Virtukset & Rektorit Pumut j utkistot 1 Kertus, virtustekniikn erusteet Virtustekniikk käsittelee levoss j liikkeessä olevi fluidej Viskositeetti kuv fluidin kykyä siirtää liikemäärää noeutt vstn kohtisuorss suunnss Fluidit ovt Newtonisi ti ei-newtonisi
Kertus Virtusteknisiä ongelmi voidn rtkist ineenergi- j liikemäärätseiden vull Kun virtusnoeutt ksvtetn, virtuksest tulee eästbiili j siihen syntyy yörteitä Turbulenssin lkmist voidn rvioid Reynoldsin luvun vull 3 Kertus Virtuksen yleisestä energitseest sdn johdettu Bernoullin yhtälö soivill yksinkertistuksill, kuten kitkton virtus ilmn ulkouolist työtä (umu) Teknisissä sovelluksiss kitk j umun vikutus itää ott huomioon 4
Oimistvoite tälle kerrlle Energitse tilnteelle, joss utkistoss on umu j kitkvstuksi (Bernoullin ljennus) Putki- j ikllisvstusten ymmärtäminen Pumun j utkiston ominiskäyrien ymmärtäminen, toimintisteen käsite 5 Oimistvoite tälle kerrlle Ktsus eri umutyyeihin Pumun ominiskäyrän merkitys Kvitoinnin merkitys j imuutkiston suunnittelu sen välttämiseksi Virtuksen säätö j sen vikutus toimintisteeseen 6
Pumu z z b W rh W = ( b - ) + rg( z b - z ) + 1 r( v b - bv ) + rh f ksvtt inett nost fluidi ksvtt noeutt komensoi kitkhäviöitä = + POT + KIN + Kitk 7 Pinehäviö Jetn usein khteen osn: Riiuvuus turbulentiss virtuksess v rh f = r x Ł DL D + z i ł v Suorn utken häviöt Pikllisvstukset Vstuskertoimi x j z voidn rvioid virtusolosuhteiden j utkiston rkenteen vull. Pinehäviöyhtälö ysyy smn näköisenä, mutt kertoimet vihtuvt tilnteest riiuen 8
Hgen Poiseuillen lki D 3hDL = D v Lminriss virtuksess inehäviö on suorn verrnnollinen viskositeettiin noeuteen Miten olikn turbulentiss? 9 Turbulentti virtus Putkivstuskerroin riiuu Putken krheudest Reynolsin luvust x = f (Re, k ) D Riiuvuus on monimutkisemi kuin lminriss virtuksess, eikä sitä sd rtkistu nlyyttisesti 10
Moodyn käyrästö x = 64 Re Jos virtus treeksi noe j utki krhe, utkivstuskerroin on lähes riiumton Re luvust 11 Turbulentin virtuksen utkivstuskerroin Colebrookin yhtälö 1 x = -,0log Ł k 3,7D,51 + Re x ł Imlisiittinen Rtkisu itertiivinen eli kokeilemll 1
Turbulentin virtuksen utkivstuskerroin Ekslisiittinen roksimtio 1 x k 5,0 k / D 13 = -,0 log - log + Ł 3,7D Re Ł 3,7 Re łł Ekslisiittinen Putkivstuskerroin ei esiinny oikell uolell 13 Pikllisvstukset Putkistoss olevist litteist johtuvt häviötermit rh f = r z i v Pikllisvstus x z ksii zet rh DL = r x + Ł D Mutkt Virtusmittrit Venttiilit Lämmönsiirtimet Rektorit f Suorn utken häviöt Riiuvuus turbulentiss virtuksess v zi ł Pikllisvstukset 14
Pikllisvstuksi - Venttiilejä = r z i v 15 Virtus huokoisess ineess Usein virtus thtuu huokoisess ineess, jonk rkenne ei ole täsmällisesti määritettävissä. Esimerkiksi kiinteillä ktlyyttirtikkeleill (llot, sylinterit) täytetty rektori Tällöin inehäviötä voidn rvioid Ergunin yhtälöllä: h v DP / L = 150 Ł D ł ( 1- e) e 3 r v + 1,75 Ł D 1- e 3 ł e Lmirri vikutus Turbulentti vikutus 16
Putkiston suunnittelu - virtusyhtälö = + ot + kin + rh f = DH = DH + DH ot + DH kin + H = DH Pumu utkisto Pumun tuottm ineen lisäys on sm kuin ineen nostotrve utkistoss 17 Virtusyhtälö z z b = + ot + kin + rh f = Lähtö- j tuloikn ine-ero määräytyy yleensä lähtötietoin: - ikn ine tunnettu, - ikss b vditn tietty ine 18
Virtusyhtälö z z b = + ot + kin + rh f = Lähtö- j tuloikn korkeusero määräytyy lähtötietoin 19 Virtusyhtälö z z b = + ot + kin + rh f = Kineettinen ine j inehäviöt riiuvt virtusnoeuden neliöstä turbulentiss virtuksess h f DL = x Ł D + z i ł v vb v kin = r b - Ł ł Vkiokokoisess utkess kineettinen inehäviö on 0 kokoonuristumttomlle virtukselle 0
Putkiston kokonisinehäviö h f DL = x Ł D + z i v ł + ot Virtusnoeus m/s Virtusnoeus m 3 /h 1 Putkiston kokonisinehäviö DL h f = x + zi D Ł ł v + ot Virtusnoeus m/s Virtusnoeus m 3 /h Miltä käyrä näyttää, jos virtus kulkee voimest stist lemn olevn voimeen stin? Mikä on luonnollinen virtusnoeus tällöin (ilmn umu)?
