Qual è il principio del flusso di gas e come funziona nei sistemi industriali?

Il flusso di gas è determinato dalla differenza di pressione, ma i sistemi industriali a gas non possono essere progettati come quelli a liquido. Un gas cambia densità al variare della pressione e della temperatura, quindi velocità, perdita di carico, trasferimento di calore e flusso di massa sono accoppiati. Nelle linee pneumatiche, nelle tubazioni per il gas naturale, negli skid per il gas di processo, negli ugelli, nei regolatori e nelle valvole di controllo, la domanda chiave non è solo “quanto gas può passare”, ma anche se il flusso rimane stabile, se la perdita di pressione è accettabile, se il flusso può diventare soffocante e se il tubo, la valvola o l'attuatore selezionati possono funzionare in modo sicuro nelle condizioni operative reali.

Al livello più elementare, il flusso di gas segue le leggi di conservazione: la massa si conserva, le forze modificano la quantità di moto e l'energia si muove tra pressione, velocità, energia interna, calore e lavoro. Per un flusso tubolare costante, la portata massica attraverso un tubo rimane costante quando non c'è accumulo o perdita di massa¹. La sfida ingegneristica è che la densità del gas non è fissa. Per questo motivo i manometri, le letture della temperatura, il diametro del tubo, i raccordi e le restrizioni a valle devono essere considerati insieme invece di essere controllati uno per uno.

Indice

• Qual è il principio di base del flusso di gas?
• Perché il flusso di gas è diverso da quello dei liquidi?
• Quali fattori controllano il flusso di gas industriali?
• In che modo i regimi di flusso modificano la progettazione del sistema?
• In che modo gli ingegneri dovrebbero calcolare e ottimizzare il flusso di gas?
• Quali sono gli errori da evitare nei sistemi a flusso di gas?
• Lista di controllo pratica per la progettazione dei flussi di gas industriali
• Conclusione
• Domande frequenti sui principi del flusso di gas

Qual è il principio di base del flusso di gas?

Il principio del flusso di gas è che il gas si sposta da una regione a pressione più elevata a una regione a pressione più bassa, conservando massa, quantità di moto ed energia. In un semplice tubo, la differenza di pressione crea accelerazione. L'attrito delle pareti, i raccordi, le valvole, i filtri, i regolatori e le variazioni dell'area del tubo consumano parte dell'energia di pressione. In un gas comprimibile, parte dell'energia può anche manifestarsi come variazione di temperatura o di velocità.

Conservazione della massa

Per un flusso costante, la massa che entra in una sezione di tubo deve essere uguale a quella che esce. Poiché la densità del gas può cambiare, l'equazione di continuità deve includere densità, area e velocità:

$\rho_1 A_1 V_1 = \rho_2 A_2 V_2$

Ciò significa che una sezione di tubo più piccola non raddoppia la velocità in tutti i casi. Se la pressione cala e la densità diminuisce allo stesso tempo, la velocità può aumentare più del previsto. Questo è un motivo comune per cui tubi pneumatici sottodimensionati, lunghe tratte di tubi o raccordi restrittivi creano una risposta instabile dell'attuatore.

Conservazione del momento

Il momento spiega come la forza di pressione, il taglio della parete, le curve e le restrizioni modifichino la velocità e la direzione del gas. In termini industriali, questo è il motivo per cui gomiti, innesti rapidi, silenziatori, filtri e sedi di valvole possono creare perdite di pressione anche quando il diametro nominale del tubo sembra adeguato.

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

La formula sopra riportata è una relazione semplificata della perdita di carico per attrito. Mostra perché la velocità è così importante: quando la velocità aumenta, la perdita di pressione aumenta rapidamente. L'eccesso di velocità del gas attraverso un piccolo passaggio può far risparmiare sui costi del materiale, ma spesso aumenta il rumore, il calore, l'instabilità della pressione e il consumo di energia.

