Послідовність проведення роботи та обробка даних

Визначення витрат у потоці газу

Мета роботи

Мето цієї роботи є ознайомлення і засвоєння методів визначення витрат у потоці газів або пари. Знайомство з приладами заміру витрат.

Теоретичні положення

Витратомірами постійного перепаду тиску називають прилади, засновані на вимірюванні різниці тисків, що виникають в результаті місцевого змінення швидкості потоку газу. До них належать звужуючи пристрої та напорні трубки.

На цей час найбільш розповсюджені стандартні звужуючі пристрої трьох типів:

діафрагми (рис.1а), сопла(рис. 1б), та труби Вентурі (рис.1в).

 

 

 


Рис.1

Виділимо у трубопроводі два перерези: А – перед звужуючим пристроєм та

В – в місці найбільшого стиску потоку. Для визначення загальної залежності між витратою і перепадом тиску у звужуючому пристрої, припустимо, що рідина нестислива, відсутній теплообмін з оточенням, а трубопровід горизонтальний. В цьому випадку закон збереження енергії для цих перерізів може бути записаний так

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
(1.1)

де і - статичний тиск у перерізах,

, - поправочні коефіцієнти на нерівномірність швидкості,

- питома маса газу,

- коефіцієнт опору на ділянці, віднесений до швидкості Св.

Якщо Fa та Fв відповідають площі потоку в перерізах А та В, то, згідно з

 

 

рівнянням суцільності при , тоді . (1.2)

Відношення площі отвору звужуючого пристрою до площі трубопроводу F зветься модулем звужуючого пристрою .

Відношення називається коефіцієнтом звуження струму.

Тепер вираз можна записати у іншому вигляді

В витратомірах звичайно вимірюється перепад тиску не в перерізах А і В(тобто не ра – рв), а безпосередньо перед та після звужуючого пристрою . Ті перепади відрізняються за значенням. Відношення цих перепадів буде . Тоді

Вважаючи на те, що масова витрата дорівнює , остаточно маємо

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
, (1.3)

де - коефіцієнт витрати.

Для об`ємної витрати вираз (1.3) має вигляд

 

(1.4)

Формули (1.3), (1.4) справедливі для нестисливих рідин. При вимірюванні витрат газу або пари питома маса середовища змінюється. Це враховується введенням поправочного коєфіцієнту на розширення середовища .

Тоді рівняння (1.3), (1.4) приймають вигляд

; (1.5)

. (1.6)

Під час використання напірних трубок (трубок Прандтля) вимір витрати зводиться до вимірювання в потоці, який рухається, динамічного тиску, який залежить від швидкості, а значить , від витрати речовини. Використання цього методу доцільно при відсутності прямих ділянок трубопроводів вистачаючого розміру, а також у випаді трубопроводів прямокутного перерізу.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
Схема розташування та розміри стандартної трубки Прандтля подані на рис.2.

 

 


Рис.2

Центральний отвір трубки, скерований на зустріч потоку, міряє загальний тиск, бокові отвори – статичний. Динамічний тиск при швидкостях газу визначається з формули

, (1.7)

де l– показання дифманометра, мм,

- поправочний коефіцієнт на неточність виготовлення трубки, звичайно

=0,98.

- питома маса рідин в дифманометрі,

- питома маса робочого середовища.

Знаючи динамічний тиск, легко знайти швидкість у відповідній точці

(1.8)

За допомогою напірної трубки можна визначити лише локальне значення швидкості. Для вимірювання витрати необхідно нати середню швидкість на всій площі перерізу. Вона визначається кількома (в залежності від неохідного ступені точності) методами.

Широко розповсюдженим є метод визначення швидкості потоку як середньої арифметичної величини швидкостей С1, С2,…Сn, виміряних в окремих точках перерізу потоку. Для цього переріз потоку розбивають на рівновеликих площиною ділянок та вважають, що швидкість потоку у всіх точках кожної ділянки однакова (рис.3).

Швидкість визначають у продовж двох взаємно перпендикулярних діаметрів (відповідно точки 1 та 1`, 2та2` і т.і.). Кількість кілець приймають від 5 при малих діаметрах трубопроводу D (до 200…300 мм) до 16 – при великих. Легко сказати , що при кількості кілець ідіаметри окружностей dn,

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
на яких визначається тиск, можно знайти з формули

(1.9)

 


Рис.3

Підрахувавши швидкості у відповідних точках, знаходіть середню швидкість

(1.10)

Де Сn – середня швидкість для даного кільця.

Витрата газу підраховується по формулі

(1.11)

Цей метод досить точний і годиться для будь-якої форми перерізу потоків.

З наведеного вище виходить, що для вимірювання витрати рідин, газів та пари, користуючись перепадом тиску, необхідні три елемента, що з`єднані поняттям витратомір змінного перепаду:

1. Пристрій, котрий створює перепад тиску в потоці вимірюваного середовища за рахунок локальної зміни швидкості потоку;

2. Вимірювальний прилад – дифманометр, що вимірює перепад тиску;

3. З`єднуючий пристрій, що передає перепад тиску від потоку до дифманометра.

