Réz vagy műanyag? „T”- idomok hidraulikai analízise

p1030705.jpg
A rézcsővezeték előnye jelentő és nyilvánvaló, a napjainkban elfogadott szemléletet a „T”- idomok ellenállásával kapcsolatosan szükséges átértékelni, főképpen azoknál az épületgépészeti rendszereknél, amelyeknél az idomok okozta nyomásveszteség a hálózat áramlástechnikai ellenállására markáns hatást gyakorol. Gergely Dániel Zoltán, BSc épületgépész mérnök cikke. A cikk teljes verziója PDF-ben letölthető az oldal alján.

Bevezetés

Jelen cikkel elsősorban azt kívánom közölni, hogy a napjainkban felállított szemléletet a „T”- idomok ellenállásával kapcsolatosan szükséges átértékelni, főképpen azoknál az épületgépészeti rendszereknél, amelyeknél az idomok okozta nyomásveszteség a hálózat áramlástechnikai ellenállására markáns hatást gyakorol. A „T”- idomok áramlási ellenállás számításánál több bizonytalanságot tapasztalhatunk a gyártmánykatalógusokban közölt információkat illetően, miszerint manapság az elágazások ellenállás tényezőjének értékét a térfogatáram arányoktól függetlenítik, továbbá a vonatkoztatási sebesség nincs konkretizálva és sok esetben nem áll rendelkezésünkre számszerű adat minden áramlási formához, csak 2-3 típusra van megadva alaki ellenállás tényező (márkafüggő). Különböző nemzetiségű kutatók végeztek méréseket, amelyek körülbelül 100 évvel ezelőtt kezdődtek. A kutatók által vizsgált „T”- idomok közös ismérve, hogy az idom- és a csatlakozó csővezeték hidraulikai átmérője megegyezik. Jelen cikkben az ezekkel kapcsolatos bizonytalanságokra kívánok választ adni annak érdekében, hogy a gyakorló mérnök a jövőben a „T”- idomok áramlási ellenállás kalkulálása során ne ütközzön a leírt nehézségekbe. A kutatásom és ezzel együtt értelemszerűen a cikk is 90°-os szöget bezáró, éles kiképzésű egál „T”- idomokra összpontosul.

A „T”- idomok alaki ellenállását befolyásoló tényezők
Áramlási formák

Elágazásoknál alapvetően 6 darab áramlási irányt különböztetünk meg, amelyekhez különböző alaki ellenállás tényezők tartoznak. A „T”- idomokban lévő lehetséges áramlásokat mutatja az 1. táblázat.

t_idom_hidraulika_1_tablazat.jpg
1. táblázat: Elágazásokban lévő áramlási formák

A táblázatban szerepelnek azok a fix értékek, amelyeket megszokhattunk az épületgépészeti gyakorlat során. Könnyen belátható az a tény, hogy ezekkel az értékekkel való kalkulálással csak közelítő eredményeket kapunk, hiszen a ζ- érték fix, független a térfogatáram- és az egyes ágak keresztmetszet arányaitól és az idom kialakításától. Ezek a tájékoztató jellegű értékek olyan csővezeték technológiákra érvényesek, amelyeknél a csővezeték- és az idom hidraulikai átmérője megegyezik. A műanyag technológiájú csöveket gyártó cégek prospektusaiban található értékek nagy terjedelmük végett nem kerülnek ismertetésre, azonban annyit megemlítek, hogy az értékeket az átmérő függvényében közlik a gyártók. Ennek az az oka, hogy az idom csatlakozásánál a keresztmetszet változás nagysága az átmérővel változik, ebből következően az alaki ellenállás tényező is más és más. Ez a Borda- Carnot veszteséggel magyarázható.

Anyag- és geometriai jellemzők

Az egyik fontos megállapítás, hogy az elágazások veszteségtényezői egál idomok esetén függetlenek a keresztmetszettől. A kutatók eddigi mérései túlnyomórészt olyan idomokra érvényesek, amelyeknél az irányváltozásnál lévő kiképzések éles (sarkos) jellegűek, továbbá kizárólag olyan elágazásokra igazak, amelyeknél nincs keresztmetszet változás az idom- és a csatlakozó csővezeték között. Manapság a széles körben elterjedt műanyag csővezeték technológiákhoz tartozó idomok egyik, illetve főbb geometriai ismérve, hogy a csatlakozásoknál keresztmetszet változás lép fel. A hirtelen keresztmetszet változásból adódó ellenállást Borda- Carnot veszteségnek hívjuk. Tehát a kutatás aktualitása abból adódik, hogy azoknál az idomoknál, amelyeknél hirtelen keresztmetszet változás van a csatlakozásnál, olyan jellegű fix értékek vannak közölve, amelyek a térfogatáram arányoktól függetlenek, viszont az átmérőtől nem. A térfogatáram arányok figyelmen kívül hagyása miatt a közölt értékek megkérdőjelezendőek. A következőkben közölt hirtelen keresztmetszet változásokra vonatkozó számításokat igen jó közelítéssel alkalmazhatjuk olyan idomok esetén is, amelyeknél az átmenet kúpos jellegű.

