Mis on gaasivoolu põhimõte ja kuidas see juhib tööstussüsteeme?

Gaasivoolu juhib rõhkude erinevus, kuid tööstuslikke gaasisüsteeme ei saa projekteerida nagu vedelikusüsteeme. Gaasi tihedus muutub, kui rõhk ja temperatuur muutuvad, seega on kiirus, rõhulangus, soojusülekanne ja massivool seotud. Praktilistes pneumoliinides, maagaasitorudes, protsessigaasiseadmetes, düüsides, regulaatorites ja juhtventiilides ei ole põhiküsimus mitte ainult “kui palju gaasi saab läbida”, vaid ka see, kas voolu jääb stabiilseks, kas rõhukadu on vastuvõetav, kas vool võib lämbuda ja kas valitud toru, ventiil või ajam suudab reaalsetes töötingimustes ohutult töötada.

Kõige elementaarsemal tasandil järgib gaasivool säilitamisseadusi: mass säilib, jõud muudavad impulssi ja energia liigub rõhu, kiiruse, sisemise energia, soojuse ja töö vahel. Püsiva toruvoolu puhul, massivooluhulk läbi toru jääb konstantseks, kui mass ei kogune ega kao.¹. Tehniline väljakutse seisneb selles, et gaasi tihedus ei ole fikseeritud. Seetõttu tuleb rõhumõõtjaid, temperatuurinäitajaid, toru läbimõõtu, liitmikke ja allavoolu piiranguid vaadelda koos, selle asemel, et neid ükshaaval kontrollida.

Sisukord

• Mis on gaasivoolu põhiprintsiip?
• Miks erineb gaasivool vedelikuvoolust?
• Millised tegurid kontrollivad tööstusgaasi voolu?
• Kuidas muudavad voolurežiimid süsteemi disaini?
• Kuidas peaksid insenerid arvutama ja optimeerima gaasivoolu?
• Milliseid vigu tuleks gaasivoolusüsteemides vältida?
• Praktiline kontrollnimekiri tööstuslike gaasivoolude projekteerimiseks
• Järeldus
• KKK gaasivoolu põhimõtete kohta

Mis on gaasivoolu põhiprintsiip?

Gaasivoolu põhimõte seisneb selles, et gaas liigub kõrgema rõhu piirkonnast madalama rõhu piirkonda, säilitades samal ajal massi, impulsi ja energiat. Lihtsas torus tekitab rõhkude erinevus kiirenduse. Seina hõõrdumine, liitmikud, ventiilid, filtrid, regulaatorid ja muutused toru pindalas tarbivad osa sellest survenergiast. Kokkupressitava gaasi puhul võib osa energiast ilmneda ka temperatuuri või kiiruse muutumisena.

Massi säilitamine

Püsivaks vooluks peab torustikku sisenev mass olema võrdne sellest väljuvaga. Kuna gaasi tihedus võib muutuda, peab pidevuse võrrand sisaldama tihedust, pindala ja kiirust:

$\rho_1 A_1 V_1 = \rho_2 A_2 V_2$

See tähendab, et väiksem toruosa ei kahekordista igal juhul lihtsalt kiirust. Kui rõhk langeb ja tihedus väheneb samal ajal, võib kiirus suureneda oodatust rohkem. See on tavaline põhjus, miks alamõõdulised pneumotorustikud, pikad voolikud või piiravad liitmikud tekitavad ebastabiilse käivitusseadme reaktsiooni.

Impulsi säilitamine

Impulss selgitab, kuidas survejõud, seina nihkumine, kurvid ja piirangud muudavad gaasi kiirust ja suunda. Tööstuslikus mõttes on see põhjus, miks põlved, kiirühendused, summutid, filtrid ja klapipesad võivad tekitada rõhukadu isegi siis, kui toru nimiläbimõõt tundub piisav.

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

Ülaltoodud valem on lihtsustatud suhe hõõrderõhu langusele. See näitab, miks kiirus on nii oluline: kui kiirus suureneb, suureneb kiiresti ka rõhukadu. Gaasi liigne kiirendamine läbi väikese läbilaskekoha võib säästa materjalikulu, kuid see suurendab sageli müra, soojust, rõhu ebastabiilsust ja energiakulu.

