Какъв е принципът на газовия поток и как той управлява индустриалните системи?

Дебитът на газа се определя от разликата в налягането, но промишлените газови системи не могат да се проектират като течните. Газът променя плътността си при промяна на налягането и температурата, така че скоростта, спадът на налягането, топлообменът и масовият поток са свързани. В практическите пневматични линии, тръби за природен газ, технологични газови скидове, дюзи, регулатори и регулиращи клапани ключовият въпрос е не само “колко газ може да премине”, но и дали потокът остава стабилен, дали загубата на налягане е приемлива, дали потокът може да се задуши и дали избраната тръба, клапан или задвижващ механизъм могат да работят безопасно при реални работни условия.

На най-елементарно ниво потокът на газ следва законите за запазване: масата се запазва, силите променят импулса, а енергията се движи между налягане, скорост, вътрешна енергия, топлина и работа. За устойчив поток в тръба, масовият дебит през тръба остава постоянен, когато няма натрупване или загуба на маса¹. Инженерното предизвикателство се състои в това, че плътността на газа не е фиксирана. Ето защо манометрите, показанията на температурата, диаметърът на тръбата, фитингите и ограниченията надолу по веригата трябва да се разглеждат заедно, вместо да се проверяват един по един.

Съдържание

• Какъв е основният принцип на газовия поток?
• Защо потокът на газ се различава от този на течност?
• Какви фактори контролират потока на промишления газ?
• Как режимите на потока променят дизайна на системата?
• Как инженерите трябва да изчисляват и оптимизират газовия поток?
• Какви грешки трябва да се избягват при системите за поток на газ?
• Практически контролен списък за проектиране на промишлени газови потоци
• Заключение
• Често задавани въпроси относно принципите на газовия поток

Какъв е основният принцип на газовия поток?

Принципът на газовия поток е, че газът се движи от област с по-високо налягане към област с по-ниско налягане, като запазва масата, импулса и енергията си. В обикновена тръба разликата в налягането създава ускорение. Триенето на стените, фитингите, клапаните, филтрите, регулаторите и промените в площта на тръбата консумират част от тази енергия на налягането. В сгъстим газ част от енергията може да се прояви и като промяна на температурата или на скоростта.

Запазване на масата

За да бъде потокът постоянен, масата, постъпваща в даден участък от тръбата, трябва да е равна на масата, която го напуска. Тъй като плътността на газа може да се променя, уравнението за непрекъснатост трябва да включва плътността, площта и скоростта:

$\rho_1 A_1 V_1 = \rho_2 A_2 V_2$

Това означава, че по-малкото сечение на тръбата не води до удвояване на скоростта във всеки случай. Ако налягането спадне и плътността намалее едновременно, скоростта може да се увеличи повече от очакваното. Това е често срещана причина, поради която недостатъчно оразмерените пневматични тръби, дългите трасета на маркучите или ограничителните фитинги създават нестабилна реакция на задвижването.

Запазване на импулса

Моментът обяснява как силата на налягането, срязването на стената, завоите и ограниченията променят скоростта и посоката на газа. На индустриален език това е причината, поради която колената, бързите съединители, шумозаглушителите, филтрите и седлата на клапаните могат да създадат загуби на налягане, дори когато номиналният диаметър на тръбата изглежда достатъчен.

$\Delta p_f = f(L/D)(\rho V^2/2)$

Формулата по-горе е опростена зависимост от пада на налягането при триене. Тя показва защо скоростта е толкова важна: когато скоростта се увеличава, загубата на налягане нараства бързо. Прекомерната скорост на газа през малък проход може да спести разходи за материали, но често увеличава шума, топлината, нестабилността на налягането и разхода на енергия.

Запазване на енергията

Енергията на газовия поток се разпределя между енергията на налягането, кинетичната енергия, вътрешната енергия, височината, топлообмена и работата на вала. За много от изчисленията на тръби и дюзи инженерите започват от опростен енергиен баланс:

$h + V^2/2 + gz = \text{constant}$

При нискоскоростното разпределение на въздуха в инсталациите височината обикновено е по-маловажна от спада на налягането и триенето. При високоскоростните дюзи, пътищата за освобождаване на въздуха или точките на изпускане на газ кинетичната енергия и промяната на температурата стават много по-важни.

Защо потокът на газ се различава от този на течност?

Газът се различава от течността, тъй като е сгъваем. При изчисляването на потока на течността плътността често се разглежда като почти постоянна. При изчисляване на потока на газ трябва да се провери дали промените в плътността са достатъчно малки, за да се пренебрегнат. Ако скоростта на газа е ниска и промените в налягането са слаби, опростените методи могат да работят. Ако скоростта е висока, съотношението на налягането е голямо или температурните промени са значителни, са необходими методи за сгъстен поток.

