CC BY
7Влияние погрешностей крепления трубы Вентури на массовый расход воды
Исследуется влияние на массовый расход воды смещения трубы Вентури относительно оси измерительного трубопровода и взаимного перекоса осей при измерении по методу переменного перепада давления. По результатам эксперимента по методу конечных элементов с использованием программы Ansys 5.5ED получена качественная оценка отрицательного влияния указанных погрешностей крепления. УДК статьи 532.55 (075.8)
А.О. Харитонов1
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева (РХТУ имени Д.И. Менделеева), д-р техн. наук, профессор, [email protected]
Е.Б. Бусыгина2
РХТУ имени Д.И. Менделеева, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
О.А. Никитина3
Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова, канд. техн. наук, доцент, line [email protected]
1 профессор кафедры, Москва, Россия
2 доцент кафедры, Москва, Россия
3 доцент кафедры, г. Магнитогорск, Россия
Для цитирования: Харитонов А.О., Бусыгина Е.Б., Никитина О.А. Влияние погрешностей крепления трубы Вентури на массовый расход воды // Компетентность / Competency (Russia). — 2023. — № 7. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-7-57-60
ключевые слова
движение среды, измерительный трубопровод, метод переменного перепада давления
условиях прокачки больших объемов загрязненных жидкостей лучшими эксплуатационными показателями для датчиков переменного перепада давления в качестве сужающих устройств обладают трубы Вентури. В трубах отсутствуют конструктивные элементы, способствующие накапливанию отложений. Монотонно изменяющийся профиль трубы исключает смену режима движения среды с ламинарного на турбулентный, что обуславливает минимальные в сравнении с диафрагмами и соплами потери давления.
Актуальность
аиболее существенным ограничением на применение труб Вентури является их протяженность, а также важность требования крепления к измерительному трубопроводу из-за вытянутого профиля трубы в осевом направлении.
Представлены результаты исследования влияния погрешностей крепления трубы Вентури на изменение величины массового расхода воды. Результаты получены численным моделированием по методу конечных элементов условий эксплуатации трубопровода по данным работы [1].
Постановка задачи
рофиль трубы для трубопровода с условным диаметром Dy равным 0,2-10-3 м (рис. 1), соответствует требованиям ГОСТ 8.586.42005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 4. Трубы Вентури. Технические требования» [2]. Диаметр условного прохода горловины dу и ее длина I принимали равными по 0,12 •Ю-3 м. Углы при вершине конусов конфузора у и диффузора ф принимали равными 21 ° и 8 ° последовательно. При этом длина трубы L составила 1,31510-3 м. В соответствии с требованиями ГОСТ 8.586.4-2005 погрешность крепления на измерительном трубопроводе не должна превышать 0,005 Dy по осевому смещению, измеренному в плоскости стыка трубопровода с цилиндрическим участком трубы Вентури, что составляет 110-3 м. Взаимный перекос осей трубы Венту-ри и измерительного трубопровода не должен превышать 1 %, что в градусной мере составляет 0,75 ° центрального угла.
Моделирование работы трубы Вен-тури выполняли для четырех численных опытов: 1 — без погрешностей
Рис. 1. Труба Вентури расходомера [Flow meter Venturi pipe]
Рис. 2. Изолинии распределения: а — давления, Па; б — скорости потока, м/с [Distribution isolines: а — pressure, Pa; b — flow velocity, m/s]
ее крепления; 2 — с предельно допустимым осевым смещением без взаимного перекоса осей; 3 — без осевого смещения с предельным перекосом осей; 4 — с предельными значениями осевого смещения осей и их перекоса. Всю область течения разбивали на 744 четырехузловых элемента FLUID 141 из библиотеки программы ANSYS 5.5 FLOTRAN CFD. В качестве граничных условий принимали величину давления воды на входе равной 2 МПа, скорость воды на выходе равной 2,4 м/с, с ограничениями по скорости на обтекаемых поверхностях трубы. Плотность р и коэффициент вязкости m принимали равными 975 кг/м3 и 0,3799х10-3 Пас при температуре воды 75 С, по данным литературы [3].
