FLUIDFLOW

FLUIDFLOW UŽÍVATEĽSKÉ ROZHRANIE

FluidFlow3 je výpočtový program určený pre izotermické a neizometrické výpočty prietokového odporu, optimálneho priemeru, kapacity, teplotného gradientu pozdĺž rozvetveného a nerozvetveného potrubia, výber z kompresorových zariadení, s prihliadnutím na geometrické charakteristiky potrubnej siete, charakteristiky rúr a ich izolácie, montáž širokej škály voliteľného príslušenstva, tepelné vlastnosti prepravovaných kvapalín a plynov, teploty okolia. Potrubný systém FluidFlow3 môže byť použitý v projektovaní, vo výstavbe a rekonštrukcii, rovnako ako pri analýze a identifikácii nedostatkov existujúcich zariadení a vodovodov, potrubia v chemickom, petrochemickom, ropnom, plynovom a v rade ďalších odvetví.
Používateľské rozhranie programu viď. Obrázok 1 sa skladá z nasledujúcich častí:

1. Nastavenie programu – slúži od vytvorenia nového projektu až po nastavení databázy, vytvorenia nových prvkov, výpočty, nastavenia užívateľom stanovených jednotiek a iné.
2. Paleta prvkov – Paleta prvkov obsahuje široké spektrum variabilných prvkov potrubného systému a slúži na vkladanie týchto prvkov do projektu, ako napr. potrubia, nádoby a nádrže, prípojky, ventily, ovládacie prvky, výmenníky tepla, odpory, redukcie priemeru potrubia.
3. Panel s nástrojmi – Umožňuje užívateľovi vykonávať základné úkony na projekte ako výber položiek, viacnásobný výber, vypnutie a zapnutie zvolených zobrazení na projekte (ako sú výstrahy, popisy prvkov a potrubí), vkladanie textu, zmenšovanie a iné.
4. Paleta s údajmi – Na tejto palete má užívateľ možnosť nastavovať jednotlivé prvky v systéme cez vstupné údaje (input) a po výpočte sa zobrazia požadované výsledky (možnosť položiek vo výsledkovom liste sa dá zmeniť v nastavení programu alebo po stlačení klávesy F8). Okrem toho paleta oboznamuje užívateľa o chybách ktoré vznikli pri výpočte v danom projekte a takisto umožňuje zobrazovanie grafov jednotlivých prvkov systéme.

• 

FLUIDFLOW MODULY A ICH POPIS

LIQUID MODULE CALCULATION
Sa používa na presné návrhy a analýzy prietokov kvapalín cez široké spektrum priemyselných odvetví.

• Rýchle a presné výpočty pre Newtonovské kvapaliny (viskozita týchto látok nezávisí na väzkom napätí – je nemenná nízkomolekulárne látky)
• Výpočty (modelovanie) straty trením v potrubí s rozšírenými databázami a komponentami v programe ako čerpadlá ventily, redukčné prvky a iné
• Stanovenie pracovného tlaku v systéme, distribučný tok média, nastavenia ventila cez menovitý prietok kv – objemový prietok vody v m3.h-1, ktorý pretečie regulačným ventilom za referenčných podmienok 1 bar a teplote 288,15K (15°C) a percentuálne zdvihnutou kuželkou – otvorením ventila
• Zabudovaná technológia automatického nastavovania veľkostí potrubia, čerpadiel, redukčných clôn a bezpečnostných ventilov umožňuje rýchle a presné vloženie potrebných komponentov do systému
  Možnosti využitia:
• Chladenie vodou / chladiacimi látkami (s chillerom)
• Kryogenika
• Odvodňovanie baní
• Výroba chemických produktov

GAS MODULE AND COMPRESSIBLE FLOW
Umožňuje používateľom vykonávať návrh a analýzu zložitých plynových systémov. Ponúka špecifické možnosti pre výpočet plynu stavovými rovnicami (teplota, tlak, hmotnosť), ktoré sú presné pri nízkych alebo aj vysokých rýchlostiach prúdenia v potrubnom systéme.

• Modul má takisto zabudovanú samo detekciu škrtenia prietoku na jednotlivých miestach potrubnej siete.
• Vytvorenie špecifickej plynnej zmesi miešaním jednotlivých plynov, ktoré ponúka samotná datábaza programu.
• Prietok plynov je vo fluidflow charakterizovaný pri NTP a STP a reálnych podmienkach. Pričom NTP 20 °C a 101 325 Pa, STP je 0 °C a 101 325 Pa a reálne sú podmienky zadané.
  Na výpočet toku nestlačiteľnej Newtonovskej tekutiny v potrubí sa straty trením počítajú Darcy-Weisbachovým vzťahom ΔPtrením = 0,5.fD.L.ρ.v2/D. Pre tok stlačiteľných látok (plyny a pary) v potrubí nie je možné použiť tento vzťah pretože rýchlosť aj hustota sa mení s tokom pozdĺž potrubia. Pre prietok plynu nie je trecia strata nikdy rovná celkovým stratám, pretože rýchlosti a hustoty na vstupe a výstupe sú vždy odlišné. Častý prístup uvádzaný v literatúre je usudzovať a použiť podmienky pre ideálny plyn a to tak že je z nich možné vyvodiť analytické rovnice. Keďže v reálnych podmienkach nie je možné zjednodušovať takouto metódou postup výpočtu Fluidflow používa postup, ktorým sa vyrieši zákon zachovania (conservation equation) spolu so stavovou rovnicou pre malé nárastky potrubia (pipe increments). Znamená to, že nemôžeme dosiahnuť analytické vyjadrenie pre stratu trením v potrubí. Na lepšie pochopenie slúži nasledujúcu popis:

