Как рассчитать гидрострелку для отопления: Гидрострелка. Принцип работы, назначение и расчеты.

Содержание

Гидрострелка для отопления – назначение, принцип работы и расчёт

Фактические размеры изделия коррелируются с мощностью котла, напрямую зависят от объема и количества подключаемых контуров. Корпус гидравлического разделителя выполнен из металла и закрепляется на стойках, чтобы устранить риски дополнительного линейного напряжения на трубы. Устройства небольшого размера могут подвешиваться на стены, закрепляться с помощью кронштейнов.

На верхнем участке корпуса гидродинамического терморазделителя расположен автоматический клапан воздухоотводчика. Образующийся в полости осадок от теплоносителя (коррозия, накипь, прочее) очищается вручную. Для организации последней процедуры применяется вентиль либо клапан, расположенный снизу изделия.

Чаще всего гидрострелки делают из прогрунтованной черной стали. Существуют альтернативные варианты исполнения на основе меди, полипропилена. Корпус гидроразделителя в обязательном порядке обрабатывается антикоррозийным составом, а также покрывается теплоизоляционным слоем.

Гидравлический разделитель, вне зависимости от особенностей его конструкции, размеров и материалов изготовления, имеет три основных режима работы.

Равновесное положение параметров. Расход выделенного контура может лишь незначительно отличаться от суммарного расхода всех подключенных к коллектору/гидрострелке контуров.

Тепловой носитель не задерживается в изделии, а свободно проходит сквозь него в горизонтальной плоскости. Фактически, вертикального перемещения не осуществляется (за исключением случайных флуктуаций). Температурные показатели на патрубках при незначительном округлении идентичны. Аналогичная ситуация наблюдается на компонентах устройства, подключенных к «обратке». В этом режиме гидродинамический терморазделитель не оказывает влияния на отопительную систему.

Следует отметить, что в первом режиме устройство работает достаточно редко, поскольку равновесное положение наблюдается при круглосуточной работе отопления лишь эпизодически – спустя непродолжительный период времени, основные параметры динамически изменяются.

На современном рынке часто встречаются модели коллекторов с интегрированными гидрострелками. Наиболее популярны устройства, рассчитанные на 2-5 контуров.

Второй режим

Соотносится с превышением значения суммарного расхода на контурах отопления над соответствующим параметром в отношении самого котла. Данная ситуация возникает в тех случаях, когда подключенные к коллектору модули требуют максимально возможного расхода теплового носителя. В более простой интерпретации – превышение расхода по отношению к генерации.

При формировании такой ситуации в гидродинамическом терморазделителе возникает восходящий вертикальный поток от патрубка «обратки» к соответствующему компоненту, ответственному на подачу жидкости. Параллельно осуществляется подмес горячего теплоносителя, циркулирующего в «малом» выделенном контуре.

Гидродинамический терморазделитель практически всегда используют в отопительных системах, состоящих из трех контуров. Последние реализуют корректную работу радиаторов отопления, бойлера и модуля «теплых полов». При наличии устройства, рассчитанного на работу с четырьмя контурами, возможно подключение нагревателя воздушных масс в вентиляционной системе. Гидрострелка на пять контуров позволяет реализовать комбинированный комплекс со всеми вышеобозначенными компонентами + резервный котел.

Третий режим

В общем случае при правильном монтаже базового оборудования и гидрострелки является основным. Фактический расход теплового носителя в отделенном малом контуре превышает суммарный показатель иных контуров коллектора. В простой интерпретации – превышение генерации над «спросом». Чаще всего активацию данного режима работы вызывает снижение или временное прекращение поступления теплового носителя из коллектора подачи на устройства теплового обмена благодаря аппаратным модулям термостатической регулировки.

В бойлере косвенного нагрева температура жидкости достигает максимальных значений на фоне отсутствия забора воды. Прекращение циркуляции в этом модуле может сопровождаться отключением отдельных радиаторов/контуров, например, при отсутствии необходимости прогрева помещений или же проводимой профилактики. Полноценное введение системы отопления в действие и набор нею штатных параметров выполняется поэтапно, путем последовательного включения отдельных контуров.

При работе гидроразделителя в таком режиме излишек теплового носителя уходит в «обратку» малого контура. Соответственно происходит безопасное накопление избыточной энергии с последующей её порционной тратой.

При монтаже гидродинамического терморазделителя для индивидуальных систем отопления частных домов/коттеджей, часто используют пластиковые модели, устанавливаемые с помощью фитингов.

Несмотря на то, что третий режим считает основным для гидроразделителя, он периодически меняется на первый и второй аналог. При этом преобладание второго режима над остальными свидетельствует об ошибках монтажа либо иных проблемах, поскольку фактически большая часть теплового носителя обращается по кругу со стороны потребителей, что понижает температуру отопительной системы и требует максимальной отдачи теплогенератора. Оптимален вариант с подачей воды нужной температуры и последовательное понижение температурных значений теплоносителя в контурах с помощью трехходовых клапанов.

Подытожив все вышеобозначенные моменты можно отметить, что гидродинамический терморазделитель в системе отопления любой сложности отвечает за создание зоны с нулевым давлением, из которой появляется возможность выполнять отбор теплового носителя на любое число подключенных потребителей.

Расчет гидравлического разделителя

Наиболее простой методикой калькуляции параметров необходимого гидродинамического терморазделителя при отсутствии профессиональных отраслевых знаний является расчет на основе мощности отопительной системы. Основные выкладки, представленные ниже, также используются при самостоятельном изготовлении гидрострелки.

Универсальная формула расчета в зависимости от мощности системы отопления описывает прямую зависимость расхода теплового носителя от:

Совокупной потребности в тепловой мощности;
Фактической теплоёмкости теплового носителя;
Температурной разницы труб подачи теплоносителя и «обратки».

Физическая интерпретация формулы: Q = W / (с × Δt)

Буквенные обозначения:

Q – расход теплового носителя. Единица измерения – литр/час.
W – мощность отопительной системы. Единица измерения – кВт.
С – теплоёмкость теплового носителя. Поскольку последним выступает вода, то данный параметр является константой с соответствующим значением 1,16 киловатт/кубометр* °С.
Δt – температурная разница на подаче и «обратке». Единица измерения – градусы Цельсия.

Соответствующий параметр расхода Q рассчитывается путем умножения площади поперечного сечения трубы (S) на скорость потока жидкости (V). Первое значение измеряется в квадратных метрах. Второе – в метрах/секунду.

В свою очередь: S = Q / V= W / (с × Δt × V)

Фактическим экспериментальным путем подобран оптимальный показатель скорости – это диапазон от 0,1 до 0,2 метра/секунду. В этом случае гидродинамический терморазделитель качественно смешивает тепловой носитель, при этом эффективно отделяет формирующийся в нём воздух и способствует выпадению шлама (вызванного накипью, коррозией, загрязнениями, иными причинами) в локальный осадок.

При переводе обозначенной скорости из м/ч в м/ч путем умножения значений на 3600 секунд, получаем диапазон 360-720 метров/час. Среднее значение минимальной и максимальной цифры – 540 метров/час.

Поскольку базой для расчетов со стороны теплового носителя выступает вода, характеристики которой общеизвестны, можно значительно упростить основную формулу, введя в неё статически цифровые параметры при расчете сечения:

S = W / (1,16 × Δt × 540) = W / (626 × Δt)

Требуемый диаметр рассчитывает по формуле площади круга:

D = √ (4×S/π) = 2 × √ (S/π)

Подставив соответствующие значения, мы получим:

D = 2 × √ (W / (626 × Δt × π)) = 2 × √ (W / (1966 × Δt)) = 2 × 0,02255 × √(W/Δt) = 0,0451 × √(W/Δt)

Для дальнейшего расчета и соответствующего подбора значений метры удобнее перевести в миллиметры, умножив результат предыдущего действие на одну тысячу.

Итоговая формула расчета для гидродинамического терморазделителя при условии потоковой скорости в трубе 0,15 метра/секунду:

D = 45,1 √(W/Δt)

По аналогии, можно просчитать значение требуемого диаметра при условии минимального и максимального значения допустимой скорости потока:

Скорость 0,1 метра/секунду. D = 55,2 √(W/Δt)
Скорость 0,2 метра/секунду. D = 39,1 √(W/Δt)

Правильно рассчитав диаметр гидроразделителя, легко подобрать диаметры для входных и выходных патрубков изделия.

Вместо послесловия

Не получается произвести самостоятельный расчет? Есть вопросы по работе гидродинамического терморазделителя? Требуется квалифицированная консультация по смежным вопросам? Обращайтесь к профессионалам!

принцип работы, назначение и расчеты

ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

Что такое гидрострелка в системе отопления? Гидравлический и температурный буфер, который обеспечивает процессы корреляции температур подачи/обратки и упорядоченный максимальный проток теплоносителя, называют гидрострелкой. Статья на тему: «Гидрострелка: принцип работы, назначение и расчеты» раскрывает сущность гидравлического разделения контуров отопления.

Гидрострелка необходима для осуществления гидродинамической балансировки в системе отопления

Зачем нужна гидрострелка в системе отопления?

Объяснить, для чего нужна гидрострелка для отопления, очень просто. Процессы разбалансировки теплоснабжения знакомы владельцам частных домов. Современный котел имеет меньший по объему контур, чем циркуляционный расход потребителя. Работа гидрострелки отопления позволяет отделить гидравлический контур теплогенератора от вторичной цепи, повысить надежность и качество системы.

Ответом на вопрос: «Для чего нужна гидрострелка в системе отопления?», служит список достоинств отопления с гидравлическим терморазделителем:

разделитель — обязательное условие производителя оборудования для гарантии технического обслуживания на котел мощностью 50 кВт и более, или теплогенератора с чугунным теплообменником;
узел обеспечивает максимальный проток с ламинарным течением теплоносителя, поддерживает гидравлический и температурный баланс системы отопления;
параллельное подключение гидрострелки отопления и контура потребителей создает минимальные потери давления, производительности и тепловой энергии;
коленное расположение патрубков подачи-обратки обеспечивает температурный градиент вторичных контуров;

Схема движения теплоносителя в коллекторе с гидрострелкой

оптимальный подбор и расчет гидрострелки для отопления защищает котел от разницы температур подачи-обратки, предохраняет оборудование от теплового удара, выравнивает циркуляционный объем водяных потоков в первичном и второстепенном контуре;
узел повышает КПД котла, позволяет вторичную циркуляцию части теплоносителя в котловом контуре, экономит электроэнергию и топливо;
подмес сохраняет постоянный объем котловой воды;
при экстренной необходимости разделитель компенсирует дефицит расхода во второстепенном контуре;
полый разделитель снижает влияние насосов, обладающих различной мощностью квт, на вторичные контуры и котел;
дополнительные функции гидроразделителя — уменьшает гидравлическое сопротивление, формирует условия для сепарации растворенных газов и шлама.

В многоконтурных системах отопления использование гидрострелки обязательно для сбалансированной работы

Принцип работы гидрострелки отопления позволяет стабилизировать гидродинамические процессы в системе. Своевременное удаление механических примесей из теплоносителя продлит срок службы насосов, вентилей, счетчиков, датчиков, отопительных приборов. Разделяя потоки (контур теплогенератора и независимый контур потребителя), гидрострелка обеспечивает максимальное использование теплоты сгорания топлива.

Устройство гидрострелки отопления

Гидроразделитель — вертикальный полый сосуд из труб большого диаметра (квадратного профиля) с эллиптическими заглушками по торцам. Размеры разделителя обусловлены мощностью (кВт) котла, зависят от количества и объема контуров.

Тяжелый металлический корпус устанавливают на опорные стойки, чтобы не создавать линейное напряжение на трубопровод. Компактные устройства крепят к стене, располагают на кронштейнах.

Гидрострелка из нержавеющей стали

Патрубок гидрострелки и отопительный трубопровод соединяют с помощью фланцев или резьбы.

Автоматический клапан воздухоотводчика располагают в верхней точке корпуса. Осадок удаляют через вентиль или специальный клапан, который врезан снизу.

Материал для изготовления гидрострелки — низкоуглеродистая или нержавеющая сталь, медь, полипропилен. Корпус обрабатывают антикоррозийным составом, покрывают теплоизоляцией.

Важно! Модели из полимера применяют в системе, которую отапливает котел мощностью от 13 до 35 кВт. Гидравлические разделители из полипропилена не используют для теплогенераторов, которые работают на твердом топливе. Изготовление гидрострелки своими руками из пропилена требует опыта и навыков работы с профессиональным слесарным и ручным электроинструментом.

Гидравлическая стрелка «Meibes»

Дополнительные функции гидрострелок

Усовершенствованные модели совмещают функции разделителя, регулятора температуры и сепаратора. Клапан-терморегулятор обеспечивает температурный градиент вторичных контуров. Выделение растворенного кислорода из теплоносителя снижает риск эрозии внутренних поверхностей оборудования. Удаление из потока взвешенных частиц продлевает срок службы рабочего колеса и подшипников циркуляционных насосов.

На фото изображена модель гидрострелки для отопления в разрезе:

Устройство гидрострелки — вид в разрезе

Горизонтальные перфорированные перегородки разделяют внутренний объем пополам. Потоки подачи-обратки соприкасаются в зоне «нулевой точки» и скользят в разные стороны, не создавая дополнительное сопротивление.

Сверху, в высокотемпературной зоне, расположены пористые вертикальные пластины деаэрации. Сборник шлама и магнитный уловитель (магниевый анод) расположены в нижней части корпуса.

Конструктивные опции гидрострелки: манометр, датчик температуры, клапан терморегулятор и линия для запитки системы при запуске. Сложному оборудованию необходима наладка, регулярные осмотры и техническое обслуживание.

Принцип работы коллектора с гидрострелкой на 3 контура отопления

Принцип работы гидрострелки в системе отопления частного дома

Поток теплоносителя проходит разделитель со скоростью 0,1-0,2 м/с. Котловой насос разгоняет горячую воду до 0,7-0,9 м/с. Рекомендованный скоростной режим дает представление о том, для чего нужна гидрострелка для отопления.

Изменение объема и направления движения гасит скорость водяных потоков при минимальной потере тепловой энергии в системе. Ламинарное движение потока приводит к тому, что гидравлическое сопротивление внутри корпуса практически отсутствует. Буферная зона разделяет котел и цепь потребителя. Насос каждого из отопительных контуров работает автономно, не нарушая гидравлический баланс.

Принцип работы гидрострелки в схеме отопления с 4-х ходовым смесителем

Схемы гидрострелки для отопления (режим работы):

Нейтральный режим работы гидроразделителя, при котором напор, расход, температура и тепловая энергия подачи — обратки соответствуют расчетным параметрам системы. Насосное оборудование обладает достаточной суммарной мощностью. Ламинарное движение потока в гидрострелке обеспечивает процессы деаэрации и осаждения взвешенных частиц.

Нейтральный режим работы гидроразделителя

Схема отражает принцип работы гидрострелки отопления, при котором котел не обладает достаточной мощностью, чтобы обеспечить расход во второстепенном контуре. Дефицит расхода приводит к подмесу холодного теплоносителя. Разница температур подачи/обратки приводит к срабатыванию термодатчиков. Автоматика выведет теплогенератор на максимальный режим горения, однако потребитель не получает достаточного количества теплоты. Система отопления разбалансирована, возникает угроза теплового удара.

Если котел не обладает достаточной мощностью, чтобы обеспечить расход во второстепенном контуре, возникает угроза теплового удара

Объемный поток первичного контура больше, чем расход теплоносителя зависимой цепи. Вариант, при котором котел функционирует в оптимальном режиме. При розжиге агрегата или параллельном отключении насосов вторичных контуров, теплоноситель циркулирует через гидрострелку по первичному (малому) контуру. Температура обратки, которая поступает в котел, выравнивается подмесом из подачи. Достаточный объем теплоносителя поступает потребителю.

Объемный поток первичного контура больше, чем расход теплоносителя зависимой цепи — котел функционирует в оптимальном режиме

Обязательное условие: производительность, которой обладает циркуляционный насос первичного (котлового) контура на 10% больше, чем суммарный максимальный напор насосов во второстепенном контуре.

Методы расчета гидрострелки в системе отопления частного дома

Как рассчитать гидрострелку системы отопления частного дома самостоятельно? Можно вычислить необходимые размеры по формулам или подобрать диаметр по правилу «3D».

Формула определяет диаметр (D) по максимальной пропускной способности гидравлического разделителя (расчеты по паспортным данным на котел):

Формула определяет диаметр гидрострелки по мощности теплогенератора. ΔT разница температур подачи/обратки — 10°C:

Диаметр патрубка, входящего в гидрострелку или распределительный коллектор:

Обозначение	Расшифровка символа	Единица измерения
D	Диаметр корпуса гидрострелки	мм
d	Диаметр патрубка	мм
P	Максимальная мощность, которой обладает котел (паспортные данные котла)	кВт
G	Максимальный проток (пропускная способность, расход) через гидроразделитель за час	м³/час
π	Постоянное значение (3,14)
ω	Максимальная вертикальная скорость теплоносителя через разделитель (0,2)	м/сек
ΔT	Разница температур подачи — обратки (паспортные данные котла)	°C
C	Теплоемкость воды (относительная единица)	Вт/(кг°C)
V	Скорость теплоносителя через вторичные контуры	м/с
Q	Максимальный расход в контуре потребителя	м³/ч

Важно! Формулы, по которым производят расчет гидрострелки для отопления, получены эмпирическим путем. Диаметр входного патрубка в гидроразделитель соответствует диаметру выпуска котла.

Определение параметров гидрострелки практическим методом:

Ориентировочный размер для небольших разделителей выбирают по диаметру входных (выпускных) патрубков. Расстояние между врезками составляет не менее 10 диаметров штуцера. Высота корпуса значительно превышает диаметр.

Коленчатую схему гидрострелки для отопления используют в подборе установки больших размеров. По «правилу 3d» диаметр корпуса составляет три диаметра патрубка. Расстояние 3d определяет пропорции конструкции.

Определение параметров гидрострелки по «правилу 3d»

Распределение врезок по высоте колонны разделителя:

Если в системе не предусмотрен распределительный коллектор, то количество врезок в разделитель увеличивают. Трубопровод, соединяющий первый (котловой) контур с гидрострелкой, распределяют по высоте. Способ позволяет регулировать температурный градиент в динамике. Выполнение условия необходимо для качественного отбора теплоносителя вторичными контурами.

Схема врезки контуров системы отопления в обвязку котла

Совмещение коллектора отопления с гидрострелкой

Небольшие дома обогревает котел, в который встроен насос. Вторичные контуры присоединяют к котлу через гидрострелку. Независимые контуры жилых домов с большой площадью (от 150 м²) подключают через гребенку, гидроразделитель будет громоздким.

Статья по теме:

Распределительный коллектор монтируют после гидрострелки. Устройство состоит из двух независимых частей, которые объединяют перемычки. По количеству вторичных контуров врезают попарно расположенные патрубки.

Распределительная гребенка облегчает эксплуатацию и ремонт оборудования. Запорная и регулирующая арматура системы теплоснабжения дома находится в одном месте. Увеличенный диаметр коллектора обеспечивает равномерный расход между отдельными контурами.

Применение гидрострелки убережет котел от теплового удара

Разделитель и компланарная распределительная гребенка образуют гидравлический модуль. Компактный узел удобен для стесненных условий небольших котельных.

Монтажные выпуски предусмотрены для обвязки звездочкой:

низконапорный контур теплых полов подключают снизу;
высоконапорный контур радиаторов — сверху;
теплообменник — сбоку, на противоположной стороне от гидрострелки.

На рисунке представлена гидрострелка с коллектором. Схема изготовления предусматривает установку балансировочных клапанов между коллекторами подачи/обратки:

Схема гидрострелки с коллектором

Регулирующая арматура обеспечивает максимальный проток и напор на дальних от гидрострелки контурах. Балансировка снижает процессы неправильного дросселирование потока, позволяет добиться расчетной подачи теплоносителя.

Важно! Автономная система отопления относится к системам, работающим с высокой температурой среды под давлением (гидрострелка отопления частного дома в том числе).

Сделать гидрострелку отопления своими руками может специалист, обладающий достаточным запасом знаний в теплотехнике, опытом и навыками работы (электрогазосварка, слесарное дело, работа с ручным электроинструментом). Многочисленные интернет-сайты предлагают пошаговые инструкции по изготовлению гидрострелки для отопления, видео ролики также смогут помочь в этом процессе.

Размеры коллектора отопления с гидрострелкой

Теоретические знания помогут составить схемы и чертежи гидрострелки отопления, сделать индивидуальный заказ оборудования в специализированной организации, проконтролировать работу подрядчика. Доверять изготовление ответственных узлов системы отопления непрофессионалам опасно для жизни и здоровья. Следует помнить о том, что испорченное по вине владельца оборудование гарантийному ремонту и возврату не подлежит.

ОЦЕНИТЕ
МАТЕРИАЛ Загрузка… ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ

REMOO В ВАШЕЙ ПОЧТЕ

Гидрострелка – ВодоГазКомплект

Гидрострелка — служит для гидравлического разделения потоков. Она делает контуры отопления динамически независимыми при передаче движения теплоностителя, но при этом хорошо передает тепло от одного контура другому. Отсюда и другое название гидрострелки — гидравлический разделитель.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА ГИДРОСТРЕЛКА?

Получить, при малом расходе теплоносителя в котловом контуре, большой расход во втором, например — в радиаторном. Допустим имеется котел с расходом 50 литров в минуту, а система отопления получилась в два раза больше по расходу — 100 литров в минуту. Разгонять контур котла до расхода больше, чем это было предусмотрено производителем, в этом случае зкономически нецелесообразно, т.к. увеличится гидравлическое сопротивление, которое либо не даст необходимый расход, либо увеличит нагрузку на циркуляционный насос и, соответственно,- к дополнительным расходам на электроэнергию.
Гидрострелка нужна для исключения гидродинамического влияния контуров друг на друга и на общий гидродинамический баланс всей системы отопления. Например, если у Вас имеются теплые полы, радиаторное отопление и контур горячего водоснабжения (бойлер косвенного нагрева), то имеет смысл разделить эти потоки на отдельные контура, чтобы они друг на друга не влияли.
Отсутствие гидродинамического влияния в гидрострелке между контурами — это когда движение (скорость и расход) теплоносителя в гидрострелке не передается от одного контура к другому.
Гидрострелки (гидравлические разделители, гидроразделители) обычно применяются в отопительных ситемах, состоящих из нескольких потребителей со своими особенными режимами циркуляции и температуры. Например: система состоит из бойлера косвенного нагрева, основного контура отопления, теплых полов, в системе два и более котла и т.д.
Основное их предназначение: снятие лишних нагрузок с циркуляционных насосов, предотвращение тепловых ударов, в конечном итоге — экономия средств.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОСТРЕЛОК.

Существенно упрощается подбор циркуляционных насосов. Правильный подбор насосов для сложной системы отопления является непростой задачей: насосы первичного (котлового контура) могут не обеспечить необходимую производительность, например: циркуляционный насос первичного контура имеет меньшую производительность, чем насосы вторичного контура (отопительного).
Гидрострелка обеспечит вам экономию средств. В системах без гидравлического разделителя маломощные насосы будут расходовать много энергии для преодоления влияния насосов большей мощности, влияние дополнительных контуров может заставить насосы работать в неоптимальном или нештатном режиме. В итоге — насосы могут выйти из строя.
В связи с исключением взаимного влияния насосов улучшается режим работы и долговечность котельного оборудования.
Система отопления работает большую часть времени в условиях далеких от рассчетных, которые использовались при проектировании. Например, использование устройств регулирования расхода в зональных системах отопления приводит к разбалансировке. Применение гидрострелок обеспечивает гидравлической системе устойчивость и сбалансированность.
Гидрострелки помогают избежать паразитных течений, создаваемых другими работающими насосами, из-за которых радиаторы отопления могут нагреваться даже при остановленных насосах.
Защищают теплообменник от тепловых ударов: при отключении каких-либо контуров от системы отопления возникает маленький расход теплоносителя в котле, что ведет к резкому повышению температуры в котле и к последующему приходу сильно остывшего теплоносителя.
Гидрострелка помогает поддерживать постоянный расход котла, что уменьшает разницу температуры между подающим и обратным трубопроводом.
Готовые гидравлические разделители, имеющиеся в продаже, можно использовать в качестве эффективных удалителей шлама и воздуха из системы.

НУЖНА ЛИ ГИДРОСТРЕЛКА ИЛИ НЕТ В КОНКРЕТНОМ СЛУЧАЕ?

Система без гидравлического разделителя

Чтобы определиться нужна ли гидрострелка для вашей системы отопления придется ответить на несколько вопросов.
Если Ваша система отопления построена на нескольких котлах, например напольного газового котла и настенного, завязанных на общую ситему отопления — то да, гидравлический разделитель нужен.
Еще пример: Вы решили установить два котла газовый и электрический (или твёрдотопливный и электрический), чтобы они работали в паре на одну отопительную систему. Электрический котел выбран в качестве «страхующего» на случай нехватки мощности основного. Ответ: нужна. Каждый котёл имеет свой насос и чтобы они не конфликтовали между собой их надо гидравлически разделить.
Если у вас сложная отопительная система, например одновременно используется бойлер косвенного нагрева, теплый пол, контур из радиаторов отопления со своими циркуляционными насосами, то — да, гидрострелка нужна.
Можно сказать проще: если у вас один котёл, а потребителей больше одного (радиаторы, тёплый пол и ещё, допустим, бойлер косвенного нагрева), гидрострелка придется установить: она обеспечит минимальное сопротивление циркуляции через котёл при разном или минимальном разборе тепла на коллекторе.
Нужна ли гидрострелка (гидроразделитель) для настенного двухконтурного котла, если он просто греет одни радиаторы, а горячая вода берется от второго контура?
Ответ: не нужна.
Нужна ли гидрострелка при использовании твердотопливного котла?
Ответ: да, нужна. И чем большего объема — тем лучше. А для чего? Чтобы уровнять температурные скачки для системы отопления! Твердотопливный котел может выдавать очень неприятные температурные скачки для системы.

