CC BY
124
ПОТОЧНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ СУЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Анатолий Федорович Серов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им.
С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Валерий Николаевич Мамонов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им.
С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: mamonovvn@mail.ru
Предложен поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства. Приведены результаты экспериментов, подтверждающих работоспособность предложенного метода.
Ключевые слова: поточный режим, вязкость, сужающее устройство, вискозиметр, метод размерностей и физического подобия.
LINE METHOD OF MEASUREMENT OF VISCOSITY OF THE LIQUID WITH THE HELP OF NARROWING DEVICE
Anatoly F. Serov
The professor, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru.
Valery N. Mamonov
Senior assistant, Federal scientific budgetary establishment Institute of thermophysics him, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentev Avenue, 1, tel. (383)330-64-66
The line method of measurement of viscosity of a liquid with the help of narrowing device is offered. Results of the experiments confirming serviceability of an offered method are given.
Key words: a line mode, the viscosity, narrowing device, вискозиметр, a method of dimensions and physical similarity.
В ИТ СО РАН уже несколько лет ведется разработка измерительного комплекса, предназначенного для определения параметров водо-нефтяной эмульсии и расхода отдельных ее компонент в устье нефтяной скважины. Результаты этих работ регулярно публикуются [1, 2, 3].
В предлагаемом сообщении изложены результаты работ, касающиеся измерения одного из важнейших технологических параметров при перекачке нефти по трубопроводам - вязкости.
В настоящее время на нефтепроводах для измерения вязкости транспортируемой нефти используются сложные и дорогостоящие импортные вибрационные вискозиметры ^о1аг1:шп 7829 и 7827), которые в сложных условиях эксплуатации (например, осаждение примесей на вибраторах) могут давать результаты измерения вязкости далекие от действительности.
В нашей работе [4] было проведено исследование влияния ориентации вибратора такого вискозиметра на погрешность измерения вязкости жидкости. Были рассмотрены два рабочих варианта ориентации вибратора по отношению к набегающему потоку: ориентация по потоку («0°») и ориентация перпендикулярно потоку («90°»). Проведенные расчеты и эксперименты показали, что эти два варианта ориентации вибратора существенно различаются распределением статического давления во внутренней и внешней областях его обтекания. Это обстоятельство приводит к изменению частоты и добротности вибратора, а, значит, и к погрешности измерения вязкости жидкости.
Таким образом, при использовании вибрационного вискозиметра даже в идеально чистой жидкости (отсутствие неконтролируемых осаждений на вилке вибратора) могут возникать погрешности измерения вязкости, величину которых сложно оценить.
В упомянутых выше работах [1, 2, 3] был изложен принцип работы разрабатываемого авторами поточного вискозиметра на основе сужающего устройства (СУ). Предлагаемые в этих работах подходы и принцип измерения вязкости жидкости кратко изложены ниже, а также изложены результаты систематических экспериментальных исследований, которые позволяют утверждать, что разработан простой, надежный и недорогой поточный метод измерения вязкости текущей по трубопроводу вязкой жидкости.
В общем случае можно показать [5], что зависимость массового расхода жидкости через СУ зависит от перепада давления АР на СУ, геометрии проточной части СУ и свойств жидкости (плотности и вязкости). Традиционные СУ используют в таких диапазонах расходов измеряемой среды, когда потери на трение малы по сравнению с потерями давления на преобразование потенциальной энергии потока в кинетическую энергию. В этом случае для СУ получается универсальная зависимость, из которой следует, что перепад давления АР на СУ зависит только от расхода О и плотности р протекающей через СУ жидкости.
При работе с нефтью и нефтепродуктами в общем случае пренебрегать силами трения нельзя, так как их вязкость может быть достаточно высока, а расходы весьма умеренны. В этом случае, исходя из принципов анализа размерностей и физического подобия гидродинамических процессов [6], очень удобно характеризовать конкретное СУ, имеющее определенную геометрию проточной части, универсальной для любых несжимаемых жидкостей зависимостью:
Л = ДЯе)
(1)
л
Здесь величина Л=ДР/(ри /2) представляет собой безразмерное отношение сил давления потока (ДР - перепад давления на СУ) к силам инерции (и -средняя скорость во входном сечении СУ диаметром ё, р - плотность жидкости) и называется коэффициентом сопротивления СУ, а безразмерный параметр Яе = Ш/у - традиционное число Рейнольдса.
Безразмерная зависимость (1) индивидуальна для каждого СУ, так как в нее входят параметры, описывающие геометрию СУ. Но эта индивидуальная с точки зрения геометрии СУ зависимость универсальна для любых жидкостей (в том числе и для смесей) во всем доступном для практики диапазоне расходов, так как она учитывает кинематику потока (скорость и) и свойства жидкости (плотность р и вязкость V).
