Műtárgyvizsgálatok Fővárosi

Vízművek Zrt-nél

Gönczi Gábor

XVII. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó

Tartalom

• Medencék üzemének vizsgálata

• Csőelemek nyomásveszteség-csökkentése

• UV fertőtlenítő berendezés modellezése

• Vízóraelfagyás vizsgálata

• Egyedi hőcserélő gépházi alkalmazásra

2 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Medencék üzemének vizsgálata

3 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Átlagos tartózkodási idő:

Lokális tartózkodási idő:

Vízcsere:

Qout [m3/s]Qin [m3/s]Víztároló

V [m3]

Medencék üzemének vizsgálata

Mixture model beállítások:

Analysis Type:

• Transient

• Total time: 1470 [min]

• Timesteps: 0,25 [min]

Domain:

• Deforming mesh

• Bouyant

• Turbulence model: SST

• Material: Variable composition

mixture:

o Water1 & Water 2

o Kinematic diiffusivity

User Function:

• Water height

4 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Residence time beállítások:

Analysis Type:

• Transient

• Total time: 1470 [min]

• Timesteps: 0,25 [min]

Domain:

• Deforming mesh

• Bouyant

• Turbulence model: SST

• Additional variable: aoa

o Subdomain with aoa, Source 1

o Inlet: add. varible value: 0 [s]

User Function:

• Water height

Additional variable:

• Volumetric

• Units [s]

• Tensor Type: Scalar

Medencék üzemének vizsgálata

„Mixture model”

5 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Residence time

Csőelemek nyomásveszteség-csökkentése

• A vízellátó hálózaton belül a gépházakban figyelhető meg a legmagasabb sebesség értékek és itt keletkezik a legnagyobb nyomásveszteség is.

• A gépházakban használt csőtervezési eljárás több mint 200 éves és a 19. századi gyártástechnológián alapul.

• A jelenlegi gépház rekonstrukcióknál ezen csőelemek nyomásvesztesége ismert vagy pontosan meghatározható, a szivattyúkat és az üzemeltetési metódust ennek ismeretében választjuk ki.

• Eddig nem történt általános lépés ezen csőelemek fejlesztésére, annak ellenére, hogy a gyártási technológia jelentősen fejlődött és komplex geometriákat már gazdaságosan lehet gyártani.

6 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Módszertan

• A problémás nyomásveszteséget okozó áramlástani zónákat az eredeti geometrián

elvégzett numerikus modellezéssel határoztuk meg, változó bemeneti

sebességtartományt alkalmazva.

• Ezen zónák két legjobb indikátorparamétere a turbulens kinetikus energia, illetve az

áramvonalak.

• A problémás zónák feltárása után geometria változtatásokat lehet eszközölni, majd

ezeket újra megvizsgálni.

• A nyomásveszteség csökkentést célzó geometriai változtatások nem konvencionális

megoldásokat követnek (hemodinamikából és más biomechanikai források).

7 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

•Numerikus számítás

•Problémás zónák meghatározása

Eredeti geometria vizsgálata

• Hemodinamika

• Biomechanika

• Más források

Új geometria

• Numerikus számítás

• Nyomásveszteségek összehasonlítása

• Validáció, prototípus gyártás

Új geometria vizsgálata

Módszertan

• Az áramvonal egy olyan görbe amit egy

súlytalan, az áramlással haladó

folyadékrészecske jelöl ki.

• A sebességvektor minden pontban

érintője az áramvonal görbéjének.

• Áramvonalakon keresztül nincs

tömegáram.

8 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Áramvonal:

Turbulens kinetikus energia:

• A turbulens kinetikus energia (jele:k) az

ingadozó sebességek tömegegységre

jutó mozgási energiája.

• Mértékegysége: J/kg= m2/s2

𝑘 =1

2𝑢′𝑖 𝑢′𝑖 =

1

2𝑢′2 + 𝑣′2 +𝑤′2

Szabványos 900-os könyök R=1,5D sugárral

• Leggyakoribb csőelem.

• A nyomásveszteséget a könyök

után keletkező két ellentétes

irányba forgó örvény okozza.

• Az örvények kiindulási pontja a

könyök hosszú ívének a közepén

található.

• A nyomásveszteség másik oka

nagy Reynolds-számnál

kialakuló visszaáramlás a

könyök rövid ívét követően.

9 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Szabványos 900-os könyök R=1,5D sugárral

• A javasolt új geometria a cső

belső felületén található

terelőlapok integrálásával

csökkenti a másodlagos

ellentétes irányba forgó

örvények képződését.

• Az új könyök geometria

beépítési mérete nem változik,

csak a belső kialakítása

módosul.

• 14%-os nyomásveszteség

csökkentés érhető el magas

Reynolds-számnál.

10 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Szabvány kollektorcső három bemenettel

• Szabvány kollektorcső

geometria három DN100-

es betáplálással és egy

DN200-as kollektor-csővel.

