Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

Вид материала

Курс лекций

Содержание Расходомеры и счетчики газов Массовые расходомеры Тепловые расходомеры, измеряющие разность температур пограничного слоя. Расходомеры особых разновидностей трубопроводов большого диаметра.

Подобный материал:

• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 1244.1kb.
• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
• Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
• Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 2337.25kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.

Расходомеры и счетчики газов

Для измерения объемного расхода и объемного количества газа, протекающего по трубопроводу с диаметром условного прохода свыше 50 мм, кроме расходомеров постоянного и переменного перепадов давления промышленностью выпускаются турбинные и ротационные счетчики-расходомеры.

Турбинные счетчики-расходомеры применяются при учете расхода воздуха, инертных газов и природного горючего газа плотностью не менее 0,7 кг/м³. В комплект входит турбинный преобразователь (датчик) расхода газа и электронный блок.

Ротационные счетчики газа |предназначены для учета объемного количества очищенных горючих газов - природного, смешанного, пропан-бутана, сланцевого, коксового и др. В корпусе счетчика находятся два ротора, которые при вращении обкатываются своими боковыми поверхностями, соприкасаясь с внутренней поверхностью корпуса (механизм их вращения аналогичен механизму вращения овальных шестерен). Выведенный из корпуса вал ротора связан кулачковой муфтой с валом редуктора, а через него - со счетным механизмом роликового типа. Для контроля в процессе эксплуатации величины потерь напора счетчик имеет дифманометр, показания которого позволяют определять степень засорения.

Массовые расходомеры

При измерении расхода жидкости и газа плотность протекающего вещества в большинстве случаев, как правило, не постоянна, а информация о его расходе должна выдаваться в единицах массы. Это требование характерно для многих отраслей промышленности в первую очередь для теплоэнергетических установок, где широко используются агрегаты, потребляющие жидкое и газообразное топливо. Эффективность работы этих агрегатов характеризуется массой сжигаемого топлива.

Измеряемые расходы по жидкости могут колебаться от долей литров (граммов) до нескольких тысяч килограммов в час, а по газам - и до сотен тонн в час. При этом условия эксплуатации (давление, температура), как правило, также нестационарны. Дня получения точной информации о расходе в единицах массы необходим учет изменения плотности измеряемой среды, причем, если у жидкостей плотность меняется только в зависимости от температуры и при том незначительно, то для газовых сред она изменяется весьма существенно в зависимости как от давления, так и от температуры.

Все разрабатываемые расходоизмерительные устройства, предназначенные для решения этой задачи, по способу получения измерительной информации можно разделить на две большие группы: устройства, осуществляющие непосредственное измерение массового расхода и устройства, не являющиеся по своему принципу действия измерителями массового расхода, но обеспечивающие его измерение благодаря применению датчиков и корректирующих схем.

В первой группе наибольшее распространение получили турбосиловые (линейные дифференциального действия) и кориолисовые (гироскопические) расходомеры. Ко второй группе массовых расходомеров, измеряющих расход косвенным образом, относятся тепловые расходомеры и расходомеры, измеряющие массовый расход путем одновременного измерения объемного расхода, температуры и давления, плотности или скоростного напора жидкости.

Силовые расходомеры - это приборы, в которых вследствие изменяющегося массового расхода происходит силовое воздействие, потоку проходящего вещества придается ускорение различного вида, при этом снимаются параметры, определяющие степень воздействия или эффекта воздействия.

Вследствие изменения первоначального прохождения через трубопровод вещества возникает ускорение потока и в зависимости от способов этих изменений расходомеры подразделяются на группы:

- кориолисовые расходомеры

- гироскопические расходомеры

- турбосиловые расходомеры

Силовое воздействие в зависимости от конструкции расходомера бывает внутренним и внешним:

- внутреннее воздействие происходит вследствие уменьшения потенциальной энергии потока вещества (одним из способов уменьшения потенциальной энергии потока происходит свледствие его закручивании неподвижными винтовыми лопатками)

- внешнее воздействие, как правило, передается от электродвигателя, который колеблет (вращает) прямолопастную крыльчатку преобразователя расхода, закручивающую проходящий поток измеряемого вещества

Величины массового расхода и дополнительное ускорение потока в силовых расходомерах пропорциональны относительно друг друга. Вследствие этого массовый расход и измеряемый параметр пропорционален. Поэтому силовые расходомеры называют массовыми расходомерами. Массовые расходомеры также используют для измерения среднего значения пульсирующих расходов.

