سیستم های لوله کشی فرآیند در معرض پدیده ای به نام افت فشار هستند. به بیان ساده، افت فشار، تفاوت فشار کل بین دو نقطه در یک شبکه حمل سیال است. هنگامی که یک ماده مایع وارد یک انتهای یک سیستم لوله‌کشی می‌شود و از انتهای دیگر خارج می‌شود، افت فشار در آن رخ می‌دهد. افت فشار ناشی از اصطکاک ناشی از اصطکاک مایعات با اجزای لوله‌کشی و دیواره‌های داخلی یک سیستم لوله‌کشی است.
برای یک سیستم معین، می توان آن را با مدل های مهندسی با استفاده از نوع سیال، سرعت جریان آن، طرح و مشخصات لوله کشی (از جمله قطر لوله)، مشخصات اجزای سیستم (مانند پمپ ها) و موارد دیگر محاسبه کرد.
درک نحوه محاسبه آن در یک خط لوله خاص به مهندسان این امکان را می دهد که به درستی یک سیستم را طراحی کنند و متغیرهایی مانند قطر لوله، مشخصات پمپ و انواع شیرهای مورد استفاده را از جمله موارد دیگر تعیین کنند. با این حال، اگر افت فشار برای یک نصب خاص به خوبی شناخته نشود، پیامدهای منفی خواهد داشت.
gartenmöbel design
bettwäsche tom und jerry
planeta sport muske patike novi pazar
giorgio armani sport
adidas beckenbauer trening
bomber jakke burgunder
гуми 18 цола
esprit round sunglasses
liemenes mergaitems
windows wont connect to iphone usb
اگر افت فشار بیش از حد در یک سیستم وجود داشته باشد، دمای سیال کار افزایش می یابد و پمپ های سیستم به دلیل افزایش مصرف انرژی بار بیشتری متحمل می شوند. افت فشار همچنین می‌تواند فشار و بار کلی سیستم را افزایش دهد، سایش قطعات را افزایش داده و شرایط بالقوه خطرناک فشار بیش از حد را ایجاد کند. در نهایت افت فشار بیش از حد می تواند برخی از اجزای سیستم لوله کشی را به دلیل فشارهای عملیاتی ناکافی از کار بیاندازد یا باعث ایجاد کاویتاسیون مخرب سیستم شود.
هد فشاری
افت فشار یک اصطلاح پرکاربرد است که به طور مکرر در مهندسی طراحی، صنایع فرآیندی و آموزش HVAC استفاده می شود. بنابراین داشتن دانش کامل از افت فشار بسیار مهم است. افت فشار اختلاف فشار بین دو نقطه است به شرطی که جریان سیال بین آن نقاط وجود داشته باشد. بنابراین افت فشار زمانی اتفاق می افتد که یک ماده سیال (گاز/مایع) وارد یک نقطه از سیستم لوله کشی شده و از نقاط دیگر خارج می شود. در این صورت سیستم های لوله کشی فرآیند باید افت فشار داشته باشند و این پدیده به افت فشار معروف است.
تمام لوله های حامل سیالات ناشی از اصطکاک و تلاطم جریان، کاهش فشار را تجربه می کنند. این امر بر روی چیزهای به ظاهر ساده مانند لوله کشی خانه شما تا طراحی خطوط لوله عظیم، بسیار پیچیده تر و مسافت های طولانی تأثیر می گذارد. مهندسان به جای دانستن افت فشار کل از یک سر به سر دیگر، دوست دارند فشار را به طور مداوم در طول یک لوله بکشند. این خط درجه هیدرولیک نامیده می شود و به راحتی نشان دهنده ارتفاعی است که اگر بخواهید یک لوله عمودی را به لوله اصلی بزنید، به آن می رسد. با یک خط درجه هیدرولیک، بسیار آسان است که ببینید چگونه فشار از طریق اصطکاک لوله از دست می رود. تغییر دبی یا قطر لوله، شیب خط گرید هیدرولیک را تغییر می دهد. همچنین به راحتی می توان دید که اتصالات چگونه تلفات جزئی در لوله ایجاد می کنند. این نوع نمودار از بسیاری جهات سودمند است. به عنوان مثال، می توانید درجه بندی فشار لوله را پوشش دهید و ببینید که آیا از آن بالاتر می روید یا خیر. همچنین می توانید ببینید که در چه مکان هایی ممکن است به ایستگاه های پمپ تقویت کننده در خطوط لوله طولانی نیاز داشته باشید. در نهایت، می توانید تجسم کنید که چگونه تغییرات یک طرح مانند اندازه لوله، سرعت جریان یا طول بر روی هیدرولیک در طول مسیر تأثیر می گذارد.
