6.

ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR

Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz
Obsah článku:
Úvod   6.3
Popis vzniku tlakové ztráty a změn ostatních stavových veličin tekutiny při škrcení   6.3
Využití efektu škrcení v labyrintových ucpávkách   6.5
Regulační ventily   6.9
Redukční ventily a redukční stanice   6.13
Škrcení v průřezových průtokoměrech   6.15
Hydraulické vyvažování potrubí pomocí škrcení   6.16
Úloha 1: Výpočet kinetické energie a entalpie plynu   6.16
Úloha 2: Výpočet škrcení páry   6.16
Úloha 3: Výpočet labyrintové ucpávky   6.16
Odkazy   6.17
Přílohy   6.18
6.2
Autor:
ŠKORPÍK, Jiří
Datum vydání:
Leden 2006, červen 2023 (2. vydání)
Název:
Škrcení plynů a par
Název periodika:
Transformační technologie (on-line pokračující zdroj natransformacni-technolgie.cz; fluid-dynamics.education; fluid-dynamics.education; stirling-engine.education)
ISSN:
1804-8293

Copyright©Jiří Škorpík, 2023
Všechna práva vyhrazena.

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.3

Úvod

Definice škrcení

Tlaková ztráta

Škrcení je termodynamický děj, při kterém dochází k trvalé tlakové ztrátě1. proudící tekutiny a nárůstu entropie. Tekutina při škrcení nekoná vnější práci – pouze dochází k disipaci energie.

Škrcení vs. tlaková ztráta v potrubí

O škrcení plynů a par hovoříme tehdy, dochází-li k tlakové ztrátě na velmi krátkém úseku v důsledku silného víření, například v kanálu s prudkou změnou průtočného průřezu [Kalčík and Sýkora, 1973]. Se škrcením se v technické praxi setkáváme velmi často, většinou se jedná o děj nežádoucí, například ve ventilech, ale jsou i případy, ve kterých škrcení plní užitečnou funkci, např. se pomocí škrcení snižuje únik plynů v labyrintových ucpávkách nebo redukuje tlak plynu.

Popis vzniku tlakové ztráty a změn ostatních stavových veličin tekutiny při škrcení

Výsledkem škrcení je vždy tlaková ztráta, ale projevem škrcení jsou i změny teploty, která se může zvyšovat i snižovat, což je označováno jako Joulův-Thomsonův jev.

Mechanismus škrcení clonou

Koutové víry

Entropie

Vnitřní tepelná energie

Vznik tlakové ztráty je dobře patrný při průtoku tekutiny clonou. Clona je náhlé zúžení průřezu potrubí (Obrázek 1), takže v ní dojde ke zvýšení rychlosti proudící tekutiny. S nárůstem rychlosti musí klesat tlak ze zákona zachování energie, u plynů dojde i k poklesu teploty. Před a za clonou se vytváří víry, ve kterých částice tekutiny proudí jinou rychlostí než v hlavním proudu a proto má tento vír i jinou teplotu než hlavní proud. Tento teplotní rozdíl umožňuje sdílení tepla mezi těmito dvěma rozdílnými proudy, což je typický nevratný proces způsobující nárůst entropie pracovní tekutiny, při kterém se celkový tlak pracovní látky nemůže vrátit do původního stavu, tj. před clonou. Takže i když se postupně rychlost za clonou snižuje a tedy tlak roste, nemůže celkový tlak dosáhnout původních hodnot, protože část tlakové energie se transformovala na vnitřní tepelnou energii tekutiny.

1:
Škrcení tekutiny vloženou clonou – vznik trvalé tlakové ztráty
OP-clona (orfice plate). l [m] délka úseku ovlivněného úseku; p [Pa] tlak; Lp [Pa] tlaková ztráta na sledovaném úseku. Index i označuje počáteční stav tekutiny, index e konečný stav tekutiny (na konci úseku/sledovaného děje).
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.4

Škrcení kapalin

Tlaková ztráta při škrcení kapalin je méně výrazná než při škrcení plynů, protože teplotní změny jsou u kapalin mnohem menší než u plynů.

h-s diagram škrcení

Při škrcení je celkový energetický obsah, respektive celková entalpie tekutiny, konstantní, viz h-s diagram celého procesu škrcení plynu na Obrázku 2. V tomto případě při škrcení plynu dochází nejen k poklesu tlaku ale ke změně teploty a měrného objemu, respektive hustoty, takže ve výsledku může být rychlost za clonou o něco vyšší než před clonou.

2:
Energetická bilance škrcení plynu vloženou clonou
k-průběh stavových veličin plynu během škrcení. h [J·kg-1] měrná entalpie; hs [J·kg-1] měrná celková entalpie tekutiny; s [J·kg-1·K-1] měrná entropie; t [°C] teplota; V [m·s-1] rychlost plynu; v [m3·kg-1] měrný objem. Index s označuje celkový stav tekutiny. Rovnost celkových entalpií je odvozena z Prvního zákona termodynamiky pro otevřený systém, odvození je provedeno v Příloze 4.