Одним из преимуществ является то, что при установке массовых расходомеров нет необходимости в больших прямых участках до и после расходомера. Исключение составляет двойное колено, придающее винтовое движение потоку. Большое количество вращающихся частей внутри трубопровода и сложность конструкции их преобразователей расхода силовых расходомеров является их относительным недостатком.

У турбосиловых расходомеров ротор или крыльчатка постоянно вращаются. У гироскопических расходомеров и кориолисовых расходомеров подвижный элемент колеблется вокруг оси. Такие расходомеры называются вибрационными расходомерами.

Погрешность измерения массового расхода в силовых расходомерах составляет ±0,5-3,0 %, они иногда используются при измерении расхода топлива или расхода газа. В отдельную группу силовых расходомеров входят перепадно-силовые расходомеры, принцип работы которых заключается преобразовании внешнего силового воздействия в разность давлений определенных мест потока, пропорциональных массовому расходу.

Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток закручивается.

На рис. 36 показана принципиальная схема такого расходомера при внешнем силовом воздействии. Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором, имеющий каналы для прохода жидкости, разделенные перегородками, паралллельными его оси, или же выполненный в виде прямолопастной крыльчатки. Ротор вращается от электродвигателя 1 с угловой скоростью со и закручивает жидкость, которая приобретает винтовое движение, показанное стрелками. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает последнюю на угол ф, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный диск 4 уменьшает вязкостную связь между роторами.

Главный момент количества движения жидкости I относительно оси вращения роторов определяется выражением



Рис. 36. Принципиальная схема турбосилового расходомера.

где Jх — момент инерции закручиваемой жидкости относительно оси вращения; со — угловая скорость вращения жидкости.

У турбосиловых расходомеров один из элементов (ротор, крыльчатка) должен непрерывно вращаться. У кориолисовых же и гироскопических в некоторых случаях ограничиваются лишь непрерывными колебаниями подвижного элемента вокруг оси. Подобные расходомеры получили название вибрационных.

Приведенная погрешность силовых расходомеров ±0,5-3,0 %. Большинство из них предназначено для измерения расхода жидких видов топлива, имеются конструкции и для измерения расхода газа. На практике применяются редко. Особую группу силовых расходомеров образуют перепадно-силовые расходомеры, в которых в результате внешнего силового воздействия создается разность давлений в отдельных местах потока, пропорциональная массовому расходу.

В турбосиловом расходомере монтируется ротор, в котором есть каналы для прохода жидкости. Ротор вращается с помощью электродвигателя и закручивает жидкость, в результате чего жидкость начинает винтовое движение и поступает на другой ротор, соединенный с пружиной, которая закручивается на определенный угол, пропорциональный массовому расходу.

Турбосиловые расходомеры чаще используются для измерения больших расходов.

• измеряемые расходы: от 6 до 300 т/ч

• диаметр труб от 50 до 200 мм

• погрешность ± (0,5 4- 2) % от предела шкалы

• постоянная времени ок. 1 с

Турбосиловые расходомеры в сравнении с гироскопическими и кориолисовыми расходомерами имеют меньшие размеры. Кориолисовые и гироскопические расходомеры применяют для измерения относительно меньших расходов.

Разновидности турбосиловых расходомеров:

• турбосиловые расходомеры с электроприводом. В турбосиловых расходомерах с электроприводом целесообразно электродвигатель располагать внутри преобразователя расхода.

• турбосиловые расходомеры с приводом от потока без электропривода. Закрутка потока в таких расходомерах достигается с помощью неподвижного шнека. На схеме показаны конструкции расходомеров с двумя (иногда тремя) крыльчатками связанными пружиной. Если лопасти ведущей крыльчатки сделать наклонными (винтовыми), то она будет вращаться за счет внутренней энергии потока, как и ведомая крыльчатка. Такие расходомеры характеризуются надежностью работы и простотой устройства преобразователя расхода. К недостаткам можно отнести сложность схем измерения. Точность измерения массового расхода напрямую зависит от качества упругих свойств пружин, постоянства их характеристик в условиях эксплуатации. Кроме того, на точность и надежность работы влияет качество и надежность опор преобразователей.

Турбосиловой расходомер является гидравлическим эквивалентом электрического моста Уитстона. Гидравлический мост образуется четырьмя специально подобранными измерительными диафрагмами. В мост встроен насос постоянного расхода, осуществляющий рециркуляцию внутреннего опорного потока. Наружный поток через измеритель создает условия для разбалансировки моста, что приводит к появлению на выходе мостовой схемы дифференциального давления, пропорционального истинному значению массового расхода.

