Koks yra dujų srauto principas ir kaip jis veikia pramonines sistemas?

Dujų srautą lemia slėgių skirtumas, tačiau pramoninių dujų sistemų negalima projektuoti kaip skysčių sistemų. Keičiantis slėgiui ir temperatūrai, dujų tankis keičiasi, todėl greitis, slėgio kritimas, šilumos perdavimas ir masės srautas yra susiję. Praktiškose pneumatinėse linijose, gamtinių dujų vamzdynuose, technologinių dujų skiediniuose, purkštukuose, reguliatoriuose ir valdymo vožtuvuose pagrindinis klausimas yra ne tik “kiek dujų gali praeiti”, bet ir tai, ar srautas išlieka stabilus, ar priimtini slėgio nuostoliai, ar srautas gali užsikimšti ir ar pasirinktas vamzdis, vožtuvas ar pavara gali saugiai veikti realiomis darbo sąlygomis.

Paprasčiausiu lygmeniu dujų srautas vyksta pagal išsaugojimo dėsnius: masė išlieka, jėgos keičia pagreitį, o energija juda tarp slėgio, greičio, vidinės energijos, šilumos ir darbo. Pastoviam vamzdžio srautui, masės srauto greitis per vamzdelį išlieka pastovus, kai masė nesikaupia ir neprarandama.¹. Inžinerinis iššūkis yra tas, kad dujų tankis nėra fiksuotas. Todėl slėgio matuokliai, temperatūros rodmenys, vamzdžio skersmuo, jungiamosios detalės ir tolesni apribojimai turi būti vertinami kartu, o ne tikrinami po vieną.

Turinys

• Koks yra pagrindinis dujų srauto principas?
• Kodėl dujų srautas skiriasi nuo skysčių srauto?
• Kokie veiksniai lemia pramoninių dujų srautą?
• Kaip srauto režimai keičia sistemos dizainą?
• Kaip inžinieriai turėtų apskaičiuoti ir optimizuoti dujų srautą?
• Kokių klaidų reikėtų vengti dujų srauto sistemose?
• Praktinis pramoninių dujų srauto projektavimo kontrolinis sąrašas
• Išvada
• DUK apie dujų srauto principus

Koks yra pagrindinis dujų srauto principas?

Dujų srauto principas yra toks, kad dujos juda iš aukštesnio slėgio srities į žemesnio slėgio sritį, išsaugodamos masę, pagreitį ir energiją. Paprastame vamzdyje slėgio skirtumas sukuria pagreitį. Sienų trintis, armatūra, vožtuvai, filtrai, reguliatoriai ir vamzdžio ploto pokyčiai sunaudoja dalį šios slėgio energijos. Suspaudžiamose dujose dalis energijos taip pat gali pasireikšti kaip temperatūros pokytis arba greičio pokytis.

Masės išsaugojimas

Kad srautas būtų tolygus, į vamzdžio atkarpą įeinanti masė turi būti lygi iš jos išeinančiai masei. Kadangi dujų tankis gali kisti, į tolydumo lygtį reikia įtraukti tankį, plotą ir greitį:

$\rho_1 A_1 V_1 = \rho_2 A_2 V_2$

Tai reiškia, kad mažesnė vamzdžio sekcija ne visada padvigubina greitį. Jei slėgis mažėja ir tankis mažėja tuo pačiu metu, greitis gali padidėti daugiau, nei tikėtasi. Tai dažna priežastis, kodėl dėl per mažų pneumatinių vamzdžių, ilgų žarnų atkarpų arba ribojančių jungčių pavaros reakcija būna nestabili.

Jėgos momento išsaugojimas

Momentas paaiškina, kaip slėgio jėga, sienelių šlytis, posūkiai ir apribojimai keičia dujų greitį ir kryptį. Pramonės požiūriu, todėl alkūnės, greitosios jungtys, duslintuvai, filtrai ir vožtuvų lizdai gali sukelti slėgio nuostolius, net jei vardinis vamzdžio skersmuo atrodo pakankamas.

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

Pirmiau pateikta formulė yra supaprastinta trinties slėgio kritimo priklausomybė. Ji parodo, kodėl labai svarbus greitis: kai greitis didėja, slėgio nuostoliai greitai didėja. Dujų perteklinis greitis mažame kanale gali padėti sutaupyti medžiagų sąnaudas, tačiau dažnai padidėja triukšmas, šiluma, slėgio nestabilumas ir energijos sąnaudos.