Změna kinetické energie při škrcení

Při škrcení bývá změna kinetické energie plynu v důsledku zvětšení měrného objemu plynu pro většinu případů nevýznamná, přitom pojmem "většina případů" bývá myšleno proudění cca do 40 m·s-1 (lze tvrdit pro běžné stavy plynů – teplota nad 200 K) a lze psát hihe. Přičemž platí, že čím větší je tlak plynu, tím větší entalpie, a tím menší je podíl kinetické energie, viz Úloha 1.

Úloha 1:

Kinetická energie páry

Entalpie páry

Porovnejte mezi sebou měrnou entalpii a měrnou kinetickou energii přehřáté vodní páry proudící v potrubí. Teplota páry je 120 °C, tlak atmosférický, rychlost proudění 30 m·s-1. Účelem této úlohy je porovnat mezi sebou měrnou entalpii páry a její kinetickou energii při nízkých rychlostech. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1.
Postup řešení Úlohy 1
1.   zadání:   pi; xi; pe 3.   odečet:   h
2.   výpočet:   ek 4.   porovnání:   ek vs h
ek [J·kg-1] kinetická energie 1 kg páry

Joulův-Thomsonův jev

Změna teploty při škrcení

Joulův-Thomsonův jev při škrcení reálných plynů je způsoben změnou tepelné kapacity plynu, která je funkcí tlaku a teploty. To znamená, že i při stejné entalpii musí být po škrcení teplota plynu jiná než před škrcením, viz Rovnice 3. Tento jev u ideálních

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.5

plynů s konstantní hodnotou tepelných kapacit teorie škrcení neočekává a případné změny teploty jsou způsobeny pouze změnou kinetické energie.

3:
Škrcení reálného plynu vloženou clonou – změna teploty a tlaku zobrazené v <i>h</i>-<i>s</i> diagramu
Pro přehlednost není vliv rychlosti plynu v těchto rovnicích uvažován. Cp [J·K-1·kg-1] tepelná kapacita 1 kg plynu při stálém tlaku; t [°C] teplota.

Inverzní křivka

Například při škrcení vodní páry je zcela běžné, že se její teplota snižuje, což je dobře patrné v h-s diagramu H2O [Mareš et al., 1999]. Ovšem každý reálný plyn má oblasti, kde platí opak, tj. při škrcení se plyn ohřívá. Oblasti ohřívání od oblasti chlazení rozděluje v p-t diagramu tzv. inverzní křivka, přičemž na této křivce se plyn chová při škrcení jako ideální plyn, více v [Kalčík and Sýkora, 1973, s. 202].

Změna skupenství při škrcení

Jestliže při škrcení dojde ke změně skupenství lze očekávat také změnu teploty i u ideálních plynů, viz Úloha 2.

Úloha 2:

Škrcení mokré páry

Mokrá pára o tlaku 20 bar a suchosti 0,96 je seškrcena na sytou páru. Určete teploty na začátku a konci škrcení a přírůstek entropie při škrcení. Děj zakreslete do h-s a T-s diagramu. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 2.
Škrcení mokré páry
x [1] suchost páry; T [K] absolutní teplota. i'-bod syté kapaliny; i''-bod syté páry.
Postup řešení Úlohy 2
1.   zadání:   V; t; p 3.   výpočet:   hi
2.   odečet:   ti; h'i; h''i 4.   odečet:   te

Využití efektu škrcení v labyrintových ucpávkách

Princip labyrintové ucpávky

Konstrukce labyrintové ucpávky

Pomocí škrcení lze vytvořit velkou tlakovou ztrátu na krátkém úseku. Toho se využívá k bezdotykovému utěsnění hřídelů formou labyrintových ucpávek. Labyrintovou ucpávku si lze představit i jako sériové zapojení několika clon, tak aby v důsledku zvýšení tlakové ztráty došlo i ke snížení hmotnostního průtoku ucpávkou. Na Obrázku 4 je typická konstrukce

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.6

labyrintové ucpávky za účelem vysvětlení její funkce. Plyn proudí zleva doprava z prostoru o tlaku pi nejprve zúženým prostorem mezi vrcholem břitu a statorem, kde se část entalpie plynu transformuje na kinetickou energii. V prostoru mezi břity (v komůrce) dochází k víření plynu a velké tlakové ztrátě – ke zvýšení měrného objemu plynu a k zahlcení ucpávky. Tímto způsobem dochází k postupnému snižování tlaku až na tlak za posledním břitem pe. Přičemž množství uniklého pracovního plynu v ucpávce je přímo úměrné velikostí mezer δ.

4:
Princip labyrintové ucpávky
(a) konstrukce pravého labyrintu; (b) nepravý labyrint. 1-břit z tenkého plechu; 2-temovací drát; C-tzv. komůrka (chamber); S-stator (skříň stroje); R-rotor. dS, dR [m] průměr statoru, respektive rotoru; Δ [m] šířka břitu; δ [m] minimální mezera mezi břitem a statorem.

