книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

где xnn — период поверки в годах; т — относительное время; тт — текущее время эксплуатации в годах; гн — начальное значе­ ние гк в мм, определяется путем измерения или принимается равным 0,05 мм.

при тПвП= 1 год имеем гк = 0,0292 + 0,850гн.

Подсчитав по этим формулам гк (или гк ), можно, пользуясь кривой на рис. 19 или ее аналитической зависимостью, получен­ ной В. А. Айрапетовым, и приведенной в ГОСТ 8563-97,

Кп = 1,0547 - 0,057е~149г«/а,

найти поправочный множитель, соответствующий реальной сте­ пени притупления входной кромки гк.

1.9. ИЗНОСОУСТОЙЧИВЫЕ ДИАФРАГМЫ

Чем чаще по времени будет определяться множитель гк, тем точнее будет результат измерения расхода. Чтобы избежать это­ го, можно рекомендовать другой, более рациональный путь — применять диафрагмы с наперед притупленной входной кромкой, так называемые износоустойчивые диафрагмы.

Предложены два способа притупления входной кромки. Пер­ вый состоит в закруглении входной кромки радиусом гк = 0,3 мм. При втором способе [78] с острой входной кромки стачивается под углом 45° фаска высотой 0,25 мм. Диафрагмы, изготовленные тем и другим способами, после года эксплуатации сохранили неизмен­ ные значения своих коэффициентов расхода а. Для ряда диаф­ рагм с т = Р2, равными 0,1,0,3,0,5,0,6 и 0,7, которые имеют кром­ ку с закруглением радиусом гк = 0,3 мм и установлены на глад­ кой трубе диаметром 100 мм, X. А. Алланиязов на образцовой установке определил соответствующие значения коэффициента расхода а, равные 0,6269,0,6524,0,7112,0,7555 и 0,8182. Они хоро­ шо соответствуют значениям а для стандартных диафрагм с ост­ рой кромкой, умноженными на поправочный коэффициент йп, по­ лученный Горнингом (см. рис. 18). Исследования показали, что области чисел Рейнольдса, в пределах которых (в зависимости от т) сохраняется практическое постоянство а, соответствуют тем, кото­ рые указаны для стандартных диафрагм в правилах 28-64. Значе­ ния та от т (J32) для износоустойчивых диафрагм даны в табл. 3.

Износоустойчивые диафрагмы со снятием фаски под углом 45° высотой 0,25 мм нормированы в РД 50-411-83 и в МИ 2333-95 [78]. Эти диафрагмы следует рекомендовать для применения вза­ мен стандартных с острой входной кромкой, когда диаметр отвер­ стия d < 125 мм. Исходя из условия =125/(3 = 125/V m в

52

Т а б л и ц а 3

Значения та в зависимости отD нт для износоустойчивыхдиафрагм

табл. 4 даны значения £ min в зависимости от (3 и т , начиная с которых целесообразно применять стандартные диафрагмы с ос­ трой входной кромкой.

Согласно МИ 2333-95, для износоустойчивых диафрагм по­ правочный множитель Кп в формуле Штольца (35) в зависимос­ ти от глубины h снятой кромки выражается формулой

Таблица 4

Диаметрыизносоустойчивыхдиафрагм в зависимости от р н т

53

Рис20. Зависимость поправоч­ ного множителя Кп от относи­ тельной высоты h/dснятой фас­

ки на кромке диафрагмы

Кп = 0,99947 + 9,22632(h/d )-

Минимально допустимые числа Рейнольдса Remin в зависимо­ сти от т следующие:

0,04 < т < 0,2; R e ^ = 104 для 0,2 < т < 0,59; Remin = 2 •104 для 0,59 < m < 0,64. Наибольшее допустимое число Рейнольдса Remax = 108. Погрешность исходного значения коэффициента истечения 6с = 0,4 % при т < 0,4 и 8С = (1,6т - 0,2) при т > 0,4.

Поправочный множитель Кш на шероховатость трубопровода практически тот же, что и для стандартной диафрагмы, хотя в МИ 2333-95 дана уточненная формула для Кш. Погрешность 6е та же, что и для стандартных диафрагм.

