Теплова енергія - це система вимірювання теплоти, яка була винайдена та використовується ще два сторіччя тому. Основним правилом роботи з цією величиною було те, що теплова енергіязберігається і може просто зникнути, але може перейти в інший вид енергії.

Існує кілька загальноприйнятих одиниць вимірювання теплової енергії. В основному їх використовують у промислових галузях, таких як . Внизу описані найпоширеніші з них:

Будь-яка одиниця виміру, що входить до системи СІ, має призначення у визначенні сумарної кількості того чи іншого виду енергії, такого як виділення тепла або електроенергія. Час проведення вимірювання і кількість не впливають на ці величини, чому їх можна використовувати як для споживаної, так і для вже спожитої енергії. Крім того, будь-яка передача та прийом, а також втрати теж обчислюються у таких величинах.

Де застосовують одиниці виміру теплової енергії

Одиниці виміру енергії, переведені в теплову

Для наочного прикладунижче наведено порівняння різних популярних показників СІ з тепловою енергією:

• 1 ГДж дорівнює 0,24 Гкал, що у електричному еквіваленті дорівнює 3400 мільйонів кВт на годину. В еквіваленті теплової енергії 1 ГДж = 0,44 тонн пари;
• У той самий час 1 Гкал = 4,1868 ГДж = 16000 млн. кВт за годину = 1,9 тонн пари;
• 1 тонна пари дорівнює 2,3 ГДж = 0,6 Гкал = 8200 кВт на годину.

У даному прикладівеличина пари прийнята за випаровування води при досягненні 100°С.

Щоб провести розрахунки кількості тепла, використовується наступний принцип: для отримання даних про кількість тепла його використовують для нагрівання рідини, після чого маса води множиться на пророщену температуру. Якщо СІ маса рідини вимірюється кілограмами, а температурні перепади в градусах Цельсія, то результатом таких розрахунків буде кількість теплоти в кілокалоріях.

Якщо є необхідність передачі теплової енергії від одного фізичного тіла іншому, і ви хочете дізнатися можливі втрати, то варто масу одержуваного тепла речовини помножити на температуру підвищення, а після дізнатися твір одержуваного значення на «питому теплоємність» речовини.

Стан пари визначається її тиском, температурою та питомою вагою. Тиск пари, укладеної в посудині, є сила, з якою він тисне на одиницю поверхні стінки судини. Воно вимірюється у технічних атмосферах (скорочено ат); Одна технічна атмосфера дорівнює тиску 1 кілограм на квадратний сантиметр (кг/см2),

Величину тиску пари, який стінки котла, визначають за манометром. Якщо, наприклад, встановлений на паровому котлі, показує тиск 5 ат„ це означає, що кожен квадратний сантиметр поверхні стінок котла відчуває тиск зсередини, що дорівнює 5 кг.

Якщо з герметично закритої судини відкачати гази або пари, то тиск у ньому буде меншим за зовнішній. Різниця між цими тисками називається розрідженням (вакуумом). Наприклад, якщо зовнішній тиск дорівнює 1 ат, а в посудині 0,3 ат, то розрідження в ньому дорівнює 1-0,3 = 0,7 ат. Іноді розрідження вимірюють частками атмосфери, а висотою стовпа рідини, зазвичай ртуті. Підраховано, що тиск на 1 технічну атмосферу, тобто на 1 кілограм на 1 квадратний сантиметр, створює стовп ртуті заввишки 736 мм. Якщо розрідження вимірювати висотою стовпа pTyfra, то нашому прикладі воно, очевидно, дорівнює: 0,7X736=515,2 мм.

Розрідження визначається вакуумметрами, які показують його в частках атмосфери, або по висоті ртутного стовпа в міліметрах.

Температурою називається ступінь нагрітості тіл (пара, ЙОД, заліза, каменю і т. д.). Вона визначається термометром. Як відомо, нуль градусів за шкалою Цельсія відповідає температурі танення льоду, а 100 градусів - температурі кипіння води за нормального атмосферного тиску. Градуси за Цельсієм позначаються через °С. Наприклад, температура 30 градусів за Цельсієм позначається так: 30°С.

Питомою вагою пари називається вага одного кубічного метра (м3) його. Якщо відомо, наприклад, що 5 м3 пари мають вагу 12,2 кг, то питома вагацієї пари дорівнює 12,2: 5=2,44 кг на кубічний метр(Кг/м3). Отже, питома вага пари дорівнює загальної ваги його (в кг), поділеному на загальний його обсяг (м3).

Питомим об'ємом пари називається об'єм одного кілограма пари, тобто питомий об'єм пари дорівнює загальному об'єму його (м3), поділеному на загальну його вагу (в кг).

Чим вищий тиск, під яким знаходиться вода, тим вища температура її кипіння (насичення), отже, кожному тиску відповідає своя температура кипіння. Так, якщо манометр, встановлений на паровому котлі, показує тиск, наприклад, 5 ат, то температура кипіння води (і температура пари) в цьому котлі дорівнює 158°С. Якщо ж тиск підняти так, щоб манометр показував 10 ат, то і температура пари також піднімається і дорівнюватиме 183°С.

Розглянемо тепер, як виходить пара.

Припустимо, що у скляному циліндрі під поршнем міститься йоду. Поршень щільно прилягає до стінок циліндра, але водночас може вільно у ньому пересуватися (1,/). Допустимо також, що для вимірювання температури води та пари в циліндрі поршень вставлений термометр.

Нагріватимемо циліндр і одночасно з цим спостерігатимемо, що відбувається з водою всередині нього. Спочатку ми зауважимо, що температура води підвищується, а об'єм її трохи збільшується і поршень у циліндрі починає повільно пересуватися вгору. Нарешті температура води піднімається настільки, що вода закипає (1,//). Бульбашки пари, з силою вилітаючи з води, захоплять її частинки у вигляді бризок, внаслідок чого простір над киплячою водою буде заповнено сумішшю з частинок пари і води. Така суміш називається вологою насиченою парою або просто вологою парою (I, III).

Продовжуючи кип'ятіння, ми зауважимо, що води в циліндрі стає все менше, а вологої пари все більше. Так як об'єм пари значно більший за об'єм води,; з якої він вийшов, то в міру перетворення води в пару внутрішній об'єм циліндра значно збільшуватиметься, і поршень швидко піде вгору.

Нарешті, настане такий момент, коли остання частка води в циліндрі перетвориться на пару. Така пара називається сухою насиченою (1,/К), або просто сухою. Температура пари та води під час кипіння (температура насичення) залишається постійною та рівною температурі, при якій вода почала кипіти.

Якщо нагрівання циліндра продовжувати, то температура пари підвищуватиметься і разом з тим збільшиться його об'єм. Така пара називається перегрітою (1,V).

Якщо підігрів циліндра припинити, то пара почне віддавати теплоту в навколишнє середовище, при цьому температура його знижуватиметься. Коли вона стане рівною температурі насичення, пара знову перетвориться на суху насичену. Потім відбуватиметься поступове перетворення його на рідину, отже, пара стане вологою. Цей процес протікає при постійній температурі, що дорівнює температурі! кіпедія. Коли; остання ча!стіца| пара перетвориться на воду, кипіння води припиниться. Потім відбуватиметься подальше зниження температури до температури навколишнього повітря.

