Расчет и изготовление диафрагм для расчета параметров. Расчет диафрагм и сопел
Расходомеры переменного перепада состоят из устройств, образующих местное сужение в трубопроводе (сужающие устройства) и дифференциальных манометров перепада давления.
Принцип действия сужающих устройств заключается в следующем: при протекании потока жидкости, газа или пара в суженном сечении трубопровода часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую. Средняя скорость потока увеличивается, в результате чего в сужающем устройстве создается перепад давления, величина которого зависит от расхода вещества.
Сужающие устройства подразделяются на две группы: нормализованные и ненормализованные. К первой группе относятся диафрагмы, сопла, трубы Вентури. Диафрагмы и сопла устанавливают в трубопроводах круглого сечения диаметром не менее 50 мм, а трубу Вентури — в трубопроводе диаметром не менее 100 мм.
Ко второй группе сужающих устройств относятся сдвоенные диафрагмы, сопла с профилем размером 1/4 круга и другие устройства, которые применяют для измерения расхода вязких жидкостей при малых диаметрах трубопроводов.
Диафрагмы (рис. 31) бывают камерные А — отбор импульсов давления при помощи кольцевых камер и бескамерные Б — отбор импульсов давления при помощи отверстий (табл. 13). Толщина диска диафрагмы должна быть менее 0,1 D (D — диаметр условного прохода трубопровода).
Камерные диафрагмы состоят из диска, прокладки и двух кольцевых камер. Кольцевые камеры измеряют давление до и после диафрагмы. Толщина диска равна 3 мм для трубопроводов диаметром D < 150 мм и 6 мм для трубопроводов диаметром 150 < D < 400 мм.
Сопла могут применяться для труб диаметром не менее 50 мм. Схема сопла представлена на рис. 32. Верхняя часть соответствует отбору импульсов давления при помощи кольцевой камеры, нижняя — отбор производится при помощи отверстий. Выпускают их малыми сериями.
Труба Вентури имеет постепенно сужающееся сечение, которое затем расширяется до первоначального размера. Вследствие такой формы потери давления в ней меньше, чем в диафрагмах и соплах. Труба Вентури состоит из входного и выходного конусов и цилиндрической средней части (рис. 33).
Труба Вентури называется длинной, если диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, и короткой, если он меньше диаметра трубопровода.
Сужающие устройства — простые дешевые надежные средства измерения расхода. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчетным путем, поэтому отпадает необходимость в образцовых расходомерах. Сужающее устройство является индивидуальным для каждого расходомера.
Из перечисленных сужающих устройств наибольшее применение нашли диафрагмы, поэтому приведем примеры расчета диафрагмы для измерения расхода воды и влажного воздуха (газа).
Расчет сужающего устройства заключается в определении размеров его проходного отверстия.
1. Находим произведение коэффициента расхода а на отношение площади проходного сечения диафрагм к площади трубопровода а:
2. Рассчитываем критерии Рейнольдса, соответствующие расчетному и минимальному расходам:
3. По произведению ста с помощью графика (рис. 34) определяем значение а и а:
4. Рассчитываем потери давления от установки диафрагмы
Фактические потери давления от установки диафрагмы меньше допустимого значения.
- Определяем диаметр прохода диафрагмы при рабочей температуре:
6. Находим диаметр прохода при температуре 20 °С:
7. Проверяем расчет по формуле:
1. Определяем плотность влажного воздуха:
2. Находим ориентировочное значение произведения ста, приняв коэффициент расширения е = 1:
- Рассчитываем критерий Рейнольдса для расчетного и минимального расходов воздуха:
- По графику (см. рис. 34) определяем ориентировочные значения а и а. Они равны соответственно 0,445 и 0,673.
- Находим значение коэффициента расширения е по графику (рис. 36) - е = 0,975.
- Уточняем значение произведения а а 8 = 0,292 . 0,975 = 0,287.
- По уточненному произведению а а 8 определяем а и а (см. рис. 34):
Полученное значение меньше допустимого.
- Рассчитываем потери давления от сужающего устройства (см. рис. 35): AP d = 55 %;
10. Проверяем расчет по формуле
Однотипные по устройству дифференциальные манометры и вторичные приборы могут быть использованы для различных условий измерения.
Расходомеры с сужающими устройствами универсальны, они применяются для измерения расхода практически любых однофазных (иногда и двухфазных) сред в широком диапазоне давлений, температур, диаметров трубопроводов.
Приводимые далее расчетные формулы (равно как и методы расчета) справедливы для любых сужающих устройств, и в том числе, для стандартных диафрагм и сопел, но, разумеется, числовые значения коэффициентов расхода и поправочных множителей на изменение плотности газа и пара будут различны для разных сужающих устройств.
Учитывая, что площадь круглого отверстия сужающего устройства F 0 = d 2 /4 и p = p 1 - p 2 , а также производя соответствующую подстановку в формулы расхода (1),(2), получим значения Q м и Q о в виде:
где p измеряются в паскалях.
В большинстве технических расчетов применяют не секундный, а часовой расход. Измерять же диаметр d удобнее в миллиметрах, а не метрах.
