Калькулятор расхода в ГПМ - Инструмент для расчета галлонов в минуту

Что такое GPM (галлоны в минуту)?

GPM означает «галлоны в минуту». Эта единица показывает, какой объём воды или другой жидкости проходит через трубу, клапан или сантехническое устройство за одну минуту. GPM — стандартная единица расхода в системах водоснабжения, орошения и пожаротушения США.

GPM отличается от давления. Давление, измеряемое в PSI (фунтах на квадратный дюйм), — это сила, проталкивающая воду по трубе. GPM показывает фактически подаваемый объём. В узкой трубе может быть высокое давление, но низкий расход, а в широкой — высокий расход при умеренном давлении.

Формула расхода в GPM

Формула расхода в GPM преобразует внутренний диаметр трубы и скорость воды в расход:

$\text{GPM} = 2.448 \times D^2 \times V$

• GPM — расход в галлонах в минуту
• D — внутренний диаметр трубы в дюймах
• V — скорость воды в футах в секунду
• 2,448 — коэффициент пересчёта единиц, округлённый до четырёх цифр

Откуда берётся постоянная

Расход всегда равен площади поперечного сечения, умноженной на скорость: Q = A × V. Для круглой трубы площадь A = π × (D/2)², то есть (π/4) × D² квадратных дюймов. Умножение на скорость в дюймах в секунду (12 × V) и на 60 секунд в минуте даёт объём в кубических дюймах в минуту. Один американский жидкостный галлон точно равен 231 кубическим дюймам (3 790 cm³), поэтому деление на 231 даёт галлоны в минуту. Все этапы пересчёта единиц сводятся к одному коэффициенту:

$\frac{\pi \times 12 \times 60}{4 \times 231} = \frac{60\pi}{77} = 2.44799\ldots$

В справочниках этот коэффициент округляют до 2,448. В этом калькуляторе используется неокруглённое значение, поэтому результат может отличаться от ручного расчёта в последней отображаемой цифре. Для трубы диаметром 10 дюймов при скорости 10 футов (3 м) в секунду здесь получается 2 447,99 GPM, тогда как при округлённом коэффициенте — 2 448,00.

Как рассчитать GPM

Необходимы два измерения.

Внутренний диаметр. Измеряйте внутренний, а не наружный диаметр трубы. Номинальный размер трубы не всегда совпадает с её фактическим внутренним диаметром: внутренний диаметр стальной трубы с номинальным размером 1 дюйм Schedule 40 составляет около 1,05 дюйма (2,67 см), а для разных материалов и типов стенки значения различаются ещё сильнее. Точное значение смотрите в спецификации производителя.

Скорость. Это скорость воды в футах в секунду. Расходомер измеряет её непосредственно. При его отсутствии расход можно определить другим способом — методом с ведром, описанным ниже.

Введите оба значения в калькулятор, чтобы получить расход в GPM.

Пример расчёта

Вода течёт по трубе диаметром 2 дюйма со скоростью 5 футов (1,5 м) в секунду.

GPM = 2,448 × 2² × 5 = 2,448 × 4 × 5 = 48,96

Расход составляет примерно 49 галлонов (185 л) в минуту.

Второй пример

В линии охлаждённой воды диаметром 3 дюйма скорость составляет 10 футов (3 м) в секунду — это типичная скорость потока для трубопроводов коммерческих систем HVAC.

GPM = 2,448 × 3² × 10 = 2,448 × 9 × 10 = 220,32

Это примерно 220 GPM. Коммерческие системы охлаждения часто рассчитывают по эмпирическому правилу: около 2,4 галлона (9,08 л) в минуту на каждую тонну холодопроизводительности. При таком расходе 220 GPM обеспечивает около 90 тонн (82 t) холодопроизводительности.

Измерение расхода без расходомера

Метод с ведром позволяет непосредственно измерить расход без раздельного определения диаметра и скорости.

1. Поставьте под струю ёмкость известного объёма, например ведро на 5 амер. галлонов.
2. Измерьте в минутах время, необходимое для наполнения.
3. Разделите объём на время: GPM = объём ÷ время.

