CC BY
14
УДК 625.24
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО РАСХОДОМЕРА
© 2014 г. А.В. Кречко
Кречко Александр Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Машины и оборудование предприятий стройинду-стрии», Шахтинский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова. E-mail: krechkoav@mail.ru
Krechko Alexander Vladimir - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Machines and Equipment Building Industry Enterprises», Shahtinskiy Institute (branch) SRSPU (NPI) named after M.I. Platov. E-mail: krechkoav@mail. ru
Приводятся эксперименты по определению коэффициента парциальности расходомера при движении различных текучих сред по трубам. Сопоставляются опытные значения коэффициента парциальности с расчётными.
Ключевые слова: расходомер; трубопровод; коэффициент парциальности; текущая среда; эксперимент; расчёт.
Are experiments on determining of the coefficient ofproportionality the flowmeter at movement of various fluids through pipes. The experimental values of the coefficient of proportionality are compared with the calculated values.
Keywords: flow meter; piping; coefficient of proportionality; various fluids; experiment; calculation.
Учёт расхода (стока) различных текучих сред является актуальной задачей во многих областях жизнедеятельности человека: в быту, в различных технологических процессах, при трубопроводном транспорте и др.
В настоящее время существует большое количество способов и средств для измерения расхода и стока текущих сред. Особенность их такова, что чем больше диаметр трубопровода, по которому движется среда, тем дороже обходится этот учёт.
Вместе с тем есть такой способ измерения расхода (стока), при котором эти затраты можно минимизировать. Это так называемый парциальный способ, состоящий в том, что в основном трубопроводе большого диаметра устраивается обводная ветка (наподобие байпаса) небольшого диаметра и измерительный прибор устанавливается на этой ветке. Зная как соотносятся расходы в основном и обводном q трубопроводах, т.е. зная коэффициент парциальности ^ = Qo/q , учёт проходящего расхода можно оценить по формуле Q = Поскольку размеры обводно-
го трубопровода значительно меньше основного, затраты на организацию учёта текущей среды (в частности на средство учёта) оказываются значительно меньшими.
Основная задача учета в парциальном методе -это определение коэффициента парциальности kп. Можно выделить два пути решения этой задачи -экспериментальный и расчетный. Экспериментальный базируется на фактическом определении Qo и q. Этот путь самый достоверный, но весьма затратный. По второму пути к^ определяется практически без затрат только на основании расчётов, однако надежность этого пути требует определённой проверки. Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований, позволяющие дать некоторую оценку расчетному методу, изложенному в работе [1].
Перед исследованиями ставились следующие задачи:
1. Запроектировать и изготовить опытную установку, включающую парциальный расходомер.
2. Провести эксперименты по определению коэффициента парциальности расходомера с использованием различных текучих сред - воды и воздуха.
3. Определить коэффициент парциальности расходомера расчетным путём, используя методику, изложенную в работе [1].
4. Сопоставить опытные и расчетные значения коэффициента парциальности.
Главными элементами опытной установки являлись основной и обводной трубопроводы и средства учёта на них. Основной трубопровод представлял собой бесшовную стальную трубу с внутренним диаметром D = 62,2 мм. Для учёта расхода воздуха в основном трубопроводе в средней части трубы устанавливалась стальная диафрагма с проходным отверстием D' = 30,2 мм. Диафрагменный узел учета разрабатывался согласно ГОСТ 8.586.2-2005 [1, 2] и представлен на рис. 1.
На расстоянии 0,7 м перед и 0,6 м за диафрагмой в основной трубопровод заподлицо с внутренней поверхностью вварены стальные патрубки 7 диаметром d = 15 мм (рис. 2).
Обводной трубопровод, присоединяемый к патрубкам при помощи фитингов 8, выполнен из метал-лопластиковых труб с внутренним диаметром 15 мм. В средней части обводного трубопровода так же при помощи фитингов (комбинированных муфт с внутренней резьбой) устанавливался либо водомерный счетчик марки СГВ-15, если опыты проводились с водой, либо газовый ротационный счётчик марки РЛ-G2,5, если опыты проводились с воздухом.
