Springen naar inhoud

Snelheid stikstof


  • Log in om te kunnen reageren

#1

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 24 juni 2011 - 14:07

Geachte Lezers,

Ik zit met enkele vragen betreft een leiding-systeem onder druk zetten. Eerst een schets van het totale vraagstuk, wat ik aan wil gaan maken is een excel-lijst, waarin snelheid, drukafname (in het systeem) en een mogelijkheid om meerdere pijp-diameters toe te voegen.

Momenteel met enkele boekwerken voor me (warmteleer voor technici en eenvoudige stromingsleer) even de draad kwijt ;) .

Het gaat om een leiding-systeem waarin stikstof (gasvorm) wordt gepompt, 15 bar en een inhoud van 300m3. Wanneer ik deze openzet (dmv een blow-off-systeem) waarbij de stikstof wegstroomt door een doorsnede van bv 10'', hoe bereken ik dan de de begin snelheid? Kan dit met de wet van Bernoulli worden opgelost? (Hoogte verschillen, weerstanden in het systeem niet meerekenen)

groetjes Toni

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 24 juni 2011 - 15:46

Maak eerst eens en schets van het hele systeem, inclusief drukken, leidinglengtes en -diameters, zodat wij begrijpen waar dit echt over gaat.
Hydrogen economy is a Hype.

#3

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 27 juni 2011 - 08:10

Maak eerst eens en schets van het hele systeem, inclusief drukken, leidinglengtes en -diameters, zodat wij begrijpen waar dit echt over gaat.


Het bestand is toegevoegd in PDF formaat. Ik wil eerst de weerstanden van de leidingsystemen buiten beschouwing laten. Het gaat puur een sterk vereenvoudigt model.

Het geschetste systeem is een voorbeeld voor het excel document, waarin de belangrijkste parameters kunnen worden ingevuld en zodoende de snelheden en de tijd van leegloop worden berekend. (Hierop volgend wil ik dit document groter maken met weerstanden etc. ;) )

grt!



schets.png

Bijgevoegde Bestanden


#4

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 27 juni 2011 - 16:30

Algemeen: als je een groot vat van 300 m3 met een gas op 15 bar via een afsluiter van druk af laat naar atmosfeer zul je choked flow door de afsluiter hebben tot de druk gedaald is tot 2 bar absoluut (1 bar overdruk) daarna heb je non-choked flow.

Lees eerst dit topic. Dat topic gaat weliswaar over stoom maar dat maakt niet uit want de theorie en de formules gelden voor alle gassen.

Het gaat in die formules bij A om de minimum doorstroomopening binnenin de afsluiter. Een 10 inch afsluiter zal in dit soort gevallen een veel kleinere diameter opening binnenin hebben. Ik zou het althans compleet zot vinden wanneer iemand werkelijk een opening van 10 inch zou gebruiken want dat zou een enorme flow geven.
Hydrogen economy is a Hype.

#5

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 28 juni 2011 - 07:50

Beste Fred,

Bedankt voor de Tip! Dit is inderdaad ook een zot idee, voordat ik ook echt me vingers hier aan ga branden wil ik het 1 en ander uitgerekend hebben. Helaas is mijn stromingsleer afgezakt in de afgelopen jaren.

Ik heb bergen aan theorie liggen en de mogelijkheden dit uit te voeren, maar zocht een start punt. Met de choked flow kan ik een heel eind komen. Ik zal het resultaat hier gaan posten. ps Het idee komt vanuit ''steam blowing''.

Groeten!

#6

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 29 juni 2011 - 15:26

Algemeen: als je een groot vat van 300 m3 met een gas op 15 bar via een afsluiter van druk af laat naar atmosfeer zul je choked flow door de afsluiter hebben tot de druk gedaald is tot 2 bar absoluut (1 bar overdruk) daarna heb je non-choked flow.

Lees eerst dit topic. Dat topic gaat weliswaar over stoom maar dat maakt niet uit want de theorie en de formules gelden voor alle gassen.