Система с использованием гидравлического разделителя

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГИДРОСТРЕЛКИ (ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗДЕЛИТЕЛЯ)

рисунок 1

Циркуляционный насос Н1 создает циркуляцию теплоносителя через гидрострелку по первому контуру, а насос Н2 — по второму контуру. Т.е. в гидрострелке происходит перемешивание теплоносителя. Но если расход Q1=Q2, то происходит взаимное проникновение теплоносителя из контура в контур, тем самым как бы создается один общий контур. В этом случае вертикальное движение в гидрострелке не происходит.
В случаях, когда Q1>Q2, движение теплоносителя в гидрострелке происходит сверху вниз и наоборот, в случаях, когда Q1 < Q2, движение теплоносителя в гидрострелке происходит снизу вверх.

Вообще, если у Вас система работает на больших температурах (свыше 70 градусов цельсия), то следует циркуляционные насосы ставить на обратный трубопровод. Если у Вас низкотемпературное отопление 40-50 °C, то лучше их ставить на подачу, так как горячий теплоноситель обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, и насос будет потреблять меньше энергии.

РАСЧЕТ ГИДРОСТРЕЛКИ

Чтобы вычислить диаметр гидрострелки, необходимо знать:

Расход первого контура (котлового, на рис. 1 обозначен как Контур 1)
Расход второго контура (контур отопительной развязки, на рис. 1 обозначен как Контур 2)
Максимальную вертикальную скорость теплоносителя в гидрострелке.

При расчете гидрострелки важно получить медленное вертикальное движение в гидрострелке: не более 0,1 — 0,2 метра в секунду.
Низкая скорость теплоносителя в гидравлическом разделителе нужна для того чтобы:

дать возможность осесть взвешенным частицам песка, шлама и др.
чтобы дать возможность холодному теплоносителю уходить вниз, а горячему устремляться вверх для получения необходимого температурного напора. Например, для теплого пола можно получить второстепенный контур отопления с пониженной температурой теплоносителя, а для бойлера косвенного нагрева можно получить более высокую температуру теплоносителя, способного перехватить максимальный температурный напор.
уменьшить гидравлическое сопротивление в гидрострелке.
выделить из теплоносителя пузырьки воздуха и удалить их через автоматический воздухоудалитель.

Чтобы самому рассчитать параметры гидрострелки необходимо вычислить её диаметр и собрать её, согласно одному из методов на рисунке.

Диаметр гидрострелки вычисляется по одной из формул (соблюдайте размерность!)
	Формула расчета диаметра гидрострелки (вариант 1) D — внутренний диаметр гидрострелки (в метрах) Q — расход воды (м³/сек) V — скорость потока теплоносителя (м/сек)
	Формула расчета диаметра гидрострелки (вариант 2) D — внутренний диаметр гидрострелки (в миллиметрах) Q — расход воды (м³/час) V — скорость потока теплоносителя (м/сек)

Например рассчитаем диаметр гидрострелки по первой формуле:
На рис. 1 расходом первого контура будет являться максимальный расход насоса Н1. Примем за 40 литров в минуту.
Расходом второго контура будет являться максимальный расход насоса Н2. Примем за 120 литров в минуту.
Тогда расход в гидрострелке равен: Q = Q2 — Q1 = 120 — 40 = 80 литров/мин (или 80 : 1000 : 60 = 0,001333 м³/сек)
п — константа. п = 3,14
Максимальную вертикальная скорость теплоносителя в гидрострелке обычно принимают равной 0,1 — 0,2 м/сек. Примем V = 0,1 м/сек
Подставив значения в формулу получим: D = √(4х0,001333):3,14:0,1 = 0,130 метра
Если воспользоваться второй формулой, то расход надо пересчитать в м³/час: 80 : 1000 : 60 = 0,001333 м³/сек = 0,00133 х 3600 м³/час = 4,7988 м³/час
D = 18,811 х √(4,7988:0,1) = 130 мм.

КАК ИЗГОТОВИТЬ ГИДРОСТРЕЛКУ САМОМУ?

А Вы подумайте — стоит ли этим заниматься?
Ведь если Вы нашли средства на сложную систему отопления, монтаж которой и оборудование стоят весьма приличных денег, то стоит ли с ней (в смысле изготовления) возиться? Не проще ли купить готовую?
К тому же готовые гидрострелки имеют качественное заводское антикоррозионное покрытие, оборудованы такими полезными устройствами как отделители шлама, имеют утеплитель и т. д.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ КОЛЛЕКТОРЫ (КОТЛОВЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ)

Одним из способов качественного устройства системы отопления или системы горячего водоснабжения, является коллекторная разводка. Простота, скорость и удобство монтажа такой системы, а также комфортность дальнейшей эксплуатации, приводят ко все более более частому ее применению. Использование коллекторов, коллекторных шкафов в сборе и дополнительных аксессуаров, позволяет собрать систему большой надежности и высокой степени комфортности.

Для чего нужен котловой коллектор?
Коллекторы котловые (гребенки, гидравлические коллекторы) применяются для равномерного распределения потоков теплоносителя по контурам отопительной системы или по «ниткам», а также для упрощения монтажа трубопроводных систем котельных. Для грамотного проектирования именно Вашей гребенки проектировщик делает ГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.
К примеру в вашем доме 2 этажа, есть баня, тёплые полы, система горячего водоснабжения (ГВС). Каждый из этих потребителей тепла нуждается в своей температурной регулировке. Как быть если у котла только один вход (обратная линия), и один выход (подача). В этом случае мы устанавливаем котловой коллектор (главный разделитель контуров отопления), в нашем примере ставим коллектор на 4 выхода + котел.
В зависимости от выбранной проектировщиком системы отопления подбирается один из основных элементов в котельной — распределительная гребенка или другими словами котловой коллектор. Сегодня в магазинах и на рынке можно найти много вариантов котловых коллекторов, но часто их типоразмер не совпадает с конкретным проектом вашей котельной. В таких случаях можно рассмотреть различные варианты с совмещением нескольких коллекторов в один большой, обрезка или заглушка не нужных ниток и т.д.
Система отопления должна быть не запутанной , а логичной и простой для понимания любому человеку, и именно котловой коллектор в экстренной ситуации поможет соориентироваться хозяину дома (неопытной хозяйке, инженеру аварийной службы и т. д.) что и как быстро отключить, а не разбираться в схеме ваших трубопроводов часами.

Коллекторный шкаф в сборе представляет из себя, готовый узел подготовки, регулирования и распределения теплоностителя по контурам теплого пола, так и по контурам отопления радиаторов. Для удобства увязки контуров, коллекторы укомплектованны термоклапанами, расходомерами, имеют возможность установки термостатических головок.
Коллекторы гидравлического узла — это оборудование итальянского производителя, зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. Удобство состоит в малых размерах этого узла и легкости подключения насосов, трехходовых клапанов и запорной арматуры.

зачем она нужна, какие бывают, для чего в системе, что это такое, как рассчитать, схема, расчет

Гидравлический разделитель — устройство, которое применяют для объединения частей обвязки в единую, автоматически регулирующуюся машину.

Оно предназначено для разделения контуров.

Гидрострелка: что это такое

Устройство предназначено для разделения контуров. Первый обязательно содержит котёл, иногда циркуляционный насос. В прочих находятся остальные приборы: радиаторы, расширительные баки, тёплые полы.

Внешний вид и назначение

Блок выглядит как крупная электрическая вилка с ответвлениями. У большей части устройств всего два выступа: для связи с нагревателем.

Из боковых частей выходит ограниченное количество труб, параллельно соединённых друг с другом.

Верхние предназначены для горячей воды, а нижние — для холодной.

Конструкция

Зависит от производителя и задачи, для которой его устанавливают. Качественный бак имеет не менее 6 ответвлений. Два из шести последних служат техническим целям: спуску воздуха и отводу шлама. Их, соответственно, направляют вверх и вниз.

Гидрострелка представляет собой бак, внутри которого ёмкости, соединённые клапанами. Первая служит для содержания горячей воды, вторая — холодной. Если в одном из контуров недостаёт жидкости, открывается отверстие и происходит смешение.

Зачем она нужна в системе отопления

Прибор автоматически разделяет потоки теплоносителя по нескольким контурам. Рабочая жидкость, поступая в устройство, проходит через трубы. Поступая из котла, вода переправляется по патрубкам к нужному месту.

Обратка собирается в баке, затем возвращается в нагреватель. При необходимости, часть нагретого вещества объединяется с холодным для путешествия назад. Возможен обратный вариант, при котором остывшая жидкость вновь идёт по обвязке.

Задача прибора — объединить несколько контуров в единый механизм. Это требуется при наличии множественных циркуляционных насосов, распределённых по обвязке. Устройство также полезно для создания системы с несколькими котлами: оно поможет разделить работу по нагревателям, позволяя части отдыхать.

Чертёж

Общий вид гидрострелки представлен на рисунке.

Фото 1. На чертеже показано устройство гидравлического разделителя в разрезе, подписаны основные составляющие.

Какие бывают режимы

Устройство способно работать по-разному в различных ситуациях, зависящих от температуры теплоносителя внутри:

Стандартный вариант — расходы контуров приблизительно равны. Система находится в относительном равновесии, поэтому горячая и холодная вода идёт по соответствующим ответвлениям.
Количество жидкости, покидающей котёл, меньше, чем требуется. Из-за этого часть теплоносителя из обратки не возвращается к нагревателю, а повторяет полный круг по обвязке.
Третий режим является отражением второго: котёл покидает избыток вещества. Это случается, если не все части системы требуют обогрева в определённый момент.

Схемы

Подробнее варианты эксплуатации гидравлического разделителя представлены на рисунке.

Фото 2. Схемы трех вариантов использования гидравлического разделителя, указаны характерные особенности работы устройства в каждом режиме.

Преимущества

Плюсы гидравлического разделителя:

Выравнивание эксплуатации котла.
Стабилизация расхода теплоносителя, давления.
Улучшается управление контурами.
Для каждой части обвязки имеет независимый теплообменник, что увеличивает срок службы.

И также необходимо отметить снижение требований к циркуляционному насосу.

Для чего нужны дополнительные возможности

Кроме перечисленного выше, гидрострелка выполняет две полезных функции:

Поток воды резко замедляется, попадая в устройство. Благодаря этому часть твёрдых скоплений с каждым кругом оседает на дне.
При помощи специального вентиля их легко сбросить.
По той же причине жидкость покидают пузырьки газа, для спуска которых предусмотрен кран в верхней части прибора.

Вам также будет интересно:

Как рассчитать параметры

Для устройства главным показателем выступает диаметр корпуса, который состоит из трёх патрубков. Вычисление выполняют по одному из двух параметров: максимальной пропускной способности или разнице температур.

В первом случае формула имеет вид:

D = 3 * D_p = 18,8 * (G / W)^1/2, где

D_p — диаметр патрубка.
G — максимальный проток.
W — ограничение вертикальной скорости теплоносителя.

Во втором случае:

D = 3 * D_p = 17,4 * (G / (W * T))^1/2, где

T — разница в температуре между подачей и обраткой.
Все остальные характеристики имеют те же обозначения.

Разница в формулах обусловлена учётом нагрева воды. Степень 1/2 обозначает корень из числа.

Диаметр патрубка также можно определить:

D_p = ((4 * Q) / (Pi * V))^1/2, где

Q — максимальный расход теплоносителя.
V — скорость жидкости во вторичных контурах.
Pi — число Пи.

Важно! Формулы позволяют достаточно точно определить необходимый размер гидрострелки, но выбирать устройство нужно исходя из диаметра труб котла.

Дополнительные способы расчета

Существует ещё два способа расчёта:

Практический — путём испытания нескольких патрубков, подгонке их к контурам. Разделитель должен иметь втрое большую величину, чем найденная.
Количественный — по числу ответвлений, распределённых по всей высоте устройства. В качестве основного показателя выбирают расстояние от врезки котла до первого поворота.

Производители: фото

Среди компаний нельзя обозначить явного лидера, отличающегося более качественными изделиями. Созданием гидравлических стрелок занимаются следующие фирмы:

Immergas.
Barberi.
DesignSteel.
Emmeti.
Фото 3. Гидрострелка из латуни, мощность 60 кВт, габариты 320×140мм, производитель — «Emmeti, Италия».
Ariston.
Askon.
Фото 4. Гидравлический разделитель резьбовый, мощность до 100 кВт, внутренняя резьба 1 1/2, производитель — «Askon».
FAR.
Meibes.
FORS.
Прочие.
Фото 5. Модульная гидрострелка-коллектор Эконом-Компакт из нержавеющей стали, мощность 32 кВт, производитель — «Поток», Россия.

Устройства различаются ценой, материалом, количеством ответвлений, массой, диаметром патрубков и несколькими другими, не столь важными показателями.

Полезное видео

Ознакомьтесь с видео, в котором рассказывается, что собой представляет гидрострелка и для чего она нужна.

Установка

Установка гидравлического разделителя рекомендована в следующих ситуациях:

Теплоноситель прогревается в трёх и более котлах.
В системе используется несколько циркуляционных насосов.

Устройство помогает регулировать обвязку с большим количеством приборов. В большинстве прочих обстановок гидрострелка необязательна.

Монтаж довольно прост:

Местом установки служит промежуток между котлом и коллектором (если есть) или первым ответвлением. Необходимо пространство для размещения всех патрубков и свободного доступа к ним.
Само устройство располагают на кронштейнах, обычно вертикально. Это помогает шламу отсеиваться в нижнюю часть, а воздуху — подниматься наверх. Если разделитель обладает большой массой, его размещают на опорах или полу.
Важно! Следует помнить об аккуратности во время монтажа. Необходимо попасть каждым участком трубы к патрубку, в противном случае потребуется переделывать.
Трубы соединяют обычными резьбовыми, иногда фланцевыми соединениями. Контуры подключают по очереди.

Гидрострелка: принцип работы, назначение и расчеты

ПОДЕЛИТЕСЬ В СОЦСЕТЯХ

В системе отопления часто применяется гидрострелка. Принцип работы, назначение и расчеты данного приспособления помогут понять, для чего оно используется. Гидрострелка представляет собой температурный и гидравлический буфер, который обеспечивает правильную корреляцию потока теплоносителя и температурного режима. С помощью устройства производится гидравлическое разделение контуров отопления.

С помощью гидрострелки можно создать безопасную отопительную систему

Зачем нужна гидрострелка в системе отопления?

разделитель — обязательное условие производителя оборудования для гарантии технического обслуживания на котел мощностью 50 кВт и более, или теплогенератора с чугунным теплообменником;
узел обеспечивает максимальный проток с ламинарным течением теплоносителя, поддерживает гидравлический и температурный баланс системы отопления;
параллельное подключение гидрострелки отопления и контура потребителей создает минимальные потери давления, производительности и тепловой энергии;
коленное расположение патрубков подачи-обратки обеспечивает температурный градиент вторичных контуров;

Схема движения теплоносителя в коллекторе с гидрострелкой

оптимальный подбор и расчет гидрострелки для отопления защищает котел от разницы температур подачи-обратки, предохраняет оборудование от теплового удара, выравнивает циркуляционный объем водяных потоков в первичном и второстепенном контуре;
узел повышает КПД котла, позволяет вторичную циркуляцию части теплоносителя в котловом контуре, экономит электроэнергию и топливо;
подмес сохраняет постоянный объем котловой воды;
при экстренной необходимости разделитель компенсирует дефицит расхода во второстепенном контуре;
полый разделитель снижает влияние насосов, обладающих различной мощностью квт, на вторичные контуры и котел;
дополнительные функции гидроразделителя — уменьшает гидравлическое сопротивление, формирует условия для сепарации растворенных газов и шлама.

В многоконтурных системах отопления использование гидрострелки обязательно для сбалансированной работы

Устройство гидрострелки отопления

Гидрострелка из нержавеющей стали

Патрубок гидрострелки и отопительный трубопровод соединяют с помощью фланцев или резьбы.

Гидравлическая стрелка «Meibes»

Выводы и рекомендации

Чтобы сделать гидрострелку из полипропилена своими руками понадобится специальный паяльник. Для работы с металлами потребуется сварочное оборудование и соответствующие навыки. Несмотря на большое количество инструкций в сети Интернет, изготовить качественное изделий будет сложно. С учетом всех затрат и трудностей, выгоднее приобрести готовое устройство в магазине.

С помощью знаний о гидрострелках, принципах работы, назначения и расчетов выбирают определенную модель. Учитывают особенности котлов и потребителей тепла.

Для создания сложных систем можно обратиться за помощью к профильным специалистам

Дополнительные функции гидрострелок

На фото изображена модель гидрострелки для отопления в разрезе:

Устройство гидрострелки — вид в разрезе

Принцип работы коллектора с гидрострелкой на 3 контура отопления

Принцип работы гидрострелки в системе отопления частного дома

Принцип работы гидрострелки в схеме отопления с 4-х ходовым смесителем

Схемы гидрострелки для отопления (режим работы):

Нейтральный режим работы гидроразделителя, при котором напор, расход, температура и тепловая энергия подачи — обратки соответствуют расчетным параметрам системы. Насосное оборудование обладает достаточной суммарной мощностью. Ламинарное движение потока в гидрострелке обеспечивает процессы деаэрации и осаждения взвешенных частиц.

Нейтральный режим работы гидроразделителя

Схема отражает принцип работы гидрострелки отопления, при котором котел не обладает достаточной мощностью, чтобы обеспечить расход во второстепенном контуре. Дефицит расхода приводит к подмесу холодного теплоносителя. Разница температур подачи/обратки приводит к срабатыванию термодатчиков. Автоматика выведет теплогенератор на максимальный режим горения, однако потребитель не получает достаточного количества теплоты. Система отопления разбалансирована, возникает угроза теплового удара.

Объемный поток первичного контура больше, чем расход теплоносителя зависимой цепи. Вариант, при котором котел функционирует в оптимальном режиме. При розжиге агрегата или параллельном отключении насосов вторичных контуров, теплоноситель циркулирует через гидрострелку по первичному (малому) контуру. Температура обратки, которая поступает в котел, выравнивается подмесом из подачи. Достаточный объем теплоносителя поступает потребителю.

Подводя итог

Без сомнения, несмотря на кажущуюся простоту устройства, гидравлический разделитель повышает возможности отопительной системы, позволяет распределить потоки нагретого теплоносителя так, как это необходимо. Важно лишь подобрать или изготовить своими руками изделие, которое подойдет именно к определенной системе. В противном случае никакого толка от подобного устройства не будет.

Довольно интересная форма для гидравлической стрелки

Не стоит забывать о том, что если человек не позаботится о своем комфорте, то за него никто этого не сделает. А значит, стоит задуматься, стоит ли экономить столь малые силы, которые можно потратить на изготовление гидрострелки, в ущерб комфортной температуры в своем жилище.

Надеемся, что изложенная сегодня информация была в чем-то полезна нашему уважаемому читателю. Если у Вас остались вопросы, мы с радостью на них ответим в обсуждениях к статье. Если же у Вас есть опыт производства подобных работ, убедительная просьба поделиться с другими читателями нашего ресурса. Возможно, эта информация кому-то поможет. Пишите, общайтесь, спрашивайте и делитесь своим опытом.

Методы расчета гидрострелки в системе отопления частного дома

Формула определяет диаметр (D) по максимальной пропускной способности гидравлического разделителя (расчеты по паспортным данным на котел):

Формула определяет диаметр гидрострелки по мощности теплогенератора. ?T разница температур подачи/обратки — 10°C:

Диаметр патрубка, входящего в гидрострелку или распределительный коллектор:

Обозначение	Расшифровка символа	Единица измерения
D	Диаметр корпуса гидрострелки	мм
d	Диаметр патрубка	мм
P	Максимальная мощность, которой обладает котел (паспортные данные котла)	кВт
G	Максимальный проток (пропускная способность, расход) через гидроразделитель за час	м3/час
?	Постоянное значение (3,14)
?	Максимальная вертикальная скорость теплоносителя через разделитель (0,2)	м/сек
?T	Разница температур подачи — обратки (паспортные данные котла)	°C
C	Теплоемкость воды (относительная единица)	Вт/(кг°C)
V	Скорость теплоносителя через вторичные контуры	м/с
Q	Максимальный расход в контуре потребителя	м3/ч

Определение параметров гидрострелки практическим методом:

Определение параметров гидрострелки по «правилу 3d»

Распределение врезок по высоте колонны разделителя:

Схема врезки контуров системы отопления в обвязку котла

Схемное решение по сдвигу патрубков

Классический вариант гидравлического разделителя предполагает создание патрубков симметрично расположенных относительно один другого. Однако практикуется также схемный вариант несколько иной конфигурации, где патрубки располагаются несимметрично. Что это даёт?

Схема изготовления гидравлического разделителя, в котором патрубки вторичного контура несколько смещены относительно патрубков первичного контура. По мнению изобретателей (и доказано практикой), этот вариант видится более продуктивным по фильтрации частиц и отделению воздуха

Как показывает практическое применение несимметричных схем, в этом случае происходит более эффективное отделение воздуха, а также достигается лучшая фильтрация (отстой) взвешенных частиц, присутствующих в теплоносителе.

Метод теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBR

1. Введение

Мотивом данного исследования является явление деградации теплообмена в условиях низкого числа Пекле промежуточного теплообменника противоточного типа (ПТО) . Поскольку эксперименты с жидким натрием в настоящее время нереалистичны, целью настоящего исследования является разработка метода теплогидравлического расчета промежуточного ИНХ реактора на быстрых нейтронах (РБР) «Мондзю» с использованием кода вычислительной гидродинамики (CFD). .Общий коэффициент теплопередачи (КТК) был измерен в IHX парогенератора мощностью 50 МВт (ПГ 50 МВт) и оценен Mochizuki и Takano [1]. На парогенераторе мощностью 50 МВт было три системы теплопередачи: первая система с жидким натриевым теплоносителем, вторичная система с жидким натриевым теплоносителем и водяная система для выработки пара, чтобы подтвердить теплогидравлические характеристики и характеристики материалов таких компонентов, как испаритель, пароперегреватель, ИТХ, воздухоохладитель и т. д., которые были реализованы в прототипе РБР «Мондзю.Оказалось, что HTC был намного ниже эмпирической корреляции Себана и Симадзаки [2] в условиях низкого числа Пекле. Деградация ГТК, измеренная на установке ПГ мощностью 50 МВт, была исследована для условий низкого расхода с использованием одномерного системного кода [3], но определить конкретную причину деградации не удалось. Возможные причины, такие как дрейфовый поток или вихрь в оболочке ИГХ, которые могли бы вызвать деградацию ГТК, не наблюдались в эксперименте с использованием масштабированного ИГХ вода-вода и не рассчитывались по коду CFD [4]. Хотя измерение температуры с использованием крупномасштабного реального IHX было бы лучшим способом для дальнейшего исследования, это нереально из-за сложности инструментовки. Поскольку жидкий натрий непрозрачен и характер потока почти не поддается измерению, расчет CFD всего IHX является одним из лучших методов уточнения HTC как функции скорости потока. Поэтому расчетная модель CFD, включающая первичную и вторичную стороны IHX реактора «Мондзю», была разработана на основе опубликованной конфигурации и данных IHX (PNC, [5]).Мы также использовали опубликованные экспериментальные результаты, измеренные на «Мондзю» во время испытаний на отключение турбины, проведенных 1 декабря 1995 г. [6, 7].

IHX реактора FBR «Monju» показан на рис. 1 . IHX состоит из более чем 3000 теплообменных труб, из которых эффективная длина теплопередачи составляет около 6 м. IHX имеет кольцевую конфигурацию. IHX изолирован минеральной ватой для уменьшения потерь тепла. Первичная и вторичная стороны соответствуют кожуху и стороне трубы теплопередачи соответственно. Поскольку центральная труба на вторичной стороне изолирована, теплопередачей между первичным и вторичным потоком можно пренебречь. Стрелки на рисунке указывают направление потока с обеих сторон. Размеры IHX в «Мондзю» и ПГ мощностью 50 МВт указаны в таблице 1 . Как видно из сравнения, два IHX почти одинаковы, за исключением рейтинга. До сих пор только в нескольких исследованиях применялся метод CFD для оценки теплогидравлики в IHX из-за его сложности и наличия большого количества отверстий и трубок теплопередачи, что делает трехмерные расчеты сложными и трудоемкими.Охяма и др. [8] рассчитали первую систему японского реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем (JSFR) с использованием кода STAR-CD. Они рассчитали теплогидравлику на первичной стороне IHX с крупной сеткой на основе метода расчета, задающего граничные условия на вторичной стороне, поскольку их основной целью было рассчитать всю первичную систему теплопередачи FBR. Граничные условия рассчитывались с использованием одномерного кода. Гаджапати и др. [9] рассчитали теплогидравлику IHX для PFBR в Индии, используя код PHOENICS.Они моделировали только сторону оболочки, а вторичная сторона моделировалась как теплоотвод в уравнении энергии первичного натрия. Их конфигурация сетки также была грубой. Поэтому совместный анализ между первичной и вторичной сторонами IHX не проводился. Такой совместный анализ необходим для исследования термогидравлики в IHX.

Рис. 1. ИГХ реактора «Мондзю».

