8.2 Сужающие устройства

8.2.1 Виды сужающих устройств

а – камерная (вверху) и бескамерная диафрагмы; б – камерное (вверху) и бескамерное сопла.

Рисунок 8.2 – Нормализованные диафрагмы и сопла

Для измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных сужающих устройств: расходомерная диафрагма, расходомерное сопло и сопло Вентури, имеющие посредине круглое отверстие. Опытным путем для этих сужающих устройств найдены точные зна­чения коэффициента расхода а, что позволяет применять их без предварительной градуировки.

Нормализованные сужающие устройства могут при­меняться в трубопроводах диаметром не менее 50 мм при значениях т: 0,05–0,7 – для диафрагм, 0,05–0,65 – для сопл и 0,05–0,6 – для сопел Вентури.

По способу отбора давления к дифманометру расходомерные диафрагмы и сопла делятся на камерные и бескамер­ные (с точечным отбором). Более совершенными из них являются камерные устройства.

Точность измерения расхода при помощи диафрагм зависит от степени остроты входной кромки отверстия, влияющей на значение коэффициента расхода. Кромка не должна иметь скруглений, заусенцев и зазубрин.

Вход­ной профиль сопла, изготовляемый по специальному шаблону, образован сопряжением дуг радиусов r₁ = 0,2 d₂₀ и r₂ = 0,333 d₂₀, дающих плавный переход от передней торцевой поверхности сопла к сильно развитой цилиндрической части отверстия с расчетным диаметром d₂₀. Для предохранения прямоугольной выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения в конце профиля делается небольшой уступ.

Для изготовления проточной части диафрагм и сопл применяются материалы, устойчивые против коррозии и эрозии, т. е. нержавеющая сталь, а в некоторых случаях – латунь или бронза.

На ободе сужающего устройства или на прикрепленной маркировочной пластинке обычно наносятся: обозначение типа устройства и заводской номер; диаметры, стрелка, указывающая направление потока; марка мате­риала; знаки + и – соответственно со стороны входа и выхода потока. Кроме того, к сужающему устройству прилагается выпускной аттестат, в котором указываются наименование и расчетные параметры измеряемой среды; величины, полученные при расчете сужающего устройства.

а – обычное; б – укороченное.

Рисунок 8.3 – Нормализованные сопла Вентури

Более сложными сужающими устройствами являются обычные и укороченные сопла Вентури (рисунок 8.3), имеющие входную часть в виде нормализованного сопла, небольшую цилиндрическую горловину с расчетным диаметром d₂₀ и выходной конус. Сопла Вентури серийно не изготовляются.

У обычных сопл диаметр конца выходного конуса равен диаметру трубопровода, а у укороченных меньше. В обоих случаях угол φ конуса выбирается 5–30°. Отбор давления в плюсовую камеру производится через кольцевую щель перед сужением сопла, а в минусовую – через радиальные отверстия в его горловине, диаметр δ которых составляет не более 0,13d₂₀, но не менее 3 мм.

8.2.2 Расчет, требования по качеству изготовления и монтажу сужающих устройств и трубопроводов указаны в ГОСТ 8.563.1 – 97 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. (Технические условия)». (Далее ссылки на нумерацию разделов и формул будет идти в соответствии с ГОСТ 8.563.1 – 97). Данный стандарт распространяется на измерение расхода и количества жидкостей и газов (далее – среда) методом переменного перепада давления с использованием стандартных сужающих устройств (далее – СУ) в качестве первичных измерительных преобразователей.

Стандарт распространяется на измерение расхода и количества текучих сред:

- стационарных или медленно изменяющихся во времени;

- скорость которых в отверстии СУ меньше скорости звука в них;

- находящихся в одной фазе;

- турбулентных потоков при числах Рейнольдса от 3,2·10³ до 10⁸.

Стандарт устанавливает требования к геометрическим размерам и условиям применения СУ (диафрагм, сопел ИСА 1932, труб Вентури), установленных в трубопроводах круглого сечения, заполненных средой.

Число Рейнольдса характеризует отношение силы инерции к силе вязкости потока:

, (8.4)

Коэффициент истечения – отношение действительного значения расхода жидкости к его теоретическому значению. Экспериментально коэффициент истечения определяют на несжимаемой среде по измеренным значениям q_m , р, Δр; d и D из уравнения:

(8.5)

В общем случае коэффициент истечения зависит от типа СУ, места расположения отверстий для отбора давления, от относительного диаметра отверстия СУ, числа Рейнольдса. Неравномерности распределения скоростей по сечению (вызванной местными сопротивлениями и шероховатостью трубопровода), остроты входной кромки (у диафрагм) и т. д.

Формула (8.5) дает различные значения коэффициентов истечения для несжимаемых и сжимаемых сред.

Коэффициент, учитывающий изоэнтропическое расширение газа за СУ, называют коэффици­ентом расширения. Экспериментально коэффициент расширения определяют на сжимаемой среде по измеренным значениям qm , р, Ар, d и Д а также по известному значению С из уравнения:

(8.6)

Коэффициент расширения зависит от отношения перепада давления к давлению на входе в СУ, показателя изоэнтропии, типа СУ и относительного диаметра отверстия СУ.

Коэффициент расширения равен единице для несжимаемой среды и меньше единицы для сжимаемой среды.

Параметры шероховатости

Параметр шероховатости Ra – среднее арифметическое из абсолютных значений расстояний между любой точкой профиля и средней линией в пределах базовой длины. Значения этого параметра могут быть измерены с помощью выпускаемой промышленностью аппаратуры.

Шероховатость трубопровода при определении ее влияния на коэффициент истечения СУ оценивают по эквивалентной шероховатости К_ш. Значения эквивалентной шероховатости опреде­ляют из табличных данных (приложение Б, таблица Б.1) или экспериментально (приложение В).