Het gaat in die formules bij A om de minimum doorstroomopening binnenin de afsluiter. Een 10 inch afsluiter zal in dit soort gevallen een veel kleinere diameter opening binnenin hebben. Ik zou het althans compleet zot vinden wanneer iemand werkelijk een opening van 10 inch zou gebruiken want dat zou een enorme flow geven.


Na het doornemen van het choked verhaal, kan ik aannemen dat de Stikstof eerst met de geluidssnelheid 331 m/s door het gat gaat. Naarmate het druk verschil kleiner wordt en P2 belangrijk wordt niet meer.

Door het berekenen van de Mass flow rate, is het af te leiden hoelang het duurt voordat het vat gelijk is aan 1,013bar.

Krijg het gevoel dat het complexer is dan dat ik me eerst had voorgenomen. Greets

#7

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 29 juni 2011 - 16:11

...kan ik aannemen dat de Stikstof eerst met de geluidssnelheid 331 m/s door het gat gaat.

Het stroomt met de geluidssnelheid door de vena contracta ná het gat, dat is niet hetzelfde want de druk en temperatuur zijn daar heel anders dat net voor het gat. Maar je moet gewoon de formules gebruiken uit het plaatje wat ik in dat andere topic geplaatst heb want dat effect zit daarin verwerkt met al de termen met k.

Naarmate het druk verschil kleiner wordt en P2 belangrijk wordt niet meer.

Dat is bij stikstof pas het geval als p1 gedaald is tot ongeveer 2*p2 dus tot ongeveer 2 bar abs (als p2 althans de atmosferische druk is).

Door het berekenen van de Mass flow rate, is het af te leiden hoelang het duurt voordat het vat gelijk is aan 1,013bar.

Bedenk wel dat die mass flow rate geleidelijk daalt dus je moet het in kleine stapjes in een spreadsheet tabel doen. Overigens duurt het oneindig lang tot p1 gedaald is tot atmosferische druk. Je kunt wel uitrekenen hoe lang het duurt tot de druk gedaald is tot 1,1 bar of 1,02 bar of zoiets.

Krijg het gevoel dat het complexer is dan dat ik me eerst had voorgenomen.

Véél complexer, want je rekent nog niet met de inwendige weerstand van het leidingsysteem en bovendien houdt je nog geen rekening met thermodynamica: doordat de druk p1 in het leidingsysteem kan ook T1 dalen, hoevel hangt ook af van de warmtecapaciteit van het staal en de snelheid van warmteoverdracht tussen staal en stikstof. Je zou er op af kunnen studeren...

Het is altijd een kwestie van: hoe nauwkeurig mot dit?
Hydrogen economy is a Hype.

#8

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 30 juni 2011 - 12:58

Het is altijd een kwestie van: hoe nauwkeurig mot dit?


Het hoeft niet heel nauwkeurig. Het is belangrijk voor me om af te kunnen leiden wat de snelheid is, hoelang het duurt en wat voor inhoud de buffer moet hebben (zodat ik zeker weet dat in alle delen van het systeem flow is geweest).

Wat ik eerst heb gedaan is de forumule gebruiken uit het vorige topic. Hieruit verder gaan rekenen, volume debiet en snelheid. Van 15 tm 1,013bar. Zie Flow 1(Het non-choked is weggelaten).

Daarna alle snelheden boven geluidssnelheid op de uitlomst van 331,84m/s gezet (kwam geschikt uit bij 6bar). Zie Flow 2. Ik vind het lastig een juiste voorstelling te krijgen over ''het stroomt met de geluidssnelheid door de vena contracta ná het gat''. (misschien zie ik dit helemaal verkeerd)

Het is inderdaad erg oppervlakkig(nog wel), de weerstand en temperatuur zijn niet meegenomen. Hier zou best een leuke afstudeerstage uit kunnen rollen!

