CC BY
1230 МЕТРОЛОГИЯ
Компетентность / Competency (Russia) 3/2021 DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33
Оценка эффективности модификации формы цилиндрических сопел расходомеров
Оценивается эффективность применения модификации формы сопел при замене кромки на выходе кольцевым выступом. В исследовании представлены результаты численного моделирования течения потока жидкости через цилиндрическое сопло расходомера переменного перепада давления
А.О. Харитонов1
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, д-р техн. наук, профессор, [email protected]
Е.Б. Бусыгина2
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
О.А. Никитина3
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
1 профессор, Москва, Россия
2 доцент, Москва, Россия
3 доцент, г. Магнитогорск, Россия
Для цитирования: Харитонов АО., Бусыгина Е.Б., Никитина О.А. Оценка эффективности модификации формы цилиндрических сопел расходомеров // Компетентность / Competency (Russia). — 2021. — № 3. DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33
ключевые слова
конструкция сопла, сужающее устройство, измерительный участок трубопровода, моделирование потока жидкости
ростота конструкции и надежность в эксплуатации обусловили широкое применение расходомеров переменного перепада давления с цилиндрическими соплами. Кроме того, они допускают расход на 60 % больше, чем диафрагмы того же диаметра при одинаковом перепаде давления, и обеспечивают более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой [1]. Среди ряда факторов одним из значимых и влияющих на возникновение погрешности измерения является абразивное изнашивание кромок на входе и выходе из сопла. Для исключения влияния на измерение притупления выходной кромки сопла стандартом ГОСТ 8.586.3-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Технические требования» [2] рекомендовано заменять ее кольцевым выступом. В работе дается оценка эффективности применения данной модификации формы цилиндрических сопел расходомеров.
Исследования проводились численным моделированием течения воды на измерительном участке трубопровода длиной 0,4 м с диаметром условного прохода Dу, равным 0,2 м. Конструкция сопла соответствовала требованиям ГОСТ 8.586.3-2005 [2] с диаметром внутреннего цилиндрического отверстия d, равным 0,12 м, толщиной фланца Е, равной 0,020 мм, и длиной внутренней цилиндрической поверхности I, равной 0,075 м (рис. 1).
Для исходного состояния сопла значениям радиусов г1 и г2 придали нулевые значения. Максимально допустимое притупление кромок нормативными документами количественно не оговаривается. Качественно острота входных и выходных кромок сужающего устройства подтверждается отсутствием отражения падающего
под углом 45° луча света [1]. Рекомендациями РД 50-213-80 [3] для сопел «четверть круга» регламентируются отклонения радиусов дуг от номинальных значений. Указанные отклонения не должны превышать 3 % при т > 0,25, где т = d/Dy.
Следуя этому ограничению, максимальная величина притупления кромок принималась равной 3,6х10-3 м. В соответствии с рекомендациями РД 50-213-80 [3] размеры кольцевого выступа п и пх на выходе из сопла (рис. 2) принимались равными 3,5х10-3 м и 5х 10-3 м соответственно.
В работе представлены результаты исследования течения по четырем схемам:
► цилиндрическое сопло без кольцевого выступа с нулевыми значениями радиусов г1 и г2 притупления кромок (схема 1);
► цилиндрическое сопло без кольцевого выступа с максимально допустимым притуплением кромок на входе и выходе, равным 3,6х 10-3 м (схема 2);
► цилиндрическое сопло с кольцевым выступом и нулевыми значениями притупления кромок на входе и выходе из сопла (схема 3);
Рис. 1. Схема цилиндрического сопла расходомера [Diagram of a flow meter's cylindrical nozzle]
Компетентность / Competency (Russia) 3/2021 DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33
МЕТРОЛОГИЯ 31
► цилиндрическое сопло с кольцевым выступом, имеющим притупление кромки на входе радиусом г1 = 3,6х10-3 м, и притуплениями двух кромок кольцевого выступа по радиусам, равным 1,8х10-3 м (схема 4).
Меньшие значения притупления кромок кольцевого выступа на выходе из сопла в сравнении с притуплением кромки на входе по схеме 4 соответствуют эксплуатационным данным работы расходомеров.