С учетом вышеизложенного получим следующие выражения для Q м (кг/ч) и Q о (м 3 /ч):
(3)
Погрешности измерения расхода с помощью диафрагм и сопел
Уравнения расхода, например (3), содержат пять множителей , , 1/2 , p 1/2 , d 2 , от погрешностей которых зависит погрешность измерения расхода Q м или Q о. Имеются в виду случайные погрешности перечисленных величин. Систематические погрешности должны быть устранены или же учтены соответствующими поправками. Если были бы известны средние квадратические случайные погрешности , , d , , p , то на основании закона сложения средних погрешностей можно записать
В общем случае погрешность коэффициента расхода надо определять по формуле (5):
В формуле (5) через и обозначена исходная погрешность а, которой оценивается достоверность коэффициента .
где D- диаметр трубы;
d - диаметр диафрагмы;
m - относительная площадь сужающего устройства.
Согласно стандарту ИСО 5167 для диафрагм с угловым и фланцевыми отборами и = 0,3 % при т < 0,36 и и = 0,5% при т > 0,36. Для сопел и = 0,4 % при т < 0,36 и и = % при т > 0,36. В правилах РД 50-213-80 для сопел и = 0,3 % при т 0,25 и и = % при m > 0,25.
Если при определении т допущена погрешность из-за неточного измерения значений d и D , то возникает дополнительная погрешность m коэффициента , которую можно определить, исходя из формул (6) и (7) и зная погрешности d и D .
(6)
(7)
откуда для диафрагм
(8)
и для сопел
(9)
Значения d и D зависят от точности измерения d и D. Максимальная погрешность измерения d находится в пределах от 0,02 до 0,1%. Соответственно d будет изменяться от 0,01 до 0,05%.
Погрешность измерения перепада давления p или, иначе говоря, погрешность дифманометра будет определяться разными формулами, которые зависят от того, отнесен ли класс точности S дифманометра (т. е. основная погрешность показаний прибора в процентах) к верхнему пределу измерения разности давлений S p или же к верхнему пределу измерения расхода S Q Эти формулы имеют вид:
Согласно ГОСТ 18140-84 дифманометры, предназначенные для работы в комплекте с сужающими устройствами, имеют класс S Q отнесенный к верхнему пределу измерения расхода. Обычно S Q =(0,51,5)%. /1/
Недостатки
Недостатком метода являются относительно большие погрешности (1- 2%), обусловленные демпфирующим действием сужающего устройства, нелинейной зависимостью между расходом и перепадом давлений, неравномерным распределением давления, износом сужающего устройства, изменением плотности вещества и др. Последняя причина особенно существенна при измерении расхода газа или пара.
Расчет расходомеров переменного перепада давления сводится к определению диаметра отверстия и других размеров сопла или диафрагмы, коэффициента расхода, динамического диапазона измерения, определяемого числами Рейнольдса, перепада давления и потерь давления на сужающем устройстве, поправочного множителя на расширение, а также погрешности измерения расхода газа. Для расчета должны быть заданы максимальный (предельный), средний и минимальный расходы, диапазоны изменения давления и температуры газа, внутренний диаметр и материал измерительного трубопровода, состав газа или его плотность при нормальных условиях, допустимые потери давления или предельный перепад давления, соответствующий максимальному расходу, а также среднее барометрическое давление в месте установки дифманометра-расходомера.
Методика расчета. Перед началом расчета выбираем типы и классы точности дифманометра-расходомера, манометра и термометра. Расчет проводится следующим образом.
1. Определяем округленный до трех значащих цифр вспомогательный коэффициент С при подстановке в нее значения максимального (предельного) расхода Q н. пр , температуры и давления, плотности газа при нормальных условиях ρ н , коэффициента сжимаемости Z и диаметра измерительного трубопровода D :
При найденном значении С возможны два вида расчета: по заданному перепаду давления или по заданным потерям давления. Если задан предельный перепад давления Δр пр , то по номограмме рис. 8.11 определяем предварительное относительное сужение m (модуль) сужающего устройства по найденному коэффициенту С и заданному предельному перепаду давления на сужающем устройстве Δр пр , . Найденное предварительное значение модуля m подставляем в формулу по определению тα и вычисляем предварительный коэффициент расхода α .
2. Вычисляем с точностью до четырех значащих цифр вспомогательный коэффициент mα
где ε - поправочный множитель на расширение газа для верхнего предельного перепада давления дифманометра Δр пр , ; Δр пр , - верхний предельный перепад давления на сужающем устройстве, кгс/м 2 .
3. Определяем уточненное значение модуля m с точностью до четырех значащих цифр по формуле
m = mα/α .
4. По уточненному значению модуля m находим новое значение поправочного множителя на расширение и вычисляем разность между
первоначально вычисленным значением ε и уточненным. Если эта разность не превышает 0,0005, то вычисленные значения m и ε считаются окончательными.
5. Определяем диаметр d отверстия диафрагмы при окончательно выбранном m
6. Найденные значения коэффициентов расхода α , поправочного множителя на расширение ε , диаметра d отверстия диафрагмы, а также Δр пр , р 1 , Т 1 , р н и Z используем для определения расхода газа и проверяем расчет предельного расхода газа Q н. пр . Полученное значение Q н. пр . не должно отличаться от заданного более чем на 0,2 %. Если найденное значение предельного расхода газа отличается от заданного более чем на 0,2 %, то расчет повторяется до получения требуемой погрешности расчета предельного расхода газа и параметров диафрагмы.
