Czym jest strata ciśnienia?
W instalacji powietrznej (kanały wentylacyjne, oddymianie, powietrze procesowe), podobnie jak w instalacji hydraulicznej (woda lodowa, ogrzewanie, płyny przemysłowe), płyn traci ciśnienie w trakcie przepływu. Ten spadek ciśnienia, czyli strata ciśnienia, jest dokładnie tą energią, którą wentylator lub pompa musi dostarczyć, aby utrzymać wydatek.
Najważniejsze. Każdy metr przewodu i każdy element miejscowy zabiera płynowi ciśnienie. Ten ubytek płaci się wprost energią elektryczną: to on wyznacza moc, a więc i zużycie, wentylatorów i pomp. EOLIOS odtwarza cyfrowego bliźniaka instalacji, rozwiązuje przepływ metodą CFD i wyznacza stratę ciśnienia element po elemencie, zarówno na powietrzu, jak i na wodzie. Cel: precyzyjnie dobrać wentylatory i pompy złożonych instalacji, obniżyć ich koszt energii i przeprojektować kanały tak, aby usunąć straty, których można uniknąć.
To całkowity spadek ciśnienia, jakiemu podlega płyn przepływający przez instalację. Mierzy się go w paskalach (powietrze) lub w metrach słupa płynu (woda) i wyznacza punkt pracy wentylatora albo pompy: im jest większy, tym więcej energii trzeba dostarczyć, a więc rośnie zużycie.
Bezpośrednia kwestia zużycia energii i doboru urządzeń
Całkowita strata ciśnienia instalacji wyznacza punkt pracy maszyn wprawiających płyn w ruch. Instalacja o zbyt dużym oporze wymaga mocniejszych wentylatorów i pomp, które zużywają więcej energii przez cały okres eksploatacji i szybciej się zużywają. Odwrotnie, opanowana strata ciśnienia pozwala wybrać maszyny oszczędniejsze, pracujące na niższych obrotach i ciszej.
W złożonych instalacjach, silnie rozgałęzionych lub zabudowanych, szacowanie z nomogramów szybko przestaje wystarczać: oddziaływania między gałęziami, blisko siebie położone elementy miejscowe i nierównomierny rozdział wydatków zakłócają obliczenia. Symulacja CFD usuwa tę niepewność i pozwala dobrać wentylator lub pompę precyzyjnie, bez kosztownego zapasu bezpieczeństwa, dodawanego z ostrożności, gdy rzeczywista strata ciśnienia nie jest znana.
| Instalacja | Płyn i maszyna | Przykłady | Typowe wyzwania |
|---|---|---|---|
| Powietrzna | Powietrze · wentylatory | Kanały HVAC, oddymianie, powietrze procesowe, kominy | Zużycie energii, hałas, równoważenie wydatków |
| Hydrauliczna | Woda lub inne płyny · pompy | Woda lodowa, ogrzewanie, obiegi przemysłowe | Zużycie energii, kawitacja, równoważenie gałęzi |
Analizować
- Projektowanie, analiza, optymalizacja
- Rozkład prędkości i ciśnień
- Stan stacjonarny lub niestacjonarny
Dobierać
- Precyzyjnie dobrane wentylatory i pompy
- Kanały, przekroje i elementy miejscowe
- Równoważenie złożonych instalacji
Doradzać
- Instalacje powietrzne i hydrauliczne
- Obniżenie kosztów energii
- Projekty międzynarodowe
Straty liniowe i straty miejscowe
Stratę ciśnienia zawsze można rozłożyć na dwie rodziny, zarówno dla powietrza, jak i dla wody. Ich rozróżnienie pozwala zrozumieć, gdzie działać, aby zmniejszyć opór instalacji.
Straty liniowe
Wynikają z ciągłego tarcia płynu o ścianki. Rosną z długością instalacji, lepkością płynu oraz chropowatością przewodów i zależą od rodzaju przepływu, opisanego liczbą Reynoldsa: laminarnego, przejściowego lub turbulentnego. Każdy z nich zmienia stosunek sił bezwładności do sił lepkości, a więc i sposób rozpraszania energii na drodze przepływu.
