Январь 22 2018

Выбор диафрагм

1. Общее понятие диафрагм

Диафрагма представляет собой шайбу с определенным диаметром отверстия. Диафрагмы увеличивают сопротивление пожарного крана, вследствие чего расход воды через него уменьшается. Диаметр диафрагм подбирают таким образом, чтобы все пожарные краны обеспечивали расход воды, близкий к расчетному значению независимо от высоты здания.

2.Расчет диафрагм

Диаметр отверстия диафрагмы в зависимости от проходного диаметра клапан пожарного крана, давления и расхода определяется расчетным методом или по номограмме.

2.1.Расчетный метод определения диаметра диафрагм

Диаметр диафрагмы d определяется следующим образом:

d 2 /D 2 =F/F пк или d=D*(F/F пк) 0.5

Q=10*μ*F*(2*g*P) 0.5 ; Q н =Q в *(P н /P в) 0.5

по формуле Дарси-Вейсбаха:

ΔР=Р н -Р в =ε*V 2 /(200*g);

из формулы поучаем ε=200*g*ΔР/V 2

V=Q/F пк,

где D — проходной диаметр клапана пожарного крана; F, F пк — площадь проходного отверстия соответственно диафрагмы и клапана пожарного крана; Q н, Q в — расход соответственно через диафрагму и клапан пожарного крана; ΔР — разница давлений расположения наинизшего и наивысшего клапанов пожарных кранов; P н, P в — давление соответственно наинизшего и наивысшего клапанов пожарных кранов; ε — коэффициент сопротивления диафрагмы; V — скорость водяного потока через клапан.

Таблица 1. Взаимосвязь между коэффициентом сопротивления диафрагмы и соотношением площади проходного отверстия диафрагмы и клапана пожарного крана.

2.2. Определение диаметра диафрагм по номограмме

Для определения диаметра дисковой диафрагмы по номограмме (рисунок 1) на левой линейке (Р) отмечают точку, соответствующую максимальному значению давления на клапане пожарного крана, а на правой линейке (q) отмечают точку, соответствующую требуемому или расчетному расходу. Через эти точки проводится прямая. Точка пересечения этой прямой со средней линейкой (Ø50-70) и будет искомым значением диаметра диафрагмы: в левой части — для диаметра клапана пожарного крана DN50, а в правой — для диаметра DN65.

Пример определения диаметра диафрагмы по номограмме:

Например, требуется определить диаметра диафрагмы для клапанов DN 50 и DN65, если давление у них составляет 0.4МПа, расход через ручной пожарный ствол составляет q=5л/с. Для решения данной задачи необходимо провести прямую, соединяющую эти два значения на номограмме. Точка пересечения этой прямой со средней линейкой (Ø50-70) и даст нужное значение диаметра диафрагмы — Ø19мм (для клапана DN65), либо Ø18.7 мм (для клапана DN50).

Рисунок 1.

Примечание: Чтобы определить численное значение давления у клапана пожарного крана в «МПа», необходимо число на левой линейке (Р) разделить на 100.

Диафрагму следует устанавливать между клапаном пожарного крана и соединительной головкой. Таким образом при отсоединении пожарного рукава от клапана диафрагма будет открыта для наблюдения и проверки диаметра отверстия. Количество диафрагм различных диаметров должно быть по возможности наименьшим. Допускается устанавливать диафрагмы с одинаковым диаметром отверстий на 3-4 этажа здания.

Диафрагма к пожарным кранам представляет собой шайбу, обладающую определенным внутренним диаметром, которую устанавливают на выходе клапана пожарного крана. Назначением диафрагмы служит ограничение давления между самим пожарным краном и соединительной головкой.

Диафрагма пожарного крана (нержавейка) Ду-50 и Ду-65 представляет собой шайбу, обладающую определенным внутренним диаметром, которую устанавливают на выходе клапана пожарного крана.

Внутренний размер диафрагмы изготавливаем по желанию заказчика любой: 12, 15, 20 мм и др

К внутренним пожарным водопроводам предъявляется целый ряд требований, которым они должны соответствовать. Если пожарный кран имеет напор свыше 40м между самим краном и соединительной головкой, необходимо предусматривать установку такого элемента, как диафрагма пожарного крана. Это нужно для того, чтобы обеспечить безопасность работы с пожарным стволом.

Так что же такое диафрагма к пожарным кранам?

Диафрагма представляет собой шайбу, выполненную из нержавеющей стали толщиной 3мм, с определенным внутренним и внешним диаметром. Диафрагма устанавливается на выходе пожарного крана непосредственно между краном и соединительной головкой. Диафрагма служит для снижения избыточного давления в системах пожарного водопровода. Установив диафрагмы для снижения избыточного напора, регулируется напор воды у пожарных кранов на всех этажах здания. Таким образом, в случае пожара, при одновременном открытии пожарных кранов на разных этажах, напор воды везде будет одинаковым.

