для диафрагм m2 =m 1( l - 5 2) / ( l + lf27m2)100;
для сопелтп2 =m 1( l - 5 a) / ( l + m2)100.
Полученное значение m2 и будет окончательным в подавляю щем большинстве случаев.
Аналогичным путем можно учесть и изменения е, происходя щие вместе с изменением т , но они обычно ничтожно малы за пределами погрешности в 0,2 % .
По окончательному значению m2 находим диаметр отверстия
СУ с?2о п0 Формуле |
|
|
^20 = |
» |
№0) |
где kt и k't — коэффициенты линейного расширения материала СУ и трубопровода соответственно.
Для проверки расчета значений a, е, kt, d2o> Р и Др подставляем в правые части формул расхода. Если полученный расход отли чается от заданного не более чем на 0,2 % , то расчет правиль ный.
Для диафрагм с угловым отбором расчет можно сильно упро стить, если воспользоваться таблицей зависимости а от произве дения т а (для ряда значений т 2 и Re), приведенной ниже. Для d > 125 мм, когда km — очень мало, это значение а и будет окон чательным для жидкости. Относительную площадь диафрагмы находим по формуле m = m a/a, а ее диаметр — по формуле (80). Для газа и пара после получения m уточняем значение е и по нему — значение т а . Затем по таблице находим уточненные значения a i, m1 = (m a)i/ai и d20-
Если же d < 125 мм, то надо дополнительно определить попра вочные множители на шероховатость трубопровода К ш и при тупление входной кромки диафрагмы Ки и внести поправку в полученное значение a
a —аиКшКи.
Значение а будет окончательным.
Для труб Вентури нет необходимости при определении d на ходить произведение т а , потому что у них коэффициент истече ния С в определенной области чисел Re постоянный, не завися щий от т , а значит и от d. Тогда искомый диаметр d находится непосредственно из формулы расхода для жидкостей (е = 1). Ре
шая уравнение расхода с учетом того, что a = f r j l - d 4 /X)4 , |
по |
лучим |
|
d = Dqm /(0,01252С2£)4рДр + ? т )0,5- |
<81> |
Для газа и пара исходя из полученного для жидкости значе ния d находим т = d2 / D2 и по нему, имея отношение Др / pi, определяем коэффициент е, после чего определяем диаметр гор ловины d\ трубы Вентури для газа и пара по формуле d\ - dve.
92
Г л а в а 2
МИКРОРАСХОДОМЕРЫ
ИПАРЦИАЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
ССУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ
2.1.ОБЛАСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ
Измерение малых расходов жидкостей и газов весьма необхо димо в создании различных полузаводских установок, при прове дении многих научно-исследовательских работ и при контроле некоторых промышленных процессов.
Целесообразно верхнюю границу малых расходов связать с со ответствующей верхней границей диаметра трубопровода DB. Если принять DB ~ 10 мм, то <7тах для жидкостей будет около 1 м3/ч,
а для газов — около 10 м3/ч. Если же за верхнюю границу при нять DB= 5 мм, то указанные значения gmax уменьшатся в четыре раза. Нижняя же граница малых расходов определяется требова ниями практики, например 1 см3/ч для жидкостей и 50 см3/ч для газов. Для измерения микрорасходов применяют особые разно видности рассмотренных ранее методов измерения и, кроме того, созданы некоторые специальные методы и приборы, в частности пузырьковые и капельные расходомеры.
2.2. РАСХОДОМЕРЫ С СУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ, КАПИЛЛЯРНЫЕ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ,
МОСТЫ, РЕОМЕТРЫ И УДАРНО-СТРУЙНЫЕ
Для измерения малых расходов применяют миниатюрные су жающие устройства, преобразователи типа различных гидравли ческих сопротивлений (капиллярные, гидравлические мосты и реометры), а также ударно-струйные преобразователи. Все они требуют индивидуальной градуировки.