Існують витратоміри постійного перепаду тиску трьох типів: ротаметри, поршневі та поплавкові витратоміри, з яких найбільш розповсюдженим є ротаметр.

Ротаметр використовується у промисловості та у лабораторній практиці для вимірювання невеликих об`ємних витрат газів (для повітря – 0,063…40 м2) у вертикальних трубопроводах діаметром 4…100 мм.

 

 

В простійшому виді ротаметр являє собою конічну скляну трубку(яка розширюється до верху) 1 (рис. 1г), усередині якої розташовується

поплавок 2. Поплавки звичайно мають циліндричну форму з конічною нижньою частиною. Верхній буртик має викарбувані на ньому рівчаки. Контрольоване середовище, яке тече через них, забезпечує обертання поплавка, при цьому він центрується на осі трубки, що усуває його тертяо бокові стінки.

Принцип дії ротаметру заснований на зрівноваженні при будь-якій витраті сили тяжіння силами, діючими з боку рідини, при цьому вертикальне положення поплавка буде однозначно зв`язане з витратою

де G=Vpng - сила тяжіння поплавка об`ємом V і питомою масою pn,

- сила від різниці від статичних тисків до поплавка з найменшим перерізом та після нього, W –динамічний опір,

N – сила тертя потоку на боковій поверхні поплавка.

Якщо зневажити сили W та N, можна записати

P- p=G/f

Тобто перепад тисківна поплавку виявився незалежним від витрати.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
Опис установки

Схема установки для визначення витрат у трубопроводі за допомогою діафрагми представлена на рис. 5. Повітря, що всмоктується з приміщення, стискується в компресорі 1 до тиску, котрий показує манометр 2.

Після цього повітря йде до горизонтальної прямолінійної ділянки трубопроводу, на якому встановлена стандартна діафрагма 3. До діафрагми приєднано дифманометр 4. За допомогою регулюючого вентиля 5 можна змінювати в трубопроводі тиск на витрату.

 


Рис. 4

 

 

Схема пристрою для визначення середньої швидкості потоку у трубопроводі за допомогою напірої трубки представлена на рис. 9. Вона змонтована на хомуті зі стійкою 3, через котру проходить мікрометричний гвинт 5. Мікрометричний гвинт проходить крізь різьбовий отвір у траверсі 4. Обертаючи гвинт 5, можна примусити траверсу ковзати вздовж стійки 9. Разом з траверсою рухається закріплена на ній гвинтом 10 напірна трубка 2. До траверси прикріплена стрілка 6, зв`язана зі шкалою 7.

Для визначення витрати за допомогою ротаметру він закріплюється вертикально, а до його нижнього кінця гнучким шлангом підводиться середовище, що контролюється. Ротаметри можна ставити на трубопровід установок, що подані на рис 4 і 5.

Послідовність проведення роботи та обробка даних

Перед початком проведення роботи необхідно:

1.Виміряти внутрішній діаметр трубопроводу, на котрім розташована напірна трубка (рис .5), та з формули (1.9) визначити діаметри , на яких буде виконано заміри динамічного тиску (кількість ділянок задається викладачем).

2.Установити напірну трубку так, щоб її зріз знаходився в площині зрізу труби.

3.Виміряти барометричний тиск Рбар та температуру повітря в приміщені.Потім включити компресор і при досягнення сталого режиму праці провести заміри швидкостей у двох взаємно перпендикулярних напрямах (вертикальним та горизонтальним). Одночасно вести запис показань ротаметру.

4.Провести серію вимірювань перепаду тиску на діафрагмі при різних положеннях робочого органу регулюючого вентилю 5. Дані усіх замірів оформити у вигляді таблиць.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу

 


Рис.5

 

 

5.За формулою (1.7) підрахувати динамічний тиск в кожній точці, зважаючи

на те, що рд =1000 кг/м3, а питома маса повітря

,

деR=287 Дж/кгК.

6.Після цього за формулою (1.8) підрахувати швидкість у цих точках і усереднити їх для кожного з рівновеликих по площі кілець.

7.Знайшовши Сn, за формулою (1.10) визначити середню швидкість у трубопроводі. Об`ємну витрату знайти за формулою (1.11).

8.Визначити погрішність ротаметру за формулою

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
Визначення витрат у потоці газу
9.За даними замірів показань дифманометра 4 (рис.8), зв`язаного з діафрагмою, підрахувати за формулами (1.5) або (1.6) витрату в трубопроводі та побудувати графік залежності

, або

(Па)

де - питома маса рідини у дифманометрі,

l – показання дифманометра, м

Усі інші необхідні дані ( приймаються згідно паспортів відповідних приладів.

10.Робота завершеється оформленням протоколу у відповідності до стандартів.