Máy Tính Tỷ Lệ Dòng Chảy GPM - Công Cụ Tính Gallon Trên Phút

GPM (gallon mỗi phút) là gì?

GPM là viết tắt của gallon mỗi phút. Đại lượng này đo lượng nước (hoặc chất lỏng khác) chảy qua ống, van hoặc thiết bị trong một phút. GPM là đơn vị lưu lượng tiêu chuẩn trong các hệ thống cấp thoát nước, tưới tiêu và phòng cháy chữa cháy tại Hoa Kỳ.

GPM khác với áp suất. Áp suất, được đo bằng PSI (pound trên inch vuông), là lực đẩy nước qua đường ống. GPM là thể tích thực tế được cấp. Một đường ống có thể có áp suất cao nhưng lưu lượng thấp nếu ống hẹp, hoặc lưu lượng cao ở áp suất vừa phải nếu ống rộng.

Công thức tính lưu lượng GPM

Công thức lưu lượng GPM chuyển đổi đường kính trong của ống và vận tốc nước thành lưu lượng:

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

• GPM – lưu lượng tính bằng gallon mỗi phút
• D – đường kính trong của ống, tính bằng inch
• V – vận tốc nước, tính bằng feet mỗi giây
• 2,448 – hệ số chuyển đổi đơn vị, được làm tròn đến bốn chữ số

Hệ số này bắt nguồn từ đâu

Lưu lượng luôn bằng diện tích tiết diện nhân với vận tốc: Q = A × V. Với ống tròn, diện tích A = π × (D/2)², tức là (π/4) × D² in vuông. Nhân với vận tốc tính bằng in mỗi giây (12 × V) và với 60 giây mỗi phút để được in khối mỗi phút. Một gallon chất lỏng Hoa Kỳ chính xác bằng 231 in khối, nên chia cho 231 sẽ cho ra gallon mỗi phút. Toàn bộ các bước chuyển đổi đơn vị gộp lại thành một hệ số duy nhất:

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

Các sổ tay kỹ thuật làm tròn hệ số đó thành 2,448. Công cụ tính này sử dụng giá trị chưa làm tròn, vì vậy kết quả có thể khác với phép tính thủ công ở chữ số cuối cùng được hiển thị. Một ống 10 inch có nước chảy với vận tốc 10 bộ mỗi giây cho kết quả 2.447,99 GPM ở đây, so với 2.448,00 khi dùng hệ số đã làm tròn.

Cách tính GPM

Cần có hai phép đo.

Đường kính trong. Đo đường kính trong của ống, không phải đường kính ngoài. Kích thước danh nghĩa của ống không phải lúc nào cũng là đường kính trong thực tế — một ống thép 1 inch thuộc Schedule 40 có đường kính trong khoảng 1,05 in, và các vật liệu, cấp ống khác nhau còn tạo ra sai khác lớn hơn. Kiểm tra tài liệu thông số kỹ thuật của nhà sản xuất để biết giá trị chính xác.

Vận tốc. Đây là tốc độ của nước, tính bằng feet mỗi giây. Lưu lượng kế đo trực tiếp đại lượng này. Nếu không có lưu lượng kế, có thể đo lưu lượng bằng phương pháp khác, sử dụng phương pháp xô được mô tả bên dưới.

Nhập cả hai số vào công cụ tính để nhận lưu lượng tính bằng GPM.

Ví dụ minh họa

Nước chảy trong ống 2 inch với vận tốc 5 bộ mỗi giây.

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

Lưu lượng xấp xỉ 49 ga-lông mỗi phút.

Ví dụ thứ hai

Một đường ống nước lạnh 3 inch hoạt động ở vận tốc 10 bộ mỗi giây, là vận tốc điển hình đối với đường ống HVAC thương mại.

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

Giá trị đó xấp xỉ 220 GPM. Hệ thống làm mát thương mại thường được thiết kế theo quy tắc kinh nghiệm khoảng 2,4 ga-lông mỗi phút cho mỗi tấn công suất làm lạnh. Với lưu lượng đó, 220 GPM đáp ứng khoảng 90 tấn công suất làm lạnh.

Đo lưu lượng không cần lưu lượng kế

Phương pháp xô đo trực tiếp lưu lượng mà không cần đo riêng đường kính và vận tốc.

1. Đặt một vật chứa có dung tích xác định, chẳng hạn như xô 5 gallon, bên dưới dòng chảy.
2. Đo thời gian cần để xô đầy, tính bằng phút.
3. Chia dung tích cho thời gian: GPM = dung tích ÷ thời gian.

Nếu xô đầy trong 45 giây (0,75 phút), lưu lượng là 5 ÷ 0,75 = 6,67 GPM. Phương pháp này có độ chính xác trong phạm vi vài phần trăm nếu đo cẩn thận dung tích và thời gian, nhưng chỉ sử dụng được ở nơi có thể hứng toàn bộ dòng chảy, chẳng hạn đầu ống hở hoặc vòi. Biến đổi công thức chính cho phép suy ra vận tốc từ kết quả đó: V = GPM ÷ (2,448 × D²).