Метод теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBRhttps://doi.org/10.1080/00223131.2015.1006704
Опубликовано онлайн:
10 февраля 2015 г.
Таблица 1. Технические характеристики промежуточных теплообменников.
IHX передает тепло от первичного жидкого натрия к вторичному натрию. Первичный жидкий натрий из реактора подается в ИНХ «Мондзю» через одно сопло, предусмотренное на внешней оболочке, а в кольцевом пространстве ИНХ имеется механизм распределения потока с множеством мелких отверстий. Натрий подается в банк теплообменных трубок через «окна».Трубки теплопередачи приварены к трубным решеткам и опираются на семь выпрямительных пластин. На этих пластинах имеется множество проточных отверстий малого диаметра для выпрямления потока. Первичный жидкий натрий вытекает через «окна» в затрубное пространство и возвращается в активную зону через сопло в нижней части ИГХ. Вторичный жидкий натрий подается через центральную трубу в нижнюю камеру и распределяется по трубам теплопередачи. Кольцо выпрямителя потока, расположенное в нижней камере, играет важную роль в распределении потока по теплообменным трубкам.Жидкий натрий, выходящий из теплообменных трубок, собирается в верхней части ИТХ и подается в парогенераторы.
2. Моделирование

Сначала мы попытались создать единую расчетную модель всего ИНХ реактора «Мондзю» с помощью рабочей станции. Для расчета CFD сначала был подготовлен трехмерный чертеж системы автоматизированного проектирования (CAD), как показано на Рисунок 2 . Создание расчетной сетки, состоящей из всего IHX, довольно сложно и превышает возможности нашего компьютера, если требуется мелкая сетка.Мы попытались создать расчетную модель с грубой сеткой. Однако выяснилось, что расчетная сетка была слишком грубой для оценки теплогидравлики на первичной и вторичной сторонах IHX. Поэтому IHX делится на три модели. Это модель-I: основная сторона IHX; модель-II: в основном вторичная сторона и модель-III для области трубы теплопередачи. Модель-I состоит из входного патрубка, механизма распределения потока, окон, сильфонной области, первичного выхода и верхней части теплообменных труб.Модель-II состоит из центральной трубы, нижней камеры с кольцом выпрямителя потока на вторичной стороне и части первичной стороны в области нижней камеры. Модель-III состоит из теплообменных трубок на первичной (кожух) и вторичной (трубка) сторонах и пластин выпрямителя на первичной стороне. Если для модели III можно применить секторные модели, количество сеток может быть значительно уменьшено. Важным условием является принятие осесимметричной теплогидравлической ситуации на входных окнах кожуха при расчете области теплообмена по секторной модели.Так как ИТХ «Мондзю» имеет только одно сопло, подающее первичный натрий в кожух, необходимо подтверждение равномерности распределения потока на блок теплообменных труб. Если распределение потока неравномерно, секторная модель не может быть принята. Код ANSYS CFX используется для расчета термогидравлики в IHX. Общие условия расчета приведены в таблице 2 . Эти модели и условия расчета приведены в таблице 3 .

Рис. 2. CAD-модель компонентов IHX «Monju» для расчета.

Методика теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBRhttps://doi. org/10.1080/00223131.2015.1006704
Опубликовано в сети:
10 февраля 2015 г.
Таблица 2. Условия расчета на первом контуре.
Методика теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBRhttps://doi.org/10.1080/00223131.2015.1006704
Опубликовано в сети:
10 февраля 2015 г.
Таблица 3. Расчетные модели с использованием кода CFX.
2.1. Модель-I на первичной стороне IHX
2.1.1. Состав модели-I
Имеется только одно впускное сопло первичного натрия, и предусмотрено шесть окон для подачи натрия в область трубы теплопередачи.Поскольку первичный натрий подается в кожух ИНХ через одно сопло, приваренное к кожуху, предусмотрен механизм распределения потока для получения, насколько это возможно, равномерного расхода для каждого проходного окна. Без такого механизма расход из окна, противоположного входному соплу, имеет тенденцию к увеличению по гидродинамическим характеристикам. Распределение потока контролируется отверстиями малого диаметра, расположенными в кольцевом пространстве внешней и внутренней оболочек, как показано на рис. 3 .Мы получили информацию о том, что диаметр отверстий и их расположение определялись опытами с водой и общей площадью отверстий в разных областях. Поэтому мы расположили отверстия неравномерно, используя полносекторную модель. Эта часть разбивается с учетом пограничных слоев с использованием смеси сеток призменного типа, шестигранных и тетраэдрических сеток. Толщина первого слоя в пограничном слое составляет 3,15 × 10 ⁻⁴ мкм, что соответствует y ⁺ ≈ 100, а общее количество элементов сетки над сильфонной областью составляет примерно 8.5 миллионов. В коде заданы развитые распределения по скорости и интенсивности турбулентности, основанные на предположении, что теплоноситель поступает в ИТХ по длинной трубе, а в качестве выходного граничного условия используется постоянное давление 0,1 МПа. Масштабируемая функция стенки применяется к первому слою сетки. По плавучести во всех расчетах используется приближение Буссинеска.
Метод теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBRhttps://doi. org/10.1080/00223131.2015.1006704
Опубликовано онлайн:
10 февраля 2015 г.

Рис. 3. Механизм распределения потока на первичной стороне.

2.1.2. Результат расчета с использованием модели I

Впускные окна пронумерованы от № 1 до № 6 по часовой стрелке, как показано на рис. 4 . Натрий, вытекающий из окна, ударяется о теплообменные трубки и выпрямляется в радиальном и окружном направлениях.Трубы теплопередачи моделируются следующим образом. Всего насчитывается 23 слоя трубок. Мы проводили расчет, увеличивая количество слоев теплообменных труб один за другим. Распределение расхода на входном окне было практически одинаковым за пределами трех слоев; существует незначительное влияние увеличения количества слоев на распределение массовой скорости окна. Схема потока, полученная с тремя слоями теплообменных трубок, показана на рисунке 4. Распределения скорости потока из окон приведены в таблице 4 для двух рабочих условий. Расхождение расхода со средним расходом из каждого окна находится в пределах ±4%. Поскольку механизм распределения потока спроектирован правильно, поток из окна практически равномерен. Следовательно, делается вывод, что секторная модель, такая как 1/6 секторов, включая окно № 1, может быть принята в расчете CFD. Рис. 4.Модель-I и расположение окон на стороне первичного контура и распределение расхода при использовании трехслойных теплообменных трубок.

Рис. 4. Модель-I и расположение окон на стороне первичного контура и распределение расхода при использовании трехслойных теплообменных труб. Таблица 4.Распределение расхода для впускных окон.

2.2. Модель-II на вторичной стороне IHX

2.2.1. Структура модели-II

Полносекторная модель на вторичной стороне IHX сделана для исследования распределения потока по многим теплообменным трубкам и теплообмена в нижней камере между первичным и вторичным натрием. Поскольку расположение и конфигурация отверстий в кольце выпрямителя потока не были ясны, мы приняли расположение отверстий, как показано на рис. 5 .Объекты, обозначенные синими точками на этом рисунке слева вверху, означают трубы теплопередачи, а кольцо с отверстиями на этом рисунке справа вверху иллюстрирует кольцо выпрямителя потока. Расположение отверстий может обеспечить почти равномерное распределение потока по теплообменным трубкам. Эта схема создана на основе опыта работы с механизмом распределения потока на первичной стороне. Толщина первого слоя пограничного слоя составляет 2,4 × 10 ⁻⁴ м, что соответствует y ⁺ ≈ 100, а общее количество элементов сетки составляет примерно 11.7 миллионов. Коду заданы развитые распределения по расходу и интенсивности турбулентности, а в качестве выходного граничного условия используется постоянное давление 0,1 МПа. Масштабируемая функция стенки применяется к первому слою сетки. Рис. IHX и схема потока внутри нижней камеры.

Рис. 5. Конфигурация сетки на вторичной стороне IHX и схема потока внутри нижней камеры.

В дополнение к модели, показанной на рис. 5, к этой модели добавлена нижняя часть первичного контура для расчета теплопередачи в нижней камере.

2.2.2. Результат расчета с использованием модели-II

При выборе этой конфигурации схема потока в нижней камере рассчитывается, как показано на рис. 5, для испытания на 45% тепловой мощности.В нижней части нижней камеры имеется большой симметричный вихрь, создаваемый струей натрия, выходящей из центральной трубы. Струя создает над кольцом два вида потоков, как показано на рис. 5. Один поток проходит через кольцо выпрямителя, а другой представляет собой разветвленный поток из нижнего вихря. Эти два потока сталкиваются друг с другом вокруг слоя 6 теплообменных труб независимо от расхода. Этот простой механизм выпрямления потока работает хорошо, но не может полностью выровнять распределение потока по теплообменным трубкам.Отклонение расхода для каждого слоя теплообменной трубы от среднего находится в диапазоне от –7% до +4% для широкого диапазона расхода (расход 100%, 48%, 10%, 3%, как показано на рис. ). 6 ). Соотношение расходов на 1-м и 14-м слоях больше единицы, а на 6-м слое меньше единицы. Эта тенденция обусловлена упомянутой выше структурой течения. Это немного большее несоответствие, чем распределение скорости потока для окна на первичной стороне. Так как между первичным и вторичным натрием в нижнем напоре существует конвективный теплообмен, то теплогидравлику в нагнетателе следует рассчитывать с учетом теплообмена.Температура на первичной стороне сначала принимается на основе результата измерения, чтобы рассчитать теплопередачу между первичным и вторичным потоками натрия. Рис. трубы как отношение к средней скорости потока, как функция номера слоя.

Рис. 6. Расход отдельной трубы теплопередачи в зависимости от среднего расхода в зависимости от количества слоев.

2.3. Модель III

2.3.1. Конституция модели-III

Эта часть была создана с помощью модели сектора 1/6 на основе результатов, упомянутых в разделе 2.1, и состоит из первичной (оболочки) стороны и вторичной (трубчатой) стороны. Трубки теплопередачи поддерживаются выпрямительными пластинами с множеством отверстий, как показано на рис. 7 .Конфигурация отверстий со второй по седьмую ступени показана на рисунке справа. Конфигурация проточной части для первой ступени отличается от конфигурации других ступеней. Прямое моделирование конфигураций пластин выпрямителя значительно увеличило бы количество ячеек. Поэтому для пластины выпрямителя принята пористая модель. Для надлежащего применения этой модели в код должны быть включены пористость и коэффициент местных потерь. По крайней мере, два интервала теплообменных труб и выпрямительных пластин должны быть смоделированы, как показано на рисунке 7, чтобы точно рассчитать потери давления на проточном канале.Общее количество сеток составляет 67 миллионов с использованием тетраэдрических сеток. Локальный коэффициент потерь рассчитывается слой за слоем с использованием этой точной модели в зависимости от скорости потока на входе. После вышеупомянутых расчетов эти результаты были отражены в расчетах с использованием модели пористости. Okamoto et al. [10] разработали этот метод, и на этот раз коэффициенты пересчитываются.

Метод теплогидравлического расчета промежуточного теплообменника петлевого типа FBRhttps://doi.org/10.1080/00223131.2015.1006704
Опубликовано в сети:
10 февраля 2015 г.

Рис. 7. Моделирование пластины выпрямителя с проточными отверстиями на первичной стороне.

2.3.2. Результат расчета с использованием модели-III

На рис. 8 показаны массовая скорость и потеря давления в проточном канале на каждом слое как параметр шага пластины выпрямителя. Это результаты для 100% номинальных условий, и аналогичные характеристики получены для условий расхода 3%, 10%, 48%.Распределения массовой скорости через отверстия между второй и шестой пластинами выпрямителя практически равномерны. Распределения вблизи входа и выхода окна зависят от поперечного потока. Потеря давления на пластинах имеет аналогичную тенденцию. Векторы скоростей также практически одинаковы между первой и последней пластинами выпрямителя. Коэффициенты местных потерь можно определить на основе массовой скорости и потери давления. Они передаются в код CFD вместе с локальными значениями пористости, и подтверждается, что между расчетной моделью с использованием точных сеток и пористой моделью получается почти одинаковая картина течения.В пористой модели исключается большое количество сеток. Рис. пластина выпрямителя при 100% номинальном состоянии на первичной стороне.

Рис. 8. Массовая скорость и потеря давления на пластине выпрямителя при 100% номинальном режиме на первичной стороне.

2.4. Связанная модель

На рис. 9 показаны совмещенные расчетные модели на первичной и вторичной сторонах IHX. Область теплопередачи, которая является моделью III, дополнительно уменьшена до модели 1/12 сектора. Сектор состоит из 6 с половиной теплообменных трубок на первом слое и 17 с половиной теплообменных трубок на 23-м слое, как показано на Рисунок 10 . Всего в расчетную модель включено 293 теплообменных трубки. Для поглощения теплового расширения между внутренним и внешним кожухом под соплом предусмотрен большой сильфон, а в области сильфона предусмотрено несколько отверстий для отвода натрия.Таким образом, существует перепускной поток в размере примерно 2% от номинального расхода от направления впускного патрубка до нижней части IHX на первичной стороне; этот эффект следует учитывать для точного расчета температуры внешней поверхности оболочки. Сильфонная область моделируется пористой моделью. Пограничные слои предусмотрены внутри и снаружи теплообменной трубы. Равномерные распределения по расходу и интенсивности турбулентности задаются кодом, а постоянное давление равно 0.1 МПа используется в качестве граничного условия на выходе для первичной и вторичной сторон. Масштабируемая стеночная функция применяется к первому слою сетки, где y ⁺ составляет около 100. Это значение определяется с учетом среднего числа Рейнольдса на входе каждого компонента. Расчеты на первичной и вторичной сторонах проводились одновременно.

Рис. 9. Три модели для расчета термогидравлики в полной модели IHX. Рис. 10.Связанная модель расчета между первичной и вторичной сторонами.

Рис. 10. Модель сопряженного расчета между первичной и вторичной сторонами.

Граничные условия, такие как температуры на входе и расходы на первичном и вторичном контурах, задаются кодом после расчетов с использованием вышеупомянутых первичных и вторичных моделей. Независимые расчеты с использованием модели-I и модели-II проводятся на основе входных условий с каждой стороны.Затем результаты расчетов переносятся в модель-III. Что касается первичной стороны теплообменных труб, используется расход, равный 1/12 от общего расхода первичной стороны, и нормальная температура на входе первичного контура. Что касается вторичной стороны теплообменных труб, 1/12 от общего расхода на вторичной стороне, т. е. теплообменных трубок, распределяется на теплообменные трубки, а температура на входе на вторичной стороне IHX рассчитывается по формуле указанная выше модель приведена в код.

3. Расчет с использованием связанной модели

В таблице 5 показаны результаты измерений для двух рабочих условий, т. е. начального установившегося режима и через 4 часа после начала переходного процесса отключения турбины. Данные включают температуры на входе и выходе из первичной и вторичной сторон, а также температуры на стенке кожуха. Температура на входе и выходе с обеих сторон измеряется вне основного корпуса IHX. Кроме того, на стенке корпуса IHX установлено несколько термопар.По нашему мнению, наиболее надежные измерения дают термопары №1 и №2, поскольку они устанавливаются под сильфоном для разделения кольцевого пространства между внешней и внутренней оболочками. Их расположение показано на рис. 9. Эти измеренные температуры сравниваются с расчетным результатом. Таблица 5.Сравнение температур между измерениями и расчетами для испытаний на отключение турбины.

3.1. Результат расчета для тепловой мощности 45 %

Для исследования влияния распределения расхода на распределение температуры в области теплообменной трубы, т. е. равномерного распределения расхода по каждой теплообменной трубе, были проведены два вида расчетов. , и распределение скорости потока, показанное на рисунке 6. Оба результата по распределению температуры очень похожи, и оказывается, что мы можем пренебречь распределением потока, вызванным струей в нижней камере в случае IHX «Monju.Это связано с тем, что разница в распределении расхода составляет не более 7%.

Расчеты проведены для условий работы остановочного испытания турбины «Мондзю» при 45% тепловой мощности с целью сравнения результатов расчета с результатами измерений. На рис. 11 показаны контурные карты температуры и скорости, рассчитанные с помощью трех интегрированных моделей для начального установившегося режима при тепловой мощности 45 %. Расчеты выполняются один за другим, при этом три модели обмениваются данными и результатами между моделями.На карте температурного контура видно, что основной теплообмен происходит в придонной области ИТХ даже в условиях 45% тепловой мощности. Эта длина составляет примерно 1/3 длины теплообменной трубки. Ожидается, что IHX будет иметь избыточный показатель теплопередачи при 100% номинальной мощности. На этом рисунке видно изменение температуры из-за байпасного потока 2% из верхнего кольцевого пространства в нижнее через сильфон, а также за счет теплообмена в нижнем напорном пространстве.Также заметно изменение контура температуры в выходном патрубке первого контура. Карта изолинии скоростей показывает, что распределение скорости в кольце над сильфоном несимметрично, но распределение скорости в кольце под сильфоном почти симметрично. Сравнение между измеренной и рассчитанной температурами приведено в таблице 5. Слово «вход» означает, что измеренное значение используется в качестве граничных условий расчета. Важные температуры IHX, т.е.е., температуры на выходе с обеих сторон, рассчитываются с точностью до пары градусов по Цельсию. Получено хорошее согласие для температур вокруг IHX, и это показывает, что интегрированные модели могут моделировать термогидравлику во всем IHX. Температуры на выходе можно легко оценить по коду на основе энергетического баланса. Однако температуры на оболочке не могут быть предсказаны, если распределение температуры на первичной стороне в IHX не предсказано должным образом.

Рис. 11. Контурные карты температуры и скорости для начального стационарного состояния для расчета с использованием трех связанных моделей.

Поскольку в приведенном выше расчете распределение потока по теплообменным трубам является равномерным, это предположение проверяется. Существует незначительное влияние на теплогидравлику в IHX между равномерным и разным распределением расхода по теплообменным трубам.

3.2. Результат расчета в области теплообменной трубы

На рис. 12 показаны точные контурные карты температуры и векторы скорости на первичной и вторичной сторонах в области теплообменной трубы для двух случаев, т. е. при условии 45% тепловой мощности, когда поток скорость составляет примерно 50 % от номинального состояния (верхние цифры) и условия 10 % расхода через 4 часа после остановки реактора (нижние цифры).На этих рисунках показаны три температурных контура вдоль линий L, C и R, показанных на рисунке 10. Векторы скорости показаны на линии C. Хотя векторы не очевидны на рисунке, важно то, что поток почти однороден, за исключением области входа и выхода из области теплопередачи. Эту ситуацию можно распознать по красным участкам вектора. В верхней и нижней секциях имеются входное и выходное окна. Температуры в оболочке и трубках показаны в одной плоскости, т. е.т. е., вторичную сторону можно узнать по длинной области темно-синего цвета в поперечном сечении R. Верхние рисунки в основном аналогичны контурным картам, показанным на рисунке 11, при условии тепловой мощности 45%. После остановки реактора из-за останова турбины циркуляция в системе теплопередачи первого контура обеспечивалась насосом с приводом от электродвигателя малой мощности. Скорость потока составляла примерно 10% от номинального состояния. Поэтому расчеты теплообмена проводятся для мощности остаточного тепла, т.е.е., квазистационарный режим расхода 10% через 4 часа после остановки реактора. Рис. начальное установившееся состояние (тепловая мощность 45 %) и расход 10 % через 4 часа после отключения станции.

Рис. 12. Карты изолиний температуры и векторы скорости для начального установившегося состояния (тепловая мощность 45 %) и условия расхода 10 % через 4 часа после отключения установки.

Скорость в оболочке для условия расхода 10 % (нижний рисунок) почти однородна, за исключением областей входа и выхода. Из сравнения двух случаев видно, что длина теплопередачи сокращается при уменьшении расхода. Это означает, что вклад теплообменной трубы в общий теплообмен в ИТХ становится малым по мере уменьшения расхода. Распределение скоростей в области теплообменной трубы почти равномерное. Сравнение между результатом измерения и расчетом приведено в таблице 5.Получено хорошее совпадение температур на кожухе между измеренными и расчетными результатами, а также температурой на выходе из ИНХ. Точное предсказание температуры на оболочке затруднительно, если невозможно правильно рассчитать распределение температуры внутри IHX.

Распределение температуры в зависимости от высоты слоя 11 показано на Рис. 13 для обоих случаев. Разница температур между кожухом и трубой очевидна для 45% тепловой мощности.Однако разница температур для мощности затухания довольно мала. Из этого рисунка видно, что реальная длина теплопередачи в области теплообменной трубы сокращается по мере уменьшения расхода. Распределение температуры идентично для другого слоя. Рис. 13.Распределения температуры 11-го слоя на первичной и вторичной сторонах в условиях 45% мощности и убывающей мощности.

Рис. 13. Распределение температуры 11-го слоя на первичной и вторичной сторонах в условиях 45% мощности и убывающей мощности.

4. Обсуждение

Измеренный общий HTC ухудшился, как упоминалось во введении, когда число Пекле мало [1]. Подтверждено, что в ходе эксперимента на «Монжу» двигатели малой мощности обеспечивали циркуляцию в переходном режиме, поэтому число Пекле было больше 100 и деградации ГТК не происходило.Однако важно оценить общую HTC на стороне оболочки на основе результатов расчета CFD. На рис. 14 показана связь между числом Нуссельта и числом Пекле, полученным на основе предыдущих расчетов. Числа Нуссельта, рассчитанные по результату расчета в теплообменной трубе, хорошо соответствуют корреляции Себана и Симадзаки [2]. Эта корреляция, которая обычно используется для потока в трубе, выражается следующим образом: (1) Nu=5+0. 025Pe0,810≤Pe≤2×104(1) (2) Nu=hDek(2) (3) Pe= Re ·Pr=ρuCpDek.(3)

Для оценки ВТС на первичной и вторичной сторонах , используются разные эквивалентные диаметры и местные значения. Рис. и вторичные стороны IHX.

Рис. 14. Локальные коэффициенты теплопередачи на первичной и вторичной сторонах IHX.

Числа Нуссельта на первичной стороне, т. е. вне трубы теплопередачи, разбросаны по корреляции Hoe et al. [11]. Наименьшее значение выше корреляции Любарского и Кауфмана [12]. Эти корреляции выражаются следующими уравнениями: (4) Nu=4,03+0,228Pe2/3102≤Pe≤1,8×103(4) (5) Nu=0,625Pe0,4102≤Pe≤2×104,(5)

Как показано на приведенном выше рисунке, нет никаких признаков того, что HTC деградирует со стороны кожуха и трубы.В чем причина того, что общий HTC ухудшается в условиях низкой скорости потока? Ключом к этому явлению является теплопередача в нижней камере. Оба потока натрия в первичной и вторичной системах передают тепло через стенку корпуса в нижней камере, как показано на Рис. 15 , поскольку в корпусе и в нижней камере есть два противоточных потока. Время пребывания жидкого натрия в нижней камере и кожухе увеличивается по мере уменьшения скорости потока в обеих системах.Температура на входе в теплообменную трубу (вторичная сторона) составляет 295 °C, как показано на рис. 14, а температура на входе на вторичной стороне составляет 282 °C в случае 45% тепловой мощности, которая находится под высоким значением. условие расхода. Таким образом, повышение температуры в камере за счет теплопередачи составляет 13 °С, а повышение температуры в теплообменной трубе — 189 °С. Повышение температуры в камере составляет всего 2/29 по сравнению с повышением температуры в теплообменной трубке.Однако в случае условия расхода 10 % температура на входе во вторичную систему составляет 298 °C, а температура на входе в трубу теплопередачи составляет 299,6 °C, как показано на рисунке 13. Следовательно, повышение температуры в камере составляет 1,6 °C, что соответствует примерно 1/7 по сравнению с повышением температуры на 11,4 °C в теплообменной трубе. Приведенные выше соотношения показывают, что теплопередачей в нижней камере нельзя пренебрегать в условиях низкой скорости потока.Если скорость потока снижается намного больше, например, в условиях естественной циркуляции, это соотношение увеличивается. Это означает, что большая часть тепла передается между первичным и вторичным контурами в нижней камере ИТП до того, как вторичный натрий войдет в теплообменную трубу в условиях естественной циркуляции. Рис. 15.Схематические потоки на первичной и вторичной сторонах в нижней камере IHX.

Рис. 15. Схема потоков на первичной и вторичной сторонах в нижней камере IHX.

В случае IHX «Monju» площадь теплопередачи трубок теплопередачи и нижней камеры составляет примерно 1300 и 12 м ² соответственно. Площади теплопередачи теплообменных труб и нижней камеры ПГ 50 МВт составляют примерно 450 и 4,5 м ² соответственно. Поэтому соотношение этих площадей теплообмена между «Мондзю» и ПГ мощностью 50 МВт практически одинаково, а площадь теплообмена нижнего нагнетателя значительно меньше площади теплообмена теплообменных труб. HTC на первичной и вторичной сторонах были оценены на основе площади теплопередачи теплообменной трубы с использованием следующего уравнения: (6) Q=KAHΔTlm=ΔTlmR(6) (7) Q=mpCppTpi-Tpo=msCpsTso- Tsi(7) (8) ΔTlm=(Tpi-Tso)-(Tpo-Tsi)lnTpi-TsoTpo-Tsi=ΔT1-ΔT2lnΔT1ΔT2(8) (9) R=1πL1dihs+1ktlndodi+1dohp(9) (10) Nup= hpDepkp(10) (11) Nus=hsdiks.(11)

Из-за этого метода оценки, не учитывающего отдельно теплоперенос в нижней камере, в прошлых исследованиях в условиях низкого расхода теплоотдача была занижена, хотя ГТК в области теплообменной трубы подчиняется известной эмпирической корреляции.Проблема была вызвана предположением, что большая площадь теплопередачи для расчета HTC, несмотря на то, что вклад трубы теплопередачи в общий теплообмен становится менее важным. Сделан вывод о том, что деградация общего ГТК в условиях низкой скорости потока является поверхностным явлением, вызванным сложным теплообменом в ИТХ.