• Ezt a fajta kollektor-csövet

tipikusan két gépes

üzemhez használják, ahol

egy gép tartalékban van.

• Összesen 5 üzemállapot

lett vizsgálva 0,5 és 3,2

[m/s] közötti bemeneti

sebességgel.

11 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Inlet 1 Inlet 2 Inlet 3Operation 1 on on offOperation 2 off on onOperation 3 on off offOperation 4 off on offOperation 5 off off on

Szabvány DN200- DN100-as kollektorcső, amelyet

egy900 könyök követ

Szabvány kollektorcső három bemenettel

• Az eredeti geometriában

egy nagy zóna található,

amiben magas a turbulens

kinetikus energia értéke,

ez a nyomásveszteség fő

okozója.

• Az új módosított

geometriák három

szemléletet követtek és

összesen öt verzió került

kivizsgálásra.

12 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Eredeti geometria nagy turbulens

zónával

Szabvány kollektor-cső három bemenettel

13 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Eredeti Geometria V1 Geometria V2 Geometria V3 Geometria V4 Geometria V5ΔP [Pa] ΔP [Pa] [%] ΔP [Pa] [%] ΔP [Pa] [%] ΔP [Pa] [%] ΔP [Pa] [%]

Operation

1 4622,5 2886,4 37,56 4089,8 11,52 740,21 83,99 1832,2 60,36 2835,5 38,66

Operation

2 5157,3 1476,9 71,36 1749 66,09 4698,1 8,90 3747,3 27,34 1598,9 69,00

Operation

3 3740,1 2118,6 43,35 2962,9 20,78 3224,1 13,80 2918,6 21,96 2051,1 45,16

Operation

4 4231,2 2078,7 50,87 2396 43,37 5971,7 -41,13 4401,6 -4,03 2061,6 51,28

Operation

5 4370,5 3080,3 29,52 2394,1 45,22 2242,7 48,69 2207,9 49,48 3087,7 29,35

• Az első módosítás típus szabvány elemeket használt eltolással. A

második típus az előzőt egészítette ki terelőlapokkal. A hemodinamikából

kölcsönzött formát használ.

• A különböző geometria változatok más-más üzemi körülmények közt

voltak hatékonyak.

Szabvány kollektor-cső három bemenettel

• Ideális geometria az egyes

üzemállapot

nyomásveszteség

csökkentéséhez.

• A geometria nem

alkalmazható az összes

üzemállapotra.

• A négyes üzemállapotban

ahol csak a középső gép

üzemel a nyomásveszteség

több mint 40%-al megnő az

eredeti kialakításhoz képest.

14 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Aszimmetrikus V3-as geometria

Szabvány kollektorcső három bemenettel

• A vizsgálat célja egy olyan

geometria kifejlesztése

volt, ami az össze

üzemállapotban

használható 0,5 és 3,2

[m/s] sebességtartomány

között.

• A végső geometria

változat az összes

kritériumnak megfelelt és

a teljes

sebességtartományban az

összes üzemállapotban

csökkentette a

nyomásveszteséget.

15 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Nyomásveszteség csökkentés az 5-ös

geometriánál

Gilice téri új gépház 4-es gép nyomóvezetéke (K+F)

• Folyamatban lévő K+F.

• Két csőelem kerül

lecserélésre: egy T-idom és

egy könyök

• Új könyök idom és új T

idom.

16 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Térfogatáram [m3/h] 689Eredeti nyomásveszteség [m] 1,4Nyomásveszteség csökkentés [%] 30Csökkentett nyomásveszteség [m] 0,98Nyomásveszteség csökkentés [m] 0,42Megtakarított energia [kwh] 1,21317Megtakarítás egy év alatt [Ft] 254358,07Átlag felvétel [kW] 60

Megtérülés [év] 2,4

UV fertőtlenítő berendezés modellezése

• Kiegészítő technológiája a hagyományos fertőtlenítő eljárásnak

• UV-C 280-100 nm Hullámhossz-tartomány

• A 253,7 nm-es hullámhosszt elnyeli a sejt-nukleinsav és a sugárzás dózisától függően baktériumok továbbá gombák elpusztításához ill. károsításához vezet.

• Minimum besugárzás: 400 J/m2

• Üzemeltetése havária esetén.

17 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

UV méretezése (Hidrodinamikai

Rendszerek Tanszék)

18 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

UV méretezése (Hidrodinamikai

Rendszerek Tanszék)

19 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Intenzitás:

𝐼0 = නℎ=−𝐿/2

ℎ=𝐿/2

𝑑𝐼 𝑟, 𝑧 =𝑆𝐿4𝜋

2𝑧

𝑟∆+ − ∆− +

𝐿

𝑟∆+ + ∆−

ahol:

∆±=1

4𝑟2 + (𝐿 ± 2𝑧)2

Itt 𝑆𝐿 a lámpa egységnyi hosszra vett (leadott) fényteljesítménye [W], 𝐿 a lámpa hossza [m].