Сужающие устройства. На рис. 27 изображены диафрагмы [17] с d = 0,5 мм. Их проточные части изготовлены из синтети ческих рубинов или сапфиров в целях повышения стойкости к истиранию и достижения лучшей взаимозаменяемости. Проточ ная часть 2 каждой диафрагмы (рис. 27, б) запрессована в латун ный диск 3, поверхность которого обработана заподлицо с проточ но частью и отполирована алмазной пастой. Диск 3 вместе с уп лотняющими прокладками 4 зажат между фланцами 1,приварен ными к трубопроводу, имеющему внутренний диаметр d = 6,4 мм и длину прямого участка до диафрагмы 50D. Диафрагмы испы тывали в лаборатории фирмы «Бритиш Петролеум» на водороде под давлением 1,4 МПа (при Re = 80+350) и на азоте под давле-
93
Рис. 27. Виды приборов диафрагм с проточной частью из синтетических рубинов и сапфиров: а — разновидности; б — монтаж диафрагм; в — винто
вой капиллярный преобразователь
нием 7 МПа (при Re - 300*1500). Лучшие результаты дали ди афрагмы типа Б, показавшие постоянство а в области Re от 80 до 1500. У одной из них, имевшей 0= 51° и t = 0,283 мм, коэффици ент а = 0,747, у другой с углом 0= 54° и t = 0,28 мм, коэффициент
а=0,752.
ВЛьвовском политехническом институте в качестве микро
преобразователей расхода испытывали часовые камни типа СЦ из синтетического корунда. Испытание часового камня с d = 0,08 мм показало, что при числах Re от 700 до 1800 коэффициент а = = 0,747 ± 0,5 % [15].
Имеются сообщения об исследовании металлических сужаю щих устройств различного типа для измерения малых расходов жидкости и газа. Так, в работе [23] испытывали диафрагмы с d, равным 0,5, 0,9,1,6, 2,8 и 5 мм, имевшие угол входа 90° и толщи ну е = d. Испытания проводили при числах Re^ от 103 до 1,5 х
94
х 104. Для диафрагм, имевших d от 1,6 мм и выше, при особо тщательном их изготовлении, коэффициенты расхода диафрагм, имев ших одинаковые d9отличались друг от друга не более чем на 2,5 % . Отбор давлений был радиальный. При диаметрах d < 1,6 мм разброс значений коэффициента расхода был больше. В другой работе [24] на трубе диаметром 5 мм исследовали диафрагмы, имевшие d = 0,35-5-0,65 мм, толщина которых е была в пределах (1+4)d. Имеются сообщения [13] о применении металлических диафрагм с d = 3,6+6 мм для измерения расхода углекислого газа в пределах 2-12 м3/ч при давлении 0,1-0,5 МПа. Для изме рения малых расходов нашли применение [36] металлические сопла четверть круга с d = 0,5+6,25 мм. Они были конструктивно объединены с мембранным преобразователем перепада давления
иустановлены на выходе из сравнительно большой «плюсовой» полости последнего. Это исключало необходимость иметь длин ный прямой участок трубы. Поток, входящий в сопло из сравни тельно большой камеры, имеет равномерный профиль скоростей.
Капиллярные преобразователи. Капиллярные преобразовате ли, основы работы которых также рассмотрены далее (см. гл. 5), особенно подходят для измерения небольших расходов жидкости
игаза. Но делать диаметр капиллярной трубки менее 0,25 мм не следует из-за опасности засорения. Поэтому для получения дос таточного перепада давления при малом значении расхода при меняют различные способы.
