دسته‌بندی نشده

محاسبه هیدرولیک

ارسال توسط

روشن اردیبهشت 26, 1404

.هدف از محاسبه هیدرولیک چیست؟

یک محاسبه هیدرولیکی برای پمپ، کمپرسور، شیر کنترل و سیستم لوله کشی انجام می شود. اینها متداول ترین تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در صنایع فرآیندی هستند. هدف اصلی محاسبات هیدرولیک ارائه معیارها و حداقل الزامات برای انتخاب پمپ ها، کمپرسورها و شیرهای کنترل برای توسعه برگه اطلاعات فرآیند است. برای تهیه پمپ ها، کمپرسورها و شیرهای کنترل، لازم است تمام اطلاعات فرآیند در قالب یک برگه اطلاعات فرآیند به فروشندگان مربوطه منتقل شود. اگر دستورالعمل های خاصی در مشخصات پروژه ارائه شده باشد، باید بر الزامات ارائه شده در این دستورالعمل ها ارجحیت داشته باشد.

محاسبه هیدرولیک را می توان در مراحل مختلف یک پروژه انجام داد، به عنوان مثال. در مرحله مقدماتی، در مرحله مهندسی جزئیات نیز پس از صدور نقشه های ایزومتریک.

مراحل محاسبه هیدرولیک

برای محاسبه هیدرولیک، قبل از محاسبه هیدرولیک باید یک مدار هیدرولیک ساخته شود. همچنین، قبل از انجام محاسبات هیدرولیک، باید داده های مورد نیاز را جمع آوری کنید (به 2.1 مراجعه کنید) باید مراحل زیر را دنبال کنید:

مرحله 1، حلقه ای را انتخاب کنید که محاسبه هیدرولیک آن باید انجام شود.

مرحله 2، حلقه هیدرولیک را در PFD و سپس در P & ID علامت گذاری کنید.

مرحله 3، حلقه هیدرولیک را در نرم افزار مربوطه رسم کنید (زیرا شرکت های مختلف از نرم افزارهای مختلف استفاده می کنند).

مرحله 4، هر عنصری که در آن فشار کاهش می یابد مانند فلومتر، صافی، مبدل حرارتی، خشک کن، شیر کنترل، F.O و غیره باید در مدار هیدرولیک نشان داده شود تا فشار نقطه پایانی در هر بخش محاسبه شود.

مرحله 5، نرخ جریان، خواص فیزیکی، قطر اسمی، ضریب زبری، طول معادل و غیره را در هر بخش لوله قرار دهید.

مرحله 6، مدل را اجرا کنید.

مرحله 7، نتیجه محاسبه هیدرولیک را بررسی و ارزیابی کنید.

2.1 داده های مورد نیاز برای محاسبه هیدرولیک چیست؟

داده هایی که برای محاسبات هیدرولیک استفاده می شوند، مانند دبی، دما، فشار و غیره باید به صورت زیر مشخص شوند. داده‌های طراحی از اسناد زیر به دست می‌آیند، اما به آنها محدود نمی‌شود.

نمودار جریان فرآیند (PFD)
داده های طراحی مهندسی پایه (BEDD)
نمودار لوله‌کشی و ابزار دقیق (P&ID)
تعادل گرما و مواد (H & MB)
طرح پلات
برگه اطلاعات تجهیزات
مشخصات مواد لوله کشی

داده های ورودی برای محاسبه هیدرولیک

در زیر خلاصه ای از داده های ورودی است که قبل از طراحی هیدرولیک آماده می شود.

(1) داده های عملیاتی مورد نیاز در محاسبه هیدرولیک

سرویس برای شناسایی
نام سیال برای شناسایی
از-به برای شناسایی
نرخ جریان (های) مایع و/یا بخار
درجه حرارت
فشار
مشخصات فیزیکی

برای سرویس مایع: چگالی، ویسکوزیته، فشار بخار، فشار بحرانی، SpGr @15 درجه سانتی گراد

برای سرویس بخار: چگالی، ویسکوزیته، وزن مولکولی، نسبت حرارت ویژه (Cp/Cv)

ضریب تراکم پذیری (Z)

جریان دو فاز: چگالی و ویسکوزیته برای مایع و بخار

(2) داده های ساخت و ساز در محاسبات هیدرولیک

کلاس خط
ارتفاع در ورودی و خروجی سیستم لوله کشی.
فاصله بین مبدا و مقصد
بزار، انواع و مقادیر
انواع شیرها و اتصالات، انواع و مقادیر.
شیر(های) کنترل
پمپ(ها)، کمپرسور(ها) و دمنده(ها)