При точном расчете теплопередачи в ИТХ типа «Мондзю» с использованием кода одномерной системы при естественной циркуляции ИТХ следует разделить на пару областей, т. е.е., область трубы теплопередачи, области нагнетания, чтобы учесть различную площадь теплопередачи этих областей, хотя теплопередача в области нагнетания игнорировалась во всех прошлых анализах. Создав вышеупомянутую расчетную модель IHX, можно точно рассчитать распределение температуры в IHX в условиях высокого и низкого расхода. Результаты измерений в парогенераторе мощностью 50 МВт с использованием системного кода NETFLOW++ с отдельными моделями теплообменников показаны на рис. 16 при условии корреляции HTC по Себану и Симадзаки для каждой части.Результаты измерений были воспроизведены разделенной моделью почти полностью, как показано на Рисунок 17 . Расчетная кривая представляет собой число Нуссельта для трубки, и результаты предыдущих измерений также показаны на том же рисунке. Точные результаты приведены в недавней ссылке [13]. Приведенный выше результат показал, что ухудшение ВТК в теплообменнике было поверхностным явлением, вызванным, главным образом, теплопередачей в нижней камере теплообменника. Поскольку мощность реактора представляет собой уровень остаточного тепла в условиях естественной циркуляции, влияние вышеупомянутого метода точной оценки на температуры в различных местах может быть не очень большим.Однако распределение температуры в IHX будет рассчитано правильно.

Рис. 16. Раздельная расчетная модель IHX. Рис. с использованием кода NETFLOW++ с отдельными моделями теплообменников.

Рис. 17.Сравнение результатов измерений и результатов расчетов с использованием кода NETFLOW++ с отдельными моделями теплообменников.

5. Выводы

Распределение температуры в IHX реактора «Monju» было рассчитано с помощью кода CFD ANSYS CFX. Расчет с использованием одной единственной модели был затруднен с точки зрения количества элементов, времени расчета и точности. Поэтому первичная и вторичная стороны рассчитываются с использованием связанных моделей. Связанный теплообмен для области теплообменной трубы рассчитывается с учетом результатов расчетов по указанным выше моделям. В результате получаются следующие выводы.

(1) Секторная модель может быть принята для расчета связанной теплопередачи в случае IHX «Мондзю», поскольку распределение потока от окон на первичной стороне и от кольца выпрямителя на вторичной стороне почти равномерный.
(2) Распределение температуры вокруг IHX, измеренное во время испытания турбины на отключение, можно спрогнозировать с помощью трех связанных моделей первичной стороны, вторичной стороны и области трубы теплопередачи.
(3) HTC, оцененная на основе расчета CFD, совпадает с известными эмпирическими корреляциями.
(4) Явление деградации общего ТТК, наблюдаемое в условиях низкого расхода ИТХ на установке ПГ мощностью 50 МВт, оценивается как поверхностное, вызванное теплообменом в нижней камере ИТХ. IHX следует разделить на несколько секций, чтобы оценить теплопередачу в разных регионах с помощью одномерного системного кода.

Рис. 2. CAD-модель компонентов IHX «Monju» для расчета.

Рис. 3. Механизм распределения потока на первичной стороне.

Рис. 7. Моделирование пластины выпрямителя с проточными отверстиями на первичной стороне.

Nomentlature

(M ²)

)

61

Диаметр теплопередачи Теплообмена (M)

2 H

611

2 T

Температура (K)


	Область теплообмена
CP	Определенные теплоемкость (J / KG / K)
de	Эквивалентный диаметр диаметра (M)
Коэффициент теплообмена (W / M ² / K)
K	K	Общий коэффициент теплопередачи (W / M ² / K)
K	K	К
L	Длина теплообмена ( m)
M	Массовый расход (кг / с)
NU	NUSTELT номер (-)
PE	PEUCT t номер (= re · pr) (-)
PR	Number
Q	80041
R	Тепловое сопротивление (K / W)
Re	Reynolds Number (-)
ΔT _LM	Логарифмическая средняя температура (K)
скорость (м / с)
ρ	плотность (кг / м ³)

8

Подписки

впускной

Outlet или за пределами

первичные

1 S

Средний

903 61 t

трубка

NFPA — Что такое гидравлика

Чтобы представить простую гидравлическую систему, представьте себе два одинаковых шприца, соединенных трубкой и наполненных водой (см. рис. 1). Шприц A представляет насос, а Шприц B представляет привод, в данном случае цилиндр. Нажатие на поршень шприца A создает давление внутри жидкости. Это давление жидкости действует одинаково во всех направлениях (закон Паскаля) и заставляет воду вытекать через дно в трубку и в Шприц B . Если вы разместили 5 ф. на поршень шприца B , вам нужно будет надавить на поршень шприца A с усилием не менее 5 фунтов.силы для перемещения груза вверх. Если бы объект весил 10 фунтов, вам пришлось бы толкать его как минимум с 10 фунтами. силы для перемещения груза вверх.

Если площадь плунжера (который является поршнем) шприца A составляет 1 кв. дюйм, а вы толкаете с усилием 5 фунтов. силы, давление жидкости будет 5 фунтов/кв. дюйм (psi). Поскольку давление жидкости действует одинаково во всех направлениях, если предмет на Шприц B (который, опять же, имеет площадь 1 кв. дюйм) весит 10 фунтов, давление жидкости должно превысить 10 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем объект двинется вверх. Если мы удвоим диаметр шприца B (см. рис. 2), площадь поршня увеличится в четыре раза. Это означает, что вес в 10 фунтов будет поддерживаться на 4 квадратных дюймах жидкости. Следовательно, давление жидкости должно превышать 2,5 фунта на квадратный дюйм (10 фунтов ÷ 4 кв. дюйма = 2,5 фунта на квадратный дюйм), чтобы поднять объект весом 10 фунтов вверх. Таким образом, перемещение 10-фунтового объекта потребует только 2.5 фунтов силы на поршень шприца A , но поршень шприца B будет двигаться вверх только на ¼, если оба поршня имеют одинаковый размер. В этом суть силы жидкости. Варьирование размеров поршней (плунжеров) и цилиндров (шприцев) позволяет многократно увеличить приложенную силу.

В реальных гидравлических системах насосы содержат множество поршней или других типов насосных камер. Они приводятся в движение первичным двигателем (обычно электродвигателем, дизельным двигателем или газовым двигателем), который вращается со скоростью несколько сотен оборотов в минуту (об/мин).Каждое вращение заставляет все поршни насоса выдвигаться и втягиваться, втягивая жидкость и выталкивая ее в гидравлический контур. Гидравлические системы обычно работают при давлении жидкости в тысячи фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, система, которая может развивать давление 2000 фунтов на квадратный дюйм, может толкать 10 000 фунтов. силы из цилиндра примерно такого же размера, как банка газировки.

Гидравлические системы

Внедорожная техника, наверное, самая распространенная применение гидравлики .Будь то строительство, добыча полезных ископаемых, сельское хозяйство, сокращение отходов или вспомогательное оборудование, гидравлика обеспечивает мощность и управление для решения поставленных задач и часто обеспечивает движущую силу для перемещения оборудования с места на место, особенно когда задействованы гусеничные приводы. Гидравлика также широко используется в тяжелом промышленном оборудовании на заводах, в морском и морском оборудовании для подъема, гибки, прессования, резки, формовки и перемещения тяжелых заготовок. Ниже приведены истории болезни, размещенные на веб-сайтах отраслевых изданий, описывающих использование гидравлики в различных приложениях:

Сельское хозяйство:
Тяга на виноградном комбайне — это главное
Аккумуляторы Beat Boom Bounce

Строительство:
Асфальтоукладчик со скользящими формами обладает всеми преимуществами
Гидравлика обеспечивает широкий диапазон движений многосочлененного экскаватора

Развлечения:
Электрогидравлика управляет гигантским слоном
Музыкальный фильм о Человеке-пауке использует силу гидравлики для управления и подъема сцен и платформ

Морской и морской:
Лодка-краб ловит огромную экономию топлива
Волновая энергия ставит новые задачи

Отходы и переработка: Гидравлика
делает мусоровоз быстрым, тихим и эффективным
Компактные двигатели делают подметальные машины простыми

Другие отрасли промышленности, в которых гидравлика выгодна:

Энергия
Станки
Формование металлов
Военные и аэрокосмические
Горнодобывающая промышленность
Коммунальное оборудование

Дополнительные гидравлические приложения

Больше примеров из практики гидравлики

Основы гидравлики Онлайн-обучение

Гидравлические силовые компоненты

Гидравлические системы состоят из нескольких компонентов, которые работают вместе или последовательно для выполнения определенного действия или работы. Люди, хорошо разбирающиеся в гидродинамических схемах и конструкции систем, могут приобрести отдельные компоненты и самостоятельно собрать из них гидравлическую систему. Однако многие гидросистемы разрабатываются дистрибьюторами, консультантами и другими профессионалами в гидроэнергетике, которые могут предоставить систему полностью или частично.

К основным компонентам любой гидравлической системы относятся:

насосное устройство — гидравлический насос или воздушный компрессор для подачи жидкости в систему
трубопроводы для жидкости — трубки, шланги, фитинги, коллекторы и другие компоненты, которые распределяют жидкость под давлением по всей системе
клапаны — устройства, регулирующие расход жидкости, давление, запуск, остановку и направление
приводы — цилиндры, двигатели, поворотные приводы, захваты, вакуумные присоски и другие компоненты, выполняющие конечные функции гидросистемы.
вспомогательные компоненты — фильтры, теплообменники, коллекторы, гидравлические резервуары, пневматические глушители и другие компоненты, обеспечивающие более эффективную работу гидравлической системы.

Электронные датчики и переключатели также включены во многие современные гидравлические системы, чтобы предоставить средства электронного управления для контроля работы компонентов. Диагностические приборы также используются для измерения давления, температуры и расхода при оценке состояния системы и поиске и устранении неисправностей.

Поиск продуктов для гидравлических систем NFPA – где вы можете найти гидравлические и пневматические компоненты и продукты, доступные от компаний-членов NFPA.

Дополнительное образование и тренинги, предлагаемые NFPA и ее членами, можно найти по телефону

. Образовательные ресурсы.

Создание собственного рабочего пространства AFT: параметры настройки рабочего пространства и советы по моделированию, которые визуально улучшат вашу гидравлическую модель

Инженеры, использующие гидравлическое программное обеспечение AFT (Fathom, Arrow и Impulse), знают, что они используют мощные инструменты моделирования потока, способные моделировать реальное поведение жидкости в простых и сложных трубопроводных сетях, но многие часто не знают, что наше программное обеспечение также предоставляет широкий спектр параметры настройки, которые могут визуально помочь пользователю понять физическую компоновку смоделированной системы и помочь выделить важные компоненты модели.Несмотря на то, что эти визуальные параметры не влияют на гидравлические расчеты, они могут значительно повысить эффективность моделирования и общее понимание модели, особенно если модель используется совместно инженерами или содержит несколько труб и соединений.

В следующем списке перечислены параметры настройки рабочей области, которые можно использовать для визуального улучшения модели. Обратите внимание, что доступ к большинству этих параметров осуществляется с помощью окна «Параметры пользователя», расположенного в меню «Инструменты», или с помощью вкладки «Дополнительно» в окне свойств отдельной трубы или соединения:

1.) Сегментация труб (см. рис. 1) — В наш центр поддержки часто поступают модели, содержащие ненужное количество труб и/или соединений, поскольку пользователь не знает, как сегментировать трубы. Сегментация труб делит трубу на сегменты, чтобы вы могли сгибать трубу и перемещать ее по рабочему пространству модели без необходимости добавлять разветвление (и, следовательно, дополнительную трубу) каждый раз, когда вы хотите визуально согнуть трубу. Обратите внимание, что эти сегменты, как и все визуальные параметры, описанные в этом блоге, предназначены исключительно для визуального улучшения и не влияют на гидравлические расчеты. Чтобы добавить или удалить сегмент из трубы, выберите трубу, щелкнув ее, затем щелкните значок «Добавить/удалить сегмент» или перейдите в меню «Упорядочить» на панели инструментов, нажмите «Сегменты трубы» и укажите, как вы хотите сегментировать ( или де-сегментировать) вашу трубу.

2.) Добавить аннотации (см. рис. 1)- Вы можете добавить поля аннотаций, которые позволят вам включать письменную информацию в рабочую область. Можно настроить шрифт, размер и цвет текста в аннотации, а также форму аннотации, цвет фона и границу.Вы также можете добавить линию, указывающую на определенные компоненты модели, а также привязать аннотацию к этим компонентам или к самой рабочей области.

3.) Изменить толщину трубы в рабочей области (см. рис. 2)- Вы можете изменить внешний вид толщины трубы в рабочей области одним из трех способов в окне «Параметры пользователя» в разделе «Рабочая область» > «Трубы»:

а.) Универсальное отображение всех труб одинаковой толщины

b. ) Варьируйте толщину трубы с уклоном в зависимости от диаметра трубы

в.) Изменяйте толщину трубы с градиентом в зависимости от диапазона диаметров труб (диаметры труб, находящиеся ниже этого диапазона, будут иметь минимальную указанную толщину, а диаметры труб выше этого диапазона будут иметь максимальную указанную толщину)

Кроме того, толщину диаметра трубы в рабочей области можно отрегулировать для каждой трубы на вкладке «Дополнительно» в окне «Свойства» каждой трубы.

4.) Изменить размер соединения (см. рис. 2)- Вы можете увеличить или уменьшить размер соединения по сравнению с его размером по умолчанию.Эта функция полезна по целому ряду причин, начиная от визуального представления ожидаемой пропускной способности соединения и заканчивая выделением интересующих соединений (например, насос с фиксированным расходом используется для определения размера будущего насоса). Изменение размера соединения выполняется на вкладке Дополнительно узла в окне его свойств. На этой вкладке снимите флажок «Использовать рабочую область по умолчанию для размера» и выберите настраиваемый размер значка для отображения соединения.

5.) Изменить тип значка того же типа перекрестка (см. рис. 3) — . Вы можете выбрать один из множества стилей значков для данного перекрестка. Эта функция особенно полезна для различения различных типов одного и того же оборудования (например, регулирующих клапанов потока и регулирующих клапанов, снижающих давление). Этот параметр задается в окне «Свойства» отдельного перекрестка на вкладке «Дополнительно» под «Значок рабочей области» > «Изменить значок».

6.) Изменение цветов труб и/или соединений (см. рис. 3)- Вы можете изменить цвет труб и соединений, отображаемых в рабочей области, чтобы продемонстрировать важные различия в этих компонентах модели, которые в противном случае были бы неочевидны при простом взгляде. в рабочей области.Клиенты часто используют эту опцию, чтобы указать поток жидкостей с различной плотностью или температурой через эти трубы и соединения, трубы из разных материалов (стальные или медные) или трубы и соединения, расположенные в разных частях системы.

Кроме того, эта опция позволяет пользователю указать разницу в внешне похожих соединениях, например, использовать один цвет для клапана регулирования давления, а другой — для клапана регулирования расхода. Цвета труб и соединений изменяются в окне «Свойства» каждого компонента на вкладке «Дополнительно».

7.) Импорт фонового изображения (см. рис. 4)- Вы можете импортировать любое изображение на фон рабочей области. Эта функция очень удобна для использования в качестве эталона для компоновки компонентов модели. Пользователи часто импортируют изображение карты и размещают свои трубы и соединения относительно карты, чтобы проиллюстрировать расположение системного оборудования.

Широкие возможности настройки рабочей области и визуальные инструменты в программном обеспечении AFT могут значительно помочь пользователю в его/ее гидравлическом моделировании, предоставляя гибкость для визуального представления системы таким образом, чтобы улучшить понимание конфигурации системы. Поэтому мы настоятельно рекомендуем вам ознакомиться с этими параметрами и инструментами настройки рабочего пространства, чтобы сделать рабочее пространство AFT своим собственным!

Образование подземных вод в результате геотермального нагревания на раннем Марсе и его влияние на раннюю обитаемость Марса

Р.М.Э. Уильямс, Дж.П. Гротцингер, В.Е. Дитрих, С. Гупта, Д.Ю. Самнер, Р.С. О. Форни, О. Гасно, А. Оллила, Э. Э. Ньюсом, Г. Дромарт, М. С. Палусис, Р.А. Инст, Р. Б. Андерсон, К. Е. Херкенхофф, С. Ле Муэлик, В. Гетц, М. Б. Мэдсен, А. Кёфоед, Дж. К. Дженсен, Дж. К. Бриджес, С. П. Швенцер, К. В. Льюис, К. М. Стэк, Д. Рубин, Л. С. Ках, Дж. Ф. Белл , Дж. Д. Фармер, Р. Салливан, Т. Ван Бик, Д. Л. Блейни, О. Паризер, Р. Г. Дин, О. Кемппинен, Н. Бриджес, Дж. Р. Джонсон, М. Минитти, Д. Кремерс, Л. Эдгар, А. Годбер, М. Вадва, Д. Веллингтон, И. Макьюэн, К. Ньюман, М. Ричардсон, А. Шарпантье, Л. Перет, П. Кинг, Дж. Бланк, Г. Вейгл, М. Шмидт, С. Ли, Р.Милликен, К. Робертсон, В. Сан, М. Бейкер, К. Эдвардс, Б. Эльманн, К. Фарли, Дж. Гриффес, Х. Миллер, М. Ньюкомб, К. Пилоржет, М. Райс, К. Зибах, Э. Столпер, К. Брюне, В. Хипкин, Р. Левей, Г. Маршан, П. С. Санчес, Л. Фавот, Г. Коди, А. Стил, Л. Флюкигер, Д. Лис, А. Нефиан, М. Мартин , М. Гайану, Ф. Уэстол, Г. Исраэль, К. Агар, Ж. Барух, К. Донни, А. Габорио, П. Гильмо, В. Лафай, Э. Лориньи, А. Пайе, Р. Перес, М. , Саккоччо, К. Яна, К.А. Апарисио, Х.С. Родригес, ICБласкес, Ф.Г. Гомес, Х.Г. Эльвира, С. Хеттрих, А.Л. Мальвитт, М.М. Хименес, Х.М. Фриас, Х.М. Солер, Ф.Дж.М. Торрес, А.М. Хурадо, Л.М. Сотомайор, Г.М. Каро, С.Н. Лопес, В.П. Гонсалес, Х.П. Гарсия, Х.А.Р. Манфреди, Х.Дж.Р. , С. А. Фуэнтес, Э. С. Мартинес, Дж. Т. Редондо, Р. О’Каллаган, М. П. Зорзано, С. Чипера, Дж. Л. Лакур, П. Мошен, Дж. Б. Сирвен, Х. Мэннинг, А. Файрен, А. Хейс, Дж. Джозеф, С. Сквайрс, П. Томас, А. Дюпон, А. Лундберг, Н. Меликечи, А. Меззакаппа, Дж.Демаринс, Д. Гринспун, Г. Рейц, Б. Пратс, Э. Атласкин, М. Генцер, А. М. Харри, Х. Хаукка, Х. Каханпаа, Дж. Кауханен, М. Патон, Дж. Полкко, В. Шмидт, Т. Сили, К. Фабр, Дж. Рэй, М. Б. Вильгельм, Ф. Пуатрассон, К. Патель, С. Гореван, С. Индик, Г. Полсен, Д. Биш, Дж. Шибер, Б. Гонде, Ю. Ланжевен, К. Жеффруа, Д. Барату, Г. Бергер, А. Крос, К. Д. Устон, Дж. Ласью, К. М. Ли, П. Ю. Меслин, Э. Палье, Ю. Паро, П. Пине, С. Шредер, М. Топлис, Э. Левин, В. Бруннер, Э. Хейдари, К. Ахиллес, Д. Олер, Б.Саттер, М. Кабейн, Д. Кошиа, К. Сопа, Ф. Робер, В. Соттер, М. Нашон, А. Бух, Ф. Сталпорт, П. Колл, П. Франсуа, Ф. Раулен, С. Тейнтурье, Дж. Кэмерон, С. Клегг, А. Кузен, Д. Делапп, Р. Динглер, Р. С. Джексон, С. Джонстон, Н. Ланца, К. Литтл, Т. Нельсон, Р. Б. Уильямс, А. Джонс, Л. Киркленд, А. Трейман, Б. Бейкер, Б. Кантор, М. Каплингер, С. Дэвис, Б. Дастон, Д. Фэй, К. Хардгроув, Д. Харкер, П. Эррера, Э. Дженсен, М. Р. Кеннеди, Г. Крезоски , Д. Крысак, Л. Липкаман, Э. Маккартни, С. Макнейр, Б.Никсон, Л. Поселова, М. Равин, А. Саламон, Л. Сапер, К. Штойбер, К. Супульвер, Дж. Ван Бик, Р. Зимдар, К. Л. Френч, К. Ягнемма, К. Миллер, Р. Саммонс, Ф. Гусманн, С. Хвиид, М. Джонсон, М. Лефавор, Э. Лайнесс, Э. Бревес, М. Д. Дьяр, К. Фассет, Д. Ф. Блейк, Т. Бристоу, Д. Демаре, Л. Эдвардс, Р. Хаберле, Т. Хелер, Дж. Холлингсворт, М. Каре, Л. Кили, К. Маккей, Л. Бличер, В. Бринкерхофф, Д. Чой, П. Конрад, Дж. П. Дворкин, Дж. Эйгенброуд, М. Флойд, К. Фрейсине , Дж. Гарвин, Д. Главин, Д. Харпольд, П.Махаффи, Д.К. Мартин, А. МакАдам, А. Павлов, Э. Рааен, М. Д. Смит, Дж. Стерн, Ф. Тан, М. Трейнер, М. Мейер, А. Познер, М. Войтек, Р. С. Андерсон, А. Обри , Л. В. Бигл, А. Бехар, Д. Бринза, Ф. Калеф, Л. Кристенсен, Дж. А. Крисп, Л. Дефлорес, Дж. Фельдман, С. Фельдман, Г. Флеш, Дж. Гуровиц, И. Джун, Д. Кеймелен , Дж. Маки, М. Мишна, Дж. М. Морукян, Т. Паркер, Б. Паври, М. Шопперс, А. Сенгстакен, Дж. Дж. Симмондс, Н. Спанович, М. де ла Торре Хуарес, А. Р. Васавада, Ч. Р. Вебстер, А. Йен, PDАрчер, Ф. Кучинотта, Дж. Х. Джонс, Д. Мин, Р. В. Моррис, П. Найлз, Э. Рэмп, Т. Нолан, М. Фиск, Л. Радземски, Б. Барраклаф, С. Бендер, Д. Берман, Э. Н. Добреа , Р. Токар, Д. Ваниман, Л. Лешин, Т. Клегхорн, У. Хантресс, Г. Манхес, Дж. Хаджинс, Т. Олсон, Н. Стюарт, П. Саррацин, Дж. Грант, Э. Виченци, С.А. Уилсон, М. Буллок, Б. Эресманн, В. Гамильтон, Д. Хасслер, Дж. Петерсон, С. Рафкин, К. Цейтлин, Ф. Федосов, Д. Головин, Н. Карпушкина, А. Козырев, М. Литвак, А. Малахов, И. Митрофанов, М. Мокроусов, С.Никифоров, В. Прохоров, А. Санин, В. Третьяков, А. Вареников, А. Вострухин, Р. Кузьмин, Б. Кларк, М. Вольф, С. Макленнан, О. Ботта, Д. Дрейк, К. Бин, М. Леммон, Э.М. Ли, Р. Сучарски, М.А. де Пабло Эрнандес, Дж. Дж. Б. Авалос, М. Рамос, М. Х. Ким, К. Малеспин, И. Планте, Дж. П. Мюллер, Р. Н. Гонсалес, Р. Юинг, У. Бойнтон, Р. Даунс, М. Фитцгиббон, К. Харшман, С. Моррисон, О. Кортманн, А. Уильямс, Г. Лугмайр, М. А. Уилсон, Б. Якоски, Т. Б. Зуник, Дж. Фриденванг, К. Кинч, С. Л. Стипп, Н. Бойд, Дж.Л. Кэмпбелл, Р. Геллерт, Г. Перретт, И. Прадлер, С. Ванбоммель, С. Джейкоб, Т. Оуэн, С. Роуленд, Х. Савиярви, Э. Бем, С. Бётчер, С. Бурмейстер, Дж. Гуо, Дж. Келер, К.М. Гарсия, Р.М. Меллин, Р.В. Швайнгрубер, Т. МакКонночи, М. Бенна, Х. Франц, Х. Бауэр, А. Бруннер, Х. Блау, Т. Буше, М. Кармосино, С. Атрея , Х. Эллиотт, Д. Халло, Н. Ренно, М. Вонг, Р. Пепин, Б. Эллиотт, Дж. Спрей, Л. Томпсон, С. Гордон, Дж. Уильямс, П. Васконселос, Дж. Бенц, К. Нилсон, Р. Попа, Дж. Мёрш, К. Тейт, М.Дэй, Г. Кочурек, Б. Халлет, Р. Слеттен, Р. Фрэнсис, Э. Маккалоу, Э. Клутис, И.Л. Тен Кейт, Р. Арвидсон, А. Фрейман, Д. Скоулз, С. Славни, Т. Стейн, Дж. Уорд, Дж. Бергер, Дж. Э. Мурс, Марсианские речные конгломераты в кратере шторма. Наука 340 , 1068–1072 (2013).

