Dlaczego warto mierzyć przepływ?
W wielu współczesnych procesach przemysłowych, konieczny jest dokładny pomiar prędkości przepływu płynu w systemie jako całości lub w części. Dotyczy to zarówno gazów i cieczy (np. dwutlenku węgla, azotu, cieczy itp.), które są integralną częścią procesu, jak i sprężonego powietrza, wody lub pary, które są podstawą działania instalacji. Instalacja dowolnego przepływomierza może być uzasadniona na dwa sposoby:
1. Kontrola procesu
Przepływomierz jest używany do pomiaru prędkości przepływu płynu lub energii, aby umożliwić kontrolę procesu i w ten sposób zapewnić, że produkt końcowy jest wymaganej jakości. Typowym przykładem są systemy wtrysku pary w przemyśle paszowym… za dużo pary i produkt nie będzie granulowany… za mało pary i surowce nie będą przetwarzane i mogą uszkodzić maszyny produkcyjne.
2. alokacja kosztów
Gdy energia jest używana do ogrzewania procesów lub pomieszczeń, fundamentalne znaczenie ma wiedza, gdzie faktycznie ponoszone są koszty związane z energią. Flowmetering pozwala na przypisanie kosztów energii do konkretnego produktu, działu lub innego użytkownika, co zazwyczaj prowadzi do znacznego obniżenia całkowitych kosztów energii.
Zrozumienie przepływu w rurach
Termin przepływ w rurach jest często używany w odniesieniu do przepływu dla każdego zamkniętego przewodu pod ciśnieniem. Zamknięty przewód jest często okrągły, ale może być również kwadratowy lub prostokątny, taki jak kanał grzewczy. Inną główną kategorią przepływu jest przepływ w kanale otwartym, który występuje, gdy istnieje wolna powierzchnia cieczy otwarta na ciśnienie atmosferyczne.
Pomiar natężenia przepływu płynu przepływającego pod ciśnieniem jest przeprowadzany w różnych celach, takich jak rozliczanie dostaw wody do domów lub firm, lub do monitorowania lub kontroli procesów w szerokiej gamie procesów przemysłowych, które obejmują płynące płyny.
Pomiar przepływu w rurach jest często wykonywany za pomocą miernika przepływu o różnicy ciśnień, takiego jak kryza, dysza przepływowa i miernik Venturiego; mierniki Venturiego są omówione w tym artykule.
Dla każdego typu, zwężenie w ścieżce przepływu powoduje spadek ciśnienia na mierniku. Spadek ciśnienia może być mierzony i skorelowany z natężeniem przepływu.
Zasada Venturiego i równanie Bernoulliego
Przepływomierz różnicowy lub Venturiego ma długą historię zastosowań w wielu aplikacjach. Ze względu na swoją prostotę i niezawodność, Venturi jest jednym z najbardziej powszechnych przepływomierzy. Bez ruchomych części lub nagłych ograniczeń przepływu, Venturi może mierzyć przepływ cieczy z minimalną całkowitą stratą ciśnienia.
Zasadą działania przepływomierza Venturiego jest efekt Bernoulliego. Zwężka Venturiego mierzy przepływ cieczy poprzez zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego w ścieżce przepływu i wygenerowanie różnicy ciśnień. Po wytworzeniu różnicy ciśnień, płyn jest przepuszczany przez sekcję wyjściową odzysku ciśnienia, gdzie odzyskuje się do 80% różnicy ciśnień wytworzonej w gardzieli.
Daniel Bernoulli
Równanie Bernoulliego
Zasada Venturiego
Zwiększenie prędkości płynu powoduje zmniejszenie ciśnienia wewnętrznego.
Na powyższym rysunku płyn, ciecz lub gaz, wchodzi do zwężki Venturiego w miejscu o polu przekroju A1, ciśnieniu P1 i prędkości v1. Te właściwości tworzą energię potencjalną i kinetyczną płynu w jednym miejscu. Energia jest zachowana w układzie zamkniętym, to znaczy, że suma energii potencjalnej i kinetycznej w jednym miejscu musi być równa sumie energii potencjalnej i kinetycznej w każdym innym miejscu układu.
Jeśli energia potencjalna maleje w jednym miejscu, energia kinetyczna musi proporcjonalnie wzrosnąć w tym miejscu. Płyn wchodzi teraz do gardzieli Venturiego z nową powierzchnią A2, która jest mniejsza niż A1. W układzie zamkniętym masa nie może być ani tworzona, ani niszczona (prawo zachowania masy, po prostu, co wchodzi, musi wyjść), a zatem objętościowy strumień przepływu w obszarze A1 musi być równy objętościowemu strumieniowi przepływu w obszarze A2.
