Centrifugal Pump Lexicon
Korkeushäviö on seurausta seinämän kitkasta kaikentyyppisissä putkistoissa ja paikallisesta virtausvastuksesta esimerkiksi venttiileissä ja liittimissä (ks. myös Painehäviö).
Suositellut virtausnopeudet
- Kylmälle vedelle:
Virtaussuuntainen imulinja 0.7-1,5 m/s
Tyhjennysjohto 1,0-2,0 m/s - Lämpimälle vedelle:
Tyhjennysjohto 0,5-1,0 m/s
Tyhjennysjohto 1,5-3,5 m/s
Yhtälö virtauksen virtauskorkeushäviölle suorassa, poikkileikkaukseltaan ympyränmuotoisessa putkistossa on:
λ Putken kitkakerroin
L Putken pituus m
d Putken sisähalkaisija m
v Virtauksen nopeus poikkileikkauksessa m/s
(= 4 Q / π d2 Q:n ollessa m3/s)
g Painovoiman aiheuttama kiihtyvyys m/s2
katso kuvat 1 ja 4. Päähäviöliukuma
Putken kitkakerroin määritettiin kokeellisesti. Se riippuu ainoastaan käsiteltävän nesteen virtaustilasta ja niiden putkien suhteellisesta karheudesta (d/k), joiden läpi neste virtaa. Ei-ympyränmuotoisille putkien poikkileikkauksille pätee nestemekaanisesti ekvivalentti halkaisija (d):
A Poikkileikkaus m2:ssä
U Kostutetun poikkileikkauksen ympärysmitta m:ssä
(avoimen kanavan vapaata pintaa ei oteta huomioon)
Virtauksen tila määräytyy Affiniteettisuhteen laeilla määriteltynä Reynoldsin luvun perusteella (Re). Pyöreille putkille pätee:
v Virtausnopeus poikkileikkauksessa m/s
(= 4 Q / π d2, kun Q on m3/s)
ν Kinemaattinen viskositeetti m2/s
(vedelle 20 °C:ssa: 1.00 – 10 – 6 m2/s)
d Putken sisähalkaisija m
Katso kuva 4. Päähäviö
Hydraulisesti sileille putkille, kuten sileille vedetyille metalli- tai muoviputkille (esim. PE tai PVC), tai laminaarivirtauksen tapauksessa voidaan laskea putken kitkakerroin (λ). Laminaarivirtauksessa putkessa, jonka Reynoldsin luku on pienempi kuin 2320, putken kitkakerroin on karheudesta riippumaton:
Jos virtaus on turbulenttista tai Reynoldsin luku on suurempi kuin 2320, putken kitkakerroin hydraulisesti sileissä putkissa voidaan esittää Eckin mukaisella empiirisellä yhtälöllä (johtuen siitä, että poikkeamat jäävät alle 1 %:iin, jos Reynoldsin luku on pienempi kuin 108).
Putken kitkakerroin (λ) riippuu myös toisesta dimensiottomasta parametrista eli putken sisäpinnan suhteellisesta karheudesta (d/k). Molemmat on ilmoitettava samassa yksikössä (esim. mm).
Katso kuva 1. Päähäviö
(k) on putken sisäpinnan keskimääräinen absoluuttinen karheus, jolle on saatavissa likimääräisiä arvoja materiaalista ja valmistusprosessista riippuen. Ks. kuva 2 Päähäviö
Kuva 2 Päähäviö: Arvioita putkien keskimääräisistä huipun ja laakson välisistä korkeuksista k (absoluuttinen karheus)
Rajakäyrän yläpuolella putken kitkakerroin (λ) riippuu yksinomaan putken suhteellisesta karheudesta (d/k). Katso kuva 1 Korkeushäviö
Tälle alueelle voidaan käyttää seuraavaa Moodyn empiiristä yhtälöä:
Käytännössä korkeushäviö (HL) 100 metriä suoraa teräsputkea kohti on esitetty kaaviossa virtausnopeuden (Q) ja putken sisähalkaisijan (d) funktiona.