(3) الزامات طراحی در محاسبات هیدرولیک

پمپ NPSH موجود است
بیش از درصد طراحی – مشخصات نرخ جریان طراحی، در صورت وجود
درصد کاهش – مشخصات حداقل نرخ جریان، در صورت وجود

محاسبه و فرمول هیدرولیک

3.1 کلی:

(1) همانطور که می دانیم، ظرفیت پمپ ها و کمپرسورها، توان و نیاز هد به افت فشار اصطکاکی ایجاد شده توسط سیستم لوله کشی مرتبط بستگی دارد. بنابراین در یک محاسبات هیدرولیک، کل حلقه باید طبق P & ID ایجاد شود. تلفات فشار از طریق خط لوله باید به دقت محاسبه شود. به عنوان پارامترهای اصلی که برای بررسی استفاده می شود افت فشار و سرعت است. اگر در یک محاسبات هیدرولیکی مشاهده شد که افت فشار و سرعت از معیارهای محدودی که در معیارهای پروژه ذکر شده است بیشتر است، می توان اندازه خط را افزایش داد و مشمول تایید کارفرما می شود. اصل اساسی برای تعیین اندازه خطوط باید بر اساس یک دیدگاه اقتصادی باشد، یعنی حداقل کردن مجموع هزینه های عملیاتی و سرمایه گذاری.

3.1.1 اصل اساسی برای اندازه خط مورد استفاده در محاسبه هیدرولیک:

(1) اصل اساسی برای تثبیت اندازه خطوط در حین انجام محاسبات هیدرولیک باید بر اساس یک دیدگاه اقتصادی باشد، یعنی حداقل کردن مجموع هزینه های عملیاتی و سرمایه گذاری.

(2) با این حال، اندازه خطوط نباید از محدودیت های ارائه شده در مشخصات پروژه تجاوز کند

(3) در برخی موارد، الزامات فرآیند بر جنبه های اقتصادی اولویت دارند. به عنوان مثال، در مورد خطوط مکش پمپ که در آن NPSH مخرب اصلی است.

معادله دارسی ویزباخ

اینجا،

ΔP= افت فشار اصطکاکی
f= ضریب اصطکاک مودی
Le = طول معادل
S2= ضریب تبدیل واحد.

(2) برای جریان آرام (عدد رینولدز زیر 2000) ضریب اصطکاک را می توان به صورت f=64/Re، در اینجا f=ضریب اصطکاک محاسبه کرد.

(3) برای جریان آشفته (عدد رینولدز بالای 4000، ضریب اصطکاک را می توان با استفاده از معادله ای که توسط همبستگی کولبروک ایجاد شده است محاسبه کرد:

همبستگی کولبروک

جایی که، ɛ=لوله در داخل زبری، مگر اینکه در غیر این صورت مشخص شده باشد، زبری لوله فولادی تجاری را می توان 0.0457 میلی متر در نظر گرفت.

در زیر سیالات معمولی در این دسته آمده است.

هیدروکربن عمومی
آب تصفیه شده شیمیایی مانند آب خنک کننده، آب تغذیه دیگ بخار و غیره.

(4) فرمول تجربی Hazen و ویلیام باید در یک محاسبات هیدرولیکی اعمال شود، با در نظر گرفتن Hazen و Williams به عنوان

جایی که

hf= افت سر اصطکاکی، m
Le = طول معادل، m
C = ضریب اصطکاک
Q = سرعت جریان، m3/sec
D = قطر داخلی لوله، m
S3 = ضریب تبدیل واحد، 0.002125

این فرمول را می توان برای هر مایعی با ویسکوزیته در محدوده 1.13 سانتی استوک استفاده کرد که برای آب در دمای 15 درجه سانتیگراد صادق است. ضریب اصطکاک C = 100، برای سرویس زیر؛

آب دریا که در یک لوله سطح داخلی تصفیه نشده جریان دارد
آب حاوی اکسیژن و تصفیه نشده شیمیایی مانند آب آشامیدنی، آب صنعتی و غیره که در یک لوله سطح داخلی تصفیه نشده جریان دارد.

(5) فرمول های جریان گاز تراکم پذیر مورد استفاده در محاسبات هیدرولیک

برای سرویس افت فشار کم: برای تخمین افت فشار در دوره های کوتاه لوله کشی گاز، فرمول دارسی-وایزباخ که در بالا توضیح داده شد، قابل اجرا و دقیق است، با فرض اینکه افت فشار از طریق خط بیش از 10٪ فشار کل نباشد (کتاب داده مهندسی GPSA، بخش 10).

