Při regulaci průtoku či tlaku média skrčením pomocí regulačních armatur se dostáváme často do oblastí, kde již nestačí použít nejjednodušší typy regulačních ventilů s tvarovou (parabolickou) kuželkou a samozřejmě ani běžné typy uzavíracích armatur, jako jsou kulové kohouty či klapky. Co se děje uvnitř ventilu s děrovanou kuželkou můžeme posoudit na následující sérii obrázků, kde je znázorněno vždy ve dvojici trajektorie částic média s barevně odlišenou velikostí rychlosti a rovněž tak barevně rozlišená tlaková pole uvnitř ventilu. Stupnice po levé straně definuje vždy rozsahy těchto hodnot. Pro názornost je u tlakového pole použit pro dané médium pokaždé stejný rozsah tlaků, u rychlostí je rozsah proměnný. Dvojice obrázků znázorňují stejný stav při stejných tlakových a teplotních parametrech a liší se potom v závislosti na zdvihu ventilu.

Voda:

Na obr. l až 5 je simulováno proudění vody o teplotě 160 °C, tlak na vstupu ventilu 3,6 MPa, tlak ve výstupním potrubí za ventilem 1,0 MPa. Tlak syté páry při dané teplotě je 0,62 MPa. Na obr. l je pootevřena pouze první řada děr, proud média míří mírně šikmo dolů do vnitřního prostoru kuželky. Je zřetelně vidět, že k redukci tlaku až na výstupní hodnotu dochází prakticky už v jednotlivých dírkách, tzn. že veškerá kinetická i tlaková energie média se eliminuje v této malé ohraničené oblasti. Tmavě modrá barva, která přísluší tlaku média nižšímu než 0,8 MPa, se vyskytuje pouze uvnitř těchto děr. I nadále si budeme více všímat této oblasti, neboť zde se tlak média může dostat pod tlak nasycené páry, čímž dojde ke vzniku parních bublin neboli kavit. Při jejich zániku při následném zvýšení tlaku nad mez nasycené páry dochází k vysokofrekvenčnímu kmitání média, které má destrukční účinek na materiál, se kterým je v kontaktu. Tento fenomén nazýváme kavitace.

Na obr. 2 je již plně otevřena první řada děr, proudy paprsků vody jsou dány směrem vrtání děr. Dochází k většímu rozvoji lokálního maxima tlaku pod dnem kuželky a kavitační oblast zasahuje téměř celý průřez děr.

Na obr. 3 jsou otevřeny první dvě řady děr. Uprostřed kuželky se ve střetu jednotlivých proudů objevuje více vyšších lokálních maxim tlaku a objevují se již první větší oblasti nízkého tlaku s potencionálním nebezpečím vzniku kavitace i mimo vlastní vrtání děr.

Na obr. 4 jsou otevřeny čtyři řady děr. Tlakové pole se stává více chaotické, ve vnitřním prostoru kuželky se objevuje více lokálních maxim i minim tlaku, kde velice pravděpodobně bude docházet ke kavitaci. Všimňete si nicméně, že oblast potencionálně ovlivněná kavitací zůstává stále ohraničena vnitřním prostorem kuželky, který přímo neovlivňuje funkci ventilu a který je vyroben z odolného materiálu. Trajektorie částic se naopak uklidňují a snižuje se víření ve výstupu ventilu. Je také dobře vidět rozvoj sekundárního centra vyššího tlaku na spodní stěně tělesa ventilu, kam dopadá hlavní proud vody směřující z kuželky dolů.

Obr. 5 představuje plné otevření ventilu. Vlivem zvýšeného protitlaku daného hydraulickým odporem výstupní části tělesa dochází k zániku kavitačních oblastí uvnitř vnitřního prostoru kuželky a kavitace se opět omezuje pouze na vnitřní prostor jednotlivých děr. Proudění ventilem se dále uklidňuje.

Pára:

Na obrázcích 6 až 10 je simulováno skrčení přehřáté páry o tlaku 9,5 MPa a teplotě 535 °C na vstupu ventilu, tlak na výstupu 1,1 MPa.

Na obr. 6 je stejně jako v případě podle obr. l pootevřena pouze první řada děr, proud páry míří mírně šikmo dolů do vnitřního prostoru kuželky. Na rozdíl od vody je díky nižší viskozitě déle zachován tvar a směr jednotlivých paprsků a také se hned od počátku vytváří výrazné lokální tlakové maximum v místě jejich střetu. Trajektorie ve výstupním potrubí jsou daleko přímější.

Na obr. 7 je již plně otevřena první řada děr. Stejně jako v předchozím případě je i zde výrazná oblast nižšího tlaku, než je tlak výstupní a zároveň se rozvíjí výrazná tlaková maxima ve střetu jednotlivých proudů. Za povšimnutí stojí i vznik výrazného centrálního proudu, který s vysokou rychlostí dopadá na dno tělesa pod kuželkou. Na obr. 8 jsou otevřeny první dvě řady děr. Dále sílí centrální proud, který teče z výrazného lokálního maxima 6 MPa pod dnem kuželky. Ještě uvnitř kuželky vlivem vysoké rychlosti tlak klesá pod úroveň výstupního tlaku, aby se znovu vyhoupl přes 3 MPa při dopadu na dno tělesa.

 

Na obr. 9 jsou otevřeny již čtyři řady děr. Sílící střední proud zabírá stále větší průřez vrtání kuželky. Tlakové pole se stabilizuje, vlivem stoupajícího protitlaku klesá rychlost proudění a tím i rozdíly mezi tlakovým minimem a maximem.

Na obr. 10 vidíme plné otevření ventilu. Prakticky celý ventil se dostává do vyššího protitlaku a k expanzi na výstupní tlak dochází až při přechodu do výstupního potrubí. Proudění je stabilizované, trajektorie bez výrazného víření, tlakové pole bez výrazných lokálních extrémů. Uvnitř ventilu je patrný další pokles rychlostí.

Závěr

Uvedený článek ukazuje, jak složitá i zajímavá je problematika proudění tak běžných médií, jako je voda a pára, regulačními armaturami. Zároveň je zřejmé, že bez kvalifikované výpočetní i experimentální podpory lze jen těžko dospět k lepšímu pochopení některých jevů.

Simulace byly provedeny programem Fluent 6.2 na výpočet-ním modelu, jehož chování bylo ověřeno měřením na stlačitelném i nestlačitelném médiu. Shoda výpočtu s experimentem byla lepší než 5 %.

Článek byl zveřejněn v časopise Topenářství-instalace a se svolením autorů uveřejněn na našich stránkách