Методы измерения расхода жидкости и газа. Конструирование модели расходомера, основанного на методе переменного перепада давления

     Как следует из этого уравнения, область  постоянной линейной зависимости угловой  скорости вращения турбинки от расхода  определяется зоной постоянства  коэффициента A и величины , которые в общем случае кроме конструктивных параметров прибора зависят также от числа Рейнольдса, структуры потока, расхода и вязкости изменяемой среды.

     Значение при правильном проектировании и изготовлении турбинных датчиков(малых коэффициент трения в опорах, отсутствие перекосов, хорошая балансировка турбинки, защищенности от осевых нагрузок) может быть сведено к ничтожно малому, что и обеспечивает высокую чувствительность и большой диапазон измерений турбинных расходомеров. 

      Разновидности турбинных преобразователей.

      Аксиальные  турбинки имеют винтовые лопасти  с переменным по высоте углом подъема  винтовой линии. Попытка применения плоских лопастей при измерении  расхода вязких сред привела к  ухудшению линейной характеристики. Но при измерении расхода газа и жидкостей с малой вязкостью их применение целесообразно. Схема аксиальной турбинки для труб небольшого диаметра показана на рис. 4, а. Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей (4-6), которые реализуют значительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в подшипниках скольжения. В турбинках средних размеров применяют как подшипники скольжения, так и шарикоподшипники. При больших диаметрах (рис. 4, б) число лопастей возрастает до 20 — 24, но длина их по винтовой линии очень мала. Лопасти укрепляются на ободе, который соединяется со ступицей диском или ребрами. Поэтому высота их составляет небольшую долю (0,1D_в) диаметра турбинки. Подшипники обычно шариковые, оси могут быть как неподвижные, так и вращающиеся.

      Конструкции тангенциальных турбинок более разнообразны. В большинстве случаев (рис. 4,β, г, д) поток жидкости одной общей струёй поступает тангенциально к турбинке. В серийных одноструйных водосчетчиках применяется турбинка с плоскими радиально расположенными плоскостями (рис. 4, д). На рис. 4, в показана особая конструкция маленькой турбинки также с плоскими радиальными лопастями, на торцах которых расположены пластины, служащие для отражения луча, падающего от осветителя на фотоэлемент тахометрического преобразователя. Иногда для измерения расхода газа в трубах очень малого диаметра применяют турбинки с лопастями полушаровой формы (рис. 3, ж). Рис. 4. Различные типы турбинок: аксиальные при малом (а) и большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластинками (в), в многоструйных водосчетчиках (г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими лопастями (е) и с лопастями полушаровой формы (ж) 

      Срок  службы турбинного преобразователя  зависит главным образом от опорных  узлов, работающих в тяжелых условиях (очень высокие скорости вращения, отсутствие смазки, возможность динамических нагрузок, агрессивность некоторых измеряемых веществ). С уменьшением диаметра цапф осей снижается момент трения, но одновременно и срок службы преобразователя. Оси изготовляют из материалов с повышенной износоустойчивостью, остальные вращающиеся части — из алюминиевых сплавов и пластмасс, а при измерении расхода газа в некоторых случаях из полипропилена или полистирола для уменьшения нагрузки на опоры.

      Применяются два типа размещения опор: с обеих сторон турбинки или же с одной стороны, когда турбинка висит на консоли. Последний вариант применяется реже, хотя он легче обеспечивает соосность подшипников и отсутствие биения оси турбинки. Но при малых диаметрах и консольном варианте трудно обеспечить необходимое расстояние между двумя подшипниками. Передний и задний подшипники помещают внутри обтекателей, обеспечивающих безотрывное течение жидкости. Обтекатели крепятся к неподвижным струенаправляющим лопаткам. Наружный диаметр обтекателей равен диаметру ступицы или обода турбинки.

      Наибольшую  нагрузку испытывают обычно не опорные, а упорный подшипник. Первые воспринимают лишь сравнительно небольшой вес  турбинки, а второй — осевое давление потока, пропорциональное плотности и квадрату скорости вещества. Поэтому нередко применяют меры уменьшения осевого давления или даже полной его компенсации. Простейший (но малоэффективный) прием — расположить аксиальную турбинку вертикально, а жидкость подвести снизу. Тогда вес турбинки будет частично компенсировать осевое усилие.

        Достоинства:

      Существенные  достоинства этих преобразователей :

      -быстродействие,

      -высокая точность

      -большой  диапазон измерения

      -малая  погрешность измерения.

      - хорошими динамическими характеристиками

      - простота конструкции.

      Недостатки:

      - изнашивание опор (непригодность для веществ, содержащих механические примеси).

      -с увеличением вязкости вещества диапазон линейной характеристики уменьшается.

      2.Расчетная  часть

      2.1. Задание.

Дан турбинный  расходомер тангенциального типа.

Диапазон расходы жидкостей от 1 л/мин до 30 л/мин.

Рабочее тело –  керосин: плотность 0,78 – 0,85 г/см³,

                                          вязкость 1,2 – 4,5 мм²/с . 

Qmin = 1 л/мин = 0.00016 м³/с.

