Embedded Files
Virtaustekniikka
Virtaustekniikka
Jokainen virtausmittauslaite hyödyntää jotakin fysikaalista periaatetta nestevirran tilavuusvirran mittaamiseksi. Näiden periaatteiden ymmärtäminen eri virtausmittausteknologioihin sovellettuna on ensimmäinen ja tärkein askel sopivan teknologian asianmukaiseen käyttöön tietyn prosessivirran virtausnopeuden mittaamisessa.
Nestevirtauksen mittaaminen on yksi teollisuuden instrumentoinnin monimutkaisimmista mittaustyypeistä. Tämä johtuu sekä laajasta teknologisesta valikoimasta, jossa jokaisella menetelmällä on omat rajoitteensa ja erityispiirteensä, että siitä, ettei mitattavalla suureella ole yksiselitteistä määritelmää. "Virtaus" voi tarkoittaa tilavuusvirtausta, massavirtausta tai standardoitua tilavuusvirtausta, joka perustuu oletettuihin paine- ja lämpötilaolosuhteisiin.
Virtausmittarit, jotka on suunniteltu kaasu- tai höyryvirtojen mittaukseen, eivät yleensä sovellu nesteiden mittaukseen. Nesteiden dynaamiset ominaisuudet muuttuvat virtausnopeuden mukaan, ja useimmat teknologiat eivät kykene mittaamaan lineaarisesti koko virtausalueella nollasta maksimiin. Lisäksi mittaustekniikan toimivuus riippuu ratkaisevasti oikeasta asennuksesta – virtausmittaria ei voi asentaa mihin tahansa kohtaan putkistoa ja odottaa sen toimivan optimaalisesti.
Tämä aiheuttaa usein ristiriitoja mekaanisten ja instrumentointisuunnittelijoiden välillä suurissa teollisuusprojekteissa. Putkiston optimaalinen asettelu prosessilaitteiden kannalta ei välttämättä ole hyvä virtausmittauksen näkökulmasta, ja päinvastoin. Virheelliset asennukset johtavat mittausongelmiin, jotka ilmenevät usein prosessin käynnistyksen yhteydessä.
Vaikka virtausmittari olisi valittu ja asennettu oikein, ongelmia voi syntyä prosessinesteen ominaisuuksien muutoksista tai epäpuhtauksista. Virtausmittarit altistuvat kulumiselle enemmän kuin monet muut anturit, koska niiden mittauselementit sijaitsevat suoraan neste- tai kaasusuihkujen reitillä.
Näiden monimutkaisuuksien vuoksi instrumentointialan ammattilaisten on tärkeää ymmärtää virtausmittauksen perusperiaatteet. Kun teknologian fysikaaliset perusteet tunnetaan, sovellusten valinta ja mahdollisten ongelmien tunnistaminen helpottuu merkittävästi.
Fluidit
Fluidit
Virtaustekniikanssa käsitellään levossa ja liikkeessä olevia fluideja. Fluidien virtaukset sekä virtausilmiöt ovat perusta monissa teollisuuden prosesseissa.
Fluidi on aine, joka ei pysyvästi vastusta muodon muutosta. Muodon muutoksessa aineeseen vaikuttavat leikkausjännitykset. Niiden suuruus riippuu fluidin viskositeetista ja liukumisnopeudesta.
Virtaavat aineet voidaan luokitella seuraavasti:
Nesteet
Kaasut
Kaksifaasivirtaukset
neste/kaasu (vesihöyry)
neste/neste(toisiinsa liukenemattomat nestefaasit)
neste/kiintoaine(liete)
kaasu/kiintoaine
kolmifaasivirtaukset(useimmiten kaasunestekiinteä)
Viskositeetti
Viskositeetti
Virtaustekniikassa viskositeetti on suure, joka kuvaa fluidin kykyä vastustaa virtausta. Sitä voidaan havainnollistaa eräänlaisena sisäisenä kitkana, jossa yksittäiset nestemolekyylit kokevat joko koheesiota tai törmäyksiä virratessaan toistensa ohi. Mitä ”viskoosimpi” neste on, sitä paksummalta se tuntuu sekoitettaessa. Puhdas vesi on esimerkki matalan viskositeetin nesteestä, kun taas huoneenlämpöinen juokseva hunaja on esimerkki korkean viskositeetin nesteestä.
