Вимірювання витрати і кількості речовини

Загальна характеристика методів вимірювання витрати багатофазних середовищ

Багатофазні і багатокомпонентні середовища відрізняються дуже більшою розмаїтістю, що залежить, насамперед, від роду окремих фаз і компонентів, а потім від ступеня їхньої дисперсності і характеру розподілу в суміші, причому на останнє впливає величина середньої швидкості потоку і розташування трубопроводу: горизонтальне, вертикальне або похиле (під кутом). Далі досить істотним для потоку багатофазної речовини є різниця швидкостей між окремими фазами. Більше легка фаза, як правило, випереджає у своєму русі більше важку. Це викликає необхідність розрізняти істинні і витратні концентрації фаз, а також істинна і витратна щільність суміші. Все сказане створює додаткові труднощі при вимірюванні витрати багатофазних середовищ у порівнянні з однофазними. Проте, у цей час є можливість вимірювати витрату як більшості багатофазних середовищ, так і витрату того або іншого компонента або фази (наприклад, твердої фази при гідро- або пневмотранспорті).

Застосовувані для цих вимірювань методи і прилади можуть бути розділені на три групи.

До першої групи відносяться різні методи і засоби, розроблені для вимірювання витрати однофазних середовищ. У деяких випадках ці засоби застосовуються без усякої зміни, наприклад витратоміри змінного рівня, у яких здійснюється розподіл рідкої і газоподібної фаз. Але в більшості випадків буває необхідно враховувати специфіку вимірювальної двофазної речовини. Наприклад, у витратомірах із звужуючими пристроями при вимірюванні гідросумішей застосовуються тільки труби Вентурі, причому зі змінною горловиною, виконаної зі зносостійкого матеріалу, а при вимірюванні витрати вологої пари лише діафрагми, що практично не реагують на присутність важкого компонента - вологи. Те ж ставиться і до силових витратомірів, з яких для двофазних речовин знаходять застосування лише кориолісові витратоміри. Ці витратоміри зручні для вимірювання витрати пульп і шламів і в них немає сепарації фаз при вимірюванні витрати газорідинних сумішей.

До другої групи можна віднести методи, засновані на спільному застосуванні деяких витратомірів, наприклад електромагнітних або ультразвукових, розроблених для однофазних речовин і приладів, що служать для вимірювання щільності двофазного потоку, а в деяких випадках ще і приладів, що вимірюють концентрацію окремих компонентів. Ці методи застосовуються при вимірюванні витрати трифазних речовин, а також при гідро- і пневмотранспорті.

Третю групу становлять методи і прилади, розроблені спеціально або переважно, для вимірювання витрати багатофазних речовин. Таких методів поки ще небагато. До їхнього числа варто віднести насамперед флуктуаційний метод, придатний для вимірювання досить широкого кола різних двофазних і двокомпонентних потоків. У відомій мірі до цієї ж групи можуть бути віднесені вібраційні витратоміри, розроблені для вимірювання нафтогазових потоків.

Переходячи до оцінки досягнутої точності вимірювання багатофазних середовищ, варто сказати, що вона поки що досить обмежена. У більшості випадків відносна наведена похибка вимірювання становить ±(3...5)%, а в деяких випадках і більше, особливо, якщо мова йде про похибки вимірювання витрати окремо кожного з компонентів багатофазного потоку.

Вимірювання двофазних потоків витратомірами змінного перепаду тиску

Для вимірювання витрати однофазних потоків саме широке розповсюдження одержали витратоміри змінного перепаду тиску із звужуючими пристроями як перетворювачі витрати. Тому природно, що при вирішенні проблеми вимірювання витрати багатофазних речовин, нерідко прибігали і прибігають до витратомірів цього ж типу.

При проході двофазного середовища через звужуючий пристрій фаза, що має більшу щільність, тобто більше важка, прискорюється в звужуючій частині пристрою повільніше, ніж більше легка, внаслідок дії сил інерції. Прискорення важкої фази в порівнянні з легкою буде тим сильніше, чим більше різниця густини фаз. Цей процес супроводжується збільшенням концентрації важкої фази. При подальшому розширенні потоку швидкості кожної з фаз, постійно зменшуючись, повертаються до первісного значення. Одночасно до вихідного значення повертається і концентрація важкої фази. Звідси можна зробити висновок про те, що чим коротше осьова довжина тієї частини звужуючого пристрою, на якій відбувається прискорення потоку, тим менша частина потенційної енергії, або інакше, перепаду тиску витрачається на прискорення важкої фази. У діафрагми ця довжина мінімальна. Тому в таких середовищах, як пиловугільна суміш або волога насичена пара, що мають більшу різницю густини важкої і легкої фаз і малу об'ємну концентрацію важкої фази, перепад тиску в діафрагмі майже цілком, або у всякому разі, в основній частині, буде витрачатися на прискорення легкої фази і практично не буде реагувати на присутність важкої фази. Отже, застосовувати діафрагму для вимірювання витрати твердої фракції (вугілля, цементу і інших), яка переноситься повітряним потоком, недоцільно. Для цих цілей найкраще підходить труба Вентурі, що має відносно більшу довжину тієї своєї частини, на якій відбувається звуження потоку. Сопло ж займає проміжне положення між діафрагмою і трубою Вентурі. Але для вимірювання витрати легкої фази вологої пари діафрагма саме є підходящим пристроєм. Вона буде реагувати на суху частину вологої пари, що і становить основний інтерес.

Вимір витрати суміші твердої і газоподібної фаз

У розглянутих сумішах тверда фаза у вигляді порошку диспергирована в повітрі. Прикладами подібних середовищ є пиловугільне паливо, цемент, борошно і ін. У подібного роду сумішах діафрагма може дати лише витрату повітря. Вона практично не буде реагувати на присутність у потоці твердої фази. Але остання буде впливати на перепад тиску в таких звужуючих пристроях, як труба Вентурі, сопло або сопло Вентурі. Дійсно, чим більше концентрація твердої фази в потоці, тим більше буде енергія, затрачувана на її прискорення в таких звужуючих пристроях, і, отже, тим більше буде перепад тиску в них. У горловині цих звужуючих пристроїв швидкість важкої фази значно відстає від швидкості легкої фази.

Вимірювання витрати суміші твердої і рідкої фаз

Метод змінного перепаду тиску нерідко застосовується для вимірювання витрати пульп (зокрема, вугільних) і різних гідросумішей (наприклад, водогрунтових, гідроторфу і ін.). При цьому для забезпечення надійності і справності роботи витратоміра треба:

Запобігати випадання твердої фази в мертвих зонах біля звужуючого пристрою.

Ураховувати можливість підвищеного зношування витратоміра.

Запобігати засмічення сполучних трубок, що передають перепад тиску до дифманометра. Перше завдання вирішується застосуванням у всіх випадках для вимірювання витрати пульп і гідросумішей як перетворювача витрати лише труби Вентурі, що не мають мертвих зон, у яких могли б випадати тверді опади. Для боротьби зі зношуванням доцільно в горловині труби Вентурі мати циліндричну вставку із твердого сплаву. Найпоширеніший метод для захисту сполучних трубок від засмічення складається в застосуванні гнучких розділових перегородок з гуми, поліетилену і інших матеріалів. На рис.6.21 показана труба Вентурі із гнучкими перегородками.

Змінну циліндричну вставку 8 зі зносостійкого матеріалу, що охоплює не тільки горло труби, але і прилягаючі ділянки вхідного і вихідного конусів, які піддаються посиленому зношування. Зносостійка вставка в багато разів подовжує термін служби витратоміра. Для можливості її заміни труба Вентурі виготовлена із двох рознімних частин 1 і 7. Відбір тиску робиться у верхній частині через патрубки 2, внутрішні діаметри яких не менше 20 мм. На цих патрубках змонтовані циліндричні посудини 3, закриті кришками 5, прикріпленими до фланців 6. На кришках укріплені тонкостінні гумові мішки 4 циліндричної форми, що відокремлюють пульпу від води, якою заповнені сполучні трубки. Якщо буде потреба, до посудин 3 для їхнього промивання може бути підведена водяна лінія.

Вимірювання об'ємної витрати або швидкості двофазної суміші з корекцією на концентрацію компонентів

Одночасне вимірювання середньої швидкості або об'ємної витрати потоку разом з вимірюванням його щільності дозволяє одержати масову витрату для однофазних, а також для двокомпонентних середовищ, якщо обидва компоненти суміші перебувають в одній фазі.

Для двофазних середовищ положення ускладнюється звичайно у розходженні швидкостей окремих фаз. Це розходження тим більше, чим сильніше відрізняється густина фаз одна від одної, а при наявності твердої фази воно залежить ще і від ступеня її дисперсності. Але, навіть у пульпах, де густина твердої і рідкої фаз відрізняються порівняно незначно, різниця швидкостей досягає значної величини.

Недостатньо точне знання співвідношення швидкостей окремих фаз буде джерелом похибки при вимірюванні загальної масової витрати суміші.

Якщо ж метою вимірювання є лише масова витрата твердого компонента, що транспортується водою або повітрям, то замість вимірювання середньої швидкості потоку варто вимірювати середню швидкість твердої фази.

Для вимірювання щільності у двофазних витратомірах застосовуються всілякі методи і прилади: гравіметричні; гідростатичні, іонізаційні, ультразвукові, діелькометричні (ємнісні), кондуктометричні, вібраційні, трибоелектричні і ін. Більше обмежений вибір приладів для вимірювання об'ємної витрати або швидкості. Так, наприклад, широко застосовувані в однофазних середовищах турбінні витратоміри непридатні по міркуваннях міцності, якщо однією з компонентів є тверда фаза. Практичне застосування знайшли, головним чином, електромагнітні, ультразвукові, змінного перепаду і кореляційні витратоміри. Важливою перевагою останніх є те, що вони при наявності твердої фази контролюють саме її швидкість руху.

Загальна характеристика вимірювання витрати трифазних і трикомпонентних речовин

На практиці нерідко виникає необхідність вимірювання витрати як трифазних, так і трикомпонентних речовин. Насамперед така необхідність виникає при гідротранспорті кускових і зернистих сипучих матеріалів. На похибку вимірювання витрати буде впливати ковзання між окремими фазами, обумовлене нерівністю їхніх швидкостей. Як правило, швидкість твердої фази менше швидкості рідини, а швидкість останньої звичайно буває менше швидкості газу. Зі збільшенням розміру твердих часток різниця між швидкостями зростає.

Вимірювання витрати трифазної і трикомпонентної сумішей є досить складним завданням і вимагає застосування принаймні трьох вимірювальних приладів або перетворювачів, а також обчислювального пристрою або схеми корекції. Є пропозиції вимірювати витрати окремих компонентів трифазних або трикомпонентних речовин за допомогою трьох витратомірів, що характеризуються різними властивостями, а також за допомогою обчислювального пристрою, який визначає на основі показань цих приладів витрати окремих компонентів. Такий метод вимірювання в зазначених роботах названий методом специфічних потоків. Так, наприклад, контроль трикомпонентного потоку, що складається з нафти, газу і води, можна здійснити за допомогою трьох витратомірів або трьох перетворювачів витрати: силового (кориолісового типу), що реагує на загальну масову витрату потоку; камерного (наприклад шестерного), що реагує на загальну об'ємну витрату, і калориметричного, реагуючого на загальну теплову витрату.