Hirtelen keresztmetszet bővülés és szűkítés

km_bovules_hidr.jpg
1. ábra: Hirtelen keresztmetszet bővítés
km_szukules_hidr.jpg
2. ábra: Hirtelen keresztmetszet szűkítés

Az 1. ábrán láthatjuk, hogyan áramlik a közeg hirtelen keresztmetszet bővítésű csőcsatlakozásnál. A nagyobb keresztmetszetben kialakuló gomolygó folyadékrészecskék okozzák a veszteséget. 

A 2. ábrán láthatjuk, hogyan áramlik a közeg a hirtelen keresztmetszet szűkítésű idomok esetén. Itt a keresztmetszet változás előtt- és után is kialakul a Kármán- féle örvénysor. Az  keresztmetszet környékén vena contracta (folyadéksugár legkisebb keresztmetszete) figyelhető meg, amelyet - átmérő jellemez. 

Alapképlet

Az elágazások okozta nyomásveszteséget (esetenként nyomásnyereséget) megkapjuk, ha a dinamikus nyomást megszorozzuk az alaki ellenállás tényezővel, tehát

alapkeplet.jpg

 

 

Fontos, hogy a képletekben szereplő áramlási sebesség mindig a részáramra vonatkozik és ebből adódóan a kapott nyomásesést az ahhoz tartozó szakasz ellenállásához szükséges hozzáadni!

 „T”- idomok analízise - Saját fejlesztésű mérőkör

Annak érdekében, hogy a különböző technológiájú „T”- idomokra meghatározható legyen az alaki ellenállás tényező, édesapámmal közösen kifejlesztettük- és megépítettünk egy mérőkört. A berendezést úgy terveztük meg, hogy a megfelelő golyóscsapok nyitásával- zárásával a kívánt áramlási irányok szimulálhatóak legyenek.

merokor.jpg

3. ábra Mérőkör

vizsgalt_idomok.jpg
4. ábra Vizsgált idomok

Eredmények

3 típusú egál „T”- idom került mérésre (4.ábra), nevezetesen: 

  • kapillárisan forrasztható réz,
  • toldóhüvelyes csatlakozású műanyag,
  • press csatlakozású műanyag.

Mindegyikre igaz az, hogy:

  • a csatlakozó csővezeték hidraulikai átmérője 16 mm,
  • az irányváltozásoknál lévő kiképzés éles, sarkos,
  • az idomok hossza közel megegyezik (réz esetében megfelelő hosszúságú csőhosszak lettek forrasztva).

Az idomokat jellemeztem egy  arányszámmal. Az idomok hidraulikai átmérőjét a gyártók nem adják meg, így azokat tolómérő segítségével mértem meg. Egy idom esetében az eredményt 90 mérési sorozat átlaga adta (egy keresztmetszet esetén 30 mérési sorozat). 

1.jpg
Átáramlás az áramlás egyesítésénél
2.jpg

Áramlás egyesítése

 

6.jpg
Ellenirányú áramlás az áramlás szétválasztásánál
4.jpg
Áramlás szétválasztása

 

További diagramok az oldal alján lévő PDF-ben

Konklúzió

Az elágazásokkal kapcsolatos mérések majd 100 évre nyúlnak vissza. Elmondható, hogy ez idő alatt nagyon sokfajta „T- idom került kifejlesztésre, gyártásra. A kutatók eddigi eredményei olyan idomokra érvényesek, amelyeknél az idom- és a csatlakozandó csővezeték hidraulikai átmérője megegyezik. Bár itt az eddigi kutatók által felállított kísérleti eredmények nem kerültek ismertetésre, annyit fontosnak vélek megemlíteni, hogy azok között adódik némi eltérés, esetenként nagyobb mértékű is. Az áramlás egyesítésénél másoknál jelentkezett az injektor hatás, ami negatív nyomáskülönbséget, ebből következően negatív alaki ellenállás tényezőt eredményezett. Ez a Bernoulli összeggel magyarázható, vagyis a dinamikus nyomás csökkenésével a statikus nyomás nő. Ez a jelenség egy bizonyos térfogatáram arány intervallumon belül mutatkozott. Az általam mért idomok egyikénél sem tapasztaltam statikus nyomásnövekedést az áramlás egyesítése esetén, azonban a réz idomoknál az ellenirányú áramlás az áramlásszétválasztásánál igen.  Gyártmányspecifikussági okokból az adott elágazásnak a gyártónak szükséges megadnia a „T”- idomnak az alaki ellenállás tényezőjét a térfogatáram arány függvényében. Az általam felállított egyenletekkel igen jó közelítéssel határozható meg bármely egál „T”- idom alaki ellenállás tényezője, amennyiben a csővezeték- és az idom arányszáma ismert. Az eredmények alapján elmondható, hogy a keresztmetszet változás- és a térfogatáram arány nagy hatást gyakorol az idomok alaki ellenállás tényezőjére.

Share >