Зі сказаного вище можна зробити такі висновки.

По-перше, пара може бути вологою, сухою і перегрітою. Стан сухої пари є дуже нестійким і навіть при незначному "підігріві" або охолодженні він стає перегрітим або вологим. Внаслідок цього в практичних умовпара буває тільки вологою або перегрітою.

По-друге, спостерігаючи через стінки скляного циліндра, за кипінням у ньому води, можна помітити, що на початку кипіння, коли води в циліндрі ще багато, пара має щільне молочно-біле забарвлення. У міру википання води, коли її в парі стає все менше і менше, щільність цього забарвлення зменшується; пара стає прозоріше. Нарешті, коли остання частка води перетвориться на пару, вона стане прозорою. Отже, сама по собі водяна пара прозора, а біле забарвлення надають йому частинки води, які в ньому містяться. Частинок води у вологій парі може бути різною кількістю. Тому для того, щоб мати повне уявлення про вологу пару, потрібно знати не тільки її тиск, а й ступінь сухості. Ця величина показує; скільки сухої пари в частках кілограма міститься в одному кілограмі вологої пари. Наприклад, якщо один кілограм вологої пари складається з 0,8 кг сухої пари та 0,2 кг води, то ступінь сухості такої пари дорівнює 0,8. Ступінь сухості вологої пари, що отримується в парових котлах, становить 0,96-0,97.

По-третє, у виробленому досвіді навантаження на поршень не змінювалося, отже, тиск перегрітої пари(Так само, як блажного сухого) під час досвіду залишалося незмінним, але температура його в міру нагрівання підвищувалася. Отже, при тому самому тиску температура Перегрітої пари може бути різною. Тому для характеристики такої пари вказують не лише її тиск, а й температуру.

Отже, для характеристики вологої пари потрібно знати її тиск і ступінь сухості, а для характеристики перегрітої пари - її тиск та температуру.

В-ч е ^ г вер тих, перегріта пара почала утворюватися тільки після того, як у циліндрі не залишилося води, отже, коли є. вода, можна отримати лише вологу пару. Ю

Тому в парових котлах пара може бути лише вологою. Якщо потрібно отримати перегріту пару, то вологу пару відводять із котлау спеціальні пристрої-п ароперогрівачі, відокремлюючи його таким чином від води. У пароперегрівачах пар додатково нагрівають, після чого він стає перегрітим.

Хоча для отримання перегрітої пари і потрібен пристрій-пароперегрівач, що ускладнює котельну установку, але завдяки перевагам, які має перегріта пара в порівнянні з вологою; він застосовується у суднових установках частіше. Основні з цих переваг такі.

1. При охолодженні перегрітої пари не відбувається її конденсація. Ця властивість перегрітої пари дуже важлива. Як би хороша не були ізольовані труби, по яких пара надходить з котла в машину і паровий циліндр цієї машини, вони все-таки проводять теплоту, і тому пара, стикаючись з їх стінками, охолоджується. Якщо пара єрегрета, то охолодження пов'язане тільки зі зменшенням її температури та питомого обсягу. Якщо пар вологий, та відбувається його конденсація, т. е. частина пари перетворюється на воду. Утворення води в паропроводі і особливо в циліндрі парової машини шкідливе і може призвести до великої аварії.

2. Перегріта пара віддає теплоту гірше, ніж волога, тому, стикаючись з холодними стінками трубопроводів, циліндрів тощо, вона охолоджується менше, ніж волога. Загалом під час роботи перегрітою парою виходить економія у витраті палива в 10-15%.

Точність вимірювання витрати пари залежить від цілого ряду факторів. Один із них – ступінь його сухості. Часто цим показником нехтують при підборі приладів обліку та вимірювання, і даремно. Справа в тому, що насичена волога пара по суті є середовищем двофазним, і це викликає ряд проблем у вимірі його масової витрати та теплової енергії. Як вирішити ці проблеми ми сьогодні розберемося.

Властивості водяної пари

Для початку, визначимося з термінологією та з'ясуємо, які особливості вологої пари.

Насичена пара - водяна пара, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з водою, тиск і температура якого пов'язані між собою і розташовуються на кривій насичення (рис.1), що визначає температуру кипіння води при даному тиску.

Перегріта пара - водяна пара, нагріта до температури вище температури кипіння води при даному тиску, одержуваний, наприклад, з насиченої пари шляхом додаткового нагріву.

Сухий насичений пар (рис.1) – безбарвний прозорий газ, є гомогенною, тобто. однорідним середовищем. Певною мірою це абстракція, тому що отримання його важко: у природі він зустрічається тільки в геотермальних джерелах, а парові котли, що виробляється, насичена пара не є сухою - типові значення ступеня сухості для сучасних котлів 0,95-0,97. Найчастіше ступінь сухості ще нижчий. Крім того, суха насичена пара метастабільна: при надходженні тепла ззовні він легко стає перегрітим, а при віддачі тепла - вологим насиченим:

Рисунок 1. Лінія насичення водяної пари

Волога насичена пара (рис.2) являє собою механічну суміш сухої насиченої пари з виваженою дрібнодисперсною рідиною, що знаходиться з парою в термодинамічній і кінетичній рівновазі. Флуктуація щільності газової фази, наявність сторонніх частинок, зокрема несучих електричні заряди – іони, призводить до виникнення центрів конденсації, що має гомогенний характер. У міру зростання вологості насиченої пари, наприклад, через теплові втрати або підвищення тиску, дрібні крапельки води стають центрами конденсації і поступово ростуть у розмірах, а насичена пара стає гетерогенною, тобто. двофазним середовищем (пароконденсатною сумішшю) у вигляді туману. Насичена пара, що представляє газову фазу пароконденсатної суміші, при русі передає частину своєї кінетичної та теплової енергії рідкій фазі. Газова фаза потоку несе у своєму обсязі крапельки рідкої фази, але швидкість рідкої фази потоку істотно нижче швидкості його парової фази. Волога насичена пара може формувати межу розділу, наприклад, під впливом гравітації. Структура двофазного потоку при конденсації пари в горизонтальних та вертикальних трубопроводах змінюється залежно від співвідношення часток газової та рідкої фаз (рис.3):


Малюнок 2. PV-діаграма водяної пари

Малюнок 3. Структура двофазного потоку у горизонтальному трубопроводі

Характер перебігу рідкої фази залежить від співвідношення сил тертя і сил тяжіння, і в горизонтально розташованому трубопроводі (рис.4) при високій швидкості пари протягом конденсату може залишатися плівковим, як і у вертикальній трубі, при середній може набувати спіралеподібної форми (рис.5) , а при низькій плівковій течії спостерігається тільки на верхній внутрішній поверхні трубопроводу, а в нижній формується безперервний потік, «ручок».

Таким чином, у загальному випадку потік пароконденсатної суміші при русі є три складовими: суха насичена пара, рідина у вигляді крапель в ядрі потоку і рідина у вигляді плівки або струменя на стінках трубопроводу. Кожна з цих фаз має свою швидкість і температуру, при цьому при русі пароконденсатної суміші виникає відносне ковзання фаз. Математичні моделі двофазної течії в паропроводі вологої насиченої пари представлені в роботах.

