Площадь трубы: уроки геометрии

С самыми разными целями зачастую приходится рассчитывать площадь поверхности трубы или ее сечение. Разумеется, чтобы узнать площадь трубы — формула должна опираться на ее диаметр и протяженность.

Нужны ли какие-то еще параметры? Зачем все эти расчеты могут быть нужны? Как рассчитать площадь и сечение? Все это мы узнаем из этой статьи.

С точки зрения геометрии труба представляет собой цилиндр. Отсюда и простые формулы расчета

Зачем это нужно?

Начнем все же с того, что еще раз перечислим основные ситуации, когда нам нужен расчет площади трубы — ее поверхности или сечения.

• Формула площади трубы будет полезна, если нам нужно рассчитать теплоотдачу регистра или теплого пола.
  Оба значения выводятся именно из суммарной площади, отдающей воздуху в помещении тепло от теплоносителя.

От площади поверхности регистра линейно зависит его теплоотдача

• Часто встречается обратная ситуация — когда нужно подсчитать потери тепла по пути к отопительному прибору.
  Для того, чтобы можно было принять решение о количестве и размере радиаторов, конвекторов или других приборов — нужно знать, каким количеством калорий мы располагаем. Оно выводится опять-таки с учетом площади поверхности  трубы, которая транспортирует воду от элеваторного узла.
• Расчет площади поверхности трубы нужен для того, чтобы закупить необходимое количество теплоизолирующего материала.
  Если протяженность теплотрассы исчисляется километрами — а это именно так и бывает — точный расчет может сэкономить предприятию огромные суммы.

Здесь теплоотдачу нужно сократить до минимума. Чтобы посчитать количество необходимого теплоизолирующего материала — нужно узнать площадь поверхности, которую предстоит защитить от потери тепла

• Затраты на антикоррозионное покрытие или краску — из той же категории. Площадь окраски трубы стальной вместе с расходом краски на квадратный метр дадут нам точный объем необходимых закупок.
  Заодно в этом случае будет очень хорошо видно, скажем вежливо, нецелевое использование материала: если краски или битумного лака уходит в полтора раза больше расчетного количества — предприятию следует пресекать воровство.

Производители краски указывают ее расход в граммах на квадратный метр поверхности

• Расчет площади сечения трубы необходим для того, чтобы узнать ее максимальную проходимость.
  Да, можно просто поставить трубу заведомо больше необходимой;  но при составлении типового проекта, по которому будет строиться много домов, перерасход средств в этом случае будет большим.

Важно: в случае частного дома перерасход бюджета, если вы просто возьмете трубу на шаг больше, невелик. А вот потери тепла вырастут заметно. Непонятно? Вспомните: больше поверхность трубы — больше тепла на ней рассеивается.

Кроме того, между моментами, когда открывается кран горячей воды, весь объем в соответствующем водопроводе бесцельно остывает.

Чем больше диаметр трубы — тем больше воды в ней будет стоять, тем больше тепла вы потратите на бесцельный нагрев помещения.

Чем толще трубы — тем больше горячей воды бесцельно остывает после каждого открытия крана

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.

Важно: в напорных водопроводах вода всегда заполняет весь объем трубы.

В самотечной канализации же это не так: большую часть времени поток смачивает лишь часть стенок и, соответственно, труба оказывает ему меньшее сопротивление по сравнению  с полностью заполненной.

Именно для гидравлических расчетов самотечной канализации введено такое понятие, как площадь живого сечения трубы.

Это площадь поперечного сечение потока в ней, перпендикулярного направлению движения потока.

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.

Заключение

Подводя итоги — в сущности, мы с вами заново прошли курс геометрии средних классов, вспомнив школу и знания, забытые за годы скучной взрослой жизни. Будем надеяться, что эти простые формулы пригодятся вам не раз. Удачи в строительстве!