книги из ГПНТБ / Добровольский А.П. Теплотехнические испытания судовых холодильных установок

величины скоростей wu w 2, wa, . . ., wn, измеренных в отдельных точках сечения потока. Для этого поперечное сечение потока раз­ бивают на п равновеликих по площади участков и условно считают, что скорость потока во всех точках каждого участка одинакова. Тогда среднюю скорость можно определить по формуле

w cP = ( Щ + w 2 + w 3 Н--------[- w n).

Выразив скорости w u w2, w„, . . ., wn через соответствующие динамические давления по формуле (15), получим

или, обозначив

через

1п динср

получим

и площади выделенных для измерения участков и характера поля скоростей.

Перед основными испытаниями рекомендуется провести предва­ рительные измерения и в случае значительной неравномерности поля скоростей увеличить количество участков.

В трубопроводах круглого сечения (рис. 66) разбивку на п рав-' новеликих по площади концентрических участков осуществляют окружностями, проведенными из центра сечения трубопровода ра­ диусами г 2, г4, гв и т. д. Для определения средней скорости на каждом участке проводят окружность так, чтобы она разделила данный участок на две равные по площади части, затем измеряют скорости на этой окружности в четырех точках, лежащих на двух взаимно перпендикулярных диаметрах, и берут их среднюю арифметическую.

Радиусы г L, г?, г5 и т. д. окружностей, на которых в 4я точках следует производить измерения местных скоростей, получают из

118

W ср = ~РГ 1 ЩЛ(п)

г;=0

Как видно, скорость в данной точке w( есть функция квадрата радиуса г., т. е. wt = f (rt-)2 или в безразмерной форме

w£= f ( ^ y .

Этот способ определения средней скорости более точен вследствие того, что учитывается объемный характер поля скоростей и, следо­

119

вательно, неравномерность распределения скорости по сечению. Точки измерений выбирают исходя из характера поля, определяе­ мого состоянием потока и формой поперечного сечения. Так, при турбулентном потоке наибольшее число точек обычно намечают вблизи стенок трубопровода, наименьшее — в ядре потока.

На судах этот способ измерения расхода не применяется из-за сложности и большой трудоемкости измерений. Его обычно исполь­ зуют при лабораторных испытаниях и исследованиях, а также для тарировки измерительных диафрагм и других приборов, предназна­ ченных для измерения расхода газов.

Рис. 67. Соотношение средней и максимальной скоростей потока.

Третий, упрощенный, менее точный, чем первые два, способ служит для определения средней скорости потока в трубах круглого сече­ ния при ламинарном и турбулентном режимах и основан на зави­ симости

Wcp = /(R e0),

где wmax — максимальная скорость потока, измеренная по оси трубы, м/с;

ReD — число Рейнольдса, отнесенное к диаметру трубо­ провода.

Эту зависимость можно проследить по графику (рис. 67), построен­ ному по данным Никурадзе.

Среднюю скорость определяют так. С помощью напорной трубки, установленной по оси трубопровода, измеряют величину максималь­

120

Зная Reß и wmax, по графику можно определить значение сред­ ней скорости потока даср.

Перед напорной трубкой должен быть прямой участок длиной не менее 40—50 диаметров трубопровода, в котором бы отсутствовали сварные швы, выступающие прокладки и другие неровности. Но даже при соблюдении всех этих требований скоростное поле, как правило, не бывает строго симметрично, вследствие чего при этом способе возможны значительные ошибки.

Конструктивно напорные трубки подразделяют на одинарные (трубки Пито), двойные нормальные с полусферической .головкой (трубки Прандтля) и трубки для определения величины и направле­ ния скорости.