На рис. 20 показана зависимость множителя Кп от h/d9 полу­ ченная Ю. М. Мунировым. Применение износоустойчивых диаф­ рагм с притупленной кромкой повысит точность измерения во всех случаях, когда d < 125 мм. А таких случаев на практике очень много (порядка сотен тысяч и более). Поэтому широкое внедрение износоустойчивых диафрагм (с притупленной кром­ кой) может дать очень большой технико-экономический эффект. Для контроля кромки износоустойчивой диафрагмы разработа­ ны соответствующие методы [7, 33, 36].

На последних трех международных конференциях (в Сеуле в 1993 г., в Пекине в 1996 г. и в Санкт-Петербурге в 1996 г.) некоторые специалисты настаивали на широком внедрении из­ носоустойчивых диафрагм, отмечена абсурдность применения ди­ афрагм с переменным значением коэффициентов С и а (из-за изнашивания кромки) и выбрасывания их, когда значения С и а стабилизируются. Предлагалось включить износоустойчивую ди­ афрагму в ИСО 5167. Сообщалось об экспериментальном иссле­ довании в Китае износоустойчивых диафрагм на трубах диамет­ ром 50, 80 и 100 мм. Отмечены четыре их преимущества: выиг-

54

рыш в точности (постоянство С и а), удлинение срока эксплуата­ ции, снижение расходов на изготовление и монтаж новых диаф­ рагм, упрощение изготовления при малых d.

1.10. ТРУБЫ ВЕНТУРИ

Наряду с рассмотренными диафрагмами и соплами к стандарт­ ным сужающим устройствам международный стандарт ИСО 5167, а также отечественные нормы относят так называемые расходо­ мерные трубы: классические трубы Вентури и сопла Вентури. Характерный их признак — расходящийся конус—диффузор, рас­ положенный на выходе после наименьшего сечения горловины трубы. Диффузор отрезает мертвые зоны, имеющиеся на выходе у диафрагм и сопел, в которых вследствие вихреобразования проис­ ходит потеря энергии, особенно большая при малых (3. Поэтому у расходомерных труб потеря давления во много раз меньше, чем у других сужающих устройств. Это их основное преимущество.

Труба Вентури была предложена в США еще в конце XIX в. Гершелем. Она состоит (рис. 21): из входной цилиндрической части, имеющей диаметр!), который может отличаться от диамет­ ра трубопровода не более чем на 0,010, и длину 0 = 0 ; конуса

55

камер для отбора давлений pi и должна быть не менее полови­ ны общей площади отверстий для отбора давлений, но эти пло­ щади следует увеличить в два раза, если перед трубой Вентури расположен короткий прямолинейный участок (минимально до­ пустимый) трубопровода. Значение параметра шероховатости ita горловины и прилежащих радиусов сопряжения должно быть не более l(T 5d.

Допускается делать выходной диаметр диффузора меньше ди­ аметра трубопровода D. Такие трубы Вентури называются укоро­ ченными. При этом разрешается уменьшать длину диффузора не более чем на 0,35 % .

Имеются три разновидности классических труб Вентури, обус­ ловленные способом изготовления внутренней поверхности вход­ ного конуса (конфузора) и профиля пересечения его с горловиной.

1.Обработанные трубы Вентури. Применяют для трубопро­ водов небольших диаметров D — от 50 до 250 мм. Изготовляются литьем. Входной конус, горловину и входную цилиндрическую часть обрабатывают. Переходы между коническими и цилиндри­ ческими элементами выполняют с закруглениями и без них.

2.Литые трубы Вентури. Применяют для трубопроводов сред­ них диаметров — от 100 до 800 мм. Изготавливаются литьем в песочную форму или другим способом. Обрабатывают только горловину сопла, а места перехода между коническими и цилин­ дрическими сегментами закругляют.

3.Сварные трубы Вентури с входным коническим конусом из листовой стали. Применяют для трубопроводов больших диа­ метров — от 200 до 1200 мм. Обычно изготавливаются сваркой.

Втрубах малого диаметра горловину обрабатывают. Характеристики всех трех разновидностей труб Вентури (со­

гласно стандарту ИСО 5167) приведены в табл. 5.

патрубка и конуса

56

Допускается применение труб Вентури и при несколько меньших значениях чисел Рейнольдса по сравнению с указанными в табл. 5. При этом значения коэффициентов истечения С и их предельных погрешностей можно брать по данным табл. 6 (ГОСТ 23720-79).