Energia säilitamine

Gaasivoolu energia jaguneb rõhuenergia, kineetilise energia, sisemise energia, tõusu, soojusülekande ja võlli töö vahel. Paljude torude ja pihustite arvutuste puhul lähtuvad insenerid lihtsustatud energiabilansist:

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

Madala kiirusega käitise õhujaotuses on kõrgus tavaliselt vähem oluline kui rõhulangus ja hõõrdumine. Kiirete pihustite, väljalaskekanalite või gaasi väljavoolupunktide puhul muutuvad kineetiline energia ja temperatuurimuutus palju olulisemaks.

Miks erineb gaasivool vedelikuvoolust?

Gaas erineb vedelikust selle poolest, et see on kokkusurutav. Vedeliku vooluarvutustes käsitletakse tihedust sageli peaaegu konstantsena. Gaasivoolu arvutamisel tuleb kontrollida, kas tiheduse muutused on piisavalt väikesed, et neid ignoreerida. Kui gaasi kiirus on väike ja rõhumuutused on väikesed, võivad lihtsustatud meetodid toimida. Kui kiirus on suur, rõhu suhe on suur või temperatuuri muutused on märkimisväärsed, on vaja kokkusurutava voolu meetodeid.

Machi arv võrdleb gaasi kiirust kohaliku helikiirusega:

$M = V/a$

Heli kiirust ideaalses gaasis väljendatakse tavaliselt järgmiselt:

$a = \sqrt{\gamma RT}$

Praktilise sõelumisreeglina saab väikese võimsusega tööstuslike gaasivoolude puhul sageli kasutada lihtsamaid meetodeid, samas kui suurema võimsusega voolu puhul on vaja kokkusurutavat analüüsi, sest kokkusurutavuse mõju muutub olulisemaks, mida suurem on Machi arv². See on oluline kiirete heitgaaside, pihustite, kaitseklappide, väljalaskekolbide, gaasiregulaatorite ja väikeste avauste puhul.

Millised tegurid kontrollivad tööstusgaasi voolu?

Tööstusgaasi voolu reguleerivad gaasi omadused, süsteemi geomeetria, töörõhk, temperatuur, allavoolu nõudlus ja iga vooluahelas oleva komponendi kadude omadused. Ainult kompressori võimsust või sisselasketoru suurust ei piisa.

Kasulik inseneri harjumus on eristada massivoolu ja mahuvoolu. Massivooluhulk näitab, kui palju gaasi tegelikult liigub. Ruumivool sõltub rõhust ja temperatuurist, seega tuleb see esitada võrdlustingimustes, näiteks standardliitrites minutis, tavalistes kuupmeetrites tunnis või tegelikes kuupmeetrites minutis. Nende mõõtühikute segiajamine on üks kiiremaid viise, kuidas pneumaatilise spetsifikatsiooni valesti lugeda.

Kuidas muudavad voolurežiimid süsteemi disaini?

Gaasivoolurežiim määrab, millised eeldused on ohutud. Tööstuses on eriti kasulikud kaks klassifikatsiooni: laminaarne versus turbulentne voolu ja allahelikiirusega versus helikiirusega või ülehelikiirusega voolu.

Laminaarne ja turbulentne voolamine

Reynoldsi arv võrdleb inertsiaalseid ja viskoosseid jõude:

$Re = \rho V D / \mu$

Reaalsetes seadmetes võivad toru sissepääsu efektid, seina karedus, kurvid, vibratsioon ja pulseeriv nõudlus üleminekupunkti nihutada. Reynoldsi arv on siiski kasulik, sest piirikihid võivad olla laminaarsed või turbulentsed sõltuvalt Reynoldsi arvust³. Turbulentne voolamine suurendab tavaliselt segunemist ja soojusülekannet, kuid see suurendab ka rõhukadu ja müra.