Energijos išsaugojimas

Dujų srauto energija paskirstoma slėgio energijai, kinetinei energijai, vidinei energijai, aukščiui, šilumos perdavimui ir veleno darbui. Atlikdami daugelį vamzdžių ir antgalių skaičiavimų, inžinieriai pradeda nuo supaprastinto energijos balanso:

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

Mažo greičio įrenginių oro paskirstymo atveju aukštis paprastai yra mažiau svarbus nei slėgio kritimas ir trintis. Dideliu greičiu veikiančiuose purkštukuose, reljefo kanaluose arba dujų išleidimo taškuose daug svarbesni tampa kinetinė energija ir temperatūros pokyčiai.

Kodėl dujų srautas skiriasi nuo skysčių srauto?

Dujos skiriasi nuo skysčio tuo, kad yra suspaudžiamos. Skaičiuojant skysčio srautą tankis dažnai laikomas beveik pastoviu. Skaičiuojant dujų srautą reikia patikrinti, ar tankio pokyčiai yra pakankamai maži, kad į juos būtų galima nekreipti dėmesio. Jei dujų greitis nedidelis, o slėgio pokyčiai nedideli, gali būti taikomi supaprastinti metodai. Jei greitis didelis, slėgio santykis didelis arba temperatūros pokyčiai dideli, reikia taikyti suslėgtojo srauto metodus.

Macho skaičius lygina dujų greitį su vietiniu garso greičiu:

$M = V/a$

Garso greitis idealiose dujose paprastai išreiškiamas taip:

$a = \sqrt{\gamma RT}$

Praktinė atrankos taisyklė yra ta, kad mažo Mach srauto pramoninių dujų srautą dažnai galima apdoroti paprastesniais metodais, o didesnio Mach srauto srautui reikia atlikti suspaudžiamąją analizę, nes didėjant Macho skaičiui didėja suspaudžiamumo poveikis.². Tai svarbu didelio greičio išmetimo vamzdžiams, purkštukams, apsauginiams vožtuvams, išpurškimo purkštukams, dujų reguliatoriams ir mažoms angoms.

Kokie veiksniai lemia pramoninių dujų srautą?

Pramoninių dujų srautą lemia dujų savybės, sistemos geometrija, darbinis slėgis, temperatūra, poreikis ir kiekvieno srauto kelyje esančio komponento nuostolių charakteristikos. Nepakanka atsižvelgti tik į kompresoriaus pajėgumą ar įleidimo vamzdžio dydį.

Naudingas inžinerinis įprotis - atskirti masės srautą nuo tūrinio srauto. Masės srautas parodo, kiek dujų iš tikrųjų juda. Tūrinis srautas priklauso nuo slėgio ir temperatūros, todėl jis turi būti nurodomas naudojant atskaitos sąlygas, pavyzdžiui, standartinius litrus per minutę, normalius kubinius metrus per valandą arba faktines kubines pėdas per minutę. Šių vienetų supainiojimas yra vienas greičiausių būdų neteisingai suprasti pneumatinę specifikaciją.

Kaip srauto režimai keičia sistemos dizainą?

Nuo dujų srauto režimo priklauso, kurios prielaidos yra saugios. Pramonėje ypač naudingos dvi klasifikacijos: laminarinis ir turbulentinis srautas bei ikigarsinis ir garsinis arba viršgarsinis srautas.

Laminarinis ir turbulentinis srautas

Reynoldso skaičiumi inercinės jėgos lyginamos su klampiosiomis jėgomis:

$Re = \rho V D / \mu$

Realioje įrangoje pereinamąjį tašką gali pakeisti vamzdžio įėjimo poveikis, sienelių nelygumai, posūkiai, vibracija ir pulsuojantis poreikis. Vis dėlto Reynoldso skaičius yra naudingas, nes ribiniai sluoksniai gali būti laminariniai arba turbulentiniai, priklausomai nuo Reynoldso skaičiaus.³. Turbulentinis srautas paprastai padidina maišymąsi ir šilumos perdavimą, tačiau taip pat didina slėgio nuostolius ir triukšmą.

