SCHMIEDING ARMATURY CZ, s.r.o. Kavitace v uzavřených trubních systémech. Manhardt Lindel / ERHARD-Armaturen

Transkript

1 SCHMIEDING ARMATURY CZ, s.r.o. Kavitace v uzavřených trubních systémech Manhardt Lindel / ERHARD-Armaturen

2 Co je kavitace? Kavitace je označení pro fyzikální proces, který se může vyskytnout u kapalných médií a může působit velmi nepříznivě na strojní zařízení a jejich komponenty. Tento proces probíhá ve dvou stupních: 1. stupeň: Přechod fáze z tekutého do parního stavu. 2. stupeň: Přechod z fáze páry do stavu tekutého. kapalina pára kapalina

3 Kde se kavitace vyskytuje? Kavitace se vyskytuje u všech médií, u kterých je možná fázová přeměna z tekuté formy skupenství do parního skupenství. Kavitace může vznikat také z důvodu velké změny rychlosti média. Příklady: Pohyblivé díly: lopatky turbín oběžné kola čerpadel lodní šroub Nepohyblivé díly: skokové/náhlé zúžení průtočného profilu regulace clonou případy regulace u armatur V této přednášce se budeme orientovat na případy regulace u armatur. Tyto případy jsou přenosné přímo na ostatní popsané případy.

4 Jak dochází ke kavitaci? Kapalné médium se začne vypařovat, když molekuly nemají dostatek energie držet pohromadě. Molekuly se od sebe uvolní. Tvoří se parní bubliny. V následujícím bude tento proces vysvětlen na médiu vody.

5 Kdy se vypařuje voda? Přechod mezi fází kapalnou do fáze plynné (pára). Skupenství je závislé na dvou parametrech: teplotě a tlaku Vzájemný vztah je patrný z křivky tlaku nasycené vodní páry Tlak [bar] křivka tlaku nasycené vodní páry tekutina pára Teplota [ C]

6 Kdy se vypařuje voda? Při atmosférickém tlaku (1 bar) se začne voda odpařovat při 100 C. Při poklesu tlaku, začne proces odpařování při nízkých teplotách. Příklad: Při tlaku 0,02 bar se začne odpařovat voda při teplotě 18 C. Tlak - bar 10,00 1,00 0,10 0,01 Křivka tlaku nasycené vodní páry kapalina Teplota [ C] pára

7 Proč se může tlak par poklesnout? Proudící voda v potrubí je pod tlakem, který je dán výkonem čerpadla nebo geodetickou výškou/převýšením (vodojemem) a je daleko větší než tlak páry. Pro vysvětlení, aby poklesl na regulačních místech armatury tlak pod hodnotu tlaku vodní páry, musí se brát v úvahu bilance energie proudění.

8 Obsah energie proudícího média. Celková energie proudícího média se společně skládá hlavně z následujících jednotlivých částí: Suma těchto jednotlivých forem energie je konstantní. + Potenciální energie Tlaková energie Rychlostní energie Ztrátová energie Σ konstanta

9 Průběh energie v zařízení V zásobní nádrži je stávající/k dispozici celková statická energie proudění uložena jako potenciální energie. Vodojem Tato poskytnutá potenciální energie se při proudění ve vodorovném potrubí přemění v: rychlostní energii tlakovou energii ztrátovou energii Potenciální energie Tlaková energie Rychlostní energie Ztrátová energie

10 Průběh energie v regulačním bodu Na základě zúžení profilu proudění v regulačním místě se zvyšuje rychlost a tím také příslušná rychlostní energie. vena contracta Také podíl ztrát se na základě regulace zvyšuje. V nejužším místě se zmenšuje zbývající tlaková energie kvůli konstantnosti celkové energie a tím se snižuje místní tlak. Tlaková energie Rychlostní energie Ztrátová energie

11 Průběh energie v regulačním bodu Pokud tlak média poklesne v tomto bodu pod hodnotu tlaku vodní páry, dochází k vypařování. Tlaková energie Ztrátová energie Tvoří se parní bublinky,... Rychlostní energie... které se s přibývajícím tlakem deformují... a nakonec implodují.