Для измерения кинематической вязкости жидкости V можно использовать обратную универсальную зависимость:
Яе = в(Л) ^ (Ш)^= в(2ДР/рИ2) (2)
В этом случае, если известны характерный диаметр СУ ё и плотность жидкости р, измерены перепад давления ДР и характерная скорость и, то, пользуясь экспериментально полученной универсальной кривой (2), как калибровочной, можно определить величину кинематической вязкости V.
На рис. 1 приведена схема СУ.
Рис. 1. Схема сужающего устройства
СУ представляло собой плоское сужение высотой 18 мм в участке канала круглого сечения диаметром 50 мм, имеющем конфузорный и диффузорный участки, плавно сопрягающие входное и выходное сечения СУ с плоским сужением. На участке СУ длиной 250 мм (см. рис. 1) с помощью датчика перепада давления измерялся текущий перепад давления ДР. С помощью платинового термометра сопротивления измерялось текущее значение температуры потока Т. Текущие значения расхода, температуры потока рабочей жидкости и перепада давления регистрировались специально разработанной измерительной системой с частотой порядка 10 измерений в секунду. Более подробно измерительная система описана в работах [1, 2, 3].
На рис. 2 приведена калибровочная кривая (2), полученная на экспериментальном проливном стенде для реально изготовленного СУ.
Л
= (0,16-0,24) м/с Д V = (0,26-0,33) м/с О V = (0,32-0,38) м/с
Рис. 2. Калибровочная кривая СУ
В контуре проливного стенда циркулировало трансформаторное масло. На капиллярном вискозиметре с шагом 1 °С была получена зависимость кинематической вязкости этого масла от температуры. Проливной стенд позволял осуществлять циркуляцию рабочей жидкости с различными контролируемыми значениями её расхода и температуры, что позволяло знать в каждый момент проведения эксперимента текущие значения средней скорости потока во входном сечении СУ и температуру жидкости, а, значит, и текущее значение кинематической вязкости рабочей жидкости. Калибровочная кривая СУ была построена в диапазоне изменения температуры рабочей жидкости от 21°С до 45°С, что соответствовало изменению её кинематической вязкости от 7 сСт до 16 сСт. Средняя скорость потока во входном сечении СУ изменялась в диапазоне от 0,16 м/с до 0,38 м/с. Из рис. 2 видно, что все экспериментальные данные, полученные в процессе проведения калибровочных измерений хорошо обобщаются безразмерной универсальной зависимостью вида (2). Это обстоятельство подтверждает все вышеприведенные рассуждения о возможности измерения кинематической вязкости с помощью СУ.
На рис. 3 приведена зависимость измеренного значения вязкости рабочей жидкости пи(изм) от действительного значения вязкости пи(1:), определенного по температурной зависимости этой вязкости.
nu(t), сСт
Рис. 3. Результаты экспериментов по измерению вязкости
Из рис. 3 следует, что относительная погрешность результатов измерения кинематической вязкости трансформаторного масла с помощью СУ, отнесенная к верхней границе выбранного диапазона измерения кинематической вязкости (3-30) сСт, в указанных выше условиях не превышает величины ±2%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Серов А. Ф., Мамонов В.Н., Назаров А.Д., Кириллов К. М., Измерительный пункт «Кварта-Н-50» для контроля дебета и параметров нефтяной эмульсии и нефти на скважине/ Сборник материалов Девятого международного научного конгресса "ГЕО-СИБИРЬ-2013", том 2, Новосибирск, 2013, стр. 77-82.
2. Кобец О.Н., Мамонов В.Н., Серов А.Ф., Черепанов В.Я. Модульная установка для поверки и калибровки средств измерений качества нефти. Измерительная техника. 2012. №4. С. 71-73.
3. Еремин Е.В., Копылов С.В., Безрук А.В., Степанюгин А.В., Серов А.Ф., Мамонов В.Н. Мобильная установка для поверки поточных вискозиметров в условиях эксплуатации. Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012. №2. С. 68-71.
4. О Н. Кобец (ЦМО), В.Н. Мамонов, А.Ф. Серов (ИТ СО РАН). Математическая модель для расчета трехмерного обтекания чувствительного элемента вибрационного поточного вискозиметра вибрационного поточного вискозиметра. - Журнал «Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов». - Выпуск 4(8). - 2012, - с.86-89.
5. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник. - 4-е
изд., преработ. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1989. - 701 с.
6. С.С. Кутателадзе. Анализ подобия в теплофизике: Издательство «Наука», Сибирское отделение - Новосибирск, 1982. - 280 с.
© А. Ф. Серов, В. Н. Мамонов, 2014