Princip ideální labyrintové ucpávky

Fannova křivka

V ideální labyrintové ucpávce by docházelo k úplnému maření kinetické energie izoentropické expanze na vrcholech břitů v jednotlivých komůrkách, respektive rychlost v komůrce by odpovídala jejímu průtočnému průřezu a tlaku, který je na vrcholu vstupního břitu, viz Obrázek 5. Tímto způsobem postupně klesá tlak a roste měrný objem plynu. Podle [Dejč, Michail, 1967, s. 330] lze dokázat, že křivky b a k na tomto obrázku jsou mimo jiné tzv. Fannovy křivky1.. Mezi tyto dvě křivky se zakreslí jednotlivé procesy, z čehož vyjde počet břitů. Počet břitů se zaokrouhluje nahoru na celé číslo, viz Úloha 3(b), ve které je použito ještě jedno zjednodušení.

5:
Průběh maření kinetické energie v ideální labyrintové ucpávce
h-s diagram ideální labyrintové ucpávky s 5 břity, ve které probíhá škrcení z tlaku pis do tlaku pe. s-průběh změny statického stavu plynu během škrcení; K-křivka stavů plynu na vrcholech břitů; C-křivka stavů plynu v komůrkách (mezi břity). A [m2] průtočný průřez; m [kg·s-1] hmotnostní průtok. Indexy K označují stavy plynu na vrcholcích břitů (knife-edges), tj. v nejmenších průřezech a indexy C stavy plynu v komůrkách.
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.7

Výpočet reálné labyrintové ucpávky

Aurel Stodola

Carl Pfleiderer

Ve skutečnosti škrcení plynu v labyrintové ucpávce neprobíhá ideálně, ale v jednotlivých komůrkách je podobné situaci z Obrázku 2. To znamená, že hmotnostní tok ucpávkou by měl být jiný než u ideální ucpávky (odchylka záleží na typu konstrukce labyrintu a na jaké straně inverzní křivky pracovního plynu škrcení probíhá). Proto se měří účinnost jednotlivých konstrukcí labyrintových ucpávek, pomocí které se zvýší výsledný počet břitů nebo lze také použít poloempirické vztahy, nejčastěji odvozené Stodolou a Pfleidererem, pro výpočet počtu břitů, viz Úloha 3(a). Vztahy odvozené Stodolou jsou uvedeny například v [Krbek et al., 1999, s. 110], [Škopek, 2007, s. 60]. Výpočet ucpávek podle Pfleiderera je uveden v [Pfleiderer and Petermann, 2005, s. 286], kde jsou uvedeny i další tvary bezdotykových ucpávek (hladká hřídel, šroubovicové těsnění atp.).

Úloha 3:

Výpočet labyrintové ucpávky

Vypočítejte hmotnostní průtok labyrintovou ucpávkou parní turbíny, jestliže tlak před ucpávkou je 1 MPa, za ucpávkou 0,1 MPa, teplota páry před ucpávkou 260 °C, počet břitů 10 s plochým koncem, střední průměr těsnící kruhové spáry hřídele je 350 mm, velikost mezery mezi břitem a statorem je 0,2 mm, šířka břitu je 2 mm. Výpočet proveďte za (a) podle nějakého dostupného výpočtového modelu reálné ucpávky; (b) podle teorie ideální ucpávky. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 3.
Postup řešení Úlohy 3
1.   zadání:   pi; pe; ti; Z; d; δ; Δ
  (a)     (b)  
2.   výpočet:   ε; f 6.   odečet:   κ; vi; ε*sχmax
3.   porovnání:   ε vs f 7.   výpočet:   AKpi·vi
4.   odečet:   μ z obr. 6.2 [Krbek et al., 1999, s. 110]; vi 8.   odhad:   m
5.   výpočet:   AK; m 9.   výpočet:   p*K,n; vC,n-1; m*K,n; pK,n
    10.   porovnání:   pK,10 vs. pe, jestliže pK,10 bude roven tlaku pe nebo roven p*K,10 odhad m na ř. 8 je správný, jinak nutná další iterace od ř. 8.
f [1] kontrolní faktor; ε [1] tlakový poměr statických tlaků; ε*s [1] kritický tlakový poměr k celkovému tlaku před tryskou; κ [1] poměr tepelných kapacit; μ [1] průtokový součinitel ucpávky; χmax [1] maximální hodnota průtokového faktoru. Varianta (a) je počítána podle postupu uvedeného v [Krbek et al., 1999, s. 110].
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.8
Obrázek k Úloze 3

Konstrukce labyrintové ucpávky

Pravý labyrint

Nepravý labyrint

Voštiny

Břity labyrintových ucpávek mohou být vyráběny například z plechu, který je zatemován do rotoru nebo statoru, viz Obrázek 4. Břity také mohou být vysoustruženy přímo v hřídeli, mohou být na prstencích, které se připevňují na hřídel nebo dělené prstence připevňované na stator. Používají se také voštinové tvary komůrek apod.

Kartáčové ucpávky

Mimo klasické labyrintové ucpávky se používají ucpávky kartáčové. Nicméně princip funkce je týž, a jde o to vyvolat škrcení unikajícího plynu. Kartáčové ucpávky se také často kombinují s labyrintovými systémy.