а)
б)
С 1
[_I
[_I
Ж
.196Е+07 .197Е+07 .198Е+07 . i.9 9Е+ 07 .199Е+07 .200Е+07 .201Е+07 .201Е+07 .:2;.02Е+07 .2СЩЕ+07
1?75 2216 2.457 2697 2§Й 8 3 170 3419 3660 3900 4141
р'Ю. Па
V*10
-з
1995
1990
1985
1980
1975
\
\ \ 1 \
\/ \
/\ / ^ \ \
/ \ \
/ \ \
/ / \
/ f \ \
/ У
м/с
3989 3670 3352 3033 27%
188 376
564- 753
L -103,м
9W 1128
2396 1315
Рис. 3. Изменение показателей течения среды: -давления;---скорости потока
[Change of parameters of the medium flow:-pressure;---flow velocity]
Теоретическая часть
Численное моделирование выполняли для каждого из четырех вышеуказанных вариантов крепления трубы Вентури в измерительном трубопроводе. Анализ результатов моделирования по изолиниям изменения давления и скорости потока в канале трубы (рис. 2) позволил сделать вывод об отсутствии качественных изменений в его динамике с возникновением погрешностей крепления. Последнее является подтверждением устойчивости работы рассматриваемого сужающего устройства.
Разность величин давлений на входе и выходе составила 25 103 Па (рис. 3), что кратно меньше аналогичной величины при работе сопла Вен-тури [4].
Монотонное уменьшение величины давления без резкого возрастания и падения от входа к выходу потока из трубы Вентури, присущее иным сужающим устройствам, исключает возникновение гидравлических ударов. Небольшой перегиб на графике функции изменения давления, соответствующий максимальной скорости потока в горловине трубы, не оказывает существенного влияния на динамику течения.
Перепад давления Ьр{ в каждом опыте численного эксперимента определяли по разности давлений в сечениях трубы, соответствующих штуцерам отбора плюсового и минусового давлений (рис. 1).
Для каждого значения определялся массовый qm: расход [2]:
qml =(Ц;/4) ЕС е(2рАр )0,5,
где Е = 1/-р4 — коэффициент скорости входа;
P=dy/Dy — относительный диаметр отверстия сужающего устройства.
При заданных значениях диаметров dy и Dy расчетное значение составило 1,0718.
Коэффициент истечения для трубы Вентури с обработанной входной ко-
Таблица
Результаты численного эксперимента [Numerical experiment results]
№ опыта [Experience number] Смещение оси 10-3, м [Axis offset, m] Перекос оси, град. [Axis skew, deg.] Перепад давления 103, Па [Pressure drop, Pa] Массовый расход, кг/с [Mass flow, kg/s]
1 0 0 17,34 198,82
2 1 0 17,15 197,75
3 0 0,75 16,73 195,31
4 1 0,75 17,29 198,55
ническои частью принимали равным 1,010 при соблюдении условия
2 106в< Re < 108в,
где Re = ^т0) / л|хОу — число Рей-нольдса.
Значение числа Re в первом приближении составило 1,29 106 при массовом расходе дт0, равном 73,43 кг/с, принятым для аналогичных условий течения в работе [4].
Коэффициент расширения si определяли для каждого опыта по формуле:
f I f 1 -ß4 ^ f 1 -x(k-1)/ks
k-1 v / 11 -ß4Tfk 1 - T v ' /
£; =
где т =1 -Ар/р;
К = 1, 324 — показатель адиабаты
[3].
Результаты расчетов представлены в таблице.
Для выполнения качественного анализа влияния погрешностей крепления трубы ограничимся одной итерацией по определению массового расхода.
Результаты эксперимента позволили сделать вывод о том, что обе из рассмотренных погрешностей крепления трубы Вентури уменьшают величину массового расхода дт. При этом перекос осей а^ (опыт 3) в большей степени,
чем смещение оси трубы Дi (опыт 2), вызывает уменьшение величины массового расхода. Отметим, что наличие обеих погрешностей крепления — смещения и перекоса осей (опыт 4) — в минимальной степени влияет на величину массового расхода.
Практическая значимость
Предложенная методика определения влияния погрешностей крепления труб Вентури позволяет получать количественную оценку уменьшения массового расхода при измерениях по методу переменного перепада давления. Внесение поправок даст возможность повысить точность измерений расхода.