Straty miejscowe
Skupiają się na zaburzeniach na drodze przepływu: kolanach, trójnikach, zaworach, zmianach przekroju, przepustnicach, filtrach i wymiennikach. W tych miejscach przepływ odrywa się od ścianki, przyspiesza i tworzy wiry, które gwałtownie rozpraszają energię. W rzeczywistej instalacji każdy element miejscowy ma własny współczynnik strat, bardzo czuły na dokładną geometrię i na sąsiedztwo pozostałych elementów.
Bez opanowania te zaburzenia utrudniają ocenę strat i sprawiają, że instalacja jest mniej sprawna i droższa w eksploatacji. Mogą też powodować hałas, drgania i nierównomierny rozdział wydatków między gałęziami, jak przy doborze kominów przemysłowych, gdzie strata ciśnienia wprost decyduje o ciągu. Symulacja CFD daje pełną analizę tych zjawisk i rozwiązania dostosowane do instalacji, aby zmaksymalizować efektywność energetyczną i wydłużyć jej trwałość.
Cyfrowy bliźniak CFD instalacji
Pełna geometria instalacji i jej elementów miejscowych jest odtwarzana w trzech wymiarach, a następnie modelowana metodą symulacji CFD. Ten cyfrowy bliźniak wiernie odtwarza zachowanie płynu tam, gdzie klasyczne nomogramy dają tylko wartość ogólną i przybliżoną.
Etapy obliczeń
Od modelu do pola ciśnienia
- Odtworzenie 3D geometrii instalacji, wraz z kanałami i osprzętem.
- Siatka o kilku milionach komórek, zagęszczona przy ściankach.
- Warunki brzegowe: wydatki, ciśnienia, prędkości na wejściu i wyjściu.
- Rozwiązanie równań Naviera-Stokesa w każdej komórce obszaru obliczeniowego.
- Obróbka wyników: ciśnienie, prędkość i kierunek płynu w każdym punkcie.
Przy ściankach siatkę zagęszcza się, aby dokładnie rozwiązać gradient prędkości. Ta dokładność, kontrolowana parametrem y+, decyduje o wierności obliczeń strat na tarcie oraz sił działających na powierzchnie.
Modele turbulencji k-ε lub LES opisują wpływ fluktuacji na rozpraszanie energii. Zależnie od celu analizę prowadzi się w stanie stacjonarnym, dla jednego punktu pracy, albo niestacjonarnym, aby śledzić zmiany pól w czasie. Wynikiem jest ciągły i fizycznie wierny obraz przepływu, przydatny zarówno do obliczenia strat, jak i do analizy zużycia.
Wyniki i optymalizacja instalacji
Co ujawnia symulacja
Z tego szczegółowego obrazu nasi inżynierowie odczytują gradienty ciśnienia przed i za każdą przeszkodą (stratę element po elemencie), szczyty prędkości oraz wiry lub strefy martwe wskazujące na marnowaną kubaturę i zbędne recyrkulacje. Ten odczyt porządkuje elementy miejscowe według pilności, od tych, które najbardziej ciążą w bilansie energetycznym.
„Czy Państwa wentylator nadrabia straty, które symulacja mogłaby usunąć?”
Optymalizacja obejmuje następnie geometrię i materiały: złagodzenie kolana, poszerzenie przejścia przekroju, usunięcie zbędnego elementu miejscowego lub wybór gładszej ścianki. Każdy wariant jest przeliczany w cyfrowym bliźniaku , aby zmierzyć zysk przed jakimkolwiek nakładem, co zabezpiecza decyzje projektowe i modernizacyjne.
Dobór wentylatorów i pomp
Całkowita strata ciśnienia instalacji nie jest tylko wskaźnikiem: to dana, która decyduje o wyborze maszyny. Wentylator w instalacji powietrznej, pompa w hydraulicznej — to ona wyznacza moc do zainstalowania, a wraz z nią zużycie energii przez cały okres eksploatacji.
