(β) Μεταβολή με αριθμό Reynolds με βάση την εσωτερική διάμετρο.
Πώς να εγκαταστήσετε σωστά τον μετρητή ροής αεριοστροβίλου;
Σωστή εγκατάσταση για την επίτευξη του καλύτερου αποτελέσματος μέτρησης ροής
Έρευνα που διεξήχθη από τον Βρετανικό Ερευνητικό Σταθμό Μηχανικής Φυσικού Αερίου επιβεβαίωσε ότι αυτός ο τύπος ροόμετρου παρουσιάζει αξιοσημείωτη αναισθησία στις διαταραχές ροής, καθιστώντας απαραίτητες τις ανοδικές ή καθοδικές ευθείες διαδρομές σωλήνων στις περισσότερες πρακτικές εγκαταστάσεις (Fenwick και Jepson, 1975· βλ. Harriger, 1966). Οι κύριοι λόγοι περιλαμβάνουν:
1. Μειωμένη στροβιλότητα σε δακτυλιωτούς σωλήνες μεγάλης διαμέτρου, που αποδίδεται τόσο στη διατήρηση της στροφορμής όσο και στο ανορθωτικό αποτέλεσμα του ρυθμιστή ροής.
2. Σημαντική συστολή ροής που συμβαίνει σε τμήματα σωληνώσεων μικρής διαμέτρου.
3. Ολοκληρωτικά φαινόμενα που προκύπτουν από τη γραμμική σχέση μεταξύ του συντελεστή άντωσης και των μικρών γωνιών πρόσπτωσης.
Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι βελτιωτές ροής θα πρέπει να αναπτύσσονται στο τμήμα εισόδου μόνο εάν υπάρχουν δίνες ανάντη.
Οι Van der Kam και Dam (1993) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η εγκατάσταση βελτιωτικών ροής εισόδου μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τη ροή στροβίλου. Για παράδειγμα, το σφάλμα μέτρησης που προκαλείται από δύο αγκώνες εγκατεστημένους σε διαφορετικά επίπεδα (με γωνία στροβίλου 40°) δεν θα υπερβαίνει το 0,3%. Οι διακυμάνσεις στη διάμετρο του σωλήνα ανάντη του ροόμετρου είναι σχετικά ασήμαντες. Σε ακραίες περιπτώσεις, αρκεί ένας ισιωτής ροής δέσμης σωλήνων. Η τραχύτητα της επιφάνειας δεν επηρεάζει την απόδοση. Οι επιδράσεις της θερμοκρασίας εντός εύρους 20℃ είναι ελάχιστες αλλά είναι δύσκολο να επαληθευτούν λόγω έλλειψης των απαραίτητων μεθόδων μέτρησης ελέγχου. Τα ροόμετρα στροβίλου δεν είναι κατάλληλα για υγρές ή βρώμικες ροές αερίου. Το αέριο πρέπει να παραμένει καθαρό, απαλλαγμένο από υγρά και σκόνη, και πρέπει να χρησιμοποιείται φίλτρο με ελάχιστη ονομαστική τιμή 5μm όταν είναι απαραίτητο. Ο ανάντη αγωγός πρέπει να καθαρίζεται σχολαστικά πριν από την εγκατάσταση (Bonner, 1993; ISO 9951).
Σύμφωνα με την έρευνα του Harriger (1966), μπορεί να υιοθετηθεί μια συνδυασμένη μέθοδος εγκατάστασης, όπου ο ανάντη αγωγός μήκους 4D αποτελείται από έναν ρυθμιστή ροής 2D και ένα ευθύγραμμο τμήμα σωλήνα 2D. Ωστόσο, η στροβιλώδης ροή και οι παλμοί μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές επιπτώσεις. Τα ροόμετρα με ενσωματωμένους ρυθμιστές ροής μπορούν να εξαλείψουν την επίδραση της στροβιλώδους ροής. Εάν τα εξαρτήματα σωληνώσεων βρίσκονται εντός της 5D ανάντη του ροόμετρου, είναι απαραίτητο να εγκατασταθούν πτερύγια ευθυγράμμισης. Κατά την εγκατάσταση του ροόμετρου, απαιτείται προσεκτική ευθυγράμμιση με τον αγωγό και δεν πρέπει να υπάρχουν προεξοχές εντός του ανάντη τμήματος 5D. Ο κατάντη αγωγός θα πρέπει να διατηρεί σταθερή διάμετρο χωρίς πρόσθετους περιορισμούς.