Subgarsinis, garsinis ir duslusis srautas

Poezoninis srautas reiškia, kad dujų greitis yra mažesnis už vietinį garso greitį. Pokyčiai pasroviui vis tiek gali daryti įtaką srauto viršuje. Garso srautas vyksta esant 1 Macho greičiui. Antgalyje, angoje, vožtuvo lizduose ar kitose siaurose angose, didžiausias masės srautas pasiekiamas, kai dujų srautas uždengiamas mažiausiame plote.⁴. Po šio taško toliau mažinant slėgį pasroviui, masės srautas prieš srovę nepadidės taip paprastai, kaip tikisi daugelis pirkėjų.

Tai ypač svarbu apsauginiams išleidimo kanalams, pneumatiniams išleidimo antgaliams, vakuuminiams ežektoriams, aukšto slėgio dujų reguliatoriams ir vožtuvo Cv dydžiui nustatyti. Jei komponentas jau yra uždusintas, didesnis pasroviui einantis vamzdis gali sumažinti triukšmą arba priešslėgį, tačiau jis gali nepadidinti komponento didžiausio masės srauto.

Kaip inžinieriai turėtų apskaičiuoti ir optimizuoti dujų srautą?

Dujų srauto skaičiavimas turėtų prasidėti nuo eksploatacinės problemos, o ne nuo formulės. Ar nustatote pagrindinio kolektoriaus dydį, tikrinate baliono reakcijos problemą, parenkate elektromagnetinį vožtuvą, tikrinate srauto matuoklį ar vertinate slėgio nuostolius per filtrą ir džiovintuvą? Kiekvienu atveju reikalingi tie patys fizikiniai principai, tačiau reikalingas skirtingas detalumo lygis.

Praktinė skaičiavimo seka

1. Apibrėžkite dujų ir etalonines sąlygas. Įrašykite dujų tipą, įleidimo slėgį, išleidimo slėgį, įleidimo temperatūrą, numatomą aplinkos temperatūrą ir tai, ar srautas yra masės srautas, ar koreguotas tūrinis srautas.
2. Sudarykite tikrojo srauto kelio žemėlapį. Įtraukite vamzdžio ilgį, vidinį skersmenį, alkūnes, vožtuvus, filtrus, džiovintuvus, reguliatorius, greitąsias jungtis, duslintuvus, kolektorius ir išleidimo taškus.
3. Apskaičiuokite greitį ir Macho skaičių. Patikrinkite, ar priimtina nesuspaudžiamumo prielaida, ar reikia taikyti suspaudžiamuosius metodus.
4. Patikrinkite slėgio kritimą kiekvienoje sekcijoje atskirai. Atskirkite tiesaus vamzdžio nuostolius nuo vietinių komponentų nuostolių, nes maža jungtis gali sukelti daugiau apribojimų nei ilgas vamzdžio segmentas.
5. Patikrinkite, ar nėra užspaustų apribojimų. Ypatingą dėmesį skirkite angoms, vožtuvų lizdams, purkštukams, apsauginiams kanalams ir aukšto slėgio santykio įtaisams.
6. Patvirtinkite lauko matavimais. Apskaičiuotus slėgio nuostolius palyginkite su manometro rodmenimis kompresoriaus išėjime, imtuve, valymo įrangoje, atšakoje ir galutinio naudojimo vietoje.

Srauto matavimas ir standartai

Pramoninio srauto matavimo atveju nelaikykite kiekvieno srauto matuoklio pakeičiamu. Diferencinio slėgio prietaisai, šiluminės masės matuokliai, Koriolio matuokliai, turbininiai matuokliai ir ultragarsiniai matuokliai skirtingai reaguoja į tankį, temperatūrą, srauto profilį ir įrengimo sąlygas. Diferencinio slėgio prietaisai, ISO 5167-1 nustato bendruosius srauto greičio matavimo ir apskaičiavimo principus naudojant slėgio skirtumo prietaisus pilno apskritimo vamzdžiuose.⁵. Tai nereiškia, kad kiekvienas lauko įrenginys yra automatiškai tikslus; vis tiek reikia patikrinti tiesiosios linijos ilgį, sriegių išdėstymą, Reynoldso skaičiaus diapazoną ir neapibrėžtį.

Optimizavimas dažniausiai susijęs su slėgio nuostoliais ir paklausa

Suspausto oro ir pneumatinėse sistemose optimizavimas retai pasiekiamas tiesiog didinant kompresoriaus išleidimo slėgį. Didesnis slėgis gali paslėpti galutinio naudojimo slėgio kritimą, tačiau jis gali padidinti energijos sąnaudas, nuotėkį, dirbtinį poreikį ir komponentų apkrovą. Geresnis metodas - sumažinti nereikalingus apribojimus, stabilizuoti poreikį, tinkamai nustatyti paskirstymo vamzdynų dydį ir parinkti vožtuvus bei vamzdžius pagal tikrąjį pavaros greitį ir srauto poreikį.