اهمیت و تاثیرات افت فشار در داخل لوله ها:
در ابتدایی ترین سطح خود، درک افت فشار که با یک شبکه خاص حامل سیال مرتبط است به مهندسان فرآیند آموزشگاه فنی اجازه می دهد تا اندازه پمپ ها موتورهای مورد نیاز و قطر لوله فرآیند مورد نیاز برای جابجایی نوع خاصی از محصول را از طریق لوله گذاری تعیین کنند.هر چه افت فشار در خط بیشتر باشد، مقدار انرژی مصرف شده برای حفظ جریان فرآیند مورد نظر بیشتر است و به موتور اسب بخار بیشتری نیاز دارد.
برعکس، هرچه افت فشار در یک سیستم لوله کشی کمتر باشد، انرژی کمتری مصرف می شود و توان پمپاژ کمتری مورد نیاز خواهد بود. افت فشار همچنین نیاز کلی هد فشار سیستم را تعیین می کند.
هد فشار یا هد فشار پمپاژ، ارتفاعی است که یک پمپ خاص می تواند ستونی از آب را تا آن بلند کند که معمولاً بر حسب متر بیان می شود.
این پارامتر اساساً معیاری از نیرویی است که پمپ به سیال پمپاژ شده وارد می کند. هد فشار پمپ ممکن است محاسبه شود یا ممکن است از سازنده پمپ در دسترس باشد. هر افت فشاری که در یک سیستم لوله‌کشی رخ می‌دهد، باید به هد فشار پمپ اضافه شود.
اثر افت فشار روی آب بندی تجهیزات
آب بندی های مورد استفاده در تجهیزاتی مانند پمپ ها و مبدل های حرارتی محدودیت های فشار خاصی دارند. هنگامی که تجهیزات در یک محدوده مناسب (از نظر فشار، دما، سرعت و غیره) کار می کنند، آب بندی ها یک چرخه عمر از پیش تعریف شده خواهند داشت. اما هنگامی که تجهیزات به دلیل فشار بیش از حد تحت فشار قرار می گیرند تا خارج از محدوده بهینه کار کنند، ، آب بندی ها تخریب یا تغییر شکل می دهند و باعث نشت در سیستم می شوند. حتی پس از تصحیح فشار نیز، آب بندی ها به نشت خود ادامه می دهند زیرا دیگر به درستی جا نمی شوند.
اثر افت فشار بر ایمنی
شرایط فشار بیش از حد ناشی از افت فشار می تواند منجر به نگرانی های ایمنی شود. سیستم های پردازش به گونه ای طراحی شده اند که ایمن و کارآمد عمل کنند. هنگامی که لوله کشی سیستم برای یک کاربرد خاص کمتر از اندازه است، پمپ باید بزرگتر از اندازه باشد تا افت فشار را تحمل کند. در این شرایط تجهیزات نزدیک به پمپ فشارهای بالاتر از حد قابل قبول را تجربه می کنند. این می تواند منجر به پارگی در لوله کشی شود و پرسنل کارخانه فرآوری را در معرض شرایط کاری ناایمن مانند محصولات مایع داغ، مواد شیمیایی تمیزکننده خورنده و غیره قرار دهد.
عوامل تاثیر گذار در افت فشار
1. خواص سیال داخل لوله
هنگام در نظر گرفتن پتانسیل افت فشار در یک سیستم پردازش سیال خاص، اولین چیزی که لازم است درک ماهیت محصولی است که از طریق آن پمپ می شود.
به عنوان مثال، در یک کارخانه فرآوری مواد غذایی، برخی از محصولات – مانند سس گوجه فرنگی – هنگامی که از طریق یک خط لوله به دلیل برش پمپ می شوند، ویسکوزیته خود را به شدت تغییر می دهند. این نوع محصولات به دلیل اصطکاک ناشی از عبور از پمپ ها و سطوح داخلی لوله ها نازک تر می شوند.