7. Определяем новые уточненные значения модуля m , диаметра d отверстия диафрагмы, а также коэффициента расхода α и повторно рассчитываем. Если уточненное расчетное значение предельного расхода газа не отличается от заданного более чем на 0,2 %, то уточненные значения m , d и α , фиксируются в расчетном листе сужающего устройства.
8. Рассчитываем минимальное и максимальное числа Рейнольдса и сравниваем минимальное число Рейнольдса с граничными значениями
9. Определяем толщину диафрагмы Е , ширину цилиндрической части диафрагмы е ц , ширину кольцевой щели с , а также размеры кольцевых камер a и b .
10. Выбираем длины прямых участков измерительных трубопроводов до и после диафрагмы.
11. Рассчитываем погрешность измерения расхода
Полученные данные фиксируются в расчетном листе сужающего устройства и являются основой для его изготовления и монтажа.
Пример 9.3.3. Рассмотрим расчет диафрагмы при следующих исходных данных. Измеряемая среда - природный углеводородный газ с плотностью при нормальных условиях ρ н =0,727 кг/м 3 . Наибольший измеряемый (предельный) расход газа, приведенный к нормальным условиям, Q н.пр. = 100000 м 3 /ч, средний Q н.ср. =60000 м 3 /ч, минимальный, Q н. min =30000 м 3 /ч. Температура газа перед сужающим устройством Т 1 =278 К. Избыточное давление газа перед сужающим устройством р 1 изб = 1,2 МПа=12 кгс/см 2 . Предельный перепад давления на сужающем устройстве (диафрагме) Δp пр =2500 кгс/м 2 =0,25 кгс/см 2 . Среднее барометрическое давление р б =0,1 МПа = 1 кгс/см 2 . Внутренний диаметр трубопровода перед диафрагмой D = 400 мм. Вязкость газа в рабочих условиях μ =1,13·10 -6 кгс·с/м 2 .
Перед диафрагмой находятся местные сопротивления в виде входного коллектора с двумя коленами, расположенными в разных плоскостях, и входной отсекающий кран. 3a диафрагмой установлена гильза термометра и выходной кран. Допустимая погрешность от неучета длин прямых участков до и после диафрагмы δ α L не должна превышать 0,3 %. Отбор давлений от диафрагмы - угловой. Внутри прямого участка измерительного трубопровода на расстоянии l =2 м имеется выступ от стыковки труб высотой h =1 мм. Эксцентриситет оси отверстия диафрагмы и измерительного трубопровода е =2 мм.
Приведенные погрешности δ пп и δ пк пропорционального и корневого планиметров одинаковы и не превышают 0,5 % Абсолютные погрешности хода диаграмм дифманометра, манометра и термометра Δτ Δр , Δτ Δр , Δτ р и Δτ Т не превышают 2 мин.
Порядок расчета
1. В качестве сужающего устройства выбираем диафрагму (рис. 9.10, а) из нержавеющей стали марки Х17. В качестве вторичного измерительного прибора выбран сильфонный самопишущий дифманометр типа ДСС-734 класса точности 1,5 с предельным перепадом давления Δр пр = 2500 кгс/м 2 , имеющий дополнительную запись давления класса точности 1,0 с предельным давлением р пр = 25 кгс/см 2 . Для записи температуры газа выбран самопишущий манометрический термометр типа ТЖ класса точности 1,0 с пределом измерения от -50 до 50 °С.
2. Определяем абсолютное давление газа перед сужающим устройством по формуле:
p 1 = p 1 изб +p б = 1,2+0,1 = 1,3 МПа=13 кгс/см 2
3. При ρ н =0,727 кг/м 3 коэффициент сжимаемости природного газа будет 0,974.
4. Определяем вспомогательный коэффициент С по формуле:
5. При известном коэффициенте С =11,530 и предельном перепаде давления Δр пр = 2500 кгс/м 2 по фрагменту номограммы, рис. 9.11, определяем численное значение модуля диафрагмы m и необратимые потери давления на диафрагме р п .
Для получения значения модуля т и потерь давления р п откладываем на ось абсцисс номограммы С =11,530 и восстанавливаем перпендикуляр до пересечения в точке А с кривой 1, соответствующей предельному перепаду давления Δр пр =2500 кгс/м 2 . Наклонная прямая 2, проходящая через точку А, соответствует значению искомого модуля диафрагмы m =0,356. Проведя из точки А горизонтальную прямую до пересечения с осью ординат, получаем значение необратимых потерь давления р п на диафрагме, равное 0,16 кгс/см 2 .
6. Рассчитаем минимальное число Рейнольдса Re min , соответствующее минимальному расходу газа Q н. min =30000 м 3 /ч, т. е.
Re min = 0,0361 Q н. min ρн /(Dμ m ах ) = 0,0361·30000 ×
× 0,727/(400·1,13·10 -6) = 1,74·10 6 .
Такое значение минимального числа Рейнольдса удовлетворяет условию.
Рис. 9.11. Фрагмент номограммы для С =f (Δp пр , т , р п ).
