Pri regulácii kvapalín môže na regulačnom ventile dochádzať k výraznému poklesu tlaku. Ak tlak média klesne pod tlak nasýtených pár, časť kvapaliny sa začne meniť na paru a vznikajú parné bubliny.
Od toho, čo sa s týmito bublinami stane ďalej za ventilom, závisí, či hovoríme o kavitácii alebo o flashingu.
Tieto dva javy majú rovnaký začiatok, ale úplne odlišný priebeh. Kým pri kavitácii parné bubliny po obnovení tlaku skolabujú, pri flashingu zostáva tlak za ventilom natoľko nízky, že časť média zostáva v plynnej fáze aj ďalej v potrubí.
Rozlíšenie oboch javov je dôležité pri návrhu regulačného ventilu, voľbe jeho konštrukcie, materiálov aj dimenzovaní potrubia za ventilom.
Čo sa deje s tlakom vo vnútri regulačného ventilu?
Regulačný ventil vytvára riadené škrtenie prietoku.
Pri prechode kvapaliny cez zúžený prierez ventilu sa rýchlosť média zvyšuje a statický tlak klesá. Najnižšiu hodnotu dosahuje tlak v oblasti označovanej ako vena contracta, ktorá sa nachádza v blízkosti najužšieho miesta prúdenia.
Za týmto miestom sa prúd rozširuje, jeho rýchlosť klesá a časť tlaku sa obnovuje.
A práve priebeh tlaku možno zjednodušene opísať tromi hodnotami:
- P₁ – tlak pred ventilom,
- Pvc – minimálny tlak vo vena contracta,
- P₂ – tlak za ventilom.
K tomu potrebujeme poznať ešte Pv – tlak nasýtených pár kvapaliny pri danej teplote.
Vzájomný vzťah týchto tlakov rozhoduje o tom, čo sa bude vo ventile diať.
Kedy vzniká kavitácia?
Kavitácia nastáva vtedy, keď tlak vo vena contracta klesne pod tlak nasýtených pár:
Pvc < Pv
Kvapalina sa začne lokálne odparovať a vytvoria sa parné bubliny.
Za regulačným miestom však tlak opäť vzrastie. Ak sa dostane nad tlak nasýtených pár:
P₂ > Pv
parné bubliny sa stanú nestabilnými a prudko skolabujú.
Práve ich kolaps je charakteristickým znakom kavitácie.
Vznikajú pri ňom lokálne tlakové rázy a mikroprúdy, ktoré môžu postupne poškodzovať povrch kovových častí.
Ako sa kavitácia prejavuje?
Typickými prejavmi môžu byť:
- výrazný hluk,
- praskanie alebo štrkotanie,
- vibrácie,
- poškodzovanie sedla a kuželky,
- erózia vnútorných častí ventilu,
- poškodenie telesa,
- nestabilná regulácia,
- postupná strata tesnosti ventilu.
Pri dlhodobej intenzívnej kavitácii môže mať poškodený kov charakteristický jamkovitý až pórovitý povrch.
Kavitácia teda nie je iba akustický problém. Dokáže výrazne skrátiť životnosť armatúry.
Čo je flashing?
Flashing začína veľmi podobne.
Aj v tomto prípade tlak kvapaliny pri prechode regulačným ventilom klesne pod tlak nasýtených pár:
Pvc < Pv
a časť kvapaliny sa začne meniť na paru.
Rozdiel nastáva za ventilom.
Pri flashingu zostáva aj výstupný tlak pod tlakom nasýtených pár:
P₂ < Pv
Tlak sa teda neobnoví natoľko, aby parné bubliny skolabovali.
Časť kvapaliny zostáva vo forme pary a za ventilom pokračuje dvojfázové prúdenie kvapaliny a pary.
To je zásadný rozdiel oproti kavitácii.
Kavitácia vs. flashing
| Kavitácia | Flashing | |
|---|---|---|
| Pvc klesne pod tlak nasýtených pár | Áno | Áno |
| Vzniká parná fáza | Áno | Áno |
| P₂ sa dostane späť nad Pv | Áno | Nie |
| Bubliny skolabujú | Áno | Nie |
| Za ventilom zostáva dvojfázové prúdenie | Krátkodobo | Áno |
| Typické riziko | implózia bublín, erózia | vysoká rýchlosť a erózia dvojfázovým prúdením |
Najjednoduchšie si rozdiel môžeme zapamätať takto:
Kavitácia: kvapalina → para → opäť kvapalina
Flashing: kvapalina → para + kvapalina → dvojfázové médium pokračuje potrubím
Prečo je flashing problém, keď bubliny nekolabujú?