این پدیده تیکسوتروپی نامیده می شود که یک خاصیت نازک شدن برشی وابسته به زمان است. مایعات تیکسوتروف به طور معمول در حالت ایستا (مانند سس کچاپ در بطری) چسبناک هستند، اما در صورت تکان دادن یا هم زدن، نازک تر یا چسبناک تر می شوند و با حذف منبع هم زدن به حالت عادی خود باز می گردند.
در مقابل، محصولات دیگر مانند سرکه در شرایط فرآوری بیشتر شبیه مایعات نیوتنی عمل می کنند. سیالات نیوتنی مایعاتی هستند که تیکسوپروفیک نیستند و در اثر نیروی برشی در معرض تغییر ویسکوزیته نیستند. بنابراین، محصولاتی که ویژگی‌های نیوتنی را نشان می‌دهند، می‌توانند هنگام پمپاژ از طریق یک خط لوله به افت فشار بیشتر کمک کنند، زیرا ویسکوزیته آنها با عبور از سیستم تغییر قابل توجهی نمی‌کند.
2. اجزای مکانیکی
اجزای مکانیکی در یک سیستم لوله کشی از جمله شیرها، دبی سنج ها، آداپتورها، کوپلینگ ها و لوله ها نیز می توانند بر افت فشار تأثیر بگذارند. به غیر از پمپ ها، همه این اجزا که معمولاً در سیستم لوله کشی فرآیند یافت می شوند، به افت فشار سیستم کمک می کنند زیرا به جای اینکه به آن انرژی اضافه کنند، انرژی را از جریان فرآیند حذف می کنند.
- سطح مقطع لوله
- زبری سطح داخلی لوله
- طول لوله
- چند خم در سیستم وجود دارد
- پیچیدگی هندسی هر جزء
به عنوان مثال، تغییرات در جریان یا جهت سیال – مانند تغییرات ایجاد شده با وارد کردن زانوهای 45 یا 90 درجه – می تواند اصطکاک و افت فشار را افزایش دهد. همچنین، هر چه مسافتی که سیال باید در سیستم بپیماید بیشتر باشد، سطح بیشتری برای ایجاد اصطکاک وجود دارد.
3. تغییرات در هد لوله کشی
افت فشار همچنین می تواند به طور قابل توجهی تحت تأثیر تغییر هد در سیستم لوله کشی قرار گیرد. اگر هد شروع یک لوله کمتر از ارتفاع انتهایی آن باشد، افت فشار اضافی در سیستم ناشی از افزایش ارتفاع (بر حسب هد سیال اندازه گیری می شود که معادل افزایش ارتفاع است) ایجاد می شود.
برعکس، اگر ارتفاع ابتدایی لوله بالاتر از ارتفاع انتهایی آن باشد، به دلیل افت ارتفاع، افزایش فشار اضافی ایجاد می‌شود (باز هم بر حسب هد سیال اندازه‌گیری می‌شود و در این مورد معادل افت ارتفاع است). .
برای یک سیستم لوله کشی خاص، افت فشار کلی ممکن است با اعمال چندین معادله محاسبه شود. یک مثال برای محاسبه افت فشار در لوله‌کشی فرآیند به شرح زیر است:
هد پمپ + هد (شروع – پایان) + اتلافات جزء – اتلاف اتصالات – اتلاف اصطکاک – P(شروع) P=(پایان)
که در آن
P(end)= فشار در انتهای لوله و P(start)= فشار در شروع لوله است همچنین
هد (شروع تا پایان) = (هد در ابتدای لوله) – (هد در انتهای لوله)
هد پمپ = 0 (در صورت عدم وجود پمپ)
بنابراین، هنگام طراحی یک سیستم فرآیند برای به حداقل رساندن یا حذف افت فشار، مهندسان کارخانه فرآیند باید موارد زیر را انجام دهند:
- اطمینان حاصل کنید که قطر داخلی لوله فرآیند و اندازه پمپ (اسب بخار، توان خروجی) متناسب با نوع سیالی است که از طریق سیستم لوله می شود. اشتباهات انجام شده در هر یک از اینها می تواند منجر به افت فشار بیش از حد یا شرایط فشار بیش از حد شود.