Subsonic, Sonic ja Choked Flow

Subsoniline voolu tähendab, et gaasi kiirus on alla kohaliku helikiiruse. Allavoolu muutused võivad siiski mõjutada ülesvoolu käitumist. Heliline voog tekib kiirusel 1 Mach. Düüsis, avauses, klapipesas või muus kitsas kurus, maksimaalne massivooluhulk tekib siis, kui gaasivool on lämmatatud väikseimal alal⁴. Pärast seda punkti ei suurenda allavoolu rõhu edasine alandamine vooluhulga tõusu nii lihtsalt, nagu paljud ostjad ootavad.

See on eriti oluline ohutuspäästeteede, pneumaatiliste väljalaskesuudmete, vaakumväljundite, kõrgsurve gaasiregulaatorite ja klappide Cv-mõõtmete puhul. Kui komponent on juba lämbunud, võib suurem allavoolu toru vähendada müra või vasturõhku, kuid see ei pruugi suurendada komponendi maksimaalset massivoolu.

Kuidas peaksid insenerid arvutama ja optimeerima gaasivoolu?

Gaasivoolu arvutamine peaks algama tööprobleemiga, mitte valemiga. Kas te mõõdate põhikollektori, kontrollidate ballooni reageerimisprobleemi, valite magnetventiili, kontrollidate vooluhulgamõõtjat või hindate rõhukadu läbi filtri ja kuivati? Igal juhul on vaja samu füüsikalisi põhimõtteid, kuid nõutav detailsus on erinev.

Praktiline arvutusjärjekord

1. Määrake gaasi- ja võrdlustingimused. Märkige gaasitüüp, sisselaskeõhk, väljundrõhk, sisselasketemperatuur, eeldatav ümbritseva keskkonna ulatus ja kas vooluhulk on massivool või korrigeeritud mahuvool.
2. Kaardistage tegelik voolutee. Kaasa arvatud toru pikkus, siseläbimõõt, kurvid, ventiilid, filtrid, kuivatid, regulaatorid, kiirühendused, summutid, kollektorid ja tühjenduspunktid.
3. Hinnake kiirust ja Machi arvu. Kontrollige, kas kokkusurutamatuse eeldus on vastuvõetav või on vaja kokkusurutavaid meetodeid.
4. Kontrollige rõhulangust sektsioonide kaupa. Eraldage sirge toru kadusid kohalikest komponentide kadudest, sest väike liitmik võib tekitada rohkem piiranguid kui pikk torusegment.
5. Kontrollige, kas piirangud on lämbunud. Pöörake erilist tähelepanu avaustele, klapipesadele, pihustitele, väljalaskekanalitele ja kõrge rõhu suhtega seadmetele.
6. Valideerida välismõõtmiste abil. Võrrelge arvutatud rõhukadu mõõtmisnäitajatega kompressori väljundis, vastuvõtja, töötlemisseadmete, haruliini ja lõppkasutuskoha näitudega.

Voolu mõõtmine ja standardid

Tööstusliku vooluhulga mõõtmisel ei tohi kõiki vooluhulgamõõtjaid pidada omavahel vahetatavateks. Diferentsiaalrõhu seadmed, termomassimõõtjad, Coriolismõõtjad, turbiinimõõtjad ja ultraheli mõõtjad reageerivad erinevalt tihedusele, temperatuurile, vooluprofiilile ja paigaldustingimustele. Diferentsiaalrõhu seadmete puhul, ISO 5167-1 kehtestab üldpõhimõtted voolukiiruse mõõtmiseks ja arvutamiseks täisringikujulises torustikus rõhkude erinevuse mõõtmise ja arvutamise teel.⁵. See ei tähenda, et iga kohapealne paigaldus on automaatselt täpne; sirgejooksu pikkus, koputuste paigutus, Reynoldsi arvu vahemik ja mõõtemääramatus tuleb siiski üle vaadata.

Optimeerimine on tavaliselt seotud rõhukadu ja nõudlusega

Suruõhu- ja pneumaatikasüsteemides saavutatakse optimeerimine harva lihtsalt kompressori väljastusrõhu tõstmisega. Kõrgem rõhk võib varjata lõppkasutuse rõhulangust, kuid see võib suurendada energiakasutust, lekkeid, kunstlikku nõudlust ja komponentide koormust. Parem lähenemisviis on vähendada ebavajalikke piiranguid, stabiliseerida nõudlust, dimensioneerida jaotustorustik õigesti ning valida ventiilid ja torud vastavalt tegelikule ajami kiirusele ja vooluvajadusele.

