Энергетическая промышленность использует для подсчета добычи и расхода ресурсов различные счетчики. Одним из таких устройств является вихревой расходомер. Статья подробно описывает принцип действия этого устройства, разновидности, области применения.
Физические принципы
Вихревые расходомеры используется в качестве устройств для подсчета объемов расхода пара, жидкости, газа. Сконструирован вихревой расходомер с использованием принципа Кармана. Данный принцип основан на физическом законе обтекания и завихрения газов. Согласно ему, если газ движется при определенном давлении и обтекает плохо обтекаемые предметы, то за этими предметами создаются вихри. В зависимости от величины проходящего давления, вихри образуют области повышенного и пониженного давления.
В данном принципе основополагающую роль имеет давление проходящего газа. Низкому давлению свойственна низкая скорость перемещения в пространстве. В такой ситуации, за плохо обтекаемыми предметами не может образоваться вихрь. В этом случае недостаточная скорость перемещения является ламинарной. Высокое давление образует большую скорость, а значит среду для вихревого образования. Такая скорость считается турбулентной. Скорость потока газа или пара является безразмерной величиной. Но ее рассчитывают, для того, чтобы создать возможности для увеличения давления до турбулентных скоростей. Для этого берется значение Рейнольдса или Re. Согласно этому значению, турбулентная скорость начинает находится в пределах 1000–2500Re.
Для работы вихревых расходомеров используется еще одна неизменная величина.
Это число Струхаля или Sh. Данная величина определяет постоянство колебаний газа при прохождении в средах с геометрическим размером сечений, иными словами по трубам. Согласно величине Sh, при скоростях движения газа от 20 тысяч до 7 миллионов Re, число Струхаля неизменно. Этот эффект дает возможность при постоянной скорости производить наиболее устойчивые завихрения, а значит производить самые точные подсчеты.
Конструкция
Вихревой расходомер представляет собой полую трубу, в которую заключены несколько предметов с острыми краями. В эту трубу опущен пьезосенсор, который передает импульсы на электронный блок управления. Блок преобразует импульсы в энергию или числовое значение. Значение выводится на экран или вращает шестерни счетчика.
Принцип работы
Чтобы точно описать вихревой расходомер, необходимо знать принцип его действия. Газ проходя по трубе под высоким давлением, сталкивается с несколькими телами обтекания. За счет скорости движения и острых краев тел обтекания, за ними образуются завихрения текущего газа. Завихрения происходят под определенным давлением. Это давление приводит в действие пьезосенсор. При колебании пьезосенсора образуются электрические импульсы, которые перенаправляются на блок управления для расчета. Расчет выводится на экран.
Сенсоры
Основой для создания и передачи импульсов вихревого расходомера является сенсор. Эти устройства бывают следующих типов:
- Пьезоэлектрические или «крыло». Самый простой и надежный. Работает от вихревого давления. Образует аналоговые импульсы, которые преобразуются в цифровые, проходя через частотный усилитель.
- Пьезоэлектрические, пульсирующие. Схожие с выше описанными. Применяются для работы под высокой температурой.
- Ультразвуковые. Принцип работы подобных устройств основан на ультразвуковом прохождении через вихревой поток. Источник ультразвука монтируется напротив приемника. Звук с определенной частотой проходит через газовый вихрь и уже в преобразованном состоянии попадает на приемник. Устройство преобразует колебания в электрические импульсы и передает их на усилитель.
От сенсора зависит точность получаемых и преобразованных данных.
Разновидности
Вихревые расходомеры сложное устройство. Существует несколько разновидностей этого прибора:
- Устройство на основе обтекаемого тела. В подобном вихревом расходомере вихрь создается за счет обтекаемого тела. Такие устройства используются на участках с прямыми трубами и очень высоким давлением.
- Устройства для образования воронкообразных вихрей. У них нет не обтекаемых тел. Поток газа закручивается по горизонтали, за счет углубления в полости трубы. Для создания пульсации используется переход с трубой большего диаметра. Именно в нее вмонтирован пьезодатчик.
- Струйные вихревые расходомеры или осциллирующие. Совсем иной вид устройств. В них нет тел для создания завихрения. Пульсация создается за счет сложного перехода по узким коридорам. При быстром изменение направления и сечений, газ создает колебания, которые считываются сенсорами.
Все эти разновидности расходомеров используются в современной промышленности, для точного расхода потребляемой энергии.
Сфера применения
Вихревой расходомер используется в различных сферах промышленности и производства. Выбор устройства зависит от газа, пара, жидкости, их смесей и степени опасности при перегоне. Из основных можно выделить:
- Насыщенный или перегретый пар. Для этой среды используются приборы с коридорами сужения или вихревые расходомеры. При перегоне пара есть доля посторонних веществ и предметов, которые попадают в камеру счетчиков. Так вместе с паром проходит накипь, различные отслоения, железная стружка, конденсат. При этом перегон проходит под очень высоким давлением и температурой. Температура рабочей среды доходит до 400 градусов, скорость движения до 75 м/с, давление более 10–15 МПа.
- Газы. Сложная и взрывоопасная среда. Для учета перегона газа используются обычные вихревые расходомеры. Они часто применяются для учета расхода и добычи природного газа. Их применение обусловлено высокой точностью расчета, надежностью и безопасностью. Так большая доля применения приходится в сфере добычи газа и подачи энергии населению. Расчет коммунальных компаний с поставщиками проводится именно на основе этих устройств.
- Сжатый воздух. Для перегона этого состава используется обычный вихревой расходомер. Часто используется для расчета потребления различных устройств и механизмов. У подобной среды существует определенная доля жидких примесей. Из-за плохого состояния коммуникаций и оборудования, при перегоне в сжатый воздух попадает масло, вода, гидравлические масла, части металлической стружки. Использование вихревого расходомера исключает дополнительную необходимость в фильтрации до счетчика. Это значительно сокращает время на демонтаж оборудования, чистку, общие денежные затраты и время простоя.
- Газы с высокими параметрами взрывоопасности. В таких средах применение вихревого счетчика просто незаменимо. Это обусловлено полным отсутствием подвижных элементов в конструкции. Для особо вредных примесей просто достаточно изменить материал необтекаемых тел внутри датчика. Высокая надежность устройств и конструктивная особенность, позволяет использовать их для низко температурных газов и жидкостей. Также по причине простоты конструкции, длительная эксплуатация проходит без разгерметизации датчика.
- Вода. Для учета расхода воды, подобные расходомеры используются только на предприятиях или в котельных. На атомных электростанциях приборы используются для подсчета радиоактивной воды в отстойники. Соленая вода для опреснителей также проходит через расходомер, для сопоставления разницы после фильтрации.
Расходомеры простой конструкции подходят для прогона газов и жидкостей с высокой степенью вязкости. Могут использоваться расходомеры с круглым, обтекаемым телом, в зависимости от давления, с которым поступает вязкая масса.
Преимущества и недостатки устройств
Вихревой расходомер используется в промышленности очень давно. За это время его не смогли заменить более совершенным оборудованием. Данные приборы имеют ряд следующих преимуществ:
- Безопасность. Устройства не оборудованы движущимися элементами конструкции. Это позволяет использовать расходомеры в самых опасных средах.
- Устройства универсальны. Их можно использовать при перегоне воды, жидкой нефти, различных по составу газов, пара. Простота конструкции дает возможность использовать одну коммуникацию для разных веществ.
- Простота. Конструктивные особенности позволили использовать счетчики без дополнительных фильтров. Счетчики не забиваются, инородные примеси не влияют на расчет.
- Надежность. За счет малого количества конструктивных элементов, приборы обладают высокой надежность и долговечностью. Благодаря особенностям конструкции, расходомеры не имеют множества соединений, прокладок, соединительных швов.
- Точность. При перегоне любых газов и жидкостей, расчет проводится с максимальной точностью, без погрешностей со стороны электронной части счетчика.
- Устройства полностью не восприимчивы к изменению величины давления. На их работу не может повлиять вибрация, скачки температуры, механические воздействия.
- Возможность создания цепи устройств под контролем одного блока управления. Такая возможность позволяет использовать расходомеры в группе при их существенном удалении друг от друга. Современные аналогам уже не нужны кабельные коммуникации, передача данных осуществляется через интернет, а данные передаются с настроенным временным интервалом.
Подобные плюсы делают использование расходомеров финансово экономичным.
Не лишены устройства своих минусов. Они главным образом связаны с регламентом и требованиями к их установке.
- Через расходомеры нельзя прогонять вещества с высокой вязкостью, сухие и сыпучие составы.
- Установка устройств возможна только на прямых участках трубопровода.
- Устройства забиваются и могут повредиться при попадании твердых предметов, частей установок, различных крепежных элементов.
Подобные минусы не могут стать причиной отказа от использования вихревого расходомера.
Заключение
Промышленность всегда ищет максимально простые, дешевые и функциональные устройства и приборы. Вихревой расходомер относится именно к таким устройствам. При всей своей простоте, он максимально надежен, прост в эксплуатации и может быть использован для коммерческого расчета на основе точных данных.
Загрузка...