- تعداد اجزای مکانیکی اضافی (شیرها، دبی سنج ها، آداپتورها و کوپلینگ ها) را در خط لوله فرآیند به حداقل برسانید، زیرا همه اینها می توانند مشکلات افت فشار را افزایش دهند.
- اطمینان حاصل کنید که خط لوله فرآیند تا حد امکان فشرده است و طول لوله و خمش را به حداقل می رساند. طول اجرای بیش از حد لوله و تغییر جهت منجر به افت فشار می شود.
- اطمینان حاصل کنید که خطوط لوله فرآیند تا حد ممکن تراز هستند، همانطور که در بالا ذکر شد، تغییرات در ارتفاع لوله ها در سیستم کلی به افت فشار یا شرایط فشار بیش از حد کمک می کند.
معادلات و محاسبات افت فشار
افت فشار به دلیل اصطکاک ناشی از تماس مایعات به سطح لوله و دیواره های داخلی خط لوله رخ می دهد. برای یک سیستم، افت فشار را می توان با معادلات مهندسی محاسبه کرد که نیاز به نوع سیال، سرعت جریان، خواص سیال، پلان طرح و مشخصات مواد لوله کشی (شامل ضخامت، تعداد برنامه و قطر لوله) دارند.
به دلیل ارتفاعات مختلف، تلاطم ناشی از تغییر جهت جریان و تلفات اصطکاکی در حین عبور از لوله‌ها و تلفات ناشی از افت فشار اتصالات یا افت هد ایجاد می‌شود. به منظور محاسبات افت فشار در لوله ها ابتدا باید نوع جریان در داخل لوله مشخص شود چرا که هر نوع جریان روابط مخصوص به خود را دارند:
انواع جریان سیال
در آموزش تاسیسات برای تشخیص نوع جریان آرام یا آشفته، از معادله ی معروف رینولدز برای توصیف جریان سیال استفاده می شود.
Re = v.D / ν
که در آن ν ویسکوزیته سینماتیک ب حسب m²/s، V سرعت سیال و D قطر داخلی لوله است
براساس مقادیر بدست آمده برای Re≤2200 جریان آرام، 2200≤Re≤4000 جریان ترنزینت و Re≥4000 جریان آشفته در نظر گرفت می شود
اگر جریان آرام باشد مقدار ضریب اصطکاک برابر با f = 64 / Re می شود.
اگر جریان آشفته باشد، ضریب اصطکاک را می توان از نمودار مودی که در اکثر متون مکانیک سیالات یافت می شود تعیین کرد یا از معادله کولبروک محاسبه کرد.
1/√f=-2Log(ε/3.71D+2.51/(Re√f))
که در آن ε = زبری و Re = عدد رینولدز است
ضریب اصطکاک همبستگی Colebrook برای لوله فایبر گلاس 0.04 میلی متر تعیین می شود که شامل تلفات هد بر روی اتصالات می شود. روش‌های پرکاربرد برای محاسبه افت هد در جریان آرام معادلات منینگ، دارسی-وایزباخ و هازن-ویلیامز هستند. کاربرد هر روش بر اساس الگوی جریان (جریان گرانشی یا جریان پمپ شده) تنظیم می شود.
معادله هازن ویلیامز
معادله Hazen-Williams معمولاً برای لوله های جریان آب کاملاً آشفته است. از آنجایی که استفاده از آن بسیار ساده است، طیف وسیعی از پذیرش را در صنایع آب و فاضلاب به دست آورده است. معادله به صورت زیر است
V=0.85 C R0.63 J0.54
که در آن v سرعت بر حسب m/s، C ضریب هازن ویلیامز، R شعاع متوسط هیدرولیک بر حسب متر، J گرادیان هیدرولیک است..
