možnou výšku asi 2x. Faktem je, že při vysokých teplotách je voda nasycena kapalnými bublinami, které anulují účinek atmosférického tlaku. Pokud mluvíme o vroucí kapalině, nemůže ji nasát ani jedno čerpadlo.
Vezmeme-li v úvahu všechny uvedené nuance, v praxi čerpadla nasávají vodu z hloubky až 9 metrů. Tuto schopnost ovlivňují i další faktory. Zejména délka a průměr potrubí hraje významnou roli. Vévoda z Toskánska tedy neměl sebemenší šanci vidět svou luxusní fontánu v akci. A démoni s tím neměli absolutně nic společného.
