Kāds ir gāzes plūsmas princips un kā tas virza rūpnieciskās sistēmas?

Gāzes plūsmu nosaka spiediena starpība, taču rūpnieciskās gāzes sistēmas nevar projektēt tāpat kā šķidrumu sistēmas. Gāzei mainoties spiedienam un temperatūrai, mainās blīvums, tāpēc ātrums, spiediena kritums, siltuma pārnese un masas plūsma ir saistīti. Praktiskajās pneimatiskajās līnijās, dabasgāzes cauruļvados, tehnoloģisko gāzu sliedēs, sprauslās, regulatoros un vadības vārstos galvenais jautājums ir ne tikai “cik daudz gāzes var izplūst”, bet arī tas, vai plūsma saglabājas stabila, vai spiediena zudums ir pieņemams, vai plūsma var aizrīkoties un vai izvēlētā caurule, vārsts vai piedziņa var droši darboties reālos ekspluatācijas apstākļos.

Visvienkāršākajā līmenī gāzes plūsma notiek saskaņā ar saglabāšanas likumiem: masa saglabājas, spēki maina impulsu, bet enerģija pārvietojas starp spiedienu, ātrumu, iekšējo enerģiju, siltumu un darbu. Stabilai plūsmai caurulē, masas plūsmas ātrums caur caurulīti paliek nemainīgs, ja nenotiek masas uzkrāšanās vai zudums.¹. Inženiertehniskā problēma ir tā, ka gāzes blīvums nav fiksēts. Tāpēc spiediena mērītāji, temperatūras rādījumi, caurules diametrs, savienotājelementi un ierobežojumi pēc plūsmas ir jāņem vērā kopā, nevis jāpārbauda katrs atsevišķi.

Saturs

• Kāds ir gāzes plūsmas pamatprincips?
• Ar ko gāzes plūsma atšķiras no šķidruma plūsmas?
• Kādi faktori kontrolē rūpniecisko gāzu plūsmu?
• Kā plūsmas režīmi maina sistēmas konstrukciju?
• Kā inženieriem jāaprēķina un jāoptimizē gāzes plūsma?
• Kādas kļūdas jāizvairās gāzes plūsmas sistēmās?
• Rūpniecisko gāzu plūsmas projektēšanas praktiskais kontrolsaraksts
• Secinājums
• Bieži uzdotie jautājumi par gāzes plūsmas principiem

Kāds ir gāzes plūsmas pamatprincips?

Gāzu plūsmas princips ir tāds, ka gāze pārvietojas no reģiona ar augstāku spiedienu uz reģionu ar zemāku spiedienu, saglabājot masu, impulsu un enerģiju. Vienkāršā caurulē spiediena starpība rada paātrinājumu. Sienu berze, savienotājelementi, vārsti, filtri, regulatori un caurules laukuma izmaiņas patērē daļu spiediena enerģijas. Saspiežamā gāzē daļa enerģijas var izpausties arī kā temperatūras vai ātruma izmaiņas.

Masas saglabāšana

Lai plūsma būtu vienmērīga, masai, kas ieplūst cauruļvada posmā, jābūt vienādai ar masu, kas no tā izplūst. Tā kā gāzes blīvums var mainīties, nepārtrauktības vienādojumā jāiekļauj blīvums, laukums un ātrums:

$\rho_1 A_1 V_1 = \rho_2 A_2 V_2$

Tas nozīmē, ka mazāka caurules daļa ne vienmēr vienkārši dubulto ātrumu. Ja vienlaikus samazinās spiediens un blīvums, ātrums var palielināties vairāk, nekā gaidīts. Tas ir biežs iemesls, kāpēc nepietiekama izmēra pneimatiskās caurules, gari šļūteņu posmi vai ierobežojoši savienotājelementi rada nestabilu izpildmehānisma reakciju.

Momentācijas saglabāšana

Moments izskaidro, kā spiediena spēks, sienas nobīde, līkumi un ierobežojumi maina gāzes ātrumu un virzienu. Rūpnieciski runājot, tas ir iemesls, kāpēc līkumi, ātrās savienotājsavienojumi, trokšņu slāpētāji, filtri un vārstu sēdekļi var radīt spiediena zudumus pat tad, ja nominālais caurules diametrs šķiet pietiekams.

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

Iepriekš minētā formula ir vienkāršota berzes spiediena krituma attiecība. Tā parāda, kāpēc ātrumam ir tik liela nozīme: kad ātrums pieaug, spiediena zudumi strauji palielinās. Gāzes ātruma pārsniegšana nelielā ejā var ietaupīt materiālu izmaksas, bet bieži vien palielina troksni, siltumu, spiediena nestabilitāti un enerģijas patēriņu.

