Je navržena metoda pro stanovení průchodnosti různých typů uzavíracích ventilů (kulový kohout, ventily s přímým průtokem a ventily s přímým průtokem) pomocí numerické simulace založené na výpočetní dynamice tekutin. Byla provedena srovnávací analýza hodnot propustnosti vypočtených touto metodou pro kulový kohout, přímý a přímoproudý ventil. Výsledky výpočtu a experimentu jsou porovnány. Jsou zdůrazněny nevýhody a výhody uzavíracích ventilů, jsou uvedena doporučení pro jejich použití. Při plně otevřené závěrce byl absolutní rozdíl mezi vypočtenými a experimentálními daty 0. 26 %. Analýza získaných výsledků potvrdila možnost využití navržené metody pro výpočet průchodnosti uzavíracích armatur uvedeného typu. Klíčová slova: průchodnost, uzavírací ventily, přímé a přímé ventily, numerická simulace, přístup k výpočtu a návrhu
Zvýšení spolehlivosti a účinnosti pneumohydraulických systémů (PGS) je jedním z nejobtížnějších úkolů, které je třeba vyřešit ve fázi návrhu, která zahrnuje výběr uzavíracích ventilů (SA). V této fázi je důležité vybrat ventil s charakteristikami, které splňují požadavky ASG. Jednou z mnoha charakteristik AP je propustnost KV (m 3 /h), která má významný vliv na energetickou účinnost CSG. Chyba v určení průchozí kapacity AP dále povede k odchylkám v provozní charakteristice AGM jako celku, včetně nárůstu tlakových ztrát. Při použití SA jako regulátoru je důležitou informací propustnost v závislosti na poloze uzávěru. Je třeba poznamenat, že výrobci AP poskytují hodnoty propustnosti pouze při plně otevřené cloně. Průtok lze určit experimentálně [1–3]: měřením objemového průtoku pracovního média (RS) Q, m 3 /h, na stojanu a výpočtem podle vzorce
kde ρ je hustota RS na vstupu, kg/m3; pж – hustota vody, kg / m 3; Δρ—tlaková ztráta RS, bar; pin a ρout – vstupní a výstupní tlak RS, bar abs.
Účelem článku je vyvinout metodu pro stanovení průtočné kapacity SA na příkladu kulových kohoutů s plným a neplným průměrem, přímých a přímoproudých ventilů pomocí numerické simulace, která umožňuje otevření a nový přístup k výpočtu a návrhu prvků SGM.
Vyjádření a popis problému.
Určete propustnost různých typů AP (obr. 1) pomocí numerické simulace v závislosti na relativním pohybu závěrky a proveďte srovnávací analýzu získaných výsledků.
Kulové kohouty plné a neplnorové (obr. 1, a a b) jsou ventily s uzavíracím prvkem v podobě kulového ventilu, jehož rotační pohyb otevírá nebo uzavírá průtok RS. Při otevření kohoutku se ventil otočí do bodu, kde se otvor shoduje se vstupem a výstupem těla kohoutku. Když je ventil zavřený, uzávěr se otáčí tak, aby jeho otvor byl kolmý k otvorům tělesa.
Kapacita průtočné dutiny kulového kohoutu s plným průměrem (viz obr. 1, a) při plně otevřeném ventilu se prakticky neliší od přímého potrubí odpovídajícího jmenovitého průměru. Ve srovnání s provedením s plnou dírou má kulový kohout s plnou dírou s podobnými připojovacími rozměry (viz obr. 1, b) nižší průtokovou kapacitu, protože má menší průměr šoupátkové průtokové plochy.
Směr pohybu uzavíracího tělesa průtočného (obr. 1, c) a přímoproudého (obr. 1, d) ventilu v samostatném úseku průtočné dutiny je blízký směru osy průtoku RS . Na rozdíl od kulových ventilů má průtoková dutina průchozího ventilu pět významných průtokových otáček PC. Jak je známo, otáčky toku RS v sekci zvyšují hydraulický odpor, což vede ke zvýšení tlakových ztrát a v důsledku toho ke snížení průchodnosti ventilu.