برای سرویس افت فشار بالا، در لوله کشی گاز معمولی، جریان به آدیاباتیک نزدیک تر است تا ایزوترمال. افت فشار جریان آدیاباتیک را می توان با استفاده از معادلات زیر محاسبه کرد:

اینجا،

P = فشار (N/m2)
T = دما (°K)
N = ضریب مقاومت لوله
u = سرعت (m/s)
a = سرعت صوتی (m/s)
M = عدد ماخ = u/a
Y = فاکتور عدد ماخ
f = ضریب اصطکاک مودی بر اساس ویسکوزیته متوسط
D = قطر لوله (متر)
L = طول لوله (متر)
k = Cp/Cv، نسبت گرمای ویژه (-)
R = ثابت گاز = 847.9/وزن مولکولی ((Kgf/m2) ・m3/kg-mol・°K)
زیرنویس 1 = ورودی و 2 = خروجی. i= 1 یا 2

روش محاسبه

مرحله 1: شرایط پایین دست را فرض کنید (P2، M2، T2)
مرحله 2: M1 را با معادله (3) به عنوان روش آزمون و خطا محاسبه کنید.
مرحله 3: T1 را با معادله (4) با M1 از مرحله 2 محاسبه کنید.
مرحله 4: افت فشار را با معادله (5) با M1, T1 از مرحله 2, 3 محاسبه کنید.
مرحله 4: اگر P1 محاسبه شده برابر با فشار ورودی داده شده باشد، محاسبه را می توان خاتمه داد. اگر اینطور نیست، با شرایط فرضی جدید به مرحله 1 بازگردید.

3.2 داده های لوله استاندارد:

داده های لوله استاندارد

3.3 محدودیت اندازه خط:

خطوط باید با محدودیت های جدول زیر اندازه گیری شوند (جدول 1 را ببینید)

جدول-1: (پارامتر محدود کننده

3.3.1 فرمول سرعت فرسایش مورد استفاده در محاسبات هیدرولیک:

(1) سرعت بالاتری که فرسایش ممکن است در جریان دو فازی گاز/مایع رخ دهد را می توان با استفاده از معادله تجربی زیر تعیین کرد. Ve= Ce/√ρm، که در آن، Ve = سرعت فرسایش، ρm= چگالی همگن، Ce = ثابت تجربی نرمال در محدوده 180-240.

(2) لوله کشی آب: حداکثر سرعت باید کمتر از مقادیر داده شده در زیر باشد.

ملات یا بتن 3.0 متر بر ثانیه
پوشش آب بندی آستر ملات با رنگ 5.0 متر بر ثانیه
چدن فولادی یا پی وی سی 6.0 متر بر ثانیه

(3) محلول آمین:

سرعت در فرآیند آمین باید کمتر از زیر باشد.

فولاد کربن
مایع 3 متر بر ثانیه
بخار 30 متر بر ثانیه
فولاد ضد زنگ
مایع 9 متر بر ثانیه
بخار 36 متر بر ثانیه

3.3.2 فرمول سرعت صوتی مورد استفاده در محاسبه هیدرولیک:

(1) حداکثر سرعت باید کمتر از 50٪ سرعت صوتی برای خدمات مداوم گاز یا بخار باشد.

(2) برای خدمات متناوب، مانند لوله‌کشی تخلیه شیر فشار شکن، 80 درصد سرعت صوتی ممکن است قابل قبول باشد. باید مراقب محدودیت های فشار برگشتی بود.

(3) سرعت صوت را می توان به صورت زیر محاسبه کرد.

معادله محاسبه سرعت صوتی

جایی که،

Vsonic = سرعت صوتی (m/s)
gc = ضریب تبدیل جاذبه (kgf・m/kgf・s2)
k = نسبت گرمای ویژه = Cp/Cv
R = ثابت گاز = 847.9 (kgf/m2) (m3)/(kg-mole) (°K)
T = دما (°K)
M = وزن مولکولی

(4) هنگامی که افت فشار در سراسر شیر نسبتاً زیاد است، به عنوان مثال. تزریق بخار، هدر نیتروژن و غیره را انجام دهید و سرعت صوتی را برای لوله کشی پایین دست شیر بررسی کنید.

3.3.3 خط دوغاب:

(1) روغن چرخه حداقل و حداکثر سرعت برای روغن چرخه حاوی ریزدانه های کاتالیست باید به شرح زیر باشد.