8. Определяем значение коэффициента адиабаты х в рабочих условиях при p 1 = 13 кгс/см 2 и Т =278 К:
х = 1,29 + 0,704·10 -6 р 1 = 1,29 +
0,704· 10 -6 · 13 = 1,29 + 0,088 = 1,378.
9. Рассчитаем предварительное значение поправочного множителя на расширения ε при известном предварительном значении модуля m =0,356, коэффициенте адиабаты х = 1,378, предельном перепаде давления Δр пр =0,25 кгс/см 2 и давлении p 1 = 13 кгс/см 2:
ε = 1 - (0,41 + 0,35m 2) Δр пр /(x Р 1) = 1 - (0,41 + 0,35 · 0,356 2) ×
× 0,25/(1,378·13)= 1 - 0,454·0,0140 = 0,99.
10. Вычисляем вспомогательный коэффициент mα при С = 11,530, ε =0,99 и Δр пр =2500 кгс/м 2:
mα = С/(ε ) = 11,530/(0,99 ) = 0,2329.
11. Определяем уточненное значение модуля m при mα =0,2329 и α =0,6466:
m = mα/α = 0,2329/0,6466 = 0,36.
12. При новом уточненном значении m =0,36 коэффициент расхода α равен
α = (1/ ) {0,5959 + 0,0312·0,36 1,05 -0,1840·0,36 4 +
0,0029·0,36 1,25 0,75 } = 1,0715(0,5959 + 0,01067 -
0,00309 + 0,0001324) = 0,6468.
13. При m =0,36 диаметр отверстия диафрагмы
d = = 400 = 240 мм.
14. Подставляем в формулу найденные значения d =240 мм, α =0,6468, ε = 0,99, Δр пр =2500 кгс/м 2 , p 1 = 13 кгс/см 2 , T 1 = 278 К, ρ н =0,727 кг/м 3 и Z =0,974:
Q н.пр = 0,2109αεd 2 = 0,2109·0,6468·0,99·240 2 ×
× = 7778,64·12,85 = 99955,6 м 3 /ч.
15. Находим погрешность расчета максимального расхода газа ΔQ по формуле:
Погрешность расчета ΔQ =0,04 % <0,2 %, что вполне допустимо. Здесь Q расч - уточненное расчетное значение максимального (предельного) расхода газа, м 3 /ч. Так как погрешность расчета 0,04 % вполне допустима, окончательно принимаем следующие параметры измерительной диафрагмы. Диаметр отверстия диафрагмы d =240 мм, коэффициент расхода α =0,6468 и модуль m =0,36.
16. Рассчитаем максимальное число Рейнольдса Re ma x , соответствующее предельному (максимальному) расходу газа Q н.пр = 100000 м 3 /ч:
Re max = 0,0361Q н.пр ρ н /(Dμ ) = 0,0361·100000×
×0,727/(400·1,13·10 -6) =2,64·10 6 .
17. Принимаем толщину диска диафрагмы Е =0,05 D .Тогда Е =0,05-400=20 мм. Ширину цилиндрической части отверстия диафрагмы е ц (рис.
9.10, а), которая затем переходит в коническую выходную часть, выбираем из соотношения 0,005 D 0,02 D . Приняв е ц =0,02 D , получаем, что е ц =0,02∙400=8 мм. Угол скоса конической выходной части диафрагмы q должен быть не менее 30 и не более 45°. Принимаем угол скоса .
18. Ширина кольцевой щели c , соединяющей камеры отбора давлений с трубопроводом, не должна превышать 0,03 D при т ≤ 0,45. В этом случае
19. Размеры сечений камер для отбора давлений a и b выбираем из условия:
Приняв b = 1,5a , получаем, что а ≥ 70,8 мм, а b ≥ 1,5а ≥ мм. Толщина h стенки корпуса камеры должна быть не менее 2 с , т. е.
20. Определяем длины прямых участков измерительного трубопровода перед диафрагмой L 1 и L 2 и после диафрагмы l 1 и l 2 исходя из заданной погрешности . Перед диафрагмой согласно условию находится два местных сопротивления. Наиболее удаленное от диафрагмы - входной патрубок с двумя коленами, расположенными в разных плоскостях, а ближайшее к диафрагме - входной кран. За диафрагмой находится гильза термометра и выходной кран. Определяем минимальное расстояние L 2 /D между входным патрубком с группой колен, расположенных в разных плоскостях и входным краном. При указанном расположении местных сопротивлений получаем, что L 2 /D= 30. При D =400 мм = 0,4 м
.
Минимальное расстояние L 2 /D между входным краном и диафрагмой, при модуле m =0,36 и заданной погрешности δ а L = 0,3 % равно 20. При L 2 /D =20
Расстояние l 1 от выходного торца диафрагмы до гильзы термометра должно быть более 2 D , т. е.
Определяем минимальное расстояние l 2 от выходного торца диафрагмы до выходного крана. При m =0,36
С учетом выполненных расчетов длины прямых участков измерительного трубопровода (рис. 9.10, а) имеют следующие размеры: L 1 =8 м, L 2 =12 м, l 1 =0,8 м и l 2 =2,8 м.