1. Prírastok potrubia je zvolený na základe malej zmeny v kvapaline v závislosti od hustoty ρ1 a ρ2
2. Nasledujúce predbežné (upstream) vlastnosti sú vypočítané:
   -Rýchlosť v1 = G/ρ1
   -Statický tlak P1
   -Statická teplota T1 = T01 – 0,5.v12/Cp1
   -Predbežná ustálená entalpia sa získa zo stavovej rovnice, poznaním predbežnej ustálenej (stagnačnej) teploty T0 a tlaku p0
3. Výsledná (downstream) stagnačná entalpia je vypočítaná (prenos tepla je zahrnutý v tejto fáze). Z vypočítanej stagnačnej entalpie je vypočítaná výsledná statická teplota T2
4. Z teploty T2 a hustoty ρ2 je znova prepočítaná stavová rovnica aby sa získal výsledný statický tlak p2. Fluidflow môže použiť Peng Robinson, Benedict Webb Rubin alebo Lee Kesler stavové rovnice na tento výpočet.
5. Prírastok v rovnici zachovania energie je použitý na výpočet dĺžky daného segmentu potrubia nasledovne:
   ΔLsegment = (p1 – p1 – 2.D.ρAv.G2/(1/ρ1 – 1/ρ2)) / (fD.G2)
6. Kroky 1 – 5 sa opakujú dovtedy dokým sa nedosiahne koniec potrubia.

Korekcie viskozity:
Pri čerpaní Newtonovskej kvapaliny s viskozitou vyššou ako má voda, je nutné upraviť výkon čerpadla. Skúška čerpadla a výkonnostné dáta sú vždy založené na čistej vode. Účinky zvyšujúcej sa viskozity sa značne prejavujú a pri kvapaline s viskozitou 100 cP sa dopravná výška a tok výrazne znižujú, ale najväčší účinok sa prejavuje na účinnosti čerpadla, ktorý môže poklesnúť aj o viac ako 50%. Má to najväčší dopad na veľkosti motora a napájanie čerpadla. 1 cP (Poiseeiulle) dynamická viskozita =
1 mPa.s = 0,001 Pa.s-1 = 0,001 kg.m-1.s-1 – ak je kvapalina vložená medzi dve dosky s dĺžkou 1 meter a jedna doska sa pohybuje do strany (boku) so šmykovým napätím 1 Pa a rýchlosťou x m.s-1, tak má viskozitu 1/x Pa.s-1. Voda pri 20°C = 1,002 mPa.s a motorový olej 250 mPa.s.
Tlaková strata v rotačnom kolese a difúzorovom kanáli odstredivých čerpadiel, trenie obežného kolesa a vnútorné straty závisia do značnej miery od viskozity. Z toho dôsledku charakteristiky čerpadiel odvodené pre vodu strácajú svoj význam pri čerpaní olejov alebo iných kvapalín s odlišnými viskozitami. Čím je teda vyššia viskozita kvapalina v porovnaní s vodou, tým vyššia je strata dopraveného množstva, menšia dopravná výška čerpadla s pôvodným príkonom čerpadla. Z tohto hľadiska sa najúčinnejším riešením uvádza zníženie pretečeného množstva a zvýšenie príkonu pre čerpadlo, oproti použitiu čerpadla s vodou.
Pre zmenu charakteristiky čerpadla pre kvapaliny s odlišnou viskozitou sa upravené hodnoty aplikujú na krivku vody. Metóda korekcie sa stanoví podľa normy udávanej knihou Standards of the Hydraulics Institute, New York, USA, 14th Edition 1983. Fluidflow zahŕňa túto korekciu pod nastavením v nastaveniach/výpočty/všeobecné nastavenia. Treba ale poznamenať, že túto korekciu je možné aplikovať len na konci sania odstredivého čerpadla a nesmie sa použiť ak sa jedná o čerpanie neNewtonovskej kvapaliny alebo nesedimentačnej kvapaliny.
Možnosti využitia:

• Parné distribučné systémy
• Systémy na zberanie plynu a jeho distribúciu
• Systémy so zemným plynom
• Systémy so spalinami
• Tlakové systémy a potrubia

TWO-PHASE LIQUID AND GAS FLOW
Výpočet trecích tlakových strát v dvojfázovom prúdení tekutina-plyn je zložitý. Dvojfázový tok média komplikujú teoretické a empirické prístupy ktoré sú k dispozícií, to znamená že kompletné analytické riešenie nie je možné. Po 60 rokoch rozsiahleho výskumu je zložité nájsť dve korelácie s rovnakými predpoveďami. V snahe prekonať tieto nedostatky ponúka fluidflow 8 týchto korelácií, ktorá sa ukázali ako najúspešnejšie v riešení problematiky.

Fluidflow sníma kvalitu fáz v celom rozsahu navrhnutého potrubného systému a vytvára vzor prúdenia v jednotlivých segmentoch potrubnej siete. Prúdenie vzniká ak sa pri prúdení kvapaliny dostávame do oblastí pod tlak nasýtených pár a zo stlačiteľnej kvapaliny sa začne stávať plyn. Druhou možnosťou je že plyny alebo pary začínajú kondenzovať a nastáva dvojfázové prúdenie, ktoré je vo výsledkoch charakterizované stupňom fáz na začiatku a na konci určitého úseku.