Подачу воды в установке обеспечивал насос 3 марки НФН-1100.
При проведении экспериментов с воздухом в качестве источника (насоса) использовался бытовой пылесос «Вихрь». Пылесос работал как воздуходувка. Для увеличения производительности в пылесосе был удалён пылесборный мешок. Изменение подачи воздуха осуществлялось регулированием степени открытия отверстия на подводящем трубопроводе, приводящим к выпуску части воздуха в атмосферу. Такая система подачи и регулирования позволяла изменять расход воздуха в основном трубопроводе в пределах Q = 15 -- 20 л/с при избыточном давлении ризб ~ 0,15 м вод.ст.
Действительное значение коэффициента парциаль-ности при проведении экспериментов с водой определялось достаточно просто. Общий расход воды в трубопроводах Q = Qo + ф определялся объемным способом с использованием мерной ёмкости 5 и секундомера. Расход воды в обводном трубопроводе определялся так же объемным способом, при этом объём проходящей воды оценивался по счетчику за определённый промежуток времени, измеряемый секундомером. На основании полученных данных (табл. 1), коэффициент парциальности из опытов с водой (жидкостью) определялся по формуле &п.оп.ж = ^/ф - 1.
60
6 Волтод Мб/35 30
Рис. 1. Конструкция диафрагменного узла учета расхода воздуха в основном трубопроводе
Действительное значение коэффициента парци-альности при проведении экспериментов с воздухом определялось следующим образом.
Рис. 2. Схема опытной установки: 1 - соединительные шланги; 2 - кран; 3 - циркуляционный насос; 4 - резервуар с водой; 5 - мерная ёмкость; 6 - диафрагма; 7 - стальные патрубки; 8 - фитинг; 9 - водомерный или газовый счетчик; 10 - обводной трубопровод; 11 - воздуходувка; 12 - основной трубопровод
Таблица 1
Расчет опытных значений коэффициента парциальности при проведении экспериментов с водой
№ опыта Общий поток Обводной поток Отношение расходов Q/q Коэффициент
Объём воды, л Время наполнения, с Расход Q, л/с Объём воды, л Время измерения, с Расход q, л/с парциальности, ^п.оп.ж
1 10 3,4 2,94 5 21,1 0,237 12,40 11,40
2 11 3,8 2,89 5 21,5 0,232 12,46 11,46
3 13 5,5 2,36 5 26,3 0,190 12,42 11,42
4 13 5,6 2,32 5 26,3 0,190 12,21 11,21
5 12 6,0 2,00 5 31,0 0,161 12,42 11,42
6 13 6,5 1,97 5 31,5 0,159 12,39 11,39
Массовый расход воздуха в основном трубопроводе вычислялся по следующей формуле (формула (5.2) [4]):
QM0 = 0,25^ K су CEKm K п в(2Арр)
0,25
(1)
где d20 - диаметр отверстия диафрагмы при температуре 20 °С; Ксу - коэффициент, учитывающий температурное расширение. Поскольку опыты проводились при постоянной температуре воздуха 24 оС, принимаем Ксу =1, а <я?20 = В = 30,2 мм; С - коэффициент истечения, определяемый по формуле (5.6) [3]; Е - коэффициент скорости входа, определяемый по формуле (3.6) [2]; Кш - коэффициент, учитывающий шероховатость стенок. Согласно пункту 5.3.2.3 [3], в нашем случае можно принять Кш =1; Кп - коэффициент, учитывающий притупление входной кромки диафрагмы со временем. Принимаем Кп = 1; в - коэффициент расширения, определяемый по формуле (5.7) [3]; Ар - перепад давления на диафрагме, определяемый по формуле Ар=рж.g■Аh (где рж - плотность воды; Аh - высота столба воды на и-образном дифманомет-ре (пьезометрическая высота) (рис. 3)); р - плотность воздуха. При температуре 24 оС р = 1,189 кг/м3.