Průtočná dutina ventilu s přímým prouděním s úhlem 45° mezi osami vřetena a tryskami má tři proudové otáčky a oproti průchozímu ventilu má nižší tlakové ztráty.
Pro kvantitativní srovnání průtoků byl vytvořen matematický model pracovního postupu pro kulové kohouty, přímočaré a přímoproudé ventily. V první fázi byla stanovena výpočtová oblast (obr. 2) uvažovaného problému – trojrozměrný model sestávající ze vstupní sekce (z první sekce do druhé), průtokové části kulového kohoutu, přes -průtokové a přímoproudé ventily (z druhé sekce do třetí) a výstupní sekce (z třetí sekce do čtvrté) Směr proudění RS je z první sekce do čtvrté.
Rýže. Obr. 1. Schémata průtokových dutin pro různé typy FA: a a b – kulové kohouty plné a neplnorové; c a d – přímé a přímoproudé ventily
Rýže. Obr. 2. Výpočtová oblast matematického modelu pro kulový kohout, ventily přímé a přímoproudé: 1 – vstup (první sekce); 2 – vstup do průtočné části (druhá sekce); 3 – výstup z průtokové části (třetí sekce); 4 – výstup (čtvrtá sekce)
Průtokové sekce různých typů SA sedel se stejnými jmenovitými průměry se od sebe liší, což činí srovnání jejich kapacit nesprávným. Proto byly pro přímé a přímé ventily dodatečně konstruovány ekvivalentní trojrozměrné modely s průměry průchozích úseků zmenšenými na průměr šoupátka kulového kohoutu s plným průměrem.
Tabulka 1 Hodnoty parametrů průtokové části SA různých typů
Nejvýraznější rozdíl je pozorován u průchozího ventilu se zvětšeným průměrem části průchodu šoupátka. Zařazení do studie ekvivalentních modelů umožnilo určit míru vlivu průměru ústí sedla na průchodnost průtočných a přímoprůtokových ventilů.
Jako okrajové podmínky jsou akceptovány následující podmínky: tlak v prvním úseku (viz obr. 2) Str1 = 2 bar; tlak ve čtvrté sekci p4 = 1 bar; teplota v první sekci T 1 = 15 °С; teplota čtvrté sekce T4 = 15 °С. Stanoveným parametrem je objemový průtok RS ve druhém úseku Q 2= KP V .
Jsou formulovány předpoklady matematického modelu. Jako RS byla vybrána kapalina, která se řídí Newtonovým zákonem viskózního tření. Drsnost povrchu hranic výpočetní domény byla 50 μm, jmenovitý průměr SA byl DN15. Zkoumané termodynamické parametry RS byly zprůměrovány přes plochu průřezu. Předpokládá se, že nedochází k výměně tepla mezi SC a vnějším prostředím a hodnoty teplot stěny průtokové cesty a SC jsou stejné.
Problém je uvažován v trojrozměrné formulaci pro stacionární režim toku RS. Na začátku vratového otvoru byly úseky s laminárním, přechodným a turbulentním režimem proudění RS. Proto byl pro výpočet zvolen model turbulence proudění, který je kombinací modelu k – ε (Reynoldsovo číslo Re ≥ 2000) pro výpočet proudění RS proudění v turbulentním a přechodném proudění a modelu k – ω ( Re o С, vypočítaný objemový průtok bude průtok FOR (Q = K p v h/hmax*100%.
kde h je pohyb závěrky; hmax – pohyb uzávěru při úplném otevření. Poté se v každém návrhovém bodě určí objemový průtok ve druhé sekci: Q2 (Hn)=KP V(Hn). Pracovní postup je popsán matematickým modelem, který je soustavou následujících diferenciálních rovnic [3,6–9]. Rovnice kontinuity toku RS: ∂ p/ ∂ t + ∂/ ∂xi(pui) = 0
kde p je tlak RS; t je čas; ui je projekce vektoru rychlosti RS na osu xi. Zákon zachování hybnosti RS
Zde uj je projekce vektoru rychlosti RS na osu xj; index “i” odpovídá příchozímu toku RS, index “j” – odchozímu; Si je zdrojem objemových a povrchových sil; τij je tenzor napětí pro viskózní kapalinu, τij= μ(∂ ui/∂xj+∂ui/∂xi-2(∂uk/3∂ xk *δij
kde tenzor napětí pro viskózní kapalinu, τ je dynamická viskozita; XNUMXij je operátor Kronecker; index “k” odpovídá orte základny.
