جریان گاز در لوله و گلوگاه

محاسبه‌ی افت فشار در لوله‌های توزیع هوای فشرده

تذکر ۱: فرمول در پُست توزیع هوای فشرده
تذکر ۲: در فرمول فشار مطلق است. bar g. فشار مطلق یعنی فشار موردنظر به علاوه‌ی فشار محیط (=یک بار).
تذکر ۲: طول لوله برابر است با حاصل جمع طول لوله، دریچه ها، خم شدن لوله ها، اتصالات و غیره. برای بکارگیری فرمول می بایست طول معادل برای زوایا و اتصالات مختلف در نظر گرفته شود:

• • زانو ۹۰ درجه: ۱.۵ تا ۲ متر طول لوله مستقیم
  • زانو ۴۵ درجه: ۰.۷ تا ۱ متر طول لوله مستقیم
  • سه‌راهی (جریان از شاخه): ۳ تا ۵ متر طول لوله مستقیم
  • سه‌راهی (جریان از مسیر اصلی): ۱ تا ۲ متر طول لوله مستقیم
  • شیر توپی (کاملاً باز): ۰.۳ تا ۰.۵ متر طول لوله مستقیم
  • شیر کشویی (کاملاً باز): تقریباً ۰ متر (مقاومت ناچیز)
  • شیر سوزنی: ۱۰ تا ۲۰ متر طول لوله مستقیم (مقاومت بالا)

این اعداد تقریبی هستند و به قطر لوله و سرعت جریان هوا بستگی دارند. برای محاسبات دقیق‌تر، از روش طول معادل به همراه جداول ضریب اصطکاک و فرمول‌هایی مثل معادله دارسی–ویسباخ استفاده می‌شود.

نشت هوا از شبکه هوای فشرده

برخلاف سیستم‌های تأمین برق، هوای فشرده در محل و توسط کاربر تولید می‌شود و اغلب سیستم هوای فشرده بدون در نظر گرفتن اقداماتی مانند تصفیه هوا، انتخاب صحیح مواد لوله‌کشی، ابعاد مناسب سیستم توزیع هوا و ظرفیت یدکی طراحی می‌شود. نتیجه این امر، سیستمی است که هزینه بهره‌برداری بسیار بالایی دارد و عملکرد مطلوب و بازدهی مورد انتظار را ارائه نمی‌دهد.

در میان عوامل ذکر شده، تصفیه مناسب هوا و استفاده از مواد مناسب برای لوله‌کشی اهمیت ویژه‌ای دارند؛ زیرا این دو عامل تأثیر زیادی بر هزینه‌های کاربر داشته و سهل‌انگاری باعث ایجاد نشتی در سیستم توزیع هوا می‌شود. هرگونه کوتاهی در این زمینه‌ها می‌تواند منجر به افزایش هزینه و کاهش بهره‌وری سیستم شود.

عوامل مهم در ایجاد نشتی هوای فشرده

• خرابی‌های مواد، مانند جوش‌های ناقص، لوله‌های شکسته، قفل‌های نامناسب، رزوه‌های اتصالات انتهایی و سایر اتصالات نامناسب.
• فرسودگی سیستم‌ها یا بهره‌برداری نادرست که می‌تواند به ایجاد نشتی منجر شود.
• استفاده از فیلترها، رگلاتورها و روغن‌های (FRL*) ارزان و نامناسب که اغلب باعث نشتی هوا می‌شود. برای جلوگیری از این مشکل، پیشنهاد می‌شود از محصولات باکیفیت توصیه‌ شده‌ی تولید‌کننده یا کارشناسان معتبر استفاده کنید.
  * FRL به اختصار به Filters – Regulators – Lubricants اشاره دارد که از جمله نقاط آسیب‌پذیر سیستم کمپرسور است.

مطالعات دقیق نشان داده‌اند که به طور متوسط ۲۵٪ از هوای فشرده تولید شده به دلیل نشتی سیستم قبل از رسیدن به نقطه مصرف نهایی از دست می‌رود. در برخی موارد شدید، بیش از ۸۰٪ هوا به دلیل نشتی سیستم هدر می‌رود.

اگر کاهش بهره‌وری سیستم دلیل کافی برای بررسی دقیق نشتی‌های هوا نیست، عوامل دیگری مانند کاهش قابلیت اطمینان، افزایش هزینه‌ها و خاموشی‌های ناگهانی سیستم نیز اهمیت این موضوع را دوچندان می‌کنند.

چرا تست نشتی هوا برای سیستم هوای فشرده شما ضروری است؟

برای افزایش بهره‌وری سیستم هوای فشرده، توصیه می‌شود که خدمات نگهداری را به صورت پیشگیرانه انجام دهید. انجام تست‌های دوره‌ای نشتی هوا به کاهش هزینه‌های انرژی و زمان توقف سیستم کمک کرده و عملکرد کلی سیستم را بهبود می‌بخشد. تست نشتی هوا دلایل هدررفت هوای فشرده را شناسایی و اندازه‌گیری کرده و به شما کمک می‌کند تا نشتی‌های پرهزینه را متوقف کنید.