Enerģijas saglabāšana

Gāzes plūsmas enerģiju sadala spiediena enerģija, kinētiskā enerģija, iekšējā enerģija, augstums, siltuma pārnese un darbs uz vārpstas. Daudzos cauruļu un sprauslu aprēķinos inženieri sāk ar vienkāršotu enerģijas bilanci:

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

Maza ātruma iekārtu gaisa sadalei augstums parasti ir mazāk svarīgs nekā spiediena kritums un berze. Liela ātruma sprauslās, izplūdes ceļos vai gāzes izplūdes punktos daudz svarīgāka kļūst kinētiskā enerģija un temperatūras izmaiņas.

Ar ko gāzes plūsma atšķiras no šķidruma plūsmas?

Gāze atšķiras no šķidruma, jo tā ir saspiežama. Šķidruma plūsmas aprēķinos blīvums bieži tiek uzskatīts par gandrīz nemainīgu. Gāzes plūsmas aprēķinā jāpārbauda, vai blīvuma izmaiņas ir pietiekami mazas, lai tās ignorētu. Ja gāzes ātrums ir neliels un spiediena izmaiņas ir nelielas, var izmantot vienkāršotas metodes. Ja ātrums ir liels, spiediena attiecība ir liela vai temperatūras izmaiņas ir ievērojamas, ir nepieciešamas saspiestas plūsmas metodes.

Maha skaitlis salīdzina gāzes ātrumu ar vietējo skaņas ātrumu:

$M = V/a$

Skaņas ātrumu ideālā gāzē parasti izsaka šādi:

$a = \sqrt{\gamma RT}$

Praksē parasti izmanto vienkāršas metodes, lai pārbaudītu rūpniecisko gāzu plūsmu ar zemu Mach rādītāju, bet plūsmai ar lielāku Mach rādītāju ir nepieciešama saspiesto gāzu analīze, jo saspiežamības efekts kļūst nozīmīgāks, jo palielinās Maha skaitlis.². Tas ir svarīgi ātrgaitas izplūdes caurulēm, sprauslām, drošības vārstiem, izpūšanas sprauslām, gāzes regulatoriem un mazām atverēm.

Kādi faktori kontrolē rūpniecisko gāzu plūsmu?

Rūpnieciskās gāzes plūsmu kontrolē gāzes īpašības, sistēmas ģeometrija, darba spiediens, temperatūra, pakārtotās plūsmas pieprasījums un katras plūsmas ceļā esošās sastāvdaļas zudumu raksturlielumi. Ar kompresora jaudu vai ieplūdes caurules izmēru vien nepietiek.

Noderīgs inženiertehnisks ieradums ir nošķirt masas plūsmu no tilpuma plūsmas. Masas plūsma norāda, cik daudz gāzes faktiski pārvietojas. Tilpuma plūsma ir atkarīga no spiediena un temperatūras, tāpēc tā jānorāda, izmantojot standartnosacījumus, piemēram, standarta litrus minūtē, parastos kubikmetrus stundā vai faktiskās kubikpēdas minūtē. Šo vienību sajaukšana ir viens no ātrākajiem veidiem, kā nepareizi nolasīt pneimatisko specifikāciju.

Kā plūsmas režīmi maina sistēmas konstrukciju?

Gāzes plūsmas režīms nosaka, kuri pieņēmumi ir droši. Rūpniecībā īpaši noderīgas ir divas klasifikācijas: laminārā plūsma pret turbulento plūsmu un zemskaņas plūsma pret skaņas vai virsskaņas plūsmu.

Laminārā un turbulentā plūsma

Reinolda skaitlis salīdzina inerces spēkus ar viskozes spēkiem:

$Re = \rho V D / \mu$

Reālās iekārtās pārejas punktu var pārvietot caurules ieejas efekti, sienu nelīdzenumi, līkumi, vibrācija un pulsējošs pieprasījums. Tomēr Reinoldsa skaitlis ir noderīgs, jo robežslāņi var būt lamināri vai turbulenti atkarībā no Reinoldsa skaitļa.³. Turbulentā plūsma parasti palielina sajaukšanos un siltuma pārnesi, taču tā palielina arī spiediena zudumus un troksni.