Pumun ominiskäyrät Nostokorkeus Hyötysuhde Imuosn inehäviö D h H = f(v) & = f(v) & NPSH = f(v) & Tehontrve P B = f(v) & 3 Nostokorkeus 4
Pumu utkistoss Mksimi ine suljettu venttiiliä vsten. Putkistojärjestelmän suunnitteluine riiuu usein tästä Pumun tuottm ine Tyyillinen käyrä keskikoumulle Tilvuusvirtus m 3 /h 5 Pumun tuottm ine j utkiston inehäviö Toimintiste Tilvuusvirtus m 3 /h = + ot + kin + rh f = 6
Putken koon vlint Suositellun virtusnoeuden vull Sllitun inehäviön erusteell Otimoimll kustnnuksi 7 Suositeltuj virtusnoeuksi 8
Esimerkki tenttitehtävästä Vesiränni rkennetn,5 15 cm ludst nulmll sivuludt ohjludn molemmin uolin. Rännin ituus on 100 m j kltevuus on %. Ludn innn krheus on 0,0015 m. Vedenint rännissä on 1/4 rännin yläreun lemn. Veden mukn kulkeutuv hiekk j svi lisäävät virtusvstust 5 % uhtseen veteen verrttun. Lske rännin veden tilvuusvirt (m 3 /h), kun veden lämötil on 10 C. 9 Vesiränni... Esimerkki tenttitehtävästä Piirretään kuv j hhmotelln tilnne mielessä Kirjoitetn tseet Pohditn oletuksi (mitä termejä tseeseen tulee) Etsitään ineominisuuksi j muit trvittvi tietoj Mietitään mitä rtkistn j missä se esiintyy yhtälöissä. Usein rvtn joku suure j lsketn mllin (tseiden ym.) erusteell onko rvus oikein (iteroidn). Tässä esim. rvtn virtusnoeus, lsketn Re, lsketn utkivstus, trkstetn virtusnoeuden rvus. 30
Pumun vlint Siirrettävä inemäärä j nostokorkeus Siirrettävän fluidin ineominisuudet (viskositeetti, tiheys) sekä muut ominisuudet, kuten myrkyllisyys, lvuus jne. Pine j lämötil lku- j louisteessä Nesteintojen korkeuserot Sijoitusikk: ulkon/sisällä, voidnko sijoitt vsti imettävän nesteen intn nähden Stndrdointi: yritään käyttämänä smnlisi umuj jos mhdollist vrossyistä 31 Toimint-lue 3
Hmmsrtsumu 33 Mäntäumu 34
Keskikoumu Tvllisin teollisuudess käytetty umu Käytetään hyvin monenlisten nesteiden siirtoon Keskikoumujen ksiteettilue on hyvin lj 10 l/min 400 m 3 /min Nostokorkeuslue on lj 35 Keskikoumu Pumu j moottori 36
Siiiyörä (Juoksuyörä) Pyörivä siiiyörä Aj nesteen esän reunoille j ineyhteeseen Imee uutt nestettä keskelle 37 Pine umun imuss s s Kitkhäviöt lentvt inett, lisäksi korkeussem vikutt 38
Kvitointi Jos ine litt nesteen höyrynineen se lk kiehu Myöhemmin kult tiivistyvät j romhtvt ksn. Tämä iheutt melu j ineiskuj jotk vurioittvt umu Kulien muodostuminen Kulien tiivistyminen 39 Kvitoinnin estäminen Nesteen minimiineen umuss oltv suuremi kuin nesteen höyrynine Miten toteutetn? 40
Kvitoinnin estäminen Pumun sijoitus ls nesteen hydrostttinen ine hyödyksi Lämötil ls höyrynine lhinen Putkiston inehäviö ieneksi Erikoisumut, joill lhinen NPSH vtimus 41 NPSH (Net Positive Suction Hed) Netto Positiivinen Imu Korkeus Imuliss olevn ineen j nesteen höyrynineen välinen ero NPSH = - s v 4