Расчетное задание.

Задание: Рассчитать диаметр отверстия диафрагмы, установленной на участке трубопровода, при котором максимальному перепаду давления Δр соответствовал бы максимальный расход Q м = 80 т/час. Рассчитать также величину безвозвратных потерь напора, соответствующую максимальному расходу

Исходные данные:

Диаметр трубопровода при нормальной температуре (20°С) D 20 = 200 мм;

Материал трубопровода Сталь 20;

Материал диафрагмы Сталь 1Х18Н9Т;

Давление перед диафрагмой р 1 = 100 кгс/см 2 ;

Температура пара t = 400 °С;

Перепад давления Δр = 0,4 кгс/см 2 ;

Диаметр трубопровода при рабочей температуре

где выбирается из таблицы 15.1 (С. Ф. Чистяков, Д. В. Радун Теплотехнические измерения и приборы) в зависимости от рабочей температуры и материала трубопровода.

D = 200 мм∙1,0052 = 201,04 мм

Определим плотность пара при р = 100 кгс/см 2 и t = 400°С из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара.

р = 100 кгс/см 2 = 9,8066 МПа

r = 36,9467 кг/м 3

Определим средний расход.

Известно, что для данного способа определения расхода

Тогда
т/ч

Определим произведение am из формулы (15-14) (С. Ф. Чистяков, Д. В. Радун Теплотехнические измерения и приборы):

,

где e - поправочный множитель, учитывающий сжимаемость среды. В первом приближении принимаем, что пар не сжимаем, тогда e = 1.

Δр = 0,4 кгс/см 2 = 39226,4 Па

Воспользуемся таблицей 15.3 (С. Ф. Чистяков, Д. В. Радун Теплотехнические измерения и приборы) для составления таблицы коэффициентов a и am для диаметра трубопровода D = 200 мм в зависимости от модуля диафрагмы m.

Вычисленное значение am соответствует значениям m, принадлежащим интервалу 0,5¸0,6.

При помощи линейной интерполяции определим точное значение m.

Определим e во втором приближении.

Поправочный множитель e зависит от модуля m, показателя адиабатического расширения, а также от отношения Δр ср /р 1 .

Определим отношение Δр ср /р 1 .

Из формулы (15-29)

Показатель адиабатического расширения определяем из таблицы 15.5 в зависимости от рабочей температуры пара.

При t = 400°С c = 1,29

Определим e по формуле:

Определяем am во втором приближении, поскольку разница между значениями e, полученными в первом и во втором приближении больше чем 0,0005

e 1 - e 2 = 1 – 0,99900 = 0,001 > 0,0005

где - коэффициент термического расширения материала диафрагмы, определяется из таблицы 15.1 в зависимости от материала диафрагмы и рабочей температуры.

мм

Величину безвозвратных потерь напора определим из таблицы 15.2 в зависимости от модуля m.

тогда р n = 0,412∙0,4 = 0,165 кгс/см 2

Домашние задачи.

Задача №1

Исходные данные:

t 1 = 100°C; t 2 = 50°C; t 0 = 0°C

Определить: E(t 1 , t 0); E(t 2 , t 0)

Е Fe-Cu (t, t 0) = E Pt-Fe (t, t 0) + E Pt-Cu (t, t 0)

Воспользуемся таблицей 4.1 из этого учебника для определения термо-ЭДС пар Pt – Fe, Pt – Cu при t 1 = 100°C, t 0 = 0°C.

Говоря простым языком, диафрагма фотоаппарата – это устройство, через которое свет попадает на матрицу фотоаппарата. Диафрагма состоит из так называемых «лепестков», количество которых может варьироваться от трех до двадцати штук. В зависимости от интенсивности освещения лепестки уменьшают или увеличивают диаметр светопропускающего отверстия. Принцип их действия аналогичен зрачку: при тусклом свете он расширяется, при ярком – сужается.

Чтобы лучше понять принципы расчета характеристики объектива (в том числе, и значения диафрагмы), необходимо знать, что такое фокусное расстояние объектива.

Фокусное расстояние объектива

Фокусное расстояние – это расстояние между матрицей фотоаппарата и главной оптической плоскостью объектива при условии его фокусировки в бесконечность. Этим показателем определяется угол обзора, достигаемый тем или иным объективом. Чем фокусное расстояние больше, тем угол обзора меньше. В характеристиках обычно указываются минимальное и максимальное фокусное расстояние, которые обеспечивает объектив. Измерять его принято в миллиметрах.