معادله منینگ
برای جریان اختلاف گرانشی، معادله مانینگ معمولاً برای حل مسائل جریان گرانشی استفاده می‌شود که در آن جریان تا حدی لوله را تحت تأثیر تغییرات ارتفاع پر می‌کند. معادله به صورت زیر است
V= (1/n) R0.667J0.5
که در آن v سرعت بر حسب m/s، n ضریب منینگ، R شعاع متوسط هیدرولیک، J گرادیان هیدرولیک است
معادله دارسی ویسباخ
این معادله بیان می کند که افت فشار با مجذور سرعت و طول لوله نسبت مستقیم دارد. این معادله برای تمام سیالات هم برای جریان آرام و هم برای جریان آشفته قابل استفاده است. نقطه ضعف این معادله این است که ضریب اصطکاک دارسی-وایزباخ متغیری است که می توان آن را در نمودار استاندارد موجود یافت. معادله به صورت زیر است
J= (fLV2)/2gD
که درآن J افت هد بر حسب متر، g ثابت گرانش برابر با 9.81 m/s²، v سرعت برحسب m/s، D = قطر داخلی و f ضریب اصطکاک، L طول لوله بر حسب متر است.
افت فشار و طول معادل برای اتصالات لوله
افت هد یا افت فشار در اتصالات لوله معمولاً به عنوان طول معادل لوله ای که به مسیر مستقیم لوله اضافه می شود تعریف می شود. این رویکرد بیشتر با معادلات Hazen-Williams یا Manning مرتبط است. این روش اثر ناشی از تلاطم و تلفات بعدی ناشی از سرعت های مختلف را در نظر نمی گیرد.
افت هد در اتصالات را می توان با استفاده از ضرایب تلفات (ضریب K) برای هر نوع خم و اتصالات تعیین کرد. در این روش ضریب K در هد سرعتی سیال که از میان خم ها و اتصالات جریان می یابد ضرب می شود:
H=K x (V2/2g)
که در آن H افت هد فشاری بر حسب متر m، V سرعت جریان m/s و فاکتور k ضریبی متناضر با نوع اتصال است که برای زانو 90 درجه استاندارد 0.5 تا 0.8 ، زانو 45 درجه استاندارد 0.3 تا 0.5و سه راهی 1.4 تا 1.7 است.
انتقال گرما از طریق یک لوله
هنگامی که یک دیوار استوانه ای به یک اختلاف دما بین داخل و خارج دیوار قرار می گیرد، گرما از طریق مواد هدایت می شود. خاص ترین مورد دیوار استوانه ای و کاربردی ترین لوله است، با این حال این مفاهیم می توان برای هر هندسه استوانه ای (دودکش…) اعمال کرد.
هدایت حرارتی لوله در بسیاری از جنبه‌های صنعت کلیدی است، اما در زندگی روزمره نیز کاربردهای زیادی دارد:
طراحی ساختمان: محاسبه شار گرما از طریق رادیاتور / بخاری در اتاق ها
طراحی مبدل حرارتی: محاسبه شار حرارتی از طریق لوله ها به منظور اندازه گیری مبدل های حرارتی پوسته لوله، تهویه مطبوع…
طراحی لوله: طراحی عایق لوله برای جلوگیری از تلفات حرارتی، تراکم، ایمنی …
شار گرما را می توان برای کاربردهای سرمایش و گرمایش محاسبه کرد.
هر ماده با توانایی انتقال گرما مشخص می شود. این در یک ضریب هدایت حرارتی که معمولاً λ ذکر می شود ترجمه می شود. باید مراقب بود زیرا λ می تواند از یک ماده به ماده دیگر بسیار متفاوت باشد و همچنین می تواند با دما متفاوت باشد. هنگامی که هدایت گرما در اولویت است، مانند طراحی مبدل حرارتی، λ باید زیاد باشد، در حالی که زمانی که ایزوله کردن در اولویت است، مانند طراحی یک ساختمان یا لوله های عایق در بین واحدهای فرآیند، λ باید کم باشد. همچنین می توان مواد مختلف را به ویژه در کاربردهای عایق به هم مرتبط کرد تا به هدف λ رسید و در عین حال هزینه و عرض لایه های مواد را بهینه کرد.
به طور کلی، مهندسان به دنبال انتقال حرارت بالا از طریق لوله‌ها هستند، زیرا بیشتر اوقات برای انتقال گرما در واحدهای مبدل حرارتی استفاده می‌شود، بنابراین ضخامت لوله تا آنجا که از نظر مکانیکی معقول است کاهش می‌یابد و موادی با کیفیت بالا کاهش می‌یابد. رسانایی حرارتی بالا λ انتخاب شده است.