Расчет погрешности измерения расхода газа . Для расчета погрешности измерения расхода сухого газа выпишем исходные данные,
полученные при расчёте сужающего устройства (диафрагмы), а также определим ряд дополнительных данных. При диаметре трубопровода D = 400 мм, модуле m =0,36 и минимальном числе Рейнольдса Re min =1,74∙10 6 , исходя из условий, указанных в настоящей главе, можно принять, что и . При измерении фактических размеров измерительного трубопровода и диафрагмы было получено, что высота уступа внутри прямого участка трубопровода перед диафрагмой при стыковке труб h =1 мм на расстоянии l =2 м от диафрагмы, а эксцентриситет оси отверстия диафрагмы и измерительного трубопровода е =2 мм. При выбранных длинах прямых участков перед диафрагмой L 1 =8 м и L 2 =12 м и модуле m =0,36 значение погрешности δ а L = 0,3 %. При высоте уступа L =1 мм и диаметре D =400 мм находим, что:
При меньше 0,3% можно принять, что δ а L =0. При эксцентриситете е =2 мм проверяем выполнение условий:
Из указанных условий видно, что фактическое значение эксцентриситета е =2мм удовлетворяет условию, в связи с чем, погрешность от влияния эксцентриситета . Подставив полученные данные в формулу, получаем погрешность определения коэффициента расхода а .
СПЕЦИАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
Расчет сужающего устройства
Исходные данные:
Наибольший измеряемый массовый расход
Средний измеряемый массовый расход
Абсолютное давление воды перед сужающим устройством
Температура воды перед сужающим устройством
Материал трубопровода СТ20
Материал сужающего устройства 15Х12ВНМФ
Внутренний диаметр трубопровода, округленный по ГОСТу стандартного при температуре
Определение недостающих для расчета данных
Плотность воды при; определяем по приложению 8 :
Средний коэффициент линейного теплового расширения материала трубопровода ст.20 определяем по таблице 1 :
Определяем поправочный множитель на тепловое расширение материала трубопровода по формуле:
Kt = (1)
Определяем внутренний диаметр трубопровода по формуле:
Динамическая вязкость воды в рабочих условиях определяем по приложению 26 :
Выбор сужающего устройства и дифманометра
Тип сужающего устройства - диафрагма камерная ДКС 10-125, материал диафрагмы - 10 ХАНВМ2Т, сталь .
Тип и разновидность дифманометра - дифманометр мембранный.
Определение минимального перепада давления дифманометра
Верхний предел измерения дифманометра:
Определяем вспомогательную величину C по формуле:
Определяем номинальный перепад давления дифманометра по приложению 32 для m=0,2:
Определяем число Рейнольдса соответствующее верхнему пределу измерения дифманометра:
Определение параметров сужающего устройства
Наибольший предел давления на диафрагме:
Определяем вспомогательную величину (5)
Определяем коэффициент расхода по формуле:
Определяем вспомогательную величину по формуле:
Определяем относительное отклонение д1:
Т.к. д1<10%, то значения m1=0,2 и бy1=0,619 считаем окончательным.
Проверка ограничений числа Рейнольдса
Минимальное число Рейнольдса Re:
Определяем допустимое число Рейнольдса по приложению 5.1.1 :
Условие Re>Remin выполняется.
Средний коэффициент линейного теплового расширения материала сужающего устройства по таблице 1:
Поправочный множитель на тепловое расширение материала сужающего устройства K"t:
Кt= 1+16.10-6. (118-20) = 1,001568
Диаметр отверстия диафрагмы при температуре 20 0С:
Определяем диаметр отверстия диафрагмы при температуре 100 0С: (11) мм
Проверка расчета
Расход, соответствующий предельному перепаду давления:
ОПИСАНИЕ ПРАВИЛ ДИАФРАГМЫ ДКС10-125 МОНТАЖА ДИФМАНОМЕТРА САПФИР-22М-ДД
Монтаж сужающего устройства ДКС-10-125
Сужающие устройства должны монтироваться в предварительно установленных фланцах только после очистки и продувки технологических трубопроводов (желательно перед их опрессовкой). Установка сужающих устройств должна производиться так, чтобы в рабочем состоянии обозначения на их корпусах были доступны для осмотра.
Сужающее устройство можно устанавливать только на прямом участке трубопровода независимо от положения этого участка в пространстве. При выборе места установки сужающего устройства необходимо иметь в виду, что измеряемый поток в этом месте должен целиком заполнить сечение трубопровода.
К основным конструктивным факторам трубопровода, влияющим на погрешности измерения расхода, относятся: отклонение действительных диаметров участков от расчетных значений, овальность трубопроводов, дефекты прямых участков трубопровода, длина прямых участков до и после сужающего устройства.
Действительный внутренний диаметр участка трубопровода перед сужающим устройством определяют как среднее арифметическое результатов измерений в двух поперечных сечениях: непосредственно у сужающего устройства и на расстоянии, 2D20 от него, причем в каждом из сечений не менее чем в четырех диаметральных направлениях. Результаты отдельных измерений не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,3 %. Внутренний диаметр участка трубопровода на длине 2D20 за сужающим устройством может отличаться от внутреннего диаметра участка трубопровода перед сужающим устройством не более чем на ±2%.Прямой участок трубопровода перед сужающим устройством должен иметь круглое сечение на длине не менее 2D20. Результаты отдельных измерений диаметра на этой длине в любых различных плоскостях не должны отличаться более чем на 0,3% от среднего диаметра. На внутренней поверхности участка трубопровода длиной 2D20 перед сужающим устройством и за ним не должно быть никаких уступов, а также заметных невооруженным глазом наростов и неровностей от заклепок, сварных швов и т. п. Допускают уступ перед сужающим устройством в месте стыка труб, если h100%/D ? 0,3%, где h - высота трубопровода, a D - его диаметр.