Малюнок 4. Структура двофазного потоку у вертикальному трубопроводі

Малюнок 5. Спіралеподібний рух конденсату.

Проблеми виміру витрати

Вимірювання масової витрати та теплової енергії вологої насиченої пари пов'язане з такими проблемами:
1. Газова та рідка фази вологої насиченої пари рухаються з різною швидкістю і займають змінну еквівалентну площу поперечного перерізутрубопроводу;
2. Щільність насиченої пари зростає зі зростанням її вологості, причому залежність щільності вологої пари від тиску при різному ступені сухості неоднозначна;
3. Питома ентальпія насиченої пари знижується зі зростанням її вологості.
4. Визначення ступеня сухості вологої насиченої пари в потоці важко.

Разом з тим, підвищення ступеня сухості вологої насиченої пари можливе двома. відомими способами: «м'яття» пари (зниження тиску і, відповідно, температури вологої пари) за допомогою редукційного клапана і відділення рідкої фази за допомогою сепаратора пари і конденсатовідвідника. Сучасні сепаратори пари забезпечують майже 100% осушення вологої пари.

Вимірювання витрати двофазних середовищ – вкрай складне завдання, яке досі не вийшло за межі дослідницьких лабораторій. Це особливо стосується пароводяної суміші.

Більшість витратомірів пари є швидкісними, тобто. вимірюють швидкість потоку пари. До них відносяться витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв, вихрові, ультразвукові, тахометричні, кореляційні, струменеві витратоміри. Особняком стоять коріолісові і теплові витратоміри, що безпосередньо вимірюють масу середовища.

Розглянемо, як різні видивитратомірів справляються зі своїм завданням, якщо мають справу з вологою парою.

Витратоміри змінного перепаду тиску

Витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв (діафрагм, сопел, труб Вентурі та інших місцевих гідравлічних опорів) досі є основним засобом вимірювання витрати пари. Однак, відповідно до підрозділу 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Вимірювання витрати та кількості рідин та газів методом перепаду тиску»: За умовами застосування стандартних пристроїв звуження, контрольована « середовище має бути однофазним і однорідним по фізичним властивостям ":

За наявності у трубопроводі двофазного середовища пари та води вимірювання витрати теплоносія приладами змінного перепаду тиску з нормованою точністю не забезпечується. У цьому випадку «можна було б говорити про виміряну витрату парової фази (насиченої пари) потоку вологої пари при невідоме значенняступеня сухості».

Таким чином, застосування таких витратомірів для вимірювання витрати вологої пари призведе до недостовірних показань.

Оцінка методичної похибки, що виникає (до 12% при тиску до 1 МПа і ступеня сухості 0,8) при вимірюванні вологої пари витратомірами змінного перепаду тиску на базі звужуючих пристроїв проведена в роботі.

Ультразвукові витратоміри

Ультразвукові витратоміри, що успішно застосовуються при вимірюванні витрати рідин і газів, ще не знайшли широкого застосування при вимірюванні витрати пари, незважаючи на те, що окремі типи їх випускаються серійно або були анонсовані виробником. Проблема полягає в тому, що ультразвукові витратоміри, що реалізують доплерівський принцип вимірювань, заснований на зсуві частоти ультразвукового променя, не придатні для вимірювання перегрітої та сухої насиченої пари через відсутність неоднорідностей у потоці, необхідних для відбиття променя, а при вимірюванні витрати вологості занижують показання через відмінність швидкостей газової та рідкої фази. Ультразвукові витратоміри часимпульсного типу навпаки непридатні для вологої пари через відбиття, розсіювання та заломлення ультразвукового променя на краплях води.

Вихрові витратоміри

Вихрові витратоміри різних виробників при вимірі вологої пари поводяться неоднаково. Це визначається як конструкцією первинного перетворювача витрати, принципу детектування вихорів, електронної схеми, і особливостями програмного забезпечення. Важливим є вплив конденсату працювати чутливого елемента. У деяких конструкціях «серйозні проблеми виникають при вимірі витрати насиченої пари, коли одночасно в трубопроводі існує газова та рідка фаза. Вода концентрується вздовж стінок труби і перешкоджає нормальному функціонуванню датчиків тиску, встановлених урівень зі стінкою труби". В інших конструкціях конденсат може затоплювати сенсор і блокувати вимірювання витрати зовсім. Зате у деяких витратомірів це практично не впливає на показання.

Крім цього, двофазний потік, набігаючи на тіло обтікання, формує цілий спектр вихрових частот, пов'язаних як зі швидкістю газової фази, так і зі швидкостями рідкої фазою (краплинної форми ядра потоку і плівкової або струминної пристінкової області) вологої насиченої пари. При цьому амплітуда вихрового сигналу рідкої фази може бути дуже значною і, якщо електронна схема не передбачає цифрової фільтрації сигналу за допомогою спектрального аналізу та спеціального алгоритму виділення «справжнього» сигналу, пов'язаного з газовою фазою потоку, що характерно для спрощених моделей витратомірів, то відбуватиметься сильне заниження показань витрати. Кращі моделі вихрових витратомірів володіють системами DSP (цифрової обробки сигналу) та SSP (спектральної обробки сигналу на основі швидкого перетворення Фур'є), які дозволяють не тільки підвищити ставлення сигнал/шум, виділити «справжній» вихровий сигнал, але й усунути вплив вібрацій трубопроводу та електричних перешкод.

Незважаючи на те, що вихрові витратоміри призначені для вимірювання витрати однофазного середовища, в роботі показано, що вони можуть бути використані для вимірювання витрати двофазних середовищ, у тому числі пара з краплями води при деякій деградації метрологічних характеристик.

Вологу насичену пару зі ступенем сухості понад 0,9 за експериментальними дослідженнями EMCO та Spirax Sarco можна вважати гомогенним і за рахунок «запасу» за точністю витратомірів PhD і VLM (±0,8-1,0%), показання масової витрати та теплової потужності будуть у межах похибок.

При ступеня сухості 0,7-0,9 відносна похибка вимірювань масової витрати цих витратомірів може досягати десяти і більше відсотків.

Інші дослідження, наприклад, дають більш оптимістичний результат – похибка вимірювання масової витрати вологої пари соплами Вентурі на спеціальній установці для калібрування витратомірів пари знаходиться в межах ±3,0% для насиченої пари зі ступенем сухості понад 0,84.

Щоб уникнути блокування чутливого елемента вихрового витратоміра, наприклад чутливого крила конденсатом, деякі виробники рекомендують орієнтувати первинний перетворювач таким чином, щоб вісь чутливого елемента була паралельна поверхні розділу пар/конденсат.

Інші типи витратомірів

Витратоміри змінного перепаду/змінної площі, обтікання з підпружиненою заслінкою та мішені змінної площі не допускають вимірювання двофазного середовища через можливе ерозійне зношування проточної частини при русі конденсату.

Принципово лише масові витратоміри коріолісового типу могли б вимірювати двофазне середовище, проте дослідження показують, що похибки вимірювань коріолісових витратомірів значною мірою залежать від співвідношення часток фаз, а спроби розробити універсальний витратомір для багатофазних середовищ швидше ведуть у глухий кут. У той же час коріолісові витратоміри інтенсивно розвиваються, і, можливо, успіху буде досягнуто вже скоро, але поки що таких промислових засобів вимірювань на ринку немає.