Hopelijk zit ik nu op de juiste weg. groetjes

Bijgevoegde miniaturen

  • Flow1.JPG
  • Flow2.JPG

#9

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 30 juni 2011 - 17:11

De formules uit dat andere topic, en wikipedia, gelden voor een systeem waarvan de diameter groot is t.o.v. de orifice (of het gat in de afsluiter), maar niet voor een leidingsysteem van 10 inch diameter met daarop een geopende afsluiter van eveneens 10 inch. In dat geval is er geen sprake van een vernauwing in de afsluiter en is de weerstand van de leidingen bepalend, waarbij de leidinglengtes een rol spelen. Het is mij nog steeds niet duidelijk hoe jouw leidingsysteem van 300 m3 eruit ziet want jouw plaatje is heel vaag, maar als ik een leidingsysteem met diameters van 10 inch van druk af wil laten zou ik dat nooit via een 10 inch afsluiter doen, maar via een afsluiter met een veel kleinere inwendige diameter. Hoe groot dat gat in die afsluiter dan moet zijn hangt er vanaf hoe snel je de druk wilt verlagen van 15 naar zeg 1,02 bar absoluut. Het duurt theoretisch oneindig lang om de druk te verlagen tot 1,013 bar.

Ik ga nu niet proberen na te rekenen wat je gedaan hebt maar ik zie zo al dat de dichtheid ρ1die jij gebruikt fout is, die is niet 1,25 kg/m3 maar 15 keer zo groot bij 15 bar, 10 keer zo groot bij 10 bar, etcetera.
Ook snap ik niet hoe je in de laatste regel als p1 = p2 = 1,013 bar, en er dus geen drukverschil meer is, toch een mass flowrate kunt berekenen.

Hoe ziet het leidingsysteem er nou echt uit? Wat zijn de leidingdiameters? Hoe snel moet dat van druk af?
Hydrogen economy is a Hype.

#10

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 01 juli 2011 - 09:59

Beste Fred,

Niet heel slim van me ;) , die laatste stappen in de tabel. Verder vond ik nog een excel-sheet waarop weerstanden in systemen worden berekend. Het eerste plaatje.

Het duurt theoretisch oneindig lang om de druk te verlagen tot 1,013 bar.


Dit ook niet belangrijk, het gaat vooral om de eerste seconden.

Hoe ziet het leidingsysteem er nou echt uit? Wat zijn de leidingdiameters?[/


Zie de schets met een het leiding systeem. De 10'' is een openverbinding met de atmosfeer.

Hoe snel moet dat van druk af?


Zo snel mogelijk, er moet een korte tijd een enorme flow ontstaan.

In het begin was er sprake van stikstof, maar wil lucht gaan toepassen. (Lucht is beter voor het milieu ;) )

Mvg! t

Bijgevoegde miniaturen

  • Weerstand.JPG
  • Schets_Airblow.JPG

#11

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 02 juli 2011 - 10:49

Ik zie niet hoe jij met de erboven staande gegevens een Reynolds getal van 110264 kunt berekenen.
Dat is nog afgezien van het feit dat sommige gegevens fout zijn: de medium dichtheid (density) is bij 15 bar en 20 oC ongeveer 18 kg/m3, niet 1 kg/m3. De dynamic viscosity van lucht is ongeveer 0,02 cP, niet 1 cP.
Specific gravity (soortelijk gewicht, dimensieloos) is overigens niet hetzelfde als density (dichtheid, kg/m3) maar is een verhoudingsgetal: voor vloeistof is het de vloeistofdichtheid geddeld door die van water bij dezelfde temperatuur, voor gas is het de gasdichtheid gedeeld door die van lucht bij dezelfde temperatuur, dus voor lucht geldt altijd dat de specific gravity = 1 maar dat is in dit geval nutteloze informatie.

Is jouw berekening bedoeld voor 15 bar of voor 1 bar of wat? Waar is die 70 m/s op gebaseerd?