Наиболее простая трубка — одинарная, представляющая собой изогнутую под 90° металлическую трубку с заостренным открытым концом, располагаемым навстречу потоку. Открытый конец трубки воспринимает полное давление движущейся среды и передает его дифференциальному манометру со стороны более высокого (+) давления. Другая сторона дифференциального манометра, воспри­ нимающая более низкое (—) давление, сообщается с отверстием, просверленным в стенке трубы, через которое передается только статическое давление. Ось отверстия для измерения статического давления должна располагаться нормально к оси трубы и обязательно в плоскости открытого конца напорной трубки. Для уменьшения всасывающего действия протекающей среды диаметр отверстий для измерения статического давления выбирают в пределах 0,5— 1,0 мм. Со стороны внутренней поверхности трубы края этого отверстия должны быть тщательно зачищены от заусениц, выступов и других неровностей, вызывающих возмущение потока. Наружный диаметр напорной трубки выбирают из условий ее жесткости с тем, чтобы она не отклонялась и не вибрировала под воздействием потока; диаметр должен быть по возможности небольшим, чтобы не вызывать заметного сужения потока в месте расположения трубки.

Существенными недостатками трубок такого типа являются отбор полного и статического давлений в разных местах потока и высокая чувствительность к отклонению ее измерительной части от направления потока. Предельно допустимый угол отклонения оси трубки от направления потока составляет 5—7°.

В практике измерений широко применяют более совершенную по конструкции двойную нормальную напорную трубку с полусфе­ рической головкой (рис. 68). При изготовлении трубки следует строго выдерживать ее конфигурацию и размеры, установленные на осно­ вании большого числа экспериментов. Отверстия для отбора полного и статического давлений совмещены в одном элементе — измери­ тельном цилиндре 2, благодаря чему можно измерять скорость в лю­ бой точке поперечного сечения потока, при этом не требуется делать отверстия в стенке трубопровода для отбора статического давления.

Свободный конец измерительного цилиндра 2 выполнен в виде полусферы с торцевым отверстием 1 в центральной ее части, а другой конец закреплен в державке 7 овальной формы. Центральное от-

121

122

верстие при помощи сквозного канала и отдельной трубки 5, рас­ положенной в державке, соединяется со штуцером высокого давле­ ния 8. Измерение статического давления производят через щель 3 или отверстия диаметром 0,5— 1 мм, сообщающиеся с полостью 4, которая в свою очередь связана с трубкой 6 державки и далее со штуцером низкого давления 9. Расположение щели на расстоянии, равном трем наружным диаметрам измерительного цилиндра d и 8— 10 размерам малой оси овального сечения державки б, обес­ печивает необходимую точность отбора статического давления.

Отклонение оси двойной трубки с полусферической головкой на угол а до 16° от направления потока не оказывает влияния на показания прибора, что является преимуществом по сравнению с применением одинарной трубки.

Имеются напорные трубки, позволяющие определять не только величину скорости потока, но и ее направление. На рис. 69, а по­ казана напорная трубка с приемником в виде цилиндра с полусфе­

трубок. Трубки позволяют одновременно определять величину и направление скорости потока только в одной плоскости, в которой расположены центры приемных отверстий.

При расположении приемника трубок строго против направления потока давление в крайних отверстиях должно быть одинаковым для возможности определения направления скорости потока. Величину скорости измеряют после определения направления потока по пере­ паду давлений между средним отверстием и одним из крайних. Для трубок подобного типа необходима обязательная предварительная тарировка.

Недостаток напорных трубок всех типов — незначительная ве­ личина измеряемого динамического напора. Так, при измерении рас­ хода газа, протекающего со скоростью 4—5 м/с, динамическое дав­ ление составляет лишь 1—2 мм вод. ст. Вследствие этого при не­ больших скоростях потока в качестве вторичных приборов для напорных трубок применяют микроманометры, заполненные жид­ костью с возможно малым удельным весом, обычно спиртом.

При измерении расхода с помощью напорных трубок требуется большая затрата времени для производства измерений и обработки результатов наблюдений. Положительным свойством напорных тру­ бок является их незначительное гидравлическое сопротивление.

