Dlaczego strata ciśnienia decyduje o całej instalacji
Gdy tylko płyn, powietrze, woda czy dym, przepływa przez kanał, przewód lub rurociąg, trze o ścianki i napotyka zmiany kierunku. Na każdym przebytym metrze traci energię: to jest właśnie strata ciśnienia.
Niedoszacowanie tej straty oznacza dobór zbyt słabego wentylatora lub pompy i brak wymaganego strumienia. Przeszacowanie oznacza przewymiarowanie instalacji i ciągłe marnowanie energii. Poprawne obliczenie oznacza wymiarowanie właściwe.
Czym jest strata ciśnienia?
Strata ciśnienia (oznaczana ΔP) to spadek ciśnienia doznawany przez płyn w ruchu, wynikający z lepkościowego rozpraszania jego energii przez tarcie i turbulencję. Wyraża się w paskalach (Pa) i rośnie głównie z kwadratem prędkości przepływu.
Wyróżnia się dwie grupy strat, które sumują się w całej instalacji:
Straty liniowe
- Wynikają z tarcia wzdłuż ścianek prostego przewodu.
- Proporcjonalne do długości i odwrotnie proporcjonalne do średnicy.
Straty miejscowe
- Wynikają z elementów zaburzających: kolan, trójników, zaworów, rozszerzeń, kratek.
- Skupione w jednym punkcie, ale często dominujące.
Reżim przepływu: laminarny czy turbulentny?
Przed jakimikolwiek obliczeniami trzeba znać charakter przepływu. Liczba Reynoldsa porównuje siły bezwładności z siłami lepkości i rozstrzyga, czy płyn płynie równoległymi strugami (laminarnie), czy chaotycznie (turbulentnie).
W niemal wszystkich instalacjach powietrznych i wodnych w budynkach i przemyśle przepływ jest turbulentny: to właśnie ten reżim rządzi opisanymi niżej metodami obliczeń.
Straty liniowe: wzór Darcy'ego-Weisbacha
Na prostym odcinku przewodu stratę ciśnienia oblicza się z uniwersalnej zależności Darcy'ego-Weisbacha:
Współczynnik λ zależy od liczby Reynoldsa oraz od chropowatości względnej ścianki. Odczytuje się go zwykle z wykresu Moody'ego albo oblicza ze wzoru Colebrooka. Wniosek praktyczny: ponieważ ΔP zmienia się jak V², podwojenie prędkości zwiększa stratę czterokrotnie , stąd korzyść z przewodów o dużym przekroju.
Straty miejscowe: współczynnik K
Każdy element zaburzający instalacji, czyli kolano, trójnik, zwężka, przepustnica czy kratka, powoduje stratę miejscową, opisywaną przez współczynnik strat miejscowych K:
W instalacji zwartej straty miejscowe często przeważają nad stratami liniowymi. Złagodzenie ostrego kolana, wygładzenie połączenia czy powiększenie kratki potrafi obniżyć stratę całkowitą znacznie skuteczniej niż powiększanie prostych odcinków.
Tablice kończą się tam, gdzie geometria staje się rzeczywista
Stablicowane współczynniki K dotyczą elementów pojedynczych i idealnych. Gdy tylko dwa kolana następują po sobie, połączenie jest niesymetryczne albo szacht jest zastawiony, wzajemne oddziaływanie elementów wykracza poza tablice: tylko CFD daje wtedy wiarygodną wartość.
Opór hydrauliczny i równoważenie instalacji
W skali całej instalacji mówi się o oporze hydraulicznym: jest to całkowity opór, jaki instalacja stawia przepływowi płynu. To on, zestawiony z charakterystyką wentylatora lub pompy wyznacza rzeczywisty punkt pracy (uzyskany strumień i ciśnienie).
Gdy kilka gałęzi dzieli ten sam strumień, kluczowe staje się równoważenie: prawidłowy rozdział strumieni między odgałęzienia, aby żadna strefa nie była przewietrzana kosztem innej. Źle zrównoważona instalacja to źle wentylowane pomieszczenia i elementy regulacyjne, które bezproduktywnie „zjadają” energię.
Kiedy symulacja CFD zastępuje tablice
Wzory i tablice wystarczają dla instalacji regularnej. Gdy jednak geometria staje się złożona lub ograniczona , czyli zastawione szachty, plenum, czerpnie, wielokrotne połączenia, wymienniki, symulacji CFD staje się narzędziem podstawowym.
Oblicza ona rzeczywistą stratę ciśnienia dla dokładnej geometrii, pokazuje strefy recyrkulacji i oderwania rozpraszające energię oraz pozwala sprawdzić warianty trasy przed wykonaniem. Wymiarowanie jest dzięki temu możliwie dokładne, bez przewymiarowania „na wszelki wypadek”.
Studium przypadku: straty ciśnienia — instalacja CNITNasi inżynierowie określą liczbowo Państwa straty ciśnienia i zoptymalizują trasy metodą symulacji CFD. Porozmawiajmy.