• Zahŕňa 8 korelačných dvojfázových metodík (Whalley, Drift flux, Friedel a iné)
• Automaticky sleduje kvapalnú fázu prúdiacu cez systém, vykonáva okamžité prepočty, ako pokles kvapaliny v systéme s následným zobrazením vzoru prúdenia v každom segmente siete
• Modul umožňuje multi-fázové zadávanie zmesí v systéme
  Metóda riešenia: Tlakový gradient pre dvojfázové prúdenie nie je konštantný ale mení sa pozdĺž potrubia ako funkcia tlaku a teploty. To znamená, že pokles tlaku musí byť vypočítaný integráciou tlakového gradientu pozdĺž potrubia. Postup je podobný ako pri výpočte stlačiteľného prúdenia. Použité sú nasledovné kroky:

1. Prírastok na zmene potrubia je vybraný na základe malej zmeny tlaku P1 a P2, pričom dĺžka tohto prírastku ešte nie je známa.
2. Predbežná teplota, tlak kvalita a fyzikálne vlastnosti sú určené. Fyzikálne vlastnosti pre každú fázu a zmes je nutné poznať. V tomto prípade je rozhodujúce že práve Fluidflow obsahuje termofyzikálne vlastnosti vyše 900 kvapalín.
3. Rýchly prepočet sa vykonáva za účelom zistenia kvality a to X2=X1 + Cp (T1-Tb)/Hv
4. Z daných výpočtov FF určí režim toku s následným určením prírastku dĺžky daného úseku. Stanovenie tejto dĺžky je priamo závislé na použitej metóde výpočtu trecích strát.
5. Kroky 1 – 4 sa opakujú dovtedy dokým sa nedosiahne koniec potrubia. Prírastok dĺžky potrubia sa skracuje ako sa výpočty pohybujú smerom ku koncu potrubia. Pri poslednom segmente, ktorý nikdy nemá pevne stanovenú presnú dĺžku používame interpolačné funkcie založené na výsledkoch z predchádzajúcich segmentov.
   Možnosti využitia:

• Výroba energie
• Chladenie a kryogenika
• Geotermálne elektrárne
• Naftové a plynové systémy a potrubia

• 

Korelácie straty trením dostupné v programe Fluidflow:

kde:

C_c – konštanta
ρ_L – priemerná hodnota hustoty kvapaliny cez prírastok
f_L – faktor trenia kvapaliny
F – Friedelov korekčný faktor
m – hmotnostný prietok

kde:

ρ_mix – hustota zmesi cez prírastok
f_TP – dvojfázový faktor trenia

kde:

ΔP_G – tlaková strata plynnej fázy cez prírastok
ΔP_L – tlaková strata kvapalnej fázy cez prírastok
X_av – priemerná kvalita pary v danom segmente

5. Pre Lockhart Martinelli a Chisholm Baroczyho korelácie sú rovnice výpočtu identické s Beggs a Brillovým výpočtom s doplnkom dvojfázového násobku

Ktorý korelačný model si vybrať?
Až do nedávna sa v literatúrach uvádzalo že mechanický prístup môže byť použitý pre každý sklon potrubia a pre všetky pomery plynu a kvapaliny. V praxi je však potrebné čo najjednoduchšie zjednodušiť na riešenie/ukončenie rovnice. Fluidflow má implementovaný jednoduchý model Beggs-Brilla avšak zložitejšie modely, ktoré sú účinnejšie na výpočet uvádzané v literatúre (napr. Shoam alebo Aziz). Ich zložitosť však komplikuje úspešné zakomponovanie do programu, ktoré je naplánované v blízkej budúcnosti.
V súčasnosti sa upustilo od takéhoto mechanického modelovania ak je to možné a výskumníci začali preferovať Drift-flux prístup. Tento výpočet je zakomponovaný v programe, avšak daný model je najlepšie stavaný pre zvislé poprípade šikmé potrubia.
Pre všeobecné použitie jednozložkového dvojfázového toku odporúčame použiť model Muller Steinberg Heck (MSH), ktorý sa preukázal ako najpresnejší. Avšak pri vyššej kvalite pary stráca tento model na presnosti.
Z hľadiska najväčšieho výskumu a stanoviska literatúry sa najčastejšie používa Whalley model. Odporúčania štúdií používajú plynný/kvapalinový pomer a plynno/kvapalinové viskozity na určenie korelácií. Preto je táto výpočtová metóda stanovená ako počiatočná v programe Fluidflow. Preto ak sa jedná o systém parný/kondenzát odporúčame použiť práve modely MSH a Whalley.

Korelácie – bližšia špecifikácia
Na to, aby sme mohli bližšie špecifikovať niektoré použité korelácie je nutné poznať základné popisy a pomenovania.
„Liquid holdup effect“
Je definovaný ako časť elementu potrubia, obsahujúci kvapalinu v rovnakom časovom okamihu. Ak sú v potrubí prítomné dve alebo viacero fáz, majú tendenciu prúdiť rôznymi miestnymi/neporušenými („in-situ“) rýchlosťami. Tieto rýchlosti sú závislé na hustote a viskozite fázy. Zvyčajne fáza s menšou hustotou prúdi rýchlejšie ako tie s vyššou hustotou. To spôsobuje „kĺzavé prúdenie“ alebo oneskorený efekt („holdup effect“), čo znamená, že miestne (in-situ) objemové pomery každej fázy (pri prietočných podmienkach) sú odlišné ako vstupné objemové pomery potrubia. Napr. jednofázový plyn môže preniknúť pri ťažbe do vody. V tejto situácii je CL = 0 (jednofázový plyn je produkovaný) ale EL > 0 pretože obsahuje časť vody.