Materiál ucpávek

Materiál břitu bývá vždy měkčí než materiál protistěny, o kterou během provozu může zavadit. Břit z měkčího materiálu se třením o stěnu z tvrdšího materiálu "obrousí" a nemusí tak dojít k nehodě, respektive k zadření hřídele nebo k poškození statoru – stačí vyměnit břit. Břity mohou mít i povlak z velmi měkkého materiálu. Mezera mezi břitem a stěnou se pohybuje (při provozu) v řádech desetin mm v důsledku kmitání hřídele a případně teplotní roztažnosti.

Vyšlehání ucpávek

Únik plynů přes labyrintové ucpávky se může měnit v důsledku poškození či opotřebení břitů (vyšlehání ucpávek) – funkce ucpávky se snižuje i pouhým zaoblením hrany břitu. Prodloužení intervalu opravy ucpávek lze dosáhnout přidáním dalších břitů [Škopek, 2007].

Zapojení labyrintové ucpávky

Mimo velmi jednoduchého provedení labyrintové ucpávky, kdy tekutiny z vnitřku stroje uniká do okolí nebo naopak, se používají labyrintové ucpávky s napojením na odsávání nebo naopak na zahlcování.

Odsávání plynu z ucpávky

Napojení labyrintové ucpávky na odsávání unikající tekutiny se provádí za účelem aby pracovní tekutina nekontaminovala

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.9

okolí stroje, nebo aby se ušetřila pro další použití. Odsávání znamená, že v odsávacím potrubí musí být nižší tlak, než je tlak okolního vzduchu, takže z druhé strany ucpávky je odsáván i vzduch, viz Obrázek 6. V případě parních turbín se potřebný podtlak vytvoří pomocí kondenzátoru ucpávkové páry. Pokud chceme odsávanou pracovní tekutinu ještě využít, musíme z ní vzduch odstranit, například u parních turbín se velmi čistá odsávána pára z ucpávek zbavuje vzduchu v kondenzátorech ucpávkové páry pomocí ejektorů (vývěv).

6:
Základní zapojení ucpávkové páry parních turbín
vlevo-zapojení na přetlakové části turbíny (tlak páry uvnitř stroje je vyšší než atmosférický); vpravo-zapojení na podtlakové části turbíny (tlak páry uvnitř stroje je nižší než atmosférický); pat [Pa] tlak okolí, v tomto případě atmosférický; 1-odsávání páry a přisátého vzduchu z ucpávek do ucpávkového kondenzátoru; 2-přívod zahlcovací páry.

Zahlcování ucpávky

Jestliže ve stroji je podtlak, pak k zabránění vniku vzduchu do stroje přes ucpávku se používá tzv. zahlcovací tekutina (obvykle je totožná s pracovní tekutinou), která je přiváděna do prostoru mezi počátkem a koncem ucpváky, viz Obrázek 6-vpravo. Tato zahlcovací tekutina má vyšší tlak než okolní vzduch, takže proudí směrem do stroje i směrem ze stroje – tím je zajištěno, že do stroje nepronikne vzduch. Aby nedošlo ke ztrátě velkého množství zahlcovací tekutiny do okolí přes ucpávku, tak je někde před koncem labyrintové části ucpávky odsávána společně s části vzduchu.

Regulační ventily

Účel regulačního ventilu

Hlavní funkcí regulačního ventilu je regulovat průtok za vzniku co nejmenší tlakové ztráty, respektive škrcení. Dalšími požadavky na regulační ventil jsou malá ovládací síla, velikost, těsnost, životnost a cena. Nicméně, ne vždy, lze vyhovět všem požadavků kladeným na regulační ventily a podle převažujícího

7:
Základní typy regulačních ventilů
(a) jednosedlové ventily; (b) ventil s difuzorem; (c), (d) dvousedlové ventily – varianta (c) je vhodnější pro plynulou regulaci, varianta (d) pro systém otevřeno/zavřeno). 1-regulační orgán (v tomto případě kuželka); 2-difuzor.
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.10

požadavku rozlišujeme jednosedlové ventily, ventily s difuzorem, dvousedlové ventily a několik jejich variant provedení, viz Obrázek 7. Požadavkem na regulační ventil je predikce průtoku ventilem podle jeho otevření, což se obvykle stanovuje pomocí průtokového součinitele armatury.

Jednosedlové ventily

Jednosedlový ventil (Obrázku 7a) reguluje průtočný průřez jedním regulačním orgánem. Přivřením ventilu se sníží průtok a zvýší tlaková ztráta, respektive sníží se tlak za ventilem, což je způsobeno nehomogenním prouděním v oblasti nejužšího průřezu a vířením. Tlaková ztráta při částečně otevření ventilu je mnohem větší, než když je kuželka zcela vysunuta (proto se těmto ventilům také říká škrtící regulační ventily, zvláště prvnímu v řadě). Aby nevznikaly velké tlakové ztráty tak nejvyšší rychlosti proudění ve ventilu (například při regulaci průtoku páry) mohou být jen cca do 50...70 m·s-1. To vede na velké průtočné průřezy ve ventilech a poměrně velké plochy kuželky jednosedlového ventilu, čímž se zvyšuje ovládací síla potřebná ke zdvihu kuželky. Jednosedlový regulační ventil se používá například k regulaci malých parních turbín.