Mohlo by sa zdať, že keď pri flashingu nedochádza ku kolapsu bublín, je tento jav neškodný.
Nie je.
Pri vzniku pary sa výrazne zväčšuje objem média. Hustota plynnej fázy je podstatne nižšia ako hustota kvapaliny, takže rovnaký hmotnostný prietok potrebuje väčší objemový priestor.
Výsledkom môže byť veľmi vysoká rýchlosť dvojfázovej zmesi za ventilom.
Tá môže spôsobovať:
- intenzívnu eróziu,
- hluk,
- vibrácie,
- opotrebovanie vnútorných častí ventilu,
- poškodzovanie potrubia za ventilom.
Pri flashingu preto nemusí byť kritický iba samotný regulačný ventil. Dôležitá je aj konštrukcia a dimenzovanie potrubia za ním.
Prečo nemožno flashing odstrániť antikavitačným trimom?
Toto je jeden z najdôležitejších praktických rozdielov.
Pri kavitácii sa môžeme vhodnou konštrukciou ventilu snažiť zabrániť tomu, aby lokálny tlak klesol pod kritickú hodnotu, prípadne rozdeliť tlakový spád do viacerých stupňov.
Pri flashingu je situácia iná.
Ak proces vyžaduje, aby bol konečný tlak P₂ nižší ako tlak nasýtených pár Pv, kvapalina je pri týchto podmienkach termodynamicky nútená čiastočne prejsť do plynnej fázy.
Samotný ventil to nedokáže „zakázať“.
Preto pri flashingu riešime predovšetkým:
- správne dimenzovanie ventilu,
- vhodnú geometriu prúdenia,
- odolnosť materiálov,
- rýchlosť média,
- dimenzovanie výstupného potrubia.
Kde sa môže flashing vyskytovať?
Typickou situáciou je redukcia tlaku horúcej kvapaliny.
Predstavme si horúcu vodu pod vysokým tlakom. Vďaka vysokému tlaku zostáva v kvapalnom stave.
Ak cez regulačný ventil prudko znížime tlak, nový tlak za ventilom už nemusí postačovať na udržanie celého média v kvapalnej fáze.
Časť vody sa okamžite odparí.
S flashingom sa preto môžeme stretnúť napríklad pri:
- horúcej vode,
- kondenzáte,
- napájacej vode,
- procesných kvapalinách,
- chemických aplikáciách,
- energetike,
- tlakových redukčných procesoch.
Teplota média je rozhodujúca
Pri posudzovaní oboch javov nestačí poznať iba tlak.
Tlak nasýtených pár Pv je závislý od teploty média.
To znamená, že rovnaká tlaková redukcia môže byť pri jednej teplote úplne bezproblémová a pri vyššej teplote viesť ku kavitácii alebo flashingu.
Preto údaj:
„médium: voda“
na správny návrh ventilu nestačí.
Potrebujeme vedieť aj jej prevádzkovú teplotu.
Prečo je pri flashingu dôležité potrubie za ventilom?
Za ventilom už nepreteká iba kvapalina.
Vzniknutá para výrazne zväčšuje objemový prietok dvojfázovej zmesi.
Ak zostane potrubie príliš malé, môže rýchlosť média prudko narásť.
Výsledkom môže byť:
- vysoký hluk,
- vibrácia potrubia,
- intenzívna erózia,
- poškodzovanie kolien a ďalších prvkov.
Preto môže byť pri flashingu potrebné zväčšiť dimenziu potrubia za regulačným ventilom.
Návrh teda nekončí výberom DN ventilu.
Pozor na koleno bezprostredne za ventilom
Pri dvojfázovom prúdení môže byť veľmi namáhaným miestom prvé koleno za regulačným ventilom.
Rýchlo prúdiaca zmes kvapaliny a pary mení smer a môže intenzívne pôsobiť na vonkajšiu stenu kolena.
Pri nevhodnom návrhu môže práve tu dochádzať k výraznej erózii.
Preto treba pri aplikáciách s flashingom posudzovať celú výstupnú potrubnú trasu, nielen regulačný ventil.