„Nesklzová“ (no slip) viskozita
Nesklzová viskozita je viskozita, ktorá je vypočítaná s predpokladom, že obe fázy sa pohybujú rovnakou „in-situ“ rýchlosťou. Je viacero definícii tejto viskozity a najčastejšie sa môžeme stretnúť s nasledovnou definíciou:

• 

kde:

C_L je vstupná objemová zložka kvapaliny
C_G je vstupná objemová zložka plynu
μ_L je viskozita kvapaliny
μ_G je viskozita plynu

„Nesklzová“ (no slip) hustota
Je viskozita, ktorá je vypočítaná s predpokladom, že obe fázy sa pohybujú rovnakou „in-situ“ rýchlosťou. Definovaná je podľa rovnice:

kde:

ρ_L je hustota kvapaliny
ρ_G je hustota plynu

Režimy (vzory) prúdenia
Jednofázové prúdenie je možné klasifikovať v závislosti na vonkajšej geometrii prietokového kanála ako aj charakteru prúdenia (laminárne a turbulentné). Na rozdiel od toho viacfázové prúdenie je definované podľa vnútorných distribúcií fáz – režimov „vzorov“ prúdenia. Pri viacfázovej zmesi, ktorá prúdi v potrubí, môžu vznikať rozličné prietokové geometrie alebo štruktúry v závislosti na orientácii a veľkosti prietokového kanála, rôznych parametrov plynu a kvapaliny.
Pri prúdení dvojfázovej zmesi plyn-kvapalina, rovina kolmá na os prietokového kanálu (potrubia) rozdelí prúdenie na množstvo vzorov. Našťastie sa tieto vzory môžu predvídať z nezávislých premenných systému ako sú prietokové rýchlosti jednotlivých fáz a ich fyzikálne vlastnosti. Avšak je potrebné zadefinovať si režimy nezávisle pre horizontálne tak i vertikálne prúdenie.

Vertikálne prúdenie

Horizontálne prúdenie

Pri horizontálnom prúdení zohráva najväčšiu úlohu gravitačná sila, ktorá spôsobuje to, že kvapalná fáza smeruje ku spodnej časti potrubia.

Hmlovitý tok: Veľmi vysoké rýchlosti plynu. Celá časť kvapaliny môže byť odstránená zo steny a unášaná ako malinké kvapôčky v teraz kontinuálnej plynnej fáze.

Kritériom pre výber veľkosti časti (nárastku (LINE)) býva všeobecne tlaková strata vyjadrená ako ΔP na 100 stopách alebo metroch potrubia. Existuje viacero korelácii pre tlakovú stratu pri dvojfázovom prúdení a sú určené pomerom viskozity a pomer hmotnostného toku.

μ_L/μ_G	Hmotnostný tok (kg.m-2.sec-1)	Typ korelácie
< 1000	< 2000	Friedel
> 1000	> 100	Chisolm – Baroczy
> 1000	< 100	Lockhart – Martinelli

Následne si zvolíme potrubie a predbežne odhadneme vnútorný priemer (D) na základe tlakovej triedy potrubia. Získame potrebné vlastnosti pre plyn a kvapalinu ako napr. prietok, hustotu, viskozitu a povrchové napätie (σ). Hustota, rýchlosť a viskozita sú spriemerované pre kombináciu fáz a dvojfázové Reynoldsovo číslo sa vypočíta nasledovne:

• 

kde:

Q_L je objemový prietok kvapaliny
Q_G je objemový prietok plynu
ρ_G je hustota plynu
ρ_L je hustota kvapaliny
μ_G je viskozita plynu
μ_L je viskozita kvapaliny

1.Homogénny model
Celkový tlakové straty kvapaliny sú spôsobené v dôsledku zmeny potenciálnej energie kvapaliny a dôsledkom trenia na stenách v potrubí. To znamená, že celková tlaková strata Δp total je sumou statickej tlakovej straty Δp static (nadmorská výška) hybnostnej tlakovej straty Δp mom a tlakovej straty trením Δp fric.

kde:                      H je vertikálna výška

                              θ je uhol vzhľadom k horizontu

                              a ρ_H je homogénna hustota a vypočíta sa ako

• 

• 

2.Chisolm – Baroczy metóda
Tlaková strata pre každú fázu sa vypočíta z predpokladu, že celková zmes prúdi buď ako kvapalina alebo plyn na základe postupu pri prúdení jednej fázy.

• 

• 

Finálne odporúčanie pre koeficient B je kompromis medzi Baroczy, Lockart-Martinelli a Chisholmom a v nasledujúcej tabuľke môžeme vidieť odporúčané hodnoty pre hladké potrubie.

Tabuľka 1 Hodnoty koeficientu B pre Chisholmové korelácie pri použití hladkého potrubia a hodnoty Y ≤ 9,5

G (kg.m-2s-1)	B
< 500	4,8
500 < G < 1900
> 1900

3.Friedelova korelačná metóda

• 

Ďalej sa na výpočet Froudevov koeficient a Weberov koeficient. V nasledujúcich rovniciach je nutné uistiť sa, že sa použije hmotnostný tok dvoch fáz G (kvapalina + plyn) v potrubí. Froudeov keoficient je vypočítaný ako:

4.Lockhart-Martinelli korelačná metóda

• 

Trecie jednofázové faktory sa vypočítajú pomocou Reynodlsovho čísla a Blausiusovej rovnice uvedenej pri homogénnom modely výpočtu s ich príslušnými fyzikálnymi vlastnosťami upravenými tak aby kvapaliny (1-x) a pary (x) v Re. Korešpondujúce multiplikátory pre dve fázy sú nasledovné:

Konštanta C závisí na režime kvapaliny a pary. Zoznam používaných hodnôt pre jednotlivé režimy prúdenia sa nachádzajú v nasledujúcej tabuľke. Korelácia podľa L-M je použiteľná pre kvalitu pary v rozsahu 0 < X ≤ 1

Tabuľka 2 Konštanty C pre jednotlivé režimy prúdenia

Kvapalina	Plyn	Hodnota konštanty C
Turbulentné prúdenie	Turbulentné	20
Laminárne	Turbulentné	12
Turbulentné	Laminárne	10
Laminárne	Laminárne	5

