№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 536.532
© 2008 г. МИХЕЕВ Н.И., МОЛОЧНИКОВ В.М., КРАТИРОВ Д.В., ФАСХУТДИНОВ Р.Э.
ПОДХОД К УСТРАНЕНИЮ ВЛИЯНИЯ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА СТРУКТУРУ ПОТОКА ПЕРЕД РАСХОДОМЕРОМ*
Разработано выравнивающее устройство, предназначенное для формирования в круглой трубе потока, параметры которого не зависят от предыстории течения. Приведены результаты экспериментального исследования профилей скорости и интенсивности ее турбулентных пульсаций в выходном сечении выравнивающего устройства. Дана оценка возможности применения устройства в составе вихревого расходомера-счетчика газа для уменьшения нормируемой длины предвключенного прямого участка трубы без снижения точности измерения расхода.
Введение. Наличие местных сопротивлений (одиночное или двойное колено, внезапное сужение, расширение, наличие вентиля или задвижки и т.д.) в трубопроводах и трактах энергетических установок различного назначения приводит к неравномерности потока, которая может оказывать существенное влияние на работу расположенных ниже по потоку технических устройств [1].
Особое значение эта проблема приобретает при измерении расхода жидких и газообразных текучих сред для коммерческого учета энергоносителей. Одним из требований, предъявляемых к средствам измерения расхода, является малая погрешность измерений. Обычно в магистрали перед расходомером имеет место течение с развитым трубным профилем скорости. При расположении расходомера после местных сопротивлений профиль скорости может существенно отличаться от профиля в трубе, что приводит к дополнительной погрешности измерения расхода.
На практике для формирования в трубопроводе профиля средней скорости, который не зависел бы от предыстории потока, перед расходомером устанавливается прямолинейный канал нормированной длины, значение которой зависит от фактора, вызывающего неравномерность. Однако выполнение этих требований в реальных узлах учета энергоносителей затруднительно, так как реконструкция узлов связана со значительными затратами, а иногда невозможна из-за габаритных ограничений.
Неясно, в какой степени нормированная, в соответствии с ГОСТом, длина предвключенного прямолинейного участка трубы (15-40 Бу в зависимости от типа местного сопротивления, где Бу диаметр проходного сечения трубы) нивелирует влияние установленных выше по потоку местных сопротивлений на профиль средней скорости потока и на интенсивность турбулентных пульсаций скорости. Есть основания полагать, что для некоторых типов расходомеров изменение степени турбулентности потока может приводить к появлению дополнительной погрешности измерения. Известно, что размеры области отрыва потока за препятствием, роль которого в сужающем устройстве выполняет расходная шайба или сопло ИСА, и, следовательно, коэффициент расхода этого устройства, зависят от степени турбулентности набегающего пото-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 08-08-12181офи, 06-08-00521 и 07-0800330) и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4334.2008.8).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - ресивер; 2 - герметичный фланец; 3 - критические сопла; 4 -вихревой расходомер; 5 - выравнивающее устройство; 6 - поствключенный участок; 7 - колено; 8 - двойное колено; 9 - прямолинейный участок трубы; 10 - вакуумметр
ка [2]. Турбулентные пульсации оказывают влияние и на отрывную область за плохо-обтекаемым телом - основным элементом вихревого расходомера [3]. Возможно, именно с влиянием турбулентных пульсаций связана часто встречающаяся ситуация, при которой между поставщиком и потребителем энергоресурсов возникает так называемый небаланс, хотя оба узла учета соответствуют требованиям нормативной документации.
Описанные в литературе струевые выпрямители и выравнивающие вставки [4, 5], предназначенные для уменьшения нормированной длины прямого участка трубопровода между местным сопротивлением и средством измерения расхода, представляют собой сетки, решетки или хонейкомбы различной конфигурации. Они устанавливаются в поперечном сечении магистрали и снижают неравномерность профиля скорости и (или) тангенциальную закрутку потока, вызванную местными сопротивлениями различного типа, т.е. "исправляют" нарушения поля скорости в трубопроводе, вызванные местным сопротивлением. Эффективность таких устройств в значительной степени зависит от степени "возмущения" потока местным сопротивлением того или иного вида: деформации профиля скорости и увеличении интенсивности ее пульсаций. Некоторые из этих устройств позволяют сократить минимальную необходимую длину прямого участка трубопровода между местным сопротивлением и расходомером до 10-14 Бу.
В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования выравнивающего устройства, разработанного авторами. Получены данные о профилях средней скорости потока и интенсивности ее турбулентных пульсаций в выходном сечении при различных типах местных сопротивлений, установленных выше по потоку от устройства. Выполнена оценка эффективности использования выравнивающего устройства в составе вихревого расходомера-счетчика газа.
