Áramlásmérés dióhéjban. Kántor László

Átírás

1 Áramlásmérés dióhéjban Kántor László

2 Áramlás, térfogat, térfogatáram Térfogat: A térfogat (régiesebben köbtartalom; jele: V) megadja, hogy egy adott test mekkora helyet foglal el a térben. A térfogat SI-alapegysége a köbméter. A térfogatot (különösen folyadéktároló vagy egyéb edények, tartályok térfogatát) általánosan űrtartalomnak nevezzük. Térfogat áram: a térfogat időderiváltja Tömeg:A tömeg a fizikai testek tulajdonsága, amely a bennük lévő anyag és energia mennyiségét méri. A tehetetlen tömeg a test tehetetlenségének mértéke: a rá ható erő mozgásállapot változtató hatásával szembeni ellenállás. A kis tehetetlen tömegű test sokkal gyorsabban változtatja mozgásállapotát, mint a nagy tehetetlen tömegű. Tömegáram: a tömeg időderiváltja 2

3 Mértékadó törvényszerűségek A folytonosság vagy kontinuitás tétele (az anyag megmaradását fejezi ki) Az Euler egyenlet (súrlódásmentes folyadék mozgásegyenlete, azaz az impulzus változás és a ható erők egyensúlyát írja le) A Bernoulli egyenlet (az Euler egyenlet két pont közötti, vonal menti integrálás eredménye nyomás-sebesség viszonyok) A Navier - Stokes egyenlet (a súrlódás hatását figyelembe vevő taggal kiegészített Euler egyenlet) Gáztörvények (általános gáztörvény, egyszerűsített gáztörvény) 3

4 Reynolds szám A lamináris-, átmeneti- és turbulens áramlás Re = ρ v d η 3/4 R Lamináris Turbulens Re = Re = Re < 5000 Re > Lamináris áramlás Másodfokú parabola Turbulens áramlás lapos sokadfokú parabola (kicsi örvények a teljes keresztmetszetben) Kb. ¾ R-nél van a jellemző sebességvektor ez független a Reynolds számtól! 4

5 Pontosság, ismétlőképesség Kiváló pontosság és ismétlőképesség Elfogadható pontosság és ismétlőképesség Kiváló ismétlőképesség Rossz pontosság Rossz pontosság és ismétlőképesség 5

6 Átfogás / Trundown ratio 6

7 Beépítési körülmények. Áramlást zavaró tényezők. 7

8 Csővezeték kiépítése, hatások a mérőeszközökre A térbeli kettős könyök hatása perdület Szinte minden áramlásmérő működésére hatással van! 8

9 Áramlási kép számítógépes Szűkítés (pl. mérőperem) hatása modellezése 4 D 20 D 9

10 Áramlási kép számítógépes modellezése 45 -os ív hatása 10

11 Mérőeszköz választás A mért anyag Csővezeték geometriája Nyomás: állandó (???), vagy változó Hőmérséklet A jellemző méréstartomány (min max) Nedves, szennyezett, korrózív, koptató,...? Felhasználás Szabályozás? Elszámolási mérés? Monitoring? Trend figyelés? Energia felhasználás optimalizálása?... 11

12 12

13 Vödör 13

14 Térfogatkiszorításos/PD mérő - Direkt térfogat mérés - Egy fordulat meghatározott térfogat átáramlása - Különböző geometriai kialakítások Előnyei - Segédenergia nélkül is mérhet - Pontos mérés Elszámolásra is alkalmas - Totalizált (összegzett mérés) megvalósítása egyszerű - Magas viszkozitású anagokhoz is alkalmas - Nem érzékeny a rendellenes áramlásokra Hátrányai: - Mechanikus, forgó alkatrészek (kopik) - Méret, hőmérséklet, közeg korlátok - Térfogat áram mérésre nem használatos - Szennyeződésre érzékeny - Egyirányú mérés Felhasználás - Benzinkút, kútoszlop - MOL Cotas közúti töltői 14

15 Turbina - Direkt térfogat mérés - Egy fordulat meghatározott térfogat átáramlása - Különböző geometriai kialakítások Előnyei - Pontos mérés Elszámolásra is alkalmas (meghatározott feltételekkel) - 1:20 átfogás maximum - Totalizált (összegzett mérés) megvalósítása egyszerű - Nagyobb térfogatáramokra - Jó tranziens viselkedés Felhasználás - Gázmérések - Távvezetéki kőolaj szállítás Hátrányai: - Mechanikus, forgó alkatrészek (kopik) - Hosszú megelőző és követő csőszakasz - Rendellenes áramlási képekre érzékeny - Szennyeződésre érzékeny (szűrő nyomásesés) 15

16 16

17

18 Előnyök, hátrányok, korlátok dp Előnyök: - Évszázados tapasztalat, szabványos (is) - Rendkívül széles, p, T tartomány - Széles csőátmérő tartomány - Könnyen választható méréshatár (β) - Nagyon sok közegre (gőz, víz, gáz) Hátrányok: - Bonyolult áramlási egyenlet, p, T korrekció flow computer - Gyökös karakterisztika gyorsan romló pontosság kis q V -nél - Low flow cut-off (mérés leállítása kis áramlási sebességnél) - Bonyolult gépészeti szerelés - Hosszú egyenes csőszakaszt igényel - Csak egyfázisú közegekhez alkalmazható - Kopás (mérőperem belépőélén) nehezen észlelhető Felhasználás: Gyakorlatilag mindenhol a finomítóban 18

19 Mérőperem áramlási kép 19

20 Gépészeti kialakítások Furatos sarokmegcsapolás Gyűrűkamrás, sarokmegcsapolás karima megcsapolás 20

21 Venturi Előnyök: - Évszázados tapasztalat, szabványos (is) - Első zárt csöves áramlásmérő - Kisebb nyomásesés (mint a mérőperem) - Nagyobb csőátmérőkhöz - Hátrányok: - Nagy beépítési hossz - Nagy csőátmérőknél beépítési problémák Felhasználás: Kemence égéslevegő mérés 21

22 22

23 Pitot cső / Anubar Statikus és dinamikus nyomás különbsége alapján mérnek Pitot cső egy pontban Annubar (averaging pitot) több pontban E: - Nagy csőátmérőkre is (12m) - nem kör keresztmetszetre is - kis nyomásesés - annubar: trozított áramlásra is H: - El tud dugulni - szennyeződés - A mérőperemnél rosszabb elérhető pontosság - A helyes pozicionálás fontos Felhasználás: nagy átm. csövek esetén Pl: FCC füstgáz (DN600), ip. víz 23

24 24

25

26 Reynolds szám jelentőssége Re= Re= Re= Legjobb mérési tulajdonságok teljesen kialakult turbulens áramlásnál Re number > Az átmeneti tartományban 4000 < Re < a mérők működnek, de nem teljesítik az elvárt pontosságot. Méretezésnél fontos olyan mérőt választani, ahol a Re > teljesül a teljes méréstartományban (turbulens áramlás) minden folyamatjellemző esetén. A viszkozitás és a csőátmérő növelése csökkenti a Re számot Az áramlási sebesség csökkenése szintén csökkenti a Re számot. A sűrűség növekedése növeli a Reynolds számot. 26

27 Vortex (örvényleválásos) mérő Előnyök: - Folyadékra, gőzre, gázra - Nagy átfogás, lineáris karakterisztika - Kedvező mérési bizonytalanság - Nem érzékeny kopásra, lerakódásra Hátrányok: - Jelentékeny megszólalási küszöb - Jelenleg (!) csak egy halmazállapotú anyag mérésére - Egyirányú mérés - Hosszú egyenes csőszakaszok - Nyomás- és hőmérsékletmérés + flow computer szükséges 27

28 Vortex a sűrűség és a sebesség jelentősége A jel erőssége függ a sűrűségtől és a sebességtől: nagyobb érték nagyobb energiájú jelet szolgáltat. A jelek érzékeléséhez szükséges egy minimális amplitudójú jel. A minimális áramlási sebességet az alábbiak szerint számíthatjuk: DN15 DN25 V min = 6 ρ > DN25 Pl: víz V 7 7 min = = = Pl: gáz V ρ min = = = ρ m / s 3.13m / s 28

29 Lebegőtstes - Rotaméter Lebegőtestes mérő Rotaméter Variable area meter Előnyök: Folyadékok, gázok, gőz Nem szükséges külső táplálás Egyszerű és olcsó helyi mérés Hátrányok: Nincs totalizált mennyiség Közeg specifikus kalibrálás szükséges Változó pontosság Felhasználás: Labor mérések, helyi mutatások 29

30 Indukciós Működési elv- Mágneses térben mozgó töltésekre erő hat 30 30

31 Indukciós Előnyök: o Elvileg független a nyomástól, hőmérséklettől és viszkozitástól o Szennyeződést tartalmazó folyadékokra is alkalmas o Akár DN3000-ig o Nincs benyúló elem, nincs mozgó alkatrész o Kis karbantartási igényű Hátrányok: o Csak vezető képes folyadékok mérésére o Kevésbé pontos mérés, vezető képesség romlásával csökken o Lerakódások a csőben rontják a mérés pontosságát Felhasználás: Víz mérések 31

32

33 Utrahangos transit time t 1 t 2 Az ultrahang hullám terjedési ideje alapján következtet a közeg sebességére Különböző kialakítások: Átmenő Visszaverődéses Karimás (flanged) Clamp-on t 1 t 2 33

34 Ultrahangos-Doppler f 1 f 2 34

35 Előnyök - Hátrányok Előnyök: - Egyszerű működés - Nem zavarja a nedvesség (biogáz!) - Metán tartalom meghatározás (biogáz!) - Széles méréstartomány - Alacsony áramlási sebességeknél is kielégítően pontos - Nincs nyomásesés (!) - Viszonylag rövid egyenes csőszakaszok Hátrányok: - Korlátozott D tartomány - Korlátozott nyomás- és hőmérséklet tartomány - Érzékeny az áramlási kép torzulásaira, tranziens jelenségekre 35

36 36

37 Nyílt csatornás mérők V bukógát Parshall csatorna 37

38 38

39 39

40 Coriolis Előnyök: - kiemelkedő pontosság! - q m, ρ, T (μ) mérés egyben - közvetlen (korrekciós számítás nélküli) tömegáram mérés - korrekciós számítás nélküli normál m 3 /h - széles q m, p, T tartomány - közeg változásaira nem érzékeny (akár gőz is!) - nem kell egyenes csőszakasz Hátrányok: - nyomásesés költség 40

41 Termikus Előnyök: - Egyszerű beépítés - q m mérés - Korrekciós számítás nélküli normál m 3 /h - Érzékeny alacsony áramlási sebességnél is - Kis nyomásesés - szögletes légcsatornákban is alkalmazható Hátrányok: - Rendkívül érzékeny a gázösszetétel változására - A kicsapódó nedvesség, szennyeződés durván meghamisítja a mérést - Csak bizonyos gázokhoz - Hosszú egyenes csőszakaszt igényel - Érzékeny a beépítésre (irány, benyúlás) Alkalmazás: áramlásmérőként rossz tapasztalatok Áramlás kapcsolóként megfelel 41

42 Mérőeszköz választás Gazdaságossági szempontok Igény A mérendő közeg sajátosságai Mérlegelés Környezeti hatások Áramlásmérő teljesítménye Beépítési lehetőségek Műszer választás 42

43 Megelőző- és követő zavartalan egyenes csőszakaszok 15 x DN 2 x DN a b 20 x DN 5 x DN a b 15 x DN 2 x DN a b 20 x DN 5 x DN a b 15 x DN 2 x DN a b 20 x DN 5 x DN a b 20 x DN 2 x DN a b 25 x DN 5 x DN a b 35 x DN 2 x DN a b 40 x DN 5 x DN a b 50 x DN 2 x DN a b 50 x DN 5 x DN a b 43

44 Összefoglalás A jó áramlásméréshez ismernünk kell: - A mérés célját - A méréstől elvárt követelményeket - Az anyagi lehetőségeket - A mérendő anyag tulajdonságait - A pontos technológiai paramétereket - A telepítési lehetőségeket Ezeknek megfelelően: - Jól kell mérőeszközt, mérőeszközöket választani - Jól kell méretezni - Jól kell beépíteni - Jól kell üzembe helyezni És végül: Jól kell üzemeltetni, karbantartani. 44

45 Kérdések?

46 Köszönöm a figyelmet!

47 Zavaró elemek utáni áramlási képek 90 -os ív Könyök Kettős ív Szabályozó szelep

48 Zavaró elemek utáni áramlási képek Spirálvarrott cső Turbina Becsatlakozó áramlás Kettős ív, pillangószeleppel Le sem tudjuk rajzolni A térbeli kettős könyök rendkívüli zavarást okoz (perdület!)

49 Zavaró elemek utáni áramlási képek Hirtelen szűkítés Tágulat váltakozó örvények Ideális csőtágulat: < 8 Szűkítés > 8 Másodlagos áramlás

50 Mérőperem átfolyási egyenlet β = + β β + Re xxx 10 L L β e e Re xxx Qm ( ) L 2 L β + X β 2 1 β 1 β β Re + + xxx 4 β 1 β 0,011(0,75 β ) 2,8 0, D β Re 6 xxx / κ pr nom p 4 8 _ r _ max π ( ) ( D β ) 0,351+ 0,256β + 0,93β 1 p r _ nom X β β 2 p r _ max ρ nom Átfolyási tényező C Expanziós szám ε Szűkítőelem átömlési felülete Belépési sebességtényező E Q V/m =c Q d π 4 2 m = C ε 4 2 p r _ max 1 1 β ρ nom

51 Mérőperem nyomáselvételi helyek Teljes cső megcsapolás (nem használatos) Vena Contracta D-D/2 megcsapolás Karimamegcsapolás Sarokmegcsapolás D D/2 Áramlás 2 1/2 D ß -tól függ 8 D

52 Vortex a Reynolds szám jelentősége Legjobb mérési tulajdonságok teljesen kialakult turbulens áramlásnál Re number > Az átmeneti tartományban 4000 < Re < a mérők működnek, de nem teljesítik az elvárt pontosságot. Méretezésnél fontos olyan mérőt választani, ahol a Re > teljesül a teljes méréstartományban (turbulens áramlás) minden folyamatjellemző esetén. A viszkozitás és a csőátmérő növelése csökkenti a Re számot Az áramlási sebesség csökkenése szintén csökkenti a Re számot. A sűrűség növekedése növeli a Reynolds Pl: számot. Re = 4 Q m π [ 3/ s] ρ[ kg / m3] D[ m] µ [ Pa s] Térfogatáram (Q)= 1 m 3 /s (1000 l/s) Sűrűség (ρ) = 7,62 kg/m 3 Csőátmérő (D) = 0,1 m (DN100) Viszkozitás (µ) = Pa s Re szám = kb. 4000