Conservazione dell'energia

L'energia del flusso di gas è suddivisa tra energia di pressione, energia cinetica, energia interna, elevazione, trasferimento di calore e lavoro dell'albero. Per molti calcoli di tubazioni e ugelli, gli ingegneri partono da un bilancio energetico semplificato:

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

Nella distribuzione dell'aria dell'impianto a bassa velocità, l'elevazione è di solito meno importante della caduta di pressione e dell'attrito. Negli ugelli ad alta velocità, nei percorsi di scarico o nei punti di scarico del gas, l'energia cinetica e la variazione di temperatura diventano molto più importanti.

Perché il flusso di gas è diverso da quello dei liquidi?

Il gas si differenzia dal liquido perché è comprimibile. Il calcolo del flusso di un liquido spesso considera la densità quasi costante. Un calcolo del flusso di gas deve verificare se le variazioni di densità sono abbastanza piccole da poter essere ignorate. Se la velocità del gas è bassa e le variazioni di pressione sono lievi, i metodi semplificati possono funzionare. Se la velocità è elevata, il rapporto di pressione è grande o le variazioni di temperatura sono significative, sono necessari metodi di flusso comprimibili.

Il numero di Mach confronta la velocità del gas con la velocità locale del suono:

$M = V/a$

La velocità del suono in un gas ideale è comunemente espressa come:

$a = \sqrt{\gamma RT}$

Come regola pratica di screening, il flusso di gas industriali a bassa Mach può spesso essere gestito con metodi più semplici, mentre il flusso a elevata Mach necessita di un'analisi comprimibile poiché gli effetti di compressibilità diventano più importanti all'aumentare del numero di Mach². Ciò è importante per gli scarichi ad alta velocità, gli ugelli, le valvole di sicurezza, i getti di sfiato, i regolatori di gas e i piccoli orifizi.

Quali fattori controllano il flusso di gas industriali?

Il flusso di gas industriale è controllato dalle proprietà del gas, dalla geometria del sistema, dalla pressione di esercizio, dalla temperatura, dalla domanda a valle e dalle caratteristiche di perdita di ogni componente del percorso di flusso. Considerare solo la capacità del compressore o le dimensioni del tubo di ingresso non è sufficiente.

Un'utile abitudine ingegneristica è quella di separare il flusso di massa dal flusso volumetrico. La portata massica indica la quantità di gas effettivamente in movimento. La portata volumetrica dipende dalla pressione e dalla temperatura, quindi deve essere indicata con condizioni di riferimento quali litri standard al minuto, metri cubi normali all'ora o piedi cubi effettivi al minuto. Confondere queste unità di misura è uno dei modi più rapidi per sbagliare una specifica pneumatica.

In che modo i regimi di flusso modificano la progettazione del sistema?

Il regime di flusso del gas determina quali ipotesi sono sicure. Due classificazioni sono particolarmente utili nell'industria: flusso laminare contro flusso turbolento e flusso subsonico contro flusso sonico o supersonico.

Flusso laminare e turbolento

Il numero di Reynolds confronta le forze inerziali con quelle viscose:

$Re = \rho V D / \mu$

Nelle apparecchiature reali, gli effetti di ingresso del tubo, la rugosità delle pareti, le curve, le vibrazioni e la domanda pulsante possono spostare il punto di transizione. Il numero di Reynolds è comunque utile perché gli strati limite possono essere laminari o turbolenti a seconda del numero di Reynolds³. Il flusso turbolento di solito aumenta la miscelazione e il trasferimento di calore, ma anche le perdite di pressione e la rumorosità.

Flusso subsonico, sonico e strozzato

Il flusso subsonico significa che la velocità del gas è inferiore alla velocità locale del suono. I cambiamenti a valle possono comunque influenzare il comportamento a monte. Il flusso sonico si verifica a Mach 1. In un ugello, orifizio, sede di valvola o altra gola stretta, Il flusso di massa massimo si verifica quando il flusso di gas viene strozzato nell'area più piccola.⁴. Dopo questo punto, l'ulteriore riduzione della pressione a valle non aumenterà la portata massica a monte nel modo semplice che molti acquirenti si aspettano.

