Разработка расходомера переменного перепада давления РППД с соплом Вентури

В процессе курсового проектирования были изучены методы и средства измерения расхода различных сред, в том числе водяного пара, а так же изучен принцип измерения расхода по переменному перепаду давления на сужающих устройствах. Кроме того, были рассчитаны теплофизические характеристики водяного пара; рассчитаны все размеры СУ по ГОСТ 8.586-1-5. 2005. Так же был выбран тип дифманометра для измерения перепада давления на СУ «сопло Вентури», и материалы деталей сопла и элементов крепежа. Разработан сборочный чертеж и чертеж сопла Вентури. Были определены метрологические характеристики разработанного расходомера:
функция преобразования;
неопределенность результата измерения;
класс точности средства измерения.
Результаты курсового проекта могут быть использованы в процессе проектирования расход ...

Содержание
Обозначения и сокращения 3
Определения 5
Введение 7
1 Обзор заданных видов расходомеров. 9
1.1 Классификация и принцип действия конвективных расходомеров 9
1.2 Технические и метрологические характеристики. 11
1.3 Задачи, решаемые с помощью стандартизации и сертификации 13
1.4 Структурная схема расходомера с диафрагмой 13
1.5 Метрологические и технические характеристики 16
1.6 Область применения 16
1.7 Преимущества и недостатки 17
1.8 Теплофизические характеристики измеряемой среды 18
2 Расчёт теплофизических характеристик водяного пара 19
3. Расчет диаметра СУ 23
4 Проектирование сужающего устройства. 26
5 Определение метрологических характеристик 31
Заключение 35
Список использованных источников 36

Введение
При рассмотрении вопросов рационального и эффективного энергоиспользования очевидно, что необходимо усиление функций контроля производства и потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), то есть функций учета ТЭР, поскольку проблема управления энергопотреблением не может быть успешно решена без изучения и использования полной и достоверной информации о данном процессе.
Основная цель учета топливно-энергетических ресурсов – получение достоверных данных о количестве энергии и энергоносителей на всех стадиях: производства (добычи), передачи, преобразования, распределения, хранения и потребления.
Учет ТЭР позволяет решить следующие задачи:
1) проведение между субъектами рынка энергоносителей финансовых расчетов;
2) определение и прогнозирование технико-экономических показателей деятельности организаций и предприятий;
3) решение проблем рационального использования энергии.

1.2 Технические и метрологические характеристики.При измерении малых расходов приборы работают на начальной ветви кривой, которая при постоянной мощности нагрева представляет собой близкую к прямой линию, что позволяет добиться хороших метрологических характеристик.Современные конвекционные расходомеры рассмотрим на примере расходомера серии L30.Приборы серии L30 предназначены для использования в различных отраслях промышленности, лабораториях: химической и фармацевтической промышленности; пищевом производстве; производстве проводников; аналитических лабораториях; производитель Промышленное предприятие ООО "Технология измерения расхода электронными системами" - специализированная Российская компания в области расходометрии.Технические и метрологические характеристики расходомера приведеныв таблице 1.Таблица 1.1 - Технические характеристики конвекционного расходомера L30.НаименованиеЗначениеТочность при стандартной калибровке 1% от полной шкалы, включая нелинейность и воспроизводимостьТочность при полиномиальной калибровке 0,8% от показаний плюс 0,2% от полной шкалы Воспроизводимость0,2% от полной шкалыВремя успокоения (регулятор)4…10с;Чувствительность к вибрации Пренебрежимо малаЧувствительность к положению Пренебрежимо малаДиапазон измерений (по воде)Минимальный 0,04…2 кг/чМаксимальный0,4…20 кг/ч Диапазон1:50Падение давления (расходомер)350 мбар при расходе воды 20 кг/ч Макс. рабочее давление100 барДиапазон рабочих температур -10…70 СВремя прогрева30 мин. для оптимальной точности; 3 мин. для точности не хуже 2% от полной шкалы; Материал конструкции Все смачиваемые части - нержавеющая сталь Материал корпусаалюминийНапряжение питания+15В, макс. 1,25A -15В, 50 мАНапряжение питания (регулирующий клапан)Доб. +15В, макс. 250мА;Выходные сигналы 0…5(10)В, или 0(4)…20мАЗащита IP65 для измерителя, для клапана1.3 Задачи, решаемые с помощью стандартизации и сертификацииЭкономия энергоносителей – фактор, которому каждое современное предприятие уделяет должное внимание. Стоимость энергозатрат – один из ключевых аспектов производства. В связи с этим принят ряд стандартов в области энергосбережения. Цели стандартизации в группе стандартов ИСО 50001 невозможно объяснить только требованиями экономии энергии. Энергия – это отдельный ресурс, который требует особого менеджмента как любой другой дорогостоящий ресурс, а не как накладные расходы предприятия. Поэтому энергоменеджмент в целом – это передовая практика управления бизнесом в условиях жёсткой конкуренции. Немалую роль в этой сфере играют технические средства измерения и обработки измерительной информации.Внедрение такого стандарта в организации обычно означает не только модернизацию производства. Стандарт включает решения на основе международной практики, профессиональных техник управления энергией. При этом достаточное внимание уделяется и энергосберегающим технологиям, и изменениям в методах и способах управления. В Российской Федерации принят аналог стандарта – ГОСТ Р ИСО 50001.Сертификация по ISO 50001:2011 и BS EN 16001 – это процедура подтверждения соответствия системы энергоменеджмента на предприятии (в организации) требованиям этих стандартов.1.4 Структурная схема расходомера с диафрагмойПроектируемый расходомер относится к типу расходомеров переменного перепада давления с сужающими устройствами.Наиболее распространенным и изученным способом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод перепада давлений. Измерение расхода основано на измерении статического давления (потенциальной энергии) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике сужающими устройствами (первичными преобразователями) служат диафрагмы, сопла и сопла Вентури [1].6Расходомер состоит из следующих основных частей:Узел измерения: датчик разности давлений 1 и проточная часть (2),Преобразователь расчётно-измерительный (вычислитель) (3).22510754997452251709433070Рисунок 2 – Структурная схема расходомера «ВЕНТУРИ»Принцип действия расходомера основан на зависимости перепада давления, создаваемого конусным телом обтекания, установленным в проточной части расходомера, от расхода измеряемой среды. При протекании среды через тело обтекания скорость потока увеличивается, что приводит к уменьшению статического давления. Таким образом, статические давления до и после тела обтекания отличаются, и разность давлений пропорциональна скорости потока и мгновенному объемному расходу.Проточная часть (2) не имеет движущихся частей и представляет собой трубу с конусным телом обтекания внутри. На трубе расположены две соединительные трубки для отбора давления. Разницу между статическими давлениями до и после тела обтекания определяют при помощи датчика разности давлений (1). Выходной сигнал с датчика давления поступает в вычислитель (3), где происходит расчет мгновенного объемного расхода и накопленного объема. Вычислитель осуществляет формирование выходного сигнала расходомера, а также отображение информации на индикаторе.Формула, используемая для перерасчета перепада давления в мгновенный объемный расход, имеет вид:где Qv - мгновенный объемный расход, м3/ч; k - калибровочный коэффициент, устанавливается изготовителем; ρ - плотность измеряемой среды, ΔР – разность (перепад) давления.1.5 Метрологические и технические характеристикиКраткое описание технических характеристик расходомера представлено в таблице 1.2.Таблица 1.2 – Технические и метрологические характеристики расходомера.Наименование показателяЗначениеДиаметр условного прохода 15 - 2000Погрешность измерения 0,5%Динамический диапазон 1:10Избыточное давление измеряемой средыдо 42 МПАТип соединения фланцевоеТемпература измеряемой среды от -40 до +800 ºСВязкость измеряемой среды до 500 мПа·сТемпература окружающей средыот -40 ºС до +85 ºС Выходные сигналыCAN; аналоговый токовый 4-20 мА;Напряжение питания 24 В постоянного токаВзрывозащитаоболочка (1ExdllCT4…T6)Защита от пыли и влагиIP67Интервал между поверками4 годаСрок службыне менее 8 лет1.6 Область примененияРасходомеры предназначены для определения объемного расхода жидкостей, газа и пара в широком диапазоне температур (-40 до +800 °С) и давлений (до 42 МПа).