Viskositeetin määrittelyssä käytetään usein esimerkkiä, jossa kahden yhdensuuntaisen levyn välissä on nestettä.
Alempi levy pysyy paikallaan ja ylempi levy, jonka pinta-ala on A, vedetään nopeudella v. Tarvittava voima F mitataan. Hetken kuluttua vasemmanpuoleisen kuvan neste-elementti on muuttanut muotoaan oikeanpuoleisen kuvan mukaiseksi.
Tarvittava voima on suoraan verrannollinen levyjen etäisyyteen. Tarvittavaan voimaan vaikuttaa lisäksi levyjen välissä oleva aine.
Tarvittavan voiman riippuvuutta väliaineesta kutsutaan viskositeetiksi.
Dynaaminen viskositeetti kuvaa, kuinka suuri voima tarvitaan nesteen tai kaasun kerrosten liikuttamiseksi toisiinsa nähden. [Ns/m^2].
Kinemaattinen viskositeetti kuvaa, kuinka nopeasti fluidi virtaa ottaen huomioon sen tiheyden. Kinemaattista viskositeettia käytetään tutkittaessa virtausnopeuksia ja virtausprofiileja. [m^2/s]
Nesteiden viskositeetin mekanismi perustuu molekyylien väliseen koheesioon. Koska tämä koheesiovoima heikkenee lämpötilan noustessa, useimmat nesteet muuttuvat ”juoksevammiksi” (vähemmän viskooseiksi) lämmetessään. Koska viskositeetti on jännityksen ja venymän suhde (kohdistetun voiman ja sen aiheuttaman nopeuden suhde), se on usein vakio tietylle nesteelle tietyssä lämpötilassa
Kaasujen viskositeetin mekanismi sen sijaan perustuu molekyylien välisiin törmäyksiin. Koska näiden törmäysten taajuus ja voimakkuus kasvavat lämpötilan noustessa, kaasut muuttuvat ”paksummiksi” (viskoosimmiksi) lämmetessään.
Newtoniset ja ei-newtoniset fluidit
Newtoniset ja ei-newtoniset fluidit
Jako Newtonisiin ja ei-newtonisiin fluideihin tehdään sen mukaan onko leikkausjännitys lineaarinen funktio nopeusgradientista.
Newtonisessa fluidissa viskositeetti on vakio. Esimerkiksi kaikki kaasut ja useimmat nesteet, mm. bensiini, vesi jne.
Ei-newtoniset fluidit ei noudata Newtonin lakia, vaan viskositeetti riippuu leikkausnoupeudesta. Esimerkiksi lietteet, maalit, hartsit, elintarvikemateriaalit esim. maissitärkkelys-vesi-seos .
Se, että onko fluidi newtonmainen vai ei-newtonmainen, vaikuttaa esimerkiksi pumppaamiseen. Jos fluidin käyttäytymisessä on piste, jossa sen siirtämiseen tarvitaan iso määrä energiaa, mutta pudottamalla virtausnopeus hieman alemmaksi voidaan säästää prosessin pumppaustehossa voi olla iso taloudellinen merkitys.
Reynoldsin luku
Reynoldsin luku
Viskoosinen virtaus on tila, jossa kitkavoimat hallitsevat liikkuvan nesteen käyttäytymistä, tyypillisesti silloin kun viskositeetti (nesteen sisäinen kitka) on suuri.
Ideaalinen (kitkaton) virtaus taas on tila, jossa liikkuvan nesteen sisäinen kitka on merkityksetön ja neste virtaa vapaasti. Reynoldsin luku on dimensioton suure, joka kuvaa liikkuvan nesteen liikemäärän ja viskositeetin välistä suhdetta, ja se on hyödyllinen mittari arvioitaessa, miten nestevirta käyttäytyy.
Osborne Reynolds(1883) teki kokeita injektoimalla värijuovan lasiputken läpi virtaavaan nesteeseen. Hän huomasi että tietyllä nopeuden, tiheyden, viskositeetin ja putken halkaisijan arvoilla värijuova levisi tasaisesti koko poikkipinta-alalle.