Отношение фокусного расстояния к размеру отверстия диафрагмы называется f-числом. Именно оно и определяет значение диафрагмы. Чем меньше этот показатель, тем больше отверстие, и тем больше света проникает на матрицу фотоаппарата. Стоит учесть, что значение диафрагмы часто указывается в виде знаменателя дроби, без уточнения фокусного расстояния.

Возможные значения f-чисел описываются специальной шкалой диафрагм, представляющей собой последовательность чисел:

1 – 1,4 – 2 – 2,8 – 4 – 5,6 – 8 – 11 – 16 – 22 и так далее.

Суть шкалы в том, что сужение отверстия объектива в два раза приводит к уменьшению количества света, попадающего на матрицу, в четыре раза. Аналогичное действие оказывает и двойное увеличение фокусного расстояния. Диафрагменная шкала нередко наносится на оправу объектива для удобства фотографа.

Максимальное количество света пропускают объективы с наименьшими f-числами (f/1,2 – f/1,8). Называются такие объективы светосильными.

Светосила объектива

Светосила – это степень ослабления объективом фотоаппарата светового потока, или, другими словами, способность объектива передавать реальную яркость объекта. Чем больше светосила, тем качественнее получаются снимки, сделанные в условиях плохого освещения без использования штатива и вспышки. Кроме того, светосильные объективы позволяют фотографировать с максимально короткой выдержкой.

Значение светосилы определяется значением максимально открытой диафрагмы. Вместе с фокусным расстоянием его обычно указывают на ободе объектива. Так, например, надпись 7-21/2,0-2,8 означает, что при фокусном расстоянии в 7 миллиметров светосила равна 2,0. Соответственно, при фокусном расстоянии в 21 миллиметр – 2,8.

При выборе объектива стоит учитывать, что максимально открытая диафрагма используется очень редко. При этом цена светосильных объективов ощутимо выше. Для большинства покупателей нет никакого смысла переплачивать за показатель 1:1.2, вполне достаточно купить более бюджетный вариант со светосилой 1:1.8.

Относительное отверстие

Величину, обратную диафрагменному числу, называют относительным отверстием . Величина относительного отверстия определяет, во сколько раз фокусное расстояние объектива превышает диаметр его отверстия. На оправе объектива этот показатель обычно имеет вид дроби типа 1:2. Такие цифры означают, что диаметр отверстия вдвое меньше фокусного расстояния.

В разных источниках понятия значения светосилы, величины относительного отверстия и непосредственно диафрагмы часто описаны научным, малопонятным языком. Чтобы не ошибиться при выборе фотоаппарата и не запутаться в характеристиках объектива, стоит запомнить зависимости, существующие между ними.

Так, светосила – это постоянное свойство оптики, которое невозможно изменить или настроить. Следует помнить, что светосила не имеет отношения к текущему значению диафрагмы. Как уже упоминалось выше, ее значение равно значению диафрагмы в максимально открытом положении.

Относительное отверстие, в отличие от светосилы, величина изменяемая. Отрегулировать ее можно при помощи диафрагмы.

Диафрагма фотоаппарата является одним из трех факторов, влияющих на экспозицию. Поэтому понимание действия диафрагмы - это обязательное условие для того, чтобы делать глубокие и выразительные, правильно экспонированные фотографии. Есть как положительные, так и отрицательные стороны использования различных диафрагм, и этот урок научит вас, что они собой представляют и когда какие следует использовать.

Шаг 1 - Что такое диафрагма фотоаппарата?

Лучший способ понять, что такое диафрагма - представить ее как зрачок глаза. Чем шире открыт зрачок, тем больше света попадает на сетчатку.

Экспозицию составляют три параметра: диафрагма, выдержка и ISO. Диаметр диафрагмы регулирует количество света, поступающего к матрице, в зависимости от ситуации. Есть различные творческие варианты использования диафрагмы, но когда речь идет о свете, важно запомнить, что более широкие отверстия пропускают больше света, а более узкие меньше.

Шаг 2 - Как определяется и изменяется диафрагма?

Диафрагма определяется с помощью так называемой шкалы диафрагм. На дисплее вашей камеры вы можете увидеть F/число. Число означает, насколько широкая диафрагма, что, в свою очередь, определяет экспозицию и глубину резкости. Чем меньше число, тем шире отверстие. Это может сначала вызвать путаницу - почему малое число соответствует большей светосиле? Ответ прост и лежит в плоскости математики, но сначала вы должны узнать, что такое диафрагменный ряд или стандартная шкала диафрагм.

Диафрагменный ряд: f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16, f/22

Главное, что нужно знать об этих числах - то, что между этими значениями одна ступень экспозиции, то есть при переходе от меньшего значения к большему в объектив будет попадать в два раза меньше света. В современных камерах есть также и промежуточные значения диафрагмы, позволяющие более точно настроить экспозицию. Шаг настройки в этом случае равен ½ или 1/3 ступени. К примеру, между значениями f/2.8 и f/4 будут лежать значения f/3.2 и f/3.5.