De f die jij gebruikt is de Fanning friction factor, en 4f is dan in feite de Moody friction factor, die ik vanaf nu λ (lambda) zal noemen.
De formule die jij gebruikt om λ (4f) te berekenen is alleen geldig voor gladde pijpen. Het is daarom vaak beter om een Moody diagram te gebruiken:

Geplaatste afbeelding

Zoals je ziet is λ sterk afhankelijk van de relatieve ruwheid ε/d. Voor gebruikt koolstofstalen pijp geldt gewoonlijk ε = 0,1 mm, maar als het erg geroest is kan dat groter zijn. Een 48 inch pijp zal een inwendige diameter hebben van ongeveer d = 1180 mm, dus ε/d = 9*10-5 en in het volledig turbulente gebied geeft dat een λ = 0,012

Uit het tweede plaatje blijkt overigens dat de weerstand in het systeem niet in die 48 inch zal zitten maar in dat stuk 10". Als je in beide zijden in de 48" een snelheid van 70 m/s zou willen hebben dan vereist dat in de 10" een snelheid van 3000 m/s, wat natuurlijk volstrekt onmogelijk is. Dus dan is het ook onmogelijk om ooit een snelheid van 70 m/s te creëren in die 48", minder dan 7 m/s is meer waarschijnlijk.

Volgens het plaatje is de leiding ná de afsluiter ook 10", is dat werkelijk zo? Want dat betekent dat je na openen van de afsluiter een forse druk aan het uiteinde met de geluiddemper zult krijgen en daar kan die geluiddemper niet tegen.

Wat is bekend over die 10" afsluiter die daarin zit? Is het een gate valve of een globe valve of wat? Wordt die met de hand bediend, of pneumatisch vanuit de controlekamer en is het dus eigenlijk een control valve? Wat is de inwendige doorsnede? Ook 10" , of heeft hij een reduced bore? Zijn er data van de fabrikant beschikbaar?

Als uit jouw antwoorden blijkt dat die afsluiter geen vernauwing in de 10" leiding is, dan wordt de weerstand tussen die 48" en de atmosfeer gevormd door die 5 meter 10" leiding en moet een iets andere formule gebruikt worden dan die eerdere welke alleen voor een orifice geldt. Ik zal die dan opzoeken.
Hydrogen economy is a Hype.

#12

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 04 juli 2011 - 09:50

Ik zie niet hoe jij met de erboven staande gegevens een Reynolds getal van 110264 kunt berekenen.


Deze stonden er grotendeels in en zijn nergens op gebasseerd, maar je hebt gelijk. Het Excel bestand is niet gevuld met de juisten waarden. Afgezien het plaatsen in dit topic zonder check is het duidelijker na je uitleg.

Het is daarom vaak beter om een Moody diagram te gebruiken.


Het gaat hierbij om ''schone'' 10'' koolstofstalen pijpen.

Uit het tweede plaatje blijkt overigens dat de weerstand in het systeem niet in die 48 inch zal zitten maar in dat stuk 10"


Dit komt voort uit hetgeen dat de 10'' als vernauwing optreedt en zodoende een snelheids limit heeft?

Volgens het plaatje is de leiding ná de afsluiter ook 10", is dat werkelijk zo? Want dat betekent dat je na openen van de afsluiter een forse druk aan het uiteinde met de geluiddemper zult krijgen en daar kan die geluiddemper niet tegen.

Misschien is het verstandig deze eerst buiten beschouwing te laten.

Wat is bekend over die 10" afsluiter die daarin zit?


Het betreft een Ball Valve die pneumatisch wordt bedient, geen reduced bore.

Als uit jouw antwoorden blijkt dat die afsluiter geen vernauwing in de 10" leiding is, dan wordt de weerstand tussen die 48" en de atmosfeer gevormd door die 5 meter 10" leiding en moet een iets andere formule gebruikt worden dan die eerdere welke alleen voor een orifice geldt. Ik zal die dan opzoeken.



Hopelijk zijn deze antwoorden genoeg?

mvg T

Ondertussen verder gestoeid met de orifice formule, daaruit komt 200m/s (geen weerstanden en een temp van 20gr)

#13

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 04 juli 2011 - 18:29

Het gaat hierbij om ''schone'' 10'' koolstofstalen pijpen.

Nieuwe stalen pijp heeft een ruwheid ε = 0,045 mm, maar dat wordt na wat gebruik snel 0,1 mm. Dus voor een 10"stalen pijp geldt dat ε/d = 0,0002 - 0,0004 en dus is λ = 0,015 (ongeveer) bij de zeer hoge Re die in dit geval op zal treden. Zie Moody diagram.