Необходимо строго придерживаться значений радиусов за­ круглений i?i, i?2 и i?3, указанных в табл. 5. Так, в работе [9] в литых трубах, имевших R\ < 3,6d, при большой скорости воды была обнаружена кавитация, сужавшая сечение потока и вызы­ вавшая возрастание перепада давления.

Для упрощения изготовления допускается делать трубы Вен­ тури из нескольких узлов, сочлененных разъемными соединени­ ями (ГОСТ 23720-73). Это позволяет наиболее изнашиваемую и ответственную часть — горловину — делать сменной из желае­ мого материала. Иногда горловину снабжают рубашкой, в част­ ности, из бронзы.

Потеря давления в трубах Вентури уменьшается с увеличени­ ем Р и числа Рейнольдса и возрастает с увеличением угла диф­ фузора ф. Кроме того, она зависит от технологии изготовления трубы и шероховатости отдельных ее частей. Эта потеря лежит в пределах от 5 до 20 % от перепада давления, в среднем она составляет 10-12 % . Потеря давления у укороченных труб Вен­ тури примерно на 35 % больше.

Хотя стандарт ИСО 5167 ограничивает применение труб Вен­ тури диаметром D = 800 мм, но на практике их применяют и в трубопроводах больших диаметров. Так, ГОСТ 23720-79 допус­ кает применение сварных труб диаметром вплоть до 1400 мм. Известны случаи применения труб Вентури очень больших раз­ меров — диаметрами до 3000 мм, изготовленных из бетона. Тру­ бы Вентури пригодны для измерения расхода загрязненных сред, несущих взвешенные частицы, которые могут отлагаться в мер­ твых зонах перед диафрагмами и соплами. К числу таких сред относятся всевозможные пульпы, в частности песчаные, гидраторер и многие вещества в целлюлозно-бумажном и пищевом про­ изводствах.

Очень большое достоинство труб Вентури — это то, что перед ними требуются значительно меньшие длины прямых участков трубопроводов по сравнению со всеми другими сужающими уст-

57

ройствами (см. табл. 11). Так, после одного или двух колен, лежа­ щих в одной плоскости, при Р от 0,3 до 0,75 требуется для диаф­ рагм и сопел длина прямых участков ^ от 16D до 42D, а для труб Вентури только от 1,5D до 4,5D. Трудно переоценить это очень важное преимущество, учитывая недостаточные длины прямых участков трубопроводов во многих случаях практики.

Столь малая чувствительность труб Вентури к деформации по­ лей скоростей, вызываемых местными сопротивлениями, объясня­ ется влиянием входного конуса (диффузора), хорошо выравнива­ ющим деформированные поля. С этим связано и еще одно досто­ инство труб Вентури — чрезвычайно малое влияние шероховатос­ ти трубопровода на коэффициент истечение С, благодаря чему от­ сутствует необходимость в учете поправочного множителя Кш, что существенно повышает точность измерения расхода в трубах ма­ лого диаметра. Опыты показали, что даже при очень сильном из­ менении степени заостренности входного профиля скоростей, при котором отношение средней скорости к скорости в центре изменя­ лось от 0,36 до 0,8, коэффициент истечения трубы Вентури (имев­ шей Р = 0,667) менялся всего лишь на 0,5 % (от 0,984 до 0,989).

У труб Вентури имеется еще одно характерное отличие от всех других сужающих устройств. Его коэффициент истечения не за­ висит от Р (или т ), а только от Re (табл. 7). Это резко упрощает расчет, позволяя определять диаметр d прямо по формуле расхо­ да, не прибегая к итерационному (иногда весьма длительному) процессу предварительного нахождения произведения та. По­ стоянство С у труб Вентури обусловлено постоянством угла (21°) входного конуса. Его длина I = 2,7(1) - d) уменьшается с увеличе­ нием р. При этом уменьшается поверхность трения, а срыв струи происходит при скоростях, близких к i>2(независимо от значений P i ) . Это способствует сохранению постоянства коэффициентов по­ терь и истечения С, который у сопел уменьшается с увеличени-

Таблица 7 Значениекоэффициента истеченияС и погрешностиОс для труб Вентури

58

Рис. 22. Труба Вентури: а — схема и основные раз­ меры; б — изменение давления у стенки трубы

ем (3. Но значение коэффициента С у труб Вентури зависит от шероховатости входного конуса (у обработанных С равна 0,995, а у сварных и литых С составляет 0,985 и 0,984 соответственно). Исследования [8 1 ,108а, 108] показали влияние степени шерохова­ тости входного конуса на коэффициент С, а также значений ради­ усов Дх* Дг и R3 на зависимость С от Re. Коррозия и эрозия вход­ ного конуса заметно уменьшают С, поэтому его надо изготовлять из материалов, хорошо сопротивляющихся коррозии и эрозии.