Zemskaņas, skaņas un aizsprostota plūsma

Zemskaņas plūsma nozīmē, ka gāzes ātrums ir mazāks par vietējo skaņas ātrumu. Izmaiņas lejpus plūsmas joprojām var ietekmēt augšpus plūsmas. Skaņas plūsma rodas pie 1 Maha ātruma. Sprauslā, atverē, vārsta ligzdā vai citā šaurā atverē, maksimālā masas plūsma rodas tad, kad gāzes plūsma tiek aizdambēta vismazākajā laukumā.⁴. Pēc šī punkta, samazinot spiedienu lejup pa plūsmu, masas plūsma augšup pa plūsmu nepalielināsies tā, kā daudzi pircēji to sagaida.

Tas ir īpaši svarīgi drošības pārspiediena ceļiem, pneimatiskajām izpūšanas sprauslām, vakuuma ežektoriem, augstspiediena gāzes regulatoriem un vārstu Cv izmēriem. Ja komponents jau ir nosmidzināts, lielāka lejupejošā caurule var samazināt troksni vai pretspiedienu, bet tā var nepalielināt komponenta maksimālo masas plūsmu.

Kā inženieriem jāaprēķina un jāoptimizē gāzes plūsma?

Gāzes plūsmas aprēķins jāsāk ar darbības problēmu, nevis ar formulu. Vai jūs izvēlaties galvenā kolektora lielumu, pārbaudāt balona reakcijas problēmu, izvēlaties solenoīda vārstu, verificējat plūsmas mērītāju vai novērtējat spiediena zudumus caur filtru un žāvētāju? Katrā gadījumā ir nepieciešami vieni un tie paši fizikālie principi, bet nepieciešamā detalizācijas pakāpe ir atšķirīga.

Praktiska aprēķinu secība

1. Noteikt gāzes un references apstākļus. Ierakstiet gāzes veidu, ieplūdes spiedienu, izplūdes spiedienu, ieplūdes temperatūru, paredzamo apkārtējās vides diapazonu un to, vai plūsmas ātrums ir masas plūsma vai koriģētā tilpuma plūsma.
2. Kartējiet reālo plūsmas ceļu. Ietveriet caurules garumu, iekšējo diametru, līkumus, vārstus, filtrus, žāvētājus, regulatorus, ātrās savienošanas ierīces, trokšņu slāpētājus, kolektorus un izplūdes punktus.
3. Aprēķiniet ātrumu un Maha skaitli. Pārbaudiet, vai pieņēmums par nesaspiežamību ir pieņemams vai arī ir nepieciešamas saspiežamās metodes.
4. Pārbaudiet spiediena kritumu pa sekcijām. Nodaliet tiešās caurules zudumus no vietējo komponentu zudumiem, jo neliels savienojums var radīt lielāku ierobežojumu nekā garš caurules posms.
5. Pārbaudiet, vai nav aizsprostotu ierobežojumu. Īpašu uzmanību pievērsiet atverēm, vārstu sēdekļiem, sprauslām, pārspiediena ceļiem un augstspiediena koeficienta ierīcēm.
6. Apstipriniet ar lauka mērījumiem. Salīdziniet aprēķinātos spiediena zudumus ar manometra rādījumiem kompresora izejā, uztvērējā, attīrīšanas iekārtās, atzarojuma līnijā un galapatēriņa punktā.

Plūsmas mērījumi un standarti

Rūpniecisko plūsmas mērījumu gadījumā neuzskatiet visus plūsmas mērītājus par savstarpēji aizstājamiem. Diferenciālā spiediena ierīces, termiskās masas mērītāji, Koriolisa mērītāji, turbīnu mērītāji un ultraskaņas mērītāji atšķirīgi reaģē uz blīvumu, temperatūru, plūsmas profilu un uzstādīšanas apstākļiem. Diferenciālā spiediena ierīcēm, ISO 5167-1 nosaka vispārīgos principus plūsmas ātruma mērīšanai un aprēķināšanai, izmantojot spiediena diferenciālierīces pilnas apļveida caurulēs.⁵. Tas nenozīmē, ka katra uzstādīšana uz lauka ir automātiski precīza; joprojām ir jāpārbauda taisnās rindas garums, vītņu izvietojums, Reinoldsa skaita diapazons un nenoteiktība.

Optimizācija parasti attiecas uz spiediena zudumiem un pieprasījumu

Saspiestā gaisa un pneimatiskajās sistēmās optimizācija reti tiek panākta, vienkārši paaugstinot kompresora izplūdes spiedienu. Augstāks spiediens var noslēpt galapatēriņa spiediena kritumu, bet tas var palielināt enerģijas patēriņu, noplūdes, mākslīgo pieprasījumu un slodzi uz sastāvdaļām. Labāka pieeja ir samazināt nevajadzīgus ierobežojumus, stabilizēt pieprasījumu, pareizi izmērīt sadales cauruļvadus un izvēlēties vārstus un caurules, pamatojoties uz reālo piedziņas ātrumu un plūsmas pieprasījumu.

