Kastelu: Johdantoteksti aiheeseen Hydrauliikan perusteet

Kastelu: Johdantoteksti aiheeseen Hydrauliikan perusteet

Tällä videolla käsittelemme vesijärjestelmien hydrauliikkaa sekä tuoton, nostokorkeuden ja energian välistä suhdetta.

Tervetuloa hydrauliikan perusteiden pariin.

Aloitetaan perusasioista.
Vesijärjestelmien hydrauliikan kolme tärkeintä parametria ovat:

Virtaama
Kokonaisnostokorkeus
Teho

Eli Q, H, ja P.

Virtaamaa mitataan kuutiometreinä tunnissa. Kokonaisnostokorkeutta metreinä ja tehoa kilowatteina.

Virtaamalla tarkoitetaan vesimäärää, jonka pumppu kuljettaa putkiston läpi tietyssä ajassa.

Siksi sitä mitataan kuutiometreinä tunnissa.

Kokonaisnostokorkeudella tarkoitetaan pumpun tuottamaa painetta.

Se kuvaa, kuinka korkealle pumppu pystyy vesimäärän nostamaan. Siksi sitä mitataan metreinä.


40 metrin kokonaisnostokorkeus tarkoittaa siis sitä, että pumppu pystyy nostamaan veden 40 metrin korkeuteen pystyputkessa.

Kokonaisnostokorkeus jaetaan imukorkeuteen ja nostokorkeuteen, jotka voidaan muuntaa myös paineeksi.

Kaikki paine ei kuitenkaan ole käytettävissä, sillä putkiston kitka aiheuttaa painehäviötä.

Vesijärjestelmässä tehoa (P) voidaan kuvata voimaksi ja nopeudeksi, joiden avulla vettä kuljetetaan.

Teho on myös riippuvainen virtaamasta (Q) ja nostokorkeudesta (H).

Teho mitataan kilowatteina (kW).

Virtaaman, kokonaisnostokorkeuden ja tehon suhdetta voidaan kuvata näin:

P = Q x H x c
Tässä c on pumpun hyötysuhteen, painovoiman ja nestetyypin perusteella määräytyvä vakio.


Jos virtaama tai nostokorkeus kaksinkertaistetaan, myös teho kaksinkertaistuu.
Jos molemmat kaksinkertaistetaan, energia nelinkertaistuu.

Nesteiden kuljettaminen vesijärjestelmässä synnyttää kitkaa nesteen ja kuljetuskanavan pintojen välille, ja energiaa ja painetta häviää. Tätä kutsutaan kitkahäviöksi.

Kitkahäviötä tapahtuu koko järjestelmässä – putkistossa, putkikäyrissä ja venttiileissä.

Kitkahäviön suuruuteen vaikuttavat järjestelmän virtaama, nesteen viskositeetti sekä putkiston pituus ja pintamateriaali.

Myös nesteen virtausnopeus eli pumppausnopeus vaikuttaa kitkahäviön määrään.
Nesteen virtausnopeus (v) lasketaan näin:

v = Q / A x c

Tässä Q on virtaama, A on putken poikkipinta-ala ja c on vakio, jolla virtausnopeus muunnetaan metreiksi sekunnissa.


Mitä enemmän ja mitä nopeammin vettä pumpataan, sitä suurempi on kitkahäviö.

Nesteen virtausnopeutta ja siten myös kitkahäviötä voidaan vähentää kahdella tavalla: pienentämällä virtaamaa tai valitsemalla halkaisijaltaan suuremmat putket.

Jos järjestelmään valitaan halkaisijaltaan suuremmat putket, pumppausjärjestelmän hankintakustannukset kasvavat. Pidemmällä aikavälillä elinkaaren kokonaiskustannukset jäävät kuitenkin pienemmiksi, koska suuremmat putket minimoivat kitkahäviön ja parantavat pumppauksen hyötysuhdetta.

Pumppujärjestelmissä höyrynpaine on tärkeässä roolissa. Se kuvaa tarkkaa painetta ja lämpötilaa, joissa vesi höyrystyy.

Normaalissa ilmanpaineessa veden kiehumispiste on 100 °C. Jos pumppujärjestelmän paine laskee tietyn tason alapuolelle, vesi alkaa kiehua jo alemmissa lämpötiloissa.

Kun paine jälleen kasvaa, vesihöyry muuttuu takaisin vedeksi. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi, ja se voi vaurioittaa pumppua.

Tutustutaanpa kavitaatioon hieman tarkemmin. Kavitaatiota voidaan määritellä ilmakuplien nopeaksi muodostumiseksi ja äkilliseksi luhistumiseksi vedessä.
Kavitaatiota syntyy juoksupyörän tuloaukolla, jossa paine saattaa laskea veden kiehumispisteen alapuolelle.
Kiehuessaan vesi muuttuu höyryksi. Kun paine nousee takaisin kiehumispisteen yläpuolelle, höyrystyneet vesimolekyylit luhistuvat ja muuttuvat jälleen nesteeksi. 

Molekyylien luhistumisesta kuuluu pumpussa kova ääni. Luhistuminen aiheuttaa paineiskun, mikä voi myös kuluttaa juoksupyörää ja pumppupesää.

 

Kavitaation voi välttää:

Laskemalla pumppua ja nostamalla tulopainetta

Vähentämällä imuputken kitkahäviötä

Hidastamalla pumpun virtaamaa tai

Pienentämällä imukorkeutta   

Nyt olemme käsitelleet hydrauliikan perusteet. Seuraavaksi voit testata tietämyksesi vastaamalla tehtävän kysymyksiin. Kiitos osallistumisesta.