Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические методы очистки газов (лабораторный практикум)
.pdf
применяются расходомеры, показывающие суммарное количество газа, прошедшего через прибор за время измерения. В отличие от расходомеров мгновенного типа такие приборы удовлетворительно работают в случае нестабильных, колеблющихся потоков, позволяя определить средний расход газа за время измерения.
1.5.1.1. Газовые счетчики
Принцип действия газовых счетчиков барабанного типа (газовых часов) основан на том, что поток измеряемого газа вращает барабан, который при своем движении отсекает определенные порции газа
и вытесняет их из счетчика водой в выходной патрубок. Вращение
барабана передается стрелке, движущейся по циферблату и показывающей объем газа, прошедший через прибор за один оборот или долю оборота. Суммарный объем газа фиксируется счетчиком оборотов.
Измеряемой величиной является время прохождения известного объема газа через газовые часы. Зависимость между расходом и измеряемой величиной обратно пропорциональная. Диапазоны расходов составляют 0,3–3,0 л/мин и гидравлических сопротивлений – 50–150 Па.
Достоинством газовых часов является то, что они позволяют измерять
и нестабильные потоки газа.
Номинальный расход газа для выпускаемых в России газовых
счетчиков составляет 0,16–6,0 м
3
/ч. Наиболее распространенный счет-
чик ГСБ–400 рассчитан на измерение расходов от 20 до 600 л/ч, в этом
интервале погрешность не превышает 1% от минимального значения
измеряемого расхода газа.
Важнейшим условием высокой точности измерений является
поддержание строго определенного уровня воды в газовых часах. Перед заливкой воды газовые часы устанавливаются по шаровому уровню в горизонтальное положение. После этого прибор заполняется водой комнатной температуры до тех пор, пока уровень воды в воронке
водомерного устройства, расположенного в правой части газовых часов, не будет строго горизонтальным. Кран водомерного устройства в
ходе заполнения прибора должен быть открытым, а при его работе –
закрытым.
При работе с газовыми часами необходимо следить за равенством температуры измеряемого газа и воды в приборе (в пределах 1–
2
°С). С помощью газовых часов не следует измерять потоки агрессив-
ных или хорошо растворимых в воде газов.
Газовые часы часто используются для градуировки других расходомеров-реометров и ротаметров.
21
Для измерения больших расходов газа применяются сухие ротационные газовые счетчики РГ-40 и РВ-40, имеющие верхний предел
измерений 40 м3/ч и класс точности 2,5.
1.5.1.2. Мыльно-пленочный расходомер
Данный расходомер является наиболее простым по конструкции
и наиболее точным среди расходомеров. Он легко изготовляется в
стеклодувной мастерской. Схема мыльно-пленочного расходомера
приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9. - Схема мыльно–пленочного
расходомера:
1 – калиброванная стеклянная трубка;
2 – трубка для подачи газа;
3 – шар для сбора мыльной пены
Прибор состоит из калиброванной стеклянной трубки диаметром от 10 до 70 мм, верхняя часть которой имеет шарообразную форму для сбора и погашения мыльной пены. Действие прибора заключается в следующем. В нижнюю часть калиброванной стеклянной трубки 1 надевают резиновую трубку и в нее наливают мыльный раствор
дистиллированной воды до достижения уровня трубки 2. Для получения стабильной мыльной пленки в раствор добавляют несколько капель глицерина. Если слегка поднять резиновую трубку, то на входе
воздуха по трубке 2 образуется мыльная пленка, которая перемещается вверх потоком газа.
Скорость перемещения пленки определяется секундомером. Такой мыльно-пленочный расходомер обладает высокой точностью, погрешность может быть меньше 1%. Диапазон расходов для мыльно-
22
пленочных расходомеров составляет 1⋅10-4 – 0,2 л/мин. Диапазон сопротивлений равен 10-20 Па.
Как и газовые часы, мыльно-пленочные расходомеры могут
быть использованы для измерения расхода нестабильного потока газа.
Зависимость между расходом газа и измеряемой величиной (скорость
движения мыльной пленки) прямо пропорциональная.
Недостатками этого расходомера являются насыщение измеряемого газа парами воды, унос брызг мыльного раствора. Поэтому
мыльно-пленочный расходомер устанавливается на выходе экспериментальной установки.
Мыльно-пленочные расходомеры успешно применяются для
градуировки реометров.
1.5.2. Расходомеры мгновенного типа
Расходомеры этого типа показывают мгновенный расход измеряемого газа, и точность этих приборов во многом зависит от стабильности давления потока. При нестабильном потоке газа эти приборы не могут быть использованы для измерения расхода.
При измерении стабильного расхода газов в лабораторных условиях широкое применение находят ротаметры и реометры.
.5.2.1. Ротаметры
1
Эти приборы представляют собой коническую, расширяющуюся
к верху вертикальную трубку (угол при вершине примерно равен 1°),
в которой свободно плавает в потоке измеряемого газа поплавок. Пределы измерений ротаметров 0,1–200 л/мин. Перепад давления измерямой среды в кольцевом зазоре между поплавком и стенкой трубки
создает подъемную силу, уравновешивающую массу поплавка, поэтому ротаметр характеризуется постоянным сопротивлением потоку.
Диапазон гидравлического сопротивления для ротаметров составляет
50–300 Па.
В отличие от газовых часов и мыльно–пленочных расходомеров,
ротаметры рассчитаны только на измерение расхода стабильного потока газа. Зависимость между расходом и измеряемой величиной (высота подъема поплавка) близка к линейной.
Формула для определения расхода газа для ротаметров имеет
вид
Q
= F⋅ϕ[2g⋅m⋅(ρ–ρГ)/(f⋅ρ⋅ρГ)]
23
1/2
, (1.7)
где F – площадь зазора между стенкой трубки и наибольшим сечением
(миделем) поплавка; m – масса поплавка; f – площадь миделя; ρ –
плотность материала миделя; ρГ – плотность газа; ϕ – коэффициент
расхода.
Следует отметить, что величина коэффициента расхода зависит
от свойств измеряемой среды, скорости потока, формы и размеров поплавка. Для конических поплавков коэффициент становится постоянным, когда число Рейнольдса становится больше 10000. При этом ϕ =
0,94. Из-за непостоянства значения коэффициента расхода шкала ротаметра оказывается не вполне линейной, и приборы требуют градуировки.
В лабораторной практике распространены ротаметры типа РМ и
более старые приборы РC и др. С их помощью можно измерять расход
газовых потоков от 6 л/ч до 10 м
3
/ч. Если требуется изменить рабочий
интервал ротаметра, то нужно заменить его поплавок. При этом новые
пределы измерений оцениваются по выше приведенному уравнению.
1.5.2.2. Реометры
Принцип действия реометра основан на дросселировании потока газа и измерении потерь давления. Дросселирующим элементом
реометра может быть капилляр, диафрагма, сопло или пористая перегородка. Потеря давления измеряется дифманометром.
Реометры рассчитаны только на измерение расхода стабильного
потока газа. На рис.1.10 приведена конструкция капиллярного реометра.
Конструкция такого реометра исключает переброс запирающей
жидкости в систему. Кроме того, он может быть снабжен либо капилляром, либо диафрагмой.
Пределы измерения капиллярных реометров от 1 мл до 10
л/мин, а диафрагменных—от 1 до 200 л/мин. Нижний предел измерения реометра равен 30% от верхнего. Основная погрешность приборов
составляет 2% от верхнего предела измерений.
Реометры обычно изготавливаются в стеклодувных мастерских
и градуируются непосредственно в лаборатории с применением газовых часов или мыльно–пленочного расходомера. В основе градуировки и использования реометра лежит зависимость между расходом газа
и разностью уровней Н запирающей жидкости в дифманометре. Потеря давления ∆Р, измеряемая дифманометром, определяется соотношением (1.1). Величина ∆Р складывается в основном из вязкостной потери и потери на повышение кинетической энергии потока; первая про-
24
порциональна расходу газа Q , вторая— его квадрату.
Рис.1.10. - Конструкция реометра: 1 и 2 – наружный и внутренний цилиндр дифманометрической части; 3 – капилляр (дросселирующая часть); 4 и 5 – вход и выход газового потока
При ламинарном движении газа через капилляр основное значение имеет вязкостная составляющая, поэтому:
= C1⋅Q. (1.8)
H
При движении газа через диафрагму или сопло потерю напора
определяет кинетическая составляющая
H = C2⋅Q2. (1.9)
В общем случае зависимость между Q и H описывается уравнением
n
H = C⋅Q
, (1.10)
где 1 < n < 2; С––постоянная реометра, она определяется из соотношения
n-1
С = k⋅
ρ
25
2-n
⋅µ
г
, (1.11)
г
где k—коэффициент (не зависит от природы газа); µг—вязкость газа.
Особенности применения капиллярных реометров. В лабора-
торных условиях удобнее применять приборы, в которых непосредственно измеряемая величина Н линейно связана с расходом. При этом
диапазон расходов обычно составляет 1⋅10-3–10 л/мин. Для этих условий наиболее приемлемы капиллярные реометры.
Гидравлическое сопротивление в зависимости от диаметра и
длины капилляра находится в пределах 200–10000 Па. Зависимость
между измеряемой величиной (перепад давлений) и расходом газа линейная или степенная. Линейная зависимость может быть достигнута
при использовании капилляра, работающего в ламинарном режиме. В
этом случае расход газа через реометр определяется соотношением
Q= π⋅d4⋅ρЖ⋅g⋅H/(128⋅L⋅µГ), (1.12)
где d – диаметр капилляра; ρ
– плотность запирающей жидкости; L –
Ж
длина капилляра; Н – высота столба жидкости в дифманометре.
Линейная зависимость (1.12) соблюдается, если режим течения
газа ламинарный и концевые эффекты невелики (L/d>200).
Особенности применения диафрагменных реометров. Диафрагменные реометры в лабораторной практике применяются при измерении значительных расходов газа. Диапазоны расходов для них
составляет 1–22 л/мин, а гидравлических сопротивлений не превышают 200–2000 Па. Зависимость между перепадом давлений и расходом
газа является квадратичной.
Расход газа при использовании диафрагменных реометров определяется по уравнению
Q = k⋅(ρЖ⋅H/ρГ)
1/2
, (1.13)
где расходный коэффициент k зависит от режима течения газа, конструкционных особенностей и размеров отверстия диафрагмы.
Нормальные диафрагмы, используемые в промышленности, малопригодны для измерения небольших расходов, так как для них коэффициент k становится постоянным лишь при больших скоростях
газа (Re > 20000).
26
а) б)
в)
Рис. 1.11. - Диафрагмы, применяемые в лабораторных условиях
Лучшие результаты дают диафрагмы с входным конусом и цилиндрическим соплом (рис.1.11 а и б). Чаще всего в лабораториях
применяют стеклянные диафрагмы (рис.1.11.в), однако они характеризуются недостаточной стабильностью расходного коэффициента и
требуют тщательного градуирования.
Диаметр отверстия диафрагмы определяется из приближенного
соотношения
d = 0,7(k)
1/2
. (1.14)
Коэффициент k находится из формулы (1.13), где d и Н измеряются в метрах, а Q — в кубических метрах в секунду.
1.5.3. Систематические погрешности при измерении
расхода газов и введение поправок
В лабораторной практике часто условия, в которых измеряется
расход газов, отличается от тех, при которых производилась градуировка расходомеров.
В табл. 1.2. представлены формулы для расчета расхода газов
27
при изменившихся условиях работы и приведены возможные погрешности. Эти формулы применимы как при изменении условий эксперимента, так и природы измеряемого газа.
Таблица 1.2 – Формулы для пересчета расхода газов в изменившихся
условиях
Погреш-
Тип рас-
ходомера
Формула для
пересчета
Погрешность
расчета, %
Формула для
расчета
ность
расчета,
%
Капил-
лярный
реометр
Q2 = Q1⋅(µ1/µ2)
0,2-0,4 на 1°С
Q2 = Q1⋅(ρ2/ρ1)
0,02-0,1
на 1°С
Диафраг-
менный
реометр и
=
Q
2
=Q1⋅(ρ1/ρ2)
1/2
0,2 на 1°С;
0,5 на 1 кПа
Q2 =
=Q1⋅(ρ2/ρ1)
1/2
0,01-0,06
на 1°С
ротаметр
Примечание. Индекс 1 относится к условиям градуировки, индекс 2 – к рабо-
чим условиям; µ и ρ – вязкость и плотность газа соответственно
Изменение температуры и давления оказывают влияние на величину расхода преимущественно через плотность и вязкость газов.
Пересчет плотности идеальных газов осуществляется по известному
уравнению
ρ2 = ρ1⋅Т1⋅Р2⋅М2/(Т2⋅Р1⋅М1) (1.15)
где ρ1 и ρ2 – плотности газов; Р1 и Р2 – давления газов; Т1 и Т2 – температуры газов; М1 и М2 – молекулярные массы газов.
Для капиллярных реометров приведенные в табл. 1.2 формулы
дают надежный результат в пределах ламинарного режима движения.
При турбулентном режиме движения в капилляре необходимо вводить
поправку по уравнениям (1.6) и (1.7).
Если расход газа измеряется с помощью газовых часов или мыльно-пленочного расходомера, то необходимо введение поправки на насыщение газа водяным паром. При этом измеренный расход газа Q
связан с расходом газа на входе в расходомер Q
следующим образом:
1
2
Q1 = Q2⋅[1–(1–ϕ)⋅PS/P], (1.16)
где Р – давление газа на входе в расходомер; РS – парциальное давле-
28
ние насыщенного водяного пара при температуре измерения расхода;
ϕ – относительная влажность входящего в расходомер газа ( в долях
единицы).
При комнатной температуре поправка в случае сухого газа может достигать 3–4%.
Задачи
1. В лаборатории имеются капилляры диаметрами 0,45 и 0,75 мм
и дифманометры с рабочей высотой 250 мм. Подберите капилляр для
измерения расхода пропана (µ = 0,8⋅10-6 Па⋅с) до 1300 см3/мин. Рабочая жидкость — вода.
2. Определите длину капилляра диаметром 0,45 мм для измерения расхода пропана до 100 см3/мин. Пригоден ли для этой цели капилляр диаметром 0,65 мм?
3. В лаборатории имеются капиллярные трубки диаметром 0,4 и
,6 мм. Подберите капилляр для расходов аммиака 0,10–0,30 л/мин.
0
4. Подберите размеры диафрагмы, обеспечивающей измерение
расхода воздуха 50–200 л/мин.
5. Диафрагменный реометр, откалиброванный по воздуху, обес-
печивает максимальный расход 30 л/мин. Можно ли этим прибором
измерить тот же расход метана, диоксида серы и водорода?
6. Реометр, отградуированный по воздуху при 20°С, используется для измерения потока азота в тех же условиях. Можно ли пренебречь различием в свойствах этих газов, если допустимая погрешность
составляет 2 %, а в качестве дросселирующего устройства в реометре
использован: капилляр; диафрагма?
7. Диафрагменный реометр, отградуированный по воздуху при
20°С и 100 кПа (запирающая жидкость—вода), используется для из-
мерения расхода аммиака при 17°С и 98 кПа. Величина расхода по
шкале реометра составляет 1 л/мин. Определите действительный расход аммиака.
1.6. Лабораторные работы
1.6.1. Определение объема мыльно-пленочного расходомера
Цель работы
— ознакомиться с методикой определения объема
мыльно–пленочного расходомера.
Порядок выполнения работы:
1. Получить от преподавателя мыльно–пленочный расходомер и
тщательно его промыть с применением хромовой смеси.
29
2. С помощью стеклографа нанести верхнюю и нижнюю метки и
убедившись в их правильности, соединить нижний патрубок с резиновой трубкой. Патрубок для подачи газа заглушить пробкой, сделанной
из куска резиновой трубки и стеклянной палочки.
3. Заполнить расходомер дистиллированной водой комнатной
температуры и 5 раз измерить объем воды между метками (рис.1.12).
Обработка результатов
1. Найти среднеарифметическое значение V объема воды, равного объему мыльно–пленочного расходомера между верхней и нижней метками (рабочий объем расходомера).
2. Пользуясь известными методами статистической обработки
экспериментальных данных, определить стандартную погрешность S
и коэффициент вариации W:
n
∑
1
=
i
=
S
W⋅= , (1.18)
n
100VS
2
)(
−
VV
i
, (1.17)
1
−
% ,
где Vi – объем воды в отдельных измерениях; n – число отдельных измерений, в данной работе n= 5.
Рис. 1.12. - Определение шкалы мыльно-пленочного расходомера: 1 – расходомер; 2 и 3 – нижняя и верхняя метки; 4
–
заглушка; 5 – резиновая трубка; 6 – воронка;
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]