Длину капиллярной трубки увеличивают и располагают ее в виде спирали для достижения компактности преобразователя. При измерении расхода серной кислоты в пределах до 450 см3/ч при меняли [19] трубку из коррозионно-стойкой стали диаметром 2,1 мм и длиной 1,75 м. В случае необходимости погашения большого перепада давления при истечении водорода из цилинд ра под давлением 10 МПа служила [20а] спиральная трубка из коррозионно-стойкой стали диаметром 0,25 мм и длиной 90 м. При изменении расхода от 1,5 до 24 л/ч перепад на капилляре изменялся от 0,77 до 4,2 МПа. В подобном же случае при изме рении расхода водного раствора радиоактивного изотопа приме няли спиральную трубку диаметром 0,62 мм и длиной 18 м. При изменении расхода жидкости от 0,06 до 0,72 л/ч перепад на капилляре изменялся от 0,42 до 7 МПа. В спиральном капилля ре ламинарный режим работы сохраняется при числах Re до 15 000 [30]. Недостаток спиральных капилляров — отсутствие линейной зависимости между расходом и перепадом давления вследствие действия центробежной силы, резко увеличивающей перепад давления по сравнению с прямым капилляром.
Другой путь состоит в применении прямого капилляра доста точного диаметра, но со стержнем внутри трубки. При этом из меряемое вещество движется по кольцевой щели. Здесь можно обеспечить линейную зависимость между расходом и перепадом давления путем расположения отверстий для отбора давлений в
95
пределах прямолинейного участка трубки. Такие преобразовате ли нашли распространение в химической промышленности. Раз работаны три типоразмера преобразователя с диаметрами трубки dT, равными 4, 10 и 16 мм, имеющими расстояния между местами отбора pi и р2, равные 85,150 и 150 мм и обеспечивающие измере ние расходов жидкости до 1, 25 и 100 л/ч соответственно. У пер вого типоразмера диаметр внутреннего стержня dc равен 3,6 и 3,8 мм, у второго — 9,2, 9,4 и 9,6 мм и у третьего — 15 и 15,4 мм. Толщина кольцевого зазора у этих преобразователей от 0,1 до 0,5 мм [2].
В некоторых случаях [21] преобразователи с внутренним стер жнем применяют для предотвращения конденсации газа в труб ках малого диаметра.
Иногда кольцевую щель преобразователя образуют двумя коаксиально расположенными цилиндрами. Так, в работе [1] рас смотрен преобразователь, у которого внутренний цилиндр имеет d = 20 мм, а щель — длину 8 мм и высоту 0,1 мм.
Третий путь — применение капиллярных преобразователей винтового типа. Их основа — прецизионная винтовая пара с не полной ленточной, трапецеидальной или конусной резьбой. Дос тоинство — возможность легкого перехода на разные пределы измерения путем регулирования длины винтовой части, находя щейся в зацеплении. Пример такого преобразователя [17] пока зан на рис. 27, в. Вращая рукоятку 5 винта 3, снабженного уплот нением 4 и опирающимся на шарикоподшипник 2 и пружину 1, изменяют длину спирального капиллярного прохода. Для облег чения установки винта в нужное положение имеются указатель 6 и шкала 7. Подача и отвод жидкости производятся через отвер стия в крышке 10 и корпусе £, скрепленных шпильками 9. Меж ду расходом и перепадом давления нет строгой пропорциональ ности. Другой пример конструкции капиллярного преобразова теля винтового типа приведен в работе [16].
Так как вязкость жидкости сильно зависит от температуры, то при точных измерениях надо стабилизировать температуру ка пиллярного преобразователя, например с помощью нагревающей или охлаждающей рубашки. Это легко осуществить в преобразо вателе винтового типа. Иногда капилляр помещают в водяную баню с регулируемой температурой [19] или в термостат с таю щим льдом [20а].
Если вязкость жидкости меняется не только с температурой, но и с изменением ее состава или концентрации, то применяют компенсационный метод измерения [22]. Через одну трубку про текает жидкость, расход q которой надо измерить, а через другую насос объемного типа подает аналогичную жидкость при посто янном расходе одИзмеряют перепады давления в первой Ар и во второй Аро трубках. Искомый расход q = qQ(Ар / Аро)- Капил лярные преобразователи могут измерять расходы до 1 см3/ч [27].
96