Suruõhuvõrkude puhul rõhutatakse USA energeetikaministeeriumi allikaraamatus süsteemset lähenemist, sest toimivus sõltub sellest, kuidas varustusseadmed, töötlemisseadmed, jaotustorustik, juhtimisseadmed ja lõppkasutajad omavahel suhtlevad; praktikas, suruõhusüsteemi täiustamine nõuab nii pakkumise kui ka nõudluse poole ühist analüüsi.⁶. See on otseselt seotud pneumosilindrite, õhutöötlusseadmete, magnetventiilide, kollektorite ja pikkade tehase õhuliinide puhul.

Milliseid vigu tuleks gaasivoolusüsteemides vältida?

Enamiku tööstuslike gaasivooluprobleemide põhjuseks ei ole üks vale valem. Nende põhjuseks on puudulikud käitamisdetailid, ühikute segiajamine või tegeliku süsteemi käsitlemine nagu puhta õpiku torustiku puhul.

B2B-ostude puhul ei ole kõige kasulikum RFQ mitte ainult “palun esitage see ventiili suurus” või “palun esitage see silinder”. Parem RFQ sisaldab töörõhku, nõutavat ajami kiirust, toru pikkust, ava suurust, ventiili tüüpi, töötsüklit, ümbritseva keskkonna temperatuuri, keskkonna puhtust ja seda, kas tegemist on pideva või katkendliku vooluga. Need üksikasjad aitavad tarnijal kontrollida, kas valitud komponent on kitsaskoht või on probleem mujal süsteemis.

Praktiline kontrollnimekiri tööstuslike gaasivoolude projekteerimiseks

• Kinnitage gaasi tüüp, rõhu vahemik, temperatuurivahemik, niiskuse või kondenseerumise oht ja puhtuse tase.
• Märkige, kas vooluhulk on massivooluhulk, tegelik mahuvooluhulk, standardvooluhulk või normaalvooluhulk.
• Kasutage gaasi omaduste arvutamisel absoluutset rõhku ja absoluutset temperatuuri.
• Kontrollige väikseimat piirangut vooluteel, mitte ainult suurimat toru suurust.
• Hinnake kiirust ja Machi arvu, kui rõhu suhe või väikesed läbipääsud võivad põhjustada kokkusurutavuse mõju.
• Vaadake läbi filtrite, kuivatite, regulaatorite, ventiilide, kollektorite, voolikute, summutite ja ühenduskohtade rõhulangus.
• Kontrollige, kas süsteemis on pidev nõudlus, impulssnõudlus või samaaegne ajami liikumine.
• Enne kompressori seaderõhu suurendamist mõõtke rõhku mitmes punktis.
• Kriitilise voolu mõõtmiseks või ohutusega seotud gaasiväljundite puhul kasutage tunnustatud standardeid ja kvalifitseeritud tehnilist ülevaatust.

Pneumaatiliste komponentide valimisel saatke enne komponendi mudeli lõplikku vormistamist oma töörõhk, nõutav voolukiirus, torude pikkus, ava suurus, ajamite läbimõõdud ja löögi pikkus, tsükli sagedus ja keskkonna üksikasjad. See võimaldab realistlikumalt võrrelda vooluvõimsust, rõhulangust, reageerimisaega ja pikaajalist töökindlust.

Järeldus

Gaasivoolu põhimõte on kontseptsioonilt lihtne: rõhkude erinevus juhib liikumist, samal ajal kui mass, impulss ja energia säilivad. Tööstussüsteemides on üksikasjad keerulisemad, sest gaasi tihedus muutub koos rõhu ja temperatuuriga. Usaldusväärne projekteerimine nõuab voolurežiimi, rõhulanguse, lämmatuspiirangute, komponentide kadude, mõõtmismeetodi ja tegeliku nõudluse mustri kontrollimist. Pneumaatiliste ja protsessiseadmete puhul viib see lähenemisviis paremate dimensioneerimisotsuste tegemiseni kui üksnes toru nimimõõdule või kompressori rõhule tuginemine.

KKK gaasivoolu põhimõtete kohta