Műtárgyvizsgálatok Fővárosi Vízművek Zrt-nél

Műtárgyvizsgálatok Fővárosi Vízművek Zrt-nél XVII. econ Konferencia ANSYS Felhasználói Találkozó Gönczi Gábor

2 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Tartalom Medencék üzemének vizsgálata Csőelemek nyomásveszteség-csökkentése UV fertőtlenítő berendezés modellezése Vízóraelfagyás vizsgálata Egyedi hőcserélő gépházi alkalmazásra

3 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Medencék üzemének vizsgálata Átlagos tartózkodási idő: Lokális tartózkodási idő: Vízcsere: Q in [m 3 /s] Víztároló V [m 3 ] Q out [m 3 /s]

4 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K 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 User Function: Water height Kinematic diiffusivity 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

5 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Medencék üzemének vizsgálata Mixture model Residence time

6 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K 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.

7 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Módszertan Eredeti geometria vizsgálata Numerikus számítás Problémás zónák meghatározása Új geometria Hemodinamika Biomechanika Más források Új geometria vizsgálata Numerikus számítás Nyomásveszteség ek összehasonlítása Validáció, prototípus gyártás 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).

8 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Módszertan Áramvonal: 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. Turbulens kinetikus energia: k = 1 2 u i u i = 1 2 u 2 + v 2 + w 2 A turbulens kinetikus energia (jele:k) az ingadozó sebességek tömegegységre jutó mozgási energiája. Mértékegysége: J/kg= m 2 /s 2

9 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Szabványos 90 0 -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.

10 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Szabványos 90 0 -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.

11 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Szabvány kollektorcső három bemenettel Szabvány DN200- DN100-as kollektorcső, amelyet egy90 0 könyök követ Inlet 1 Inlet 2 Inlet 3 Operation 1 on on off Operation 2 off on on Operation 3 on off off Operation 4 off on off Operation 5 off off on 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.

12 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K 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. Eredeti geometria nagy turbulens zónával

13 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Szabvány kollektor-cső három bemenettel Eredeti Geometria V1 Geometria V2 Geometria V3 Geometria V4 Geometria V5 ΔP [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.

14 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K 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. Aszimmetrikus V3-as geometria

15 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Szabvány kollektorcső három bemenettel Nyomásveszteség csökkentés az 5-ös geometriánál 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.

16 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Gilice téri új gépház 4-es gép nyomóvezetéke (K+F) Térfogatáram [m3/h] 689 Eredeti nyomásveszteség [m] 1,4 Nyomásveszteség csökkentés [%] 30 Csökkentett nyomásveszteség [m] 0,98 Nyomásveszteség csökkentés [m] 0,42 Megtakarított energia [kwh] 1,21317 Megtakarítás egy év alatt [Ft] 254358,07 Átlag felvétel [kw] 60 Folyamatban lévő K+F. Két csőelem kerül lecserélésre: egy T-idom és egy könyök Új könyök idom és új T idom. Megtérülés [év] 2,4

17 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K UV fertőtlenítő berendezés modellezése Kiegészítő technológiája a hagyományos fertőtlenítő eljárásnak UV-C 280-100 nm Hullámhossztartomány 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/m 2 Üzemeltetése havária esetén.

18 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K UV méretezése (Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék)

ҧ Intenzitás: 19 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K UV méretezése (Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék) h=l/2 I 0 = න di r, z = S L h= L/2 4π 2z r + + L r + + ahol: ± 1 = 4r 2 + (L ± 2z) 2 Itt S L 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) = I 0 e αr [W/m 2 ] ahol: I 0 : A kiinduló dózis értéke a lámpánál [W/m 2 ] α: abszorpció, tiszta vízre [m -1 ] r: a lámpától mért távolság [m] Dózis: D = ҧ I T [J/m 2 ] ahol: I: Az átlagos intenzitás [W/m 2 ] T: expozíciós idő [s]

20 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K UV méretezése (Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék) ANSYS CFX: Sebességtér Nyomásveszteség Expanziós idő Matlab: Intenzitás eloszlás Dózis számítás

21 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K 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: I 0 α

22 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

23 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/m 2 K] Solid-dirt: Thermal contact resistance: 1000 [W/m 2 K]

24 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).

25 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Egyedi hőcserélő koncepciója 12 0 C Egyedi hőcserélő 12 0 C Biztonsági kőr HFC-Víz hőcserélő 7 0 C Kompresszor 2 0 C 20 0 C Hőszivattyú (fűtési rendszer) -25 0 C Expanziós szelep Hűtési rendszer 60 0 C HFC-Víz hőcserélő 55 0 C 45 0 C Fan-coil 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. 18 0 C

Szállítás [m3/h] Átlaga Maximum Szórás 1200 26 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Budafoki gépházba tervezett egyedi hőcserélő 1000 800 600 400 200 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00 Időszak A gépházban összesen 4 gép található, amelyet egy közös kollektor cső köt össze. A gépház folyamatos üzemű. A gépházra jellemző térfogatáram 400-800 m 3 /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.

27 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Budafoki gépházba tervezett egyedi hőcserélő Víz Hőcserélőben Víz sebessége a hőmérséklete a keringő víz nyomóvezetékb nyomó tömegárama en [m/s] vezetékben [ 0 C] [kg/s] Főbb beállítások: Analysis type: Steady state Domain: Hőcserélőben keringő víz belépő hőmérséklete [ 0 C] Hőlépcső [ 0 C] Heat transfer: total energy Turbulence model: SST Domain Interface: Fluid-Fluid Heat transfer Interface model: Thin material, Steel, 12 [mm] ΔT a hőcserélőben keringő víz belépő és kilépő hőmérséklete között [ 0 C] 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

28 F Ő V Á R O S I V Í Z M Ű V E K Köszönöm a figyelmet!