Pienillä virtausnopeuksilla värijuova pysyi selvänä ja erillisenä riippumatta siitä mihin kohtaan virtausta juova injektoitiin.(Laminaarinen virtaus)
Virtausnopeutta nostettaessa juova äkillisesti hajosi värjäten koko nesteen.(Turbulenttinen virtaus)
Toimii myös päinvastoin, eli laskettaessa virtausnopeutta muuttuu takaisin laminaariseksi.
Kokeiden perusteella Reynolds päätteli mitkä suureet vaikuttavat virtauksen käyttäytymiseen ja kehitti näiden perusteella dimensiottoman luvun kuvaamaan virtauksen luonnetta.
Käytännössä virtaus on Reynoldsin luvulla määriteltynä:
Laminaarinen, kun Re< 2100
Virtauksen siirtymäalue, 2100-3200, jossa virtaus voi olla laminaarinen tai turbulenttinen tai vaihdella näiden välillä.
Turbulenttinen Re> 3200
Virtauksen muuttuminen täysin turbulenttiseksi on vaikea ennustaa tarkasti, ja vasta kun Re on noin 10 000 voidaan virtausta pitää varmasti täysin turbulenttisena. Teollisuusprosesseissa putkivirtaukset ovat lähes aina turbulenttisia.
Reynoldsin luvun yhtälö - Kinemaattinen viskositeetti
Reynoldsin luvun yhtälö - Kinemaattinen viskositeetti
Kun viskositeettina käytetään kinemaattista viskositeettia υ (= µ / ρ) , saadaan Reynoldsin luvun yhtälöksi
Jossa,
v on virtausnopeus [m/s],
D on putken halkaisjia [m],
u on kinemaattinen viskositeetti
Virtauksen profiili
Virtauksen profiili
Virtauksen profiili voi olla symmetrinen tai epäsymmetrinen. Virtaukseen syntyvä epäsymmetrisyys voi syntyä putkiston mutkista, liitoksista ja pumpuista.
Reynoldsin lukua voidaan käyttää kvalitatiivisesti ennustamaan, onko virtauksen virtausalue laminaarinen vai turbulenttinen.
Pienet Reynoldsin luvun arvot ennustavat laminaarista (viskoosista) virtausta, jossa nesteen molekyylit liikkuvat suoraviivaisia ”virtaviivoja” pitkin, ja nesteen nopeus putken keskellä on huomattavasti suurempi kuin putken seinämien läheisyydessä.
Suuret Reynoldsin luvun arvot ennustavat turbulenttia (kitkatonta) virtausta, jossa yksittäisten molekyylien liike on mikroskooppisella tasolla kaoottista, ja nesteen nopeudet koko virtausprofiilin poikkipinnalla ovat samankaltaisia.
Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus
Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus
Laminaarisesta virtauksesta puhutaan, kun fluidi virtaa esimerkiksi putkistossa suoraviivaisesti. Ilmastointikanavan hidas ilmavirtaus on monesti laminaarista.
Turbulenttisesta virtauksesta puhutaan, kun virtauksen fluidipartikkelit risteävät tai pyörteilevät toisiinsa nähden. Tämä virtaus profiili on pukistoissa yleisin. Turbulenttisessa virtauksessa tarvitaan enemmän energiaa.
Korostettakoon, että turbulenssi on luonteeltaan mikroskooppista ja sitä esiintyy jopa silloin, kun neste virtaa putkistossa, jossa ei ole esteitä, karheita pintoja tai äkillisiä suunnanmuutoksia. Suurilla Reynoldsin luvun arvoilla turbulenssia yksinkertaisesti esiintyy.
Muita turbulenssin muotoja, kuten pyörteitä ja kiertoliikkeitä, voi esiintyä suurilla Reynoldsin luvuilla, mutta ne johtuvat virtauksen häiriöistä, kuten putken mutkista, T-haaroista, säätöventtiileistä, lämpökaivoista ja muista epäsäännöllisistä pinnoista. Suurilla Reynoldsin luvuilla luonnostaan syntyvä ”mikroturbulenssi” itse asiassa satunnaistaa tällaiset makroskooppiset (suurimittakaavaiset) liikkeet, jos neste virtaa riittävän pitkän suoran putkiosuuden läpi.
