Porządkowanie strumienia płynu

Jak poradzić sobie z uspokojeniem strumienia nawiewanego powietrza po zawirowaniach spowodowanych krętymi trasami kanałów wentylacyjnych? Warto wiedzieć, aby poprawić dokładność pomiarów.

Jeżeli masz zamiar rozbudować, ulepszyć lub zmodernizować swój obiekt, będący instalacją rozprowadzania płynnych mediów, zdarza się, że trudno znaleźć miejsce nazainstalowanie wszystkich nowych lub ulepszonych elementów wyposażenia. Wiele urządzeń w takiej instalacji do prawidłowego działania wymaga dodatkowych, zabierających wiele miejsca elementów instalacji. W takim przypadku zachodzi konieczność montowania elementów instalacji w innym pomieszczeniu, a czasem nawet poza obrębem budynku. Pompy, wentylatory, przepustnice, przepływomierze, komory spalania, nagrzewnice gazowe oraz inne urządzenia z reguły wymagają prostych odcinków przewodów od strony napływu medium, a często też na wypływie z niego. Ma to na celu uzyskanie laminarnego strumienia przepływu, jako niezbędnego warunku prawidłowego działania tych urządzeń. Instalowanie takich elementów w ciasnych przestrzeniach wymaga niemal przysłowiowego „wtłoczenia ich w ścianę”.

Turbulencja i jej skutki

Próba stłoczenia zbyt wielu urządzeń w zbyt ograniczonym miejscu nieuchronnie powoduje zubożenie instalacji z punktu widzenia jej funkcjonowania. Umieszczając łuki, zwężki, rozgałęzienia lub elementy redukcyjne bezpośrednio przy urządzeniach pomiarowych, nastawczych lub elementach nawiewnych, wprowadzamy zawirowania do strumienia płynącego medium. Te zawirowania czy odchylenia od prostoliniowego przepływu strumienia powodują zakłócenia i wywierają negatywny wpływ na działanie pomp, przepływomierzy, sprężarek oraz innych wrażliwych urządzeń instalacji. Przykładowo, dla poprawnego funkcjonowania przepływomierza wymagane jest poprzedzenie go prostym, gładkim odcinkiem rurociągu o długości od 10 do 20 średnic, w zależności od sposobu pomiaru (rodzaju elementu czułego). Nieuporządkowany przepływ będący rezultatem skomplikowanej i stłoczonej budowy instalacji powoduje duże błędy w dokładności i powtarzalności wyniku pomiarów.

W takich urządzeniach, jak pompy czy zawory w instalacjach dla cieczy, zakłócenia w przepływie mogą spowodować wystąpienie zjawiska kawitacji. Mamy wtedy do czynienia ze znacznym hałasem i drganiami, mogącymi doprowadzić nawet do mechanicznych uszkodzeń w elementach instalacji czy samych urządzeniach.

Te same warunki mogą również spowodować mniej rzucające się w oczy, lecz także niekorzystne zjawiska, jak zmniejszenie ilości dostarczanego medium i wynikające z tego obniżenie jakości produktu końcowego. Znane jest też zjawisko „zapowietrzenia się” pompy jako wynik nieregularnego podawania cieczy. Może ono w rezultacie doprowadzić do uszkodzenia uszczelnień lub łożysk, a to powoduje konieczność wykonania kosztownych napraw.

Idealnie wykonana instalacja na obiekcie powinna mieć wystarczająco dużo miejsca dla wszystkich elementów i urządzeń oraz powinna też być zrealizowana dokładnie według zaleceń i wymagań producenta urządzeń. Jednak, ogólnie biorąc, w rzeczywistym świecie mamy do czynienia z próbami wykorzystania wszystkiego do granic jego możliwości, tak co do wydajności, jak też jakości, aby uzyskać możliwie najniższy koszt w przeliczeniu na jednostkę wyrobu.

Eliminacja turbulencji

Porządkowanie strumienia przepływającego medium jest jednym z najprostszych sposobów na wyeliminowanie turbulencji i uzyskanie przepływu laminarnego (uspokojonego z prostoliniowymi równoległymi strugami w całym przekroju przewodu). Do tego celu służą takie elementy, jak: kierownice z prostymi skrzydełkami lub w kształcie plastra miodu i płyty perforowane (do usuwania zawirowań), a także sekcje przewodów z zagiętymi, odchylającymi skrzydełkami bądź proste odcinki rur (do uspokojenia strumienia i uzyskania korzystnego rozkładu prędkości). Każdy z nich ma swoje zastosowanie zależnie od rodzaju płynącego medium, ukształtowania rurociągów, rodzaju urządzeń, wymagań dotyczących kosztów i tym podobnych.

Wytyczne do zastosowania określonych rozwiązań celem najlepszego efektu zostały zebrane poniżej.

    • Kierownice w kształcie plastra miodu są czasem używane w instalacjach klimatyzacyjnych oraz instalacjach rozprowadzania sprężonego powietrza. Zapewniają one umiarkowanie uspokojony strumień przepływającego medium. Są wykonywane w różnych odmianach i z różnych materiałów, starannie dobieranych do konkretnego zastosowania. Wymagają jednak intensywnej obsługi i częstej wymiany.
    • Płyty perforowane są dobrym rozwiązaniem w przypadkach instalacji gazu ziemnego oraz innych czystych gazów i cieczy. Są proste w montażu i nie wymagają wielu zabiegów konserwacyjnych. Nie nadają się jednak do płynów zanieczyszczonych lub zawierających cząsteczki mające skłonność do osadzania się. Chociaż są skuteczne, to jednak stwarzają znaczny opór w przepływie (stratę ciśnienia) w odniesieniu do kierownic z prostymi skrzydełkami albo prostymi odcinkami rur.
    • Kierownice ze skrzydełkami odchylającymi się nadają się zarówno do czystych, jak i zanieczyszczonych płynów ze względu na ich kształt konstrukcyjny. Zapewniają świetne przemieszanie strug likwidując jednocześnie zawirowania, dzięki czemu uzyskuje się laminarny przepływ z poprawnym rozkładem prędkości w całym przekroju rurociągu (kanału) przy praktycznie zerowym spadku ciśnienia. Są jedynym rozwiązaniem nadającym się do zastosowania w łukowych elementach instalacji. Z drugiej strony ich zastosowanie jest niedopuszczalne w większości instalacji o wysokich wymaganiach odnośnie higieny.
    • Proste odcinki przewodów oraz kierownice z prostymi skrzydełkami są używane od wielu dziesiątków lat. Proste przewody ograniczają przepływ wirowy czystych gazów i cieczy, lecz nie zapewniają prawidłowego rozkładu prędkości oraz nie są przydatne do stabilizowania przepływu. Podobnie proste skrzydełka kierownic usuwają zawirowania, ale nie są w stanie zapewnić regularnego przepływu.

Dokonując zatem wyboru lub konsultując się z dostawcą, należy zapewnić sobie informacje na temat poniższych podstawowych cech charakterystycznych budowanej instalacji:

    • zakres wartości lepkości przepływającego medium,
    • zawartość cząstek stałych w medium,
    • dopuszczalnej wielkości spadku ciśnienia oraz skuteczności porządkowania strumienia przepływu.

Powyższe informacje mają decydujące znaczenie dla końcowej efektywności wybranego rodzaju elementów instalacji przepływowych.

Skuteczne rozwiązania

Kierownice z prostymi skrzydełkami będą skuteczne w instalacjach o surowych wymaganiach. Na przykład, typowy zespół porządkujący strumień przepływu firmy Vortab jest odcinkiem prostej rury, w którym umieszczone są: krótka sekcja „przeciwwirowa” złożona z prostych skrzydełek oraz trzech sekcji z pierścieniowo rozmieszczonymi odchylającymi (zagiętymi) skrzydełkami. Kombinacja obu rodzajów skrzydełek stwarza powtarzalny płaski rozkład prędkości na wypływie (odgięte skrzydełka mocowane do ściany przewodu likwidują wpływ warstwy przyściennej na rozkład prędkości w przekroju przewodu), dodatkowo ugruntowany fragmentem prostej gładkiej rury. Takie rozwiązanie konstrukcyjne nadaje się również do wykorzystania w przewodach łukowych (patrz ilustracje).

Opisany powyżej element porządkujący strumień przepływu nadaje się do stosowania w różnych instalacjach. Poniżej przykładowe zastosowania.

    • Pływająca stacja pompowa olejów wymaga dodania pompy celem zwiększenia wydajności, lecz nie było miejsca na zamontowanie pompy wymagającej prostego odcinka rury na ssaniu. W tym przypadku zastosowano łukowy element porządkujący przepływ firmy Vortab Co. bezpośrednio na stronie ssącej pompy. Takie rozwiązanie zapewniło prawidłowy strumień, bez zawirowań na napływie do pompy. Dało to pożądany efekt przy niskim koszcie inwestycji. Wykazało też korzyści dla wielu innych użytkowników.
    • W jednej z elektrowni zachodziła konieczność dodatkowego zainstalowania dwóch pomp odśrodkowych zasilania walczaka kotła. Rozmieszczenie urządzeń narzucało ograniczenie wymuszające łuku pod kątem 90° dla przewodu ssącego przed tymi pompami. Co gorsza, bezpośrednio za łukiem występowała redukcja średnicy przewodu z 400 na 350 mm, bowiem musiały być użyte pompy o takiej średnicy wlotu. Problem rozwiązało zastosowanie łukowego elementu porządkowania strumienia wody dopływającej do pomp.
    • Podobny problem miała firma wydobywająca gaz ziemny przy wyposażaniu stacji pompowej w nowy kompresor. Istniejąca podziemna instalacja rurociągów wykluczała możliwość zastosowania odpowiednio długiego odcinka prostej rury, celem uporządkowania przepływu gazu przed wlotem do kompresora. Problem zniknął, gdy zaproponowano zastosowanie łukowego elementu z kierownicami skrzydełkowymi.

Metodyczne myślenie

Jeżeli mamy zamiar odnowić lub rozbudować instalację rozprowadzania płynów, przemyślmy starannie wymagania urządzeń występujących w tej instalacji pod kątem widzenia potrzeby bądź konieczności stosowania prostych odcinków przewodów rur czy kanałów przed i za tymi urządzeniami. Pompy, sprężarki, wentylatory czy przepływomierze są bardzo wrażliwe na zakłócenia w przepływie mediów powodowane zbyt uproszczoną instalacją. Zaniechanie odpowiedniego przygotowania może okazać się zbyt kosztowne, jeśli weźmiemy pod uwagę jakość końcowego produktu, intensywność i pracochłonność czynności obsługi i napraw, a być może nawet niespodziewanych postojów.

Gdy nie mamy wystarczającej przestrzeni do montażu lub gdy koszt zmiany przebiegu instalacji jest zbyt wygórowany, użycie elementów porządkujących strumień przepływu medium jest najlepszym rozwiązaniem – pod warunkiem starannego, przemyślanego wyboru.

Artykuł pod redakcją Józefa
Czarnula, specjalisty automatyka
z wieloletnim doświadczeniem
w projektowaniu i uruchamianiu
układów automatyki