Ventily s difuzorem

Přidáním difuzoru za hrdlo ventilu (Obrázek 7(b), Obrázek 8) se dynamický tlak proudu plynu přeměňuje postupným

8:
Regulační ventil s difuzorem parní turbíny
Regulační ventil s difuzorem parní turbíny: Výrobce PBS. Obrázek: [Michele, 2010, s. 59].
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.11

zpomalením v difuzoru na statický tlak bez většího nárůstu entropie, takže se sníží tlaková ztráta ventilu. Rychlost proudění lze zvýšit na 100 až 150 m·s-1. Tyto vlastnosti umožňují při stejném průtoku zmenšit průřez ventilu (vzhledem k ventilu bez difuzoru), což zmenšuje potřebnou sílu na ovládání vřetene ventilu.

Nenávrhový stav ventilu s difuzorem

Nevýhodou ventilu s difuzorem jsou efekty způsobené při nenávrhovém stavu5., zvláště při výrazně nižších protitlacích než návrhových. Při poklesu protitlaku se může v hrdle ventilu nastavit kritické parametry proudění. V těchto případech se difuzor chová jako Lavalova tryska při nenávrhových stavech a v difuzoru, nebo za ním, může docházet ke vzniku rázových vln. To může způsobit vibrace ventilu a zařízení, které se za ventilem nachází případně i poškození ventilu a zvýšení ztrát. Při malých průtocích také vznikají velké víry iniciované zpětným prouděním pracovní látky za difuzorem zpět do difuzoru, tj. podobný efekt jako při odtržení mezní vrstvy od stěny difuzoru. Nepříjemným efektům v difuzoru při nízkých průtocích lze předejít zkrácením difuzoru. Na druhou stranu čím větší provozní rozsah ventilu je požadován, respektive čím kratší difuzor, tím větší budou ztráty spojené s krátkým difuzorem.

Dvousedlové ventily

Dvousedlové regulační ventily na Obrázku 7c-d mají oproti jednosedlovým výslednou sílu působící na vřeteno ventilu mnohem menší (síly působící na jednotlivé kuželky působí proti sobě). Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady ventilu a problematická těsnost, i když obecně platí, že žádný typ regulačního ventilu většinou nelze dokonale uzavřít a potrubní trasa musí být opatřena i uzavíracími armaturami.

Průtok ventilem

Charakteristika ventilu

Především pro automatickou regulaci průtoku je důležitá znalost průtoku a tlakové ztráty ventilu v závislosti na velikosti jeho otevření. K tomu se používají rovnice ventilu, které jsou funkcí tlakové ztráty ventilu, hustoty tekutiny a tzv. průtokového součinitele armatury Kv, který lze odečíst z charakteristiky ventilu, což je závislot průtokového osučinitele armatury Kv na zdvihu vřetena armatury, viz Obrázek 9(c).

Průtokový součinitel armatury Kv, Kvs, Kv100

Průtokový součinitel armatury pro nestlačitelné tekutiny je objemový průtok ventilem, při referenční hustotě pracovní tekutiny a referenční tlakové ztrátě platný pro konkrétní polohu vřetena ventilu, viz Rovnice 9(a). Z praktických důvodů většinou výrobci armatur do průtokového součinitele armatury Kv zahrnují

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.12

i referenční konstanty, viz Rovnice 9(b). Rozlišujeme okamžitý průtokový součinitel armatury pro daný zdvih regulačního orgánu Kv, průtokový součinitel pro případ plně otevřeného ventilu (H=Hmax) garantovaný výrobcem Kvs a skutečný průtokový součinitel naměřený při plném otevření ventilu Kv100 (je povolena odchylka od Kvs v rozmezí ±10 %). V ideálním případě platí rovnost Kv100=Kvs.

9:
Určení průtoku regulačním ventilem z charakteristiky ventilu
(a) fyzikálně přesná definice průtokového součinitele armatury Kv; (b) praktická definice průtokového součinitele armatury Kv; (c) příklad charakteristiky ventilu. Kv [m3·s-1] průtokový součinitel armatury; Kv100 [m3·s-1] průtokový součinitel armatury při plném otevření ventilu; Q [m3·s-1] objemový průtok ventilem; Δpref [Pa] tlakový rozdíl (ztráta) na ventilu při referenčním měření (obvykle 100 000 Pa); Δp [Pa] skutečná tlakový rozdíl na ventilu; ρ [kg·m-3] hustota tekutiny na vstupu do ventilu; ρref [kg·m-3] hustota tekutiny na vstupu do ventilu při referenčním měření (např. hustota vody obvykle při 15 °C); H [m] zdvih regulačního orgánu; H100 [m] maximální zdvih regulačního orgánu (ventil je plně otevřen). Odvození je uvedeno v Příloze 5.

Tlaková ztráta ventilu

Tlaková ztráta ventilu je měřena, pokud výrobce nestanoví jinak, mezi dvěma body nacházející se ve vzdálenosti 2·d před ventilem a 6·d za ventilem, kde d je průměr potrubí, aby víry vznikající při průtoku ventilem neovlivňovaly měření.