Katso kuva 3 Päähäviö
Arvot pätevät vain kylmälle, puhtaalle vedelle tai nesteille, joilla on sama kinemaattinen viskositeetti, täysin täytetyille putkille ja putken sisäpinnan absoluuttisen karheuden ollessa k = 0.05 mm.
Mitat, painot, vesitäyttö uusille saumattomille tai pituussuuntaisesti hitsatuille teräsputkille
Katso liite, Päähäviö, kuva 4
Seuraavassa havainnollistetaan suuremman pinnankarheuden k vaikutusta usein käytetyillä parametrialueilla (nimellishalkaisija DN = 50-300, virtausnopeus v = 0,8-3,0 m/s). Ks. kuva 3 Pintahäviö
Vaaleansininen alue vastaa vastaavalla tavalla merkittyä aluetta absoluuttisen keskimääräisen karheuden ollessa k = 0,05 mm.
Katso kuva 1 Pintahäviö
Pintahäviö
Pintahäviö
Karheuden suurentuessa kertoimella 6 (hiukan karstoittunut vanha teräsputki, jossa k = 0,30 = 300 μm (0.30 mm), putken kitkakertoimet (ja niihin liittyvät verrannolliset painehäviöt) tummansinisellä alueella ovat vain 25-60 % suuremmat kuin aiemmin.
Katso kuva 1 Pintahäviö
Viemäriputkissa on otettava huomioon likaantumisen aiheuttama karheuden lisääntyminen. Putkissa, jotka ovat alttiina äärimmäiselle ruosteelle, todellinen painehäviö voidaan määrittää vain kokeellisesti. Poikkeamat nimellishalkaisijasta muuttavat painehäviötä huomattavasti, sillä putken sisähalkaisija vaikuttaa yhtälössä 5. potenssiin.
Esimerkiksi sisähalkaisijan 5 %:n pieneneminen johtaa painehäviön kasvuun jopa 30 %. Siksi on tärkeää, että laskelmissa sisähalkaisijaa ei yksinkertaisesti korvata nimellishalkaisijalla.
Muoviputkissa tai sileässä vedetyssä metalliputkistossa painehäviöt ovat hyvin pieniä sileiden putkipintojen ansiosta. Määritetyt painehäviöt pätevät 10 °C:n lämpötilassa olevalle vedelle. Muissa lämpötiloissa muoviputkien häviöt on kerrottava määritellyllä lämpötilakorjauskertoimella niiden suuremman lämpölaajenemisen huomioon ottamiseksi. Jäteveden tai muun käsittelemättömän veden osalta on otettava huomioon 20-30 %:n lisäkorkeushäviö mahdollisten saostumien vuoksi.
Muoviputkien ja sileiden vedettyjen metalliputkien korkeushäviöt
Katso liite, Korkeushäviöt, kuva. 5
Venttiilien ja liitososien painehäviöt
Venttiilien ja liitososien painehäviö (HL) saadaan:
ζ Häviökerroin
Katso kuvat. 6-12 Päähäviö
v Virtausnopeus ominaispoikkipinta-alalla A
(esim. suuttimessa) m/s
g Painovoiman aiheuttama kiihtyvyys 9,81 m/s2
Kuva 6 Päähäviö: Kaaviokuva venttiilimalleista
Kuva 11 Päähäviö: Nelikulmaisten kanavien kulmakappaleiden sisä- ja ulkopinnan pyöristyksen vaikutus häviökertoimeen ζ
Kuva 12 Päähäviö: Perhos-, pallo- ja sulkuventtiilien häviökertoimet ζ avautumisasteen mukaan
Virtaushäiriöiden suoristamisesta johtuvat häviöt 12 x DN:n suuruisen putkipituuden verran venttiilistä virtaussuuntaan alapuolella sisältyvät häviökertoimiin VDI/VDE 2173 -ohjeen mukaisesti. Arvoja sovelletaan venttiileihin, joissa on tasainen lähestymisvirtaus, jotka on täysin avattu ja joita käytetään kylmällä vedellä. Häviöarvot voivat vaihdella huomattavasti tulo- ja poistovirtausolosuhteista, venttiilimalleista ja kehitystavoitteista (esim. edulliset tai energiaa säästävät venttiilit) riippuen. Ks. liite, Päähäviö, kuva 7