Помощь викторины: Fluid Flow | EZ-pdh.com

Используйте поиск, чтобы быстро найти ответы на вопросы — откройте окно поиска (ctrl+f), затем введите ключевое слово из вопроса, чтобы перейти к этим терминам в материалах курса

Введение

Поток жидкости является важной частью большинства промышленных процессов; особенно те, которые связаны с передачей тепла. Часто, когда требуется отвести тепло от точки, в которой оно генерируется, в процессе теплопередачи участвует какой-либо тип жидкости. Примерами этого являются охлаждающая вода, циркулирующая через бензиновый или дизельный двигатель, поток воздуха, проходящий через обмотки двигателя, и поток воды через активную зону ядерного реактора. Системы потока жидкости также обычно используются для обеспечения смазки.

Течение жидкости в ядерной области может быть сложным и не всегда подлежит строгому математическому анализу.В отличие от твердых тел, частицы жидкости движутся по трубопроводам и компонентам с разной скоростью и часто подвергаются разным ускорениям.

Несмотря на то, что детальный анализ течения жидкости может быть чрезвычайно трудным, основные понятия, связанные с проблемами течения жидкости, довольно просты. Эти основные концепции могут применяться при решении задач о течении жидкости за счет использования упрощающих допущений и средних значений, где это уместно. Несмотря на то, что этого типа анализа недостаточно для инженерного проектирования систем, он очень полезен для понимания работы систем и прогнозирования приблизительной реакции жидкостных систем на изменения рабочих параметров.

Основные принципы течения жидкости включают три концепции или принципа; с первыми двумя из них учащийся познакомился в предыдущих руководствах. Первый — это принцип импульса (приводящий к уравнениям гидродинамических сил), который был описан в руководстве по классической физике. Второе — это сохранение энергии (приводящее к Первому закону термодинамики), которое изучалось в термодинамике. Третье — это сохранение массы (ведущее к уравнению неразрывности), которое будет объяснено в этом модуле.

Свойства жидкостей

Жидкость — это любое вещество, которое течет, потому что его частицы не связаны жестко друг с другом. Сюда входят жидкости, газы и даже некоторые материалы, обычно считающиеся твердыми, например стекло. По сути, жидкости — это материалы, не имеющие повторяющейся кристаллической структуры.

Некоторые свойства жидкостей обсуждались в разделе «Термодинамика» этого текста. К ним относятся температура, давление, масса, удельный объем и плотность. Температура была определена как относительная мера того, насколько горячим или холодным является материал. Его можно использовать для прогнозирования направления, в котором будет передаваться тепло. Давление определялось как сила на единицу площади. Общепринятыми единицами измерения давления являются фунты силы на квадратный дюйм (psi). Масса была определена как количество материи, содержащейся в теле, и ее следует отличать от веса, который измеряется силой тяжести, действующей на тело. Удельный объем вещества представляет собой объем на единицу массы вещества.Типичные единицы: ^{футов 3} фунтов/фунты. Плотность , с другой стороны, представляет собой массу вещества на единицу объема. Типичные единицы измерения: фунт/фут ³ . Плотность и удельный объем обратны друг другу. И плотность, и удельный объем зависят от температуры и отчасти от давления жидкости. При повышении температуры жидкости плотность уменьшается, а удельный объем увеличивается. Поскольку жидкости считаются несжимаемыми, увеличение давления не приведет к изменению плотности или удельного объема жидкости.В действительности жидкости могут быть слегка сжаты при высоких давлениях, что приводит к небольшому увеличению плотности и небольшому уменьшению удельного объема жидкости.

Плавучесть

Плавучесть определяется как тенденция тела плавать или всплывать при погружении в жидкость. У всех нас были многочисленные возможности наблюдать плавучие эффекты жидкости. Когда мы плаваем, наше тело почти полностью удерживается водой. Дерево, лед и пробка плавают на воде.Когда мы поднимаем камень со русла ручья, он вдруг кажется тяжелее при выходе из воды. Лодки полагаются на эту выталкивающую силу, чтобы оставаться на плаву. Величина этого плавучего эффекта была впервые рассчитана и сформулирована греческим философом Архимедом. Когда тело помещают в жидкость, оно поднимается вверх под действием силы, равной весу воды, которую оно вытесняет.

Если тело весит больше, чем вытесненная им жидкость, оно тонет, но потеряет вес, равный весу вытесненной жидкости, как наш камень. Если тело весит меньше, чем вес вытесненной жидкости, то тело поднимется на поверхность, в конце концов всплыв на такую глубину, что вытеснит объем жидкости, вес которого как раз будет равен его собственному весу. Плавающее тело вытесняет под своим весом жидкость, в которой оно плавает.

Сжимаемость

Сжимаемость — это мера изменения объема вещества, которое претерпевает вещество при воздействии на него давления. Обычно жидкости считаются несжимаемыми.Например, давление 16 400 фунтов на квадратный дюйм приведет к тому, что заданный объем воды уменьшится только на 5% по сравнению с его объемом при атмосферном давлении. С другой стороны, газы очень сжимаемы. Объем газа можно легко изменить, воздействуя на газ внешним давлением

Связь между глубиной и давлением

Любой, кто ныряет под воду, замечает, что давление на его барабанные перепонки на глубине даже несколько футов заметно превышает атмосферное давление.Тщательные измерения показывают, что давление жидкости прямо пропорционально глубине, и для данной глубины жидкость оказывает одинаковое давление во всех направлениях.

Рисунок 1: Давление в зависимости от глубины

Как показано на рисунке 1, давление на разных уровнях в резервуаре различается, и это приводит к тому, что жидкость покидает резервуар с различной скоростью. Давление определялось как сила, приходящаяся на единицу площади. В случае этого резервуара сила обусловлена весом воды над точкой, где определяется давление.где m = масса в фунтах

г = ускорение силы тяжести Земли 32,17 фут/сек ²

г _c = 32 фунт-фут/фунт-сила-сек ²

V = объем в футах ³

ρ = плотность жидкости в фунтах/футах ³

Объем равен произведению площади поперечного сечения на высоту (h) жидкости.Подставляя это в приведенное выше уравнение, получаем:

P = (ρ A hg)/(A g _c )

P = (ρ hg)/(g _c )

Это уравнение говорит нам, что давление сила столба воды прямо пропорциональна высоте столба и плотности воды и не зависит от площади поперечного сечения столба. Давление в тридцати футах ниже поверхности напорной трубы диаметром один дюйм такое же, как давление в тридцати футах ниже поверхности большого озера.

Пример 1:

Если резервуар на рис. 1 заполнен водой плотностью 62,4 фунта/фут3, рассчитайте давление на глубине 10, 20 и 30 футов.

Решение:

p = (ρhg) / g _c

p _{10 футов} = (62,4 lbm / ft ³) (1o ft) (32.17 ft / sec ² /(32.17 lbm- FT / IBF-SEC ²)

= 624 LBF / FT ² (1 Ft ²/144 в ²)

= 4,33 LBF / в ²

P ₂₀ = ( 624 фунт/фут ³ )(20 футов)(32.17 FT / SEC ² / (32.17 LBM-FT / IBF-SEC ²)

= 1248 LBF / FT ² (1FT ² / 144IN ²)

= 8,67 IBF / в

P _{30 футов} = (62,4 фунта/фут3) (30 футов) (32,17 фута/сек ² /32,17 фунт-фут/фунт-сила-сек ² )

= 1872 фунт-сила/фут 2 9006 ft ² ^/144 in ² )