Для постановки численного эксперимента были заимствованы данные, приведенные в работе [4]. Давление воды р на входе принимали равным 2 МПа. Плотность р и коэффициент вязкости ц воды при температуре t = 75 °С принимали соответственно равными 975 кг/м3 и 0,3799х10-3 Па-с. С учетом температурной деформации расчетное значение диаметра условного прохода стального трубопровода принимали равным 200,12х10-3 м и диаметра отверстия диафрагмы — 120,11 х 10-3 м. Действительный массовый расход дт принимали равным 73,43 кг/с. Граничные условия формировали как ограничения по скорости на внутренних поверхностях, обтекаемых потоком воды, и заданием величины скорости воды на входе V = 2,4 м/с, соответствующей указанному расходу.
Моделирования течения осуществляли средствами приложения FLOTRAN CFD программного комплекса ANSYS, реализующего метод конечных элементов. Для чего область решения разбивали на элементы FLUID 141 из библиотеки программы ANSYS. Результатом расчета по каждой схеме являлось определение перепада давления hpi на сужающем устройстве. Значения давления жидкости до и после сопла находили по изолиниям распределения давления (рис. 3).
Анализ полученных результатов показал, что наибольший перепад давления Др1 = 0,2 МПа соответствует соплу с нулевым притуплением кромок на входе и выходе по схеме 1 (рис. 3а). С нарастанием абразивного износа и увеличением радиусов г1 и r2 притупления кромок сопла по схеме 2 перепад давления уменьшается и достигает своего минимального значения Др2 = 0,15 МПа при величине указанных радиусов, равной 3,6х 10-3 м (рис. 3б). Появление кольцевого выступа на выходе сопла при нулевых значениях притупления кромок по схеме 3 также приводит к уменьшению перепада давления Др3 = 0,17 МПа (рис. 3в). Течение по схеме 4 с наличием притупления кромок сопровождает-
Рис. 2. Кольцевой выступ на выходе из сопла [Annular protrusion at the outlet of the nozzle]
Рис. 3. Изолинии распределения давления, Па: а — течение по схеме 1; б — течение по схеме 2; в — течение по схеме 3; г — течение по схеме 4 [Isolines of pressure distribution, Pa: a — flow according to scheme 1; b — flow according to scheme 2; c — flow according to scheme 3; d — flow according to scheme 4]
.154E+07 .161E+07 .169E+07 .177E+07 .184E+07 .192E+07 .199E+07 . 207E + 07 .214E+07 . 222E+07
а)
б)
4
м
□
ш ш ш ш ш
.168Е+07 .173Е+07 ■177Е+07 .181Е+07 .186Е+07 .190Е+07 .194Е+07 .199Е+07 .203Е+07 .208Е+07
в)
г)
32 МЕТРОЛО1—ИЯ Компетентность / Competency (Russia) 3/2021
DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33
Рис. 4. Изолинии поля скоростей, 10 3м/с [Isolines of the velocity field, 10-3m/s]
H0-3, м 5000
4500
4000
i /KL' \\ а ßy^s 1 /Г^ГЛ \\
Ii ¡1 / / / / \\ \А
Ii а/ \\ X
на 7/ \
h у i
т / /
л
/•10-3, м
80
160
240
320
400
Рис. 5. Изменение скорости в середине потока, 10 3 м/с:
1 — течение по схеме 1 3 — течение по схеме 3
2 — течение по схеме 2; 4 — течение по схеме 4 [Velocity change in the middle of the stream, 10-3 m/s: 1 — flow according to scheme 1; 2 — flow according to scheme 2; 3 — flow according to scheme 3; 4 — flow according to scheme 4]
ся перепадом давления Др4 = 0,17 МПа (рис. 3г), равным перепаду давления по схеме 3. Последнее позволяет сделать вывод о стабильности работы цилиндрических сопел с кольцевым выступом в условиях абразивного износа.
Статья поступила в редакцию 5.03.2021
Притупление кромок на входе и выходе из сопла с выступом или без него существенного влияния на распределения скоростей в области течения не оказывает. Изолинии поля скоростей для каждой из указанных схем подобны течению по схеме 1 (рис. 4) с нулевыми значениями радиусов г1 и г2 притупления кромок.