Прилади, що найбільш широко застосовуються для вимірювання витрат речовин, що протікають трубопроводами, можна розділити на наступні групи:

1. Витратоміри змінного перепаду тиску.

2. Витратоміри постійного перепаду тиску.

3. Електромагнітні витратоміри.

4. Лічильники.

5. Інші.

Витратоміри змінного перепаду тиску.

Витратоміри змінного перепаду тиску засновані на залежності від витрати перепаду тиску, створюваного пристроєм, який встановлений у трубопроводі, або самим елементом останнього.

До складу витратоміра входять: перетворювач витрати, що створює перепад тиску; диференціальний манометр, що вимірює цей перепад і сполучні (імпульсні) трубки між перетворювачем та дифманометром. При необхідності передати показання витратоміра на значну відстань до зазначених трьох елементів додаються ще вторинний перетворювач, що перетворює рух рухомого елемента дифманометра в електричний і пневматичний сигнал, який по лінії зв'язку передається до вторинного вимірювального приладу. Якщо первинний дифманометр (або вторинний вимірювальний прилад) має інтегратор, такий прилад вимірює як витрата, а й кількість минулого речовини.

Залежно від принципу дії перетворювача витрати дані витратоміри поділяються на шість самостійних груп:

1. Витратоміри з пристроями, що звужують.

2. Витратоміри з гідравлічним опором.

3. Відцентрові витратоміри.

4. Витратоміри з напірним пристроєм.

5. Витратоміри з напірним підсилювачем.

6. Витратоміри ударно-струменеві.

Розглянемо детальніше витратоміри з пристроєм, що звужує, так як вони отримали найбільше поширення в якості основних промислових приладів для вимірювання витрати рідини, газу і пари, в тому числі на нашому підприємстві. Вони засновані на залежності від витрати перепаду тиску, створюваного пристроєм, що звужує, в результаті якого відбувається перетворення частини потенційної енергії потоку в кінетичну.

Є багато різновидів пристроїв, що звужують. Так на рис.1, а б показані стандартні діафрагми, на рис. 1, в - стандартне сопло, на рис. 1, г, д, е – діафрагми для вимірювання забруднених речовин – сегментна, ексцентрична та кільцева. На наступних семи позиціях рис. 1 показані звужувальні пристрої, що застосовуються при малих числах Рейнольдса (для речовин з великою в'язкістю); так, на рис. 1, ж, з, і зображені діафрагми - подвійна, з вхідним конусом, з подвійним конусом, а на рис.1, к, л, м, н - сопла-напівкола, чверть кола, комбіноване та циліндричне. На рис. 1, зображена діафрагма зі змінною площею отвору, що автоматично компенсує вплив зміни тиску і температури речовини. На рис. 1, н, р, с, т наведено витратомірні труби – труба Вентурі, сопло Вентурі, труба Далла та сопло Вентурі з подвійним звуженням. Їх характерна дуже маленька втрата тиску.

Малюнок 1.

Різниця тисків до і після пристрою звуження вимірюється дифманометром. Як приклад розглянемо принцип дії приладів 13ДД11 та Сапфір -22ДД.

Малюнок 2.

Принцип дії перетворювачів різниці тисків 13ДД11 ґрунтується на пневматичній силовій компенсації. Схема пристрою представлена ​​на рис. 2. плюсову 2 і мінусову 6 порожнини перетворювача, утворені фланцями 1, 7 і мембранами 3,5 підводиться тиск. Вимірюваний перепад тиску впливає на мембрани, приварені до основи 4. Внутрішня порожнина між мембранами заповнена кремнійорганічною рідиною. Під впливом тиску мембрани повертають важіль 8 на невеликий кут щодо опори – пружної мембрани виведення 9. Заслінка 11 переміщається щодо сопла 12, що живиться стисненим повітрям. При цьому сигнал у лінії сопла керує тиском у підсилювачі 13 і в сильфон негативного зворотного зв'язку 14. Останній створює момент на важелі 8, що компенсує момент, що виникає від перепаду тиску. Сигнал, що надходить у сильфон 14, пропорційний вимірюваному перепаду тиску, одночасно направляється у вихідну лінію перетворювача. Пружина коректора нуля дозволяє 10 встановлювати початкове значеннявихідного сигналу, що дорівнює 0,02 МПа. Налаштування перетворювача на задану межу вимірювання здійснюється переміщенням сильфона 14 вздовж важеля 8. Пневматичні вимірювальні перетворювачі інших модифікацій виконані аналогічно.

Малюнок 3.

Перетворювачі різниці тисків Сапфір-22ДД (рис. 3) має дві камери: плюсову 7 і 13 мінусову, до яких підводиться тиск. Вимірювана різниця тисків впливає на мембрани 6, приварені по периметру до основи 9. Фланці ущільнюються прокладками 8. Внутрішня порожнина 4, обмежена мембранами і тензопреразователем 3, заповнена кремнійоранською рідиною. Під впливом різниці тисків мембрани переміщують тягу 11, яка через шток 12 передає зусилля на важіль тензоперетворювача 3. Це викликає прогин мембрани тензоперетворювача 3 і відповідний електричний сигнал, що передається в електронний пристрій через гермовивод 2.

Витратоміри постійного перепаду тиску.

Принцип їхньої дії заснований на сприйнятті динамічного напору контрольованого середовища, що залежить від витрати, чутливим елементом (наприклад, поплавком), поміщеним у потік. Внаслідок впливу потоку чутливий елемент переміщається, і величина переміщення служить мірою витрати.

Прилади, які працюють у цьому принципі – ротаметри (рис. 4).

Малюнок 4.

Потік контрольованої речовини надходить у трубку знизу вгору і захоплює за собою поплавець, переміщуючи його вгору, на висоту Н. При цьому збільшується зазор між ним і стінкою конічної трубки, в результаті зменшується швидкість рідини (газу) та зростає тиск над поплавцем.

На поплавок діє зусилля знизу нагору:

G1=P1·S ⇒ Р1=G1/S

і зверху вниз

G2=P2·S+q ⇒ P2=G2/S-q/S,

де P1, P2 – тиск речовини на поплавок знизу та зверху;

S - площа поплавця;

q - вага поплавця.

Коли поплавець перебуває у стані рівноваги G1=G2, отже:

P1 - P2 = q / S,

оскільки q/S=const, значить:

P1 - P2 = const,

тому такі прилади називають витратомірами постійного перепаду тиску.

При цьому об'ємна витрата може бути розрахована за формулою:

де Fс - площа перерізу конічної трубки на висоті h, м2; F-площа верхньої торцевої поверхні поплавця, м2; p-щільність середовища, що вимірюється, кг·м3; с – коефіцієнт, що залежить від розмірів та конструкції поплавця.

Ротаметри зі скляною трубкою застосовуються тільки для візуальних відрахунків витрати та позбавлені пристроїв для передачі сигналу на відстань.

Ротаметр не слід встановлювати в трубопроводах, що піддаються сильним вібраціям.

Довжина прямої ділянки трубопроводу перед ротаметром повинна бути не менше ніж 10 Ду, а після ротаметра не менше ніж 5 Ду.

Малюнок 5.