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователе расхода которых в результате внутреннего или внешнего силового воздействия возникает кориолисово ускорение, величина которого зависит от массового расхода. Это ускорение проявляется при наличии вращательного или колебательного движения трубки с жидкостью вокруг неподвижной оси.

Такие расходомеры служат для измерения расхода жидкостей и сжатых газов в диапазоне 0,05-5400 кг/мин.

Конструктивной особенностью некоторых кориолисовых расходомеров является независимость расходуемой электродвигателем мощности от массового расхода измеряемого вещества. Мощность электродвигателя затрачивается на преодоление трения в уплотнениях, гибких соединениях преобразователя с трубопроводом и опорах. В других конструкциях однороторных кориолисовых расходомеров момент, закручивающий роторную крыльчатку, измеряется связанным с крыльчаткой электропреобразователем или пневмосиловым преобразователем.

Для веществ с сильно изменяющейся вязкостью сконструированы кориолисовые расходомеры с преобразователем из двух роторов, одинаковых по конструкции и направленных друг другу навстречу.

Роторы в таких расходомерах вращаются отдельными электродвигателями в одном направлении с равной угловой скоростью. Поток вещества в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и образует кориолисовы силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовы силы, создающие момент, разгружающий второй электродвигатель.

Кориолисовые расходомеры могут быть выполнены и по схемам с профилированными крыльчатками, обеспечивающими прохождение потока не только в осевом, но и в радиальном направлении — от центра к краю в первой и от края к центру во второй крыльчатке. Причем в этих схемах электропривод может быть заменен неподвижным шне-ком, закручивающим поток.

Кориолисовые расходомеры KROHNE используются при измерении массового расхода, температуры, плотности вещества, измерении объемного расхода взвесей, жидкостей, газов. Измерения происходят в реальном времени без дополнительного оборудования.

В конструкцию кориолисового расходомера входит преобразователь и датчик расхода (сенсор). Датчик расхода вычисляет величину расхода, плотности и температуру. Преобразователь переводит полученные данные в определяемые стандартные выходные сигналы.

Движение вещества через сенсор создает эффект Кориолиса, при этом возникникает кориолисово ускорение, приводящее к образованию силы кориолиса, направленой в противоположную сторону от движения трубки, приданного трубке задающей катушкой. Во время половины цикла движения трубки вверх для поступающей внутрь жидкости Кориолисова сила направлена вниз. Проходя изгиб трубки жидкость меняет направление силы Кориолиса и на входе трубки сила со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а на выходе способствует, создает изгиб трубки. Далее трубка движется вниз во втором периоде вибрационного цикла и изгиб трубки меняется на противоположный.

Величина изгиба сенсорной трубки в зависимости от силы Кориолиса прямо пропорциональна массовому расходу вещества. Фазовый сдвиг считывается детекторами при движении разных сторон сенсорной трубки.

Сигналы изгиба сенсорных трубок не совпадают по фазе. Разница между сигналами прямо пропорциональна массовому расходу.

Тепловые расходомеры пригодны для измерения расходов практически любых жидкостей и газов и выпускаются двух типов - с переносом теплоты и с нагретой нитью. Их работа основана на специальных соотношениях теплопередачи.

Гироскопические расходомеры это силовые расходомеры, в которых образуется и считывается гироскопический момент. В гироскопическом расходомере преобразователь выполняется из участка трубы петлевидной или кольцевой формы, вращающейся вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью.

В расходомере движение жидкости по петле вокруг оси с угловой скоростью соответствует вращению диска гироскопа вокруг той же оси. При вращении петли с угловой скоростью вокруг оси создаются силы, образующие момент, стремящийся повернуть петлю вокруг оси. Момент инерции жидкости в кольцевой петле зависит от радиуса кольцевой петли и площади поперечного сечения жидкости в петле.

Имеются гироскопические расходомеры некольцевой формы. Несколько трубок постоянно вращаются вокруг оси с угловой скоростью. Во время прохождения жидкости в трубках образуется кориолисово ускорение. Погрешность измерения в таких приборах составляет ±0,25-2 %, они имеют широкий диапазон измерения.



Рис. 37. Принцип действия гироскопического расходомера.

Тепловые расходомеры характеризуются высокой чувствительностью, большим диапазоном измерения расхода (до 1:100), нечувствительностью к предыстории потока, малыми габаритными размерами и незначительной потерей напора.