Charakteristiky ventilu

Tvar charakteristiky ventilu je určen tvarem jeho regulačního orgánu (kuželky), takže lze dosáhnout i jiných než lineárních závislostí (např. parabolické), podle určitého požadavku na regulační ventil (vychází z charakteristik zařízení za tímto ventilem více v [Doubrava at al., 2006]).

Průtokový součinitel armatury pro proudění plynů

Průtokový součinitel armatury pro plyny nezávisí pouze na hustotě, ale je funkcí i entalpie plynu. Z těchto důvodů pro výpočet průtoku ventilem nestačí měřit jen tlakovou ztrátu, ale i teplotu. Vztahy pro definici průtokového součinitele armatury pro průtok plynů jsou proto věcí dohody či normy, viz vztahy v např. [Roček, 2002, s. 243], [Doubrava at al., 2006, s. 34].

Výpočet průtoku u tekutin pomocí součinitele průtoku Kv je dostatečně přesný, ale u plynů a par při velkých změnám stavových veličin je výpočet průtoku značně problematický a pokud je nutné sledovat průtok regulační armaturou přesně, tak se raději měří přímo nějakým měřidlem průtoku.

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.13

Redukční ventily a redukční stanice

Důvody k redukci tlaku

V redukčních ventilech je škrcení žádoucí regulovaný děj za účelem redukce tlaku proudícího plynu. Na rozdíl od regulačních ventilů průtoku požadavek na redukční ventily tlaku je snížit tlak. Redukce tlaku se provádí například jestliže je jednotlivým technologiím rozváděna tekutina potrubím o vysokém tlaku a těsně před danou technologií je její tlak redukován na požadovaný. Redukce tlaku se používá i na napájecích větvích tlakových nádob (nádrží), u kterých je požadavek na konstantní tlak. Redukční ventily mají tedy jednoduchou funkci ale jsou klíčové pro správnou funkci navazující technologie, proto také mají odpovídající přesně vymezené umístění v rámci technologie v redukční stanici.

Redukční ventily jsou také důležitou součásti zařízení potřebné k realizaci chladícího oběhu, linek na zkapalňování plynů, svařovacích agregátů a při redukci tlaku zemního plynu.

Princip redukčního ventilu

Redukční ventil využívá škrcení tak, že snižuje nebo zvyšuje průtočný průřez zasouváním a vysouváním regulačního orgánu, což může být například kuželka, válcová děrovaná kuželka či labyrintový škrtící systém [Doubrava at al., 2006].

Membránový ventil

Pohyb regulačního orgánu může být zajištěn servopohonem či pneumaticky na základě informací o tlaku v regulovaném prostoru nebo jiného požadavku z dozorny apod. Nejjednodušší redukční ventily mají ovšem přímou regulační vazbu. Například na Obrázek 10 je tzv. redukční ventil membránový, kde je průtok tekutiny regulován kuželkou. Kuželka je ovládána vřetenem, které reaguje na změnu výstupního tlaku. Výstupní tlak je

10:
Redukční ventil membránový
1-odběr tlaku (odběrové místo nebývá přímo za výstupním hrdlem, ale v místě, kde je nutné udržovat tlak pe např. napájecí nádrž atd.).
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.14

odvozen od předpětí pružiny. Pokud je výstupní tlak nižší než nastavený, převáží síla pružiny nad sílou od tlaku a kuželka se pohne směrem nahoru, tím se zvětší průtočný průřez a průtok plynu. Pokud tlak pe je vyšší než nastavený, působí na pružinu větší síla, tím se stlačí a otvor pod kuželkou se zmenší.

Redukční ventil plynovodu

Redukční ventily pro redukci tlaku hořlavého plynu jsou navíc vybaveny bezpečnostními pojistkami, které uzavřou ventil v případě nežádoucích stavů plynu na výstupu nebo při požáru, takové sestavy se nazývají regulátory tlaku. Na Obrázku 11 je regulátor tlaku hořlavého plynu membránový a pojistkou-g, který na signál odjistí pojistný ventil, který uzavře průchod plynu sedlem škrtícího ventilu. Po uzavření se musí ručně znova natáhnout a otevřít tak průchod plynu sedlem ventilu. Pojistka obvykle funguje na obdobném principu jako vlastní regulátor (membrána s pružinou nastavená na pojistný tlak). Hlavní membrána-a je zdvojena, aby se zamezilo úniku plynu v případě, že jedna praskne, jinak by hrozil únik plynu do oblasti pružiny a případně přes odvětrání-c i únik do okolí. Používají se ale i typy pojistek, které reagují na příliš nízký tlak plynu na výstupu i když je ventil zcela otevřen. Tento stav může nastat pokud tlak v plynovodu klesne pod bezpečnou hodnotu, například když doje k poškození plynovodu nebo spotřebiče za ventilem.

11:
Regulátor tlaku plynu membránový
a-membrána; b-řídící pružina; c-vývod pro odvětrání; d-páka; e-táhlo ventilu; f-ventil; g-bezpečnostní pojistka – existují různé konstrukce podle toho jestli reagují na tlak či změnu teploty, například při požáru.