گرمای منتقل شده توسط رسانش را می توان به صورت کلی زیر بیان کرد:
Q = U.A.ΔT
که در آن
Q = حرارت منتقل شده بر حسب وات
U = ضریب انتقال حرارت کلی بر حسب W/m2.°c
A = مساحت انتقال حرارت بر حسب متر مربع
ΔT = اختلاف دما در هر سطح دیوار بر حسب درجه سانتی گراد
شار حرارتی که حرارت منتقل شده به عنوان تابعی از ناحیه تبادل حرارت بیان می شود، می تواند به صورت زیر محاسبه شود:
Φ = Q/A = U.ΔT
که در آن
Φ = شار گرما بر حسب W/m2
Q = حرارت منتقل شده بر حسب وات
U = ضریب انتقال حرارت کلی بر حسب W/m2.°c
A = مساحت انتقال حرارت بر حسب متر مربع
ΔT = اختلاف دما در هر سطح دیوار بر حسب درجه سانتی گراد
در مورد یک لوله ساده بدون عایق، ضریب انتقال حرارت کلی را می توان به صورت زیر بیان کرد:
U = 1/R = 1/((Do/2λ)*ln(Do/Di))
که در آن
U = ضریب انتقال حرارت کلی بر حسب W/m2.°c
R = مقاومت انتقال حرارت در m2.°c/W
Do = قطر لوله خارجی بر حسب متر
Di = قطر داخلی لوله بر حسب متر
λ = هدایت حرارتی مواد بر حسب W/m.°c
ln = log neperian
همچنین مقدار شار گرمایی برای یک لوله ساده، را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
Φ = Q/A = Q/(π.Do.L) = (Ti-To)/R = (Ti-To)/((Do/2λ)*ln(Do/Di))
که در آن
Ti = دمای سطح داخلی لوله بر حسب درجه سانتیگراد
به = دمای سطح بیرونی لوله بر حسب درجه سانتیگراد
L = طول لوله بر حسب متر در نظر گرفته می شود
به عنوان مثالی از رسانش گرما از طریق لوله فرض میکنیم در یک کارخانه، یک لوله آب سرد قبل از رسیدن به نقطه مصرف خود در یک اتاق دیگر، در دمای 30 درجه سانتیگراد از یک اتاق عبور می کند. اپراتور کارخانه می‌خواهد بداند بار گرمای اضافی که از اتاق به آب سرد منتقل می‌شود چقدر است و چیلر باید چه مقدار بار سرمایشی را تامین کند. چیلر آب را در دمای 4 درجه سانتیگراد تامین می کند، اپراتور کارخانه در حال اندازه گیری دمای لوله در 4.5 درجه سانتیگراد است. او دمای داخل لوله را 4 درجه سانتیگراد فرض می کند. قطر داخلی این لوله 81 میلی متر و ضخامت آن 2.3 میلی متر است. از فولاد با رسانایی حرارتی 30 W/m/K ساخته شده است. طول لوله 3.5 متر است. در نتیجه مقدار شار گرمایی به صورت زیر محاسبه می شود:
Φ = Q/A = = (Ti-To)/((Do/2λ)*ln(Do/Di)) = (4-4.5)/((0.0856/(2*30))*ln(85.6/81 )) = -6345 W/m2.°c
و مقدار گرما بر حسب کیلو وات به صورت زیر بدست می آید:
Q = Φ*A = -6345*π.85.6/1000*3.5 = -6 کیلو وات
منابع:
https://practical.engineering/blog/2021/4/6/flow-and-pressure-in-pipes-explained
https://whatispiping.com/pressure-drop-equation-calculation/?utm_content=cmp-true
https://www.csidesigns.com/blog/articles/what-is-pressure-drop-and-how-does-it-affect-your-processing-system#:~:text=Process%20piping%20systems%20are%20subject,or%20pressure%20loss%2C%20will%20occur.https://powderprocess.net/Tools_html/Thermodynamics/Heat_Conduction_Pipe.html
