4. PUTKIVIRTAUS

Bernoullin yhtälön yhteydessä todettiin todellisessa virtauksessa syntyvän aina häviöitä, jotka muuttuvat lämmöksi. Putkivirtauksessa nämä häviät näkyvät paineen laskuna virtaussuunnassa ja samalla nesteen lämpiämisenä. Seuraavassa tarkastellaan laskentamenetelmiä, joilla voidaan määrittää syntyvät häviöt ja samalla vaikuttaa niiden suuruuteen.

4.1 Virtauslajit ja Reynoldsin luku

Putkivirtaus voi olla luonteeltaan laminaarista tai turbulenttista. Laminaarisessa virtauksessa neste virtaa ns. virtaviivojen suuntaisesti. Turbulenttisessa virtauksessa nesteosaset liikkuvat epämääräisesti, kuitenkin keskimääräisellä nopeudella virtaussuuntaan.

Laminaarisessa virtauksessa putken karheudella ei ole vaikutusta syntyviin painehäviöihin. Laminaarisen virtauksen luonne ja nopeusjakautuma on kuvan 8/1 mukainen. Maksiminopeus on n. 2x virtauksen keskimääräinen nopeus.

Turbulenttisella virtauksella painehäviöt riippuvat myös putken karheudesta. Virtausjakautuma on selvästi laakeampi kuten kuva 8/2 osoittaa. Maksiminopeus on n. 1,2 kertaa keskimääräinen nopeus. Virtauksen muuttuminen laminaarisesta turbulenttiseksi tapahtuu virtausnopeuden kasvaessa (kun putkikoko oletetaan vakioksi). Muutos tapahtuu nopeasti mutta käytännössä välissä on muutosalue, jossa laminaarinen virtaus saattaa herkästi muuttua turbulenttiseksi jonkun häiriötekijän ansiosta vaikka virtausnopeus ei kasvaisikaan. Virtauslaji vaikuttaa putkiston virtausvastuksiin.

Eri virtauslajit voidaan erottaa toisistaan REYNOLDSIN luvun avulla. Tämä tunnusluku on englantilaisen fyysikon Osborne Reynoldsin (1842 - 1912) kehittämä ja se ilmaisee virtausosaseen vaikuttavien hitausvoimien ja viskositeettivoimien suhteen. Reynoldsin luku on johdettu lähteessä /1, s85/. Reynoldsin luku on laaduton ja se lasketaan yhtälöstä:R_e=(v- d)/υ

Virtaus on laminaarista kun R_eon pienempi kuin R_ekrja virtaus on turbulenttista kun R_eon suurempi kuin R_ekr

Kaksi virtausta ovat yhdenmuotoisia, jos niillä on sama Reynoldsin luku. Avovirtaukselle soveltuu paremmin Frouden luku /1, s 86/.

Kriittinen Reynoldsin luku on lähteen /1, s88/ mukaan R_ekr=2320. Käytännössä arvona käytetään usein R_ekr= 2300.

4.2 Putkivirtauksen häviöt

Putkivirtauksessa syntyy kahdenlaisia häviöitä: kitkahäviöitä ja kertahäviöitä. Kitkahäviöt syntyvät nesteen kitkasta ja kertahäviöitä syntyy mm. putken mutkissa, venttiileissä, virtaus poikkipinnan muutoksissa, virtauksessa säiliöön ja sieltä putkistoon sekä virtauksen haarautumisissa ja yhtymisissä.

4.2.1 Kitkahäviöt

Kitkahäviöt lasketaan yhtälöstä:

A

jossa l= putken pituus

d= putken halkaisija

= kitkavastuskerroin

v= virtausnopeus

Yhtälön johtaminen on selvitetty lähteessä /1, s 92-99/.

Kitkavastuskertoimenarvo riippuu virtauslajista ja putken karheudesta. Laminaarisessa virtauksessa = 64/R_e

Turbulenttisessa virtauksessa kitkavastus-kertoimen määrittäminen on hankalampaa, koska se riippuu putkenkarheudesta ja Reynoldsin luvusta. Tarkastellaan ensin sileää putkea (ehto: R_ek/d<65), (k= putken absoluuttinen karheus, d= putken sisähalkaisija). Blasiuksen yhtälö, kun 2300< R_e <10⁵