Punkt pracy
Instalację opisuje jej charakterystyka oporu: ciśnienie do pokonania rośnie wraz z wydatkiem. Maszyna z kolei ma własną charakterystykę pracy. Ich przecięcie wyznacza punkt pracy, czyli parę wydatek–ciśnienie, przy której instalacja będzie rzeczywiście pracować. Błędna ocena straty ciśnienia to zły punkt pracy, a więc i zła maszyna.
Przecięcie charakterystyki oporu instalacji z charakterystyką wentylatora lub pompy. Wyznacza rzeczywisty wydatek i ciśnienie oraz sprawność maszyny na tym reżimie: celem jest umieszczenie go tam, gdzie sprawność jest największa.
Dobierać precyzyjnie, zwłaszcza w złożonej instalacji
Obliczając rzeczywistą stratę ciśnienia każdego odcinka, symulacja pozwala dobrać maszynę w jej najlepszej sprawności zamiast przewymiarowywać ją z ostrożności. W złożonej, silnie rozgałęzionej instalacji sprawdza też równoważenie wydatków między gałęziami i przewiduje działanie przepustnic oraz falowników, jak w instalacjach spalinowych i wentylacyjnych agregatów prądotwórczych. Wynik: oszczędniejsza maszyna, niższy reżim pracy, mniej hałasu i niższy rachunek za energię przez cały okres eksploatacji.
Przewymiarowanie kosztuje dwa razy. Zbyt mocna maszyna jest droższa w zakupie, a potem stale zużywa nadmiar energii, pracując daleko od optymalnej sprawności. Właściwy dobór, oparty na obliczonej stracie ciśnienia, pozwala uniknąć obu tych kosztów.
Obliczanie strat ciśnienia złożonych instalacji HVAC i oddymiania
Instalacje HVAC (ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja) oraz instalacje oddymiające należą do najtrudniejszych w doborze: długie rozgałęzione kanały, wiele nawiewników i przepustnic, blisko siebie położone kolana i ograniczenia zabudowy. W takich złożonych instalacjach sumowanie strat miejscowych i oddziaływanie między gałęziami sprawiają, że obliczenia z nomogramów są mało wiarygodne.
Instalacje HVAC o wrażliwym równoważeniu
W instalacjach HVAC strata ciśnienia decyduje zarazem o doborze wentylatorów, o równoważeniu wydatków między pomieszczeniami i o komforcie akustycznym. Obliczenia CFD odtwarzają ciśnienie i prędkość w każdym odcinku, ujawniają gałęzie niedostatecznie zasilane i pozwalają skorygować przekroje, przepustnice i geometrię tak, aby zapewnić żądany wydatek na nawiewniku przy najlepszej sprawności.
Oddymianie, gdzie skuteczność decyduje o życiu
W oddymianiu opanowanie straty ciśnienia to kwestia bezpieczeństwa: instalacja musi odprowadzić wymagany przepisami wydatek dymu, mimo długich i wielokrotnie giętych przewodów. Obliczenie straty ciśnienia sprawdza, czy wentylatory wyciągowe utrzymają swój punkt pracy w warunkach pożaru, i pozwala dobrać przewody tak, aby osiągnąć wymaganą skuteczność.
W złożonej instalacji zapas bezpieczeństwa się oblicza, a nie zgaduje
Przewymiarowanie instalacji HVAC marnuje energię; niedowymiarowanie instalacji oddymiającej naraża bezpieczeństwo. W obu przypadkach tylko wierne obliczenie straty ciśnienia pozwala dobrać ją precyzyjnie.
Analiza erozji: wskazać strefy uderzeń
Płyn niosący cząstki (pyły, piasek, kropelki) nie zużywa instalacji równomiernie: zużycie skupia się tam, gdzie cząstki uderzają w ściankę, czyli na kolanach i elementach miejscowych. Wskazanie tych stref uderzeń pozwala wiedzieć, gdzie ścianka przerwie się pierwsza, i działać przed powstaniem wycieku.