Redukční stanice

Redukční stanicí se nazývá soubor zařízení s redukčním ventilem opatřený potřebnými armaturami (uzavírací armatura, klapka atd.). Redukčním ventil lze zapojit do režimu redukce tlaku či přepouštění, podle toho na jaké straně ventilu, z pohledu směru proudění, je nutné udržovat tlak, viz Obrázek 12.

12:
Redukční ventil – možnosti zapojení
(a) zapojení redukčního ventilu jako redukční stanice (udržování tlaku pe); (b) zapojení redukčního ventilu do funkce přepouštěcího ventilu (udržování tlaku pi). Platí pi>pe. Záměrné snižování tlaku proudícího plynu je hojně využíváno v průmyslu a energetice.
 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.15

Vícestupňová redukční stanice

Redukční stanici lze rozdělit i do několika stupňů (na několik redukčních ventilů), v každém stupni se sníží tlak o určitou část. V případě sériového zapojení redukčních ventilů (do kaskády) je nutné počítat z obtížemi se synchronizací ovládání redukčních ventilů, proto se používá jen v případech odběrů nižšího tlaku mezi ventily, nebo pokud není dostupný jeden redukční ventil potřebných parametrům. To byl i důvod použití několika vzduchových redukčních ventilů ze svařovacích agregátů zapojených za sebou ke snižování tlaku okysličovadla sovětské raketové stíhačky BI-1 – na podzim 1941 již nebyl čas vyvíjet speciální redukční ventil [Arlazorov, 1981, s. 127].

Redukčně-chladící stanice

Parní redukční stanice často obsahují i zařízení k chlazení páry. Takové zařízení se nazývá redukčně-chladící stanice, která je na Obrázku 13, podrobné schéma zapojení redukčně-chadící stanice je například v [MIKULA et al., 1974]. Redukčně-chladící stanice obsahuje za redukčním ventilem ještě vstřikovací hlavice obvykle s ejektorem, ve kterém je hnacím médiem pára. Platí, že čím blíže je chladící voda mezi sytosti, tím rychleji se odpařuje a tím je úsek potrubí, na kterým může dojít ke styku kapek a potrubí kratší.

13:
Redukčně-chladící stanice a <i>h</i>-<i>s</i> diagram popisující probíhající děje
a-škrtící orgán (v tomto případě válcová děrovaná kuželka); b-táhlo ovládání škrtícího orgánu; c-jedna až tři clony, které zvyšují tlakovou ztrátu a snižují hlučnost na principu tlumiče hluku; d-přívod chladicí vody do vstřikovací hlavy; e-vstřikovací a rozstřikovací vodní tryska. h-s diagram: 0-počáteční stav páry; 1-pára po redukci tlaku; 2-pára na výstupu, tj. po redukci tlaku a chlazení; k-křivka přeměny chladící vody v přehřátou páru na stav 2.

Redukce tlaku turboexpandérem

Škrcením a chlazením páry v redukčně-chladících stanicích se snižují parametry páry bez užitku. Proto se, pokud to jde, nahrazují redukčně chladící stanice malými parními turbínami. Takový způsob redukce tlaku se někdy označuje jako točivá redukce. Točivou redukci lze použít nejen u parních sítí, ale používají se i na plynových sítí, kde se nazývají turboexpandéry.

Škrcení v průřezových průtokoměrech

Princip průřezových průtokoměrů

V případech nestlačitelného proudění (u plynů přibližně do 0,3 Mach) se k měření průtoku potrubím používají průřezová měřidla využívající transformace mezi tlakovou a kinetickou

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.16

energii při proudění tekutiny zužujícím se průřezem. V nejužším místě měřidla bude podle Bernoulliho rovnice kinetická energie vyšší a tlaková energie nižší než před zúžením. Z rozdílu tlakové energie lze tedy vypočítat kinetickou energii proudění a následně rychlost, objemový a hmotnostní průtok. Nevýhodou průřezových měřidel je jejich vyšší tlaková ztráta než stejně dlouhého hladkého potrubí, přičemž tlakové ztráty jsou u clon vyšší než u venturiho trubic, ale mají menší zastavěný prostor.

Venturiho trubice

Tryska

Clona

Rovnice pro rychlost v průtokoměru

Mezi průtoková měřidla měřidla patří například Venturiho trubice, clony, trysky, viz Obrázek 14, kde je uvedena i rovnice pro výpočet vstupní rychlosti tektuiny do měřidla na základě změny tlaku. Kompletní výpočet všech tří hlavních typů proudových měřidel včetně konstrukčního návrhu a výpočtu konstanty měřidla K je uveden v [Jarkovský, 1958]. Výpočet proudění clonou také v [Roček, 2002, s. 239].

14:
Průřezová měřidla průtoku nestlačitelné tekutiny
(a) Venturiho trubice; (b) tryska; (c) clona. Δp na obrázcích neznačí vzniklou tlakovou ztrátu, ale rozdíl statických tlaků. Δp [Pa] rozdíl statických tlaků mezi měřenými místy; K [-] součinitel závislý na geometrii měřidla, druhu proudění a zúžení proudu – nutno změřit při kalibraci měřidla [Ďaďo et al., 2005, s. 57], [Roček, 2002, s. 78]. Odvození rovnice rychlosti tekutiny v průřezovém měřidle pro ideální proudění kapaliny je uvedeno v Příloze 6.