Ротаметр пневматичний фторопластовий типу РПФ

Ротаметри типу РПФ призначені для вимірювання об'ємної витрати однорідних потоків, що плавно змінюються, чистих і слабозабруднених агресивних рідин з дисперсними немагнітними включеннями сторонніх частинок, нейтральних до фторопласту і перетворення величини витрати в уніфікований пневматичний сигнал.

РПФ складається з ротаметричної та пневматичної частини (пневмоголовки).

Корпус ротамометричної частини 1 (рис.5) є прямоточною трубою з привареними на кінцях кільцями 6.

Всередині корпусу розташовані: поплавок 2, що переміщається під дією вимірюваного потоку, жорстко пов'язаний зі здвоєними магнітами 7, конус вимірювальний 4, напрямні 3, 12.

Корпус ротамометричної частини футерований фторопластом-4, а напрямні 3, 12, поплавець 2, конус вимірювальний 4 виконані з фторопласту-4.

Пневмоголовка призначена для забезпечення місцевих показань і представляє круглий корпус 20, в якому розміщені: сервопривід 16, пневматичне реле 13, манометри 18, стрілка 9, механізм переміщення 10, шкала місцевих показань, вхідний і вихідний штуцера.

Сервопривід 16 являє собою металевий стакан 15, в якому знаходиться вузол сильф вона 17. Сильфон 17 поділяє внутрішню порожнину сервоприводу від зовнішнього середовища і в комплекті з пружиною 24 служить пружним елементом.

Нижній кінець сильфона припаяний до рухомого дна, з яким жорстко пов'язаний шток 14. На протилежному кінці штока 14 закріплено 25 сопло і реле механічне 8.

При роботі механічне реле забезпечує закриття сопла заслінкою при збільшенні витрати і відкриття сопла при зменшенні витрати.

Реле механічне (рис.6) складається з кронштейна 1, закріпленого на колодці 3, заслінки 2, встановленої разом із стежить магнітом 5 на кернах в скобі 4. Скоба 4 кріпиться гвинтами до колодки 3. Регулювання положення реле механічного щодо сопла проводиться переміщенням вздовж осі штока сервоприводу.

Малюнок 6.

Механізм переміщення 10 шарнірно з'єднаний з механічним реле 8 тягою 11, перетворює переміщення вертикальне штока 14 в обертальний рухстрілки 9.

Усі деталі пневмоголовки захищені від впливу навколишнього середовища(пилу, бризки) та механічних пошкоджень кришкою.

Принцип дії ротаметра заснований на сприйнятті поплавком, що переміщається в вимірювальному конусі 4, динамічного напору, що проходить знизу вимірюваного потоку (рис.6).

При підйомі поплавця прохідний зазор між мірювальною поверхнею конуса і кромкою поплавця збільшується, при цьому зменшується перепад тиску на поплавці.

Коли перепад тиску стає рівним вазі поплавця, що припадає на одиницю площі його поперечного перерізу, настає рівновага. При цьому кожній величині витрати рідини, що вимірюється при певній щільності і кінематичної в'язкості відповідає строго певне положення поплавця.

В принципі магнітопневматичного перетворювача використовується властивість сприйняття стежить магнітом 6, механічного переміщення здвоєних магнітом 7 жорстко пов'язаним з поплавком, і перетворення цього переміщення у вихідний пневматичний сигнал (рис.7).

Переміщення поплавця вгору викликає зміну положення слідкуючого магніту 6 і жорстко пов'язаної з ним заслінки 5. При цьому зазор між соплом і заслінкою зменшується, збільшується командний тиск, Збільшуючи тиск на виході пневматичного реле 4 (рис. 7).

Посилений потужністю сигнал надходить у внутрішню порожнину склянки 15 (рис.5). Під дією цього сигналу відбувається стиск пружного елемента (сильфон 17-пружина 24) сервоприводу 16, переміщення вгору штока 14 жорстко пов'язаного з нижнім кінцем сильфона 17 сопла 25 реле механічного 8 укріплених на штоку 14.

Рух штока 14 відбувається до тих пір, поки магніт 5, що слідкує, з заслінкою не займуть початкове положення щодо здвоєних магнітів 7.

Малюнок 7.

При русі поплавка вниз змінюється положення слідкуючого магніту 5 і пов'язаної з ним заслінки, при цьому зазор між заслінкою і соплом 25 збільшується, зменшуючи цим командний тиск і тиск на виході пневматичного реле. Надлишкове повітря із порожнини склянки 15 (рис. 4) через клапан пневматичного реле стравлюється в атмосферу. Так як тиск у склянці 15 зменшилося, шток 14 під дією пружного елемента (сильфон-пружина) місці з механічним реле 8 переміщається вниз (у бік руху поплавця) до тих пір, поки магніт 5, що слідкує, з заслінкою не займуть початкове положення щодо здвоєних магнітів.

Пневматичне реле призначене посилення вихідного пневмосигналу по потужності.

Принцип дії витратоміра ВІР заснований на ротаметричному способі вимірювання, тобто мірою витрати в ньому є вертикальне переміщення поплавця під впливом потоку рідини, що його обтікає. Переміщення поплавця перетворюється на електричний сигнал.

Малюнок 8.

Принципова електрична схемаВІР із схемою підключення до перетворювача (КСД) представлена ​​на рис. 8.

ВІР являє собою ротаметричну пару (вимірювальний конус, поплавець-сердечник), що реагує на зміну потоку рідини, що вимірювається, за допомогою диференціального трансформатора Т1, що перетворює переміщення поплавця-сердечника в напругу змінного струму. Перетворювач (КСД) призначений для живлення первинної обмотки трансформатора Т1 датчика і перетворення напруги змінного струму, що індукується у вторинній обмотці диференціального трансформатора Т1 датчика, показання на шкалі приладу, відповідне витраті рідини, що протікає.

Зміна напруги на вторинній обмотці диференціального трансформатора Т2, викликане переміщенням осердя-поплавця в датчику, посилюється та передається на реверсивний двигун.

Рухомий осердя диференціального трансформатора Т2 є елементом негативного зворотного зв'язку, що компенсує зміну напруги на вході трансформатора Т2. Переміщення осердя здійснюється через кулачок при обертанні реверсивного двигуна РД. Одночасно обертання реверсивного двигуна передається на стрілку приладу.

Датчик ротаметра (рис. 9) складається з корпусу 1, трубки ротаметричної 2, котушки диференціального трансформатора 3, поплавка-сердечника 4 і клемної коробки 5.

Корпус є циліндром з кришками 9, всередині якого проходить ротаметрична труба, а до його бічної поверхні приварена клемна коробка з кришкою 6, яка кріпиться шістьма болтами. У корпусі знаходиться котушка диференціального трансформатора, залита компаундом 10 (ВІКСИНТ К-18).

Ротаметрична труба є трубою з нержавіючої сталі, на кінцях якої приварені фланці 7, службовці для кріплення датчика на технологічну лінію. Усередині ротаметричної труби знаходиться фторопластова труба 8 з внутрішнім вимірювальним конусом.

Малюнок 9.

Котушка диференціального трансформатора намотана безпосередньо на ротаметричну трубу, кінці обмоток котушки приєднані до прохідних затискачів клемної коробки.

Поплавець-сердечник складається з поплавця спеціальної конструкції, виконаного з фторопласту-4 і сердечника з електротехнічної сталі, розташованого всередині поплавця.