Postępujące ubywanie materiału ze ścianek wewnętrznych, wywołane powtarzającymi się uderzeniami cząstek niesionych przez płyn. Jej szybkość zależy od kąta i prędkości uderzenia w takim samym stopniu jak od materiału, a w instalacjach hydraulicznych łączy się czasem z kawitacją.
Zmapować uderzenia przez śledzenie cząstek
Do obliczeń przepływu EOLIOS dodaje lagranżowskie śledzenie cząstek: do płynu wprowadza się cząstki reprezentatywne (rozmiar, gęstość, stężenie) i zlicza, ścianka po ściance, kąt oraz energię ich uderzeń. Na tej podstawie powstaje mapa wskaźnika zużycia zgodna ze znormalizowanymi modelami erozji stosowanymi w przemyśle.
Ta mapa porządkuje strefy do ochrony i ukierunkowuje decyzje projektowe: miejscowe zwiększenie grubości, nałożenie powłoki przeciwściernej, a przede wszystkim zmianę geometrii, która skupia uderzenia. Pozwala też przewidzieć trwałość najbardziej narażonych elementów i zaplanować ich wymianę przed awarią.
Zużycie nie jest proporcjonalne do prędkości
Rośnie znacznie szybciej: niewielkie miejscowe przewyższenie prędkości wystarcza, aby ciasne kolano stało się pierwszym miejscem przebicia instalacji. Złagodzenie jego geometrii jednym ruchem zmniejsza stratę miejscową i erozję, dwa zyski z jednej zmiany.
Strefy zalegania i osadzanie pyłu
Przeciwnie niż w strefach uderzeń, w niektórych obszarach instalacji prędkość gwałtownie spada: strefy martwe, recyrkulacje, końce kanałów, mało obciążone gałęzie. Właśnie tam cząstki zawieszone, nieporywane już przez przepływ, osiadają i stopniowo zanieczyszczają instalację.
Obszar, w którym przepływ zwalnia lub recyrkuluje bez wymiany płynu. Pył i cząstki tam sedymentują, zmniejszając przekrój użytkowy i pogarszając parametry, a w instalacjach powietrznych rodząc problem higieny i zanieczyszczenia.
Przewidzieć zanieczyszczenie już na etapie projektu
Symulacja mapuje strefy małej prędkości i przewiduje, gdzie będzie się gromadził osad. Można wtedy przeprojektować przebieg instalacji , aby usunąć martwe końcówki, podnieść prędkość w wybranych gałęziach albo przewidzieć otwory rewizyjne do czyszczenia w odpowiednich miejscach. W instalacjach wentylacyjnych łączy się to z jakością powietrza i wymogami higienicznymi; w instalacjach hydraulicznych pozwala uniknąć zatkania i spadku wydatku.
Strefy uderzeń i strefy zalegania to dwa uzupełniające się odczyty tej samej symulacji: pierwszy mówi, gdzie instalacja się zużywa, drugi — gdzie się zanieczyszcza. Razem prowadzą do przebiegu trwalszego, oszczędniejszego i łatwiejszego w utrzymaniu przez cały okres eksploatacji.
Strefy uderzeń · erozja
- Gdzie: kolana, przewężenia, zewnętrzna strona zmian kierunku.
- Mechanizm: powtarzające się uderzenia cząstek o dużej prędkości.
- Ryzyko: ścienienie ścianek, wyciek, przerwanie.
Strefy zalegania · osad
- Gdzie: strefy martwe, recyrkulacje, końce kanałów.
- Mechanizm: sedymentacja cząstek nieporywanych przez przepływ.
- Ryzyko: zanieczyszczenie, utrata przekroju, higiena.
Nasze podejście. EOLIOS nie ogranicza się do obliczeń: każda symulacja kończy się konkretnymi zaleceniami oraz rozwiązaniami technicznymi z liczbami, od ponownego doboru wentylatora do wyboru powłoki, przez zmianę przebiegu instalacji. Wyznaczamy skalę problemu, a następnie proponujemy i sprawdzamy optymalizację w cyfrowym bliźniaku przed jakimkolwiek wdrożeniem.