= 13,00 lbf/in ²

из 61. 9 фунтов/фут ³ .
а) Каково давление воды на дно бака?
(b) Какова средняя сила, действующая на дно?
Решение:
(a) P = (phg)/г _c
P = (61,9 фунт/фут ³ ) (40 фут) (32,17 фут/сек ² /32,17 фут/сек) LBF-SEC ²)
= 2476 LBF / FT ² (1 FT ²/144 в ²)
= 17.2 LBF / в ²
(B) Давление = Форма / область
Сила = (Давление)(Площадь)
Площадь = πr ²
F = (17.2 LBF / в ²) π (10 футов) ² (144 в ²/1 ft ²)
= 7,78 x 10 ⁵ LBF
Паскаль
Давление жидкостей в каждом из ранее приведенных случаев был обусловлен весом жидкости. Давление жидкости также может быть результатом приложения внешних сил к жидкости. Рассмотрим следующие примеры. На рис. 2 представлена емкость, полностью заполненная жидкостью. A, B, C, D и E представляют собой поршни одинаковой площади поперечного сечения, вставленные в стенки сосуда.На поршни C, D и E будут действовать силы из-за давлений, вызванных различной глубиной жидкости. Предположим, что силы, действующие на поршни из-за давления, вызванного весом жидкости, следующие: A = 0 фунтов силы, B = 0 фунтов силы, C = 10 фунтов силы, D = 30 фунтов силы и E = 25 фунтов силы. Теперь пусть к поршню А приложена внешняя сила в 50 фунтов силы. Эта внешняя сила заставит давление во всех точках сосуда увеличиться на одинаковую величину. Поскольку все поршни имеют одинаковую площадь поперечного сечения, увеличение давления приведет к увеличению сил на всех поршнях на 50 фунтов силы.Таким образом, если к поршню А приложена внешняя сила в 50 фунтов силы, сила, действующая со стороны жидкости на другие поршни, теперь будет следующей: B = 50 фунтов силы, C = 60 фунтов силы, D = 80 фунтов силы и E = 75 фунтов силы. ».
Это воздействие внешней силы на замкнутую жидкость было впервые сформулировано Паскалем в 1653 году.
Давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается без уменьшения по всему
ограничивающему сосуду системы.
Рисунок 2: Закон Паскаля
Контрольный объем
В термодинамике контрольный объем был определен как фиксированная область в пространстве, где изучаются массы и энергии, пересекающие границы области.Эта концепция контрольного объема также очень полезна при анализе проблем с потоком жидкости. Граница контрольного объема для течения жидкости обычно принимается за физическую границу части, через которую протекает течение. Концепция контрольного объема используется в приложениях гидродинамики с использованием принципов непрерывности, импульса и энергии, упомянутых в начале этой главы. Как только контрольный объем и его граница установлены, различные формы энергии, пересекающие границу с жидкостью, могут быть рассмотрены в форме уравнения для решения проблемы жидкости.Поскольку в задачах о потоке жидкости обычно рассматривают жидкость, пересекающую границы контрольного объема, подход с контрольным объемом называется анализом «открытой» системы, что аналогично концепциям, изучаемым в термодинамике. В ядерной области есть особые случаи, когда жидкость не пересекает контрольную границу. Такие случаи изучаются с использованием «закрытого» системного подхода.
Независимо от характера потока, все потоковые ситуации подчиняются установленным основным законам природы, которые инженеры выразили в форме уравнений.В задачах о жидкости всегда выполняются законы сохранения массы и энергии, а также законы движения Ньютона. Кроме того, каждая проблема будет иметь физические ограничения, называемые математически граничными условиями, которые должны быть удовлетворены, прежде чем решение проблемы будет согласовываться с физическими результатами.
Объемный расход
Объемный расход расход расход ( V˙ ) единица объема жидкости, проходящей через точку системы.Объемный расход можно рассчитать как произведение площади поперечного сечения (A) для потока и средней скорости потока (v).
V˙ = A v   (3-1)
Если площадь измеряется в квадратных футах, а скорость – в футах в секунду, уравнение 3-1 дает объемный расход, измеренный в кубических футах в секунду. Другие распространенные единицы объемного расхода включают галлоны в минуту, кубические сантиметры в секунду, литры в минуту и галлоны в час.
Пример:
Труба с внутренним диаметром 4 дюйма содержит воду, которая течет со средней скоростью 14 футов в секунду.Рассчитайте объемный расход воды в трубе.
Решение:
Используйте уравнение 3-1 и подставьте площадь.
v˙ = (π R 2) V
v˙ = (3.14) (2/12 футов) ² (14 футов / с)
V˙ = 1.22 FT ³ / SEC
Масса Расход
Массовый расход (м˙) системы – это мера массы жидкости, проходящей через точку системы в единицу времени. Массовый расход связан с объемным расходом, как показано в уравнении 3-2, где ρ — плотность жидкости.
m˙ = ρV˙   (3-2)
Если объемный расход выражен в кубических футах в секунду, а плотность выражена в фунтах-массе на кубический фут, уравнение 3-2 дает массовый расход, измеренный в фунтах- масса в секунду. Другие распространенные единицы измерения массового расхода включают килограммы в секунду и фунты массы в час.
Замена V˙ в уравнении 3-2 соответствующими членами уравнения 3-1 позволяет напрямую вычислить массовый расход.
m˙ = ρ A v (3-3)
Пример:
Вода в трубе из предыдущего примера имела плотность 62.44 фунта/фут3. Рассчитайте массовый расход.
Решение:
M˙ = ρ v˙
m˙ = ρ v˙
m˙ = (62,44 lbm / ft ³) (1.22 ft ³ / с)
m˙ = 76,2 lbm / sec
Сохранение массы
Из термодинамики вы узнали, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, а только изменить форму. То же верно и для массы. Сохранение массы — это инженерный принцип, который гласит, что все массовые расходы в контрольном объеме равны всем массовым расходам из контрольного объема плюс скорость изменения массы в контрольном объеме.Этот принцип математически выражен уравнением 3–4.
m˙
_in = m˙ _out + ∆m/∆t   (3-4)
где:
∆m/ ∆t = увеличение или уменьшение массы в контрольном объеме за a ( указанный период времени)
Установившийся поток
Установившийся поток относится к состоянию, при котором свойства жидкости в любой точке системы не меняются с течением времени. Эти свойства жидкости включают температуру, давление и скорость.Одним из наиболее важных свойств, которое является постоянным в системе с установившимся потоком, является массовый расход системы. Это означает, что ни в одном из компонентов системы не происходит накопления массы.
Уравнение неразрывности
Уравнение неразрывности — это просто математическое выражение принципа сохранения массы. Для контрольного объема с одним входом и одним выходом принцип сохранения массы гласит, что для стационарного потока массовый расход в объеме должен равняться массовому расходу на выходе.Уравнение непрерывности для этой ситуации выражается уравнением 3-5.
м˙
_впуск = м˙ _выпуск (3-5)
(ρAv) _впуск = (ρAv) _выпуск
Масса требует, чтобы сумма массовых расходов в контрольном объеме равнялась сумме массовых расходов из контрольного объема. Уравнение непрерывности для этой более общей ситуации выражается уравнением 3-6.
∑ м˙
_вход = ∑ м˙ _выход (3-6)
Одним из простейших приложений уравнения неразрывности является определение изменения скорости жидкости
из-за расширения или сжатия в диаметре трубка.
Пример: уравнение непрерывности – расширение трубопровода
В трубе, которая постепенно расширяется от диаметра 6 дюймов до диаметра 8 дюймов, существует стационарный поток. Плотность жидкости в трубе постоянна и равна 60 .8 фунтов/фут3. Если скорость потока составляет 22,4 фута/сек в 6-дюймовом сечении, какова скорость потока в 8-дюймовом сечении?
Решение:
Из уравнения неразрывности мы знаем, что массовый расход в секции 6 дюймов должен быть равен массовому расходу в секции 8 дюймов. Если нижний индекс 1 представляет 6-дюймовую секцию, а 2 представляет 8-дюймовую секцию, мы получаем следующее.
M˙ ₁ = M˙ ₂
ρ ₁ A ₁ V _{1 =} ρ ₂ A ₂ V ₂
V _{2 =} v ₁ (ρ _1/ ρ ₂) (₁ / A ₂)
V _{2 =} V ₁ (π _/ R ₁ ²) (π / / г ₂ ² )
v _{2 =} (22. 4 фута/сек) [(3 дюйма) ² / (4 дюйма) ² ]
v _{2 =} 12,6 фута/сек
Таким образом, используя уравнение неразрывности, мы уменьшаем диаметр трубы от От 6 до 8 дюймов вызвало снижение скорости потока с 22,4 до 12,6 футов/сек.
Уравнение неразрывности также можно использовать, чтобы показать, что уменьшение диаметра трубы вызовет увеличение скорости потока.
Пример: Уравнение непрерывности – центробежный насос Рис. 3: Уравнение непрерывности
Входной диаметр ГЦН реактора, показанный на Рис. 3, составляет 28 дюймов.в то время как выходной поток через насос составляет 9200 фунтов/сек. Плотность воды составляет 49 фунтов/фут3. Какая скорость на входе в насос?
Решение:
A _вход = πR ² = (3.13) (14 в ((1 футов / 12 дюймов)) ²
= 4.28 Ft ²
M˙ _вход = M ˙ _выпуск = 9200 фунтов/сек
(ρAv) _вход = 9200 фунтов/сек
v _вход = 9200 фунтов/сек /Aρ
0 сек. 28 футов 2) (49 фунтов/фут ³ )]
v _вход = 43,9 фут/сек
Приведенный выше пример показывает, что скорость потока в систему такая же, как и на выходе из системы. Та же самая концепция верна, даже несмотря на то, что более одного пути потока могут входить или выходить из системы одновременно. Баланс массы просто регулируется, чтобы указать, что сумма всех потоков, входящих в систему, равна сумме всех потоков, выходящих из системы, если существуют устойчивые условия. Пример этого физического случая включен в следующий пример.
Пример: уравнение неразрывности — несколько выпусков Рис. 4. Y-образная конфигурация для примера задачи
Система трубопроводов имеет Y-образную конфигурацию для разделения потока, как показано на рис. 4. Диаметр впускного патрубка составляет 12 дюймов, а диаметры выпускных патрубков 8 и 10 дюймов. Скорость на 10-дюймовом патрубке 10 фут/сек. Поток через основную часть составляет 500 фунтов/сек. Плотность воды составляет 62,4 фунта/фут3. Какова скорость на выходе из 8-дюймового участка трубы?
Решение:
A ₈ = π [4 дюйма.(1ft / 12 in)] ²
= 0,349 футов ²
A ₁₀ = π [5 дюймов (1 футов / 12 дюйма)] ²
= 0,545 футов ²
σm˙ _входы = σm˙ _olets
M˙ ₁₂ = M˙ ₁₀ + M˙ ₈ + M˙ ₈
M˙ ₈ = M˙ ₁₂ — M˙ ₁₀
(ρav) ₈ = = M˙ ₁₂ — (ρav) ₁₀
V ₈ = (M˙ ₁₂ — (ρav) ₁₀) / (ρa) ₈
= [(500 фунтов/сек) – (62.4 фунта/фут3) (0,545 фута 2) (10 футов/сек)] / (62,4 фунта/фут3)(0,349 фута ² )
v ₈ = 7,3 фута/сек
Основные положения этой главы резюмируются на следующей странице.
Изменения плотности жидкости обратно пропорциональны изменениям температуры.
Плавучесть — это тенденция тела плавать или всплывать при погружении в жидкость.
Давление столба воды прямо пропорционально высоте столба и плотности воды.
P = ρ h g / g _c
Закон Паскаля гласит, что давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается без уменьшения по всему ограничивающему сосуду системы.
Объемный расход — это объем жидкости в единицу времени, проходящий через точку в жидкостной системе.
Массовый расход — это масса жидкости в единицу времени, проходящая через точку в жидкостной системе.
Объемный расход рассчитывается как произведение средней скорости жидкости и площади поперечного сечения потока.
V˙ = A v
Массовый расход рассчитывается как произведение объемного расхода и плотности жидкости.
m˙ = ρ A v
Принцип сохранения массы гласит, что все массовые расходы в контрольном объеме равны всем массовым расходам из контрольного объема плюс скорость изменения массы в контрольном объеме.
Для контрольного объема с одним входом и выходом уравнение неразрывности можно выразить следующим образом:
∑m˙ на входе = ∑m˙ на выходе
Режимы потока
Весь поток жидкости классифицируется по одной из двух широких категорий или режимов.Эти два режима течения представляют собой ламинарный поток и турбулентный поток. Режим потока, будь то ламинарный или турбулентный, важен при проектировании и эксплуатации любой жидкостной системы. Величина жидкостного трения, которая определяет количество энергии, необходимой для поддержания желаемого потока, зависит от режима потока. Это также является важным соображением в некоторых приложениях, связанных с передачей тепла жидкости.
Ламинарное течение
Ламинарное течение также называют обтекаемым или вязким течением.Эти термины описывают поток, потому что при ламинарном потоке (1) слои воды текут друг по другу с разной скоростью, практически не смешиваясь между слоями, (2) частицы жидкости движутся по определенным и наблюдаемым траекториям или линиям тока и (3) ) течение характерно для вязкой (густой) жидкости или такое, в котором вязкость жидкости играет существенную роль.
Турбулентное течение
Турбулентное течение характеризуется неравномерным движением частиц жидкости. Нет определенной частоты, как в волновом движении.Частицы движутся по неправильным траекториям без какой-либо наблюдаемой закономерности и без определенных слоев.
Профили скорости потока
Не все частицы жидкости движутся по трубе с одинаковой скоростью. Форма кривой скорости (профиль скорости на любом заданном участке трубы) зависит от того, является ли поток ламинарным или турбулентным. Если течение в трубе ламинарное, распределение скорости в поперечном сечении будет иметь параболическую форму с максимальной скоростью в центре, примерно вдвое превышающей среднюю скорость в трубе. В турбулентном потоке существует довольно плоское распределение скорости по сечению трубы, в результате чего вся жидкость течет с заданным единственным значением. Рисунок 5 помогает проиллюстрировать приведенные выше идеи. Скорость жидкости, контактирующей со стенкой трубы, практически равна нулю и увеличивается по мере удаления от стенки.
Рисунок 5: Профили скорости ламинарного и турбулентного потоков
Обратите внимание на рисунок 5, что профиль скорости зависит от состояния поверхности стенки трубы. Более гладкая стенка обеспечивает более равномерный профиль скорости, чем шероховатая стенка трубы.
Средняя (объемная) скорость
Во многих задачах о течении жидкости вместо определения точных скоростей в разных точках одного и того же поперечного сечения потока достаточно, чтобы одна средняя скорость представляла скорость всей жидкости в этой точке в трубе. Это довольно просто для турбулентного потока, поскольку профиль скорости плоский на большей части поперечного сечения трубы. Разумно предположить, что средняя скорость равна скорости в центре трубы.
Если режим течения ламинарный (профиль скорости параболический), все еще существует проблема попытки представить «среднюю» скорость в любом данном поперечном сечении, поскольку в уравнениях течения жидкости используется среднее значение. Технически это делается с помощью интегрального исчисления. На практике учащийся должен использовать среднее значение, равное половине значения центральной линии.
Вязкость
Вязкость — это свойство жидкости, которое измеряет сопротивление жидкости деформации под действием силы сдвига.Вязкость — это внутреннее трение жидкости, которое заставляет ее сопротивляться протеканию мимо твердой поверхности или других слоев жидкости. Вязкость также можно рассматривать как меру сопротивления жидкости течению. Густое масло имеет высокую вязкость; вода имеет низкую вязкость. Единица измерения абсолютной вязкости:
µ = абсолютная вязкость жидкости (lbf-sec/ft2).
Вязкость жидкости обычно в значительной степени зависит от температуры жидкости и относительно не зависит от давления.Для большинства жидкостей по мере повышения температуры жидкости вязкость жидкости уменьшается. Пример этого можно увидеть в смазочном масле двигателей. Когда двигатель и его смазочное масло холодные, масло становится очень вязким или густым. После запуска двигателя и повышения температуры смазочного масла вязкость масла значительно снижается, и масло кажется намного более жидким.
Идеальная жидкость
Идеальная жидкость несжимаема и не имеет вязкости.Идеальных жидкостей на самом деле не существует, но иногда полезно рассмотреть, что произойдет с идеальной жидкостью в конкретной задаче о течении жидкости, чтобы упростить задачу.
Число Рейнольдса
Режим течения (ламинарный или турбулентный) определяется путем оценки числа Рейнольдса течения (см. рис. 5). Число Рейнольдса, основанное на исследованиях Осборна Рейнольдса, представляет собой безразмерное число, состоящее из физических характеристик потока. Уравнение 3-7 используется для расчета числа Рейнольдса (N _R ) для потока жидкости.
N
_R = PvD/мкг _c (3-7)
где:
N _R = число Рейнольдса (безразмерное)
v = средняя скорость 9 (00/006) трубы (футы)
µ = абсолютная вязкость жидкости (фунт-сила-сек/фут2)
ρ = массовая плотность жидкости (фунт/фут3)
г _c = гравитационная постоянная (32,2 фут-фунт/фунт-сила-сек2 )
Для практических целей, если число Рейнольдса меньше 2000, поток является ламинарным.Если оно больше 3500, поток турбулентный. Течения с числами Рейнольдса от 2000 до 3500 иногда называют переходными. Большинство жидкостных систем на ядерных установках работают с турбулентным потоком. Числа Рейнольдса удобно определять с помощью диаграммы Муди; пример которого показан в Приложении B. Дополнительные подробности об использовании Moody Chart приведены в последующем тексте.
Ниже кратко изложены основные положения этой главы.
• Ламинарный поток Слои воды текут друг над другом с разной скоростью, практически не смешиваясь между слоями.Профиль скорости потока для ламинарного потока в круглых трубах имеет параболическую форму с максимальным потоком в центре трубы и минимальным потоком на стенках трубы. Средняя скорость потока составляет примерно половину максимальной скорости.
• Турбулентный поток Течение характеризуется неравномерным движением частиц жидкости. Профиль скорости потока для турбулентного потока довольно плоский по центральному сечению трубы и быстро падает очень близко к стенкам.Средняя скорость потока примерно равна скорости в центре трубы.
• Вязкость — это свойство жидкости, которое измеряет сопротивление жидкости деформации под действием силы сдвига. Для большинства жидкостей температура и вязкость обратно пропорциональны.
• Идеальная жидкость несжимаема и не имеет вязкости.
• Увеличение числа Рейнольдса указывает на усиление турбулентности потока.
Общее уравнение энергии
Принцип сохранения энергии утверждает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.Это эквивалентно Первому закону термодинамики, который был использован для построения общего уравнения энергии в модуле по термодинамике. Уравнение 3-8 представляет собой формулировку общего уравнения энергии для открытой системы.
Q + (U + PE + KE + PV) _в =
W + (U + PE + KE + PV)
_вых + (U + PE + KE + PV) _{сохранено} (3-8 )
где:
Q = теплота (БТЕ)
U = внутренняя энергия (БТЕ)
PE = потенциальная энергия (фут-фунт-сила)
KE = кинетическая энергия (фут-фунт-сила)
P = давление ( lbf/ft ² )
V = объем (ft ³ )
W = работа (ft-lbf)
Упрощенное уравнение Бернулли
Уравнение Бернулли получается из применения общего уравнения энергии и первого закона термодинамики к стационарной системе, в которой не совершается работа над жидкостью или ею, теплота не передается жидкости или от жидкости и не происходит изменения внутренней энергии (т. е., без изменения температуры) жидкости. В этих условиях общее уравнение энергии упрощается до уравнения 3-9.
(PE + KE + PV)
₁ = (PE + KE + PV) ₂   (3-9)
Подставив соответствующие выражения для потенциальной энергии и кинетической энергии, уравнение 3-9 можно переписать как уравнение 3-10.
MGZ
_1/ G _C + _C + MV ₁ ^2/ 2G _C + P ₁ V ₁ = MGZ _2/ G _C + MV ₂ ^2/ 2G _C + _C + P ₂ V ₂ ₂ (3-10) (3-10)
Где:
м = Масса (LBM)
Z = Высота выше ссылка (ft)
v = средняя скорость (ft/sec)
g = ускорение свободного падения (32.17 ft/sec ² )
gc = гравитационная постоянная, (32,17 ft-lbm/lbf-sec ² )
масса измеряется в фунтах массы. По сути, это коэффициент преобразования, необходимый для прямого вывода единиц измерения. Никакой фактор не требуется, если масса измеряется в порциях или если используется метрическая система измерения.
Каждый член в уравнении 3-10 представляет форму энергии, которой обладает движущаяся жидкость (потенциальная, кинетическая энергия и энергия, связанная с давлением).По сути, уравнение физически представляет собой баланс энергий KE, PE, PV, так что если одна форма энергии увеличивается, одна или несколько других уменьшаются, чтобы компенсировать это, и наоборот.
Умножение всех членов уравнения 3-10 на коэффициент гс/мг приводит к форме уравнения Бернулли, показанному уравнением 3-11.
Z
₁ + V _{14 ² / 2G + P ₁ ν ₁ G _C / G = Z ₂ + V ₂ ² / 2G + P ₂ ν ₂ г _c/ г (3-11) Напор
Поскольку единицы измерения всех различных форм энергии в уравнении 3-11 измеряются в единицах расстояния, эти термины иногда называют «напоры» (напорный, скоростной и подъемный напор). Термин «напор» используется инженерами по отношению к давлению. Это ссылка на высоту, обычно в футах, столба воды, который будет поддерживать данное давление. Каждая из энергий, которыми обладает жидкость, может быть выражена в терминах напора. Высота напора представляет собой потенциальную энергию жидкости из-за ее подъема над опорным уровнем. Скоростной напор представляет собой кинетическую энергию жидкости. Это высота в футах, на которую текущая жидкость поднялась бы в столбе, если бы вся ее кинетическая энергия была преобразована в потенциальную энергию.Напор представляет собой энергию потока столба жидкости, вес которого эквивалентен давлению жидкости.
Сумма подъемного, скоростного и напорного напора жидкости называется полным напором. Таким образом, уравнение Бернулли утверждает, что общий напор жидкости постоянен.
Преобразование энергии в жидкостных системах
Уравнение Бернулли позволяет легко исследовать, как происходит передача энергии между подъемным напором, скоростным напором и напором. Можно исследовать отдельные компоненты трубопроводных систем и определить, какие свойства жидкости изменяются и как это влияет на энергетический баланс.
Если труба, содержащая идеальную жидкость, подвергается постепенному расширению в диаметре, уравнение неразрывности говорит нам, что по мере увеличения диаметра и проходного сечения скорость потока должна уменьшаться, чтобы поддерживать тот же массовый расход. Поскольку скорость на выходе меньше скорости на входе, скоростной напор потока должен уменьшаться от входа к выходу.Если труба расположена горизонтально, напор не меняется; следовательно, уменьшение скоростного напора должно компенсироваться увеличением напора. Поскольку мы рассматриваем идеальную несжимаемую жидкость, удельный объем жидкости не изменится. Единственный способ увеличения напора несжимаемой жидкости — это увеличение давления. Таким образом, уравнение Бернулли показывает, что уменьшение скорости потока в горизонтальной трубе приведет к увеличению давления.
Если труба постоянного диаметра, содержащая идеальную жидкость, подвергается уменьшению высоты, возникает тот же суммарный эффект, но по другим причинам. В этом случае скорость потока и скоростной напор должны быть постоянными, чтобы удовлетворять уравнению неразрывности массы.
Таким образом, уменьшение напора может быть компенсировано только увеличением напора. Опять же, жидкость несжимаема, поэтому увеличение напора должно привести к увеличению давления.
Хотя на уравнение Бернулли наложено несколько ограничений, существует множество задач с физическими жидкостями, к которым оно применяется.Как и в случае сохранения массы, уравнение Бернулли может быть применено к задачам, в которых более чем один поток может входить или выходить из системы одновременно. Особо следует отметить тот факт, что задачи последовательной и параллельной системы трубопроводов решаются с использованием уравнения Бернулли.
Пример: уравнение Бернулли Предположим, что в длинной горизонтальной конической трубе течет без трения. Диаметр составляет 2,0 фута на одном конце и 4,0 фута на другом. Высота напора на меньшем конце составляет 16 футов водяного столба. Если вода течет через этот конус со скоростью 125,6 фут3/с, найдите скорости на двух концах и напор на большем конце.
Решение:
v˙ ₁ = A ₁ V ₁
V ₁ = V˙ ₁/ A ₁ V ₂ = v˙ ₂ / А ₂
v ₁ = 125.6 FT ³ / SEC _{/ SEC / π (1 футов) ² v ₂ = 125,6 футов ³ / с / π (2 ft) ²}
v ₁ = = _{_{40364 V ₂ = 10 футов / с}}
Z ₁ + V ₁ + V ₁ ² / 2G + P ₁ ν ₁ G _C / G = Z ₂ + V ₂ ² / 2G + P ₂ ν ₂ G _{C /} G
P ₂ ν ₂ G _{C /} G = P ₁ ν ₁ G _C / G + (Z ₁ — Z ₂) + (V ₁) + (V ₁ ² — V ₂ ²) / 2G
= 16 футов + 0 футов + [(40 футов/сек) ² – (10 футов/сек) ² / 2 (32. 17 ft-lbm/ lnf – sec ² )]
= 39,3 фута
Ограничения на упрощенное уравнение Бернулли
Практическое применение упрощенного уравнения Бернулли к реальным трубопроводным системам невозможно из-за двух ограничений. Одним из серьезных ограничений уравнения Бернулли в его нынешнем виде является то, что при решении задач о трубопроводах не допускается жидкостное трение. Следовательно, уравнение 3-10 применимо только к идеальным жидкостям. Однако в действительности полный напор, которым обладает жидкость, не может быть полностью перенесен из одной точки в другую из-за трения.Учет этих потерь напора дал бы гораздо более точное описание того, что происходит физически. Это особенно верно, потому что одной из целей насоса в жидкостной системе является преодоление потерь давления из-за трения в трубах.
Второе ограничение уравнения Бернулли заключается в том, что жидкость не может совершать работу над жидкостью. Это ограничение предотвращает анализ двух точек в потоке жидкости, если между двумя точками есть насос. Поскольку большинство проточных систем включают насосы, это является существенным ограничением.К счастью, упрощенное уравнение Бернулли можно изменить так, чтобы оно удовлетворительно учитывало как потери напора, так и работу насоса.
Расширенный метод Бернулли
Уравнение Бернулли можно изменить, чтобы учесть прирост и потери напора. Полученное уравнение, называемое расширенным уравнением Бернулли, очень полезно при решении большинства задач о течении жидкости. На самом деле расширенное уравнение Бернулли, вероятно, используется чаще, чем любое другое уравнение течения жидкости. Уравнение 3-12 является одной из форм расширенного уравнения Бернулли.
Z
_{1 +} V ₁ ² / 2G + P ₁ ν ₁ G _C / G + H _P = Z _{2 +} V ₂ ² / 2g + P ₂ ν ₂ g _c /g + H _f (3-12) где:
z = средняя скорость жидкости над исходным уровнем (футы)
ft/sec)
P = давление жидкости (lbf/ft ² )
ν = удельный объем жидкости (ft ³ /lbm)
Hp = напор, добавляемый насосом (ft)
Hf = потеря напора из-за жидкостного трения (ft)
g = ускорение свободного падения (ft/sec ² )
трубка. Хотя это представляет собой потерю энергии с точки зрения потока жидкости, обычно это не представляет собой значительную потерю общей энергии жидкости. Это также не нарушает закон сохранения энергии, поскольку потеря напора из-за трения приводит к эквивалентному увеличению внутренней энергии (u) жидкости. Эти потери максимальны, когда жидкость протекает через входы, выходы, насосы, клапаны, фитинги и любые другие трубопроводы с шероховатой внутренней поверхностью.
Большинство методов оценки потери напора из-за трения являются эмпирическими (основаны почти исключительно на экспериментальных данных) и основаны на константе пропорциональности, называемой коэффициентом трения (f), которая будет обсуждаться в следующем разделе.
Пример: Расширенный Бернулли Вода перекачивается из большого резервуара в точку на 65 футов выше резервуара. Сколько футов напора должен добавить насос, если через 6-дюймовую трубу протекает 8000 фунтов/ч, а потеря напора на трение составляет 2 фута? Плотность жидкости составляет 62,4 фунта/фут3, а площадь поперечного сечения 6-дюймовой трубы составляет 0,2006 футов ² .
Решение:
Для использования модифицированной формы уравнения Бернулли опорные точки выбираются на поверхности резервуара (точка 1) и на выходе из трубы (точка 2).Давление на поверхности резервуара такое же, как давление на выходе из трубы, т. е. атмосферное давление. Скорость в точке 1 будет практически нулевой.
Использование уравнения для массового расхода для определения скорости в точке 2:
м˙ ₂ = ρ A ₂ v ₂
v ₂ ₂
V ₂ = 8000 LBM / HR / (62,4 LBM / FT ³) 0.2006 FT ²
V ₂ = 639 FT / HR (1 HR / 3600 SEC)
V ₂ = 0.178 FT / SEC
Z _{1 +} V _{14 ² / 2G + P ₁ ν ₁ G _C / G + H _P = Z _{2 +} V ₂ ² / 2G + P ₂ ν ₂ G _C G _C / G + H _F}
H _{P =} (Z _{2 —} Z ₁) + (V ₂ ² — — V _{1 4 ²) / 2G + (P ₂ — P ₁) ν (G _C / G) + H _F}
H _P = 65 футов + [(0. 178 фут/сек) ² – (o фут/сек) ² ]/ [2 (32,17 фут-фунт/фунт-сила-сек ² )] + 5 6 46 + 0 466 H _p = 67 футов[/box]
Обратите внимание, что решение этой примерной задачи имеет числовое значение, которое «имеет смысл» из данных, приведенных в задаче. Общее увеличение напора на 67 футов связано в первую очередь с увеличением оценки на 65 футов и на 2 фута фрикционного напора.
Применение уравнения Бернулли к трубке Вентури
Многие компоненты установки, такие как трубка Вентури, могут быть проанализированы с использованием уравнения Бернулли и уравнения неразрывности.Вентури представляет собой устройство для измерения расхода, состоящее из постепенного сжатия, за которым следует постепенное расширение. Пример трубки Вентури показан на рисунке 6. Путем измерения перепада давления между входом трубки Вентури (точка 1) и горловиной трубки Вентури (точка 2) можно определить скорость потока и массовый расход на основе уравнения Бернулли. уравнение.
Рисунок 6: Расходомер Вентури Уравнение Бернулли утверждает, что общий напор потока должен быть постоянным. Поскольку превышение существенно не изменяется, если вообще изменяется между точками 1 и 2, высота подъема в этих двух точках будет по существу одинаковой и не будет учитываться в уравнении.Таким образом, уравнение Бернулли упрощается до уравнения 3-13 для трубки Вентури.
V
_{14
² / 2G + P ₁ ν ₁ G _C / G = V ₂ ² / 2G + P ₂ ν ₂ G _{C /} g (3-13) Применение уравнения неразрывности к точкам 1 и 2 позволяет нам выразить скорость потока в точке 1 как функцию скорости потока в точке 2 и отношения двух площадей потока.
ρ ₁ A ₁ V ₁ = ρ ₂ = ρ ₂ V ₂
V ₁ = ρ ₂ A ₂ V ₂ / ρ ₁ A ₁
V _{1 =} V ₂ A ₂ A ₂ / A ₁ / A ₁ / A ₁ / A ₁
Использование алгебры для перестройки уравнения 3-13 и подстановка вышеуказанного результата для V ₁ позволяет нам решать для v ₂ .
v ₂ ² — V _{14 2 ² / 2G = (P ₁-PR ₂) ν G}
3 C /} G
V ₂ ² — (v ₂ A ₂ / A ₂ / A ₁) ² = (P ₁ — P ₂) 2 ν G _C
V ₂ ² (1 — (A ₂ / A ₁) ²) = (P ₁ — P ₂) 2 ν G _C
C
V ₂ ² = (P ₁ — P ₂ ) 2 ν г _в / (1 – (А2/А1) ² )
v _{2 =} √ [(P ₁ – P _{3 9 9 3 3 г ) – (A2/A1) ² )]}
v _{2 =} √ (P ₁ – P ₂ ) √ [2 ν g _c / (1) 6 06 6 0 )]
Следовательно, скорость потока в горловине трубки Вентури и объемный расход прямо пропорциональны y пропорционален квадратному корню из дифференциального давления.
Давления в верхней части и горловине являются фактическими давлениями, а скорости из уравнения Бернулли без учета потерь являются теоретическими скоростями. Когда в уравнении энергии учитываются потери, скорости являются фактическими скоростями. Во-первых, с помощью уравнения Бернулли (то есть без члена потери напора) получается теоретическая скорость в горловине. Затем, умножив это на коэффициент Вентури (C _v), который учитывает потери на трение и равен 0.98 для большинства трубок Вентури получается фактическая скорость. Фактическая скорость, умноженная на фактическую площадь горловины, определяет фактический объемный расход нагнетания.
Падение давления P ₁ – P ₂ на трубке Вентури можно использовать для измерения расхода с помощью U-образного манометра, как показано на рис. 6. Показание R’ манометра пропорционально к перепаду давления и, следовательно, к скорости жидкости.
Ниже кратко изложены основные положения этой главы.
• Резюме уравнения Бернулли
• Уравнение Бернулли является приложением первого закона термодинамики.
• Уравнение Бернулли представляет собой приложение общего уравнения энергии к стационарной системе, в которой работа не совершается над жидкостью или ею, тепло не передается к жидкости или от нее, а внутренняя энергия не изменяется. жидкости.
• Напор — это термин, используемый для описания давления, оказываемого на жидкость или со стороны жидкости.
• Когда жидкость течет по системе трубопроводов, изменения высоты, скорости и напора должны быть постоянными, чтобы удовлетворялось уравнение Бернулли.
• Уравнение Бернулли можно изменить, чтобы учесть потери на трение и работу насоса.
• Трубку Вентури можно использовать для определения массового расхода из-за изменений давления и скорости жидкости.
• Объемный расход через трубку Вентури прямо пропорционален квадратному корню перепада давления между входом трубки Вентури и ее горлом.
Потеря напора
Потеря напора — это мера снижения общего напора (сумма подъемного, скоростного и напорного напора) жидкости при ее движении через систему флюидов. Потеря напора неизбежна в реальных жидкостях. Он возникает из-за: трения между жидкостью и стенками трубы; трение между соседними частицами жидкости при их движении относительно друг друга; и турбулентность, возникающая всякий раз, когда поток перенаправляется или каким-либо образом подвергается влиянию таких компонентов, как входы и выходы трубопроводов, насосы, клапаны, редукторы потока и фитинги.
Потери на трение — это часть общей потери напора, возникающая при протекании жидкости по прямым трубам. Потеря напора для потока жидкости прямо пропорциональна длине трубы, квадрату скорости жидкости и члену, учитывающему трение жидкости, называемому коэффициентом трения. Потеря напора обратно пропорциональна диаметру трубы.
Потеря напора ∝ f Lv ² /D
Коэффициент трения
Определено, что коэффициент трения зависит от числа Рейнольдса для потока и степени шероховатости внутренней поверхности трубы.
Величина, используемая для измерения шероховатости трубы, называется относительной шероховатостью, которая равна средней высоте неровностей поверхности (ε), деленной на диаметр трубы (D).
Относительная шероховатость = ε/D
Значение коэффициента трения обычно получают из диаграммы Муди (рис. A). Диаграмму Муди можно использовать для определения коэффициента трения на основе числа Рейнольдса и относительной шероховатости.
Рисунок A: Диаграмма Муди Пример: Определите коэффициент трения (f) для потока жидкости в трубе с числом Рейнольдса 40 000 и относительной шероховатостью 0.01.
Решение:
Используя диаграмму Муди, число Рейнольдса, равное 40 000, пересекает кривую, соответствующую относительной шероховатости 0,01 при коэффициенте трения 0,04.
Уравнение Дарси
Потеря напора на трение может быть рассчитана с использованием математической зависимости, известной как уравнение Дарси для потери напора. Уравнение принимает две различные формы. Первая форма уравнения Дарси определяет потери в системе, связанные с длиной трубы.
H
_r = f L v ² / D 2 g (3-14) где:
f = коэффициент трения (безразмерный)
L = длина трубы (футы)
5 D
6 трубы (футы)
v = скорость жидкости (футы/сек)
g = ускорение свободного падения (футы/сек ² )
Пример: Уравнение потери напора Дарси Труба длиной 100 футов и диаметром 20 дюймов содержит воду при температуре 200°F, текущую с массовым расходом 700 фунтов/сек.Вода имеет плотность 60 фунтов/фут ³ и вязкость 1,978 x 10 ^-7 фунт-сила-сек/фут ² . Относительная шероховатость трубы 0,00008. Рассчитайте потери напора трубы.
Решение:
Последовательность шагов, необходимых для решения этой проблемы, состоит в том, чтобы сначала определить скорость потока. Во-вторых, используя скорость потока и заданные свойства жидкости, рассчитайте число Рейнольдса. В-третьих, определите коэффициент трения по числу Рейнольдса и относительной шероховатости.Наконец, используйте уравнение Дарси, чтобы определить потери напора.
м˙ = ρ A v
v = м˙/ρ A
= (700 фунтов/сек) / (60 фунтов/фут ³ ) π (10 дюймов) ² (1 фут ² / 144 в ²⁾
V = 5,35 фута / с
N _R = ρ v d / μ G _C
N _R = (60 lbm / ft ³) (5.35 ft /сек) (20 дюймов )(1 фут/12 дюймов)/ (1,978 x 10 ^-7 фунт-сила-сек/фут ² )( 32,17 фут-фунт/фунт-сила-сек ²⁾ =
N _R = 8.4 x 10 ⁷
Используйте диаграмму Муди для числа Рейнольдса 8,4 x 10 ⁷ и относительной шероховатости 0,00008.
f = 0,012
H _f = f (Д/Д) (v ² /2g)
H _f = (o.o12) [100 футов/(20 дюймов)(1 фут/12 дюймов) )] * (5,35 фут/сек) ² /(2)(32,17 фут/сек ² )
H _f = 0,32 фут
Незначительные потери
Потери из-за изгибов трубопроводов колена, соединения, клапаны и т. д.иногда называют незначительными потерями. Это неправильное название, поскольку во многих случаях эти потери более значительны, чем потери из-за трения трубы, рассмотренные в предыдущем разделе. При всех незначительных потерях в турбулентном потоке потери напора зависят от квадрата скорости. Таким образом, удобным методом выражения незначительных потерь потока является коэффициент потерь (k). Значения коэффициента потерь (k) для типичных ситуаций и фитингов можно найти в стандартных справочниках. Форма уравнения Дарси, используемая для расчета незначительных потерь отдельных компонентов жидкостной системы, выражается уравнением 3-15.
H
_f = kv ² /2g (3-15) Эквивалентная длина трубопровода
одинаковая скорость нагнетания. Эту связь можно найти, приравняв две формы уравнения Дарси друг к другу.
f L v ² / D 2g = kv ² /2g
Это дает два полезных соотношения
L
_eq = k D/f eq /D (3-17) Типичные значения L _eq /D для обычных компонентов системы трубопроводов приведены в таблице 1. Эквивалентную длину трубопровода, которая вызовет такие же потери напора, как и конкретный компонент, можно определить путем умножения значения L _eq /D для этого компонента на диаметр трубы. Чем выше значение L _eq /D, тем больше эквивалентная длина трубы.
Таблица 1: Типичные значения Leq/D Пример: Полностью открытая задвижка находится в трубе диаметром 10 дюймов. Труба какой эквивалентной длины вызовет такую же потерю напора, как и задвижка?
Решение:
Из таблицы 1 мы находим, что значение L _eq /D для полностью открытой задвижки равно 10.
L _eq = (L/D) D
= 10 (10 дюймов)
= 100 дюймов
Добавляя эквивалентные длины всех компонентов к фактической длине трубы в системе, мы можем получить L _{эквивалентно значению} для всей системы трубопроводов.
Ниже кратко изложены основные положения этой главы.
• Потеря напора — это снижение общего напора (сумма потенциального напора, скоростного напора и напора) жидкости, вызванное трением, присутствующим при движении жидкости.
• Потеря на трение – это часть общей потери напора, возникающая при протекании жидкости по прямым трубам.
• Незначительные потери — это потери напора, возникающие из-за изгибов, колен, соединений, клапанов и других компонентов. Каждый раз, когда поток испытывает изменение направления или площади поперечного сечения, он испытывает потерю напора.
• Коэффициент трения для потока жидкости можно определить с помощью диаграммы Муди, если можно определить относительную шероховатость трубы и число Рейнольдса потока.
• Уравнение Дарси можно использовать для расчета потерь на трение.
• Для расчета незначительных потерь можно использовать специальную форму уравнения Дарси.
• Длина трубы, при которой потеря напора будет такой же, как у клапана или фитинга, может быть определена путем умножения значения L/D для компонента, указанного в справочниках или руководствах поставщиков, на диаметр трубы.
Принудительная и естественная циркуляция
В предыдущих главах, посвященных потоку жидкости, объяснялось, что каждый раз, когда жидкость течет, возникает некоторое трение, связанное с движением, которое вызывает потерю напора.Было указано, что эта потеря напора обычно компенсируется в трубопроводных системах насосами, которые работают с жидкостью, компенсируя потерю напора из-за трения. Циркуляция жидкости в системах с помощью насосов называется принудительной циркуляцией .
Некоторые жидкостные системы можно спроектировать таким образом, чтобы не требовалось наличие насосов для обеспечения циркуляции. Напор, необходимый для компенсации потерь напора, создается градиентами плотности и изменениями высоты.Поток, возникающий в этих условиях, называется естественной циркуляцией .
Тепловая приводная головка
Тепловая приводная головка – это сила, вызывающая естественную циркуляцию. Это вызвано разницей в плотности между двумя телами или областями жидкости.
Рассмотрим два равных объема жидкости одного типа. Если два объема имеют разную температуру, то объем с более высокой температурой также будет иметь меньшую плотность и, следовательно, меньшую массу.Поскольку объем при более высокой температуре будет иметь меньшую массу, на него также будет действовать меньшая сила тяжести. Эта разница в силе тяжести, действующей на жидкость, приводит к тому, что более горячая жидкость поднимается, а более холодная опускается.
Этот эффект наблюдается во многих местах. Одним из примеров этого является воздушный шар. Сила, заставляющая воздушный шар подниматься, является результатом разницы в плотности между горячим воздухом внутри воздушного шара и более холодным воздухом, окружающим его.
Тепло, добавленное к воздуху в воздушном шаре, добавляет энергию молекулам воздуха. Движение молекул воздуха увеличивается, и молекулы воздуха занимают больше места. Молекулы воздуха внутри воздушного шара занимают больше места, чем такое же количество молекул воздуха снаружи воздушного шара. Это означает, что горячий воздух менее плотный и легче, чем окружающий воздух. Поскольку воздух в воздушном шаре менее плотный, гравитация оказывает на него меньшее влияние. В результате воздушный шар весит меньше окружающего воздуха.Гравитация втягивает более холодный воздух вниз в пространство, занимаемое воздушным шаром. Нисходящее движение более холодного воздуха выталкивает воздушный шар из ранее занятого пространства, и воздушный шар поднимается.
Условия, необходимые для естественной циркуляции
Естественная циркуляция возможна только при наличии правильных условий. Даже после того, как естественная циркуляция началась, устранение любого из этих условий приведет к остановке естественной циркуляции. Условия естественной циркуляции следующие.
1. Существует разница температур (имеются источник тепла и радиатор).
2. Источник тепла находится ниже радиатора.
3. Жидкости должны соприкасаться друг с другом.
Должно быть два тела жидкости с разной температурой. Это также может быть одно тело жидкости с участками разной температуры. Разница в температуре необходима, чтобы вызвать разницу в плотности жидкости. Разница в плотности является движущей силой естественного циркуляционного потока.
Для продолжения естественной циркуляции необходимо поддерживать разницу температур. Добавление тепла от источника тепла должно иметь место в области высоких температур. В области низких температур должен существовать непрерывный отвод тепла радиатором. В противном случае температуры со временем выровнялись бы, и дальнейшей циркуляции не произошло бы.
Источник тепла должен находиться на более низкой высоте, чем радиатор. Как показано на примере воздушного шара, более теплая жидкость менее плотная и будет стремиться вверх, а более холодная жидкость более плотная и будет стремиться опуститься.Чтобы воспользоваться преимуществами естественного движения теплых и холодных жидкостей, источник тепла и радиатор должны находиться на соответствующей высоте.
Две области должны соприкасаться, чтобы между ними был возможен поток. Если путь потока затруднен или заблокирован, то естественная циркуляция невозможна.
Пример охлаждения с естественной циркуляцией
Естественная циркуляция часто является основным средством охлаждения реакторов бассейнового типа и облученных тепловыделяющих сборок, хранящихся в бассейнах с водой после извлечения из реактора.Источником тепла является ТВС. Радиатор – это основная часть воды в бассейне.
Вода в нижней части топливной сборки поглощает энергию, вырабатываемую сборкой. Температура воды увеличивается, а плотность уменьшается. Гравитация втягивает более холодную (более плотную) воду в нижнюю часть сборки, вытесняя более теплую воду. Более теплая (более легкая) вода вынуждена уступить свое место более холодной (более тяжелой) воде. Более теплая (более легкая) вода поднимается выше в узле. По мере того, как вода проходит по всей длине сборки, она поглощает больше энергии.Вода становится все легче и легче, постоянно вытесняемая вверх более плотной водой, движущейся под ней. В свою очередь, более холодная вода поглощает энергию сборки и также вынуждена подниматься по мере продолжения естественного циркуляционного потока. Вода, выходящая из верхней части топливной сборки, отдает свою энергию, смешиваясь с основной массой воды в бассейне. Основная часть воды в бассейне обычно охлаждается за счет циркуляции через теплообменники в отдельном процессе.
Расход и разница температур
Тепловой напор, вызывающий естественную циркуляцию, возникает из-за изменения плотности, вызванного разностью температур.Как правило, чем больше разница температур между горячей и холодной областями жидкости, тем больше тепловой напор и результирующая скорость потока. Однако рекомендуется держать горячую жидкость переохлажденной, чтобы предотвратить изменение фазы. В двухфазном потоке возможна естественная циркуляция, но поддерживать поток обычно сложнее.
Для индикации или проверки наличия естественной циркуляции можно использовать различные параметры. Это зависит от типа растения. Например, для реактора с водой под давлением (PWR) выбранные параметры системы теплоносителя реактора (RCS), которые будут использоваться, следующие.
1. RCS ∆T (T _{Горячий} – T _{Холодный} ) должен составлять 25-80% от значения полной мощности и либо быть постоянным, либо медленно уменьшаться. Это указывает на то, что остаточное тепло отводится из системы с достаточной скоростью для поддержания или снижения температуры ядра.
2. RCS Температуры горячих и холодных участков должны быть постоянными или медленно снижаться. Опять же, это указывает на то, что тепло отводится, а нагрузка остаточного тепла снижается, как и ожидалось.
3. Давление пара в парогенераторе (давление на вторичной стороне) должно соответствовать температуре RCS. Это подтверждает, что парогенератор отводит тепло от хладагента RCS.
Если естественная циркуляция для PWR осуществляется или неизбежна, можно выполнить несколько действий для обеспечения или улучшения возможностей охлаждения активной зоны. Во-первых, уровень компенсатора давления может поддерживаться выше 50%. Во-вторых, поддерживать переохлаждение RCS на 15 ^o F или выше.
Оба этих действия помогут избежать образования паровых/паровых карманов в СТР, где они могут ограничивать поток СТР.В-третьих, поддерживайте уровень воды в парогенераторе на уровне ≥ нормального диапазона. Это обеспечивает адекватный теплоотвод для обеспечения достаточного отвода тепла для предотвращения закипания RCS.
Основные пункты этой главы перечислены ниже.
• Естественная циркуляция – это циркуляция жидкости без использования механических устройств.
• Поток с принудительной циркуляцией – это циркуляция жидкости через систему с помощью насосов.
• Тепловой напор – это движущая сила естественной циркуляции, вызванная разницей в плотности между двумя участками жидкости.
• Для обеспечения естественной циркуляции необходимы три элемента:
Должен быть радиатор и источник тепла.
Источник тепла должен располагаться ниже радиатора.
Между теплой и холодной жидкостью должны существовать пути потока.
• Как правило, чем больше разница температур, тем выше скорость естественной циркуляции.
• Естественная циркуляция в PWR может быть проверена путем мониторинга:
RCS ∆T – 25%-80% значение полной мощности
T _{Горячий или устойчивый 4}6 / T Уменьшение
S / G Паровая давление — отслеживание RCS Температура
• Натуральное циркуляция в PWR может быть усилена на:

Поддерживать уровень прессажирования> 50%
Обслуживание RCS ≥ 15O F переохлаждение
поддержание адекватного теплоотвода, уровень S/G ≥ нормального диапазона
Двухфазный поток жидкости
Все отношения потока жидкости, обсуждавшиеся ранее, относятся к потоку одной фазы жидкости, будь то жидкость или пар . В некоторых важных местах в системах с потоком жидкости происходит одновременный поток жидкой воды и пара, известный как двухфазный поток. Этих простых соотношений, используемых для анализа однофазного течения, недостаточно для анализа двухфазного течения.
Существует несколько методов, используемых для прогнозирования потери напора из-за трения жидкости для двухфазного потока. Трение двухфазного потока больше, чем трение однофазного потока при тех же размерах трубопровода и массовом расходе. Разница, по-видимому, является функцией типа потока и является результатом увеличения скорости потока.Потери на двухфазное трение определяются экспериментально путем измерения перепада давления на различных элементах трубопровода.
Двухфазные потери обычно связаны с однофазными потерями через одни и те же элементы. Один из общепринятых методов определения двухфазных потерь на трение на основе однофазных потерь включает множитель двухфазного трения (R), который определяется как отношение двухфазных потерь напора к потерям напора, оцененным с использованием насыщенного свойства жидкости.
R = H
_f, двухфазный / H _f, насыщенная жидкость (3-18) где:
R = двухфазный множитель трения (без единиц)
H _{f 4, два -фаза = двухфазная потеря напора из-за трения (футы)}
H _{f ,} насыщенная жидкость = однофазная потеря напора из-за трения (футы)
Множитель трения (R) оказался намного выше при более низком давлении, чем при более высоком.Потери напора в двухфазном режиме могут быть во много раз больше, чем в однофазном.
Хотя для двухфазных течений использовался широкий диапазон названий, мы определим только три типа течений. Используемые модели потока определяются следующим образом:
1. Пузырьковый поток: пузырьки пара рассеиваются в континууме жидкости.
2. Снарядное течение: при пузырьковом течении пузырьки растут путем слияния и в конечном итоге становятся того же порядка диаметра, что и трубка. При этом образуются типичные пузырьки пулевидной формы, характерные для снарядного режима.
3. Кольцевой поток: теперь жидкость распределяется между пленкой жидкости, текущей вверх по стенке, и дисперсией капель, текущих в паровом ядре потока.
Нестабильность потока
Нестабильный поток может проявляться в форме колебаний или реверсирования потока. Колебания потока — это изменения потока из-за образования пустот или механических препятствий, возникающих при проектировании и производстве. Колебания потока в одном из каналов теплоносителя реактора иногда вызывают колебания потока в окружающих каналах теплоносителя из-за перераспределения потока.Колебания потока нежелательны по нескольким причинам. Во-первых, длительные колебания потока могут вызвать нежелательную вынужденную механическую вибрацию компонентов. Это может привести к выходу из строя этих компонентов из-за усталости. Во-вторых, колебания потока могут вызвать проблемы управления системой, которые особенно важны в ядерных реакторах с жидкостным охлаждением, поскольку теплоноситель также используется в качестве замедлителя. В-третьих, колебания потока влияют на локальные характеристики теплопередачи и кипения. В результате испытаний было обнаружено, что критический тепловой поток (CHF), необходимый для выхода из пузырькового кипения (DNB), может быть снижен на целых 40%, когда поток колеблется.Это резко снижает тепловой предел и удельную мощность по длине активной зоны реактора. Опять же, в результате испытаний было обнаружено, что колебания потока не представляют серьезной проблемы для некоторых реакторов с водой под давлением, если только мощность не превышает 150% для нормальных условий потока. Колебания потока могут быть проблемой во время операций с естественной циркуляцией из-за низкого расхода.
При естественной циркуляции пузырьки пара, образующиеся при колебаниях потока, могут иметь достаточно сильное воздействие, чтобы вызвать полный реверс потока в пораженном канале.
Как колебания потока, так и реверсирование потока приводят к очень неустойчивому состоянию, поскольку паровые одеяла, образующиеся на нагретых поверхностях, напрямую влияют на способность отводить тепло от этих поверхностей.
Трубный хлыст
В случае разрыва трубы реактивная сила, создаваемая высокоскоростной струей жидкости, может привести к смещению трубопровода и значительному повреждению компонентов, контрольно-измерительных приборов и оборудования в зоне разрыва. Эта характеристика похожа на оставленный без присмотра садовый шланг или пожарный шланг, который непредсказуемо «хлещет».Этот тип отказа анализируется, чтобы свести к минимуму ущерб, если биение трубы произойдет вблизи оборудования, важного для обеспечения безопасности.
Гидравлический удар
Гидравлический удар представляет собой ударную волну жидкости, возникающую в результате внезапного запуска или остановки потока. На него влияют начальное давление в системе, плотность жидкости, скорость звука в жидкости, упругость жидкости и трубы, изменение скорости жидкости, диаметр и толщина трубы, а также клапан. время работы.
При закрытии клапана кинетическая энергия движущейся жидкости преобразуется в потенциальную энергию. Упругость жидкости и стенки трубы создает волну положительного давления, направленную обратно к источнику жидкости. Когда эта волна достигнет источника, масса жидкости будет находиться в состоянии покоя, но под огромным давлением. Сжатая жидкость и растянутые стенки трубы теперь начнут выпускать жидкость в трубе обратно к источнику и возвращаться к статическому давлению источника. Это высвобождение энергии сформирует еще одну волну давления обратно к клапану.Когда эта ударная волна достигает клапана, из-за импульса жидкости стенка трубы начинает сжиматься. Это сжатие передается обратно к источнику, который снижает давление в трубопроводе ниже статического давления источника. Эти волны давления будут перемещаться туда и обратно несколько раз, пока жидкостное трение не гасит чередующиеся волны давления до статического давления источника. Обычно весь процесс молотка занимает менее одной секунды.
Первоначальный толчок внезапного прекращения потока может вызвать переходные изменения давления, которые превышают статическое давление. Если клапан закрывается медленно, потеря кинетической энергии происходит постепенно. Если его закрыть быстро, потеря кинетической энергии будет очень быстрой. Возникновение ударной волны происходит из-за быстрой потери кинетической энергии. Ударная волна, вызванная гидравлическим ударом, может иметь достаточную величину, чтобы нанести физический ущерб трубопроводу, оборудованию и персоналу. Известно, что гидравлический удар в трубах вырывает опоры труб из их креплений, разрывает трубы и вызывает биение труб.
Всплеск давления
Всплеск давления возникает в результате быстрого повышения давления выше статического, вызванного гидравлическим ударом.Максимальный скачок давления будет достигнут в момент изменения расхода и определяется следующим уравнением.
ΔP = ρ _C ΔV / G _C
, где:
ΔP = Спайка давления (LBF / FT ²)
ρ = плотность жидкости (LBM / FT ³ )
c = скорость волны давления (фут/сек) (скорость звука в жидкости)
∆v = изменение скорости жидкости (фут/сек)
gc = гравитационная постоянная 32. 17 (lbm-ft / lbf-sec ² )
Пример: Всплеск давления Вода с плотностью 62,4 lbm/ft ³ и давлением 120 psi течет по трубе со скоростью 10 ft/sec. Скорость звука в воде 4780 футов в секунду. Обратный клапан внезапно закрылся. Каково максимальное давление жидкости в фунтах на квадратный дюйм?
Решение
P _Max = P _Static + ΔP _Spike
P _Max = 120 LBF / в ² + ρ _C ΔV / G _C
P _Max = 120 фунтов силы/дюйм ² + (62.4 lbm/ft ³ )(4780 ft/sec)(10 ft/sec) / (32,17 lbm ft/ lbf sec ² )
P _Max = 120 lbf/in ^{2/lbf 66 + в ²}
P _Макс. = 76,3 фунтов на кв. дюйм
Паровой молот
Паровой молот аналогичен гидравлическому молоту, за исключением того, что он предназначен для паровой системы. Паровой удар представляет собой газовую ударную волну, возникающую в результате внезапного запуска или остановки потока. Паровой удар менее опасен, чем гидравлический, по трем причинам:
1.Сжимаемость пара гасит ударную волну
2. Скорость звука в паре составляет примерно одну треть скорости звука в воде.
3. Плотность пара примерно в 1600 раз меньше плотности воды.
К проблемам, связанным с паропроводом, относятся тепловой удар и водяные пробки (т. е. конденсация в паровой системе) в результате неправильного прогрева.
Вопросы эксплуатации
Гидравлический и паровой удары не редкость на промышленных предприятиях.Изменения расхода в трубопроводных системах должны выполняться медленно в соответствии с передовой практикой оператора. Чтобы предотвратить гидравлический и паровой удары, операторы должны обеспечить надлежащую вентиляцию жидкостных систем и обеспечить надлежащий дренаж газообразных или паровых систем во время запуска. По возможности инициируйте запуск насоса при закрытом нагнетательном клапане и медленно открывайте нагнетательный клапан, чтобы запустить поток в системе. По возможности запускайте насосы меньшей производительности перед насосами большей производительности. По возможности используйте клапаны прогрева вокруг запорных клапанов основного потока.Если возможно, закройте выпускные клапаны насосов перед остановкой насосов. Периодически проверяйте правильность работы влагоуловителей и воздухозаборников во время работы.
Основные положения этой главы приведены ниже.
Сочетание жидкости и пара, протекающих по трубе, называется двухфазным потоком.
Типы двухфазного потока включают:
• Пузырьковый поток: дисперсия пузырьков пара в континууме жидкости.
• Снарядное течение: пузырьки растут путем слияния и в конечном итоге становятся того же порядка диаметра, что и трубка, образуя пузырьки пулевидной формы.
• Кольцевой поток: жидкость распределяется между жидкой пленкой, текущей вверх по стенке, и дисперсией капель, текущих в паровом ядре потока.
Колебания и нестабильность основного потока могут вызвать:
• нежелательную механическую вибрацию компонентов.
• уменьшение теплового потока, необходимое для возникновения DNB.
• перебои в реальном циркуляционном потоке.
Колебания и нестабильность потока могут возникать при следующих условиях:
• сердечник не соответствует расчетным условиям, мощность > 150 %
• механическое повреждение, вызывающее блокировку потока

5 при недостаточном охлаждении сердечника естественная циркуляция, при которой происходит кипение}

Вздутие трубы – это смещение трубопровода, вызванное силами реакции высокоскоростной струи жидкости после разрыва трубы.

Гидравлический удар представляет собой ударную волну жидкости, возникающую в результате внезапного запуска или остановки потока.

Преобразование энергии в центробежном насосе

Жидкость, поступающая в центробежный насос, сразу же направляется в область низкого давления в центре или в ушке рабочего колеса. Когда крыльчатка и лопасти вращаются, они передают импульс поступающей жидкости. Передача импульса движущейся жидкости увеличивает скорость жидкости. С увеличением скорости жидкости увеличивается ее кинетическая энергия.Жидкость с высокой кинетической энергией вытесняется из зоны рабочего колеса и поступает в улитку.

Улитка представляет собой область с постоянно увеличивающейся площадью поперечного сечения, предназначенную для преобразования кинетической энергии жидкости в давление жидкости. Механизм этого преобразования энергии такой же, как и при дозвуковом течении через расширяющуюся часть сопла. Математический анализ течения через улитку основан на общем уравнении энергии, уравнении неразрывности и уравнении, связывающем внутренние свойства системы.Ключевыми параметрами, влияющими на преобразование энергии, являются расширяющаяся площадь поперечного сечения улитки, более высокое противодавление в системе на выходе из улитки и несжимаемый дозвуковой поток жидкости. В результате взаимозависимости этих параметров течение жидкости в улитке, подобно дозвуковому течению в расширяющемся сопле, испытывает уменьшение скорости и увеличение давления.

Рабочие характеристики центробежного насоса

Рис. 7: Типичная кривая характеристик центробежного насоса

Обычно центробежный насос обеспечивает относительно небольшое повышение давления жидкости.Это увеличение давления может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен фунтов на квадратный дюйм в центробежном насосе с одноступенчатым рабочим колесом. Термин PSID (перепад силы на квадратный дюйм) эквивалентен ∆P. В данном контексте это разница давлений между всасыванием и нагнетанием насоса. PSID также можно использовать для описания перепада давления на компоненте системы (сетчатые фильтры, теплообменники, клапаны, деминерализаторы и т. д.). Когда центробежный насос работает с постоянной скоростью, увеличение противодавления системы на текущий поток вызывает уменьшение величины объемного расхода, который может поддерживать центробежный насос.

Анализ взаимосвязи между объемным расходом ( ), который может поддерживать центробежный насос V˙, и перепадом давления на насосе (∆Ppump) основан на различных физических характеристиках насоса и жидкости в системе. Переменные, оцениваемые инженерами-конструкторами для определения этой взаимосвязи, включают эффективность насоса, мощность, подаваемую на насос, скорость вращения, диаметр рабочего колеса и лопастей, плотность и вязкость жидкости. Результат этого сложного анализа для типичного центробежного насоса, работающего с одной конкретной скоростью, показан на графике на рисунке 7.

Напор насоса по вертикальной оси представляет собой разницу между противодавлением в системе и давлением на входе в насос (∆Ppump). Объемный расход (V) по горизонтальной оси представляет собой скорость, с которой жидкость проходит через насос. График предполагает одну конкретную скорость (N) для рабочего колеса насоса.

Кавитация

Когда перекачиваемая жидкость попадает в отверстие центробежного насоса, давление значительно снижается. Чем больше скорость потока через насос, тем больше это падение давления.Если перепад давления достаточно велик или если температура жидкости достаточно высока, перепад давления может быть достаточным для того, чтобы жидкость испарилась, когда локальное давление падает ниже давления насыщения для перекачиваемой жидкости. Эти пузырьки пара увлекаются жидкостью вдоль крыльчатки насоса. По мере уменьшения скорости потока давление жидкости увеличивается. Это приводит к тому, что пузырьки пара внезапно схлопываются на внешних частях крыльчатки. Образование этих пузырьков пара и их последующее схлопывание и есть кавитация.

Кавитация может быть очень серьезной проблемой для центробежных насосов. Некоторые насосы могут быть рассчитаны на работу с ограниченным уровнем кавитации. Большинство центробежных насосов не могут выдерживать кавитацию в течение значительных периодов времени; они повреждены эрозией крыльчатки, вибрацией или какой-либо другой проблемой, вызванной кавитацией.

Чистый кавитационный запас

Во время работы насоса можно исключить кавитацию, контролируя чистый кавитационный запас насоса. Чистый положительный напор на всасывании (NPSH) для насоса представляет собой разницу между давлением всасывания и давлением насыщения перекачиваемой жидкости. NPSH используется для измерения того, насколько жидкость близка к условиям насыщения. Уравнение 3-19 можно использовать для расчета чистого положительного напора на всасывании, доступного для насоса. Единицами NPSH являются футы водяного столба.