Rovnice pro kinetickou energii k a disipaci ε turbulentního proudění
Zde μt je koeficient turbulentní vířivé viskozity, μt = ƒμCμpk2/e; Sk a S.ε— zdroje objemových a povrchových sil,
kde τ R ij je Reynoldsův tenzor napětí podle Boussinesqovy aproximace,
ƒμ je koeficient turbulentní viskozity, který zohledňuje režim přechodného proudění;
Turbulentní viskozitní koeficient je dán vztahem
kde Ry ρ√k/yμ (y je vzdálenost k nejbližší stěně). Objemový průtok ve druhé sekci
Zde R2 je vnitřní poloměr druhého úseku; ūs je průměrná rychlost RS ve druhém úseku,
kde N je počet kontrolních objemů ve druhé sekci; ui je rychlost RS i-tého ovládacího objemu.
Sestavená soustava rovnic nemá analytické řešení a lze ji řešit pouze pomocí numerické simulace pracovního procesu při aproximaci parametrů distribuovaného stavu. Existuje mnoho systémů CFD (Computational Fluid Dynamics), které umožňují řešit tyto rovnice. V této práci byl použit softwarový balík FloEFD.
Numerické modelování pracovního procesu při aproximaci parametrů distribuovaného stavu a zpracování výsledků. Po konfiguraci parametrů výpočtu je oblast výpočtu importována do prostředí programu, kde je rozdělena na kontrolní objemy. Řešení se provádí na strukturovaných hexaedrických sítích. Pro zlepšení konvergence výpočtových parametrů v použitém prostředí je implementována možnost adaptace sítě.
V oblastech, kde se hodnoty plynodynamických parametrů sousedních regulačních objemů výrazně liší, dochází k jejich dodatečné fragmentaci, což vede ke zkrácení doby konvergence. V tomto případě se vzor distribuovaných parametrů v těchto oblastech stane přesnějším.
Výsledkem výpočtu jsou hodnoty průtočné kapacity plného otvoru р K p vsh.n. a částečný vrt K p vsh.n. kulové kohouty přímé K p vpr a přímotoku K p vy ventily ve dvaceti konstrukčních bodech při různých hodnotách relativního pohybu uzávěru, kde nula odpovídá zavřené poloze uzávěru a 100% – plně otevřeno (tabulka 2).
Grafické závislosti průtočné kapacity kulových kohoutů s plným a ne plným průměrem, průtočných a přímoproudých ventilů na relativním pohybu šoupátka jsou znázorněny na Obr. 3.
Odhadované hodnoty propustnosti pro různé hodnoty relativního pohybu rolety
Podle získaných grafů je použití kulových kohoutů jako regulačních ventilů nevhodné, což potvrzuje i rozpor mezi hodnotami průchodnosti a doporučeními výrobce. Přímé a přímé ventily mají ve srovnání s kulovými kohouty jemnější regulační charakteristiku, ale jejich průchodnost při plném otevření je mnohonásobně menší.
Pro dosažení maximálního průtoku AF při určitém jmenovitém průměru s plně otevřeným ventilem v krátké době by měl být použit kulový ventil. Pro zajištění plynulého ovládání a splnění vysoké spolehlivosti je vhodné používat průchozí a přímé ventily, v tomto případě se však sníží maximální průchodnost.
Dále jsou vypočteny hodnoty propustnosti ekvivalentních modelů průjezdu KP Vpr.ekv a přímý tok KP VY ekv ventily se sníženým jmenovitým průměrem vrtání (viz tabulka 2). U průchozího ventilu byl rozdíl mezi propustností fyzického zařízení a ekvivalentního modelu s plně otevřeným ventilem -0,99 %, u ventilu s přímým průtokem – 4,98 % (obr. 4). Změna průměru průtočné části šoupátka tedy neměla významný vliv na průchodnost ventilů při plném otevření.
