WPŁYW POWŁOKI POWIERZCHNI WEWNĘTRZNEJ RUR PRZEWODOWYCH NA EKSPLOATACJĘ RUROCIĄGU. Przygotował: Dr inż. Marian Mikoś

Transkrypt

1 WPŁYW POWŁOKI POWIERZCHNI WEWNĘTRZNEJ RUR PRZEWODOWYCH NA EKSPLOATACJĘ RUROCIĄGU Przygotował: Dr inż. Marian Mikoś Kocierz, 3-5 wrzesień 008

2 Wstęp Przedmiotem opracowania jest wykazanie, w jakim stopniu zmiana geometrii wewnętrznej powierzchni przewodów przeznaczonych do transportu płynów, wywołana zastosowaniem powłoki wewnętrznej, wpływa na wielkość hydraulicznych strat energii.

3 Wprowadzenie Stopień dyssypacji energii został określony na drodze półempirycznej, tzn. w oparciu o zalecane i najczęściej stosowane metody obliczeniowe przy wykorzystaniu informacji uzyskanych w wyniku eksperymentalnego określenia stanu powierzchni wewnętrznej przewodu rurowego.

4 Pozytywne efekty stosowania wewnętrznych powłok powierzchni przewodu : I. Korzyści eksploatacyjne: dodatkowe zabezpieczenie antykorozyjne, powodujące wydłużenie okresu eksploatacji rury, czyli zwiększenie jej trwałości zmniejszenie (wyeliminowanie) obecności zanieczyszczeń stałych (rdza, zgorzel) w strumieniu płynu II. Korzyści ekonomiczne: polegające na obniżeniu energochłonności procesu przesyłu płynów w rurociągach

5 Straty energii wywołane transportem płynów Dla ustalonego, bezwirowego przepływu płynu doskonałego w polu sił grawitacyjnych równanie Bernoulliego, reprezentujące zasadę zachowania energii, przyjmuje postać: c dp gz const gdzie: c- prędkość płynu, p- ciśnienie, ρ- gęstość, z- wysokość położenia, g- przyspieszenie grawitacyjne.

6 Zakładając stałą wartość gęstości płynu, równanie Bernoulliego przyjmuje postać z g p g c z g p g c Stan energetyczny płynu lepkiego (rzeczywistego) określa wówczas nierówność: z g p g c z g p g c

7 dla całego strumienia c g śr p g z c g śr p g z gdzie α, α - zależne od profilu prędkości współczynniki Coriolisa, obliczane jako stosunek sumy energii kinetycznych strug elementarnych do średniej energii kinetycznej strumienia F c c 3 3 śr df F

8 W celu przeprowadzenia obliczeń strat energii przedstawione nierówności zastępuje się półempirycznymi równaniami, które zazwyczaj nazywane są równaniami Bernoulliego dla płynów lepkich. Przykładowo, dla płynów nieściśliwych, równanie takie przyjmuje postać c g śr p g z c g śr p g z h gdzie: Δh - - wysokość strat energii (ciśnienia) na określonej drodze transportu płynu

9 Podstawową przyczyną dyssypacji energii płynu znajdującego się w ruchu jest jego lepkość, definiowana zazwyczaj jako zdolność do przenoszenia naprężeń stycznych, pojawiających się w ruchomym obszarze płynu. Straty energii (ciśnienia) mają więc charakter dynamiczny, co oznacza, że są proporcjonalne do kwadratu prędkości średniej strumienia płynu E str A c gdzie: c oznacza prędkość średnią, zaś A jest współczynnikiem proporcjonalności. Na jego wartość składają się wielkości charakteryzujące proces transportu płynu, czyli: -cechy płynu (gęstość, lepkość) -cechy przewodu ( kształt, wymiary, stan powierzchni opływanej).

10 Straty energii (ciśnienia) stanowią zatem sumę dwóch rodzajów strat: strat lokalnych (miejscowych) spowodowanych zmianą kierunku przepływu oraz zmianą przekroju przepływowego, strat tarcia (strat rozłożonych).

11 Straty tarcia Dla odcinka prostego przewodu o niezmienionym przekroju Straty oblicza się ze wzoru Darcy- Weisbacha p t l d c gdzie: λ- współczynnik tarcia zależny od: - stanu powierzchni opływanej - rodzaju (charakteru) przepływu.

12 Stan powierzchni wewnętrznej określany jest zazwyczaj za pomocą tzw. względnej chropowatości, czyli stosunku liniowej wysokości nierówności powierzchni k opływanej do średnicy przewodu d

13 Rodzaje przepływów Rodzaj przepływu określany jest liczbą Reynoldsa, stanowiącą kryterium podobieństwa dynamicznego przepływów płynów lepkich. Re P P b... c gdzie: P b - siła bezwładności, P ν - siła lepkości, c śr - prędkość średnia, d h -średnica hydrauliczna, ν- kinematyczny współczynnik lepkości Średnica hydrauliczna: śr d h d h F B Przy czym F - przekrój czynny B - obwód zwilżony

14 Współczynnik tarcia λ Wartość współczynnika tarcia λ w sposób decydujący wpływa na wysokość strat energetycznych wywołanych transportem płynów. Badania prowadzone pod kątem określenia zależności współczynnika strat λ od rodzaju przepływu i stanu powierzchni opływanej prowadzono dla: przewodów gładkich, przewodów z chropowatością piaskową, przewodów o chropowatości rzeczywistej (naturalnej).