Khi công thức không áp dụng được

Công thức giả định nước chảy đầy trong một ống tròn và điều kiện dòng chảy ổn định.

• Ống không đầy. Ống phải đầy nước. Đường ống thoát nước chỉ đầy một nửa có lưu lượng thấp hơn nhiều so với dự đoán của công thức, vì chất lỏng chỉ chiếm một phần tiết diện.
• Ống không tròn. Ống hình bầu dục, hình chữ nhật hoặc có hình dạng không đều cần dùng công thức diện tích khác.
• Dòng chảy không ổn định. Công thức giả định vận tốc không đổi. Việc đóng van đột ngột (búa nước) hoặc máy bơm hoạt động theo chu kỳ cần được phân tích theo cách khác.
• Gần phụ kiện đường ống. Vận tốc ngay sau co, tê hoặc van không đồng đều. Phép đo chính xác nhất khi thực hiện cách mọi phụ kiện ít nhất 10 đường kính ống theo hướng dòng chảy.

Lưu lượng điển hình theo ứng dụng

Vận tốc dòng chảy được khuyến nghị cũng thay đổi theo mục đích sử dụng: đường ống cấp nước cho nhà ở thường được thiết kế với vận tốc 4–7 bộ mỗi giây, còn đường ống hút của máy bơm ở mức 2–5 bộ mỗi giây. Vận tốc cao hơn nhiều so với 8 bộ mỗi giây làm tăng nguy cơ búa nước, tiếng ồn và xói mòn đường ống.

Các câu hỏi thường gặp

GPM khác áp suất nước như thế nào?

GPM đo thể tích nước được cấp trong mỗi phút. Áp suất (PSI) đo lực đẩy nước qua đường ống. Một đường ống có thể có áp suất cao và GPM thấp nếu ống hẹp, hoặc GPM cao và áp suất vừa phải nếu ống rộng.

Làm thế nào để chuyển đổi GPM sang các đơn vị lưu lượng khác?

Nhân GPM với 3,785 để được lít mỗi phút. Chia GPM cho 448,8 để được feet khối mỗi giây. Nhân GPM với 0,227 để được mét khối mỗi giờ.

Một ngôi nhà điển hình cần bao nhiêu GPM?

Cộng các thiết bị có khả năng hoạt động cùng lúc, không phải mọi thiết bị trong nhà. Một ngôi nhà có một hoặc hai người đang tắm, một bồn rửa đang sử dụng và một máy rửa bát đang chạy có thể cần 8–10 GPM. Hầu hết các ngôi nhà có hai hoặc ba phòng tắm được cấp nước qua đường ống cấp nước có lưu lượng 8–12 GPM.

Vì sao vật liệu ống ảnh hưởng đến lưu lượng?

Bề mặt bên trong thô ráp tạo ma sát làm nước chảy chậm lại. Ống PVC và ống đồng mới có bề mặt bên trong nhẵn, ma sát thấp. Ống thép mạ kẽm trở nên thô ráp hơn theo thời gian do cặn khoáng tích tụ bên trong, có thể làm giảm lưu lượng 30–50% sau vài thập kỷ dù đường kính ngoài không thay đổi.

Điều gì xảy ra nếu ống quá nhỏ so với lưu lượng cần thiết?

Nước phải chảy nhanh hơn để chuyển cùng một thể tích qua ống hẹp hơn. Vận tốc cao hơn làm tăng tổn thất ma sát, tăng nguy cơ búa nước khi van đóng đột ngột, đồng thời có thể gây tiếng ồn và hiện tượng xâm thực trong máy bơm. Giữ vận tốc dưới khoảng 8 bộ mỗi giây trong đường ống cấp nước sẽ tránh được phần lớn các vấn đề này.

Công thức này có áp dụng cho chất lỏng khác ngoài nước không?

Có, đối với lưu lượng thể tích. Hệ số chỉ là phép chuyển đổi giữa inch, feet, giây, phút và gallon, nên áp dụng cho mọi chất lỏng làm đầy một ống tròn. Khối lượng riêng không làm thay đổi thể tích đi qua một điểm. Khối lượng riêng làm thay đổi lưu lượng khối lượng, áp suất cần thiết để đẩy chất lỏng và công suất máy bơm, vì vậy dầu và hỗn hợp huyền phù vẫn cần được tính toán tổn thất áp suất riêng.

Tài liệu tham khảo

1. Hiệp hội Công trình Nước Hoa Kỳ. Đồng hồ nước — Lựa chọn, Lắp đặt, Kiểm tra và Bảo trì (Sổ tay AWWA M6).
2. Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2017). Cơ học chất lưu: Cơ sở và ứng dụng. McGraw-Hill Education.
3. Hiệp hội Quốc tế các Quan chức Cơ khí và Hệ thống Ống nước. Bộ quy chuẩn hệ thống ống nước thống nhất.
4. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ. Chương trình WaterSense.