Qmax = 30 л/мин = 0.0005 м³/с.

μ = 2.8 мм²/с = 0.0000028 м²/с - динамическая вязкость.

ρ = 0.8 г/см³ = 800000 г/м³ - плотность текучей среды.

ν = 0,00000125 м²/с – кинематическая вязкость текучей среды.

D = 0,6 м – внутренний диаметр;

S = π*D²/4, (S - площадь живого сечения)

S = 0.2826 м². 

Так как Q = V*S  , то

Vср = (Qmax/S + Qmin/S)/2

Vср = 0.002335 м/с. 

Вычисляем число  Рейнолдса:

Re = Vср*D/ν

Re = 560.5

Оно показывает соотношение между инерционными силами и силами трения или вязкости в потоке жидкости или газа. Число  Рейнолдса используется для характеристики режима потока текучей среды. По его величине можно утверждать, что поток ламинарный. 
 
 
 

2.1. Метод переменного перепада давления.[4] 

- Объемный  расход 

m – модуль сужающего устройства, для диафрагм и сопел выгодно иметь небольшое значение, находящееся в пределах от 0,1 до 0,3;

ε -  поправка на расширение измеряемой среды, для жидкостей = 1

Δp=Δp max – предельный перепад давления, изменяется в пределах от 0,16 до 0,63 кгс/см²;

Δp max = 0,4 кгс/см²;

Вместо  Qм и Qо подставляем предельное значение шкалы дифманометра, которое выбирается из нормального ряда шкал. Исходя из заданного Q, выбираем Q = 1МПа

Определяем  коэффициент расхода α как  функцию произведения mα:

 
 
 

mα=0.09824

Округляем до табличного значения 0,1032,откуда следует, что m = 0,16. И находим α, α=0,645.

- Искомый  диаметр при t = 20 ºC, - поправочный множитель на тепловое расширение сужающего устройства.

 

 

Исходя  из этих формул, получаем, что d = 0.2745 – диаметр отверстия сужающего устройства.

Подставляя  все значения и заданный диапазон расхода жидкостей в уравнение:    

  

 
 

получаем  статическую характеристику:

 

 

Расчеты справедливы для любых сужающих устройств с круглым отверстием. 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Турбинные расходомеры. [1]

Определяем  проходное сечение:

S = π*D²/4, (S - площадь живого сечения)

S = 0.2826 м². 

Так как Q = V*S  , то

Vср = (Qmax/S + Qmin/S)/2

Vср = 0.002335 м/с. 
 

Конструктивные  размеры турбинки:

 r = 2 мм =0.002 м – внутренний радиус крыльчатки,

;-наружный радиус крыльчатки;

Rкр.нар. = 0,3м

;- длина лопасти.

h = 0,298 
 

Расчет момента:

;-динамический напор жидкости;

 - плотность рабочего тела ( )

P = 1,935 кг/м*с²

;  - сила, создаваемая потоком жидкости на лопасти крыльчатки, площадью S1;

S1 = 0,00298*6 =0.01788 м²

 F = 0,0346 H

Найдем момент, создаваемый входным потоком жидкости, действующий на плоскость лопасти крыльчатки:

M = 0,01 H*м.

Статическая характеристика турбинного расходомера  выражается в прямой зависимости  между Q и ω.

При изменении  площади проходного сечения турбинки возрастает осевая скорость в проточной части турбинки.

Изменение размера  радиального зазора сопровождается изменением величины протечек жидкости через зазор и изменением сопротивления  трения в зазоре.

Изменение температуры  и давления, сопровождающееся изменением плотности и вязкости измеряемого вещества, будет вызывать изменение движущего момента, частоты вращения турбинки и порога чувствительности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Конструирование  расходомера, основанного на методе переменного перепада давления.[3,6]

3.1.Выбор сужающего устройства.

Выбор сужающего устройства следует из обязательных  условий:

       —стандартный  максимальный перепад давления должен быть выбран как можно больший, т. к. при этом обеспечивается постоянство коэффициента ;

       —стандартный  максимальный перепад давления должен быть выбран как можно меньший, т.к. с увеличением перепада давления возрастают безвозвратные потери давления;

       —модуль диафрагмы удовлетворяет условию: ;

       —погрешность  расчета не должна превышать ±0,1%. 

Правила РД-50-2/3-80 регламентируют следующие требования к стандартным сужающим устройствам:

   1.Конструкция  сужающего устройства и способ  его крепления должны обеспечить  возможность периодического осмотра  с целью проверки соответствия  сужающего устройства требованиям правил.

2.Измерение  перепада давления в сужающем  устройстве производится через  отдельные цилиндрические отверстия  или через две кольцевые камеры.

    Исходя из условного прохода  и условного давления, по ГОСТу-26969-86 выбираем диафрагму ДКС. Для выбора фланцев СУ  используем ГОСТ 12820-80.

   Сужающее  устройство состоит из диафрагмы, основной трубопровод, уплотнительные прокладки, патрубок (под сварку), корпус плюсовой кольцевой камеры, корпус минусовой кольцевой камеры.