Veden painehäviötä venttiileissä laskettaessa käytetään usein häviökertoimen (ζ) sijasta kv-arvoa:
Kv-arvo on virtausnopeus kuutiometreinä tunnissa (m3/h), joka syntyisi venttiilin läpi kulkevasta painehäviöstä pv = 1 bar kylmälle vedelle. Se kuvaa barissa ilmaistun painehäviön (pL) ja m3/h ilmaistun virtausnopeuden (Q) välistä korrelaatiota. Muunnos virtauskertoimeksi ζ kylmälle vedelle:
d Venttiilin vertailu(nimellis)halkaisija cm:ssä
Liittimissä esiintyvien painehäviöiden laskennassa haaraliittimet ja sovittimet vaativat erilaisen lähestymistavan. Katso kuvat 9 ja 10. Päähäviö
Kuva 9 Päähäviö: Häviökertoimet ζ liittimille 
Kuva 10 Päähäviö: Häviökertoimet ζ sovittimille
Kaikkien liitososien osalta on erotettava toisistaan kaksi painehäviön muotoa:
- Palautuvat painehäviöt (paineen aleneminen)
pv Painehäviö Pa
ζ Häviökerroin
ρ Tiheys kg/m3
v Virtausnopeus poikittaisessa-poikkileikkauksessa m/s
- Kitkattoman virtauksen palautuvat paineenmuutokset Bernoullin yhtälön mukaisesti
Kiihdytetyille virtauksille, kuten putken halkaisijan pienentämiselle, (p2 – p1) on aina negatiivinen; hidastetuissa virtauksissa, kuten putken laajentuessa, se on aina positiivinen. Kun nettopaineenmuutos lasketaan pL:n ja (p2 – p1) aritmeettisena summana, irreversiibelit painehäviöt on aina vähennettävä.
Suuren viskositeetin omaavien nesteiden vaikutus systeemin ominaiskäyrään
Koska nestedynamiikan lait säilyttävät pätevyytensä kaikille newtonilaisille nesteille, venttiileiden putkiston kitkakertoimien ja häviökertoimien laskennassa käytettävät yhtälöt ja kaaviot soveltuvat aina myös viskoottisiin nesteisiin, joiden viskositeettiluvut ovat suurempia kuin veden.
Laskettaessa Reynoldsin lukua Re = v – d / ν on yksinkertaisesti korvattava veden viskositeetti νz viskoottisten nesteiden kinemaattisella viskositeetilla νz.
Tällöin saadaan alhaisempi Re-luku ja kuvan 1 mukaisen päähäviön mukaan suurempi putken kitkakerroin λz (Huomautus: seinämän karheuden vaikutus voidaan nyt usein jättää huomiotta, koska virtauksen rajakerroksen paksuus on suurempi).
Kaikki vedelle lasketut painehäviöt putkissa ja venttiileissä on ekstrapoloitava käyttäen suhdetta λz/λw.
Kuva 13 Päähäviö soveltuu myös yleiseen käytännön käyttöön: putken kitkakerroin λz voidaan määrittää nopeasti virtausnopeuden Q, putken sisähalkaisijan d ja kinemaattisen viskositeetin νz funktiona. On kuitenkin muistettava, että tässä kaaviossa esitetty kerroin λw pätee vain hydraulisesti sileille putkille (ei siis karkeille putkille)! Vastaavaa λw:tä voidaan käyttää suhdeluvun λz/λw laskemiseen.
Koska viskositeetti ei vaikuta järjestelmän ominaiskäyrän Hsys , ks. kuva 1 Järjestelmän ominaiskäyrä ja kuva 2 Pää, staattiseen komponenttiin, veden järjestelmän ominaiskäyrän dynaaminen komponentti voidaan piirtää uudelleen jyrkemmäksi paraabeliksi viskoosille nesteelle.
Ei-newtonilaisten nesteiden vaikutus järjestelmän ominaiskäyrään
Koska virtauskäyrät eivät ole suoria viivoja, joilla on vakio lineaarinen viskositeetti, korkeushäviöiden laskeminen on hyvin hankalaa. Tällöin häviöiden laskenta perustuu kokemukseen tietyistä nesteistä.