Числото на Мах сравнява скоростта на газа с местната скорост на звука:

$M = V/a$

Скоростта на звука в идеален газ обикновено се изразява по следния начин:

$a = \sqrt{\gamma RT}$

Като практическо правило за скрининг, потокът от промишлени газове с нисък Mach често може да се обработва с по-прости методи, докато потокът с висок Mach се нуждае от компресивен анализ, тъй като ефектите на сгъстимостта стават по-важни с увеличаване на числото на Мах.². Това е важно при високоскоростни изпускателни тръби, дюзи, предпазни клапани, изпускателни струи, газови регулатори и малки отвори.

Какви фактори контролират потока на промишления газ?

Индустриалният газов поток се контролира от свойствата на газа, геометрията на системата, работното налягане, температурата, търсенето надолу по веригата и характеристиките на загубите на всеки компонент в пътя на потока. Не е достатъчно да се гледа само капацитетът на компресора или размерът на входната тръба.

Полезен инженерен навик е да се разделят масовият и обемният поток. Масовият дебит показва какво количество газ се движи в действителност. Обемният дебит зависи от налягането и температурата, така че трябва да бъде посочен с референтни условия, като например стандартни литри в минута, нормални кубични метри в час или действителни кубични футове в минута. Объркването на тези единици е един от най-бързите начини за погрешно тълкуване на пневматична спецификация.

Как режимите на потока променят дизайна на системата?

Режимът на газовия поток определя кои предположения са безопасни. Две класификации са особено полезни в промишлеността: ламинарен срещу турбулентен поток и дозвуков срещу звуков или свръхзвуков поток.

Ламинарен и турбулентен поток

Числото на Рейнолдс сравнява инерционните сили с вискозните сили:

$Re = \rho V D / \mu$

В реалното оборудване ефектите на входа на тръбата, грапавостта на стената, завоите, вибрациите и пулсиращото търсене могат да преместят точката на прехода. Все пак числото на Рейнолдс е полезно, защото граничните слоеве могат да бъдат ламинарни или турбулентни в зависимост от числото на Рейнолдс.³. Турбулентният поток обикновено увеличава смесването и топлообмена, но също така увеличава загубите на налягане и шума.

Дозвуков, звуков и задушен поток

Подзвуков поток означава, че скоростта на газа е по-ниска от местната скорост на звука. Промените надолу по течението все още могат да повлияят на поведението нагоре по течението. Звуковият поток възниква при скорост 1 Мах. В дюза, отвор, седло на клапан или друго тясно гърло, максимален масов поток се получава, когато потокът на газа е запушен в най-малката зона⁴. След този момент по-нататъшното понижаване на налягането надолу по веригата няма да увеличи масовия поток нагоре по веригата по начина, който очакват много купувачи.

Това е особено важно за предпазните трасета, пневматичните дюзи за изпускане, вакуумните ежектори, газовите регулатори за високо налягане и оразмеряването на Cv на клапаните. Ако даден компонент вече е задушен, по-голяма тръба надолу по веригата може да намали шума или обратното налягане, но може да не увеличи максималния масов поток на компонента.

Как инженерите трябва да изчисляват и оптимизират газовия поток?

Изчисляването на дебита на газ трябва да започне с работния проблем, а не с формула. Оразмерявате ли главен колектор, проверявате ли проблем с реакцията на цилиндъра, избирате ли електромагнитен клапан, проверявате ли разходомер или изчислявате ли загубите на налягане през филтър и сушилня? Всеки случай се нуждае от едни и същи физични принципи, но необходимото ниво на детайлност е различно.

Практическа последователност на изчисленията

1. Определяне на газовите и референтните условия. Запишете вида на газа, налягането на входа, налягането на изхода, температурата на входа, очаквания диапазон на околната среда и дали дебитът е масов или коригиран обемен дебит.
2. Направете карта на реалния път на потока. Включете дължината на тръбите, вътрешния диаметър, завоите, клапаните, филтрите, сушилните, регулаторите, бързите съединения, шумозаглушителите, колекторите и точките на изпускане.
3. Изчислете скоростта и числото на Мах. Проверете дали допускането за несвиваемост е приемливо или са необходими методи за сгъстяване.
4. Проверете спада на налягането секция по секция. Отделете загубите в права тръба от загубите в местния компонент, тъй като малък фитинг може да създаде повече ограничения, отколкото дълъг тръбен сегмент.
5. Проверете дали не са запушени ограниченията. Обърнете специално внимание на отворите, седлата на клапаните, дюзите, предпазните пътища и устройствата с високо съотношение на налягането.
6. Валидирайте с полеви измервания. Сравнете изчислената загуба на налягане с показанията на манометъра на изхода на компресора, ресивера, пречиствателното оборудване, разклонителната линия и точката на крайна употреба.

