CC BY
19
УДК 681.121.4+676.1
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВИХРЕВОГО КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО РАСХОДОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
М.С. Лурье, О.М. Лурье, А.С. Фролов
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: sibgtu-frolov@rambler.ru
В работе рассматривается вопрос измерения расхода технологических жидкостей целлюлозно-бумажного производства. В качестве примера измерительного оборудования рассмотрен принцип работы погружного вихревого кондуктометрического расходомера с разными вариантами монтажа. Проанализирован предыдущий опыт данных расходомеров для измерения чистой воды или волокнистой суспензии с низкой концентрацией до 1,5-2 %. Результаты исследований показали, что при данных концентрациях погружные вихревые расходомеры могут одинаково успешно использоваться как для измерения расхода холодной горячей воды, так и суспензий без каких-либо принципиальных отличий в измерительном тракте прибора. Современные процессы производства различных видов бумаги все чаще используют суспензии с более высокой концентрацией волокон (3-6 %) зависящей от стадии производства и применяемого оборудования. При данных концентрациях суспензии у вихревых расходомеров резко снижается достоверность измерения, что сужает область их использования в той или иной технологической операции ЦБП. Важной задачей является расширение области использования данного оборудования на волокнистой суспензии с концентрацией волокон до 6 % для чего необходимо исследовать работу КППВК в широком диапазоне концентрации волокон. Приведены выражения сил вызывающих воздействие вихревой формации на гибкий электрод - чувствительный элемент вихревого расходомера; его перемещения под скоростным напором волокнистой суспензии. Рассмотрено понятие присоединенной массы жидкости и ее влияние на гибкий электрод, а так же выведена ее формула справедливая для плоского трапецеидального электрода. Обосновано отличие коэффициента гидравлического сопротивления для воды и волокнистой суспензии, а так же выдвинуто предположение о разном силовом воздействии этих жидкостей на гибкий электрод. Рассмотрен экспериментальный стенд для определения коэффициента сопротивления гибкого электрода. Приведены результаты испытаний по нахождению коэффициента сопротивления гибкого электрода на воде и волокнистой суспензии различной концентрации.
Ключевые слова: кондуктометрические расходомеры, измерение, волокнистая суспензия, испытания, чувствительный элемент, гибкий электрод, погрешность
This paper considers the question of measuring the flow of process fluids pulp and paper production. As an example, the measuring principle of the equipment is considered submerged vortex flowmeter conductometric different installation options. Previous experience is analyzed to measure the data flow of pure water or fiber suspension with low concentration of 1.5-2%. The results showed that the concentrations of these submersible vortex flowmeters may equally well be used for flow measurement of cold, hot water, and suspensions without any fundamental differences in the measurement path of the device. Modern processes for the manufacture of various kinds of papers are increasingly using suspension with a higher fiber concentration (3-6%) depending on the stage of production and equipment used. In these concentrations the suspension in the vortex flowmeter measurement accuracy of sharply lower, which narrows the scope of their use in a particular process step PPI. An important task is to expand the use of this equipment to the fiber suspension with a concentration of up to 6% of fibers for which it is necessary to investigate the work KPPVK fibers in a wide concentration range. Expressions forces causing effects of vortex formation at the flexible electrode - sensor vortex flow meter; move it under the pressure of high-speed fiber suspension. The concept of the connected liquid supply and its impact on the flexible electrode, as well as its derived formulas are valid for flat trapezoidal electrode. Unlike grounded coefficient of hydraulic resistance to water and fiber suspension as well as suggested a different impact force of these fluids to a flexible electrode. The experimental test bench for determining the coefficient of resistance of the flexible electrode. Test results for the determination of the flexible electrode resistance factor to water and various concentrations of the pulp suspension.
Keywords: Conductivity meters, measurement, fiber suspension, testing, sensor, flexible electrode error
ВВЕДЕНИЕ
В целлюлозно-бумажной промышленности в процессе производства различных видов продукции важным является точный учет как холодной, горячей воды, так и технологических жидкостей (волокнистой суспензии) из хвойной или лиственной пород древесины.
Одним из современных приборов для измерения расхода волокнистой суспензии в целлюлозно-бу-
мажном производстве (ЦБП) могут служить погружные вихревые расходомеры с кондуктометрическим приемником-преобразователем вихревых колебаний (КППВК) (Лурье, 2013).
В них в потоке волокнистой суспензии устанавливается тело обтекания (ТО) в виде цилиндра, призмы и т.д. За ТО возникают периодические вихревые формации, частота вихреобразования которых в широком диапазоне чисел Рейнольдса (от 3-103 до 250-103) строго пропорциональна скорости потока в трубопроводе.