NPSH NPSHR (Net Positive Suction Hed Required) - Pinereservi, jok umun imuukoss on oltv, jott umuss ei thdu kvitointi. - Riiuu umun rkenteest - NPSHR rvon nt umun vlmistj NPSHA (Net Positive Suction Hed Avilble) - Pinereservi, jok umun imuukoss todell on - NPSHA:n lskee rosessin suunnittelij suunnittelemns imuutkiston erusteell NPSHA > NPSHR + suunnitteluvr vähintään 0,5 1 m 43 NPSHA NPSHA:t voi rvioid meknisen energin tseen vull s s rh W = ( s - ) + rg(z s - z ) + r s Ł s v - v + ł rh f 44
Esimerkki: Säiliössä kiehuv nestettä (ti kiehumisisteessään olev, kulivn nesteen umminen suorn on huono rtkisu) s = v s 45 s Säiliössä kiehuv nestettä s = v ( - v) vs NPSHA = - s - hf + - 1 g Ø Œ º r ø œ ß ( z z ) s 46
s s Säiliössä kiehuv nestettä 1 Ø v ø s NPSHA = - Œs + hf œ + - g º ß ( z z ) s Korkeuseron (hydrostttisen ineen) tulee komensoid noeus- j virtushäviöt + NPSHR eli umun sisäiset häviöt NPSHA NPSHR+vr 47 Kylmä neste ositiivinen voi oll negtiivinen ( - v) vs NPSHA = - s - hf + - 1 g Ø Œ º r itää oll ositiivinen, NPSHA NPSHR+vr ø œ ß ( z z ) s umu voi sijit säiliön yläuolell Ei käynnistetä kuivn! 48
Virtuksen säätö + ot 1 rh f DL = r x + Ł D v zi ł v 1 v Mitä thtuu kun vesihn käännetään ienemmälle? 49 Pine ksv umun Virtuksen säätö Pikllisvstus ksv venttiilin kohdll oistouolell 1 + ot rh f DL = r x + Ł D v zi ł v v 1 v Tilvuusvirtus ienenee 50
Esimerkki tenttitehtävästä Joest hlutn ott jäähdytysvettä 50 m3/h lämmönsiirtoverkostoon, jonk syöttökohdss vllitsee 135 kp ine j jok sijitsee 4,5 m joen vedenint ylemänä. Putkiston imuukko on 1,5 m joen vedeninnn luolell. Putkiston ituus 15 m j utken sisählkisij on 150 mm. Putkistoss on sihti (z=6,0), neljä lutsventtiiliä j seitsemän 90 mutk (R/D=). Putkimterili on vlurut. Soiiko umustehtävään keskikoumu, jonk krkteristik on seurv: V/(m 3 /h) 0 55 95 130 170 195 30 60 85 H /m 35 34,0 31,5 8,7 5,5 3,0 19,0 15,5 1,5 Joen vedeninnn korkeus ysyy vkion j veden keskilämötil on 10 51 Joest hlutn ott jäähdytysvettä... Piirrä kviokuv tilnteest Kirjoit tse, jälleen kerrn meknisen energin tse. Mieti mitkä ovt tuntemttomi Etsi ineominisuudet Esimerkki tenttitehtävästä Putkivstuskerroin tuntemton, riiuu Re luvust Lske utkistokäyrän isteitä: rv tilvuusvirt Re, lske utkistovstus (mistä?), muist muut vstukset utkiston vstus ilmoitettun korkeuten tilvuusvirrn funktion Piirrä smn kuvn utkistokäyrä j umukäyrä j mieti vstus tehtävän kysymykseen 5
Pumun tehon lskent 10 % milmn sähkönkulutuksest menee umukseen Meknisen energin tseest sdn seurvi yhtälöitä umun vtimlle teholle P E = m& h h E r P E = V& h E h Sähkömoottorin hyötysuhde Pumun hyötysuhde 53 Esimerkki ) Lske trvittv teho, kun umtn 100 t/h kylmää vettä 40 m korkeuteen. Prosessin ine ei muutu. Pumun kokonishyötysuhde on 75%. b) Kemin litetekniikk oiskellut rosessisuunnittelij tekee innovtion, jonk vull nostokorkeus sdn udotettu khteenkymmeneen metriin. Kuink mont hehkulmun vihtmist energinsäästölmuksi tämä innovtio vst, jos rvioidn että lmu on äällä 6 tunti vuorokudess j umu 8000 h/vuodess? 54