Pro ověření výsledků byl zjištěn nesoulad mezi vypočtenými a experimentálními daty při úplném otevření uzávěru (H=100 %) podle vzorce: kde KV je experimentální hodnota propustnosti [10–12]. Byly získány následující nesrovnalosti mezi vypočtenými a experimentálními údaji: pro kulový ventil s plným průměrem ΔV w.p = -18,96 % (KVшu15,67d 3 m XNUMX / h), pro kulový ventil bez plného otvoru ΔV w.p= – 19,49 % (KVш u8d 3 m XNUMX / h), pro průchozí ventil ΔVpr = -25,55 % (KVpr 4,3 m 3 /h), pro přímý průtokový ventil ΔVY = 9,04 % (KVY u4,2d – 3 m XNUMX / h).
Největší rozpor je pozorován u průchozího ventilu a kulového kohoutu. Je pravděpodobné, že hodnotu divergence průchozího ventilu významně ovlivňuje rozdíl mezi průtokovou dutinou fyzického zařízení a trojrozměrným modelem z důvodu obtížného měření vnitřní geometrie tělesa.
Při porovnání experimentální průchodnosti kulového kohoutu s vypočtenou hraje důležitou roli poloha ventilu v reálném fyzikálním zařízení a modelu. Přesnost polohovacího mechanismu kulového kohoutu má významný vliv na jejich rozdíl. Otevřením kulového kohoutu o 1 % se tedy propustnost zvýší o 0,013 m 3 / h, což je pro tento typ výpočtu významné.
Rýže. 5. Pole rychlosti RS v (a) a tlaku RS p (b) uvnitř průtokové části průchozího ventilu při plném otevření uzávěru Obr.
Rýže. 6. Pole rychlosti RS v (a) a tlaku RS p (b) uvnitř průtokové části přímoproudého ventilu při plném otevření uzávěru Obr.
Rýže. Obr. 7. Rychlostní pole RS v uvnitř průtokové části kulových kohoutů s plným vrtáním (a) a neplným vrtáním (b) při úplném otevření ventilu Obr.
Kapacita kulového kohoutu a průchozího ventilu, deklarovaná výrobcem, je o něco vyšší než vypočítaná. Možná je to způsobeno nesprávným plněním požadavků experimentálního stanovení průchodnosti nebo nadhodnocením vlastností vyráběného zařízení. Při maximálním otevření uzávěru nepřesahuje nesoulad pro přímoproudý a průchozí ventil 26 % a je přijatelný pro výpočet. Vyvinutý matematický model tedy umožňuje určit kapacitu uvažovaného AP pomocí numerické simulace.
Jako výsledek výpočtu byla získána rychlostní a tlaková pole RS uvnitř průtokové dutiny. Na Obr. Na obr. 5 a 6 jsou zvýrazněny oblasti průtočné dutiny průtočných a přímoproudých ventilů se zvýšenými rychlostmi RS a změnami směrů proudnic 1–5. Tlaková ztráta RS v i-té sekci je určena výrazem:
kde ρi — průměrná hustota PC v i-té sekci, kg/m 3 ; ξi — součinitel místního odporu i-tého úseku; vi – průměrná rychlost
RS v i-tém úseku, m/s.
Zvýšení rychlosti RS vede ke kvadratickému nárůstu tlakových ztrát. Nedokonalost geometrie průtokové části průtočných a přímoprůtokových ventilů vede ke vzniku vírů proudění RS, čímž se také zvyšují tlakové ztráty. Odchylka od osově symetrického rozložení rychlostních a tlakových polí má nepříznivý vliv na životnost jednotek.
Rychlostní pole RS uvnitř průtokové cesty kulových kohoutů s plným a neplněným kulovým kohoutem s plně otevřeným ventilem jsou na Obr. 7.
Parametry týkající se uzavíracích ventilů jsou regulovány GOST 28338-89. Tato norma stanoví určité požadavky na rozměry, které jsou relevantní pro podmíněné průchody. Tento pojem znamená kritérium používané v potrubích jako jedno z kritérií pro spojování potrubí, jakož i armatur a výztužných prvků.
Jmenovitý nebo podmíněný průměr nemá jednotku pro měření. Ukazatel se přibližně shoduje s průměrem uvnitř potrubí v mm. U ventilů uzavíracího typu se počítá jako vnitřní průměr spojovaných prvků.
K označení této velikosti se používá označení formátu DN a digitální indikátor z těch, které jsou součástí GOST. Například velikost 400 je označována jako DN 400.
Pokud byla výroba tvarovek, potrubí a jejich spojů zvládnuta dříve, než byla přijata stanovená norma (před 01.01.91), lze pro označení velikosti použít označení Dy. Zde bude velikost průchodu 20 mm označována jako Dy 200.
Pro dosažení nízkého ukazatele hydraulického odporu v uzlech pro armatury jsou určeny rozměry uvnitř průchodů. Požadavky na tyto ukazatele zohledňují provozní podmínky, vlastnosti přepravovaného produktu.
Na základě ustanovení GOST 24856-81 jsou průchozí armatury průmyslového typu armatury pro potrubí, ve kterých zůstává směr pohybu pracovního média na vstupu a výstupu stejný.
V tomto ohledu je správný výběr průchodového kanálu pro výztužné prvky zvláště důležitý, pokud jsou instalovány v potrubí, které je pravidelně čištěno škrabkami. S ohledem na tvar kanálu, jeho sekci, jsou všechny armatury rozděleny do 2 kategorií: s kanály, které se otevírají částečně nebo úplně.
Existuje několik definic pojmu:
· Armatury, kde je průřez vrat v ploše stejný jako rozměry vstupní trubky nebo jej přesahuje. Takové systémy se vyznačují nízkým hydraulickým odporem a nízkou turbulencí pracovního proudu;
· Tvarovky s plochou průřezu v průtokové části, která se rovná velikosti otvoru odbočky na vstupu nebo ji přesahuje;
Výztuž, kterou může v otevřeném stavu projít koule nebo geometrické těleso stejné velikosti;
· Ventily, kde průměr sedla je alespoň 90% průměru uvnitř výstupní trysky.
Plně otevíravé tvarovky se liší od tvarovek s plným otvorem přítomností kanálu s jinou plochou průřezu nebo tvarem ve vztahu k potrubním kanálům.
Tento typ ventilu se používá pro vážné tlakové rázy, ke kterým dochází v důsledku zmenšení průřezu v kanálu vzhledem ke spojovacím koncům. Současně by armatury neměly ovlivnit režim provozu plynovodu.
Velikost ventilu s plným otvorem je menší než ventil s plným otevřením, takže je náchylný ke kontaminaci mechanickými částicemi, které obsahují plyn. Ale tento typ výztuže umožňuje koulím, škrabkám a dalším zařízením používaným k čištění volně procházet.
Mnoho modifikací kuželových a kulových kohoutů, řada ventilů s paralelním a klínovým mechanismem ovládání se vyrábí v provedení s plnou dírou. Šoupátka, u kterých velikost sedla odpovídá průměru trubek, jsou také plná.
Jeřáby s plným a neplným vývrtem
V provedení s plným otvorem lze vyrobit ocelové kulové kohouty. Tato možnost se používá, když nedochází k redukci otvorů uvnitř trysek.
Výrobky s částečným vývrtem s kuličkovým zařízením a průměr otvorů uvnitř kuličky je menší než v přírubě, umožňují šetřit kov, snižují úsilí potřebné k ovládání výztuže.
U kulových kohoutů bez plného otvoru je index hydraulického odporu obvykle větší než u ventilů s plným otvorem.
Kulové ventily s designem plného portu
Prozkoumejme kulový kohout plný i neplnorový o průměru 20 mm a tlaku 1,6 MPa. V prvním případě bude díl označen 11s67pTsP Du 200, ve druhém – 11s67pTsP Du 200/150, protože průměr je zmenšen na 150 mm.