Котушка диференціального трансформатора з поплавцем сердечником складає диференціальний трансформатор датчика, первинна обмотка якого живиться від перетворювача, а напруга, що індукується у вторинній обмотці, надходить на перетворювач.

Електромагнітні витратоміри.

В основі електромагнітних витратомірів лежить взаємодія електропровідної рідини, що рухається, з магнітним полем, що підпорядковується закону електромагнітної індукції.

Основне застосування отримали такі електромагнітні витратоміри, у яких вимірюється ЕРС, що індукується в рідині, при перетині нею магнітного поля. Для цього (рис. 10) у ділянку 2 трубопроводу, виготовленого з немагнітного матеріалу, покритого зсередини неелектропровідною ізоляцією і поміщеного між полюсами 1 і 4 магніту або електромагніту, вводяться два електроди 3 і 5 у напрямку, перпендикулярному як напрямку руху рідини, так і до напряму силових ліній магнітного поля. Різниця потенціалів Е на електродах 3 та 5 визначається рівнянням:

де - В - магнітна індукція; D – відстань між кінцями електродів, що дорівнює внутрішньому діаметру трубопроводу; v та Q0 – середня швидкість та об'ємна витрата рідини.

Малюнок 10.

Таким чином, різниця потенціалів Е, що вимірюється, прямо пропорційна об'ємній витраті Q0. Для обліку крайових ефектів, що викликаються неоднорідністю магнітного поля і шунтуючим дією труби, рівняння множиться на поправочні коефіцієнти kм і kі, зазвичай, дуже близькі до одиниці.

Переваги електромагнітних витратомірів: незалежність показань від в'язкості та щільності вимірюваної речовини, можливість застосування в трубах будь-якого діаметру, відсутність втрати тиску, лінійність шкали, необхідність у менших довжинах прямих ділянок труб, висока швидкодія, можливість вимірювання агресивних, абразивних та в'язких рідин. Але електромагнітні витратоміри не застосовні для вимірювання витрати газу та пари, а також рідин діелектриків, таких, як спирти та нафтопродукти. Вони придатні для вимірювання витрати рідини, у яких питома електрична провідність щонайменше 10-3 див/м.

Лічильники.

За принципом дії всі лічильники рідин та газів діляться на швидкісні та об'ємні.

Швидкісні лічильникивлаштовані таким чином, що рідина, що протікає через камеру приладу, обертає вертушку або крильчатку, кутова швидкістьяких пропорційна швидкості потоку, отже, і витрати.

Об'ємні лічильники. Рідина, що надходить в прилад (або газ), вимірюється окремими, рівними за обсягом дозами, які потім підсумовуються.

Швидкісний лічильник з гвинтовою вертушкою.

Швидкісний лічильник з гвинтовою вертушкою служить для вимірювання великих об'ємів води.

Малюнок 11.

Потік рідини 4 мал. 11 надходячи в прилад, вирівнюється струменевипрямлячем 3 і потрапляє на лопаті вертушки 2, яка виконана у вигляді багатозахідного гвинта з великим кроком лопаті. Обертання вертушки через черв'ячну пару і передавальний механізм 4 передається лічильному пристрою. Для регулювання приладу одна з радіальних лопатей струменевипрямлювача робиться поворотною, завдяки чому, змінюючи швидкість потоку, можна докорити або уповільнити швидкість вертушки.

Швидкісний лічильник з вертикальною крильчаткою.

Цей лічильник застосовується для вимірювання порівняно невеликих витрат води та випускається на номінальні витрати від 1 до 6,3 м3/год при калібрах від 15 до 40 мм.

Малюнок 12.

Залежно від розподілу потоку води, що надходить на крильчатку, розрізняють дві модифікації лічильників - одноструминні та багатоструменеві.

На рис.12 показано пристрій одноструминного лічильника. Рідина підводиться до крильчатки тангенційно до кола, що описується середнім радіусом лопатей.

Перевагою багатоструменевих лічильників є порівняно невелике навантаження на опору і вісь крильчатки, а недоліком — складніша в порівнянні з одноструменевими конструкція, можливість засмічення струменевих отворів. Вертушки та крильчатки лічильників виготовляють із целулоїду, пластичних мас та ебоніту.

Лічильник встановлюється на лінійній ділянці трубопроводу, причому на відстані 8-10 D перед ним (D-діаметр трубопроводу) не повинно бути пристроїв, що спотворюють потік (коліни, трійники, засувки та ін.). У тих випадках, коли все ж таки очікується деяке спотворення потоку, перед лічильниками встановлюють додаткові струменевипрямлячі.

Лічильники з горизонтальною вертушкою можна встановлювати на горизонтальних, похилих та вертикальних трубопроводах, тоді як лічильники з вертикальною крильчаткою – тільки на горизонтальних трубопроводах.

Рідкісний об'ємний лічильник з овальними шестернями.

Дія цього лічильника заснована на витісненні певних об'ємів рідини з вимірювальної камери приладу овальними шестернями, що знаходяться в зубчастому зачепленні, що обертаються під дією різниці тисків на вхідному та вихідному патрубках приладу.

Малюнок 13.

Схема такого лічильника наведена на рис 13. У першому вихідному положенні (рис. 13, а) поверхня га шестерні 2 знаходиться під тиском рідини, що надходить, а рівна їй поверхня вг - під тиском рідини, що виходить. Найменшим вхідного. Ця різниця тисків створює момент, що крутить, обертає шестерню 2 за годинниковою стрілкою. При чому рідина з 1 порожнини і порожнини, розташованої під шестернею 3, витісняється у вихідний патрубок. Крутний момент шестірні 3 дорівнює нулютак як поверхні а1г1 і г1в1 рівні і знаходяться під однаковим вхідним тиском. Отже, шестерня 2-провідна, шестерня 3-відома.

У проміжному положенні (рис. 13 б) шестерня 2 обертається в колишньому напрямку, але її крутний момент буде менше, ніж у положенні а, через протидіє моменту, створеного тиском на поверхню дг (д-точка контакту шестерень). Поверхня а1в1 шестерні 3 знаходиться під вхідним тиском, а поверхня в1 б1 -під тиском виходить. Шестерня відчуває момент, що крутить, спрямований проти годинникової стрілки. У цьому положенні обидві ведучі шестерні.

У другому вихідному положенні (рис. 13, в) шестерня 3 знаходиться під дією найбільшого моменту, що крутить, і є провідною, в той час як крутний момент шестерні 2 дорівнює нулю, вона ведена.

Однак сумарний момент, що крутить, обох шестерень для будь-якого з положень залишається постійним.

За час повного обороту шестерень (один цикл роботи лічильника) порожнини 1 і 4 двічі заповнюються і двічі спорожняються. Об'єм чотирьох доз рідини, витіснених із цих порожнин, і становить вимірювальний об'єм лічильника.

Що більше витрата рідини через лічильник, то з більшою швидкістю обертаються шестерні. Витісняючи відмірені обсяги. Передача від овальних шестерень лічильному механізму здійснюється через магнітну муфту, яка працює в такий спосіб. Ведучий магніт укріплений в торці овальної шестерні 3, а ведений на осі, що зв'язує муфту редуктором 5. Камера, де розташовані овальні шестерні, відокремлена від редуктора 5 і лічильного механізму 6 немагнітною перегородкою. Обертаючись, провідний вал зміцнює за собою ведений.