Αρκετοί ευθείς αγωγοί πριν και μετά τον μετρητή ροής αεριοστροβίλου
Οι Van der Kam και van Dellen (1991) διαπίστωσαν ότι για ροόμετρα αεριοστροβίλων 12 ιντσών, μια απόσταση 10D προς τα πάνω είναι επαρκής για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία υπό επιτρεπόμενες συνθήκες, ενώ 15D απαιτείται όταν υπάρχει στροβιλώδης ροή.
Οι Mickan et al. (1996a, 1996b) και Wendt et al. (1996) διερεύνησαν πειραματικά την κατανομή ταχύτητας σε αγωγούς και τις επιπτώσεις της στα ροόμετρα αεριοστροβίλων. Οι μελέτες χρησιμοποίησαν τεχνικές μέτρησης Doppler λέιζερ και εξέτασαν την επίδραση διαφόρων διαμορφώσεων εγκατάστασης στην απόδοση των ροόμετρων στροβίλου, όπως: 1. Ρυθμιστές ροής· 2. Εγκαταστάσεις μονού αγκώνα· 3. Διπλοί μη ομοεπίπεδοι αγκώνες· 4,50% απόφραξη ροής μεταξύ των αγκώνων.
Οι ενδιαφερόμενοι αναγνώστες μπορούν να ανατρέξουν στις πρωτότυπες δημοσιεύσεις. Ενώ τα περισσότερα πειραματικά σφάλματα παρέμειναν κάτω από 1%, αυτό δεν παρατηρήθηκε καθολικά σε όλες τις συνθήκες δοκιμής.
Ο George (2002) εξέτασε τις εξελίξεις στην τεχνολογία των ροόμετρων στροβίλων στην αναθεωρημένη Έκθεση AGA αριθ. 7. Η μελέτη εντόπισε δύο σημαντικές εξελίξεις από το 1996: τα σχέδια διπλού ρότορα και τα ροόμετρα εκτεταμένης εμβέλειας. Τα βασικά ευρήματα περιλαμβάνουν:
• Για συνθήκες ροής βραχείας σύζευξης, κοντινής εγγύτητας, στροβιλισμού και καθαρής στροβιλισμού, τέσσερα συν-βαθμονομημένα όργανα κατέδειξαν σφάλματα μέτρησης εντός ±1%.
• Οι σωστά ενσωματωμένοι ρυθμιστές ροής στην είσοδο του μετρητή μπορούν να μειώσουν τις αποκλίσεις σε ±0,25%.
• Οι διαμορφώσεις με έναν έναντι δύο ρότορων έδειξαν αμελητέα επίδραση στην μεροληψία μέτρησης.
• Οι διακυμάνσεις που προκαλούνται από την πίεση απαιτούν πρόσθετη διερεύνηση.
Οι Islam et al. (2003) ανέφεραν πειραματικά αποτελέσματα ροόμετρων στροβίλου με ενσωματωμένους βελτιωτές ροής υπό συνθήκες διαταραγμένης ροής αέρα.
Οι Balla και Takaras (2003) κατέγραψαν μια απόκλιση περίπου 1% στην απόδοση του ροόμετρου αερίου μετά από ένα έτος λειτουργίας, η οποία ενδεχομένως αποδίδεται σε:
1. Συσσώρευση υγρού συμπυκνώματος
2. Υπολειμματικοί ρύποι από την κατασκευή αγωγών
Οι Ullebust και Ekerhovd (2008) συνέστησαν τα ακόλουθα πρωτόκολλα συντήρησης:
1. Επιθεώρηση τραχύτητας εσωτερικής επιφάνειας αγωγού
2. Επαλήθευση ακεραιότητας βελτιωτικού ροής
3. Έλεγχος ευθυγράμμισης ροόμετρου
4. Διαδικασίες οπτικής επιθεώρησης
Λειτουργικοί περιορισμοί:
• Επιτρέπεται προσωρινή υπερβολική ταχύτητα έως και 20% (αν και η παρατεταμένη υπερβολική ταχύτητα προκαλεί ζημιά)
• Απαιτείται παρακολούθηση θερμοκρασίας εντός 2D κατάντη του ροόμετρου (εύρος που καθορίζεται από τον κατασκευαστή: -10 έως 50°C)
• Υποχρεωτική ξήρανση αερίου όταν οι συνθήκες της διεργασίας οδηγούν σε συμπύκνωση υγρού στους αγωγούς
Ανίχνευση και παρακολούθηση
Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για τη μέτρηση της ταχύτητας του τροχού του στροβίλου περιλαμβάνει τη χρήση κιβωτίου ταχυτήτων, το οποίο μπορεί να εισαγάγει αντίσταση λόγω απωλειών μετάδοσης γραναζιών. Επιπλέον, η αντίσταση μπορεί να προκληθεί από ηλεκτρομαγνητική σύζευξη, μηχανισμούς απεικόνισης ροής και διαδικασίες βαθμονόμησης. Η χρήση ηλεκτρομαγνητικής ανίχνευσης μπορεί να μειώσει σημαντικά αυτήν την αντίσταση.