علاوه بر این، تست نشتی هوا راهی تمیز و دقیق برای بررسی انطباق سیستم هوای فشرده با استانداردهای لازم برای عدم نشتی است.

چرا نشتی هوای فشرده شروع می‌شود؟

طراحی سیستم به گونه‌ای که کمترین میزان نشتی را داشته باشد، بسیار حیاتی است. دلیل اصلی نشتی هوا، خوردگی لوله‌ها است. این خوردگی زمانی اتفاق می‌افتد که هوای نیمه تصفیه شده یا تصفیه نشده با رطوبت بالا و رطوبت باقی‌مانده بیش از ۵۰٪ وارد شبکه هوای فشرده شود. این هوای مرطوب به تدریج باعث آسیب به سطح داخلی لوله‌ها شده و نشتی ایجاد می‌کند.

دلایل دیگری نیز وجود دارد. نخست، انتخاب نادرست مواد مانند استفاده از لوله‌های فولاد کربنی بدون پوشش که در معرض خوردگی هستند. دوم، اتصالات شل، چه رزوه‌ای و چه فلنجی، و لوله‌های با قطر کمتر از حد استاندارد که باعث ایجاد سرعت بسیار بالای هوا و در نتیجه فرسایش داخلی لوله‌ها می‌شوند.

جریان گاز در لوله ها و کنترل آن

یک شاخص بسیار جالب در فیزیک ترمودینامیک است که دانستن آن برای درک کمپرسور هوا الزامی است و در این مقاله به جریان هوا، “خفگی” و تشریح ترمودینامیک آن می پردازیم.

عدد رینولدز

عدد رینولدز یک نسبت بین اینرسی و اصطکاک در یک محیط جریانی متوسط است. فرمول این عدد عبارت است از:

انواع مختلف جریان درون لوله

دو نوع جریان درون لوله داریم:

۱. اگر Re<2000 باشد نیروهای چسبنده در محیط غالب می شوند و جریان  آرام در لوله رخ میدهد. این به این معناست که لایه های مختلف جریان متوسط در جهت مناسب با هم حرکت می کنند. معمولا توزیع سرعت در لایه های لاپاراسکوپی به شکل پارابولی است.

۲. اگر Re≥۴۰۰۰، نیروهای اینرسی برروی رفتار جریان متوسط تاثیر میگذارند و جریان ناآرام در لوله به وجود می آید و ذرات شروع به حرکت تصادفی می کنند.

لوله کشی و انتقال هوای فشرده از کمپرسور هوا تا محل مصرف از نکات حساس در مدیریت سیستم هوای فشرده است. ضروری است که در توزیع هوای فشرده دقت کافی داشته باشید.

نگران طراحی درست کمپرسورخانه یا اتاق کمپرسور هستید؟ نباشید؛ مطالعه کنید.

در ناحیه بحرانی یعنی زمانی که عدد رینولدز میان ۲۰۰۰ و ۴۰۰۰ باشد، جریان درون لوله نامشخص است، جریان می تواند آرام، نا آرام یا ترکیبی از هر دو باشد. در این شرایط عوامل دیگری مانند صافی سطح داخل لوله، اصطکاک در لوله و غیره برروی نوع جریان درون لوله موثر است.

برای شروع جریان درون لوله نیاز به فشاری هست که بر اصطکاک درون لوله غلبه کرده و جریان آغاز شود. مقدار این اختلاف فشار لازم برای شروع جریان به عواملی مانند قطر، طول و شکل لوله، سطح داخل لوله و عدد رینولدز بستگی دارد.

اثر ژول تامسون چیست؟

هنگامی که جریان یک گاز ایده‌آل از درون یک گلوگاه، با فشار ثابت پیش و پس از آن، عبور می کند، دما ثابت می ماند. هرچند افت فشاری در طول گلوگاه رخ می دهد که حاصل از تبدیل انرژی درونی به انرژی جنبشی می باشد و منجر به افت دما خواهد شد. برای گازهای واقعی تغییر دما دايمی است، حتی اگر محتوای انرژی گاز ثابت بماند. به این پدیده اثر جول تامسون میگویند. تغییر دما برابر است با حاصلضرب تغییر فشار در طول “خفگی” در ضریب جول تامسون. 

در عبور جریان از گلوگاه، اگر جریان آرام دارای دمای پایین ( پایین تر از ۳۲۹ درجهی سانتیگراد برای هوا) باشد، افت دمایی رخ میدهد. اما اگر جریان آرام گرمتر باشد، افزایش دما را شاهد خواهیم بود. از این شرایط میتواند برای استفاده های فنی، مانند جداسازی گازها، استفاده کرد.

منبع (برای بخشی از متن)