Toimint-lue Pumttv määrä voi tuntu isolt, mutt se on teollisuudess ihn normli. Esim. Olkiluodon uuden ydinvoimln jäähdytysvesitrve on yli 00 000 m 3 /h (1/4 kymijoest) 55 Vesi kylmää r»1000 kg/m 3 Oletetn kitkhäviöt j kineettinen ine mitättömiksi nostokorkeuteen verrttun. Säiliöt smss ineess nostokorkeudest ino inetermi = rgh = 1000 kg/m3 9,81 m/s 40 m = 39 400 P 56
Tilvuusvirt V& 100000kg / h = 1000kg / m 3600s / h 3 = 0,0778m 3 / s Tehoksi sdn V& 3 0,0778m / s 39400P PE = = = 14533W» 15kW h 0,75 TOT 57 Nostokorkeus uto uoleen tehonkulutuskin uto uoleen (hyötysuhde oletetn smksi) Kulutus innovtiivisemmll rosessivihtoehdoll on siis 767 W 58
Arvioidn lmunvihtojen määrä siten, että hehkulmun teho olisi 60 W j energisäästölmun 11 W. Ero on siis 49 W Lmujen määräksi sdn 767W 49W 4h 6h 8000h / 365d / 4h / d» 540 lmu 59 Sekoitus Sekoitus on eräs keskeisistä kemin tekniikkn liittyvistä tehtävistä Esimerkkejä: regenssien sminen hyvään kontktiin sekoitusrektoreiss ilmn ti muun disergoidun fsin kul- ti isrkoon ienentäminen ineensiirron tehostmiseksi tuotteen homogenisointi ltuvihteluiden minimoimiseksi 60
Sekoitus Oleellisi suureit ovt mm. tehonkulutus j sekoitusik. Niitä voidn rvioid erilisist korreltioist P 1,5 0,5 3 5 = N PrN D N q = 5, 1/ 3 D N T H N P on sekoittimen teholuku (sekoitintyyikohtinen, esim. Rushton turbiini N = 5,) r = sekoitettvn fluidin tiheys (kg/m 3 ) N = sekoittimen yörimisnoeus (1/s) D = sekoittimen hlkisij (m) q = sekoitusik (s) 61 Sekoitus Aksilisi sekoittimi (virtus ääosin kselin suunnss) Rdilisi sekoittimi (virtus ääosin sivuille) 6
Kertus Lminriss virtuksess vstus (inehäviö) on - Suorn verrnnollinen viskositeettiin - Suorn verrnnollinen noeuteen Turbulentiss virtuksess vstus on - Suorn verrnnollinen tiheyteen - Verrnnollinen noeuden toiseen otenssiin - Verrnnollinen utken krheuteen (eälinerisesti) Putkivstukset voidn jk suorn utken iheuttmn vstukseen j ikllisvstuksiin 63 Kertus DL h f = x + zi D Ł ł v + ot Virtusnoeus m/s Virtusnoeus m 3 /h 64
Kertus Toimintiste = + ot + kin + rh f = 65 Kertus Erilisi umutyyejä on hyvin ljon. Keskikoumu on rosessitekniikss yleisimmin käytetty tyyi. Pumun ominisuuksi kuvtn ominiskäyrillä. Nämä kertovt umun suorituskyvyn muutoksist virtusnoeuden muuttuess 66
Kertus Kvitointi trkoitt sitä, että umun imuyhteessä syntyy kuli jotk romhtvt ksn ineuolell. Tämä vhingoitt umu Kvitointilttiutt kuv termi NPSH - NPSHA umun imuutkistoss - NPSHR umun ominisuus 67 Kertus Imuutkisto on suunniteltv siten, että NPSHA on riittävän ljon suuremi kuin NPSHR Virtust säädetään yleensä umun ineuolell olevll säätöventtiilillä. Sillä voidn vikutt ikllisvstukseen, jolloin toimintiste muuttuu Sekoitus on eräs keskeisistä virtusteknisistä ongelmist 68