15 Przez przewody gładkie w sensie hydraulicznym rozumie się te przewody, w których grubość podwarstwy laminarnej jest większa od wysokości nierówności k. Współczynnik tarcia λ określany jest w przepływach laminarnych przy pomocy wzoru Hagen-Poiseuill a 64 Re Dla turbulentnych przepływów przez rury hydraulicznie gładkie współczynnik ten określa wzór Kármána,03lg Re 0,9

16 Do obliczenia współczynnika oporu przewodów z chropowatością piaskową służy wzór Nikuradse,4 lg gdzie k s d oznacza względną chropowatość piaskową

17 Graficzną ilustrację tej zależności stanowi często stosowany wykres Nikuradse

18 Zależność współczynnika strat przepływu w prostej rurze o przekroju kołowym od chropowatości względnej i liczby Reynoldsa

19 Chropowatość naturalna, w odróżnieniu od chropowatości piaskowej wytworzonej sztucznie, jest nierównomierna, a ponadto ulega ona zazwyczaj zmianom w okresie eksploatacji przewodu wskutek korozji, osadów lub ścierania ścianek ciałami stałymi zawartymi w strumieniu płynu. Do wyznaczenia współczynnika tarcia λ w tym obszarze, jak również w całym obszarze przepływów turbulentnych stosowany jest półempiryczny wzór Colebrooka i White a lg,5 Re k 3,7d

20 Praktycznie takie same wyniki można uzyskać, korzystając z wykresu Moody

21 Badania eksperymentalne Przedmiotem pomiarów były trzy próbki rur przewodowych o średnicy ø 4 mm, różniące się stanem powierzchni wewnętrznej.

22 Próbki o powierzchni: skorodowanej piaskowanej powlekanej

23 Pomiary zostały wykonane zgodnie normą PN-EN ISO 487 za pomocą przyrządu HOMMEL TESTER T 000. Szczegółowe zestawienie wyników pomiarów Nr próbki Wielkość mierzona Pomiar [μm] Uwagi PRÓBKA PRÓBKA PRÓBKA 3 R z 65,95 87,60 83,5 R q 6,54 7,89 7, R a 3,08 4,70 4,55 R z 4,4 50,67 30,4 R q 8,8 8,45 6,59 R a 7,05 6,35 5,4 R z,0 4,34 4,35 R q,4,75,89 R a,95,6,3 Powierzchnia skorodowana Powierzchnia piaskowana Powierzchnia powlekana

24 Zasadniczy dowód na korzystny efekt procesu pokrywania wewnętrznej powierzchni rur powłoką epoksydową stanowi zestawienie wartości maksymalnych amplitud nierówności powierzchni R z próbek nr oraz nr 3: Nr próbki R z [μm] 3 R zśr [μm] Stan powierzchni Próbka 65,95 87,60 83,5 78,93 Powierzchnia niepowlekana Próbka 3,00 4,34 4,35 3,3 Powierzchnia powlekana

25 Energetyczny efekt powlekania wewnętrznej powierzchni rur przewodowych powłoką epoksydową średnie wartości względnej chropowatości, wynoszą odpowiednio: dla rury niepowlekanej k e d dla rury powlekanej k e d 78, , ,0007 0,000

26 Wartości współczynnika tarcia można wyznaczyć przy pomocy wzoru Colebrooka- White a: lg,5 Re e 3,7

27 Do przewodów o chropowatości technicznej (naturalnej) stosowane są formuły łatwiejsze o zbliżonej dokładności obliczeń. Do bardziej znanych można zaliczyć: wzór Moody 0, k s d 6 0 Re 3 wzór Waldena log 6, Re 0,9 k 0,68 s d

28

29 Przykładowo, dla obliczonych względnych chropowatości e rury niepowlekanej oraz rury pokrytej powłoką epoksydową wartości współczynnika tarcia (dla wybranych wartości liczby Reynoldsa) wynoszą: R e = λ = 0,030 0,05 0,080 0,080 λ p = 0,0305 0,080 0,030 0,00 p p,05,0,40,50 0,95 0,83 0,7 0,67

30 Stratę energii wywołaną transportem płynów lepkich można określić zależnością E p V gdzie: V -strumień objętości (objętościowe natężenie przepływu) oraz p l d c

31 A zatem obniżenie zużycia energii w wyniku stosowania powłoki wewnętrznej powierzchni rur jest proporcjonalne do współczynnika tarcia: E E p p co oznacza, że powlekanie powierzchni wewnętrznych rur przewodowych spowoduje znaczące obniżenie strat wywołanych transportem, w omawianym przypadku w granicach (0-35)%

32 Wnioski Dodatkowy zabieg technologiczny, polegający na powlekaniu wewnętrznej powierzchni rur powoduje, że wartość współczynnika tarcia ulega znaczącemu obniżeniu Przedstawiona analiza efektów energetycznych zastosowania powłok wewnętrznych w przewodach służących do transportu płynów technicznych wskazuje na celowość upowszechniania tego typu technologii produkcyjnych oraz na stosowanie tak wytworzonych przewodów Uzyskanie bardziej precyzyjnych informacji n.t. celowości stosowania powłok wewnętrznych wymaga przeprowadzenia szeroko zakrojonych badań na obiektach technicznych w dłuższej perspektywie czasowej

33 Literatura. Bębenek B., Bębenek H.: Straty energii w przepływach płynów. Politechnika Krakowska, Kraków.. Gryboś R.: Mechanika płynów z hydrauliką. Politechnika Śląska, Gliwce. 3. Walden H.: Mechanika płynów, WNT Warszawa. 4. Wacławik J.: Mechanika płynów i termodynamika, Wydawnictwa AGH, Kraków. 5. Jędral W.: Pompy wirowe, PWN Warszawa. 6. Troskolański A. T.: Hydromechanika, PWT Warszawa. 7. Prandtl L.: Dynamika przepływów, PWN Warszawa

34 Dziękuję za uwagę