حداقل سرعت 1.1 متر بر ثانیه
حداکثر سرعت 2.1 متر بر ثانیه

(2) سایر خدمات

اگر عملی باشد، سرعت جریان نباید کمتر از 0.9 متر بر ثانیه باشد تا رسوب جامدات به حداقل برسد. [API RP-14E 2.3a – 1991]. حداکثر سرعت باید کمتر از سرعت فرسایش باشد که به سیالات و فرآیندها بستگی دارد. بنابراین سرعت فرسایش توسط مجوز دهنده فرآیند ارائه خواهد شد.

3.3.4 الگوی جریان دو فازی:

(1) روش تخمین افت فشار و الگوی جریان برای جریان دو فاز گاز/مایع در محاسبات هیدرولیک بر اساس موارد زیر است:

افت فشار: روش HTFS
الگوی جریان: روش دانشگاه TULSA

(2) الگوهای جریان

الگوی جریان با استفاده از روش توسعه یافته توسط دانشگاه TULSA که بر اساس روش تایتل و داکلر است، تعیین می شود. همچنین، این روش در HTFS Handbook TM2 (اوت 1986) استفاده شده است.

(3) نقشه الگوی جریان با تعریف هماهنگی به شرح زیر است:

الگوی جریان در جریان دو فاز

الگوی جریان به صورت زیر تعریف می شود:

جریان حباب: فاز گاز به صورت حباب های مجزا در یک زنجیره مایع توزیع می شود. حباب ها تمایل دارند در قسمت بالایی لوله جاری شوند.

جریان طبقه بندی شده: جداسازی فاز مایع و گاز کامل شده است. مایع در پایین لوله و گاز در بالا جریان دارد.

جریان موجی: با افزایش بیشتر سرعت گاز در جریان طبقه بندی شده، امواج سطحی شروع به ایجاد روی لایه مایع می کنند.

جریان حلزونی (جریان متناوب): با افزایش بیشتر سرعت گاز در ناحیه جریان موج دار، امواج آنقدر بزرگ می شوند که به بالای لوله می رسند. این امواج توسط گاز با سرعت زیاد منتشر می شوند، اغلب ماهیت کف آلود دارند و به آنها “راب” گفته می شود.

جریان حلقوی: با افزایش بیشتر سرعت گاز، راب‌ها دیگر رخ نمی‌دهند و جریان اساساً حلقوی می‌شود اما با لایه‌ای ضخیم‌تر در پایین لوله نسبت به بالا.

3.3.5 دستورالعمل برای اندازه خط در محاسبه هیدرولیک:

اندازه خط نهایی باید در محاسبه هیدرولیک تعیین شود. به منظور به حداقل رساندن تجزیه و تحلیل دقیق، دستورالعمل های زیر برای اندازه گیری عملی خطوط مفید است. جداول 2 تا 4 افت فشار عملی و سرعت عملی را برای هر سرویس نشان می دهد.

جدول-2: افت فشار و سرعت عملی برای خدمات مایع

جدول-3: افت فشار و سرعت عملی برای سرویس گاز و بخار

جدول-4: افت فشار و سرعت عملی برای خدمات شهری

3.4 طول معادل لوله کشی

3.4.1 برآورد طول معادل برای محاسبه هیدرولیک:

(1) طول معادل لوله‌کشی: در صورت در دسترس نبودن، طول معادل باید از طرح لوله‌کشی گرفته شود، طول باید از نقشه پلات گرفته شود و طول معادل (Le) لوله‌کشی بر اساس مستقیم تخمین زده شود. طول (Ls) به شرح زیر است:

منطقه فرآیند: 3.0 برابر طول مستقیم (قابل تغییر بر اساس مشخصات پروژه)

خطوط روی قفسه لوله: 1.5 برابر طول مستقیم برای دمای بیش از 100 درجه سانتیگراد و 1.2 برابر طول مستقیم برای دمای کمتر از 100 درجه سانتیگراد (قابل تغییر بر اساس مشخصات پروژه).

توصیه می شود تعداد زانوها، سه راهی ها و سوپاپ ها را بشمارید و طول معادل را با فرض طرح لوله برای اندازه بزرگ یا لوله کشی با فشار بالا ارزیابی کنید.

(2) خط مکش پمپ: هنگامی که طرح لوله در دسترس نیست، طول معادل خط مکش پمپ باید حداقل 50 متر برای پمپ های فرآیندی و پمپ های شهری در نظر گرفته شود.

(3) حلقه انبساط: حلقه های انبساط حرارتی معمولاً برای خطوط خدمات طولانی و با دمای بالا مانند خط بخار HP و خط شعله ور تنظیم می شوند. از آنجایی که حلقه های انبساط طول معادل را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند، اگر تعادل فشار در اندازه لوله انتخاب شده محکم باشد، بخش Piping را برای اعداد مورد انتظار تأیید کنید.