5.MullerSteinhagen-Heck korelačná metóda
MSH (1986) navrhli koreláciu dvojfázového trecieho tlakového gradientu, ktorý je empirická interpolácia medzi všetkými kvapalinovými a parnými prúdeniami nasledovne:

6.Beggs a Brillova korelačná metóda
Beggs a Brillova korelácia, je jednou z mála korelácii, ktorú je možné použiť pri všetkých smeroch prúdenia (stúpanie, klesanie, horizontálne, vertikálne a so sklonom) dvojfázového média. Celkový tlakový gradient je definovaný podľa nasledujúcej rovnice:

Mapa profilu prúdenia
Režim prúdenia je identifikovaný na základe Froudovho čísla zmesi (Frm) a vstupného obsahu kvapaliny (nesklzová liquid holdup CL)

Príklad 1. dvojfázový modul s konštantnou kvalitou fázy

To znamená, že parná zložka je konštantná a nedochádza k prenosu hmoty medzi jednotlivými fázami. Avšak neznamená to, že tlaková strata na jednotku dĺžky potrubia je konštantná alebo rýchlosť medzi fázami je konštantná.

Vstupné údaje:
Nádoba 1: Médium je voda s nastaveným tokom do systému s rýchlosťou 0,0016 m/s a teplotou 29°C
Nádoba 2: Médium je vzduch s nastaveným tokom do systému a rýchlosťou 0,0802 kg/s a teplotou 29°C

Výmenník tepla: Štandardný doskový výmenník tepla s 20 doskami a nastavenou fixnou teplotnou zmenou do systému 30°C

Potrubie úsek 1 a 2: Dĺžka potrubia 0,5m a 2“ potrubie schedule 40
Potrubie úsek 3 a 4: Dĺžka potrubia 60m a nastavenie priemeru potrubia na 50mm
Potrubie úsek 5: Dĺžka potrubia 5m a 6“potrubie schedule 40
Potrubie úsek 6 a 7: Dĺžka potrubia 10m a 2“ potrubie schedule 40

Príklad 2.- Vloženie novej zmesi plynov
Cez databázu kvapalín v nastaveniach programu je možné vložiť novú zmes (mix) prvkov do systému. Po rozkliknutí údajov viď. obrázok 4 volíme možnosť new mix. Zadáme názov POBM (propane-oxygen-methane-butan) vyhľadáme si jednotlivé prvky a zadáme im percentuálny pomer jednotlivých prvkov v zmesi. Kyslík bude mať hodnotu 6,4%, propán nastavíme na hodnotu 37,8%, metán 20% a bután 35,8%. Po tomto nastavení je nutné zadať novej zmesi okrajové podmienky pre hustotu plynu, špecifické teplo plynu a tepelná vodivosť. Pre dané parametre boli zvolené hodnoty min. a max. termodynamickú teplotu 182K a 1400K.

• SLURRIES AND NON-NEWTONIAN LIQUID FLOW
Umožňuje analyzovania a modelovania prúdenia kašovitých, kalovitých látok a heterogénnych zmesí, s cieľom ukázať či dochádza k usadzovaniu. V ďalších prípadoch sa snažíme zabraňovať usádzaniu takýchto látok v potrubnom systéme . Ďalej aby si užívatelia boli istý že sa jedná o dodatočne robustný systém umožňujúci prúdenia takýchto látok. Ďalej sú v tomto module charakterizované NeNewtonovské kvapaliny ktoré sú vyznačované nefyzikálnym správaním a rôznymi viskozitami. Môžu byť pseudoplastické – viskozita s tlakom klesá a dilatantné – viskozita s tlakom rastie.

• Využitie napr. v papierovom priemysle, kde sa odstránia zložité výpočty pri spracovaní buničiny čím sa zvyšuje celková efektivita
• Na neusadzujúce sa látky môžu byť využité simulácie na báze nasledujúcich korelácií:
  Bingham plastic, Power law, Herschel-Bulkley, Casson
• Usadzujúce látky podľa troch simulácií: Durand, WASP, Wilson-Addie-Selgren-Clift
  Vlastnosti NeNewtonovských kvapalín/ neusadzujúcich sa kvapalín sú vložené do databázy programu jednou z dvoch metód a to:

1. Koeficientov získaných z rovníc ( v závislosti na zvolenej korelácií napr. medza klzu a koeficient tuhosti)
2. Priame zadanie šmykového napätia voči údajom šmykovej rýchlosti, pričom užívateľ definuje koreláciu alebo krivku spadajúcej do rozsahu údajov
   Vstupná kontrola (The Input inspector) je potom použitá na definovanie kvapaliny v hraniciach siete modelu a viskozita sa potom určí pre každé potrubie v systéme v závislosti na vypočítanej šmykovej rýchlosti.
   Kaly (usadzované) – Program obsahuje vlastnú databázu pre sypké materiály. Vstupná kontrola (nastavenie) pozostáva z upresnenia kvapaliny ktorá obsahuje tieto kaly a užívateľom zadefinované % vyjadrenie množstva a veľkosti častíc pevného prvku v kvapaline. Tlaková strata sa následne vypočíta na základe vybranej korelácie. Výkon čerpadla môže byť upravený vzhľadom na obsah pevných častíc. Rýchlosť usadzovania je vypočítaná programom.
   Možnosti využitia:

• Hutnícke a banícke systémy
• Hydrodoprava minerálov a vzácnych kovov
• Potravinársky priemysel
• Odpadové systémy, kanalizácia a čističky odpadových vôd