Για σήματα υψηλής συχνότητας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διακόπτες μαγνητικής επαγωγής ή εγγύτητας σε πτερύγια αλουμινίου, μεταλλικές λωρίδες στην πλήμνη ή κινούμενους δίσκους του κύριου άξονα για την εξαγωγή σημάτων με βάση το φαινόμενο μεταγωγής, επιτυγχάνοντας συχνότητα μέτρησης έως και 3 kHz. Για εφαρμογές που απαιτούν 1 έως 10 παλμούς ανά περιστροφή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διακόπτες reed ή αισθητήρες σχισμής.
Οι Reeb και Joachim (2002) ανέπτυξαν ένα διαδικτυακό εργαλείο παρακολούθησης για ροόμετρα αεριοστροβίλων με το όνομα AccuLERT G-II (FMC Measurement Solutions), το οποίο ισχυρίζεται ότι ανιχνεύει και αναλύει τόσο μηχανικά όσο και σφάλματα που σχετίζονται με ρευστά.
Το AccuLERT μπορεί να παρακολουθεί τον λόγο χρόνου ανόδου, τον λόγο χρόνου καθόδου και την τυπική απόκλιση. Επιπλέον, μπορεί επίσης να παρακολουθεί βασικές μεταβλητές όπως ο ρυθμός ροής, ο χρόνος και οι αλλαγές κατά τη λειτουργία, για να εκτιμήσει την κατάσταση λειτουργίας του ροόμετρου.
Ασταθή ρευστά
Τα ροόμετρα αεριοστροβίλων είναι ευαίσθητα σε συνθήκες παλμικής ροής. Όταν το ρευστό επιταχύνεται, η αυξημένη γωνία πρόσπτωσης στα πτερύγια του στροβίλου προκαλεί ταχύτερη επιτάχυνση του ρότορα. Αντίθετα, η επιβράδυνση της ροής μπορεί να οδηγήσει σε ακινητοποίηση των πτερυγίων με ελάχιστη αντίσταση οπισθέλκουσας, με αποτέλεσμα τη συνολική υπερεκτίμηση της ροής. Η παρατεταμένη μέτρηση ροών με έντονο παλμικό ρυθμό μπορεί να προκαλέσει ζημιά στα ρουλεμάν στα συγκροτήματα τουρμπίνας.
Ο Head (1956) καθόρισε τον συντελεστή παλμών για τα ροόμετρα στροβίλου, ο οποίος ορίζεται ως:
q
i /q
V =(1+αbΓ²)
Όπου
q i είναι ο ρυθμός ροής που εμφανίζεται από τον μετρητή,
q V είναι ο πραγματικός ρυθμός ροής, (το α=1/8 αντιπροσωπεύει τον νόμο της ημιτονοειδούς μεταβολής του ρευστού, το b μπορεί να θεωρηθεί ως 1 για μη ακόλουθους μετρητές ροής και Γ είναι το πλάτος του καθεστώτος πλήρους ροής σε σχέση με τη μέση ταχύτητα. Ο Head πιστεύει ότι το Γ=0,1 είναι η κρίσιμη τιμή για σημαντικά σφάλματα.
Η καμπύλη εξασθένησης ταχύτητας χωρίς ρευστό μπορεί να ληφθεί από παροδική ανάλυση, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Το σχήμα επιτρέπει τον προσδιορισμό του χρόνου επιβράδυνσης του ρότορα μέχρι την ακινησία και της τελικής κλίσης της καμπύλης απόσβεσης. Αυτή η κλίση συσχετίζεται φυσικά με τον λόγο οπισθέλκουσας προς αδρανειακή δύναμη υπό συνθήκες μηδενικής ροής, χρησιμεύοντας ως διαγνωστικός δείκτης για την κατάσταση του ρουλεμάν.
Ωστόσο, οι de Jong και van der Kam (1993) αμφισβήτησαν την αξιοπιστία του υπό συνθήκες υψηλής πίεσης. Οι αναγνώστες μπορούν επίσης να ανατρέξουν στο άρθρο των Lee και Evans (1970), το οποίο περιγράφει πώς έλαβαν την καμπύλη εξασθένησης ταχύτητας χρησιμοποιώντας μια μέθοδο εξωτερικής μηχανικής τριβής και παρείχαν τυπικές τιμές της δύναμης αδράνειας. Για παράδειγμα, για ένα ροόμετρο χαμηλής πίεσης 150 mm, η περιστροφική αδράνεια του πλαστικού ρότορα είναι I=0,242×10⁻³kg⋅m³, και η περιστροφική αδράνεια του ρότορα υψηλής πίεσης αλουμινίου είναι I=0,486×10⁻³kg⋅m³. Έλαβαν επίσης υπόψη τη μεταβολή των φύλλων με τιμή η=0,2.
Σχήμα 3 Καμπύλη μείωσης της ταχύτητας περιστροφής του ελεύθερα περιστρεφόμενου ροόμετρου
κατά τη διάρκεια της δοκιμής περιστροφής προς τα κάτω
(Αναπαράγεται με άδεια από την ASME, μετά από Lee και Evans, 1970)
Οι Lee et al. (1975) παρείχαν το σφάλμα που προκαλείται από ημιτονοειδείς διακυμάνσεις. Υποθέτοντας το χειρότερο σενάριο, όπου ο ρότορας δεν μπορεί να ακολουθήσει τον παλμό λόγω υπερβολικής αδράνειας, επιτυγχάνεται σφάλμα περίπου 0,5% σε δείκτη παλμού 0,1 και σφάλμα περίπου 2% σε 0,2, όπου ο δείκτης παλμού είναι
Γ=
Το Σχήμα 4 προέρχεται από τα αποτελέσματα των Fenwick και Jepson (1975), τα οποία απεικονίζουν την επίδραση των παλμών τετραγωνικού κύματος σε ροόμετρα στροβίλων. Ο McKee (1992) διαπίστωσε ότι το σφάλμα ήταν 0 σε μια διακύμανση 2% και υπερέβαινε το 1,5% σε 6% [Atkinson, 1992]. Χρησιμοποιήθηκαν αριθμητικές μέθοδοι υπολογισμού για τον προσδιορισμό των σφαλμάτων που εισάγονται από περίπου ημιτονοειδείς παλμούς ρευστού σε ροόμετρα. Οι Cheesewright et al. (1996) εξέφρασαν ανησυχίες σχετικά με την έλλειψη αναφερόμενων δεδομένων σχετικά με τις παλμικές κυματομορφές.
Οι Fenwick και Jepson (1975) διεξήγαγαν πειράματα εισάγοντας μια παλμική ροή 60 δευτερολέπτων σε ένα ροόμετρο 100 mm, με αποτέλεσμα μετρήσεις που υπερέβαιναν τον πραγματικό ρυθμό ροής κατά 40%.
Οι Jungowski και Weiss (1996) δοκίμασαν ένα ροόμετρο 100 mm υπό παλμική ροή αέρα σε συχνότητες που κυμαίνονταν από 5 έως 185 Hz. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι όταν ο λόγος της μέσης τετραγωνικής ταχύτητας προς τη μέση ταχύτητα ήταν 0,1, οι μετρήσεις υπερεκτιμήθηκαν κατά 1%, και όταν ήταν 0,2, η υπερεκτίμηση έφτασε το 4%.
Οι Stoltenkamp et al. (2003) παρουσίασαν μια ενδιαφέρουσα μελέτη, στην οποία συζητήθηκε η πιθανότητα παραπλανητικών ενδείξεων του ροόμετρου τουρμπίνας που προκαλούνται από ταλαντώσεις αερίου λόγω ακουστικών επιδράσεων. Πρότειναν επίσης ένα θεωρητικό μοντέλο για να εξηγήσουν το φαινόμενο.
Επεξεργάστηκα ορισμένα πειραματικά δεδομένα όπου ο ρυθμός ροής φυσικού αερίου μεταβαλλόταν από υψηλό σε χαμηλό, συνοδευόμενος από ξαφνικές αλλαγές και σημαντικά σφάλματα - μια συμπεριφορά που είχε ήδη προβλεφθεί από τον Jepson και άλλους στη μεθοδολογία τους.
Σχήμα 4 Επιδράσεις διαμορφωμένης ροής σε
ροόμετρο στροβίλου 100 mm Πού μπορώ να χρησιμοποιήσω μετρητές ροής αεριοστροβίλων;
Ο μετρητής ροής αεριοστροβίλου είναι κατάλληλος για όλα τα μη διαβρωτικά αέρια και τα καύσιμα αέρια, όπως:
μετρητής ροής αερίου CO2 , φυσικό αέριο πόλης, φυσικό αέριο, αέριο διυλιστηρίου, αέριο οπτανθρακοποιητή,
μετρητής ροής προπανίου , μετρητής ροής βουτανίου, μείγματα LPG/αέρα, ακετυλένιο, αιθάνιο, μετρητής ροής αζώτου, διοξείδιο του άνθρακα CO2, αέρα και όλα τα αδρανή αέρια.
Οι μετρητές ροής αεριοστροβίλων μετρούν το φυσικό αέριο
Τα ροόμετρα στροβίλου γενικά δεν χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση οξυγόνου για τους ακόλουθους λόγους:
1. Το λιπαντικό πρέπει να μην αντιδρά με το οξυγόνο.
2. Η ταχύτητα ροής οξυγόνου στους αγωγούς δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 m/s, καθώς οι υψηλότερες ταχύτητες μπορούν να προκαλέσουν οξείδωση των αγωγών — οι μετρητές ροής αεριοστροβίλων απαιτούν ακόμη χαμηλότερες ταχύτητες.
Ο Pfrehm (1981) υιοθέτησε μια ευρέως αποδεκτή τεχνική μέτρησης ροής υγρού για να αναπτύξει μια μέθοδο μέτρησης ροής μάζας για το αέριο αιθυλένιο. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποίησε ένα ροόμετρο, ένα πυκνόμετρο, έναν υπολογιστή ροής και έναν αμφίδρομο ελεγκτή εμβόλου. Η δηλωμένη ακρίβεια αυτού του ροόμετρου ήταν ±0,2%, με γραμμικότητα που διατηρήθηκε από 20% έως 100% της πλήρους κλίμακας.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Μετρητής ροής αεριοστροβίλου υψηλής ακρίβειας
1. Η μηχανική φθορά ή υποβάθμιση μεταβάλλει την τριβή και τη γεωμετρία της λεπίδας, μειώνοντας το ρυθμιζόμενο εύρος του ροόμετρου και προκαλώντας αποκλίσεις στις ενδείξεις. Το φιλτράρισμα μπορεί να επιβραδύνει την υποβάθμιση του μετρητή και οι τακτικοί έλεγχοι είναι απαραίτητοι. Μια δοκιμή επιβράδυνσης μπορεί να υποδείξει υποβάθμιση των ρουλεμάν.
2. Οι γρήγορες διακυμάνσεις του υγρού προκαλούν υπερεκτίμηση. Για παράδειγμα, ένας κύκλος ροής 10 λεπτών με ενεργοποίηση/απενεργοποίηση μπορεί να οδηγήσει σε υπερεκτίμηση 3%.
3. Η στροβιλιζόμενη ροή παραμορφώνει τις μετρήσεις, καθιστώντας απαραίτητη τη χρήση ισιωτήρα ροής.
4. Οι διακυμάνσεις της πίεσης και η υψηλή τριβή των ρουλεμάν μπορούν να προκαλέσουν απόκλιση ένδειξης έως και 2%.
5. Η βλάβη του ροόμετρου δεν θέτει σε κίνδυνο την ασφάλεια της ροής αερίου.
Επιπλέον, οι van der Kam, Dam και van Dellen (1990) συζήτησαν την αξιοπιστία, την υψηλή ακρίβεια, τη μέτρηση διπλού ρότορα και τα συστήματα ρουλεμάν.