Attiecībā uz saspiestā gaisa tīkliem ASV Enerģētikas departamenta rokasgrāmatā uzsvērta sistēmiska pieeja, jo veiktspēja ir atkarīga no tā, kā praksē mijiedarbojas padeves iekārtas, attīrīšanas iekārtas, sadales cauruļvadi, kontrole un galapatēriņš, saspiestā gaisa sistēmas uzlabošana prasa analizēt gan piedāvājuma, gan pieprasījuma pusi kopā.⁶. Tas tieši attiecas uz pneimatiskajiem cilindriem, gaisa sagatavošanas iekārtām, elektromagnētiskajiem vārstiem, kolektoriem un garām rūpnīcas gaisa līnijām.

Kādas kļūdas jāizvairās gāzes plūsmas sistēmās?

Lielāko daļu rūpniecisko gāzu plūsmas problēmu nerada viena nepareiza formula. Tās rodas, ja trūkst darbības detaļu, ja tiek sajauktas mērvienības vai ja pret reālu sistēmu izturas tā, it kā tā būtu tīra mācību grāmatas caurule.

B2B iepirkumiem visnoderīgākais RFQ nav tikai “lūdzu, norādiet šo vārsta izmēru” vai “lūdzu, norādiet šo cilindru”. Labākā RFQ ietver darba spiedienu, vajadzīgo izpildmehānisma ātrumu, caurules garumu, porta izmēru, vārsta tipu, darba ciklu, apkārtējās vides temperatūru, vides tīrību un to, vai plūsma ir nepārtraukta vai periodiska. Šī informācija palīdz piegādātājam pārbaudīt, vai izvēlētais komponents ir vājais punkts, vai arī problēma ir citur sistēmā.

Rūpniecisko gāzu plūsmas projektēšanas praktiskais kontrolsaraksts

• Pārbaudiet gāzes veidu, spiediena diapazonu, temperatūras diapazonu, mitruma vai kondensācijas risku un tīrības līmeni.
• Norādiet, vai plūsmas ātrums ir masas plūsma, faktiskā tilpuma plūsma, standarta plūsma vai normālā plūsma.
• Izmantot absolūto spiedienu un absolūto temperatūru gāzes īpašību aprēķinos.
• Pārbaudiet vismazāko ierobežojumu plūsmas ceļā, ne tikai lielāko caurules izmēru.
• Aprēķiniet ātrumu un Maha skaitli, ja spiediena attiecība vai mazi fragmenti var izraisīt saspiežamības efektu.
• Pārbaudiet spiediena kritumu caur filtriem, žāvētājiem, regulatoriem, vārstiem, kolektoriem, šļūtenēm, trokšņu slāpētājiem un savienotājiem.
• Pārbaudiet, vai sistēmai ir vienmērīgs pieprasījums, pulsējošs pieprasījums vai vienlaicīga izpildmehānisma kustība.
• Pirms kompresora iestatītā spiediena palielināšanas izmēriet spiedienu vairākos punktos.
• Kritisku plūsmas mērījumu vai ar drošību saistītas gāzes izplūdes gadījumā izmantojiet atzītus standartus un kvalificētu inženiertehnisko pārbaudi.

Izvēloties pneimatiskos komponentus, pirms pabeigt komponenta modeļa izvēli, nosūtiet informāciju par darba spiedienu, nepieciešamo plūsmas ātrumu, cauruļu garumu, porta izmēru, izpildmehānisma urbumu un gājienu, ciklu biežumu un vidi. Tas ļauj reālistiskāk salīdzināt plūsmas jaudu, spiediena kritumu, reakcijas laiku un ilgtermiņa uzticamību.

Secinājums

Gāzu plūsmas princips ir vienkāršs: spiediena starpība virza kustību, bet masa, impulss un enerģija saglabājas. Rūpnieciskajās sistēmās detaļas ir sarežģītākas, jo gāzes blīvums mainās atkarībā no spiediena un temperatūras. Lai projektēšana būtu uzticama, ir jāpārbauda plūsmas režīms, spiediena kritums, droseles ierobežojumi, komponentu zudumi, mērīšanas metode un reālā pieprasījuma modelis. Pneimatiskajām un procesu iekārtām šī pieeja ļauj pieņemt labākus lēmumus par izmēru noteikšanu nekā paļaujoties tikai uz nominālo cauruļu izmēru vai kompresora spiedienu.

Bieži uzdotie jautājumi par gāzes plūsmas principiem