• Dynamic Analysis and Scripting
Umožňuje užívateľovi riešiť dynamické analýzy na modeli. Tieto časovo závislé simulácie umožňujú užívateľovi napr. zistiť časy naplnenia a vypustenia nádrže, tlak systému závislého na požiadavkách, filozofia ovládania systému, najúčinnejšia pracovná rýchlosť pri použití viacerých čerpadiel, zvolenie správnej hrúbky izolácie a iné. Možnosť exportovať výsledky do programu Excel umožňuje získať výstupy skriptovacích príkladov a vizualizáciu dát intuitívnym spôsobom (grafy, tabuľky a pod.). Úprava takýchto údajov (ako priemer potrubia, rýchlosť a iné) s opätovnou implementáciou do programu zjednodušuje a umožňuje užívateľovi prácu s programom. Skriptovanie umožňuje vykonávať zmeny na hociktorý prvok vložený v pracovnom prostredí (celý uzol alebo potrubie) cez skriptovací jazyk založený na type Pascal, s následným sledovaním ako sa prejaví uskutočnená zmena na iných prvkoch v systéme.
Možnosti využitia:

• Optimalizácia spotreby energie
• Určovanie veľkosti potrubí a rúr
• Určovanie veľkosti čerpadiel a možnosť ich výberu
• Určovanie veľkostí clôn a iných redukčných prvkov

Stanovenie koeficientov hydraulických strát pre ventily, spojky (uzly) a ostatné odpory
Obvyklá metóda pre stanovenie tlakových / hydraulických strát v závislosti na ventiloch, ohybov alebo iných prvkov (vradených odporov) je cez K hodnotu v nasledovnej rovnici:

Hodnoty K, sú uvedené v rade textov. Nevýhodou tejto metódy je to, že hodnota K je konštantná pre všetky veľkosti rovnakých typov vradených odporov. V praxi to však takto nie je a je potrebný celý rad K hodnôt pre identické vradené odpory (ventily).

Veľa špecifík má vplyv na tlakovú stratu cez takéto odpory. Medzi tieto patrí odlišné veľkosti potrubia napájajúceho sa na vradený odpor (napr. odlišná veľkosť potrubia napojená na T-kus), neštandardné uhly napojenia (napr. koleno s uhlom 75°) alebo takisto aj tvar vradeného odporu. FluidFlow ponúka 3 odlišné metódy definovania koeficientov vradených odporov a to:

1. K – Hydraulické odpory,
2. K_f – z výrazu f´ značí plne vyvinutý turbulentný faktor trenia
3. K_v – definovaný ako prietokový koeficient

1.Craneova metóda na určenie univerzálnej K hodnoty špeciálne pre ventily alebo vradené odpory
Hydraulické straty v rovnom potrubí vyjadrené podľa Darcyho rovnice:

Pomer L/D je ekvivalentná dĺžka potrubia v priemere rovnej časti potrubia čo spôsobí, rovnakú tlakovú stratu ventilu alebo odporu za rovnakých podmienok prúdenia. Po rozsiahlych testoch, ktoré uskutočnil Crane sa ukázalo, že pre rad veľkostí rovnakého vradeného odporu platí:

• K sa mení rovnakým spôsobom ako faktor trenia rovného oceľového potrubia pri prúdení, čoho výsledkom je konštantný faktor trenia definovaný ako ft
• Ekvivalentná dĺžka inklinuje ku konštante pre rad rozmerov príslušných ventilov alebo vradených odporov pri rovnakých podmienkach prúdenia

Z výsledkov Cranea je teda možné definovať tlakové straty v dôsledku rôznych veľkostí príslušného ventilu alebo vradeného odporu v nasledujúcej rovnici:

Pri použití tejto metódy sa môžu použiť iba jedny dáta pre každý typ ventilu alebo vradeného odporu. Fluidflow potrebuje aby hodnoty Kf boli zadané do odporovej databázy a potom sa určí hodnota K založená na veľkosti odporu zvoleného v návrhu. Rovnicu pre hydraulické straty možno teda upraviť na:

2.Všeobecný koeficient K_v
Koeficient Kv je účinný spôsob ako simulovať jednotlivé prvky alebo sekcie danej siete. V podstate údaje zadané do Kv databázy sú prietok a s ním súvisiaci pokles tlaku (napr. údaje prietoku a tlakovej straty udávané výrobcom výmenníka tepla). Metóda použitím koeficientu Kv môže byť takisto aplikovaná na komplexný systém potrubí a prvkov siete, sú hydraulické charakteristiky redukované prietokom a poklesom tlaku v danom systéme.

Keď sa Kv údaje zapíšu do súboru údajov, môžu byť zadané do pracovného prostredia ako hydraulická charakteristika. Je zrejmé že vypočítaný prietok cez daný komponent nemusí byť nutne rovnaký ako ten, ktorý sa zadal do súboru údajov. Aby dané údaje zodpovedali používa Fluidflow dynamické zákony podobnosti na zadané údaje aby mohol upraviť pokles tlaku v súlade s aktuálnym prietokom vypočítaný programom.

Dynamické zákony podobnosti – vzťah medzi dvomi existujúcimi prúdiacimi tekutinami, na ktoré pôsobia rovnaké druhy síl na všetkých zodpovedajúcich bodoch, s konštantným faktorom merítka. Dynamická podobnosť umožňuje použiť a predvídať výsledky získané v modely na prototyp v normálnom rozsahu. Zákony dynamickej podobnosti zohľadňujú tak zmenu hustoty ako aj prietoku, ale v podstate zmena prietoku je najvýznamnejšia. Rovnica 1 môže byť upravená tak aby poukázala na hydraulické straty závisle na prietoku a nie na rýchlosti a to nasledovne:

Databázy prípojok a „drobné straty“ (oblúkov, T-kusov, krížových prvkov)
Straty spôsobené prípojkami „drobné straty“ môžu byť stanovené cez ikonu prípojok (koleno, ohyb, t-kus..), ktoré využívajú 4 odlišné prístupy výpočtu.