Jeśli obszar w miejscu A2 jest mniejszy niż A1, płyn musi poruszać się szybciej, aby utrzymać ten sam objętościowy strumień przepływu. Ten wzrost prędkości powoduje spadek ciśnienia, co wynika z równania Bernoulliego. Wynik: znając ciśnienie i pole przekroju poprzecznego w dwóch miejscach, można obliczyć prędkość płynu. Znając prędkość płynu i jego gęstość, można obliczyć strumień przepływu.
Zawór Venturiego wymaga dwóch pomiarów ciśnienia i jednego pomiaru temperatury, aby dokładnie określić przepływ. Pierwsze ciśnienie jest mierzone w górnym położeniu Venturiego, P1. Jest ono używane do obliczania gęstości oraz jako wejście po stronie wysokiego ciśnienia do pomiaru różnicy ciśnień.
Mierniki Venturiego
Zasada działania tego urządzenia do pomiaru przepływu została po raz pierwszy udokumentowana przez J.B. Venturiego w 1797 roku we Włoszech. Zasada działania tych urządzeń polega na tym, że część ciśnienia głowicy jest przekształcana w prędkość głowicy, gdy zmniejsza się powierzchnia przekroju poprzecznego przepływu (równanie Bernoulliego).
W związku z tym można zmierzyć różnicę wysokości głowicy pomiędzy sekcją w górę rzeki a sekcją w gardzieli, aby oszacować prędkość przepływu, a następnie pomnożyć ją przez powierzchnię przepływu, aby uzyskać wartość przepływu. Sekcja zbieżna ma zwykle około 21°, a sekcja rozbieżna ma zwykle od 5° do 7°.
Przepływomierz Venturiego
Formą równania kalibracji jest:
Gdzie C jest bezwymiarowym współczynnikiem z zakresu około 0.935 (mała prędkość i średnica gardła) do 0.988 (duża prędkość i średnica gardzieli); β jest stosunkiem D2 / D1; D1 & D2 są średnicami wewnętrznymi, odpowiednio, sekcji przedniej i gardzieli; A2 jest powierzchnią sekcji gardzieli; Δh jest różnicą wysokości podnoszenia; a „sg” jest ciężarem właściwym cieczy manometrycznej.
Współczynnik wypływu, C, jest wartością stałą dla danych wymiarów zwężki. Należy zauważyć, że jeżeli D2 = D1, to β = 1, a Q jest niezdefiniowane; jeżeli D2 > D1, to otrzymamy pierwiastek kwadratowy z liczby ujemnej (ale żaden z tych warunków nie dotyczy zwężki). Współczynnik C musi być dostosowany do zmian temperatury wody. Wartość β wynosi zwykle od 0,25 do 0,50, ale może wynosić nawet 0,75.
Przed zwężką mogą być wymagane łopatki prostujące, aby zapobiec przepływowi wirowemu, który może znacząco wpłynąć na kalibrację. Ogólnie zaleca się, aby przed zwężką znajdował się odcinek prostej rury o długości co najmniej 10xD1.
Strata wysokości podnoszenia przez zwężkę wynosi zwykle od 10% do 20% Δh. Procent ten maleje dla większych zwężek i wraz ze wzrostem natężenia przepływu. Błąd pomiarowy zwężki jest często w granicach ±0,5% do ±1% prawdziwej wartości przepływu.
Mierniki Venturiego zostały wykonane ze stali, żelaza, betonu, drewna, plastiku, mosiądzu, brązu i innych materiałów, a wiele komercyjnych mierników Venturiego posiada opatentowane cechy.
Przepływomierz Venturiego z kołnierzem
Standardy dotyczące dysz przepływowych, zwężek i otworów wentylacyjnych
ISO 5167-3:2003 określa geometrię i sposób użycia (warunki instalacji i eksploatacji) dysz i zwężek Venturiego, gdy są one wprowadzane do przewodu biegnącego w całości w celu określenia natężenia przepływu płynu przepływającego w przewodzie.
ISO 5167-3:2003 zawiera również podstawowe informacje dotyczące obliczania natężenia przepływu i ma zastosowanie w połączeniu z wymaganiami podanymi w normie ISO 5167-1.
