(5)水刀清洗流體力學
這是我們高壓水清洗最簡最簡的圖
它要同時滿足流體力學三個基本定律 :
質量守恆
能量守恆
動量守恆
圖上要表達的意思是 :
1. 我用一台高壓水車 ; 壓力表上壓力數值為 P1 ; 最前端接高壓水槍在清洗
2. 水在高壓水管中時 , 不考慮損失 , 壓力保持 P1 , 速度 V1 , 高壓水管的截面積 A1 , 水管裏的流量為 Q1
3. 水到了水槍出口時 , 壓力 (P2 )變成 0 , 所有能量轉成出口速度 V2 , 可由白努利方程式換算 ( 不考慮高程差 h )
4. A2為高壓水槍出口 nozzle 的大小 ; V2 x A2 為出口的流量Q2 , 還是要滿足質量守恆 , 所以 Q2=Q1
5. 清洗的效果以水柱衝擊力估算 , 公式為 F = 密度 x Q (出口流量) x V(出口速度)
現在 , 如果我們對清洗的效果不滿意 , 想要提升 pump 出力 , 有兩種選擇要比較
第一種是放大出口面積(nozzle 改大顆的)A2 , 壓力保持 P1
第二種是 nozzle 不變 , 壓力提高
哪種情況會比較好 ? 也就是哪種情況會得到比較大的衝擊力 F ?
第一種 case ,
假如我把水槍出口的 nozzle 放大2倍 ( 2 x A2 ) ; 則以原來的pump出力 , 則會看到壓力表上的讀數下降
這時我們加大 pump 出力 , 使壓力表讀數回到原來的 P1 , 這時...流體力學告訴我們 , 計算的方法如下 :
1. 出口流速由於要滿足白努利方程式 , 所以P1不變 , 則 V2 不變
2. 但是 pump 送出的流量=出口的流量= 出口面積 x 出口速度 = (2 x A2) x V2 , 是原來的兩倍
3. 衝擊力 F = 密度 x 流量 x 出口速度 ; 密度跟出口速度不變 ; 但流量兩倍 ; 所以衝擊力兩倍
第二種 case
不更改水槍的 nozzle , 直接加大 pump 出力 , 讓壓力表讀數變成 2 x P1 (兩倍壓力)
會怎樣呢 ? 流體力學告訴我們 :
1. 根據白努利方程式 , 壓力兩倍 , 但是出口速度必須開根號 , 只增加差不多 1.414 倍
2. Q=A x V , 速度增加 1.414 倍 , 流量為原來的 1.414 倍
3. F=密度 x Q x V , 還是 1.414x1.414=2 , 跟第一種 case 相同
所以增加出口nozzle的尺寸並換上高流量 pump , 清洗效果會比不更換 nozzle , 直接拉高壓力效果差
事實上高壓水 pump的供應商也分兩派喔 , 歐洲派偏愛高流量 , 美國派偏愛高壓力
美國派有最新實驗機種壓力高達 10萬 psi 的 !!
不過在實務上 , 一般高流量的 pump 比高壓力的 pump 便宜 , 機械技術成熟
所以 , 關於丁二烯工場內有幾隻殼側很難洗的換熱器
如果對目前的清洗效率不滿意 , 想要提升的話
提高 nozzle 的開口面積 A2 (當然順帶也得提升 pump 的最大出水量)
會比提升壓力來的便宜與實際
目前國內的 pump 都在 400~500 馬力 , 出水量都約 200 L/min , 壓力 1000 bar 上下
國際間找的到最大的如下圖(就是有在量產 , 而不用客製化的 )
750馬力 , 出水量 379 L/min ,
如果把出水量集中在一個 nozzle上 , 製造最強的水柱 , 硬是要穿透丁二烯的結焦 !!
效率大約是原來的兩倍 !! 投資費用約在台幣 1500萬上下
其他可能的方案 , 就屬於概念性的了
既然 F = 密度 x 流量 x 速度
改變密度也是可以
如何改變高壓水柱的密度 ?
我們可以在水裡添加藥劑 , 事實上 , 市面上有種有再流通的產品叫 super-water 添加劑 , 可以改變水的黏滯性與密度 , 就是這個原理
或者在水裡添加鐵砂等等
只是一般用於切割 , 用於清洗必須適度降低壓力 , 流量等等 , 不然洗好管子也破了
總之...這些都屬於實驗性質了