Расходомеры применяются в нефтегазовой, химической, пищевой, фармацевтической, текстильной промышленности, в системах энергоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжения и водоотвода. Расходомеры подходят для измерения расхода различных энергоносителей: природный, углеводородный и угольный газ, кислород и углекислый газ, насыщенный и перегретый водяной пар, вода, органические растворители и других сред.1.7 Преимущества и недостаткиОсновным преимуществом расходомеров с соплом Вентури является универсальность применения. Они используются для измерения расхода множества сред при самых различных давлениях и температурах. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода - сужающее устройство с соплом Вентури. Все остальные части могут изготавливаться серийно (например, дифференциальный манометр и вторичный прибор), их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды.Однако расходомеры с соплом Вентури имеют некоторые недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие:Нелинейная зависимость между расходом и перепадом (квадратичная). Невозможно измерять расход в нижней трети диапазона из-за большой погрешности измерения, что ограничивает применение приборов для измерения расходов, которые изменяются в широких пределах.Ограниченная точность с погрешностью измерения, колеблющейся в широких пределах в зависимости от износа сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды.Согласно ГОСТ 8.586 – 2005 (ИСО 5167 - 2003) для вывода уравнения расхода и установления размеров сужающихся устройств при измерении расходов методом переменного перепада давления требуется вычислить следующие теплофизические характеристики измеряемой среды: ρсм – плотность смеси, кг/м3; ŋсм – динамическая вязкость смеси, Па*с; ᵞсм - показатель адиабаты смеси, б/р.1.8 Теплофизические характеристики измеряемой средыВ данном курсовом проекте измеряется расход водяного пара. Рабочие параметры среды:- температура смеси Т = 303,15 К;- абсолютное давление р = 1,6 МПа;Для вывода формулы расхода и расчёта размеров сужающего устройства при измерении расхода среды заданным методом требуется рассчитать коэффициенты истечения и расширения, в которые входят следующие характеристики измеряемой среды (таблица 1.3):Таблица 1.3 – Характеристики измеряемой средыОбозначениеНаименованиеЕдиница измеренияTТемпература водяного параКpАбсолютное давлениеМПаtпрПриведенная температура перегретого водяного пара1рпрПриведенное давление перегретого водяного пара1Плотность водяного паракг/м3Коэффициент динамической вязкостиПа·сκПоказатель адиабаты1ZФактор сжимаемости12 Расчёт теплофизических характеристик водяного параПеречень исходных данных для расчёта:  1.Измеряемая среда - водяной пар  2.Температура среды - 230°С 3.Абсолютное давление в МПа - 1,6  4.Класс точности дифманометра - 1,0  5.Предельное значение числа Рейнольдса 400.000  6.Диаметр условного прохода 400  7.Материал и состояние внутренней поверхности трубопровода: сталь новая бесшовная холоднокатаная 12,5 мкм, горячетянутая 6,3 мкм. 8.Способ отбора давлений: с отдельным отверстием.9.Способ присоединения к трубопроводу – фланцевый на шпильках.10. Расходомер должен иметь класс точности не ниже 2,0.Требуется рассчитать приведенную температуру перегретого водяного пара tпр и приведенное давление pпр для определения коэффициента динамической вязкости η. По данным справочника [1 ]:,где t – заданная температура среды, ºC;t=230 ºC.,где р – абсолютное давление водяного пара, МПа. р=1,6 МПа.Рассчитываются значения t и p:;.Коэффициент динамической вязкости перегретого водяного пара вычисляется по формуле:Определяем показатель адиабаты среды (перегретого водяного пара) k по формуле:Для нахождения плотности перегретого водяного пара, нужно найти Z – коэффициент сжимаемости, [1]:Вычисляем плотность пара, [1]:; кг/м3.Параметры η, κ, ρ, Z находится при помощи программы MATHCAD.Число Рейнольдса определяется по формуле 3.2 [10]:;где – массовый расход водяного пара, – число Пи; – динамическая вязкость водяного пара, – диаметр условного прохода трубопровода, Значение выбирается из стандартного ряда чисел qm =0,0025 кг/с.