Ciò è particolarmente importante per i percorsi di sicurezza, gli ugelli di sfiato pneumatici, gli eiettori a vuoto, i regolatori di gas ad alta pressione e il dimensionamento della valvola Cv. Se un componente è già strozzato, un tubo a valle più grande può ridurre il rumore o la contropressione, ma non aumentare la portata massica massima del componente.

In che modo gli ingegneri dovrebbero calcolare e ottimizzare il flusso di gas?

Il calcolo del flusso di gas deve partire dal problema operativo, non da una formula. State dimensionando una testata principale, verificando un problema di risposta di un cilindro, selezionando un'elettrovalvola, verificando un flussometro o stimando la perdita di pressione attraverso un filtro e un essiccatore? Ogni caso richiede gli stessi principi fisici, ma il livello di dettaglio richiesto è diverso.

Una sequenza di calcolo pratica

1. Definire il gas e le condizioni di riferimento. Registrare il tipo di gas, la pressione di ingresso, la pressione di uscita, la temperatura di ingresso, l'intervallo ambientale previsto e se la portata è di massa o volumetrica corretta.
2. Mappare il percorso del flusso reale. Includere la lunghezza del tubo, il diametro interno, le curve, le valvole, i filtri, gli essiccatori, i regolatori, gli attacchi rapidi, i silenziatori, i collettori e i punti di scarico.
3. Stimare la velocità e il numero di Mach. Verificare se l'ipotesi di incomprimibilità è accettabile o se sono necessari metodi comprimibili.
4. Controllare la caduta di pressione sezione per sezione. Separare le perdite del tubo diritto dalle perdite dei componenti locali, perché un piccolo raccordo può creare una restrizione maggiore di un lungo segmento di tubo.
5. Controllare che non vi siano restrizioni strozzate. Prestare particolare attenzione agli orifizi, alle sedi delle valvole, agli ugelli, ai percorsi di scarico e ai dispositivi ad alto rapporto di pressione.
6. Convalidare con misure sul campo. Confrontare la perdita di pressione calcolata con le letture dei manometri all'uscita del compressore, al ricevitore, all'apparecchiatura di trattamento, alla diramazione e al punto di utilizzo finale.

Misurazione del flusso e standard

Per la misurazione della portata industriale, non considerare tutti i misuratori di portata come intercambiabili. I dispositivi di pressione differenziale, i misuratori di massa termica, i misuratori di Coriolis, i misuratori a turbina e i misuratori a ultrasuoni rispondono in modo diverso alla densità, alla temperatura, al profilo di flusso e alle condizioni di installazione. Per i dispositivi di pressione differenziale, La norma ISO 5167-1 stabilisce i principi generali per la misurazione e il calcolo della portata utilizzando dispositivi di pressione differenziale in condotti circolari completi.⁵. Ciò non significa che ogni installazione sul campo sia automaticamente accurata; la lunghezza del tratto rettilineo, la disposizione della maschiatura, l'intervallo del numero di Reynolds e l'incertezza devono essere verificati.

L'ottimizzazione di solito riguarda la perdita di pressione e la domanda

Nei sistemi pneumatici e ad aria compressa, raramente l'ottimizzazione si ottiene semplicemente aumentando la pressione di mandata del compressore. Una pressione più elevata può nascondere la caduta di pressione nell'uso finale, ma può aumentare il consumo di energia, le perdite, la domanda artificiale e lo stress sui componenti. Un approccio migliore consiste nel ridurre le restrizioni non necessarie, stabilizzare la domanda, dimensionare correttamente le tubazioni di distribuzione e selezionare valvole e tubi in base alla velocità reale dell'attuatore e alla richiesta di flusso.

Per le reti di aria compressa, il manuale del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti enfatizza un approccio sistemico, poiché le prestazioni dipendono dal modo in cui interagiscono le apparecchiature di alimentazione, le apparecchiature di trattamento, le tubazioni di distribuzione, i controlli e gli usi finali, Il miglioramento del sistema di aria compressa richiede l'analisi congiunta del lato dell'offerta e della domanda.⁶. Ciò riguarda direttamente i cilindri pneumatici, le unità di preparazione dell'aria, le elettrovalvole, i collettori e le lunghe linee d'aria di fabbrica.

Quali sono gli errori da evitare nei sistemi a flusso di gas?

La maggior parte dei problemi di flusso di gas industriali non sono causati da una formula sbagliata. Sono causati dalla mancanza di dettagli operativi, dalla confusione delle unità di misura o dal trattamento di un sistema reale come se fosse un tubo pulito da manuale.

Per gli acquisti B2B, l'RFQ più utile non è solo “prego quotare la dimensione di questa valvola” o “prego quotare questo cilindro”. Una migliore RFQ include la pressione di esercizio, la velocità dell'attuatore richiesta, la lunghezza del tubo, la dimensione della porta, il tipo di valvola, il ciclo di lavoro, la temperatura ambiente, la pulizia del fluido e se il flusso è continuo o intermittente. Questi dettagli aiutano il fornitore a verificare se il componente selezionato è il collo di bottiglia o se il problema è altrove nel sistema.

Lista di controllo pratica per la progettazione dei flussi di gas industriali

• Confermare il tipo di gas, l'intervallo di pressione, l'intervallo di temperatura, il rischio di umidità o condensa e il livello di pulizia.
• Indicare se la portata è una portata massica, una portata volumetrica effettiva, una portata standard o una portata normale.
• Utilizzare la pressione assoluta e la temperatura assoluta nei calcoli delle proprietà dei gas.
• Controllare la restrizione più piccola nel percorso del flusso, non solo la dimensione maggiore del tubo.
• Stimare la velocità e il numero di Mach quando il rapporto di pressione o i piccoli passaggi possono causare effetti di compressibilità.
• Esaminare la caduta di pressione attraverso filtri, essiccatori, regolatori, valvole, collettori, tubi flessibili, silenziatori e accoppiatori.
• Verificare se il sistema ha una domanda costante, una domanda pulsata o un movimento simultaneo dell'attuatore.
• Misurare la pressione in più punti prima di aumentare la pressione di taratura del compressore.
• Per la misurazione di flussi critici o per lo scarico di gas in condizioni di sicurezza, utilizzare standard riconosciuti e una revisione ingegneristica qualificata.

Quando si selezionano i componenti pneumatici, prima di finalizzare il modello del componente, inviare la pressione di esercizio, la portata richiesta, la lunghezza del tubo, le dimensioni dell'attacco, l'alesaggio e la corsa dell'attuatore, la frequenza del ciclo e i dettagli dell'ambiente. Ciò consente un confronto più realistico della portata, della caduta di pressione, del tempo di risposta e dell'affidabilità a lungo termine.

Conclusione

Il principio del flusso di gas è semplice: la differenza di pressione determina il movimento, mentre la massa, la quantità di moto e l'energia si conservano. Nei sistemi industriali, i dettagli sono più impegnativi perché la densità del gas cambia con la pressione e la temperatura. Una progettazione affidabile richiede la verifica del regime di flusso, della caduta di pressione, delle restrizioni strozzate, delle perdite dei componenti, del metodo di misurazione e dell'andamento della domanda reale. Per le apparecchiature pneumatiche e di processo, questo approccio porta a decisioni di dimensionamento migliori rispetto a quelle che si basano sulle dimensioni nominali dei tubi o sulla sola pressione del compressore.

Domande frequenti sui principi del flusso di gas