Это позволяет измерять расход среды. Для стабилизации процесса вихреобразования в ТО делают одно или несколько поперечных отверстий, которые образуют канал обратной связи (КОС) в котором удобно монтировать датчик частоты вихреобразования (Рисунок 1). В кондуктометрических расходомерах этот датчик представляет собой систему электродов (Рисунок 1,б), один из которых гибкий. Гибкий электрод колеблется с частотой вихреобразования под действием перетока жидкости в КОС. При этом меняется электрическое сопротивление между электродами, которое легко пре-
образуется в электрический сигнал, частота которого несет в себе информацию о расходе.
Являясь частью технологического трубопровода, то есть технологическим оборудованием, они одновременно выполняют функцию измерения расхода воды или волокнистой суспензии. Совместно с рабочим трубопроводом такая конструкция превращается в расходомер (Рисунок 1,а), практически на любой условный проход. ТО представляют собой генераторы вихрей, которые устанавливаются в технологический трубопровод с помощью специального стакана.
5
К электронному блоку
3 2
Выходной сигнал
Скорость потока
1 6
Неподвижные электроды
Гибкий электрод
Тело обтекания
Канал обратной связи
Демпферы
Знакопеременный переток жидкости
Втулка
а)
б)
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При движении волокнистой суспензии в КОС со скоростью Укос, скоростной напор воздействует на гибкий электрод - чувствительный элемент КППВК тем самым развивая гидродинамическую силу F (t) (Кутателадзе, 1990):
1 - тело обтекания; 2 - корпус; 3 - гайка; 4 - корпус электронного блока; 5 - стакан; 6 - кондуктометрический приемник преобразователь вихревых колебаний с чувствительным элементом (гибкий электрод). Рисунок 1. Погружной вихревой расходомер в рабочем трубопроводе (а), кондуктометрический приемник-преобразователь вихревых колебаний (б)
Данные приборы изучались рядом исследователей и рассчитывались на работу в чистой воде, либо на волокнистой суспензии с концентрацией до 1,5-2 %. Результаты исследований показали, что при данных концентрациях погружные вихревые расходомеры могут одинаково успешно использоваться как для измерения расхода холодной горячей воды, так и суспензий без каких-либо принципиальных отличий в измерительном тракте прибора (Лурье, 2006).
Современные процессы производства различных видов бумаги все чаще используют суспензии с более высокой концентрацией волокон (3-6 %) зависящей от стадии производства и применяемого оборудования. При данных концентрациях суспензии у вихревых расходомеров резко снижается достоверность измерения, что сужает область их использования в той или иной технологической операции ЦБП.
Важной задачей является расширение области использования данного оборудования на волокнистой суспензии с концентрацией волокон до 6 % для чего необходимо исследовать работу КППВК в широком диапазоне концентрации волокон.
(1)
где Сх - коэффициент сопротивления гибкого электрода;
Я - площадь проекции гибкого электрода на плоскость, поперечную движению потока, м2; р - плотность суспензии, кг/м3; V - скорость набегающего потока, м/с. Согласно (Лурье, 1999; Филиппова, 2001; Ели-зарьева, 2004) с физической точки зрения, гибкий электрод КППВК представляет собой закрепленную одним концом свободно колеблющуюся в жидкости пружину, колебания которой описываются дифференциальным уравнением
at at
(2)
где у - перемещение общего центра тяжести электрода и присоединенной массы жидкости, м;
М = т + т - масса элемента т , включая при-
Э ПЖ эЭ *
соединенную массу окружающей жидкости (волокнистой суспензии) т , кг;
' пж7 7
И - коэффициент вязкого трения, кг/с;
с(у) - жесткость элемента, при наличии демпферов зависящая от амплитуды перемещения конца электрода, ее изменение учитывает имеющееся в системе ограничение колебаний электрода с помощью демпфирующих насадок на неподвижные электроды, Н/м;
Е - возмущающее воздействие на систему (сила, которая вызывается воздействием вихревой формации на электрод) и носящее обычно несинусоидальный характер, Н.
В выражении (2) учтено, что при колебании электрода вместе с ним колеблется и часть окружающей его жидкости т . Из этого следует, что динамические характеристики электрода при его движении в суспензии будут отличны от движения в воздухе.
Присоединенная масса жидкости - это некий объем волокнистой суспензии с массой т , который ув-
пж
лекается электродом при его движении. В КППВК электрод совершает колебательные движения. Присоединенная масса по своей физической природе есть пограничный слой жидкости вокруг движущегося тела, в связи с этим можно предположить, что ее величина будет зависеть от скорости перемещения электрода отно-
сительно жидкости, вязкости и будет распределена неравномерно по его поверхности, поскольку при изгибе электрода линейные скорости его участков неодинаковы. По данной причине теоретические рекомендации по расчету тпж нельзя признать достоверными, и необходимо исследовать его величину экспериментально.