Crane má niekoľko nevýhod pri riešení. Neumožňuje simulácie nesymetrických t-kusov, to je t-kus s odlišným priemerom napojenia. Taktiež neumožňuje riešiť t-kus s uhlom odlišným ako 90°. Aby bolo možné simulovať nesymetrické t-kusy, musí sa pridať redukcia do Craneovho t-kusu so zanedbateľnou dĺžkou pripojovacieho potrubia.

Idelchik a Miller sa pokúsili prekonať nedostatky spojené s Cranom. Avšak pôvodné Idelchikove dáta sú extrémne komplikované a je ich len veľmi ťažko možné preniesť ich z nomografov v knihe do programu. Preto by sa mal Idelchik používať so zvýšenou opatrnosťou a môže sa stať že pri použití Idelchikových prípojok nedosiahneme konvergovanie, zatiaľ čo v prípade Crane budú. Vo verzii 3.06.2 je táto problematika v pokročilom výskume a vývoji.

Ďalším spôsobom ako modelovať straty prípojky je použitie údajov z databázy „Generic Resistances“. Namiesto modelovanie pripojenia medzi potrubím s použitím ikony „junction“ (prípojky) sa použije ikona programu „Connector, No Resistance“ (pripojovanie bez odporu) ikona. Cez takúto prípojku sa nepočítajú žiadne hydraulické straty.

Výpočet pripojení v programe je nasledovný:

Idelchik spojovacie T-kusy

Pomer pripojovacích oblastí	Pripojovacie uhly α (°)	Rozsah Kb pre Vb/Vc = 2	Rozsah Ks pre Vb/Vc = 2	Poznámky
As + Ab > Ac As = Ac	30 – 90	6,75 ku 0,77 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 a 1	-1,43 až 0,5 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 a 1	Vysoké kladné hodnoty Kb pri Ab/Ac < 0,2 a Qs/Qc > 0,6   Vysoké záporné hodnoty Ks pri Ab/Ac < 0,2 a Qs/Qc > 0,6   Ak α smeruje k 90° tak hodnota Ks smeruje k relatívne konštantným hodnotám 0 – 0,5
As + Ab = Ac	15 – 90	6,7 ku -0,3 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 a 0,5	-1,6 až 1,10 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 a 0,5

Idelchik rozdeľovacie T-kusy

Pomer pripojovacích oblastí	Pripojovacie uhly α (°)	Rozsah Kb pre Vb/Vc = 2	Rozsah Ks pre Vb/Vc = 2	Poznámky
As + Ab > Ac As = Ac	15 – 90	1,1 ku 3	viď. Miller
		Vb/Vc = 1	Vb/Vc = 1
As + Ab = Ac	15 – 90	0,06 ku 1	viď. Miller

Miller spojovacie T-kusy

Pomer pripojovacích oblastí	Pripojovacie uhly α (°)	Rozsah Kb pre Vb/Vc = 2	Rozsah Ks pre Vb/Vc = 2	Poznámky
As = Ac	45	5 ku 0,1 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku 1	-0,6 až 0,15 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku
As = Ac	90	5,5 ku 0,45 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku 1	0,7 ku 0,5 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku

Miller rozdeľovacie T-kusy

Pomer pripojovacích oblastí	Pripojovacie uhly α (°)	Rozsah Kb pre Vb/Vc = 2	Rozsah Ks pre Vb/Vc = 2	Poznámky
As = Ac	45	0,25 ku 0,44 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku 1	0 až 0,1
As = Ac	90	5,5 ku 0,45 pre hodnoty Ab/Ac = 0,2 ku 1	0 až 0,1

kde:

                              Q – prietok v danej vetve

                              V – rýchlosť media v danej vetve

V súčasnej dobe Fluidflow povoľuje riešenie iba Idelchik Y-symetrických kusov. Avšak keďže tieto komponenty programu sú stále vo vývoji odporúčame riešenie takýchto kusov nepoužívať. Nasledujúca tabuľka poukazuje na K hodnoty pre spájacie Y-symetrické prvky, ktoré sú relatívne nízke. V skutočnosti by sa mala hodnota K pohybovať podľa Millerových nomografov v rozmedzí -2,0 až 2,0.

Miller spojovacie Y-symetrické prvky

Pomer pripojovacích oblastí	Pripojovacie uhly α (°)	Rozsah Kb pre Vb/Vc = 2	Rozsah Ks pre Vb/Vc = 2	Poznámky
Ab1 + Ab2 = Ac	30 – 120	0,1 až 0,8		Záporné hodnoty pre Qb/Qc < 0,4 a uhol menší ako 90°
Ab1 = Ab2 = Ac	60 – 180	0,06 až 0,62		Záporné hodnoty pre Qb/Qc < 0,3 a uhol menší ako 90°

Definície tlaku

Hydraulický a tlakový projektanti sa často zaoberajú s prúdením tekutín z jednej úrovne do druhej. Pri systémoch s nízkou rýchlosťou toku plynu alebo vodovodných systémoch, je vhodné aby mohol technik (výpočtár) pracovať s výškovými hladinami v programe, najmä pokiaľ sú manometre použité ako hlavný zdroj na zisťovanie tlaku výtlakom stĺpca vodnej hladiny. V mnohých odvetviach sa stalo bežnou súčasťou používať výrazy ako celková výška (total head) a kinetická energia (velocity head) pred využitím názvov ako celkový tlak a dynamický tlak (velocity pressure). Práve tento prístup ponúka aj softvér Fluidflow. S cieľom pochopenia definícii tlaku je nutné brať v úvahu rovnice hybnosti a energie pokiaľ ide o tlak, pretože hustota nie je konštantná.