Измерване на потока и стандарти

При промишлено измерване на дебита не разглеждайте всеки разходомер като взаимозаменяем. Устройствата за диференциално налягане, термомасовите разходомери, Кориолисовите разходомери, турбинните разходомери и ултразвуковите разходомери реагират по различен начин на плътността, температурата, профила на потока и условията на инсталиране. За устройствата за диференциално налягане, ISO 5167-1 установява общи принципи за измерване и изчисляване на дебита чрез устройства за измерване на разликата в налягането в пълни кръгли канали.⁵. Това не означава, че всяка инсталация на място е автоматично точна; дължината на правата линия, разположението на крановете, диапазонът на числото на Рейнолдс и несигурността все още трябва да се проверяват.

Оптимизацията обикновено е свързана със загубата на налягане и търсенето

В системите за сгъстен въздух и пневматични системи оптимизацията рядко се постига чрез просто повишаване на налягането на изхода на компресора. По-високото налягане може да скрие спада на налягането при крайното потребление, но може да увеличи потреблението на енергия, течовете, изкуственото търсене и натоварването на компонентите. По-добрият подход е да се намалят ненужните ограничения, да се стабилизира търсенето, да се оразмерят правилно разпределителните тръбопроводи и да се изберат клапани и тръби въз основа на реалната скорост на задвижването и търсенето на дебит.

За мрежите за сгъстен въздух в справочника на Министерството на енергетиката на САЩ се набляга на системния подход, тъй като ефективността зависи от начина, по който си взаимодействат оборудването за доставка, оборудването за пречистване, разпределителните тръбопроводи, управлението и крайните потребители, подобряването на системата за сгъстен въздух изисква да се анализират заедно както страната на предлагането, така и страната на търсенето.⁶. Това се отнася пряко за пневматичните цилиндри, въздухоподготвителните устройства, електромагнитните клапани, колекторите и дългите фабрични въздушни линии.

Какви грешки трябва да се избягват при системите за поток на газ?

Повечето проблеми с потока на промишления газ не се дължат на една грешна формула. Те се дължат на пропуснати експлоатационни подробности, объркани единици или третиране на реална система като чиста тръба от учебник.

За B2B покупки най-полезното RFQ не е само “моля, посочете този размер на клапана” или “моля, посочете този цилиндър”. По-доброто RFQ включва работно налягане, необходима скорост на задвижването, дължина на тръбата, размер на порта, тип на клапана, работен цикъл, температура на околната среда, чистота на средата и дали потокът е непрекъснат или прекъснат. Тези подробности помагат на доставчика да провери дали избраният компонент е тясното място или проблемът е другаде в системата.

Практически контролен списък за проектиране на промишлени газови потоци

• Потвърдете вида на газа, диапазона на налягането, температурния диапазон, риска от влажност или кондензация и нивото на чистота.
• Посочете дали дебитът е масов дебит, действителен обемен дебит, стандартен дебит или нормален дебит.
• Използване на абсолютното налягане и абсолютната температура при изчисляване на свойствата на газовете.
• Проверявайте най-малкото ограничение в пътя на потока, а не само най-големия размер на тръбата.
• Изчислете скоростта и числото на Мах, когато съотношението на налягането или малките проходи могат да предизвикат ефекти на сгъстяване.
• Преглед на спада на налягането във филтри, сушилни, регулатори, клапани, колектори, маркучи, шумозаглушители и съединители.
• Проверете дали системата има постоянно търсене, импулсно търсене или едновременно движение на задвижващите механизми.
• Преди да увеличите зададеното налягане на компресора, измерете налягането в няколко точки.
• За измерване на критичен дебит или изпускане на газ, свързано с безопасността, използвайте признати стандарти и квалифициран инженерен преглед.

Когато избирате пневматични компоненти, изпратете данни за работното налягане, необходимия дебит, дължината на тръбите, размера на портовете, отвора и хода на задвижването, честотата на циклите и околната среда, преди да завършите модела на компонента. Това позволява по-реалистично сравнение на капацитета на потока, спада на налягането, времето за реакция и дългосрочната надеждност.

Заключение

Принципът на газовия поток е прост: разликата в налягането води до движение, а масата, импулсът и енергията се запазват. В промишлените системи подробностите са по-сложни, тъй като плътността на газа се променя в зависимост от налягането и температурата. Надеждното проектиране изисква проверка на режима на потока, спада на налягането, задушаващите ограничения, загубите на компонентите, метода на измерване и модела на реалното търсене. За пневматично и технологично оборудване този подход води до по-добри решения за оразмеряване, отколкото да се разчита само на номиналния размер на тръбите или налягането на компресора.

Често задавани въпроси относно принципите на газовия поток