Выражение для определения массы присоединенной жидкости было выведено экспериментальным путем в работе (Лурье, 2006).
Эксперименты производились при нескольких значениях скоростей потока волокнистой суспензии с концентрацией 2-3 % относительно электрода (при Re=100, 1500 и 7000). Анализ полученных данных позволил выявить зависимость относительной величины присоединенной массы жидкости в виде
m
M
_э_
VRë'
(3)
где ти
присоединенная масса, отнесенная к площади электрода , кг/м2;
Мэ - коэффициент пропорциональности, равный 33 при данных условиях экспериментов.
Выведенная формула справедлива лишь для плоского трапецеидального электрода (на рисунке 2 номер 1) малой толщины. Данный электрод является стандартной деталью вихревых приборов марок СХВВ, «Фотон» и ВКПР, поэтому он использовался в дальнейших исследованиях.
Методика экспериментального определения данного коэффициента основана на анализе амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) электродов (Динник, 1949).
2
6j
6j
3Н h 3
CD
6.
CD
24 k 4
3H -5
2
6
4H -6
6j
3-
\ /
7
Рисунок 2 - Гибкие электроды различной формы
В работе М.С Лурье (Лурье, 2006) были определены основные параметры, характеризующие гибкие электроды КППВК. Этими параметрами являются: площадь электрода - Б, общая масса - М, резонансная
частота - fр, коэффициент трения - h, жесткость - с и коэффициент Ка. Они представлены в таблице 1 в зависимости от формы самих электродов изображенных, на рисунке 2.
Таблица 1 - Параметры гибких электродов КППВК
1
№ Площадь, S Общая масса, М fP Коэф. трения, И Жесткость, сд Коэффициент, Ка
мЧ0-4 кг10-3 Гц кг/сек Н/м -
1 2,04 0,878 16,5 0,042 9,94 3,11
2 2,17 0,950 27,5 0,101 31,02 2
3 1,395 0,634 27,5 0,051 19,94 3,24
4 1,24 0,842 22,5 0,055 17,72 2.94
5 1,11 0,570 29 0,048 19,94 3,14
6 1,56 1,066 24,5 0,076 26,59 2,41
7 1,6 0,882 15 0,039 8,25 2,97
Общая масса электродов определена для числа Рейнольдса, которое соответствует скорости потока на резонансной частоте. Коэффициент Ка связывает перемещение центра тяжести электрода, которое описывается выражением (2) с перемещением конца электрода, которое зависит от формы электрода.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Коэффициент сопротивления гибкого электрода Сх определялся в работах (Лурье 2006, Лурье 1999) для чистой воды по ГОСТ Р 51232-98 (ГОСТ Р 5123298.....), при этом предполагалось, что в суспензии с
небольшой концентрацией волокон величина данного коэффициента не будет отличаться от полученного на чистой воде.
Но согласно исследованиям, проведенным во ВНИИБ (Отчет по теме 54-63 (ВНИИБ)....), коэффициенты гидравлического сопротивления для суспензий отличны от коэффициентов сопротивлений, полученных на воде. Это объясняется тем, что волокна
суспензии вследствие адгезии сцепляются с поверхностью стенок канала. Это меняет характер течения жидкости в пограничном слое, возможно, происходит ламинаризация пограничного слоя, его толщина изменяется, меняются и потери на трение о стенки. В целом, коэффициенты сопротивления потока волокнистой суспензии при обтекании ей препятствий по данным ВНИИБ снижаются, по сравнению со значениями для чистой воды. Данное отличие может заметно сказаться на работе прибора, в особенности на малых расходах, где силовое воздействие потока волокнистой суспензии в КОС на гибкий электрод мало и может существенно снизить выходной сигнал КППВК. Это может привести к возрастанию погрешности измерения вихревого расходомера, что необходимо учесть при анализе его работы.
Поэтому для уточнения данных по величине коэффициента Сх необходимо провести его определение на волокнистой суспензии с заданной концентрацией. Экспериментальный стенд изображен на рисунке 3.