ISO 5167-3:2003 ma zastosowanie do dysz i dysz Venturiego, w których przepływ pozostaje poddźwiękowy na całym odcinku pomiarowym i w których płyn można uznać za jednofazowy. Ponadto każde z tych urządzeń może być stosowane wyłącznie w określonych granicach rozmiaru rury i liczby Reynoldsa. Nie ma zastosowania do pomiaru przepływu pulsującego. Nie obejmuje ona stosowania dysz i dysz Venturiego w rurach o średnicy mniejszej niż 50 mm lub większej niż 630 mm, ani dla rur o liczbie Reynoldsa poniżej 10000.
ISO 5167-3:2003 dotyczy dwóch typów dysz standardowych, dyszy ISA 1932 i dyszy o długim promieniu, a także dyszy Venturiego.
Dwa typy dysz standardowych różnią się zasadniczo i są opisane oddzielnie w normie ISO 5167-3:2003. Dysza Venturiego ma taką samą powierzchnię górną jak dysza ISA 1932, ale ma przekrój rozbieżny, a zatem inne umiejscowienie zaworów odcinających i jest opisana oddzielnie. Konstrukcja ta charakteryzuje się niższą stratą ciśnienia niż podobna dysza.
Dla obu tych dysz oraz dla dyszy Venturiego wykonano bezpośrednie eksperymenty kalibracyjne, których liczba, zasięg i jakość są wystarczające, aby na ich wynikach można było oprzeć spójne systemy zastosowań i podać współczynniki z pewnymi przewidywalnymi granicami niepewności.
NormaBS 1042-1-1.2 określa pomiary przepływu cieczy w przewodach zamkniętych. Urządzenia do różnicowania ciśnienia. Specyfikacje dla płyt i dysz z kwadratowymi krawędziami (z otworami spustowymi, w przewodach o średnicy poniżej 50 mm, jako urządzenia wlotowe i wylotowe) oraz innych płyt z kryzami.
Geometria i sposób użycia dla płyt z wejściem stożkowym, płyt z kryzami ćwierćkolistymi i płyt z kryzami mimośrodowymi. Również kryzy o kwadratowych krawędziach i dysze spoza zakresu BS 1042:Sekcja 1.1.
Norma ASME MFC-3M określa geometrię i metodę stosowania (warunki instalacji i przepływu) dla kryz, dysz i zwężek Venturiego, gdy są one umieszczane w przewodzie pełnym, w celu określenia prędkości przepływającego płynu. Podano również informacje niezbędne do obliczenia natężenia przepływu i związanej z nim niepewności.
Ostosowanie tylko do urządzeń do pomiaru różnicy ciśnień, w których przepływ pozostaje turbulentny i poddźwiękowy w całym przekroju pomiarowym jest stały lub zmienia się tylko powoli w czasie, a płyn jest uważany za jednofazowy. Ponadto, niepewności są podane w odpowiednich sekcjach niniejszej normy dla każdego z tych urządzeń, w granicach rozmiaru rury i liczby Reynoldsa, które są określone.
Mówi się o urządzeniach, dla których wykonano wystarczające kalibracje, aby umożliwić specyfikację spójnych systemów stosowania i umożliwić obliczenia z pewnymi przewidywalnymi granicami niepewności. Urządzenia wprowadzone do rury nazywane są urządzeniami pierwotnymi. Termin urządzenie pierwotne obejmuje również kurki ciśnieniowe i związane z nimi przewody rurowe przed i za rurociągiem.
Wszystkie inne instrumenty lub urządzenia wymagane do pomiaru lub przekazywania różnicy ciśnień są znane jako elementy wtórne, a w połączeniu są określane jako urządzenia wtórne. Niniejsza norma obejmuje urządzenia podstawowe; urządzenia drugorzędne będą wymieniane tylko sporadycznie.
Niniejsza norma nie dotyczy rur lub przewodów o średnicy nominalnej poniżej 50 mm.
Niniejsza norma nie ma zastosowania do pomiarów zgodnie z kodeksem ASME Performance Test Code.
Norma ma zastosowanie do pomiaru przepływu dowolnego płynu (cieczy, pary lub gazu).
Znaczenie(-a) autora…
Baron Kelvin (William Thomson) powiedział kiedyś:
„Kiedy możesz zmierzyć to, o czym mówisz i wyrazić to w liczbach, wiesz coś o tym; ale kiedy nie możesz tego zmierzyć, kiedy nie możesz wyrazić tego w liczbach, twoja wiedza jest skromna i niezadowalająca.”
Baron Kelvin
Innymi słowy, nie można zarządzać tym, czego nie można zmierzyć i nigdzie nie jest to bardziej prawdziwe niż w pomiarze przepływu.