При длительных испытаниях холодильных установок в условиях их повседневной эксплуатации наряду с другими регистрирующими приборами для измерения расхода воды и рассола удобно исполь­ зовать скоростные счетчики (водомеры и рассоломеры). В качестве чувствительного элемента скоростных счетчиков служит вертушка, помещенная в поток жидкости и связанная со счетным механизмом. Частота вращения п, об/с, вертушки пропорциональна средней скорости потока

П = (Wcpi

т

Подставив в эту формулу значение средней скорости, получим связь между частотой вращения и секундным весовым расходом:

G

Скоростные водомеры в зависимости от положения и формы вер­ тушки подразделяют на две группы: с вертикальной крыльчатой вертушкой и спиральной вертушкой.

Счетчики с вертикальной крыльчатой вертушкой применяют главным образом для измерения расхода жидкости, не превышаю­ щего 3,5 м3/ч при круглосуточной работе прибора. Их можно уста­ навливать только на горизонтальных участках трубопроводов. В зависимости от расположения счетного механизма крыльчатые расходомеры подразделяют на мокроходы и сухоходы. В мокроходах счетный механизм водомера находится непосредственно в по­ токе жидкости, а в сухоходах он отделен от среды сальниковым уплот­ нением. Для измерения расхода загрязненной жидкости и жидкости с температурой более 30° С применение мокроходов недопустимо.

Точность измерения расхода крыльчатыми счетчиками состав­ ляет ± 2 —3% действительного его значения.

Скоростные счетчііки со спиральной вертушкой можно применять для измерения значительных расходов жидкости (до 270 м3/ч) при круглосуточной работе прибора. Спиральная вертушка этих при­ боров выполнена в виде многоходового винта с большим шагом и расположена горизонтально по оси потока.

При прохождении жидкости через прибор вертушка вращается с частотой вращения п, пропорциональной расходу жидкости и обратно пропорциональной шагу лопастей:

G П — Сі Fyl ’

где 6, — полный коэффициент, характеризующий гидродинамиче­ ские и механические свойства прибора;

G — расход жидкости, кг/с;

F — поперечное сечение потока жидкости, м2; у — удельный вес жидкости, кгс/м3;

I — шаг лопастей вертушки, м.

Для обеспечения нормальной работы прибора вертушка должна быть тщательно оттарирована и уравновешена. Точность измерения расхода составляет ± 2 —3% его действительного значения. На точ­ ность показаний приборов такого типа большое влияние оказывает место их установки и обеспечение параллельности направления потока жидкости оси вертушки.

Счетчик со спиральной вертушкой рекомендуется устанавливать так, чтобы до него имелся прямой участок трубопровода длиной

124

не менее 8— 10 внутренних диаметров трубы, а после него — прямой участок не менее пяти диаметров.

Скоростные счетчики имеют недостатки, свойственные объемным счетчикам, однако они имеют меньшие габариты и не требуют об­ водного трубопровода для пропуска жидкости в случае неисправ­ ности счетчика.

При испытаниях судовых холодильных установок для измерения расхода воздуха, движущегося по воздухопроводам, часто исполь­ зуют анемометры. Точность измерений анемометрами значительно

Рис. 70. Крыльчатый анемометр. Рис. 71. Зависимость скорости потока от показаний счетчика за 1 с.

ниже точности уже описанных способов, однако вполне достаточна для проведения производственных испытаний. Анемометры, пред­ ставляющие собой легкую вертушку со счетным механизмом частоты вращения, по форме лопастей вертушки подразделяют на чашечные и крыльчатые.

При испытаниях установок, в отдельных элементах которых скорость движения воздуха обычно не превышает 15 м/с, рекомен­ дуется применять крыльчатые анемометры, позволяющие измерять скорость от 0,1 до 10 м/с; для измерения больших значений скорости следует пользоваться чашечными анемометрами.

Погрешность измерения крыльчатым анемометром составляет ±0,1 м/с, чашечным — в пределах 0,3—-0,5 м/с.

Крыльчатый анемометр (рис. 70) состоит из кожуха, в котором размещена крыльчатка с восемью лопастями. Ось крыльчатки, имею­ щая игольчатую опору на агатовых подшипниках, соединена при помощи передаточного устройства со счетным суммирующим меха­ низмом.