Большая высота указывает на непригодность данного участка трубопровода.
Допустимая высота уступа на прямом участке трубопровода за сужающим устройством может быть в 3 раза больше указанных выше для измерительного участка перед сужающим устройством.
Сужающие устройства необходимо устанавливать на прямых участках трубопроводов, не имеющих непосредственно у сужающего устройства местных сопротивлений (колен, угольников, задвижек, вентилей, конических вставок и т.п.). Как указывалось выше, одним из важнейших факторов, влияющих на точность измерения расхода жидкостей. и газов, является правильно выбранные расстояния между местными сопротивлениями и сужающим устройством.
Существует ряд особенностей взаимного расположения местных сопротивления и сужающего устройства. Если расстояние между единичными коленами в трубопроводе превышает 15D20, то каждое колено считают одиночным. Если это расстояние меньше указанного, то данную группу коленьев считают одним местным сопротивлением. Это допущение справедливо при условии равенства или превышения радиусов кривизны коленьев диаметра трубопровода. Когда ближайшим к сужающему устройству оказывается такое местное сопротивление, как форкамера (емкость большого диаметра), то другие местные сопротивления, расположенные до этой емкости, при выборе длины прямого участка трубопровода во внимание не принимают. При необходимости установить сокращенную длину прямого участка трубопровода перед сужающим устройством при любом типе предстоящих местных сопротивлений (кроме гильзы термометра) она не должна быть менее 10D20. Сокращение нормируемых длин прямых участков трубопровода недопустимо, когда на последнем расположено последовательно несколько сужающих устройств .
Всесторонние исследования сужающих устройств дали возможность нормализовать диафрагмы, сопла и сопла Вентури, что позволило изготовлять и применять их в комплекте с дифманометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров в горизонтальных, наклонных и вертикальных круглых трубопроводах по результатам расчета без индивидуальной градуировки. При изготовлении и установке стандартных сужающих устройств в трубопроводах должны соблюдаться определенные требования, основные из которых рассматриваются ниже 1.
Диафрагма. Стандартная диафрагма может применяться без градуировки в трубопроводах диаметром при
одновременном соблюдении условия Диафрагма является наиболее простой конструкцией из числа сужающих устройств.
Стандартная диафрагма схематически показана на рис, 14-2-1. Она представляет собой тонкий диск, имеющий круглое отверстие диаметром центр которого совпадает с центром сечения трубы. Отверстие диафрагмы цилиндрической формы со стороны входа потока имеет прямоугольную кромку. Длина цилиндрического отверстия а должна находиться в пределах а при длина должна равняться примерно При толщине диафрагмы цилиндрическое отверстие должно выполняться с коническим расширением к выходу потока (рис.
14-2-1, а). Угол наклона, образующий конус к оси диафрагмы, должен лежать в пределах от 30 до 45°. В тех случаях, когда толщина можно изготовлять диафрагму и без конического расширения со стороны выхода потока (рис. 14-2-1, б), что имеет место обычно для больших диаметров трубопроводов и при небольших давлениях среды.
Рис. 14-2-1. Стандартная диафрагма (стрелкой показано направление потока). а - с коническим расширением к выходу потока; б - без конического расширения со стороны выхода потока.
Толщина стандартной диафрагмы не должна превышать . В большинстве случаев при применении диафрагм нецелесообразно иметь толщину ее менее и больше Наименьшая необходимая толщина диска при перепаде давления должна определяться расчетным путем, исходя из условий механической прочности диафрагмы .
Шероховатость поверхностей диафрагмы должна соответствовать классам чистоты, указанным на рис. 14-2-1. На входной и выходной кромках отверстия диафрагмы не должно быть зазубрин, заусенцев и т. п. Особое внимание при изготовлении диафрагмы должно быть обращено на обработку входной кромки: она должна быть острой и не должна иметь закруглений, царапин и т. п. Точность выполнения входной кромки диафрагмы должна увеличиваться с уменьшением диаметра отверстия . У диафрагм, диаметр отверстия которых не превышает острота кромки должна быть такой, чтобы падающий на нее луч света не давал отражения. Если то луч света может отражаться, но кромка не должна иметь заметного невооруженным глазом притупления.
Отбор давлений можно осуществлять при помощи отдельных цилиндрических отверстий в обойме (рис. 14-2-2), кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью
трубопровода группой равномерно расположенных по окружности прямоугольных отверстий (рис. 14-2-3).
Диафрагмы с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличии местных возмущений потока или в тех случаях, когда поток не вполне симметричен благодаря наличию изгибов трубопровода или других препятствий. Следует также отметить, что кольцевые камеры, способствующие выравниванию давления, позволяют более точно измерять перепад давления при меньших длинах прямых участков, чем отдельные отверстия.
Диафрагма в обойме с отдельными отверстиями.