Если ведро наполняется за 45 секунд (0,75 минуты), расход равен 5 ÷ 0,75 = 6,67 GPM. При тщательном измерении объёма и времени этот метод даёт точность до нескольких процентов, но подходит только там, где можно собрать весь поток, например на открытом конце трубы или шланга. Преобразование основной формулы позволяет по этому значению определить скорость: V = GPM ÷ (2,448 × D²).

Когда формула неприменима

Формула предполагает, что вода течёт по полностью заполненной круглой трубе в установившемся режиме.

• Частично заполненные трубы. Труба должна быть заполнена полностью. Наполовину заполненная дренажная труба пропускает гораздо меньший расход, чем предсказывает формула, поскольку жидкость занимает только часть поперечного сечения.
• Некруглые трубы. Для овальных, прямоугольных или труб неправильной формы нужна другая формула площади.
• Неустановившийся поток. Формула предполагает постоянную скорость. Внезапное закрытие клапанов (гидравлический удар) или циклически работающий насос требуют другого анализа.
• Рядом с арматурой. Сразу после отвода, тройника или клапана скорость неравномерна. Наиболее точны измерения на расстоянии не менее 10 диаметров трубы от любой арматуры по направлению потока.

Типичные расходы в зависимости от применения

Рекомендуемые скорости воды в трубах также зависят от назначения: для бытовых водопроводных линий обычно проектируют скорость 4–7 футов в секунду, а для всасывающих линий насосов — 2–5 футов в секунду. Скорость значительно выше 8 футов (2,4 м) в секунду повышает риск гидравлического удара, шума и эрозии труб.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между GPM и давлением воды?

GPM измеряет объём воды, подаваемый за минуту. Давление (PSI) измеряет силу, проталкивающую эту воду по трубе. В узкой трубе могут быть высокое давление и низкий расход в GPM, а в широкой — высокий расход в GPM при умеренном давлении.

Как перевести GPM в другие единицы расхода?

Умножьте GPM на 3,785, чтобы получить литры в минуту. Разделите GPM на 448,8, чтобы получить кубические футы в секунду. Умножьте GPM на 0,227, чтобы получить кубические метры в час.

Сколько GPM обычно требуется дому?

Суммируйте сантехнические устройства, которые могут работать одновременно, а не все устройства в доме. Дому, где один или два человека принимают душ, работает раковина и посудомоечная машина, может потребоваться 8–10 GPM. Большинство домов с двумя или тремя ванными комнатами подключены к водопроводу, рассчитанному на 8–12 GPM.

Почему материал трубы влияет на расход?

Шероховатые внутренние поверхности создают трение, замедляющее воду. Новые трубы из ПВХ и меди имеют гладкую внутреннюю поверхность и низкое сопротивление трению. Оцинкованные стальные трубы с возрастом становятся шероховатее из-за отложений минералов внутри; спустя несколько десятилетий это может снизить расход на 30–50%, хотя наружный диаметр не изменится.

Что происходит, если труба слишком мала для требуемого расхода?

Чтобы пропустить тот же объём по более узкой трубе, вода должна двигаться быстрее. Более высокая скорость увеличивает потери на трение, повышает риск гидравлического удара при внезапном закрытии клапанов и может вызвать шум и кавитацию насоса. Поддержание скорости в подающих линиях ниже примерно 8 футов (2,4 м) в секунду позволяет избежать большинства этих проблем.

Работает ли эта формула для жидкостей, отличных от воды?

Да, для объёмного расхода. Коэффициент лишь преобразует дюймы, футы, секунды, минуты и галлоны, поэтому формула применима к любой жидкости, полностью заполняющей круглую трубу. Плотность не меняет объём, проходящий через заданную точку. Однако плотность влияет на массу потока, необходимое для его перемещения давление и мощность насоса, поэтому для масел и суспензий по-прежнему нужны отдельные расчёты потерь давления.

Источники

1. Американская ассоциация водопроводных предприятий. Водомеры — выбор, установка, испытания и техническое обслуживание (руководство AWWA M6).
2. Cengel, Y. A., и Cimbala, J. M. (2017). Механика жидкости: основы и применения. McGraw-Hill Education.
3. Международная ассоциация специалистов по сантехнике и механическим системам. Единый сантехнический кодекс.
4. Агентство по охране окружающей среды США. Программа WaterSense.