Г. І. Сичов
Керівник напряму Витратоміри
ТОВ «Спіракс-Сарко Інжиніринг»

Властивості водяної пари
Проблеми виміру витрати

Ультразвукові витратоміри
Вихрові витратоміри
Інші типи витратомірів

Точність вимірювання витрати пари залежить від цілого ряду факторів. Один із них - ступінь його сухості. Часто цим показником нехтують при підборі приладів обліку та вимірювання, і даремно. Справа в тому, що насичена волога пара по суті є середовищем двофазним, і це викликає ряд проблем у вимірі його масової витрати та теплової енергії. Як вирішити ці проблеми ми сьогодні розберемося.

Властивості водяної пари

Для початку, визначимося з термінологією та з'ясуємо, які особливості вологої пари.

Насичена пара - водяна пара, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з водою, тиск і температура якого пов'язані між собою і розташовуються на кривій насичення (рис.1), що визначає температуру кипіння води при даному тиску.

Перегріта пара - водяна пара, нагріта до температури вище температури кипіння води при даному тиску, одержуваний, наприклад, насиченої пари шляхом додаткового нагріву.

Сухий насичений пар (рис.1) - безбарвний прозорий газ, є гомогенною, тобто. однорідним середовищем. Певною мірою це абстракція, тому що отримання його важко: у природі він зустрічається тільки в геотермальних джерелах, а парові котли, що виробляється, насичена пара не є сухою - типові значення ступеня сухості для сучасних котлів 0,95-0,97. Найчастіше ступінь сухості ще нижчий. Крім того, суха насичена пара метастабільна: при надходженні тепла ззовні він легко стає перегрітим, а при віддачі тепла - вологим насиченим.

Рисунок 1. Лінія насичення водяної пари

Волога насичена пара (рис.2) являє собою механічну суміш сухої насиченої пари з виваженою дрібнодисперсною рідиною, що знаходиться з парою в термодинамічній і кінетичній рівновазі. Флуктуація щільності газової фази, наявність сторонніх частинок, зокрема несучих електричні заряди - іони, призводить до виникнення центрів конденсації, що носить гомогенний характер. У міру зростання вологості насиченої пари, наприклад, через теплові втрати або підвищення тиску, дрібні крапельки води стають центрами конденсації і поступово ростуть у розмірах, а насичена пара стає гетерогенною, тобто. двофазним середовищем (пароконденсатною сумішшю) у вигляді туману. Насичена пара, що представляє газову фазу пароконденсатної суміші, при русі передає частину своєї кінетичної та теплової енергії рідкій фазі. Газова фаза потоку несе у своєму обсязі крапельки рідкої фази, але швидкість рідкої фази потоку істотно нижче швидкості його парової фази. Волога насичена пара може формувати межу розділу, наприклад, під впливом гравітації. Структура двофазного потоку при конденсації пари в горизонтальних та вертикальних трубопроводах змінюється залежно від співвідношення часток газової та рідкої фаз (рис.3).

Малюнок 2. PV-діаграма водяної пари

Малюнок 3. Структура двофазного потоку у горизонтальному трубопроводі

Характер перебігу рідкої фази залежить від співвідношення сил тертя і сил тяжіння, і в горизонтально розташованому трубопроводі (рис.4) при високій швидкості пари протягом конденсату може залишатися плівковим, як і у вертикальній трубі, при середній може набувати спіралеподібної форми (рис.5) , а при низькій плівковій течії спостерігається тільки на верхній внутрішній поверхні трубопроводу, а в нижній формується безперервний потік, «ручок» .

Таким чином, у загальному випадку потік пароконденсатної суміші при русі є три складовими: суха насичена пара, рідина у вигляді крапель в ядрі потоку і рідина у вигляді плівки або струменя на стінках трубопроводу. Кожна з цих фаз має свою швидкість і температуру, при цьому при русі пароконденсатної суміші виникає відносне ковзання фаз. Математичні моделі двофазної течії в паропроводі вологої насиченої пари представлені в роботах.

Малюнок 4. Структура двофазного потоку у вертикальному трубопроводі

Малюнок 5. Спіралеподібний рух конденсату.

Проблеми виміру витрати

Вимірювання масової витрати та теплової енергії вологої насиченої пари пов'язане з такими проблемами:
1. Газова та рідка фази вологої насиченої пари рухаються з різною швидкістю і займають змінну еквівалентну площу поперечного перерізу трубопроводу;
2. Щільність насиченої пари зростає зі зростанням її вологості, причому залежність щільності вологої пари від тиску при різному ступені сухості неоднозначна;
3. Питома ентальпія насиченої пари знижується зі зростанням її вологості.
4. Визначення ступеня сухості вологої насиченої пари в потоці важко.

Разом з тим підвищення ступеня сухості вологої насиченої пари можливе двома відомими способами: «м'яттям» пари (зниженням тиску і, відповідно, температури вологої пари) за допомогою редукційного клапана і відділенням рідкої фази за допомогою сепаратора пари і конденсатовідвідника. Сучасні сепаратори пари забезпечують майже 100% осушення вологої пари.
Вимірювання витрати двофазних середовищ - вкрай складне завдання, яке досі не вийшло за межі дослідницьких лабораторій. Це особливо стосується пароводяної суміші .
Більшість витратомірів пари є швидкісними, тобто. вимірюють швидкість потоку пари. До них відносяться витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв, вихрові, ультразвукові, тахометричні, кореляційні, струменеві витратоміри. Особняком стоять коріолісові і теплові витратоміри, що безпосередньо вимірюють масу середовища.
Розглянемо, як різні види витратомірів справляються зі своїм завданням, якщо мають справу з вологою парою.

Витратоміри змінного перепаду тиску

Витратоміри змінного перепаду тиску на основі звужуючих пристроїв (діафрагм, сопел, труб Вентурі та інших місцевих гідравлічних опорів) досі є основним засобом вимірювання витрати пари. Однак, відповідно до підрозділу 6.2 ГОСТ Р 8.586.1-2005 «Вимірювання витрати та кількості рідин і газів методом перепаду тиску»: За умовами застосування стандартних пристроїв звуження, контрольоване «середовище повинно бути однофазним і однорідним за фізичними властивостями» :
За наявності у трубопроводі двофазного середовища пари та води вимірювання витрати теплоносія приладами змінного перепаду тиску з нормованою точністю не забезпечується. У цьому випадку «можна було б говорити про виміряну витрату парової фази (насиченої пари) потоку вологої пари при невідомому значенні ступеня сухості».
Таким чином, застосування таких витратомірів для вимірювання витрати вологої пари призведе до недостовірних показань.
Оцінка методичної похибки, що виникає (до 12% при тиску до 1 МПа і ступеня сухості 0,8) при вимірюванні вологої пари витратомірами змінного перепаду тиску на базі звужуючих пристроїв проведена в роботі .