При этом максимальная скорость потока в сужающем устройстве была отмечена при течении через сопло с выступом по схеме 3 при нулевых значениях радиусов г1 и г2 притупления кромок, а минимальная скорость — при течении по схеме 2 (рис. 5). Результаты расчетов позволили сделать вывод, что притупление кромок сопровождается уменьшением скорости потока в сужающем устройстве и в большей степени для сопла без выступа на выходе.
Выводы
Результаты численного моделирования течения потока жидкости через сужающее устройство позволили сделать вывод о том, что модификация формы цилиндрических сопел расходомеров заменой кромки на выходе кольцевым выступом уменьшает влияние притупления кромок на величину перепада давления и, следовательно, приводит к повышению стабильности работы расходомеров.
Притупление кромок уменьшает скорость в среднем слое потока жидкости для цилиндрических сопел с выступом на выходе или без него, что должно способствовать уменьшению абразивного износа их внутренних поверхностей. ■
Список литературы
1. РД 50-411-83. Расход жидкостей и газов. Методика выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств. Методические указания. — М.: Издательство стандартов, 1984.
2. ГОСТ 8.586.3-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Технические требования. — М.: Стандартинформ, 2007.
3. РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. — М.: Издательство стандартов, 1982.
4. Определение расхода сплошных сред методом переменного перепада давления: учебное пособие / В.Г. Зезин, В.А. Лазуков. — Челябинск: ЮУрГУ, 2007.
0
Kompetentnost / Competency (Russia) 3/2021 ЛЛСТРП1 ЛЛ\/
ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33 MClnULUUI 33
Efficiency Evaluation for Cylindrical Flow Meter Shape Nozzles Modifying
А.О. Kharitonov1, D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology, Prof. Dr. (Sc.), [email protected] Е.B. Busygina2, D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology, Assoc. Prof. PhD, [email protected]
0.A. Nikitina3, G.I. Nosov Magnitogorsk State Technical University, Assoc. Prof. PhD, [email protected]
1 Professor, Moscow, Russia
2 Associate Professor, Moscow, Russia
3 Associate Professor, Magnitogorsk, Russia
Citation: Kharitonov A.O., Busygina E.B., Nikitina O.A. Efficiency Evaluation for Cylindrical Flow Meter Shape Nozzles Modifying, Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2021, no. 3, pp. 30-33. DOI: 10.24412/1993-8780-2021-3-30-33
In the study, we have evaluated the effectiveness of nozzle shape modifying when replacing the outlet edge with a collar. Based on the test results, the results of numerical simulation of the liquid flow through a restricting device — a cylindrical nozzle of a variable pressure drop meter were presented.
The results obtained allowed us to conclude that modification of the flow meters cylindrical nozzles' shape by replacing the edge at the outlet with an annular protrusion reduces the effect of blunting of the edges on the value of the pressure drop, therefore, leads to an increase in the stability of the flow meters.
The bluntness of the edges reduces the speed in the middle layer of the fluid flow for cylindrical nozzles with or without a protrusion at the outlet, which should help to reduce abrasive wear of their inner surfaces.
References
1. RD 50-411-83 Consumption of liquids and gases. The method of performing measurements with the help of special narrowing devices. Methodological guidelines, Moscow, Publishing House of Standards, 1984.
2. GOST 8.586.3-2005 Measurement of the flow rate and quantity of liquids and gases using standard narrowing devices. Part 3. Venturi nozzles and nozzles. Technical requirements, Moscow, Standartinform, 2007.
3. RD 50-213-80 Rules for measuring the flow of gases and liquids by standard narrowing devices, Moscow, Publishing House of Standards, 1982.
4. Zezin V.G., Lazukov V.A. Opredelenie raskhoda sploshnykh sred metodom peremennogo perepada davleniya [Determination of the flow rate of continuous media by the variable pressure drop method], Chelyabinsk, SUSU, 2007, 102 P.
key words
nozzle design, narrowing device, pipeline measuring section, fluid flow simulation
НОВАЯ КНИГА
Поверка амперметров, вольтметров, ваттметров и варметров
Учебное пособие. — М.: АСМС, 2021
Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения методики поверки амперметров, вольтметров, ваттметров и варметров.
Оно может быть рекомендовано при проведении работ по калибровке приборов. Пособие рассчитано на квалификацию слушателей, обучающихся по программе «Поверка и калибровка средств электрических измерений».
Барышев Ю.А.
По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: [email protected]