Energia v jednotke hmotnosti prúdiacej kvapaliny v ktoromkoľvek mieste potrubnej siete môže byť vyjadrená nasledovne:

kde:

                              v – merný objem

                              r – špecifická plynová konštanta

                              R – univerzálna plynová konštanta

                              V – objem

                              T – termodynamická teplota plynu

                              m – hmotnosť

                              M – je molová hmotnosť daného plynu

Pretlak/podtlak – je kladný/záporný rozdiel medzi daným tlakom plynu (spravidla v nejakom oddelenom priestore) a nejakým referenčným tlakom (spravidla atmosférickým tlakom). Vzniká napríklad ako rozdiel medzi tlakom neprúdiaceho a prúdiaceho plynu. Pretlak je teda rozdiel okamžitého absolútneho tlaku, ktorý je vyšší ako barometrický tlak a barometrického tlaku. Podtlak je teda rozdiel barometrického tlaku a okamžitého absolútneho tlaku, ktorý je nižší ako barometrický tlak.

Absolútny tlak – tlak nameraný od absolútnej nuly. Je rovný sume atmosférického tlaku a pretlaku.

Atmosferický (barometrický) tlak – tlak zemského ovzdušia na hladine mora, ktorý sa meria od absolútnej nuly (273,15 K = 0°C) a má charakter absolútneho tlaku. Platí že p_b = 101,325 kPa. V programe je túto hodnotu možne zmeniť.

Tlak pary – tlak vyvíjaný na kvapalinu, pričom kvapalina je v rovnováhe s vlastnou parnou zložkou

Regulátory v programe

Databáza regulačných ventilov

Bez ohľadu na to, aký typ súčasti regulačného ventilu je zvolený, alebo ako je prvok ventilu definovaný v pracovnej schéme (napr. regulátor prietoku, automatický regulátor prietoku, alebo automatický regulátor tlaku) charakteristiky ventilov sú rovnaké, to znamená že údaje sú čerpané z databázy regulačných prvkov. Napr. Hence a Keystone 1“ ventil môže byť použitý na vykonávanie rôznej regulačnej činnosti (či už prietok alebo tlak) avšak musí splniť požiadavky potrebné na prevádzku. Automatické regulátory tlaku nepoužívajú údaje z databázy ventilov, ale dochádzka k chybe pri plnom otvorení alebo zatvorení, ak sú nastavené hodnoty užívateľom nedosiahnuteľné.

Regulátory prietoku

Existujú dva typy regulátorov prietoku a to automatické a ručné regulačné ventily. Pri automatických regulátoroch prietoku sa nachádza merací prvok a kontrolný mechanizmus v jednom zariadení, avšak pri ručne ovládaných regulátoroch môže byť meracie zariadenie umiestnené v inej časti potrubnej sústavy. Skutočný prietok pre plyny a dvojfázové zmesi je funkciou umiestnenia. „Upstream“ – jedná sa o riadenie objemového prietoku na vstupnej časti ventilu teplotou a tlakom. „Downstream“ – jedná sa o riadenie objemového prietoku na výstupnej časti ventilu teplotou a tlakom. Pri zvolení hmotnostného prietoku sa nepoužíva možnosť nastavenia meracieho miesta.

Regulátory tlaku

Existujú štyri typy regulátorov tlaku v programe a to automatický tlakový redukčný ventil, automatický ventily na zvýšenie tlaku, automatický regulátor diferenčného tlaku a ručná regulátor tlaku. Automatický redukčný a ventil na zvýšenie tlaku môžu riadiť tlak v hociktorom bode systému. Merací a kontrolný prvok sú umiestnené v jednom zariadení. Pre tieto typy regulátorov tlaku sa sníma statický tlak. Ak chceme snímať celkový tlak je vhodnejšie použiť ručné regulátory tlaku. Automatický regulátor diferenčného tlaku sa využíva na riadenie diferenčného tlaku v hociktorom bode systému. Pri ručnom regulátore tlaku sa meracia pozícia nastavuje vo vstupných podmienkach.

Riešenie kavitácie a odparovania

Kavitácia:

Fluidflow nedokáže modelovať efekt kavitácie na čerpadlá, aj keď dokáže vypočítať a zobraziť dispozičnú nasávaciu výšku na nasávacej strane do čerpadla a takisto dokáže detekovať nedostatočnú nasávaciu výšku. Ku kavitácii dochádza, keď tlak kvapaliny pri danej teplote klesne pod hodnotu tlaku nasýtených pár (alebo bod varu). Ak dôjde ku kavitácii, v kvapaline sa nepretržite tvoria a zanikajú (implodují) bubliny vzduchu. V dôsledku toho vzniká hluk a môže dôjsť k poškodeniu inštalácie. Vo vykurovacej sústave dochádza často ku vzniku kavitácie v čerpadle, ak je tlak na sacej strane čerpadla príliš nízky. Aby sa zabránilo kavitácii v čerpadle, mal by byť minimálny tlak na sacej strane vyšší ako hodnota nasávacej výšky.

Odparovanie:

Programom vypočítané hodnoty prietoku a tlaku v každom bode systému by mali byť prekontrolované aby sa zistilo, či nevzniká v systéme negatívny tlak, ktorý ovplyvňuje tok systému a Fluidflow to nedokáže predvídať. Pred vznikom odparovania môže nízky tlak priviesť vzduch alebo plyn mimo roztoku. To má výrazný vplyv na výkon čerpadla ak parná fáza vznika na sacej strane čerpadla a tento efekt nedokáže program predvídať.

Skratky:

Net positive suction head (NPSH) – nasávacia výška

Normal temperature and pressure (NTP)

Standard temperature and pressure (STP)