Dit komt voort uit hetgeen dat de 10'' als vernauwing optreedt en zodoende een snelheids limit heeft?

Ja, die beide 48" an weerszijden van het T-stuk hebben een doorsnede A die enorm veel groter is die de A van die 10".

Het betreft een Ball Valve die pneumatisch wordt bedient, geen reduced bore.

Een full bore ball valve vormt geen restrictie als die volledig geopend is dus die kunnen we in feite negeren. De weerstand wordt dus bepaald door die 5 meter 10" pijp.

Ik heb het eens opgezocht en het is simpeler dan ik dacht: in feite geldt voor choked flow dezelfde formule als voor een orifice, maar de C wordt nu bepaald door de drukverhouding en het aantal velocity heads N. Zie bijgevoegd plaatje. Grafiekje is afkomstig uit Perry's Chemical Engineers' Handbook. Let op: wat eerder p1 , T1 , p2 en T2 genoemd werd zijn nu po ,To , p3 en T3 respectievelijk. Subscripts 1 en 2 gelden nu in het begin en eind van de 10" pijp.

N = λ.L/d + ΣKw

Negeren we drukverlies door de ball valve, eventuele bochten en de silencer, dan is
N = 0,015 * 5 / 0,25 + (0,5 + 1,0) = 1,8

In dit geval is: p3/po = 1/15 = 0,067
Dat punt ligt bij N=1,8 onder de schuine lijn van links onder naar recht midden dus dat betekent dat het choked flow is (maar dan hadden we natuurlijk allang door). Die schuine lijn geeft ook de mogelijkheid om p2 te berekenen: snijpunt met de lijn N=1,8 geeft een drukverhouding van 0,36 en dat betekent dat p2 = 0,36 * po = 5,4 bar. Ik vraag me af of die silencer deze druk wel kan weerstaan, gewoonlijk zijn die dingen bedoeld voor een druk iets boven atmosfeer. Bovendien is er geen sprake van dat er geluiddemping op zal treden want aan de uitlaat van de silencer krijg je dus een enorme knal van 5,4 naar 1,0 bar.

In de grafiek kun je nu op de X-as aflezen dat C = 0,67 (dat scheelt toevallig niet veel van de C = 0,7 voor een orifice).

En nu kun je eenvoudig mass flowrate m door de 10" berekenen met de formule onder de grafiek.

Bijgevoegde miniaturen

  • Adiabatic_Flow_through_Line.JPG

Veranderd door Fred F., 04 juli 2011 - 18:33

Hydrogen economy is a Hype.

#14

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 05 juli 2011 - 12:52

velocity heads N


Het aflezen en de N berekenen lukt.

Nu kun je eenvoudig mass flowrate m door de 10" berekenen met de formule onder de grafiek.


Dit is nog niet echt eenvoudig. Wat ik heb genomen zijn de volgende waarden.

P0 Pa k Cp/Cv T0 Kel R (J/kmol.K) Z M Diameter A Opp m2 C kg/s m3/s m/s Dichtheid kg/m3
1500000 1,4 273 8314 0,36 28,97 10 0,05065 0,67 207,5200651 10,70 211,27 19,395

Bijgevoegde miniaturen

  • Flow3.JPG

#15

Toni_85

    Toni_85


  • >25 berichten
  • 40 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 05 juli 2011 - 13:28

Hier ging iets mis, dit verhaal hoort bij de tabel:

Voor mij is dit nog niet echt eenvoudig. Het berekenen van de samendrukbaarheidsfactor Z waarde geeft problemen, oa Z=P/pRT en pV/RT. Hoe moet ik hiermee om gaan?

De volgende tabel geeft een indruk weer wat er berekend is. Als ik dan dan het volume debiet en de snelheid wil gaan berekenen blijkt deze constant. (Door de weinig pratische ervaring krijg ik er ook geen goed beeld bij, dit kost even tijd)

Groetjes T





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures