Расчётно-графическая работа

По дисциплине: Технические измерения и приборы

На тему Измерение расхода газа и жидкости стандартными сужающими устройствами методом переменного перепада

Отметка о зачёте ____________________________ ________________

(дата)

Руководитель ______________ ______________ Розова Н. В.

(должность) (подпись)

______________

(дата)

г. Архангельск

Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Кафедра стандартизации, метрологии и сертификации

ЗАДАНИЕ

НА РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ

По курсу: «Технические измерения и приборы»

Студенту факультета промышленной энергетики III курса 4 группы

Кузнецовой Татьяне Сергеевне

Тема: Измерение расхода газа и жидкости стандартными сужающими устройствами методом переменного перепада

Требуется:

1. Рассчитать сужающее устройство;

2. Выбрать и обосновать схему местного измерительного узла.

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ 2

1 РАСЧЁТ СУЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (СУ) РАСХОДОМЕРА 4

1.1 Исходные данные 4

1.2 Основные сведения 4

1.3 Расчёт 6

2 ВЫБОР СХЕМЫ МЕСТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УЗЛА 11

3 ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ МЕСТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УЗЛА 11

3.1 Выбор и обоснование схемы измерительного СУ с дифференциальным манометром 12

4 ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПЛЕКТА – ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАНОМЕТР И ВТОРИЧНЫЙ ПРИБОР 13

1 РАСЧЁТ СУЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (СУ) РАСХОДОМЕРА

1.1 Исходные данные

Измеряемая среда – перегретый пар.

Максимальный рабочий расход – Qм.мах=5000 кг/ч.

Средний рабочий расход – Qм.ср=4500 кг/ч.

Минимальный рабочий расход – Qм.мин=2000 кг/ч.

Среднее рабочее давление перед СУ (избыточное) – Ри=3,5 кгс/см².

Пределы измерения рабочего давления – 3…4 кгс/см².

Средняя рабочая температура пара перед СУ – t=260˚C.

Пределы измерения рабочей температуры – 240…300˚C.

Внутренний диаметр трубопровода при температуре 20˚C – D20=155 мм.

Тип СУ – диафрагма камерная.

Фактическая длина прямого участка трубопровода от СУ до ближайшего местного сопротивления (МС – 1) L1=5700 мм.

Фактическая длина прямого участка трубопровода от СУ до ближайшего местного сопротивления (МС – 2) L2=5100 мм.

Фактическая длина прямого участка трубопровода от местного сопротивления

(МС – 1) до ближайшего местного сопротивления (МС – 3) L3=1600 мм.

Материал трубопровода – Сталь 20.

Материал СУ – 12Х18Н10Т.

Дифманометр:

· Тип, модель – ДМ – 3583М;

· Верхний предел измерения – 40 кПа (0.4 кгс/см²);

· Класс точности - 1,5.

Вторичный прибор:

· Тип, модель – КСД – 2;

· Верхний предел измерения – Qп=6300 кг/ч;

· Класс точности – 1,0.

Термометр технический:

· Предел измерения - 400˚C;

· Класс точности – 1,0.

Манометр ОБМ:

· Предел измерения – 10 кгс/см²;

· Класс точности – 1,5.

1.2 Основные сведения

Сужающее устройство выполняет функцию первичного преобразователя. Устанавливается в трубопроводе и создаёт в нём местное сужение.

При протекании вещества скорость в суженном сечении по сравнению со скоростью до сужения повышается. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженном сечении. Следовательно, статическое давление в суженном сечении меньше, чем в сечении до сужающего устройства. Поэтому при протекании вещества через сужающее устройство создаётся перепад давлений ΔP=P1-P2.

ΔP зависит от скорости потока и расхода жидкости. Поэтому перепад давления может служить мерой расхода вещества, протекающего в трубопроводе, и численное значение этого расхода может быть определено по ΔP. В качестве сужающего устройства применяются стандартные диафрагмы, сопла Вентуре. Диафрагма представляет собой диск с отверстием круглого сечения, центр которой лежит на оси трубы.

Рисунок 1 – Схема сужающего устройства расходомера и график изменения давления по длине трубы

Сплошная линия (рисунок 1) показывает давление у стенок трубы. Она характеризует распределение давления в трубопроводе около его стенки. Изменение давления трубы по её оси показано штрих – пунктиром. При протекании вещества через диафрагму за ней в углах образуется мёртвая зона, в которой вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости, так называемый вторичный поток. Основной и вторичный поток движутся в противоположных направлениях, свёртываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии. Отбор давлений P1 и P2 осуществляется с помощью двух отдельных отверстий, расположенных до и после диска в углах.

В общем случае расход жидкости определяется с помощью уравнения расхода:

,

где - константа;

ρ – плотность среды;

α – коэффициент расхода;

ε – коэффициент расширения;

ΔP – перепад давлений.

1.3 Расчёт

Расчёт СУ производится на основании задания измеряемой среды и условий измерения. Давление среды, расход которой необходимо измерять, на должно превышать предельно допускаемого избыточного давления дифманометра ΔРн=40 кПа.

Предельный номинальный перепад давления дифманометра необходимо выбирать из ряда чисел, установленного для данного прибора в соответствии с ГОСТ 18.140-77. Необходимо учесть: чем больше выбранный перепад, тем меньше будет значение m СУ для измерения данного расхода. При уменьшении m повышается точность измерений и расширяется область измерений без поправки на влияние чисел Рейнольдса у дифманометра, сокращаются необходимые длины прямых участков трубопровода, уменьшается влияние отклонений действительного диаметра трубопровода от принятого при расчёте и снижаются требования к точности установки СУ. Если задана допускаемая потеря давления Рн в СУ, то выбирается такое наибольшее значение ΔР и m, при которых потеря давления будет оставаться меньше допускаемой. Верхний предел измерения дифманометра выбирается по заданному максимальному измеренному расходу так, чтобы стандартное значение Qв.п., взятое из ряда, было ближайшим большим по отношения к Qм.макс.

А=а*10ⁿ

а – одно из чисел ряда (1;1,25;1,6;2;2,5;3,2;4;5;6,3;8).

Нижний предел должен составлять не более 30 % верхнего предела.

На первом этапе расчета для определения m можно задаться m=0,3 – 0,4.

Определяю в первом приближении m=0,36

, где

χ –показатель адиабаты, берётся из ряда 1,1;1,2;1,3;1,4….. Принял χ=1,3;

ε- поправочный множитель;

ΔР/Р- отношение перепада давления к давлению на сужающем устройстве до перепада;

Р- абсолютное давление измеряемой среды: P=Ри+Рб;

Рб – барометрическое давление; Рб=1,033 кгс/см²;

Диаметр трубопровода при рабочей температуре равен:

,

где k- поправочный коэффициент, вызванный отклонением температуры от 20°С, на изменение диаметра трубы в зависимости от температуры;

Температурный коэффициент линейного расширения различных материалов широкого диапазона температур:

, где

a, c, b – постоянные коэффициенты.

Для СТАЛЬ20 (труба):

Тогда

Динамическая вязкость пара:

Плотность пара при температере 260°С, давлении Р=4,5 кгс/см² равна

ρ=1,751 кг/см². Вспомогательный коэффициент:

Предельный номинальный перепад давления по ГОСТ 18140-77:

Число Re:

Определение параметров СУ:

1. Коэффициент расширения:

1. Вспомогательная величина:

1. Шероховатость:

В стандарте по ГОСТу верхняя граница предела шероховатости

Т.к. относительная шероховатость больше верхней границы необходимо вводить поправочный множитель на шероховатость трубопровода:

Поправка на шероховатость:

4. Расчет поправки на остроту кромки:

Поправка на остроту кромки:

5. Коэффициент расхода:

Относительное отклонение:

Т.к.

,

а допускается не более 0,2, то процесс поиска m продолжается. Выбираю величину m большею, чем 0,36 по стандарту m=m1*1.05

В моём случае m2=0.36*1.05=0.38.

Произведу расчет ε, α, kш и kп с новым значением m=0,3795.

В стандарте по ГОСТу верхняя граница предела шероховатости

Т.к. относительная шероховатость больше верхней границы необходимо вводить поправочный множитель на шероховатость трубопровода:

Поправка на шероховатость:

6. Расчет поправки на остроту кромки:

Поправка на остроту кромки:

7. Коэффициент расхода:

Относительное отклонение:

 

Так как , а допускается не более 0,2, то процесс поиска m завершаю.

Диаметр диафрагмы СУ:

Проверка расчета:

Расход, соответствующий предельному номинальному перепаду давления, равен:

2 ВЫБОР СХЕМЫ МЕСТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УЗЛА

По данным расчёта СУ расходомера выбираем следующую схему измерительного расходомерного узла для измерения расхода перегретого пара.

Рисунок 2 – Схема местного измерительного узла

СУ – сужающее устройство;

МС – 1, МС – 2; МС – 3 – местные сопротивления;

ГТ – гильза термометра;

L1; L2; L3 – соответствующие прямые участки трубопроводов;

МС* – группа колен в разных плоскостях.

3 ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ МЕСТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УЗЛА

В соответствии с ГОСТ 18.140-77 необходимая длина участка трубопровода от МС – 1 до МС – 3 должна быть не менее 15D20=2325 мм. Так как 15D20>L3, то считаем первое и третье МС не одиночными, а одним сопротивлением – группа колен в разных плоскостях.

В соответствии с ГОСТ 18.140-77 необходимая длина участка трубопровода от СУ до ближайшего МС – 1 L1 должна быть ≥47D20. Так как данное условие не выполняется, необходимо изменить конструкцию расходомерного узла за счёт уменьшения участка трубопровода после СУ.

В соответствии с ГОСТ 18.140-77 необходимая длина участка трубопровода от СУ до МС – 2 L2≥7 D20. Данное условие выполняется, причём запас составляет>3000 мм. Следовательно, уменьшение рассматриваемого участка не скажется на коэффициенте расхода и дополнительную погрешность δL вводить не надо.