Т а б л и ц а 8

Наименьшие длины l\/D и I2/D прямых участков до и после трубы Веитури

(по ГОСТ 23720-79*)

IJ D

П р и м е ч а н и я: 1. При длинах, указанных в скобках, надо учитывать дополнительную по­ грешность ±0,5 %, прибавляемую к погрешности коэффициента расхода а или истечения С. 2. Длины 1,и /2 отсчитываются от плоскости, проходящей через оси отверстий для отбора pf.

59

Перечислим достоинства труб Вентури.

1.Очень малая потеря давления (рис. 22).

2.Возможность установки на трубопроводах, не имеющих длинных прямых участков (табл. 8).

3.Отсутствие влияния шероховатости трубопровода на коэф­ фициент истечения.

4.Возможность измерения загрязненных сред.

5.Простота расчета вследствие независимости коэффициента истечения С от Р (или т ) .

6.Возможность очень длительной многолетней работы благо­ даря хорошей износоустойчивости.

Последний пункт подтверждается опытом хорошей работы на петербургских водопроводных линиях нескольких труб Вентури

втечение более 50-60 лет. Можно лишь сожалеть о недостаточно широком применении труб Вентури в нашем народном хозяй­ стве. В связи с этим было бы полезно решить вопрос о норматизации их типоразмеров и организации их производства. В част­ ности ГОСТ 23720-79 рекомендует для всех труб Вентури огра­ ничиться лишь двумя значениями их относительных площадей:

т= 0,2 и т = 0,4.

1.11.СОПЛА ВЕНТУРИ

Вмеждународном стандарте ИСО 5167 и отечественных нор­ мах ГОСТ 8.563-97 имеется еще и сопло Вентури, которое, как и труба Вентури, благодаря выходному диффузору имеет очень ма­ лую потерю давления. Сопло Вентури состоит (рис. 23) из плавно сужающейся входной части, цилиндрической горловины и вы­ ходного диффузора. Входная часть вместе с начальным участ­ ком горловины длиной 0,3d представляет собой стандартное со­

60

стенок, возникновение неустойчивого движения и9 как следствие, пульсации измеряемого перепада давления.

Цилиндричность горловины проверяется измерением диаметра d, значение которого в любом поперечном сечении не должно отли­ чаться от среднего не более чем на 0,05 % . Для определения сред­ него значения d необходимо измерение не менее чем в четырех приблизительно равноотстоящих друг от друга диаметральных на­ правлениях. Отбор давления/?! осуществляется так же, как и у стан­ дартного сопла ИСА1932. При этом рекомендуется применять на входе кольцевую камеру для обеспечения среднего значения Pi* Отбор давления производят из горловины на расстоянии 0,3d от ее начального входа через не менее чем четыре отверстия, рас­ положенных равномерно по окружности горловины. Диаметры этих отверстий должны быть не более 0,04d и лежать в пределах QT 2 мм до 10 мм с учетом предотвращения их засорения. Эти отверстия соединяются с наружной кольцевой камерой или труб­ кой. Внутренняя поверхность сопла Вентури должна иметь пара­ метр шероховатости Ra < 10~4d.

Для измерения расхода пульпы и веществ, обладающих абра­ зивными свойствами, целесообразно изготовлять диффузор отдель­ но (для возможности смены входной части и горловины). Иссле­ дования [71] показали, что начальный диаметр диффузора может быть больше диаметра горловины на 2 % , но не наоборот. Как и у труб Вентури, разрешается применять укороченные сопла Вен­ тури со срезанным диффузором. Их осевая длина небольшая — в пределах (1*2)£>. Разработаны [47] конструкции укороченных сопел Вентури, различающихся числом отдельных частей, спосо­ бом их уплотнения, степенью легкости сборки и монтажа, а так­ же доступностью чистки камер отбора давлений.

Т а б л и ц а 9

Значения коэффициентов истеченияС и расходаа для сопел Вентури

61