Анемометры снабжают тарировочным свидетельством с указа­ нием зависимости скорости потока от показаний счетчика в деле­ ниях за 1 с. Для крыльчатых анемометров эта зависимость в преде­ лах скоростей 0,3— 11 м/с имеет линейный характер (рис. 71). При

125

измерении скорости с помощью крыльчатого анемометра крыльчатку необходимо располагать навстречу измеряемому потоку так, чтобы она находилась в плоскости, перпендикулярной направлению по­ тока; поэтому при выборе места измерений необходимо стремиться отыскивать такой участок потока, в котором не ожидается значи­ тельных завихрений. Отклонение крыльчатки от перпендикулярного направления на ± 10° считается допустимым.

Во избежание дополнительных погрешностей, возникающих при искажении направления потока, наблюдатель должен находиться вне его зоны. Время разгона крыльчатого анемометра составляет не менее 5 с, и только по истечении этого времени можно приступать к отсчету. В период каждого измерения за время т с отмечают на­ чальное и конечное показания счетчика анемометра. По числу де­ лений счетчика, отнесенных к 1 с, с помощью тарировочной зави­ симости определяют скорость потока. Время отдельного наблюдения т за вычетом разгоночного периода должно составлять не менее 100 с.

Среднюю скорость потока по величинам измеренной местной ско­ рости определяют так же, как и скорость при измерениях с помощью напорных трубок. Обычно ограничиваются вычислением средней скорости как средней арифметической величины из числа произве­ денных измерений в различных точках потока. Число точек для измерения выбирают исходя из характера потока и его поперечных размеров.

Анемометры широко используют также для определения ско­ рости циркуляции воздуха в грузовых охлаждаемых помещениях

ипри испытании систем кондиционирования воздуха и вентиляции.

Впоследнее время в измерительной технике начали применять приборы нового типа — скоростные расходомеры, к которым отно­ сятся магнитные и ультразвуковые расходомеры.

Магнитный расходомер основан на принципе появления э. д. с.

впроводнике при движении его в магнитном потоке (рис. 72).

Датчик прибора представляет собой небольшой участок трубы 1, вмонтированной в основной трубопровод. Внутренняя и наружная поверхности этого элемента трубопровода покрыты электроизоля­ ционным материалом. В средней части датчика расположены полюса магнита N и S, создающие постоянное магнитное поле, силовые ли­ нии которого направлены сверху вниз и образуют с направлением потока прямой угол. Внутри трубы датчика помещены утопленные.

т

во внутренней его стенке приемные электроды 5 и 6, изолированные от металла трубопровода.

Если в движущемся потоке жидкости условно выделить объем длиной I (равной по величине внутреннему диаметру датчика) и пло­ щадью поперечного сечения f (соответствующей площади попереч­ ного сечения электродов 5 и 6), то этот объем можно рассматривать

заданного контролируемого вещества с определенными электри­ ческими свойствами величина этой э. д. с. согласно закону Фарадея будет определяться скоростью движения проводника, а в данном случае — средней скоростью потока.

Так как между величиной w и расходом вещества G существует известная зависимость, то величина э. д. с. будет пропорциональна этому расходу. Э. д. с. снимается с помощью электродов 5 и б и пере­ дается электронному усилителю 2, к которому присоединяют пока­ зывающий или самопишущий прибор 4. Питание магнитного расхо­ домера осуществляется от сети переменного тока через блок пита­ ния 3.

Улыпразвуковой расходомер основан на принципе различия ско­ рости, а следовательно, и времени прохождения ультразвуковых колебаний по направлению потока жидкости и навстречу ему (рис. 73). Датчик прибора 1 выполнен в виде элемента трубопровода, который с помощью фланцев легко может быть вмонтирован в основной тру­ бопровод. Датчик снабжен двумя излучателями 5 и 6 и двумя прием­ никами 7 и 8 ультразвуковых колебаний. Излучатель 6 посылает ультразвуковые колебания к приемнику 8 по направлению течения жидкости, а излучатель 5 — к приемнику 7 навстречу потоку. Время прохождения т 2 ультразвуковых волн в первом случае будет меньше

127