Выводы
Анализ результатов численного эксперимента позволил оценить влияние смещения оси трубы Вентури и ее перекос крепления на измерительном трубопроводе. Установлено, что более существенное отрицательное влияние на изменение величины массового расхода оказывает перекос осей трубы Вентури с осью измерительного трубопровода. Вместе с тем, отмечено взаимное уменьшение отрицательного влияния погрешностей крепления. ■
Статья поступила в редакцию 12.04.2023
Список литературы
1. Зезин В.Г., Лазуков В.А. Определение расхода сплошных сред методом переменного перепада давления: учебное пособие. — Челябинск: ЮУрГУ, 2007.
2. ГОСТ 8.586.4-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 4. Трубы Вентури. Технические требования. — М.: Стандартинформ, 2007.
3. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник ГСССД Р-776-98. — М.: МЭИ, 1999.
4. Аристов В.М., Аристова Е.П., Харитонов А.О. Влияние абразивного износа на эксплуатационные свойства сопел Вентури расходомеров // Компетентность. — 2022. — № 9-10.
Kompetentnost / Competency (Russia) 7/2023 ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-7-57-60
Venturi Pipe Mounting Errors' Effect on Mass Water Flow
A.O. Kharitonov1, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (MUCTR), Prof. Dr. (Tech.), [email protected]
E.B. Busygina2, MUCTR, Assoc. Prof. PhD (Tech.), [email protected]
O.A. Nikitina3, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Assoc. Prof. PhD (Tech.), [email protected]
1 Professor of Department, Moscow, Russia
2 Associate Professor of Department, Moscow, Russia
3 Associate Professor of Department, Magnitogorsk, Russia
Citation: Kharitonov A.O., Busygina E.B., Nikitina O.A. Venturi Pipe Mounting Errors' Effect on Mass Water Flow, Kompetentnost / Competency (Russia), 2023, no. 7, pp. 57-60. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-7-57-60
key words
medium motion, measuring pipeline, variable differential pressure method
We have presented the results of a study of the influence on the mass flow of errors in the fastening of the Venturi pipe when measured by the method of variable pressure drop. The results of a numerical experiment performed by the finite element method using the Ansys 5.5ED program made it possible to obtain a qualitative assessment of the negative effect of the indicated fastening errors. Analysis of the numerical experiment results made it possible to evaluate the influence of the displacement of the axis of the Venturi pipe and its skewed fastening on the measuring pipeline. It has been established that the misalignment of the axes of the Venturi pipe with the axis of the measuring pipeline has a more significant negative effect on the change in the mass flow rate. At the same time, a mutual decrease in the negative influence of fastening errors was noted.
References
1. Zezin V.G., Lazukov V.A. Opredelenie raskhoda sploshnykh sred metodom peremennogo perepada davleniya: uchebnoe posobie [Determination of the flow rate of continuous media by the method of variable pressure drop: textbook], Chelyabinsk, YuUrGU, 2007, 102 P.
2. GOST 8.586.4-2005 Measuring the flow and quantity of liquids and gases using standard orifice devices. Part 4. Venturi pipes. Technical requirements, Moscow, Standartinform, 2007.
3. Aleksandrov A.A., Grigor'ev B.A. Tablitsy teplofizicheskikh svoystv vody i vodyanogo para: spravochnik GSSSD R-776-98 [Tables of thermophysical properties of water and steam: handbook of NSRDS R-776-98], Moscow, MEI, 1999, 168 P.
4. Aristov V.M., Aristova E.P., Kharitonov A.O. Vliyanie abrazivnogo iznosa na ekspluatatsionnye svoystva sopel Venturi raskhodomerov [The effect of abrasive wear on the operational properties of the flow meters Venturi nozzles], Kompetentnost', 2022, no. 9-10, pp. 26-31.
НОВАЯ КНИГА
Кутяйкин В.Г., Потапчик А.К., Зажигалкин А.В., Горбачев П.А.
Метрологическое обеспечение производства
Учебно-методическое пособие. — М.: Нижегородский филиал АСМС, 2023
Пособие содержит основные положения правовых и нормативных документов, а также практический материал по разным направлениям метрологического обеспечения применительно к работе как промышленных предприятий, так и организаций других видов деятельности. Издание адресовано руководителям предприятий и метрологических служб, а также специалистам различных направлений метрологического обеспечения производства, аккредитованных структур в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, испытательных подразделений, в том числе в целях подтверждения соответствия, а также специалистам по управлению качеством и техническому регулированию.
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]