Составим таблицу рассчитанных теплофизических характеристик измеряемой среды (водяного пара):Таблица 2 - Результаты расчетов 2-ой главыОбозна-чениеНаименованиеПолучен-ные данныеЕдиница измеренияTТемпература водяного пара503КpАбсолютное давление1,6МПаtпрПриведенная температура перегретого водяного пара0,7771рпрПриведенное давление перегретого водяного пар0,0731Плотность водяного пара7,487кг/м3Коэффициент динамической вязкости1,73·10-5Па·сkПоказатель адиабаты10,271ZФактор сжимаемости0,92713. Расчет диаметра СУФункция преобразования массового расхода водяного пара в зависимости от перепада давления определяется выражением: где – коэффициент истечения; – коэффициент расширения; – диаметр горловины СУ, – плотность водяного пара, – перепад давления на СУ, Согласно формуле 5.2 [4] где Диаметр СУ находится из [10] (пункт 3.2.12):Значение коэффициента , согласно [4] (пункт 5.1.2), должно удовлетворять условию – 0,30≤≤0,75. Значения перепада давления (при <=16 МПа) выбираются из ряда предпочтительных чисел: 0,0063МПа; 0,01МПа; 0,016МПа; 0,025МПа; 0,04МПа; 0,063МПа; 0,1МПа; 0,16МПа; 0,25МПа. Параметр находится при помощи функции root в пакете программ MATHCAD с использованием для решения уравнений вида f(x)=0 Функция root реализует вычисления итерационным методом секущей В таблице 3.1 показаны значения перепада давления и соответственные значения коэффициента .Таблица 3.1 – Результаты вычислений в программе MATHCAD МПа0,00631,0520,010,980,0160,8360,0250,7440,040,6630,0630,5950,10,5320,160,4760,250,440Из полученных значений условию 0,30≤≤0,75 удовлетворяют 6 значений:β=0,744; β=0,663; β=0,595; β=0,532; β=0,476; β=0,440.Оставшиеся значения коэффициента лежат за пределами установленных границ.Для каждой пары значений и рассчитываем потерю давления. Потеря давления определяется согласно формуле 8.12 [5]. где - коэффициент, равный отношению ;- номинальный перепад давления, .Наилучшим является тот вариант, в котором потеря давления будет наименьшей: =10746 Па.Следовательно, выбирается пара значений: β=0,744;Вычисляется диаметр отверстия СУ по формуле:;d=0,744*0,4 м=0,2976 м. Принимаем d=298 мм.4 Проектирование сужающего устройства.Манометр дифференциальный показывающий ДСП-160-М11. НазначениеДифференциальные манометры (дифманометры) сильфонные предназначены для измерения:а) расхода жидких и газообразных сред по методу переменного перепада давлений в стандартных сужающих устройствах (расходомеры);б) разности давлений жидких и газообразных сред (перепадомеры);в) уровня жидких сред, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением (уровнемеры).2. Технические характеристики1.Предельно допускаемые рабочие избыточные давления, кгс/см263; 160; 250; 3202.Предельные номинальные перепады давлений, кгс/см20,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5 – на избыточное давление до 63 и 160 кгс/см20,4; 0,63; 1,6; 2,5; 4; 6,3 – на избыточное давление до 250 и 320 кгс/см23. Классы точности1; 1,54. Верхние пределы измерений: а) дифманометров-расходомеров выбираются из ряда А=а·10n, где а – одно из чисел ряда, n – целое (положительное или отрицательное) число или нуль1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8б) дифманометров-перепадомеровдолжны соответствовать предельным номинальным перепадам давленияв) дифманометров-уровнемеров выбираются из ряда63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300; 10000; 16000 см0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160 м5. Температура окружающей среды, °С ДСП-160-М1 –40…+70 6. Относительная влажность, %до 807. Изготавливаются поТУ 25-7310.0063-878. Код ОКП42 12539. Габаритные размеры, мм: 195х153х13610. Масса, кг, не более16 Выбор материала СУТрубу, кольцевые трубки изготавливают из коррозионностойкого по отношению к воде материала, температурный коэффициент линейного расширения которого известен в рабочем диапазоне температур. Выбранным материалом является сталь марки 12Х18Н10Т, согласно [5]. Для изготовления шпилек, согласно [7], используют сталь марки 45Х14Н14В2М. Для изготовления гаек и шайб используют сталь марки: 12Х18Н10Т.Обоснование размеров СУНа рисунке 3 приведен разрез трубы Вентури в плоскости, проходящей через ее ось.