Aké materiály použiť?
Ak nemožno vzniku flashingu zabrániť procesnými podmienkami, dôležitou súčasťou návrhu je odolnosť materiálov.
V závislosti od média a intenzity procesu sa môžu používať:
- odolnejšie materiály trimu,
- tvrdšie materiály sedla a kuželky,
- špeciálne povrchové úpravy,
- materiály odolné voči erózii a korózii.
Samotný odolnejší materiál však nenahrádza správne dimenzovanie.
Ak je rýchlosť dvojfázového média extrémna, ani veľmi kvalitný materiál nemusí zabezpečiť požadovanú životnosť.
A čo viacstupňový regulačný ventil?
Pri aplikáciách s vysokým tlakovým spádom môže byť veľmi účinný viacstupňový trim.
Tlak sa namiesto jedného prudkého poklesu znižuje postupne v niekoľkých stupňoch.
To je obzvlášť užitočné pri prevencii alebo obmedzení kavitácie.
Pri skutočnom flashingu však viacstupňový trim nedokáže zmeniť konečné termodynamické podmienky procesu, ak P₂ zostáva pod Pv.
Preto je dôležité najskôr správne určiť, či riešime kavitáciu alebo flashing.
Ako zistíme, ktorý jav v aplikácii nastane?
Na základné posúdenie potrebujeme poznať minimálne:
- médium,
- teplotu média,
- vstupný tlak P₁,
- výstupný tlak P₂,
- tlak nasýtených pár Pv,
- prietok,
- vlastnosti kvapaliny,
- konštrukciu regulačného ventilu.
Pri presnom návrhu vstupujú do výpočtu aj parametre konkrétneho ventilu a príslušné výpočtové faktory.
Preto nestačí povedať:
„Máme veľký tlakový spád, takže ventil bude kavitovať.“
Rovnaký veľký tlakový spád môže viesť ku kavitácii, flashingu alebo za určitých podmienok ani k jednému z týchto javov.
Častá chyba: riešiť iba poškodený ventil
Ak sa regulačný ventil opakovane poškodzuje, jednoduchá výmena za rovnaký typ nemusí problém vyriešiť.
Pred výmenou je vhodné zistiť:
- kde vzniká minimálny tlak,
- aký je tlak nasýtených pár média,
- či sa tlak za ventilom obnoví,
- či ide o kavitáciu alebo flashing,
- aká je rýchlosť média za ventilom,
- či je správne dimenzované výstupné potrubie,
- či je vhodný materiál trimu.
Až potom možno navrhnúť riešenie, ktoré odstráni príčinu alebo minimalizuje jej následky.
Kavitácia a flashing vyžadujú rozdielny prístup
To je hlavné posolstvo celého článku.
Pri kavitácii sa snažíme zabrániť nekontrolovanému poklesu tlaku a následnému kolapsu parných bublín. Pomôcť môže napríklad vhodne zvolený ventil, viacstupňový alebo antikavitačný trim a správne rozdelenie tlakového spádu.
Pri flashingu už samotné procesné podmienky spôsobujú, že časť kvapaliny zostane za ventilom v plynnej fáze.
Vtedy sa návrh sústreďuje predovšetkým na bezpečné zvládnutie dvojfázového prúdenia, jeho rýchlosti a erózneho účinku.
Zamieňať tieto dva javy preto môže viesť k výberu nesprávneho riešenia.
Záver
Kavitácia a flashing vznikajú podobným spôsobom – pri poklese tlaku kvapaliny pod tlak nasýtených pár. Rozdiel nastáva za regulačným miestom.
Pri kavitácii sa tlak opäť zvýši a parné bubliny skolabujú. Pri flashingu zostáva tlak nízky a časť média pokračuje potrubím ako para.
Tento rozdiel zásadne ovplyvňuje spôsob návrhu regulačného ventilu.
Pri kavitácii je cieľom obmedziť vznik a kolaps parných bublín. Pri flashingu treba počítať s trvalým dvojfázovým prúdením, vyšším objemovým prietokom, vysokými rýchlosťami a rizikom erózie ventilu aj potrubia.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva regulačné a uzatváracie armatúry pre priemyselné aplikácie. Pri návrhu regulačného ventilu vieme na základe média, prietoku, tlakov a teploty pomôcť s výberom vhodnej dimenzie, konštrukcie a materiálového vyhotovenia.