NPSH = P

_{всасывание} — P _{Насыщенность4 (3-19), где:
, где:
p _{всасывание} = давление всасывания насоса
p _{Насыщенность} = насыщенность давления для жидкости
доступный NPSH на уровне больше, чем NPSH, требуемый производителем насоса, можно избежать кавитации.
Законы о насосах
Центробежные насосы обычно подчиняются так называемым законам о насосах. Эти законы гласят, что расход или производительность прямо пропорциональны скорости насоса; напор нагнетания прямо пропорционален квадрату скорости насоса; а мощность, необходимая двигателю насоса, прямо пропорциональна кубу скорости насоса. Эти законы резюмируются в следующих уравнениях.
v˙ α n (3-20)
h
_p α n ² (3-21) p α n
³ (3-22) Где:
n = скорость рабочее колесо насоса (об/мин)
V = объемный расход насоса (галлонов в минуту или фут3/ч)
H _p = напор, развиваемый насосом (фунты на квадратный дюйм или футы)
p = мощность насоса (кВт)
Использование этих пропорциональности можно разработать уравнения, связывающие состояние при одной скорости с условиями при другой скорости.
V˙
₁ (N ₂ / N ₁ / N ₁) = V ₂ (3-23) H
_P1 (N ₂ / N ₁) ² = H _P2 (3-24) p
_{14 (N ₂ / N ₁ / N ₁) ³ = P ₂ (3-25) Пример: Законы насоса
Охлаждающий водяной насос работает на скорости 1800 об/мин. Его расход составляет 400 галлонов в минуту при напоре 48 футов. Мощность насоса составляет 45 кВт.Определите расход насоса, напор и требования к мощности, если скорость насоса увеличивается до 3600 об/мин.
Решение:
Расход
V˙ ₂ = V˙ ₁ (N ₂ / N ₁ / N ₁)
= (400 GPM) (3600 об / мин / 1800 об / мин)
= 800 GPM
Глава
H _P2 = H _P1 (N ₂ / N ₁ / N ₁) ²
= 48 футов (3600 об / мин / 1800 об / мин) ²
= 192 FT
Power
P ₂ = P ₁ (N ₂ / N ₁ / N ₁) ³
= 45 кВт (3600 об / мин / 1800 об / мин) ³
= 360 кВт
Рисунок 8 : Изменение скорости центробежного насоса Можно построить характеристическую кривую для новой скорости насоса на основе кривой для его исходной скорости. Техника заключается в том, чтобы взять несколько точек на исходной кривой и применить законы насоса для определения нового напора и расхода при новой скорости. Кривая зависимости напора насоса от расхода, полученная в результате изменения скорости насоса, графически представлена на Рисунке 8.
Кривая характеристик системы
потери и незначительные потери в трубопроводных системах были пропорциональны квадрату скорости потока.Поскольку скорость потока прямо пропорциональна объемному расходу, потери напора в системе должны быть прямо пропорциональны квадрату объемного расхода. Из этой зависимости можно построить кривую зависимости потери напора системы от объемного расхода. Кривая потери напора для типичной системы трубопроводов имеет форму параболы, как показано на рисунке 9.
Рабочая точка системы
Рисунок 10: Рабочая точка центробежного насоса Точка, в которой насос работает в данной системе трубопроводов, зависит от скорости потока и потери напора этой системы. Для данной системы объемный расход сравнивается с потерями напора системы на характеристической кривой системы. Построив кривую характеристики системы и кривую характеристики насоса в одной и той же системе координат, можно определить точку, в которой должен работать насос. Например, на рисунке 10 рабочая точка центробежного насоса в исходной системе обозначена пересечением кривой насоса и кривой системы (h _Lo).
Расход в системе равен V˙ ₀, а общая потеря напора в системе равна ∆P ₀ .Для поддержания расхода V˙ ₀ напор насоса должен быть равен ∆P _o . В системе, описываемой системной кривой (h _L1), в системе был открыт клапан для уменьшения сопротивления системы потоку. Для этой системы насос поддерживает большой расход (V˙ ₁) при меньшем напоре насоса (∆P ₁).
Система Использование нескольких центробежных насосов
Типичный центробежный насос имеет относительно небольшое количество движущихся частей и может быть легко адаптирован к различным первичным двигателям. Эти первичные двигатели включают электродвигатели переменного и постоянного тока, дизельные двигатели, паровые турбины и воздушные двигатели. Центробежные насосы обычно имеют небольшие размеры и обычно могут быть построены по относительно низкой цене. Кроме того, центробежные насосы обеспечивают высокий объемный расход при относительно низком давлении.
Для увеличения объемного расхода в системе или для компенсации больших гидравлических сопротивлений центробежные насосы часто используются параллельно или последовательно. На рис. 11 показаны два идентичных центробежных насоса, работающих параллельно с одинаковой скоростью.
Рисунок 11: Кривая характеристик насоса для двух идентичных центробежных насосов, используемых параллельно Центробежные насосы, подключенные параллельно
Поскольку вход и выход каждого насоса, показанного на рисунке 11, находятся в одинаковых точках системы, каждый насос должен производить один и тот же насос голова. Однако общий расход в системе является суммой индивидуальных расходов каждого насоса.
Если кривая характеристики системы рассматривается параллельно с кривой для насосов, рабочая точка на пересечении двух кривых представляет более высокий объемный расход, чем для одного насоса, и большую потерю напора в системе.Как показано на рисунке 12, большая потеря напора в системе происходит при увеличении скорости жидкости в результате увеличения объемного расхода. Из-за большего напора системы объемный расход фактически в два раза меньше, чем при использовании одного насоса.
Рис. 12: Рабочая точка для двух параллельных центробежных насосов Центробежные насосы в серии
Центробежные насосы используются последовательно для преодоления больших потерь напора в системе, чем один насос может компенсировать по отдельности.Как показано на рис. 13, два идентичных центробежных насоса, работающих с одинаковой скоростью и с одинаковым объемным расходом, обеспечивают один и тот же напор насоса. Поскольку вход второго насоса является выходом первого насоса, напор, создаваемый обоими насосами, представляет собой сумму отдельных напоров. Объемный расход от входа первого насоса до выхода второго остается прежним.
Рис. 13: Кривая характеристик насоса для двух идентичных центробежных насосов, используемых в серии Как показано на Рис. 14, последовательное использование двух насосов фактически не удваивает сопротивление потоку в системе.Два насоса обеспечивают адекватный напор для новой системы, а также поддерживают несколько более высокий объемный расход.
Рис. 14: Рабочая точка для двух центробежных насосов серии Ниже кратко изложены основные положения этой главы.
• Чистый кавитационный запас – это разница между давлением всасывания насоса и давлением насыщения жидкости.
• Кавитация – это образование и последующее схлопывание пузырьков пара на рабочем колесе насоса, когда локальное давление падает ниже, а затем поднимается выше давления насыщения перекачиваемой жидкости.
• Законы работы насосов можно использовать для определения влияния изменения скорости центробежного насоса на подачу, напор и мощность.
V˙ ₁ (N ₂ / N ₁ / N ₁) = V˙ ₂
H _P1 (N ₂ / N ₁) ² = H _P2
5 P ₁ (N ₂ / N ₁ / N ₁) ³ = P ₂ • Кривая комбинированного насоса для двух центробежных насосов параллельно может быть определена путем добавления добавления отдельные потоки для любого заданного напора.
• Комбинированную характеристику насоса для двух центробежных насосов, установленных последовательно, можно определить путем сложения отдельных напоров для любого заданного расхода.
• Рабочая точка (напор и расход) системы может быть определена путем построения кривой насоса и кривой потери напора в системе на одних и тех же осях. Система будет работать на пересечении двух кривых.
Программные инструменты | Департамент энергетики
Программные инструменты AMO для систем энергопотребления и управления энергопотреблением помогают производителям повышать энергоэффективность на уровне предприятия и отдельных систем.Изучите пошаговые способы выявления возможностей, отслеживания прогресса и повышения эффективности на любом объекте с помощью перечисленных ниже инструментов.
MEASUR – ПРОИЗВОДСТВО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ
MEASUR — Министерство энергетики разработало комплексный набор инструментов (MEASUR), чтобы помочь производителям повысить эффективность энергетических систем и оборудования на заводе. В конечном итоге MEASUR будет содержать возможности для анализа большинства основных вспомогательных систем, находящихся на производственных объектах, включая насосы, вентиляторы, технологическое тепло, пар и сжатый воздух.Эта работа, завершение которой ожидается в 2019 году, предусматривает создание значительно более удобного, современного и универсального набора инструментов. Отдельные инструменты лучше взаимодействуют друг с другом, а весь пакет доступен в среде с открытым исходным кодом. В инструмент встроено несколько калькуляторов, которые позволяют пользователям самостоятельно рассчитывать параметры системы и проводить графический анализ (например, оценивать напор насоса, изучать кривую насосной системы, преобразовывать потребности в энергии для различных источников тепла и т. д.).
Управление энергопотреблением вашего предприятия
Следующие инструменты помогают производителям отслеживать энергопотребление, определять области улучшения и внедрять системы управления энергопотреблением на уровне предприятия.
50001 READY NAVIGATOR — Управление энергопотреблением на любом объекте — это командная работа, а 50001 Ready Navigator — это онлайн-руководство, которое может помочь вам внедрить систему управления энергопотреблением. Навигатор был разработан Министерством энергетики США в соответствии со структурой и требованиями стандарта ISO 50001, чтобы гарантировать, что вы внедряете и поддерживаете свою СЭнМ в соответствии с лучшими практиками мирового стандарта. См. дополнительную информацию о 50001 Ready Navigator.
ПОКАЗАТЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ LITE (EnPI LITE) — Облегченный инструмент индикатора энергоэффективности (EnPI Lite) представляет собой онлайн-калькулятор на основе регрессии для моделирования энергоэффективности на уровне предприятия. EnPI Lite был разработан в соответствии с протоколом 50001 Ready Measurement and Verification Protocol, который следует нисходящему подходу для определения энергоэффективности всего объекта на основе энергопотребления и соответствующих переменных. См. дополнительную информацию о EnPI Lite.
Индикатор энергоэффективности — инструмент, основанный на регрессионном анализе, который помогает руководителям предприятий и корпораций установить нормализованный базовый уровень энергопотребления, отслеживать ежегодный прогресс в повышении интенсивности, энергосбережении, EnPI с превосходными показателями энергоэффективности (SEP) и других EnPI, которые учитывают изменения из-за к погоде, производству и другим переменным.
Energy Footprint – Инструмент Energy Footprint Tool может помочь производственным, коммерческим и институциональным объектам отслеживать их потребление энергии, факторы, связанные с использованием энергии, и существенное конечное использование энергии.Хотя этот инструмент может использоваться всеми, кто заинтересован в отслеживании своего энергетического следа, он был специально разработан для поддержки производственных, коммерческих и институциональных объектов, которые реализуют планы управления энергопотреблением в рамках программы 50001 Ready Министерства энергетики США или внедряют управление энергопотреблением через США. Программа повышения энергоэффективности (SEP) Министерства энергетики.
Plant Energy Profiler Excel — Plant Energy Profiler Excel, или PEPEx, – это программный инструмент на базе Excel, предоставляемый Министерством энергетики США, который помогает руководителям промышленных предприятий в США определять, как энергия покупается и потребляется на их предприятии, а также определять потенциальную энергию и экономия на издержках.
Инструмент профилирования растительной воды — Excel, бета-версия (PWPEx v0.1) — Инструмент PWPEx v0.1 представляет собой бета-версию инструмента профилирования растительной воды в формате Excel. Это комплексный инструмент, призванный помочь руководству промышленных предприятий определять и учитывать закупку и потребление воды в производственных операциях, определять реальную стоимость воды и определять потенциальные области для экономии воды и связанной с этим экономии затрат на воду и энергию. Инструмент PWPEx позволит производственным предприятиям анализировать потребление воды и обеспечить отображение относительных объемов и значений каждого потока.Инструмент также предоставляет пользователю список следующих шагов для потенциальных проектов по эффективному водопользованию, основанных на передовых методах, которые могут помочь заводу сократить потребление и потери воды. Таким образом, PWPEx может стать «первым шагом», который промышленные компании могут использовать для выявления возможностей экономии и улучшения водопользования.
Автоматизированный реестр реализованных действий («Реестр») — разработан, чтобы помочь вам во внедрении Системы управления энергопотреблением (EnMS), включая, помимо прочего, ISO50001 и/или Superior Energy Performance (SEP.) Реестр дополняет протокол измерения и проверки SEP (M&V). Реестр обобщает ключевые детали реализации каждого действия, включая описание действия, фактическую экономию энергии, определение источника экономии энергии и ответственную сторону. Все действия, влияющие на улучшение энергоэффективности за период достижения результатов, должны быть включены, независимо от того, связано ли это действие с ISO 50001 «Планы действий» или «Значительное использование энергии». В Реестре должна быть отражена экономия энергии за отчетный период; как правило, это будет годовая экономия.
Управление и оптимизация систем и оборудования вашего предприятия
Следующие инструменты помогают производителям повысить эффективность определенных систем и единиц оборудования на заводе.
пар
Средство моделирования паровых систем. Калькуляторы свойств и оборудования в этом инструменте позволяют пользователю вводить показатели своей системы, создавать список подробных свойств пара и тестировать различные настройки на отдельном оборудовании. Средство моделирования позволяет пользователю создать базовую модель существующей паровой системы с тремя напорными коллекторами.Наш модуль информирования о системе Steam расскажет вам больше о том, как использовать этот инструмент, и вы можете просмотреть и выбрать любую тему в оглавлении. Выбрав эту ссылку, вы перейдете с веб-сайта DOE; чтобы вернуться на этот сайт, вам нужно нажать на стрелку назад или добавить эту страницу в закладки.
Технологическое отопление
Инструмент оценки и обследования технологического отопления (PHAST) представляет методы повышения тепловой эффективности отопительного оборудования. Этот инструмент помогает промышленным пользователям исследовать технологическое отопительное оборудование, потребляющее топливо, пар или электричество, и определять наиболее энергоемкое оборудование.Инструмент можно использовать для расчета теплового баланса, который определяет основные области использования энергии в различных условиях эксплуатации и проверяет сценарии «что, если» для различных вариантов снижения энергопотребления.
Инструмент оценки и обследования технологического отопления (версия Excel) (PHASTEx v1.01) PHASTEx v1.01 — это модифицированная версия инструмента оценки и обследования технологического отопления (PHAST) в формате Excel. Программный инструмент PHASTEx предназначен для повышения энергоэффективности и экономии энергии для промышленных систем отопления.Промышленные системы отопления включают в себя все обычно используемое отопительное оборудование, такое как печи, плавильные печи, печи, нагреватели, сушилки и котлы, используемые на промышленных объектах.
Сжатый воздух
AIRMaster+ — помогает пользователям анализировать использование энергии и возможности экономии при производстве систем сжатого воздуха. Используйте AIRMaster+, чтобы определить существующие и смоделировать будущие усовершенствования системных операций, а также оценить экономию энергии и денежных средств за счет многих мер по повышению энергоэффективности.
AIRMaster+ LogTool — вспомогательный инструмент для AM+, помогающий пользователям-производителям определять динамику работы системы сжатого воздуха.
Compressed Air Scoping Tool — CA Scoping Tool оценивает систему сжатого воздуха на производственном или коммерческом объекте и помогает своим пользователям понять процедуры сжатого воздуха на их объектах и сравнить работу их системы CA с принятыми в отрасли передовыми практиками. Это также помогает им в выявлении возможностей для усовершенствования системы сжатого воздуха
Насосы
Инструмент оценки насосной системы (PSAT). Этот инструмент помогает производителям оценить эффективность работы насосной системы.PSAT использует достижимые данные о производительности насоса из стандартов Гидравлического института и данные о производительности двигателя из базы данных MotorMaster+ для расчета потенциальной экономии энергии и связанной с этим экономии затрат. Инструмент также позволяет пользователям сохранять и извлекать файлы журналов, значения по умолчанию и системные кривые для обмена результатами анализа с другими пользователями.
Вентиляторы
Инструмент оценки системы вентиляторов (FSAT) — этот инструмент помогает производителям количественно оценить использование энергии и возможности экономии при производстве систем вентиляторов.Используйте FSAT, чтобы понять, насколько хорошо работают ваши вентиляторные системы, определить экономическую выгоду от модификации системы и определить, какие варианты являются наиболее экономически выгодными, когда существует множество возможностей для модификации системы.
Центры обработки данных
В партнерстве с FEMP Министерства энергетики Центр экспертизы по энергоэффективности в центрах обработки данных Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли предлагает инструменты, в том числе инструмент Data Center Profiler (DC Pro).
Заархивированные инструменты
DOE/AMO больше не поддерживает напрямую следующие программные средства энергетической системы:
3Е Плюс
CWSAT – Инструмент оценки охлажденной воды
Электронный гид
МоторМастер+
MotorMaster+ Международный
NxEAT — инструмент для оценки NOx.
SSAT — инструмент оценки паровой системы
Нержавеющая сталь — инструмент для осмотра паровой системы
Инструмент для моделирования паровых систем SSMT
Ссылки для загрузки этих инструментов можно получить по запросу в службе поддержки AMO Tools.
Контроль устьиц и тепловая и гидравлическая емкость листа при быстрых колебаниях окружающей среды
Все соответствующие символы, используемые в этом разделе, и их соответствующие единицы измерения приведены в таблице 1. Все расчеты и анализы были выполнены с использованием бесплатно доступного программного обеспечения SAGE (версия 5.0, http://sagemath.org). Установившаяся температура для данных размеров листа, условий окружающей среды и устьичной проводимости () была получена путем численного нахождения корня уравнения. 1 (см. ниже), тогда как динамика моделировалась с использованием дискретизации с конечным шагом по времени.
Модель энергетического баланса листьев
Энергетический баланс листа определяется преобладающими потоками энергии между листом и его окружением, включая лучистый, явный и латентный обмен энергии (связанный с массообменом).Рассматриваемые здесь доминирующие потоки энергии показаны на рис. 1.
Пренебрегая переносом тепла через черешок, энергетический баланс пространственно однородного листа можно записать в виде: (1) где — температура листа, поглощенная коротковолновая радиация, — чистый длинноволновый баланс, т. е. испущенное минус поглощенное, — ощутимая поток тепла от листа, представляет собой поток скрытого тепла от листа и представляет собой теплоемкость листа при постоянном давлении. В приведенном выше примере экстенсивные переменные определяются на единицу листовой площади.
Частный случай частично освещенного листа будет включать формулировку энергетического баланса для освещенных и затененных участков листа отдельно и дополнительный термин для переноса тепла за счет теплопроводности между этими двумя частями листа ():(2) где все термины относятся к освещенной солнцем части листа. Для простоты мы ограничим настоящий анализ пространственно однородными плоскими листьями, т. е. полным освещением и незначительным температурным градиентом между двумя сторонами листа.
Предполагая, что теплоемкость листа в основном определяется его содержанием воды (), представляется как: (3)где теплоемкость при постоянном давлении жидкой воды.
Предполагая далее, что длинноволновое излучение, поглощаемое листом, равно его излучению при температуре воздуха (), результирующее длинноволновое излучение представлено разностью между излучением черного тела при и при :(4), где — постоянная Стефана-Больцмана и фактор 2 представляет две стороны широкого листа.Обратите внимание, что эта формулировка является грубым приближением, но представляет собой стандартную процедуру (например, [20]). Более точный учет баланса длинноволновой радиации должен включать длинноволновую радиацию неба, а также длинноволновую радиацию, исходящую от земли и соседних листьев в пологе.
Поток явного тепла.
В обмене явным и скрытым теплом между листом и атмосферным воздухом преобладает конвективный перенос, который обычно формулируется как произведение коэффициента конвективного переноса и разницы температур между поверхностью и атмосферным воздухом.Коэффициенты конвективного переноса зависят от ориентации листьев, геометрии и свойств поверхности (например, волос), ветровых условий и температуры (стр. 168–172 в [20]). В этом исследовании мы пренебрегаем влиянием свойств, ориентации и геометрии поверхности листьев, предполагая, что листья ведут себя как горизонтальные прямоугольные металлические пластины шириной (в направлении ветра).
Суммарный конвективный перенос тепла от листа представлен как: (5) где , и — коэффициенты конвективного переноса тепла для верхней, нижней и средней обеих сторон листа соответственно.
В разных учебниках предлагаются разные эмпирические уравнения для расчета коэффициентов теплопередачи для плоских пластин. Различия могут возникать из-за разных экспериментальных данных, разных шкал эталонной длины или разных граничных условий. Чтобы избежать риска несоответствия между эмпирическими уравнениями и применимыми граничными условиями, а также для лучшей прослеживаемости, мы взяли большинство приведенных ниже соотношений из одного учебника (Incropera et al., 2006 [21]).
После Incropera et al.В работе [21] были сформулированы различные коэффициенты конвективной теплопередачи для принудительной и свободной конвекции (наличие и отсутствие сильного ветра), а также ламинарных и турбулентных условий. Коэффициенты обычно формулируются как функция безразмерного числа Нуссельта (): (6) где – теплопроводность воздуха в пограничном слое, – характерный масштаб длины листа. В отсутствие ветра в конвективном теплообмене (свободной или естественной конвекции) преобладают выталкивающие силы, обусловленные градиентом плотности между воздухом на поверхности листа и воздухом на воздухе.Влияние градиентов давления паров через устьичные поры на градиент плотности значительно усложнило бы решение уравнений явного и скрытого теплообмена. Поэтому для простоты мы ограничим это исследование вынужденными условиями, т. е. когда скорость ветра превышает 0,5 м с ⁻² для свойств листа и условий окружающей среды, рассматриваемых здесь.
При достаточно сильном ветре инерционные силы вызывают конвективный перенос тепла (вынужденную конвекцию), и соответствующее безразмерное число — число Рейнольдса (), которое определяет баланс между инерционными и вязкими силами: (7)где скорость ветра (мс ⁻¹ ), (м) – длина створки по направлению ветра, – кинематическая вязкость воздуха.
Местное число Рейнольдса изменяется от передней кромки по ветру как ([21], формула 6.23): (8)где – плотность воздуха, – скорость ветра вне пограничного слоя, – расстояние от передней кромки, – динамическая вязкость и кинематическая вязкость воздуха (). Все свойства жидкости оцениваются при средней температуре пограничного слоя, определяемой как ([21], уравнение 7.2).
Проинтегрировано по всему листу, среднее число Рейнольдса () определяется уравнением. 7. Для изотермической плоской пластины с полностью ламинарным пограничным слоем среднее число Нуссельта определяется как ([21], уравнение6.23):(9)где – безразмерное число Прандтля (для воздуха).
На определенном расстоянии от передней кромки может достигаться критическая цифра () и переходы течения от ламинарного к турбулентному. Это критическое число Рейнольдса зависит от шероховатости поверхности и уровня турбулентности набегающего потока, но, как известно, изменяется от примерно до ([21], с. 361). В отличие от чисто ламинарного течения, где , случаи, когда часть пограничного слоя является турбулентной (), называются смешанным течением. Поскольку турбулентная конвекция сильнее ламинарной, более низкие значения , означающие более ранний переход к турбулентному течению, привели бы к увеличению потока явного тепла.Для смешанного потока на изотермической пластине (1) Incropera et al. дает следующую эмпирическую формулировку ([21], уравнение 7.38): (10) с (11)
Инкропера и др. ([21], стр. 412) утверждает, что это значение может быть равно 0, если поток «срабатывает» на передней кромке объекта с помощью некоторого механического двигателя турбулентности. Однако мы обнаружили, что уравнение не дает разумных результатов для , так как результирующее число Нуссельта будет ниже, чем для полностью ламинарного потока (уравнение 9). уравнение 10 идентично уравнению.9 если . Таким образом, чтобы сделать его действительным во всем диапазоне, мы изменили его таким образом, чтобы он принимал значения if . Это было достигнуто заменой члена в уравнении. 11.
Интересно отметить, что эксперименты с настоящими листьями выявили усиленную вынужденную конвекцию до 2,5 раз по сравнению с плоскими пластинами аналогичных размеров при ламинарном течении [22], [23]. Это было в значительной степени связано с уровнем турбулентности, уже присутствующим в пологом ветру. Однако это, по-видимому, не согласуется с изменением критических чисел Рейнольдса, приписываемым уровню турбулентности Incropera et al., который оценивался в пределах от до ([21], с. 361). В этом диапазоне лист шириной 5 см начал бы испытывать турбулентность только при скорости ветра выше 31 м с ^-1 (уравнение 8). Даже самое низкое критическое число Рейнольдса 3000, для которого уравнение. 10 все еще применим, приведет только к возникновению турбулентности при скоростях ветра выше 1 мс ^-1 , что все еще выше максимальной скорости ветра 0,4 мс ^-1 , используемой в эксперименте Парланжа и Вагонера [24]. ], поэтому наблюдаемое усиление потока явного тепла не может быть смоделировано с использованием приведенных выше формулировок.Чтобы максимально приблизиться к реальным листьям при использовании установленных соотношений для нагретых пластин, мы использовали критическое число Рейнольдса, равное 3000, а не предложенное Incropera et al. [21].
Скрытый тепловой поток.
Испарение с мокрого листа формулировали как функцию концентрации водяного пара внутри листа (, моль м ^-3 ) и на открытом воздухе (, моль м ^-3 ) ([21], уравнение 6.8):(12)где (моль м ^-2 с ^-1 ) — поток вещества, а (мс ^-1 ) — полная проводимость водяного пара.
Для транспирации через устьица представляет собой комбинацию проводимостей пограничного слоя и устьиц ( и соответственно), полученную из предположения, что сопротивления устьиц и пограничного слоя являются последовательными, и с использованием определения проводимости как обратной величины сопротивления:(13)
Разница концентраций в уравнении. 12 является функцией температуры и разности давлений паров между листом и атмосферным воздухом. Предполагая, что водяной пар ведет себя как идеальный газ, мы можем выразить его концентрацию как: (14)где – давление пара, – универсальная газовая постоянная, – температура.В этом исследовании предполагается, что давление пара внутри листа равно давлению насыщенного пара при температуре листа, которое рассчитывается с использованием соотношения Клаузиуса-Клапейрона (уравнение B.3 в [25]): (15) где скрытая теплота испарения и является молярной массой воды. Преобразование потока пара в молярных единицах в поток скрытого тепла в энергетических единицах было выполнено путем умножения на молярную массу воды и скрытую теплоту парообразования: (16)
Обратите внимание, что обычно выражается как функция разности давлений пара между свободным воздухом () и листом (), в котором проводимость () выражается в молярных единицах (моль м ^-2 с ^-1 ) :(17)Для , уравнение.12 все еще может дать поток, тогда как уравнение. 17 дает нулевой поток. Это связано с тем, что концентрации паров в воздухе (моль м ^-3 ) могут различаться из-за различий в температуре, даже если парциальные давления пара одинаковы (см. уравнение 14). Следовательно, связь между и имеет асимптоту при эквивалентной температуре. Его можно получить, комбинируя уравнения 12 и 17 и решая для :(18)Для , отношение упрощается до:(19)которое для типичных значений и составляет моль м. Для всех практических целей мы обнаружили, что уравнения.12 и 17 с, дают аналогичные результаты, если они нанесены на график в зависимости от температуры листа.
Закрытие модели.
Постепенное включение уравнений 14, 15, 13, 21, 6, 22, 10 (или 9) и 7 в уравнение 12 дает выражение для потока транспирации как функции температуры листа, где нам все еще нужно рассчитать , , , , и , в то время как , и являются предписываемыми свойствами листа, а и (давление пара и скорость ветра) являются частью воздействия окружающей среды. , , и были параметризованы как функции только температуры пограничного слоя путем подгонки линейных кривых к опубликованным данным ([20], таблица A.3):(23)(24)(25)(26)Предполагая, что воздух и водяной пар ведут себя как идеальный газ и что сухой воздух состоит из 79 % N и 21 % O, мы рассчитали плотность как функцию температура, давление пара и парциальные давления двух других компонентов с использованием закона идеального газа: (27) где — количество вещества (моль), — молярная масса (кг моль ^-1 ), давление, температура и молярная универсальная газовая постоянная. Это уравнение использовалось для каждого компонента, т.е. водяного пара, N и O, где парциальные давления N и O рассчитываются как атмосферное давление за вычетом давления паров, что дает: (28) где и — молярные массы азота и кислорода соответственно, в то время как и — их парциальные давления, рассчитанные как: (29) и (30)
Опорный порог для времени до теплового повреждения
Воздействие чрезмерного тепла на живую растительную ткань может вызвать немедленное (прямое) или отсроченное (косвенное) повреждение.Тепловое повреждение зависит не только от температуры воздействия, но и от продолжительности воздействия. Тепловая уязвимость может варьироваться между видами, а также с течением времени из-за акклиматизации и так называемого закаливания в ответ на предшествующее нелетальное воздействие высоких температур [29], [30]. Чтобы установить реалистичный эталон теплового повреждения в результате динамического воздействия высоких температур листьев, мы использовали результаты, полученные в результате экспериментов на ветвях черной ели ( Picea mariana ), проведенных Colombo & Timmer [30].Целью данного исследования не является оценка тепловой уязвимости конкретного или репрезентативного вида; мы просто используем этот пример в качестве справочного материала для оценки потенциальных рисков теплового повреждения, связанных с быстрым и кратковременным повышением температуры листа из-за солнечных пятен.
Коломбо и др. [30] провели обширные эксперименты по тепловому воздействию на хвою черной ели и обнаружили, что критическое время воздействия и температура связаны экспоненциально. В экспериментах веточки ели погружали в воду разной температуры на разное время и регистрировали процент повреждения.Мы должны учитывать, что само погружение имело разрушительный эффект в дополнение к теплу, поскольку ясно, что ветка, погруженная на достаточно долгое время, будет повреждена независимо от температуры. Чтобы разделить эти эффекты, мы использовали следующую формулировку для критической температуры воздействия () как функции времени погружения (): (31) где (K) — температура воздействия, (K) — критическая температура, ниже которой не происходит повреждения. , (K с) — константа, определяющая влияние времени воздействия (, с), а (K с ¹) — константа, представляющая эффект только погружения.Подгонка этой модели методом наименьших квадратов к данным о температуре и продолжительности воздействия, представленным Colombo et al. ([30], табл. 2) выявил K, Ks и Ks ^-1 (рис. 3). Это говорит о том, что критическая температура для теплового повреждения составляет около 49 ° C, а время повреждения составляет 148 секунд на кельвин выше этого порога, то есть повреждение происходит, когда K с. Это также предполагает, что эффект погружения снижает зарегистрированную разрушающую температуру на 0,0008 К за секунду времени погружения. Используя эти значения в качестве эталона, мы вычислили критическое время ( для теплового повреждения как время, когда интеграл от достигает 148 Кс, начиная с момента .
Обратите внимание, что критическая температура 49°C, полученная в результате экспериментов с погружением в воду, согласуется с результатами экспериментов с теми же видами, проведенными с использованием нагревания на воздухе [31].}}