мширяят^^н
'Место установки диафрагмы Термометр
Рис. 3. Опытная установка для определения коэффициента парциальности при эксперименте с воздухом
Пересчёт массового расхода воздуха, определяемого по формуле (1), на объёмный расход осуществлялся по формуле Qо = Qм.о /р.
Расход воздуха в обводном трубопроводе определялся объемным способом, при этом объём проходя-
щего воздуха оценивался по газовому счетчику за определённый промежуток времени, измеряемый секундомером.
Результаты измерений и вычислений коэффициента парциальности при проведении экспериментов с воздухом представлены в табл. 2.
Судя по данным табл. 1 и 2, средние значения коэффициента парциальности при экспериментах с водой и с воздухом достаточно близки друг к другу (£п.оп.ж= 11,38 и £п.оп.в= 11,34) - разница не превышает 0,4 %. В этом случае за опытное значение коэффициента парциальности можно принять одно число £п.оп=11,36.
Расчетное значение коэффициента парциальности £п.р определялось по графоаналитическому методу, изложенному в работе [1]. Согласно этому методу сначала определяются потери напора в обводном трубопроводе Дрп в зависимости от расхода q (скорости Уд = q/Sп)
АРп =Р(* п1 + 4 d 2
и строится график Дрп = Ад).
Затем определяются потери напора в основном трубопроводе Дро в зависимости от расхода Q0 (скорости Уо = Qо/Sо)
] У2 АРо =Р(Х о В Нд)
По графику Дрп = при известных значениях Дрп = Дро определяются q, соответствующие Qo, и рассчитывается £пр= Qо/q.
В качестве исходных данных для расчета принимались данные табл. 3.
Результаты вычислений £п.р представлены в табл. 4 и 5 и на рис. 4.
По данным табл. 4 строим график Дрп = (рис. 4).
Таблица 2
Расчет опытных значений коэффициента парциальности при проведении экспериментов с воздухом
№ опыта Основной поток Обводной поток Коэффициент парци-альности к "'И.оп.в
Пьезометрическая высота, мм Перепад давления на диафрагме, Па Массовый расход Qм.о, г/с Объёмный расход Qо, л/с Объём воды, л Время измерения, с Расход q, л/с
1 118 1158 23,53 19,79 100 58 1,724 11,48
2 110 1079 22,72 19,11 100 60 1,667 11,46
о 3 104 1024 22,10 18,59 100 61 1,639 11,34
4 101 991 21,79 18,33 100 61 1,639 11,18
5 90 883 20,58 17,31 100 65 1,538 11,25
6 83 814 19,77 16,63 100 68 1,471 11,31
Примечание. Среднеарифметическое значение коэффициента парциальности £п.оп.в = 11,34.