Turbulentti virtaus on itse asiassa toivottu tila monissa teollisissa prosesseissa. Kun eri nesteet on sekoitettava keskenään, laminaarinen virtaus on huono asia: vain turbulentti virtaus takaa perusteellisen sekoittumisen. Sama pätee konvektiiviseen lämmönvaihtoon: jotta kaksi nestettä voisi tehokkaasti vaihtaa lämpöenergiaa lämmönvaihtimessa, virtauksen täytyy olla turbulenttia, jotta virtauksen kaikilta alueilta peräisin olevat molekyylit pääsevät kosketuksiin lämmönvaihtimen seinämien kanssa.
Monet virtauksenmittaustyypit edellyttävät tilaa, jota kutsutaan täysin kehittyneeksi turbulentiksi virtaukseksi, jolloin virtausprofiili on suhteellisen tasainen ja ainoa turbulenssi on mikroskooppisella tasolla esiintyvää. Suurimittakaavaiset häiriöt virtauksessa, kuten pyörteet ja kiertoliike, heikentävät monien virtausmittarien mittaustarkkuutta. Tästä syystä tällaiset virtausmittarit vaativat yleensä pitkät osuudet ”suoraa putkea” sekä ylä- että alavirtaan: jotta mikroturbulenssi ehtii satunnaistaa mahdolliset suurimittakaavaiset liikkeet ja homogenisoida nopeusprofiilin.
Virtausmittaus
Virtausmittaus
Virtausmittaus tarkoittaa putkessa tai kanavassa virtaavan nesteen, kaasun tai höyryn virtausnopeuden, tilavuusvirran tai massavirran määrittämistä. Virtaava aine voi olla myös jauhemainen tai rakeinen, jolloin aine on kiinteä.
Virtausnopeus (m/s)
Tarkoitetaan virtauksen etenemisnopeutta. Virtausnopeudesta puhutaan kaasu- tai nestevirtauksista putkessa tai kanavassa.
Tämä kertoo, kuinka nopeasti fluidi virtaa kanavan poikkipinta-alan läpi
Tilavuusvirta (m3/s, l/s)
kertoo virtauskanavan poikkileikkauksen läpi tietyn ajan kuluessa virranneen ainemäärän tilavuuden. Tilavuus määritellään kolmiulotteisena tilana, jonka fluidi täyttää.
Putken poikkipinta-ala A määrä sen, kuinka paljon fluidia mahtuu putken läpi tietyn ajan kuluessa.
Nopeus v kuvaa, kuinka nopeasti neste kulkee putken läpi. Tämän on etäisyys, jonka fluidi kulkee tiettynä aikana.
Matka s=vt kuvaa hiukkasten keskinopeudella ajan t kulkemaa matkaa putkessa tai kanavassa.
Massavirta (kg/s, kg/h, tn/h jne.)
kertoo virtauskanavan poikkileikkuksen läpi tietyn ajan kuluessa virranneen ainemäärän massan.
ρ = virtaavan aineen tiheys [kg/m3]. Tiheys ilmoittaa aineen massan suhteen tilavuuteen.
Tehtävä 3
Erään tehtaan prosessiin on lisätty uusi säiliö annostelun nopeuttamiseksi. Säiliössä raaka-aineena on glyserolia. Glyserolia käytetään lopullisen tuotteen osana, eli glyserolia tankataan annoksina varastointisäiliöstä sekoitussäiliöön reseptin mukaan 500 l. Tankkaus sekoitussäiliöön tapahtuu automaattisesti raaka-ainetyyppi kerrallaan. Uuden annostelun sekvenssille pitää määritellä uusi annosteluajan valvonta, koska putkikoot ei ole vanhemman raaka-ainesäiliön ja sekoitussäiliön välillä saman kokoiset.
a) Määrittele annostelun valvonta-aika, kun putken halkaisija on 40 mm ja virtausnopeus on 1,9 m/s.
b) Jos raaka-aineiden annostelun mittaamiseen käytettäisiin puntaria, paljonko reseptin annoskooksi aseteltaisiin?
c) Etsi jonkin valmistajan turbiinivirtausmittari. Kerää ja esittele mittari ja sen tekniset tiedot sekä minkälaiseen prosessiin mittaus soveltuu. Perustele valitsemasi prosessi, miksi turbiinimittaus sopii juuri tähän mittaukseen? Minkälaisia fysikaalisia ilmiöitä mittaukseen vaikuttaa?
Page updated
Report abuse