Теперь о более сложных вещах. Точнее о том, почему количество света между основными значениями диафрагмы различается в два раза.

Это происходит из математических формул. Например, мы имеем объектив 50 мм с диафрагмой 2. Чтобы найти диаметр диафрагмы, мы должны разделить 50 на 2. Получится 25 мм. Радиус будет равен 12,5 мм. Формула для площади S=Пи х R 2 .

Вот несколько примеров:

50 мм объектив с диафрагмой f/2 = 25 мм. Радиус получается 12,5 мм. Площадь согласно формуле равна 490 мм 2 . Теперь посчитаем для диафрагмы f/2.8. Диаметр диафрагмы равен 17,9 мм, радиус 8,95 мм, площадь отверстия 251,6 мм 2 .

Если разделить 490 на 251, то получится не ровно два, но это только потому, что диафрагменные числа округлены до первого десятичного знака. На самом деле равенство будет точным.

Вот так реально выглядят соотношения отверстий диафрагмы.

Шаг 3 - Как диафрагма влияет на экспозицию?

С изменением размера диафрагмы изменяется и экспозиция. Чем шире диафрагма, тем сильней экспонируется матрица, тем более светлое изображение получается. Лучший способ продемонстрировать это - показать серию фотографий, где изменяется только диафрагма, а остальные параметры неизменны.

Все изображения ниже были сделаны на ISO 200, выдержка 1/400 сек, без вспышки, а изменялась только диафрагма. Значения диафрагмы: f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16, f/22.

Однако, основное свойство диафрагмы - это не управление экспозицией, а изменение глубины резкости.

Шаг 4 - Эффект глубины резкости

Глубина резкости - сама по себе обширная тема. Чтобы раскрыть ее, нужно несколько десятков страниц, но сейчас мы рассмотрим ее очень кратко. Речь идет о расстоянии, которое будет передаваться резко спереди и сзади объекта съемки.

Все, что вам действительно нужно знать, с точки зрения взаимосвязи диафрагмы и глубины резкости, это то, что чем шире диафрагма (f/1.4) тем меньше глубина резкости, а чем уже диафрагма (f/22), тем поле резкости больше. Прежде, чем я покажу вам подборку фотографий, сделанных с разной диафрагмой, посмотрите на диаграмму ниже. Она помогает понять, почему это происходит. Если вы не понимаете точно, как именно это работает, ничего страшного, пока для вас важно знать о самом эффекте.

На нижнем рисунке представлено фото, сделанное на диафрагме f/1.4. На нем ярко выражен эффект ГРИП (Глубины резко изображаемого пространства)

Наконец подборка фотографий, сделанных в приоритете диафрагмы, таким образом экспозиция остается постоянной, а меняется только диафрагма. Диафрагменный ряд такой же, как в предыдущем слайд-шоу. Обратите внимание, как меняется глубина резкости при изменении диафрагмы.

Шаг 5 - Как использовать различные диафрагмы?

Прежде всего следует помнить, что нет правил в фотографии, есть рекомендации, в том числе когда дело доходит до выбора диафрагмы. Все зависит от того, хотите ли вы применить художественный прием или максимально точно запечатлеть сцену. Чтобы легче принимать решение, привожу несколько наиболее употребляемых традиционно значений диафрагмы.

f/1.4 : превосходно для съемки в условиях низкой освещенности, но будьте осторожны, при таком значении очень маленькая ГРИП. Лучше всего применять для небольших объектов или для создания эффекта мягкого фокуса

f/2 : Использование то же самое, но объектив с такой диафрагмой может стоить одну треть от объектива с диафрагмой 1,4

f/2.8 : Также хорошо применять в условиях низкой освещенности. Лучше всего применяется для съемки портретов, так как глубина резкости больше и в нее попадет все лицо, а не только глаза. Хорошие зум-объективы как правило имеют это значение диафрагмы.

f/4 : Это минимальная диафрагма, используемая для съемки человека при достаточном освещении. Диафрагма может ограничивать работу автофокуса, поэтому вы рискуете промахнуться на открытой диафрагме.

f/5.6 : Хорошо использовать для фотографии 2-х человек, но для низкой освещенности лучше использовать подсветку вспышкой.

f/8 : Используется для больших групп, так как гарантирует достаточную глубину резкости.

f/11 : На этом значении большинство объективов имеют максимальную резкость, так что это хорошо для портретов

f/16 : Хорошее значение при съемке на ярком солнечном свете. Большая глубина резкости.

f/22 : Подходит для съемки пейзажей, где не требуется внимания к деталям на переднем плане.