Таблица 3
Исходные данные для расчета коэффициента парциальности
Параметр Значение Обоснование
Внутренний диаметр основного трубопровода D, мм 62,2 Рис.1
Внутренний диаметр обводного трубопровода d, мм 15,0 Рис.1
Диаметр диафрагмы D', мм 30,2 Рис.1
Расчетная длина основного трубопровода L, м 1,3 Рис.1
Расчетная длина обводного трубопровода 1, м 1,7 Рис.1
Температура воды/воздуха, оС 26/24 Измерено
Плотность воды рж/воздуха рв, кг/м3 996,8/1,189 [5, с.13]
Кинематическая вязкость воды уж/воздуха ув, м2/с 0,905-10-6 / 15,4 10-6 [5, с. 17,18]
Эквивалентная шероховатость основного трубопровода До, мм 0,10 [5, с. 78]
Эквивалентная шероховатость обводного трубопровода Дп, мм 0,01 [6]
Коэффициент местного сопротивления основного трубопровода (диафрагмы) 35,46 [5, с. 171,172]
Коэффициенты местных сопротивлений обводного трубопровода:
- счётчик воды ^счж 9,0 [7]
- счётчик газовый ^сч.в 8,2 Измерено
- боковое ответвление ^бо 1,24 [5, с. 364]
- фитинг ^ф 0,50 [6]
Таблица 4
Гидравлический расчет параметров парциального потока (в числителе данные по воде, в знаменателе - по воздуху)
Параметр Расчетная формула Результат расчета
q, л/с Принимаем 0,10 1,0 0,15 1,5 0,20 2,0 0,25 2,5 0,30
£п, м2 ^2/4 1,767-10-4
V, м/с q/Sп 0,566 5,66 0,849 8,49 I,132 II,32 1,415 14,15 1,698
Reп vd/v 9381 5513 14071 8269 18762 11026 23453 13782 28144
0,П(%еп )0,25 0,033 0,039 0,030 0,036 0,028 0,034 0,027 0,031 0,026
^сч + £б.о. + 4^ф 12,24 11,44
Дрп , Па ^п1V2 2548 302 5619 666 9844 1168 15257 1808 21807
Таблица 5
Гидравлический расчет параметров основного потока и коэффициента парциальности (в числителе данные по воде, в знаменателе - по воздуху)
Параметр Расчетная формула Результат расчета
бо, л/с Принимаем 1,5 10 20 15 25 20 30 25
S, м2 пВ2/4 3,0410-3
vo, м/с Qo/S 0,493 3,29 0,658 4,93 0,822 6,58 0,987 8,22
Reo v0D/v 33884 13288 45224 19912 56495 26576 67836 33200
Xo 011(68/ + Ао/)0,25 0,0270 0,0315 0,0260 0,0293 0,0253 0,0279 0,0249 0,0270
Apo , Па L V2 Ар0 =р(Х0 ъ + ^д) 4364 232 7769 520 12120 926 17469 1445
q, л/с Из графика на рис. 4 0,132 0,88 0,176 1,32 0,222 1,77 0,267 2,21
kn.p Qo/q 11,36 11,36 11,36 11,36 11,26 11,30 11,24 11,31
Среднеари коэффицие )метическое значение нта парциальности 11,35 11,33
25000 20000 15000 10000 5000 0
Ал Да
17469
12120
7769
4364
V 1 _
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
расход д, л/с расход
Рис. 4. Графики зависимости потерь давления в парциальном потоке от проходящего расхода
Судя по данным табл. 5, средние значения коэффициента парциальности, рассчитанные по воде и воздуху, практически совпадают (&п.р.ж = 11,35 и &прв = = 11,33). Поэтому, вне зависимости от физических свойств текущей среды, расчётный коэффициент парциальности можно принять равным &пр=11,34.
Сравнивая коэффициенты парциальности, полученные опытным и расчётным путём, можно сделать вывод о их практическом совпадении (&п.оп = 11,36 и &пр = 11,34) - разница не превышает 0,2 %.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что предложенный метод расчета парциального расходомера позволяет определять коэффициент парциальности с достаточной для инженерных расчётов достоверностью.
Литература
1. Кречко А.В. Определение градуировочной характеристики парциального расходомера расчетным путем //
Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 5. С.75 - 77.
2. ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167-2:2003). Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1: Принцип метода измерений и общие требования. М., 2007.
3. ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167-2:2003). Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 5: Методика выполнения измерений. М., 2007.
4. ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167-2:2003). Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 2: Диафрагмы. Технические требования. М., 2006.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О. Штейнберга: 3-е изд., перераб. и доп. М., 1992. 672 с.
6. Полипропиленовые трубы и фитинги //АкваТурбоПласт. URL: http://www.akvatruboplast.ru (дата обращения 25.03.2014).
7. СНиП 2.04.01-85 (2000) Внутренний водопровод и канализация зданий.
Поступила в редакцию
10 апреля 2014 г.