Index průchodnosti (kv) v prvním případě bude 2720, hmotnost – 44,7 kg. Ve druhém případě bude hmotnost rovna 34,1 kg a hodnota průchodnosti bude 1830.
Cena bezplnosvodového jeřábu je vzhledem k nižší hmotnosti téměř poloviční oproti celovtokovému.
Ukazuje se, že jeřáby s plným otvorem mají plus v podobě indikátoru hydraulického odporu. Jinými slovy, při absenci snížení tlaku je zatížení mechanismu nižší. To má pozitivní vliv na životnost. V neprůjezdných uzlech jsou síly potřebné pro ovládání nižší. Cena jeho výroby je nižší díky zmenšeným rozměrům a hmotnosti.
U kulových ventilů se sníženým vrtáním je redukce obvykle symetrická. Existují však možnosti s nedostatkem symetrie. To je považováno za konstrukční chybu, protože. taková jednotka musí být namontována na potrubí s přísným dodržením směru: mírný kužel ve směru pohybu proudění. Výrobky, které se vyznačují symetrickým zúžením, jsou instalovány na obou stranách.
Klíčovými parametry jeřábů jsou jejich délka, plná vrtnost, míra překrytí.
Součinitel plného vrtání je chápán jako poměr mezi skutečnou plochou průřezu v obytné pasáži a stejným ukazatelem podmíněné pasáže. Hodnota se vypočítá takto:
f= 4Ff/pD2y
kde:
Ff je indikátor plochy v otevřené části;
Dу je průměr podmíněného průchodu.
Výběr koeficientu, jeho účel určuje velikost jeřábu, jeho hydraulické parametry, délku, životnost a spolehlivost sestavy.
Při použití kapalného média se používají především provedení typu plného otvoru, u kterého koeficient plného otvoru odpovídá jedné nebo se tomuto ukazateli blíží.
Pro plynná média je přijatelná hodnota větší nebo rovna 0,7. S poklesem koeficientu je možné zmenšit velikost uzlu.
Když se okénko v průchodu zmenší, vede to ke snížení tělesa, zátky, průměrného průměru, hmotnosti, rozměrů, úsilí potřebného pro nastavení. Zároveň však dochází ke zvýšení indexu hydraulického odporu.
Při výběru optimálního koeficientu byste se měli rozhodnout, které řešení by bylo vhodnější: šetřit materiál (když snížení tlaku nehraje významnou roli) nebo dosáhnout maximálního koeficientu.
Je třeba také vzít v úvahu, že kontinuita toku vyvolává výrazné zrychlení při průjezdu místem silného zúžení. Ukazuje se, že životnost a pevnost jeřábu může být snížena vlivem zvýšené eroze.
Standardní vrtání vs ventily s plným vrtáním: jaký je rozdíl?
U ventilů s plným průměrem odpovídá velikost otvoru v kouli průměru trubky. Významnou výhodou této konstrukce je snížení hydraulických ztrát, protože proudění prochází otvorem bez vytváření tlaku nebo odporu.
U dílů se standardním otvorem je velikost průchodu menší než průměr trubek minimálně o 10 %. V tomto případě je index odporu větší a rozdíly v propustnosti jsou minimální.
Použití jeřábů různých typů
Díky nižším výrobním nákladům a malým rozměrům jsou náklady na kulové kohouty s konvenčním typem průchodu nižší. Tento typ produktu se používá na dálnicích, kde tlak nehraje kritickou roli.
Jeřáb s plným průjezdem je vhodný do komplexů, kde je potřeba snížit odpor.
Vyústění v kouli v provedení bez plného otvoru má menší průměr než je průměr trubky. Jejich index hydraulického odporu je vyšší než u jednotek s plným otvorem a riziko hydraulického rázu je nižší, protože existuje možnost rychlého odstavení pracovního média.
Díky použití ventilů s omezeným designem vrtání se snižují výrobní náklady, protože se na ně spotřebuje méně kovu.