Ультразвукові витратоміри

Ультразвукові витратоміри, що успішно застосовуються при вимірюванні витрати рідин і газів, ще не знайшли широкого застосування при вимірюванні витрати пари, незважаючи на те, що окремі типи їх випускаються серійно або були анонсовані виробником. Проблема полягає в тому, що ультразвукові витратоміри, що реалізують доплерівський принцип вимірювань, заснований на зсуві частоти ультразвукового променя, не придатні для вимірювання перегрітої та сухої насиченої пари через відсутність неоднорідностей у потоці, необхідних для відбиття променя, а при вимірюванні витрати вологості занижують показання через відмінність швидкостей газової та рідкої фази. Ультразвукові витратоміри часимпульсного типу навпаки непридатні для вологої пари через відбиття, розсіювання та заломлення ультразвукового променя на краплях води.

Вихрові витратоміри

Вихрові витратоміри різних виробників при вимірі вологої пари поводяться неоднаково. Це визначається як конструкцією первинного перетворювача витрати, принципу детектування вихорів, електронної схеми, і особливостями програмного забезпечення. Важливим є вплив конденсату працювати чутливого елемента. У деяких конструкціях «серйозні проблеми виникають при вимірі витрати насиченої пари, коли одночасно в трубопроводі існує газова та рідка фаза. Вода концентрується вздовж стінок труби і перешкоджає нормальному функціонуванню датчиків тиску, встановлених урівень зі стінкою труби» . В інших конструкціях конденсат може затоплювати сенсор та блокувати вимірювання витрати зовсім. Натомість у деяких витратомірів це практично не впливає на свідчення.
Крім цього, двофазний потік, набігаючи на тіло обтікання, формує цілий спектр вихрових частот, пов'язаних як зі швидкістю газової фази, так і зі швидкостями рідкої фазою (краплинної форми ядра потоку і плівкової або струминної пристінкової області) вологої насиченої пари. При цьому амплітуда вихрового сигналу рідкої фази може бути дуже значною і, якщо електронна схема не передбачає цифрової фільтрації сигналу за допомогою спектрального аналізу та спеціального алгоритму виділення «справжнього» сигналу, пов'язаного з газовою фазою потоку, що характерно для спрощених моделей витратомірів, то відбуватиметься сильне заниження показань витрати. Кращі моделі вихрових витратомірів володіють системами DSP (цифрової обробки сигналу) та SSP (спектральної обробки сигналу на основі швидкого перетворення Фур'є), які дозволяють не тільки підвищити ставлення сигнал/шум, виділити «справжній» вихровий сигнал, але й усунути вплив вібрацій трубопроводу та електричних перешкод.
Незважаючи на те, що вихрові витратоміри призначені для вимірювання витрати однофазного середовища, в роботі показано, що вони можуть бути використані для вимірювання витрати двофазних середовищ, у тому числі пара з краплями води при деякій деградації метрологічних характеристик.
Вологу насичену пару зі ступенем сухості понад 0,9 за експериментальними дослідженнями EMCO та Spirax Sarco можна вважати гомогенним і за рахунок «запасу» за точністю витратомірів PhD і VLM (±0,8-1,0%), показання масової витрати та теплової потужності будуть знаходитися в межах похибок, нормованих у .
При ступеня сухості 0,7-0,9 відносна похибка вимірювань масової витрати цих витратомірів може досягати десяти і більше відсотків.
Інші дослідження, наприклад, дають більш оптимістичний результат - похибка вимірювання масової витрати вологої пари соплами Вентурі на спеціальній установці для калібрування витратомірів пари знаходиться в межах ±3,0% для насиченої пари зі ступенем сухості понад 0,84.
Щоб уникнути блокування чутливого елемента вихрового витратоміра, наприклад чутливого крила конденсатом, деякі виробники рекомендують орієнтувати первинний перетворювач таким чином, щоб вісь чутливого елемента була паралельна поверхні розділу пар/конденсат.

Інші типи витратомірів

Витратоміри змінного перепаду/змінної площі, обтікання з підпружиненою заслінкою та мішені змінної площі не допускають вимірювання двофазного середовища через можливе ерозійне зношування проточної частини при русі конденсату.
Принципово лише масові витратоміри коріолісового типу могли б вимірювати двофазне середовище, проте дослідження показують, що похибки вимірювань коріолісових витратомірів значною мірою залежать від співвідношення часток фаз, а спроби розробити універсальний витратомір для багатофазних середовищ швидше ведуть у глухий кут. У той же час коріолісові витратоміри інтенсивно розвиваються, і, можливо, успіху буде досягнуто вже скоро, але поки що таких промислових засобів вимірювань на ринку немає.

Далі буде.

Література:
1. Rainer Hohenhaus. Наскільки useful are steam measurements in wet steam area?// METRA Energie-Messtechnik GmbH, November, 2002.
2. Good Practice Guide Reducing energy consumption costs by steam metering. // Ref. GPG018, Queen's Printer and Controller of HMSO, 2005
3. Коваленко О.В. Математична модельдвофазного перебігу вологої пари в паропроводах.
4. Тонг Л. Теплопередача при кипінні та двофазне протягом. - М.: Мир,1969.
5. Теплопередача у двофазному потоці. За ред. Д. Баттерворса та Г. Х'юїтта.// М.: Енергія, 1980.
6. Ломшаков А.С. Випробування парових казанів. СПб, 1913.
7. Jesse L. Yoder. Використання метрів до ступеня рухомого удару // Plant Engineering,- April 1998.
8. ГОСТ Р 8.586.1-2005. Вимірювання витрати та кількості рідин та газів методом перепаду тиску.
9. Коваль Н.І., Шароухова В.П. Про проблеми вимірювання насиченої пари.// УЦСМС, Ульяновськ
10. Кузнєцов Ю.М., Певзнер В.М., Толкачов В.М. Вимірювання насиченої пари пристроями, що звужують //Теплоенергетика. – 1080.- №6.
11. Робінштейн Ю.В. Про комерційний облік пари в парових системах теплопостачання.// Матеріали 12-ї науково-практичної конференції: Удосконалення вимірювань витрати рідини, газу та пари, - СПб.: Борей-Арт, 2002.
12. Абаринов, Є. Г., К.С. Саріло. Методичні похибки вимірювання енергії вологої пари теплолічильниками на суху насичену пару // Вимірювальна техніка. – 2002. – №3.
13. Бобровник В.М. Безконтактні витратоміри «Дніпро-7» для обліку рідин, пари та нафтового газу. // Комерційний облік енергоносіїв. Матеріали 16-ї міжнародної науково-практичної конференції, - СПб.: Борей-Арт, 2002.
14. DigitalFlow™ XGS868 Steam Flow Transmitter. N4271 Panametrics, Inc., 4/02.
15. Богуш М.В. Розвиток вихрової витратометрії у Росії.
16. Engineering Data Book III, Chapter 12, Two Phase Flow Patterns, Wolverine Tube, Inc. 2007
17. П-683 «Правила обліку теплової енергії та теплоносія», М.:, МЕІ, 1995.
18. A. Amini та I. Owen. Використовуючи критичний фон venturi nozzles with saturated wet steam. // Flow Meas. lnstrum., Vol. 6, No. 1, 1995
19. Кравченко В.М., Ріккен М. Вимірювання витрати за допомогою коріолісових витратомірів у разі двофазного потоку. / / Комерційний облік енергоносіїв. XXIV міжнародна науково-практична конференція, - СПб.: Борей-Арт, 2006.
20. Richard Thorn. Flow Measurement. CRC Press LLC, 1999