Рис. 14-2-3. Диафрагма с кольцевыми камерами.
Отбор давлений можно также осуществлять при помощи кольцевых камер, образованных полостью двух трубок, согнутых вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Такой способ рекомендуется применять при давлениях среды в трубопроводах с условным диаметром
Диафрагма с отбором давлений с помощью двух отдельных отверстий в трубопроводе или «теле» каждого из фланцев (см. рис. 14-2-1, б) может быть использована в трубопроводах с условным диаметром от 450 до при рабочих давлениях и температурах, соответствующих условным давлениям до
Для обеспечения выравнивания давления в кольцевой камере диафрагмы необходимо, чтобы площадь диаметрального сечения камеры, определенная по одну сторону от оси трубопровода, была не менее половины площади группы отверстий, соединяющих камеру с внутренней полостью трубопровода.
Таким образом для кольцевой камеры, выполненной по схеме рис. 14-2-3,
где число отверстий; площадь одного отверстия, которая должна быть не менее
Определяя ширину кольцевой щели с при наличии прокладки у камерной диафрагмы, необходимо учитывать сжимаемость прокладки. Если кольцевая камера соединяется с внутренней полостью трубопровода группой отверстий при наличии кольцевой щели, обусловленной установкой прокладки, то при определении необходимой площади площадь щели, остающейся после сжатия прокладки, должна учитываться, если ширина этой щели превышает
Для кольцевой камеры, выполненной из согнутых вокруг трубопровода трубок, площадь определяется по формуле
где внутренний диаметр трубки, образующий кольцо или прямоугольник.
Число отверстий, соединяющих каждую кольцевую камеру с полостью трубопровода (рис. 14-2-3), должно быть не менее 4. Диаметр отверстия или ширина кольцевой щели, соединяющих камеру с трубопроводом, и диаметр отдельного отверстия (размер с) не должны превышать при а при должны находиться в пределах Нижний предел размера с, равный допускается только для
Кроме того, должны соблюдаться следующие условия: для чистых жидкостей и газов при измерении перепада давления через отдельные отверстия и кольцевые камеры 1 с для паров, влажных газов и жидкостей, которые могут испаряться в соединительных (импульсных) линиях, при измерении перепада давления через кольцевые камеры, 1 с а при измерении через отдельные отверстия Обычно диаметр отдельного отверстия выполняют не менее для чистых жидкостей и газов и не менее в остальных случаях. Следует отметить, что при совместное удовлетворение указанных выше требований при изготовлении диафрагм с отдельными отверстиями затруднительно. Поэтому в таких случаях лучше применять камерные диафрагмы.
Внутреннюю кромку отверстия (в кольцевой камере, обойме, фланце или трубопроводе) рекомендуется закруглять по радиусу, не превышающему 0,1 с, кроме того, кромка должна быть без заусенцев. Толщина I стенки корпуса кольцевой камеры (рис. 14-2-3) или длина цилиндрической части отдельного отверстия (рис. 14-2-2) должна быть не менее 2 с.
Отклонение действительного диаметра отверстия диафрагмы от среднего значения, определенное не менее чем в четырех равно отстоящих друг от друга диаметральных направлениях, не должно превышать 0,05% При допускается отклонение в 0,1% Указанные допуски на диаметр проходного отверстия диафрагмы остаются в силе для сопл и сопл Вентури, рассматриваемых ниже. При этом для них диаметр должен определяться в начале и в конце цилиндрической части отверстия. Внутренний диаметр корпуса кольцевой камеры (рис. 14-2-3) или обоймы (рис. 14-2-2) должен быть равен (с допустимым отклонением диаметру трубопровода, принятому для расчета диафрагмы, сопла или сопла Вентури.
Стандартные диафрагмы с кольцевыми камерами типа (рис. 14-2-3), предназначенные для трубопроводов с условными проходами и рабочих давлений и температур, соответствующих условным давлениям до должны изготовляться по ГОСТ 14321-73.
Рис. 14-2-4. Стандартная диафрагма с кольцевыми камерами в патрубках со сварным соединением.
Диафрагмы бескамерные, предназначенные для трубопроводов с условными проходами , на условные давления до изготовляют по ГОСТ 14322-69.
На рис. 14-2-4 показан пример конструктивного выполнения стандартной диафрагмы с кольцевыми камерами в патрубках со сварным соединением, внутренний диаметр которых принимается равным внутреннему диаметру трубопровода. Сварные соединения с измерительными диафрагмами, применяемые для неагрессивных сред, предназначены для рабочих давлений и температур, соответствующих условным давлениям от 100 до Кольцевые камеры соединяются с внутренними полостями
патрубков с помощью восьми прямоугольных отверстии, равномерно распределенных по окружности.
Диафрагмы этого типа широко применяются на тепловых электрических стйнциях высокого давления, например, для измерения расхода питательной воды парогенераторов. Сварная конструкция диафрагм может быть использована на атомных электрических станциях и на других промышленных предприятиях.