Umístění průtokoměru

Podmínkou přesného měření je přímý úsek potrubí

Průtoková měřidla musí být zabudována do přímého úseku potrubí s přesně definovanými délkami uklidňujících úseků před a za měřidlem [Ďaďo et al., 2005].

Měření clonou

Průtokoměry se škrticí clonou jsou robustní a i při velkých průměrech potrubí relativně levné. Clonou lze měřit průtok většiny čistých tekutin. Clony jsou náchylné na opotřebení, které může být způsobeno abrazivními částicemi unášené tekutinou. To může ovlivnit tlakovou diferenci odpovídající určitému průtoku.

Průtok při kritickém proudění

Velice jednoduché je měření průtoku plynu, pro případ kritického proudění (dojde k němu v nejužším místě například u pojistných ventilů). V takovém případě stačí znát průtočný průřez, tlak a hustotu před nejužším průřezem a dopočítat průtok z rovnice pro kritický průtok tryskou4..

Hydraulické vyvažování potrubí pomocí škrcení

Hydraulické vyvažování vzduchovodů

Škrtící vložka

Hydraulické vyvažování pomocí škrcení se používá zvláště u vzduchotechniky. Skutečný tlakový odpor vzduchovodů se ne vždy daří předem určit, proto se již při jeho stavbě počítá

 ŠKRCENÍ PLYNŮ A PAR
6.17

s dodatečným vložením škrtící vložky, viz Obrázek 15a, která například zajistí rovnoměrné proudění vzduchu v několika větvích rozvodu trvale vytvářenou tlakovou ztrátou (na větvi, která má menší odpor než okolní). Případně se na sání vzduchovodu mohou vložit některé z typů sacích ventilů s nastavitelnou tlakovou ztrátou Obrázek 15(b).

15:
Škrtící vložka a ventil v rozvodu vzduchu k záměrnému vytvoření tlakové ztráty Δp
(a) škrtící vložka; (b) nasávací ventil vzduchovodu s regulovatelným (na závitu) průtokem, respektive Lp.

Vyvažovací armatury

Na potrubních trasách kapalin mohou být vloženy škrtící ventily s nastavitelnou tlakovou ztrátou, tzv. vyvažovací armatury. Používají se především na rozvodech malých průtoků, na kterých je předimenzován (z různých důvodů) výtlačný tlak čerpadla.

Odkazy

ŠKORPÍK, Jiří, 2019, Technická termomechanika, Transformační technologie, Brno, [on-line], ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/43.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2022, Úvod do lopatkových strojů, Transformační technologie, Brno, [on-line], ISSN 1804-8293. Dostupné z https://turbomachinery.education/uvod-do-lopatkovych-stroju.html.
ARLAZOROV, Michail, 1981, Konstruktéři, Naše vojsko, Praha.
ĎAĎO, Stanislav, BEJČEK, Ludvík, PLATIL, Antonín, 2005, Měření průtoku a výšky hladiny, BEN – technická literatura, Praha. ISBN 9788073001568.
DEJČ, Michail, 1967, Technická dynamika plynů, SNTL, Praha.
DOUBRAVA, Jiří, DYTRT, V., KLIMEŠ, M., MAREK, V., NOVOTNÝ, O., SUCHÁNEK, T., ŠALDA, M., 2006, Regulační armatury, LDM, spol. s r.o., Česká Třebová.
JARKOVSKÝ, Eduard, 1958, Základy praktického výpočtu clon, dýz a trubic Venturiho, Státní nakladatelství technické literatury, Praha.
KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel, 1973, Technická termomechanika, Academia, Praha.
KRBEK, Jaroslav, POLESNÝ, Bohumil, FIEDLER, Jan, 1999, Strojní zařízení tepelných centrál-Návrh a výpočet, PC-DIR Real, s.r.o., Brno, ISBN 80-214-1334-4.
MAREŠ, Radim, ŠIFNER, Oldřich, KADRNOŽKA, Jaroslav, 1999, Tabulky vlastností vody a páry, podle průmyslové formulace IAPWS-IF97, VUTIUM, Brno, ISBN 80-2141316-6.
MIKULA, Julius, KOČKA, Jaroslav, ŠKRAMLÍK, Emanuel, ŠTAUBER, Zdeněk, VESELÝ Adolf, OBR, Jan, 1974, Potrubí a armatury, Státní nakladatelství technické literatury, Praha.
PFLEIDERER, Carl, PETERMANN, Hartwig, 2005, Strömungsmaschinen, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, ISBN 3-540-22173-5.
ROČEK, Jaroslav, 2002, Průmyslové armatury, INFORMATORIUM, Praha, ISBN 80-7333-000-8.
ŠKOPEK, Jan, 2007, Parní turbína-tepelný a pevnostní výpočet, Západočeská uneverzita v Plzni, Plzeň, ISBN 978-;80-7043-256-3.
©Jiří Škorpík, LICENCE