JAV Energetikos departamento šaltinių knygoje pabrėžiamas sisteminis požiūris į suslėgto oro tinklus, nes eksploatacinės savybės priklauso nuo to, kaip tarpusavyje sąveikauja tiekimo įranga, valymo įranga, paskirstymo vamzdynai, valdymas ir galutiniai naudojimo būdai, suslėgto oro sistemos tobulinimui reikia analizuoti tiek pasiūlos, tiek paklausos pusę.⁶. Tai tiesiogiai susiję su pneumatiniais cilindrais, oro ruošimo įrenginiais, elektromagnetiniais vožtuvais, kolektoriais ir ilgomis gamyklinėmis oro linijomis.

Kokių klaidų reikėtų vengti dujų srauto sistemose?

Dauguma pramoninių dujų srauto problemų kyla ne dėl vienos neteisingos formulės. Jų kyla dėl to, kad trūksta eksploatacinių duomenų, painiojami vienetai arba reali sistema traktuojama kaip švarus vadovėlinis vamzdis.

B2B pirkimams naudingiausias RFQ yra ne tik “nurodykite šio vožtuvo dydį” arba “nurodykite šį cilindrą”. Geresniame RFQ nurodomas darbinis slėgis, reikalingas pavaros greitis, vamzdžio ilgis, prievado dydis, vožtuvo tipas, darbo ciklas, aplinkos temperatūra, terpės švarumas ir tai, ar srautas yra nuolatinis, ar pertraukiamas. Ši informacija padeda tiekėjui patikrinti, ar pasirinktas komponentas yra kliūtis, ar problema yra kitur sistemoje.

Praktinis pramoninių dujų srauto projektavimo kontrolinis sąrašas

• Patikrinkite dujų tipą, slėgio diapazoną, temperatūros diapazoną, drėgmės ar kondensacijos riziką ir švaros lygį.
• Nurodykite, ar srautas yra masės srautas, faktinis tūrinis srautas, standartinis srautas, ar normalus srautas.
• Naudokite absoliutinį slėgį ir absoliučiąją temperatūrą dujų savybėms apskaičiuoti.
• Patikrinkite ne tik didžiausią vamzdžio dydį, bet ir mažiausią srauto kelio apribojimą.
• Apskaičiuokite greitį ir Macho skaičių, kai slėgio santykis arba maži praėjimai gali sukelti suspaudžiamumo poveikį.
• Peržiūrėkite slėgio kritimą filtruose, džiovintuvuose, reguliatoriuose, vožtuvuose, kolektoriuose, žarnose, duslintuvuose ir jungtyse.
• Patikrinkite, ar sistema turi pastovų poreikį, impulsinį poreikį ar vienalaikį pavaros judėjimą.
• Prieš didindami nustatytą kompresoriaus slėgį, išmatuokite slėgį keliuose taškuose.
• Svarbiausiems srauto matavimams arba su sauga susijusiam dujų išleidimui naudokite pripažintus standartus ir kvalifikuotą inžinerinę peržiūrą.

Rinkdamiesi pneumatinius komponentus, prieš baigdami rinkti komponentų modelį, atsiųskite darbinį slėgį, reikiamą srauto greitį, vamzdelių ilgį, prievado dydį, pavaros angą ir eigą, ciklų dažnį ir informaciją apie aplinką. Tai leidžia realiau palyginti srauto pralaidumą, slėgio kritimą, reakcijos laiką ir ilgalaikį patikimumą.

Išvada

Dujų srauto principas yra paprastas: slėgio skirtumas lemia judėjimą, o masė, impulsas ir energija išlieka. Pramoninėse sistemose detalės yra sudėtingesnės, nes dujų tankis kinta priklausomai nuo slėgio ir temperatūros. Norint patikimai suprojektuoti, reikia patikrinti srauto režimą, slėgio kritimą, droselinius apribojimus, sudedamųjų dalių nuostolius, matavimo metodą ir realios paklausos modelį. Pneumatinei ir technologinei įrangai taikant šį metodą priimami geresni sprendimai dėl dydžio, nei pasikliaujant vien nominaliu vamzdžio dydžiu ar kompresoriaus slėgiu.

DUK apie dujų srauto principus