Гильзу термометра устанавливают после СУ на расстоянии, которое равно 10 D20>Lt>7 D20. Lt=1500 мм.

Требования к исполнению гильзы термометра:

· диаметр≤0,13D20;

· глубина погружения = (0,3 – 0,5) D20.

Гильзу термометра изготовляют диаметром 20 мм и погружают на глубину 65 мм. Перед установкой её нужно залить маслом.

На основании расчёта следует изменить схему измерительного расходомерого узла. За счёт сокращения участка трубопровода L2 увеличить L1 до требуемой длины.

Параметры трубопровода:

L1=7300 мм; L2=3500 мм; МС - 1 и МС – 3 считать одним сопротивлением МС*;

Lt=1500 мм.

Типы МС:

МС* - группа колен в разных плоскостях;

МС – 2 – запорный вентиль.

Элементы комплекта СУ расходомера

1. Диафрагма.

2. Камера.

3. Патрубки.

4. Крепёжные уплотнительные элементы.

3.1 Выбор и обоснование схемы измерительного СУ с дифферинциальным манометром

1. Требования к монтажу СУ.

При монтаже СУ необходимо обеспечить его концентричность к оси трубопровода. В стандарте ИСО 5167 и ГОСТ 18.140-77 рекомендуется обеспечить смещение оси СУ относительно оси трубопровода так, чтобы

мкм

Допускается увеличивать ех, но не более, чем в 10 раз без учёта дополнительной погрешности δαех=0,3 %.

2. Требования к состоянию трубопровода.

Участки трубопровода длиной 2D, непосредственно примыкающие к СУ, должны быть цилиндрическими с круглыми сечениями и гладкой внутренней поверхностью.

Участки трубопровода, находящиеся за пределами 2D от СУ, могут иметь выступы высотой h<0.507 мм.

На выходном прямом участке h=h*3. В трубопроводе допускаются отверстия для удаления осадков или конденсата диаметром не более 13,52 мм, расположенные на расстоянии не менее 84,5 мм от кольцевых щелей.

3. Требования к подключению дифманометра.

Его подключают ниже СУ. Формы уравновешивающих сосудов рекомендуются ИСО 5167.

Комплектность системы измерения расхода:

1) СУ дифманометра: m= 0,3795 мм; d20= 95,486 мм; D20=155 мм;

2) Кольцевые камеры («+»; «-»);

3) Дифманометр: тип, модель ДМ – 3583М, верхний предел измерений – 40 кПа,

кл. т. 1,5.

4 ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПЛЕКТА – ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАНОМЕТР И ВТОРИЧНЫЙ ПРИБОР

Приборы, измеряющие расход вещества по принципу измерения перепада давлений на сужающем устройстве, называются расходомерами. Для измерения перепада давления используется дифференциальный манометр.

По принципу действия дифференциальные манометры подразделяются на три группы: пружинные, жидкостные и компенсационные.

Мембранный дифференциальный манометр.

Перепад давления измеряется по перемещению упругого элемента – пружины (мембраны). Измерительное устройство – преобразователь дифференциального манометра состоит из двух крышек, между которыми находятся две волнистые металлические мембраны и расположенной между мембранами металлическая подушка.

В подушке имеются ряд сквозных вертикальных и одно радиальное отверстие с впаянным в него капилляром. Радиальное отверстие сообщается с вертикальными. Пространство между подушкой и мембранами заполняется через капилляр. Давление от сужающего устройства подаётся во внешние камеры мембран. Большее давление подаётся во внешнюю камеру мембраны. Меньшее давление – на верхнюю мембрану. Под действием разности давлений нижняя мембрана прижимается в к подушке, при этом жидкость над нижней мембраной протекает под верхней мембраной, перемещая её вверх. С верхней мембраной связан плунжер, который находится в разделительной трубке, на которой закреплена индукционная катушка с тремя обмотками: одной первичной и двумя вторичными.

Схема дистанционной передачи от электрического преобразователя дифференциального манометра (I) на вторичный прибор (II) изображена на рисунке 3. Обе катушки соединены между собой. Две секции вторичных обмоток преобразователя (1) соединены между собой таким образом, что наводимые в них ЭДС от первичной обмотки (1) направлены навстречу друг другу. При симметричном положении плунжера (2) преобразователя относительно секций вторичной обмотки U1=0. Перемещение этого плунжера, вызванное изменением измеряемой величины, приводит к тому, что ЭДС секций, в которые входит плунжер, увеличивается, а ЭДС секций, из которых он выходит, уменьшается. U1≠0.

Секции вторичной обмотки вторичного прибора (II) включаются также, как в преобразователе (I). И результирующее напряжение U2=е3-е4.

4 – электронный усилитель.

Лекало (7) перемещает стрелку (8) и плунжер (9) до тех пор, пока он не примет одинакового положения с плунжером (2).

Рисунок 3 – Схема дифференциальный манометр – вторичный прибор

Дата добавления: 2015-06-26