Экспериментальное оборудование и методика исследований. Принцип действия выравнивающего устройства следующий. Сформированное расположенным выше по потоку местным сопротивлением неравномерное поле скорости сначала разрушается за счет внезапного расширения потока и его интенсивного перемешивания. Затем при помощи поджатия потока в выходном сечении выравнивающего устройства формируется новый, близкий к равномерному профиль скорости. Продольный размер выравнивающего устройства составляет 3,5 Бу.
Экспериментальные исследования выравнивающего устройства проводились на установке поверочной газодинамической УПГ-10, сертифицированной органами Госстандарта РФ. Схема эксперимента показана на рис. 1. Установка состояла из измери-
пульсаций давления
тельной магистрали, ресивера 1, на герметичном фланце 2 которого устанавливался набор критических сопел 3. Измерительная магистраль включала прямой участок трубы 9 длиной 40 Dy, сменный набор местных сопротивлений, выравнивающее устройство 5 и поствключенный участок 6 нормированной длины [6]. В качестве местных сопротивлений в экспериментах использовались одиночное колено 7, формирующее ниже по потоку существенно несимметричный профиль скорости, и составной участок из двух колен 8 с поворотом на 90° в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, наличие которого приводит не только к асимметрии профиля скорости вниз по течению, но и к появлению окружной компоненты скорости (закрутки) потока.
В первой серии экспериментов оценивалась способность выравнивающего устройства нивелировать влияние возмущений, вносимых в поток местными сопротивлениями. Проводились измерения профилей средней скорости и интенсивности ее турбулентных пульсаций в двух сечениях измерительной магистрали: непосредственно за местным сопротивлением и в выходном сечении выравнивающего устройства. В одном эксперименте перед выравнивающим устройством устанавливался прямой участок круглой трубы длиной 40 Dr что позволяло сформировать в его входном сечении профиль скорости, близкий к профилю полностью развитого турбулентного трубного течения.
Измерения выполнялись в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль осей y и z при помощи нитяного термоанемометрического датчика, установленного в специальном координатном устройстве. Работа датчика обеспечивалась термоанемо-метрической аппаратурой DISA 55M. Данные собирались и обрабатывались при помощи автоматизированной системы, включающей ПЭВМ и аналого-цифровой преобразователь с параллельным опросом каналов. Был измерен перепад (потери) статического давления на выравнивающем устройстве.
Во второй серии оценивалась эффективность использования выравнивающего устройства в составе вихревых расходомеров счетчиков газа ИРВИС-РС4 и ВРСГ-1 [6, 7]. Обтекаемое тело вихревого расходомера представляет собой круговой цилиндр с выборками вдоль всей его длины (рис. 2), обеспечивающими фиксированное положение точки отрыва потока. Пульсации давления, вызванные регулярной вихревой дорожкой, воспринимаются датчиками давления, расположенными в каналах 1 и 2 обтекаемого тела. Для последующего выделения частоты формирования вихревой дорожки f используется дифференциальный сигнал с датчиков. Градуировочная характеристика вихревого расходомера представляет собой зависимость безразмерной частоты вихреобразования (числа Струхаля) Sh = fb/U от числа Рейнольдса набегающего потока Re = Ub/v. Здесь b - поперечный размер обтекаемого тела; U - среднерасход-ная скорость потока в минимальном сечении измерительного тракта (в области расположения обтекаемого тела). При обеспечении в измерительном сечении развитого турбулентного трубного течения эта зависимость является универсальной для различных сред и параметров [6, 7].
Расходомер 4 устанавливался в измерительной магистрали за выравнивающим устройством (рис. 1). Эксперименты проводились в трех вариантах конфигурации из-
и/ия
1,0
0,5
0
а 2
я / 1
0,2
0,4 уЩ
Ои/и 0,2
0,1
•
2
\3
1
0
0,2
0,4 уЩ
Рис. 3. Профиль скорости (а) и интенсивности ее турбулентных пульсаций (•) при установке перед выравнивающим устройством прямого участка трубы длиной 40 Ду, Q = 25,6 м3/ч: 1- в выходном сечении выравнивающего устройства; 2 - во входном
мерительной магистрали. В первом варианте ось обтекаемого тела расходомера находилась в плоскости ближнего к выравнивающему устройству колена 7, во втором -устанавливалась перепендикулярно этой плоскости, в третьем варианте вместо местного сопротивления перед выравнивающим устройством устанавливался прямолинейный участок круглой трубы 9 длиной 40 Бу. Кроме частоты срыва вихрей с обтекаемого тела расходомера, измерялись температура и давление вблизи тела, температура и давление в ресивере 1, что позволяло привести значения параметров к расчетному сечению расходомера (минимальное проходное сечение). Информация обрабатывалась при помощи микроконтроллера, входящего в сост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.