4
Поток —> суспензии
Дифференциальный манометр ЭИгапэ Р ОЭ III
1 5
К регулятору температуры
Слив
1 - камера стенда; 2 - испытываемый прибор с КК ППВК; 3 - датчики дифференциального манометра; 4 - образцовый водосчетчик РОСТ-10; 5 - датчик температуры (термометр сопротивления КТПТР-05) Рисунок 3 - Схема подключения приборов при нахождении коэффициента С х
В качестве рабочей среды в опытах использовалась чистая вода и волокнистая суспензия (бисуль-фитная небеленая целлюлоза) с концентрацией 1,5; 3 и 6 % со степенью помола 20 °ШР. Перепад давления на ТО определялся дифференциальным манометром. Перепад давления на гибком электроде ДР^ определялся как разность между измеренными значениями перепада давления на КОС с установленным в нем КППВК и без КППВК ДРГО, то есть ДРэл = АРш - ДРт0 . При этом коэффициент сопротивления определялся по выражению: г
Рг2 .
На рисунке 4 приведен результат эксперимента, проводимого для серийно выпускаемого вихревого расходомера «Фотон» с электродом оптимальной формы (на рисунке 2 номер 1) на чистой воде и волокнистой суспензии различной концентрации. Из-
мерения проводились для скорости набегающего потока воды и волокнистой суспензии, изменяющейся в пределах от 0,1 м/с до 2,5 м/с (от Re=40 до Re=10000, относительно поперечного размера гибкого электрода). Этот диапазон скоростей соответствует всему рабочему диапазону для КППВК.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований видно, что на больших числах Рейнольдса коэффициент сопротивления гибкого электрода, Сх снятый на воде, близок к значению Сх , снятому на волокнистой суспензии. Это объясняется тем, что в турбулентном режиме течения (при Re>2500) поток суспензии существенно диспергирован и наличие волокон в потоке при относительно небольших концентрациях не оказывает существенного влияния на гидравлическое сопротивление по сравнению с чистой водой.
100
Вода
Волокнистая суспензия 1,5 %
Волокнистая суспензия 3 %
Волокнистая суспензия 6 %
100 1000 Число Рейнольдса
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента гидродинамического сопротивления гибкого электрода от числа Рейнольдса
В то же время из графика рисунка 4 видно, что на малых числах Рейнольдса, коэффициент Cx для волокнистой суспензии меньше, чем для чистой воды. При этом следует учесть, что и в данном случае поток суспензии является достаточно диспергированным. При дальнейшем снижении скорости движения потока суспензии в КОС поток становится структурированным, и гидравлические потери растут.
В электрическом сигнале снимаемом к КППВК на малых расходах уменьшается соотношение сигнал-шум что затрудняет выделение полезного сигнала.
Таким образом, при измерении расхода суспензии данным метадом на низких скоростях потока будет наблюдаться снижение выходного сигнала что может повлечь увеличение погрешности и затруднить измерения расхода на малых расходах. Что снижает динамический диапазон прибора за счет повышения значения минимального измерения расхода. Методом борьбы с этим явлением может служить применение электродов плохообтекаемой формы (например чашеобразной), а также повышением коэффициента усиления в измерительном тракте прибора с фильтрацией высокочастотных шумов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
Лурье, М.С. Измерение расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве / М.С. Лурье, А.С. Фролов // Химия растительного сырья . - 2013. - № 4. -С. 249 - 253.
Лурье, М. С. Разработка оборудования для учета расхода воды и волокнистых суспензий в технологических процессах целлюлозно-бумажного производства: дис. ... д-ра техн. наук: 05.21.03 / М. С. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, - 2006. - 384 с.
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. / С. С. Кутуладзе. -М.: Энергоатомиздат, - 1990. - 367 с.
Лурье, М.С. Вихревые расходомеры и счетчики количества жидкости с контактно-кондуктометрическим приемником-преобразователем вихревых колебаний: монография / М. С. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, - 1999. - 196 с.
Филиппова, О. М. Разработка вихревых расходомеров и водосчетчиков : дис. ... канд. техн. наук: 01.04.01 / О. М. Филиппова. - Красноярск: СибГТУ, - 2001. - 237 с.
Елизарьева, М. Ю. Разработка и исследование вихревых приборов для измерения расхода потока жидкости : дис., канд. техн. наук: 01.04.01 / М. Ю. Елизарьева. -Красноярск: СибГТУ, - 2004. - 188 с.
Лурье, М. С. Разработка оборудования для учета расхода воды и волокнистых суспензий в технологических процессах целлюлозно-бумажного производства: дис. ... д-ра техн. наук: 05.21.03 / М. С. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, - 2006. - 384 с.
Динник, А.Н. Справочник по технической механике / А.Н. Динник. - М.- Л: ОГИЗ Гостехиздат, - 1949. - 734 с.
Определение и исследование параметров, характеризующих свойства волокнистых суспензий: Отчет по теме 54-63 (ВНИИБ) - Л.: Лесная промышленность, - 1975. - 223 с.
По ступила в редакцию 21.06.16 Принята к печати 12.09.16