3.5 داده های افت فشار

3.5.1 افت فشار ابزار برای محاسبه هیدرولیک:

(1) اگر افت فشار تخمینی برای دستگاه موجود است، از آن در محاسبات هیدرولیک استفاده کنید. اگر نه، از افت فشار مجاز استفاده کنید.

(2) اگر داده های افت فشار برای یک ابزار در دسترس نباشد، داده ها (برای سرویس ویسکوزیته پایین) ممکن است به صورت زیر فرض شود:

دهانه جریان 0.2 kgf/cm2
لوله ونتوری 0.02 کیلوگرم بر سانتی متر مربع
روتامتر 0.2 kgf/cm2
جابجایی‌سنج مثبت 0.6 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع (صفحه‌کننده شامل)
توربین متر 0.5 کیلوگرم بر سانتی متر مربع (صفحه کن)

(3) برای سرویس با ویسکوزیته بالا (μ > 1cP) یا سیال غیر نیوتنی، افت فشار باید از منابع موجود مانند اطلاعات فروشنده محاسبه یا ارزیابی شود.

3.5.2 افت فشار اجزای لوله برای محاسبه هیدرولیک:

(1) صافی مکش پمپ

افت فشار یک صافی دائمی باید به صورت زیر در نظر گرفته شود.

0.5 متر برای سرویس کثیف

0.3 متر برای سرویس تمیز

3.5.3 افت فشار تجهیزات برای محاسبه هیدرولیک:

اگر داده های تخمینی افت فشار برای تجهیزات در دسترس نباشد، افت فشار برای سرویس با ویسکوزیته پایین ممکن است به صورت زیر فرض شود:

مبدل های حرارتی 0.3 – 0.7 kg/cm2

کولرهای هوا

0.3 – 0.5 کیلوگرم بر سانتی متر مربع برای سرویس تمیز

1.0 – 1.5 کیلوگرم بر سانتی متر مربع برای سرویس آلوده

فیلترها 0.7 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

3.5.4 محاسبه هیدرولیک افت فشار شیر کنترل:

معمولاً معیارهای زیر برای شیر کنترل در هنگام محاسبه هیدرولیک استفاده می شود.

(1) یک شیر کنترلی DP باید به عنوان مقادیر بیشتر از موارد زیر تعیین شود.

حداقل 0.7 کیلوگرم بر سانتی متر مربع روی حلقه پمپ
8 درصد دبی پمپ
[(1.1135 x (حداکثر جریان/جریان نرمال)) 2-1] x ΔPاصطکاک، که در آن نسبت حداکثر دبی به دبی معمولی عامل طراحی بیش از حد است
33 درصد اصطکاک ΔP

3.6 مدار هیدرولیک و برگه محاسبه

شکل زیر یک مدار هیدرولیک را نشان می دهد،

یک مدار هیدرولیک معمولی

(2) برگه های داده زیر باید در نتیجه محاسبه هیدرولیک تهیه شود.

نمودار جریان هیدرولیک
تعادل فشار
الگوی جریان برای جریان دو فاز

(2) برگه داده باید شامل اطلاعات زیر باشد.

اندازه خطوط، تجهیزات منبع (فشار و ارتفاع آن)، مکش و فشار تخلیه پمپ، تجهیزات در خط تخلیه پمپ، فشار ورودی و افت فشار آنها، فشار ورودی و خروجی شیر کنترل، مقصد، فشار و ارتفاع آن.

(3) پارامترهای زیر باید بر اساس نتایج محاسبات هیدرولیک ارزیابی شوند.

– فشار طراحی، فشار عملیاتی، کلاس های خط، اندازه نازل تجهیزات، ارتفاع تجهیزات و غیره.

شکل زیر نمونه ای از ترازنامه هیدرولیک را نشان می دهد.

برگه محاسبه پمپ و خط

برنامه های نرم افزار محاسبه هیدرولیک:

در روزهای قبل، محاسبات هیدرولیک در برگه های محاسباتی اکسل انجام می شد. اما امروزه نرم افزارهای مختلفی برای محاسبات هیدرولیکی بدون خطا ساخته شده است. این نرم افزارها همچنین باعث صرفه جویی در ساعات کار می شوند و محاسبه را سریعتر انجام می دهند. نرم افزارهای رایج محاسبات هیدرولیک که به طور گسترده در صنایع EPC استفاده می شوند عبارتند از: