Лабораторная работа №8 методы измерения расхода вещества

Цель работы: Ознакомление с основными ме­тодами измерения расхода жидкос­ти, газа или пара и получение прак­тических навыков измерения расхо­да.

Инструмент и принадлежности к работе

1. Лабораторная установка, состоящая из компрессора, трубопровода с сужающими устройствами, дифференциального манометра и ротаметра.

Основные понятия и единицы

Расход — величина, определяемая отношением массы (массовый расход), количества (молярный расход) или объема (объемный расход) вещества, равномерно перемещаемого через определенное сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к промежутку времени, за которое это перемещение происходит. Как известно, веще­ства могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Состояние вещества определяется силами меж­молекулярного взаимодействия и подвижностью частиц.

В отличие от твердых тел жидкие и газообразные (в гидромеханике они объединены единым термином «жид­кости») способны изменять свою форму под действием очень малых сил. Жидкости по их механическим свойст­вам разделяют на малосжимаемые (капельные) и сжимае­мые (газообразные). Плотность, сжимаемость, вязкость - физические свойства жидкостей - оказывают существен­ное влияние на возможность точного измерения расхода.

Под сжимаемостью вещества понимают способность его изменять свой объем при увеличении давления. Суще­ственное влияние на изменение объема вещества имеет температура среды.

Виды расходомеров

Расходомеры в зависимости от метода измерения можно разделить на приборы:

а) переменного перепада давления, связывающие из­менение расхода вещества с перепадом давления, возни­кающим в специальном сужающем устройстве при перехо­де части потенциальной энергии потока в кинетическую;

б) постоянного перепада давления, у которых в зависимости от расхода вещества меняется положение вертикально перемещающегося поплавка, а соответственно и площадь проходного сечения прибора;

в) скоростного напора, определяющие расход по дина­мическому напору потока;

г) переменного уровня, связывающие расход вещества с высотой уровня жидкости в емкости при обеспечении ее свободного истечения;

д) расходомеры, в основу которых положены прочие методы измерения.

В настоящее время наибольшее распространение получили приборы переменного перепада, когда расход вещест­ва определяется измерением статического давления (потенциальной энергии) вещества, проходящего через мест­ное сужение в трубопроводе. В качестве первичных преоб­разователей таких измерительных устройств используются диафрагмы, нормальные сопла и сопла Вентури.

Нормальная диафрагма (рисунок 8.1) выполняется в виде тонкого диска, установленного в трубопроводе таким образом, что отверстие диска расположено концентрично с внутренним диаметром сечения трубопровода. Наличие ди­афрагмы в трубопроводе приводит к тому, что проходящий в ней поток вещества сужается перед диафрагмой. В се­чении 2—2 это сужение становится максимальным вслед­ствие действия сил инерции. По мере дальнейшего проте­кания вещества поток расширяется. Такой характер исте­чения вещества в трубопроводе приводит к образованию перед и за диафрагмой зон, характеризующихся вихревым движением вещества, причем зона У больше зоны X (рисунок 8.1, а). На рисунке 8.1, б показано распределение статиче­ского давления в трубопроводе при установке сужающего устройства.

Рисунок 8.1

Наличие диафрагмы приводит к некоторому повышению давления у стенок трубопровода перед диафрагмой, которое затем падает до минимального за ней в наиболее узком сечении струи. С увеличением площади сечении потока наблюдается постепенное повышение давления у сте­нок, которое тем не менее не достигает р'₁

Рассмотрим диаграмму (рисунок 8.1, б), качественно ха­рактеризующую изменение давления потока по длине тру­бопровода. Давление струи ближе к оси трубопровода практически соответствует давлению у его стенок, за ис­ключением участка ВС, где давление при приближении к оси трубопровода уменьшается. Так, на участке АВ дав­ление струи практически постоянно; в результате подпи­рающего действия диафрагмы давление у стенок трубо­провода возрастает (BN) до p₁, а непосредственно после диафрагмы надает до р₂. Дальнейшее уменьшение давле­ния до p₂' (участок СК,) связано с проявлением сил инер­ции потока. Затем происходит восстановление давления потока (KL). Разность давлений р_n при установившемся характере протекания вещества перед и после диафрагмы (остаточная потеря давления) обусловлена главным образом потерями энергии в результате трения и завихрений потока. Такой характер изменения давлений в трубопроводе характерен для всех типов сужающих устройств.

Для количественного описания процесса рассмотрим два сечения в трубопроводе 1-1 и 2-2 (рисунок 8.1, а).

(8.1)

v₁,v₂,v₀.- средние скорости в соответствующих сечениях потока.

Из (8.1) следует, что

и .

Отношение является модулем сужающего устройства, а -коэффициентом сжатия струи, зависящего от вида сужающего устройства и свойств вещества, расход которого измеряется.

Таким образом, ,и, следовательно,

(8.2)

Используя уравнение Бернулли, характеризующее за­кон сохранения энергии,

решая его относительно v₂ с учетом (8.2), получим

, (8.3)

где - величина, характеризующая запас потенциальной энергии;- величина, характеризующая кинетическую энергию потока; ρ – плотность протекающей по трубопроводу среды;- величина, характеризующая потери кинетической энергии на участкеI-II; ξ - коэффициент сопротивления на участке I-II; k₁ и k₂ – коэффициенты, учитывающие неравномерность распределения скоростей в сечениях I-I и II-II; р'₁ и р'₂ – абсолютные давления в сечениях F₁ и F₂.

В реальных условиях измерение давления проводится непосредственно у стенок трубопровода, поэтому давления р'₁ и р'₂ заменяют на p₁ и р₂:

Приняв отношение (р'₁- р'₂)/( p₁- р₂) равным ψ, выражение (8.3) можно представить в следующем виде:

. (8.4)

Уравнение объемного расхода для несжимаемой жид­кости

или с учетом (8.4)

. (8.5)

Величину называют коэффициентом расхода, который учитывает: а) распределение скоростей по сечению потока в зависимости от вязкости жидкости и вследствие ее трения о стенки трубо­провода;

б) погрешность, вызванную измерением давления не в центре потока, а у стенок трубопровода; в) замену в формуле трудноопределяемой площади минимального се­чения потока F₂ площадью сечения отверстия диафрагмы F₀. Для различных типов сужающих устройств коэффици­ент расхода определяется опытным путем.

Таким образом, уравнения объемного (м³/с) и массо­вого (кг/с) расходов имеют вид:

, (8.6)

, (8.7)

где ε – коэффициент, учитывающий изменение плотности потока вещества при его течении через сужающее устройство.

В качестве вторичных приборов при работе со стандартными сужающимим устройствами применяются дифманометры.