Az intenzitást értéke figyelembe véve az UV fény vízben történő elnyelődését:

𝐼(𝑟) = 𝐼0 ∙ 𝑒−𝛼𝑟 [W/m2]

ahol:

𝐼0: A kiinduló dózis értéke a lámpánál [W/m2]

𝛼: abszorpció, tiszta vízre [m-1]

𝑟: a lámpától mért távolság [m]

Dózis:

𝐷 = ҧ𝐼 ∙ 𝑇 [J/m2]

ahol:ҧ𝐼: Az átlagos intenzitás [W/m2]

𝑇: expozíciós idő [s]

UV méretezése (Hidrodinamikai

Rendszerek Tanszék)

20 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

ANSYS CFX:

Sebességtér

Nyomásveszteség

Expanziós idő

Matlab:

Intenzitás eloszlás

Dózis számítás

UV méretezése és modell beállítás

Analysis type:

• Steady state

Domain:

• Turbulence model: SST

• Additional varible:

• Tartózkodási idő

• Lámpától mért távolság

(Expression)

• Intenzitás (Expression)

New bc:

• 𝐼0• 𝛼

21 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Vízóraelfagyás vizsgálata

• Többszörös vízóraelfagyás 2016-ban és

2017-ben.

• Vizsgálat célja megállapítani, hogy mennyi

idő alatt fagy el a vízóra szélsőséges

körülmények között.

• Egyszerűsített 2D-s modell

22 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Vízóra elfagyás vizsgálata

Főbb beállítások:

Analysis type:

• Transient

• Total time: 1 day

• Time step: adaptive

Domain:

• Bouyant

• Material: Air Ideal Gas

• Heat transfer: total energy

• Turbulence model: SST

Domain Interface:

• Solid-Fluid: Thermal contact

resistance: 30 [W/m2K]

• Solid-dirt: Thermal contact

resistance: 1000 [W/m2K]

23 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Egyedi hőcserélő gépházi alkalmazásra

• Olyan hőcserélő tervezése, amely a tanulmányokban megállapított

követelményeknek megfelel és problémamentesen a

vezetékhálózathoz illeszthető.

• Az új hőcserélő nem jelenthet vízminőségi kockázatot. Az ivóvizet

nem lehet kivezetni, majd vissza a gépházi vezetékbe.

• Beépítése kis mértékben sem növelheti meg a nyomásveszteséget

(fűtési energia megtakarítása elveszne a járulékos

nyomásveszteség kompenzálásával).

24 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Egyedi hőcserélő koncepciója

• Plusz biztonsági kör

beiktatásával ioncserélt víz

keringi körbe az

ivóvízvezetéket.

• A gépház és környező

irodák, ingatlanok főtésén

kívül nyáron a rendszer a

klimatizálásra is

használható, ekkor az

ioncserélt vizet közvetlenül

a fan-coil-ok és az egyedi

hőcserélő közt kell

keringetni.

25 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Eg

ye

di h

őcseré

lő

HF

C-V

íz h

őcseré

lő

12 0C

12 0C

7 0C Kompresszor

2 0CExpanziós

szelep-25 0C

60 0C

HF

C-V

íz h

őcseré

lő

55 0C

45 0C

Fa

n-c

oil

Biztonsági kőr

Hőszivattyú (fűtési rendszer)

18 0C

20 0C

Hűtési rendszer

Budafoki gépházba tervezett egyedi

hőcserélő

• A gépházban összesen 4 gép

található, amelyet egy közös

kollektor cső köt össze.

• A gépház folyamatos üzemű.

• A gépházra jellemző

térfogatáram 400-800 m3/h

közé esik.

• A hőcserélő működését az 1-

es, 2-es, vagy a 3-as gép

üzeme nem befolyásolja.

• A 4-es gép üzeme esetén a

torzult belépő sebességprofil

miatt 10%-kal csökken a

hőcserélő hatásfoka.

26 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

200

400

600

800

1000

1200

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00

Időszak

Szá

llítá

s [

m3

/h]

Átl

ag

a

M

ax

imu

m

Szó

rás

Budafoki gépházba tervezett egyedi

hőcserélő

27 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K

Főbb beállítások:

Analysis type:

• Steady state

Domain:

• Heat transfer: total energy

• Turbulence model: SST

Domain Interface:

• Fluid-Fluid

• Heat transfer

• Interface model: Thin material,

Steel, 12 [mm]

Víz sebessége a nyomóvezetékben [m/s]

Víz hőmérséklete a nyomó vezetékben [0C]

Hőcserélőben keringő víz tömegárama [kg/s]

Hőcserélőben keringő víz belépő hőmérséklete [0C] Hőlépcső [0C]

ΔT a hőcserélőben keringő víz belépő és kilépő hőmérséklete között [0C]

Felvett hőáram [kW]

1,008 10 3,16 2 8 5 66,07

1,008 10 3,16 4 6 3,8 50,21

1,008 10 3,16 6 4 2,58 34,09

1,008 10 3,16 8 2 1,3 17,18

Köszönöm a figyelmet!

28 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K