Сопло. Стандартное сопло, схематически показанное на рис. 14-2-5, может применяться без градуировки в трубопроводах диаметром при одновременном соблюдении условия Профильная часть отверстия сопла со стороны входа потока должна быть выполнена с плавным сопряжением дуг радиусами
Рис. 14-2-5. Стандартное сопло. а - для ; б - для Размеры:
Дуга, проведенная радиусом должна сопрягаться с выходной цилиндрической частью сопла. У сопла (рис. 14-2-5, б) дуга, проведенная радиусом доходит только до точки на торце сопла, лежащей на диаметре Отклонение радиусов дуг от номинальных значений не должно превышать 10% при 0,25 и 3% при
На выходе цилиндрическая часть отверстия сопла должна заканчиваться расточкой предохраняющей выходную кромку от повреждений. Выходная кромка должна быть острой и не должка иметь закруглений, фасок, заусенцев и т. п. Шероховатость рабочих поверхностей сопла должна соответствовать классам чистоты, указанным на рис. 14-2-5. Значения любых двух диаметров, полученные при измерении в плоскости, перпендикулярной к оси сопла, не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,1%.
Измерение перепада давления в сопле может производиться через две кольцевые камеры или через отдельные цилиндрические отверстия. Отбор давлений через кольцевые камеры, как отмечалось выше, более предпочтителен, чем отбор давлений через отдельные отверстия. Требования, предъявляемые к устройству кольцевых камер и выполнению отверстий (размер с) для отбора давлений, те же, что и для диафрагм. Поэтому при изготовлении кольцевых камер или отдельных отверстий необходимо руководствоваться указаниями, изложенными выше при рассмотрении диафрагм.
На рис. 14-2-6 показан пример конструктивного выполнения стандартного сопла с кольцевыми камерами в патрубках со сварным соединением, внутренний диаметр которых должен быть равен
внутреннему диаметру трубопровода. Сварные соединения этого типа с измерительными соплами, применяемые для неагрессивных сред, предназначены для рабочих давлений и температур, соответствующих условным давлениям от Кольцевые камеры соединяются с внутренними полостями патрубков с помощью восьми прямоугольных отверстий, равномерно распределенных по окружности.
Рис. 14-2-6. Стандартное сопло с кольцевыми камерами в патрубках со сварным соединением .
Сварные соединения с измерительными соплами широко применяются на тепловых электрических станциях для измерения расхода перегретого водяного пара высокого давления.
Сопла этого типа могут быть использованы также на атомных электрических станциях и в других отраслях промышленности.
Сопло менее чувствительно к загрязнению и коррозии. Загрязнение или незначительное изменение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода сопла в значительно меньшей степени, чем на коэффициент расхода диафрагмы. При одних и тех же значениях и перепадах давления сопло позволяет измерять больший расход вещества, чем диафрагма. Кроме того, при измерении расхода пара и газа сопло обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой.
Рис. 14-2-7. Стандартное сопло Вентури для (верхняя половина - короткое, нижняя половина - длинное).
Сопло Вентури. Из числа существующих форм труб Вентури нормализована труба с входной частью, выполненной так же, как и стандартное сопло. Поэтому сужающее устройство этого типа получило название стандартное сопло Вентури. Оно может быть изготовлено с длинным и коротким диффузором (конусом). У длинного сопла Вентури диффузор на выходе имеет диаметр, равный диаметру трубопровода (рис. 14-2-7, нижняя часть). Короткое сопло Вентури имеет диаметр на выходе у диффузора меньше диаметра трубопровода (рис. 14-2-7, верхняя часть). Сопло Вентури, профили которого показаны на рис. 14-2-7, может применяться без градуировки для измерения расхода различных сред в трубопроводах Диаметром при одновременном соблюдении условия
И не быть меньше
Рис. 14-2-8. Потеря давления в сужающем устройстве. 1 - диафрагма; 2 - сопло; 3 - короткое сопло Веитури любое значение); 4 - длинное сопло Вентури длинное сопло Вентури .
Кольцевая камера для отбора давления соединяется с внутренней полостью трубы с помощью кольцевой щели или группы отверстий, равномерно расположенных по окружности. Требования, предъявляемые к устройству кольцевых камер для отбора давлений, те же, что и для диафрагм.
Потеря давления. При выборе сужающего устройства следует считаться с потерей давления измеряемой среды, так как давление за сужающим устройством, как видно из рис. 14-1-1, полностью не восстанавливается. Потерю давления измеряемой среды, протекающей через сужающее устройство, определяют как разность статических давлений, измеренных в двух ближайших поперечных сечениях, в которых как до, так и после сужающего устройства не наблюдается его влияния на характер потока. Потеря давления в сужающем устройстве обычно выражается в долях или процентах перепада давления
Зависимость потери давления от и типа сужающего устройства в долях от перепада давления приведена на рис. 14-2-8. Из графика видно, что при одном и том же значении потеря давления в диафрагме больше, чем в сопле. Однако следует отметить, что при равных перепадах давления для одного и того же расхода среды значение для диафрагмы больше, чем для сопла, поэтому практически потеря давления при использовании диафрагм и сопл приблизительно одинакова.
У сопла Вентури главным образом благодаря наличию на выходе диффузора, способствующего более полному восстановлению потенциальной энергии потока, потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Сопло Вентури рекомендуется
применять в тех случаях, когда в промышленных установках при измерении расхода вещества большие потери давления недопустимы. Потеря давления в коротком сопле Вентури сравнительно небольшая, если выходной диаметр диффузора составляет не менее