12 Imploze parních bublin Imploze parních bublinek probíhá směrovaně, a je závislá na tlakových poměrech: Ve středu potrubí Směr proudění Plně vytvořené parní bublinky Zploštění a vytlačení Imploze Mikročásti Na stěně potrubí Směr proudění

13 Imploze parních bublin Parní bublina obklopena vodou se během zlomků sekundy při přechodu ze skupenství kapalného do skupenství plynného prudce zhroutí (imploduje). Tím vznikající mikročástice zasáhne stěnu těla armatury nebo stěnu potrubí velmi vysokou rychlostí (v>1000 m/s) čímž vznikne tlaková špička až bar, která odnáší v okolí molekul materiál.

14 Kdy dojde ke kavitaci? Vznik kavitace podstatně ovlivňuje: velké tlakové rozdíly malý protitlak vysoké rychlosti proudění

15 Jak může být zabráněno kavitaci? Zde platí následující opatření: Při projektování technologických zařízení by mělo být pravidlem dávat zařízení co možná nejdále od místa možnosti vzniku kavitace. Pokud to není možné, lze výběrem vhodné regulační armatury zabezpečit jejich spolehlivý provoz. - šoupata a klapky používat jen jako plně otevřené nebo uzavřené!!!!! Doporučení : - plunžrové ventily jsou regulační armatury,musejí být ale správně navrženy podle konkrétních provozních podmínek - - při extrémních provozních podmínkách, které nejsou řešitelné speciálními regulačními armaturami, musí být regulace buď ve stupňovém provedení (clona proti zpětnému tlaku) nebo regulační místo musí být provzdušňováno - neupřednostňovat prvotní investiční úsporu před následnými náklady na odstranění škod vzniklých kavitací - opakované školení pracovníků provozu

16 Jaké jsou následky kavitace? Následky: hlasitý, rachotivý hluk. velké vibrace. opotřebení/odnášení/abraze materiálu (poruchy armatur způsobené kavitací).

17 Typické poškození uzavírací klapky kavitací Porucha způsobená vlivem kavitace na uzavírací klapce. Provozní podmínky: vstupní tlak 1,2 1,4 bar proti tlak: 0,1 bar rychlost proudění 2,2 m/s (vztaženo na DN) Doba použití klapky 2 roky úhel otevření uzavíracího talíře cca30

18 Typické poškození uzavíracího šoupěte kavitací Poškození kavitací na uzavíracím šoupátku. Šoupě nebylo nikdy plně uzavřeno, takže ve vzniklé štěrbině došlo k tak vysoké rychlosti proudění, že za 3 měsíce bylo tělo šoupěte poškozeno tak, jak je patrné na obrázku.

19 Typické poškození kavitací Poškození kavitací na rohovém ventilu. Ventil sloužil k plnění vodojemu. Na výtoku z ventilu bylo nesprávně připojeno potrubí, které se bylo ponořeno pod hladinu vody. Tím vznikla kavitace v místě regulace, což vedlo k poškození armatury viz obrázek.

20 Typické poškození kavitací Porucha způsobená kavitací na pístu plunžrového ventilu. Při špatném technickém návrhu může kavitace poškodit i regulační armatury, tak jak je zobrazeno na obrázku.

21 Premium pístový ventil Optimalizovaná spolehlivá funkce Minimální regulace bez kritické prstencové štěrbiny Dokonalá regulace od 4 % stupni otevření Lineární rozsah regulace Robusní - klikový mechanismus zajištující maximální provozní bezpečnost Těžká protikorozní ochrana dle GSK Dlouhá životnost

22 DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST Zdeněk Kmínek, MBA SCHMIEDING ARMATURY CZ, s.r.o.