Тепловые расходомеры, измеряющие разность температур пограничного слоя. Расходомеры пограничного слоя отличаются от ранее рассмотренных тем, что тепло от нагревателя не достигает термопреобразователя, который расположен первым по ходу потока. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь достаточно удален от нагревателя, а между ними располагается теплоизолирующая прокладка. Второй термопреобразователь располага-ется возможно ближе к нагревателю. Благодаря этому полностью отсутствует начальная ветвь градуировочной кривой и кривая имеет монотонный характер. Другой их существенный признак — отсутствие прогрева центральной части потока, так как применяют их для труб с диаметром не менее 50 мм. В результате в них измеряется не разность средних температур потока до и после нагревателя, а разность температур с обеих сторон пограничного слоя.

Расходомеры особых разновидностей трубопроводов большого диаметра.

При измерении расхода веществ, имеющих высокую температуру, а также веществ, температура которых может существенно изменяться, следует стабилизировать или вообще исключить потерю тепла в окружающую среду. Этого можно достичь с помощью схемы, отличие схемы заключается в применении дополнительного компенсационного нагревателя, установленного по всей длине измерительного участка. Нагреватель поддерживает заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции независимо от температуры и расхода измеряемого вещества. Эта разность контролируется дифференциальной термопарой, сигнал которой поступает в автоматический регулятор, управляющий через блок питания током, поступающим в компенсационный нагреватель. Для измерения расхода в трубах большого диаметра служит метод, основанный на применении теплового зонда. Преобразователь местной скорости здесь по внешней форме напоминает напорную трубку Пито диаметром 18 мм. После обтекаемой конусообразной носовой части расположена медная трубка (d=18 мм), на внутренней поверхности которой помещен терморезистор, контролирующий температуру поступающего газа. Затем имеется небольшая теплоизоляционная втулка, за которой находится вторая медная трубка (d=18мм) с расположенными на внутренней поверхности последовательно электронагревателем и вторым терморезистором, контролирующим температуру нагретой стенки, зависящей от местной скорости потока. Провода от терморезисторов и нагревателя выводятся через держатель, перпендикулярный к измерительной части зонда, имеющей длину около 140 мм. Для измерения расхода измерительную часть зонда надо установить в том месте, где имеется средняя скорость потока.

Элементы конструкции термоконвективных расходомеров. Нагреватель и термопреобразователи — основные элементы термоконвективных расходомеров. Обычно на трубу, покрытую изоляцией (слюда, титановая эмаль и т. п.), наматывают провод тех или других марок (ПЭВ, ПЭТВ, ПЭТК и т. п.), а также манганиновую или нихромовую проволоку. При диаметрах труб от 1 до 50 мм длина нагревателя от 10 до 100 мм, диаметр проволоки 0,1-0,2 мм, сопротивление 10-150Ом, мощность 0,1-100Вт, сила тока 1-500мА, снижаемая до 0,1мА при взрывобезопасном исполнении. Известны случаи применения для нагрева полупроводниковых пленок, в частности слоя хлористого олова, нанесенного на титановую эмаль. При этом снижается тепловая инерция.

Термопреобразователями служат термопары (точнее, термобатареи) или термометры сопротивления. В микрорасходомерах, где сложно разместить необходимое число спаев термопар, обычно применяют термометры сопротивления (медные и никелевые). В остальных отечественных расходомерах применяют преимущественно термобатареи (медь-константановые и хромель-копелевые) с числом спаев 8-30. Получаемая термо-ЭДС лежит в пределах 1-10мВ. Спаи термобатареи располагают последовательно в местах измерения температур, и таким образом получаемая термо-ЭДС, соответствует разности температур. Спаи должны быть изолированы от стенки трубы и в то же время их температура должна быть как можно ближе к соответствующим температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смолы и цемент. Сами же спаи и термоэлектроды должны иметь минимальные размеры, а в эпоксидные компаунды, которые закрепляют спаи на поверхности трубы, рекомендуется добавлять теплопроводные примеси (например, измельченный графит).

Третий элемент конструкции преобразователей термокондуктивных расходомеров — устройство, которое должно максимально уменьшить теплообмен преобразователя с окружающей средой. Это надо как для уменьшения потерь тепла, так и влияния внешних тепловых возмущений. Для этого служат наружный кожух, имеющий теплоизоляционное покрытие, и дополнительная внутренняя труба. Между ними образуется воздушная изоляционная прослойка. Кроме того, эффективно применение внутри кожуха многослойных отражательных экранов из алюминиевой фольги и стеклоленты. При необходимости можно применять дополнительный компенсационный нагреватель, поддерживающий заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции.