УСТРОЙСТВО ПОДГОТОВКИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА Российский патент 2015 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к системам выравнивания потока текучей среды в проточной части расходомеров или в трубопроводах на входе расходомеров, предназначенных для измерений объемного расхода текучих сред.

Как известно, любые неоднородности трубопровода (отводы, запорно-регулирующая арматура) искажают эпюру скоростей потока жидкости. Это искажение, в свою очередь, влияет на погрешность измерения расхода расходомерами. Для повышения точности измерения необходимо увеличивать длину прямого участка после препятствия перед расходомером. Но на практике данное решение не всегда возможно ввиду ограничений по площади установки расходомера. Альтернативным способом решения данной проблемы является установка перед расходомером устройства подготовки потока текучей среды.

Поток текучей среды в трубе может принимать различные формы. В условиях, приближенных к идеальным, когда перед расходомером длинный прямой участок трубы, поток жидкости близок к полностью развитому потоку, при котором эпюра потока постоянна. Но в реальных условиях поток может быть как несимметричным без вихрей, несимметричным с мелкими вихрями, так и симметричным с крупными вихрями.

Устройство подготовки потока текучей среды - это изделие, которое устанавливают перед расходомером либо в проточной части расходомера.

Основная задача устройства подготовки потока (УПП) - обеспечение условий для образования формы потока контролируемой текучей среды, максимально приближенной к форме полностью развитого потока, распределение скоростей в котором максимально приближено к заводским условиям калибровки расходомера.

Известно устройство подготовки потока текучей среды в ультразвуковом расходомере, а именно турбулизатор потока фирмы Landis and Gyr (EP 1876427 A1, G01F 1/66, публ. 09.01.2008 г.). Турбулизатор потока содержит в средней части проходную трубу, которая в обе стороны симметрично переходит в конусы, переходящие, в свою очередь, в цилиндр. При этом в цилиндрическую часть, расположенную по потоку, установлена трубка, снаружи которой по образующим цилиндрической поверхности перпендикулярно приварены на ребро пластины специальной формы, закручивающие входной поток текучей среды под заданным углом, который упорядочивается в средней части устройства и далее в выходных конусообразной и цилиндрической частях.

Недостаток известного устройства состоит в заметном перепаде давления между входом и выходом устройства, что обусловлено его конструкцией, а именно: изменяющийся диаметр проходного сечения; большая разница диаметров между средней и конусообразными частями устройства. Кроме того, устройство не устраняет несимметричность эпюры скоростей потока жидкой среды.

Известно устройство подготовки потока текучей среды в ультразвуковом расходомере фирмы Landis and Gyr (EP 0741283 A1, G01F 1/66, 06.11.1996 г.) Перед расходомером по потоку установлена вставка-крест, которая разделяет поток на 4 части. Устройство нормализует, выравнивает поток текучей среды, но при этом не устраняет несимметричность эпюры скоростей.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство подготовки потока текучей среды для расходомера, описанное в патенте США US 4981368, 01.12.1991 г.

Известное устройство подготовки потока содержит цилиндрический корпус и направляющие элементы, выполненные в виде пластин в форме равнобочной трапеции, которые основаниями трапеций, по четыре, жестко, через равное расстояние друг от друга, закреплены по окружности на одном из торцов цилиндра корпуса, при этом свободные концы пластин отогнуты внутрь корпуса под одинаковыми острыми углами к его оси.

При установке в трубу пластины направлены по потоку. Поток текучей жидкости, встречая на своем пути препятствие в виде пластины вставки, поднимается по ней вверх и падает с ее верхней кромки по обе стороны. В результате вдоль внутренней поверхности трубы образуются вихри из текучей жидкости с осью вращения, направленной в продольном направлении по потоку. При этом выравнивание эпюры скоростей в исходном потоке текучей среды происходит благодаря перемешиванию соседних вихрей, образованных из текучей жидкости, в которых направление вращения потока текучей жидкости совпадает. Однако по внутреннему периметру трубы на входе вставки текучая среда характеризуется хаотическим распределением эпюры скоростей, особенно, когда вставка установлена после изгиба трубы. Поскольку известная вставка обеспечивает эффективное перемешивание только соседних вихрей, сформированных из текучей жидкости, то это обуславливает наличие несимметричности эпюры скоростей в потоке на выходе вставки. При асимметричном профиле скоростей снижается точность измерений.

Кроме того, для того чтобы сформировался вихрь, требуется давление потока и скорость, при которых жидкость, стекая с краев пластины, успевает замкнуться в окружность, т.е. образовать завихрение. Следовательно, для получения полезного эффекта при использовании известной вставки необходимо обеспечить определенные динамические и кинетические характеристики исходного потока, т.е. известную вставку требуется каждый раз изготавливать для конкретных условий использования, что и подтверждается в описании изобретения. В результате для данной конструкции вставки сужается рабочий диапазон давления и скорости текучей среды, при котором расходомером обеспечивается требуемая точность измерений.

Кроме того, при использовании известной вставки - нормализатора потока, при встрече с пластинами поток текучей среды заметно теряет кинетическую энергию, что конструктивно обуславливает снижение давления на выходе вставки, а следовательно, снижает точность измерений расхода при использовании этой вставки.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства подготовки потока текучей среды для расходомера, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона измерения расходов, в обеспечении необходимой точности измерений расхода в широком диапазоне кинетических и гидравлических характеристик текучей среды, в поддержании требуемой точности измерений расхода за счет возможности обеспечения постоянной скорости измеряемого потока путем улучшения симметричности эпюры скоростей по всему сечению текучей среды.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в устройстве подготовки потока текучей среды для расходомера, содержащем полый цилиндрический корпус и направляющие элементы, выполненные в виде пластин, жестко соединенных основанием с корпусом на расстоянии друг от друга по окружности цилиндра корпуса, новым является то, что пластины направляющих элементов закреплены по окружностям внутренней поверхности цилиндра корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, перпендикулярно к его внутренней поверхности, в два и более параллельных ряда, с количеством пластин в ряду не менее трех, при этом форма и профиль обтекания пластин в ряду одинаковы, а ряды расположены друг за другом по потоку и отстоят друг от друга с образованием переходной зоны между рядами, пластины в ряду закреплены под равными углами к направлению движения потока, обеспечивающими закрутку текучей среды в противоположном направлении по отношению к соседнему ряду, при этом в ряду пластины соответственно закреплены под углом, не превышающим по абсолютному значению 60° к направлению движения потока соответственно, кроме того, каждый ряд сдвинут по отношению к предыдущему ряду по внутренней окружности цилиндра корпуса на угол, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду, но менее 120°, кроме того, все пластины в ряду имеют одинаковый максимальный вертикальный размер, при котором площадь сечения активной зоны внутри цилиндрического корпуса составляет 0,1-0,9 от общей площади сечения проточной части вставки, кроме того, в ряду пластины имеют идентичный профиль обтекания с увеличивающимся до максимального вертикальным размером, а пластины последнего по потоку ряда выполнены с профилем, у которого по потоку вертикальный размер убывает, а форма и геометрические размеры профиля всех пластин обеспечивают кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью.

Существенные признаки формулы изобретения: «Устройство подготовки потока текучей среды для расходомера, содержащее полый цилиндрический корпус и направляющие элементы, выполненные в виде пластин, жестко соединенных основанием с корпусом на расстоянии друг от друга по окружности цилиндра корпуса, …» являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.

Благодаря тому что корпус устройства подготовки потока текучей среды для расходомера выполнен цилиндрическим, форма корпуса вставки конгруэнтна внутренней поверхности трубопровода с круглым сечением, что упрощает ее использование.

В заявленном устройстве подготовки потока пластины направляющих элементов закреплены по окружностям внутренней поверхности цилиндра, в два и более параллельных ряда, при этом ряды расположены друг за другом по потоку и отстоят друг от друга с образованием переходной зоны между рядами. Это обеспечивает возможность более длительного взаимодействия вставки с потоком текучей среды путем неоднократного воздействия на поток при прохождении его через направляющие пластины вставки, что создает благоприятные условия для корректировки эпюры скоростей потока. При этом пластины в ряду закреплены под равными углами к направлению движения потока, обеспечивающими закрутку текучей среды в противоположном направлении по отношению к соседнему ряду, при этом в ряду пластины соответственно закреплены под углом, не превышающим по абсолютному значению 60° к направлению движения потока соответственно. Кроме того, каждый ряд сдвинут по отношению к предыдущему ряду по внутренней окружности цилиндра корпуса на угол, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду, но менее 120°. В результате, каждый ряд пластин закручивает поток текучей среды в противоположную сторону. При этом угол закрепления пластин исключает возникновение срывных турбулентных потоков, как при прохождении потока через переходную зону, так и на входе и выходе из вставки.

Кроме того, в заявленном устройстве пластины установлены перпендикулярно к внутренней цилиндрической поверхности корпуса вставки, что способствует равномерному распределению давления на направляющие пластины, обеспечивая одинаковые условия для взаимодействия направляющих пластин с потоком, а также обеспечивает четкое разделение общего потока, протекающего через направляющие пластины вдоль внутренних стенок вставки на равные части. В совокупности с вышеизложенным это способствует равномерному перемешиванию потока текучей среды и выравниванию скоростей потока, поток становится симметричным и одинаково закрученным. Последнее исключает образование мертвой зоны в текучей среде вблизи внутренней стенки корпуса вставки, а следовательно, включает в процесс закручивания весь поток.

Таким образом, по мере прохождения через вставку поток становится равномерным. При этом наличие переходной зоны способствует более плавному переходу потока на следующий ряд пластин направляющих элементов.

В результате на выходе из вставки поток становится осесимметричным, что минимизирует перепад давлений среды и обеспечивает точность измерений в широком диапазоне динамических и кинетических характеристик потока.

При этом профили обтекания пластин выбраны таким образом, что в ряду пластины имеют идентичный профиль обтекания с увеличивающимся до максимального вертикальным размером. В результате при установке пластины перпендикулярно внутренней поверхности корпуса и под углом к направлению движения потока обеспечивается возможность закручивания потока в широком диапазоне скоростей путем изменения на пути потока высоты преграды в виде пластины, а следовательно, путем изменения противодействующей силы лобового сопротивления плоскости пластины при ударе о нее потока. При этом выполнение пластин последнего по потоку ряда с профилем, у которого по потоку вертикальный размер убывает, позволяет снизить скорость закрутки потока при выходе из вставки, тем самым исключая возможность образования мертвой зоны вблизи внутренней стенки корпуса, и получить равномерное распределение скоростей.

Минимальное количество пластин (не менее трех) обуславливает максимальный угол между пластинами в 120°. Этим объясняется выбор максимального угла сдвига рядов на угол менее 120°.

Для случая трех пластин в ряду и при сдвиге рядов 120° все направляющие пластины выстраиваются друг за другом, образуя изогнутый коридор, в котором условия для закрутки потока не выполняются. При сдвиге рядов на угол менее 120° уже выполняются условия для закрутки потока текучей жидкости. При этом максимальный угол сдвига 120° и максимальное значение модуля угла установки пластин по отношению к направлению движения потока, составляющее 60°, являются оптимальными, полученными опытным путем.

В заявленном изобретении все пластины имеют максимальный вертикальный размер, при котором площадь сечения активной зоны внутри цилиндрического корпуса составляет 0,1-0,9 от общей площади сечения проточной части. Кроме того, форма и геометрические размеры профиля пластин обеспечивают кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью. Благодаря этому угол крепления пластин направляющих элементов, их профиль и геометрические размеры не создают эффекта затенения сечения активной зоны, приводящего к заметным потерям скоростного напора и, как следствие, к дополнительным погрешностям измерения расхода.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство подготовки потока текучей среды для расходомера при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона измерения расходов, в обеспечении необходимой точности измерений расхода в широком диапазоне кинетических и гидравлических характеристик текучей среды, в поддержании требуемой точности измерений расхода за счет возможности обеспечения постоянной скорости измеряемого потока путем улучшения симметричности эпюры скоростей по всему сечению текучей среды.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство подготовки потока текучей среды для расходомера (УПП); на фиг.2 - поперечное сечение УПП; на фиг.3 - продольное сечение УПП; на фиг.4 - номограмма потерь давления расходомера Карат-520-80 с заявляемым УПП; на фиг.5 - контурное распределение скоростей потока текучей среды после отвода 180° с УПП (фиг.5а) и без УПП (фиг.5б) на расстоянии от отвода (в условных диаметрах) 2 ду, 3 ду, 4 ду, 5 ду; на фиг.6 - чистая характеристика расходомера Карат-520-80 с заявляемым УПП в условиях установившегося и неустановившегося потока; на фиг.7 - чистая характеристика расходомера Карат-520-80 без заявляемого УПП в условиях установившегося и неустановившегося потока.

Заявляемое устройство подготовки потока текучей среды для расходомера (фиг.1, 2, 3) содержит полый цилиндрический корпус 1 и направляющие элементы 2_n, выполненные в виде пластин, жестко соединенных основанием с корпусом 1 на одинаковом расстоянии друг от друга по окружностям внутренней поверхности 3 цилиндра корпуса 1, перпендикулярно к его внутренней поверхности 3 в два и более параллельных ряда 4_n, где n=2, 3, 4… Количество пластин 2_n в ряду 4_n не менее трех. Форма и профиль обтекания пластин в ряду одинаковы, а ряды расположены друг за другом по потоку и отстоят друг от друга с образованием переходной зоны 5 между рядами 4_n.

Пластины 2_n в ряду 4_n закреплены под равными углами ά к направлению движения потока, обеспечивающими закрутку текучей среды в противоположном направлении по отношению к соседнему ряду. При этом в ряду пластины соответственно закреплены под углом ά, не превышающим по абсолютному значению 60° к направлению движения потока соответственно.

Кроме того, каждый ряд пластин сдвинут по отношению к предыдущему ряду по внутренней окружности цилиндра корпуса на угол β, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду, но менее 120°.

Кроме того, все пластины в ряду имеют одинаковый максимальный вертикальный размер, при котором площадь сечения активной зоны 6 внутри цилиндрического корпуса 1 составляет 0,1-0,9 от общей площади сечения проточной части устройства. В ряду пластины имеют идентичный профиль обтекания с увеличивающимся до максимального вертикальным размером, а пластины последнего по потоку ряда выполнены с профилем, у которого по потоку вертикальный размер убывает. При этом форма и геометрические размеры профиля всех пластин устройства обеспечивают кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью.

Заявляемое устройство подготовки потока текучей среды для расходомера используют следующим образом. Корпус 1 УПП изготавливают конгруэнтным трубе, в которой установлен расходомер. Устройство размещают перед зоной измерения расходомера по направлению движения контролируемого потока текучей среды. Первый ряд направляющих элементов закручивает поток в одну сторону, например по часовой стрелке (значение угла установки пластин положительное). Следующий ряд направляющих элементов закручивает поток в противоположную сторону (значение угла установки пластин отрицательное) и так далее.

При этом форма и геометрические размеры профиля пластин направляющих элементов, угол закрепления, а также их количество обеспечивают на выходе вставки симметричное распределение эпюры скоростей потока при различных начальных условиях. В результате, в проточной части расходомера, в котором установлено заявляемое устройство, осуществляется формирование потока текучей среды с требуемыми характеристиками, позволяющими обеспечить необходимую метрологическую точность. Таким образом, заявленное устройство подготовки потока обеспечивает кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью.

Для подтверждения соответствия заявленного устройства подготовки потока текучей среды для расходомера критерию «промышленная применимость» на предприятии НПП Уралтехнологии было изготовлено заявленное УПП и проведена экспериментальная проверка его работы с расходомером.

Устройство подготовки потока было разработано для ультразвукового расходомера Карат-520-80.

Разработку данного устройства выполняли методом математического моделирования.

Цель моделирования - выбор оптимальной конструкции УПП, реализуемой в соответствии с формулой заявленного изобретения.

Математическое моделирование включало в себя: создание геометрии (3d модель); построение расчетной сетки; передачу сеточной модели в препроцессор CFD программы, определение расчетной схемы, граничных и начальных условий, условий сходимости расчета; непосредственный расчет; анализ результатов.

Рассматривались различное количество и форма направляющих элементов. В качестве критерия выбора оптимального решения были выбраны: одинаковое распределение скоростей после отвода 180° и после прямого участка; минимальный перепад давлений; максимальная активная площадь сечения.

По данным критериям для ультразвукового расходомера Карат-520-80 (условный диаметр 80 мм) была выбрана оптимальная конструкция вставки, а именно: количество направляющих пластин в ряду 5; количество рядов 2; площадь сечения активной зоны внутри цилиндрического корпуса составляет 0,6 от общей площади сечения; величина углов ά закрепления пластин 2₁ составляет 20,7°; каждый ряд 4_n-1 сдвинут по отношению к предыдущему ряду 4_n по внутренней окружности цилиндра корпуса на угол β, равный 60°, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду; общая площадь сечения определена радиусом R=31,5 мм; эффективная площадь сечения определена внутренним радиусом r=18,5 мм (фиг.2); вертикальный размер пластин направляющих элементов (R-r)=13 мм; площадь активной зоны внутри цилиндрического корпуса составила 2042 мм²; общая площадь сечения проточной части вставки составила 3117 мм².

По результатам математического моделирования была построена номограмма потерь давления при использовании заявленного устройства подготовки потока (фиг.4). Анализ номограммы показал, что перепад давления находится в допустимом диапазоне. Согласно EN1434 перепад давления на номинальном расходе должен быть не более 0,25 атм. При использовании УПП по заявленному изобретению перепад давления составил dP (Q_nom)=0.103 atm, что значительно ниже допустимого предела.

Кроме того, было получено контурное распределение скоростей в потоке после отвода 180° с УПП по заявленному изобретению и без УПП: на разных расстояниях от отвода (2, 2.4, 3, 4 и 5 условных диаметра от отвода (фиг.5а, б)).

Сравнительный анализ распределения скоростей в потоке показал следующее: при отсутствии УПП на прямом участке, протяженностью 5 ду после отвода 180°, поток несимметричный, образуются два вихря, которые остаются даже через 5 ду после отвода.

УПП закручивает поток сначала в одну, затем в другую сторону. В результате, на выходе из УПП поток распределен симметрично и равномерно.

Были получены чистые характеристики расходомера с УПП и без УПП в условиях установившегося и неустановившегося потока. Выявлено, что разница между чистыми характеристиками расходомера с УПП в условиях установившегося и неустановившегося потока минимальна (фиг.6, фиг.7).

Чистая характеристика (гидродинамический коэффициент) представляет собой отношение средней скорости потока жидкости в трубопроводе к скорости потока жидкости v, усредненной вдоль ультразвукового луча. На графиках приведена нормированная характеристика (относительно максимального расхода) расходомера до калибровки.

Расходомер с устройством подготовки потока по заявленному изобретению показал меньшую чувствительность к неравномерностям потока.

Следует отметить, что эксперимент проводился при экстремальных условиях - расходомер располагали сразу после отвода 180° (без прямых участков). Прямой участок в 5 условных диаметров еще более сократит разницу между характеристиками.

Таким образом, устройство подготовки потока, изготовленное в соответствии с заявленной формулой изобретения, активно воздействует на поток и преобразует его, формируя симметричную эпюру скоростей потока, обеспечивает минимальный перепад давлений, при этом заявленное УПП воздействует на поток одинаково, независимо от условий установки расходомера. Разница характеристик изделия с заявленным УПП в условиях установившегося и неустановившегося потока составила не более 1% (среднее значение разницы между характеристиками по 8 точкам (расходам) 0,17%).

Область использования: изобретение относится к системам выравнивания потока текучей среды в проточной части расходомеров или в трубопроводах на входе расходомеров, предназначенных для измерений объемного расхода текучих сред. Сущность изобретения: устройство содержит полый цилиндрический корпус 1 и направляющие элементы 2_n в виде пластин, жестко соединенных основанием с корпусом 1 на одинаковом расстоянии друг от друга по окружностям внутренней поверхности 3 цилиндра корпуса 1, перпендикулярно к его внутренней поверхности 3 в два и более параллельных ряда 4_n. Количество пластин 2_n в ряду 4_n не менее трех. Форма и профиль обтекания пластин в ряду одинаковы с увеличивающимся до максимального вертикальным размером. Ряды расположены по потоку с образованием переходной зоны 5. Пластины 2_n в ряду 4_n закреплены под равными углами ά к направлению движения потока, обеспечивающими закрутку текучей среды в противоположном направлении по отношению к соседнему ряду. Ряды пластин сдвинуты на угол β, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду, но менее 120°. Пластины в ряду имеют одинаковый максимальный вертикальный размер, при котором площадь сечения активной зоны 6 внутри цилиндрического корпуса 1 составляет 0,1-0,9 от общей площади сечения проточной части устройства. Вертикальный размер профиля пластин последнего по потоку ряда убывает. Форма и геометрические размеры профиля всех пластин устройства обеспечивают кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью. Достигаемый технический результат: расширение диапазона измерения расходов, обеспечение необходимой точности измерений расхода в широком диапазоне кинетических и гидравлических характеристик текучей среды, поддержание требуемой точности измерений расхода за счет возможности обеспечения постоянной скорости измеряемого потока путем улучшения симметричности эпюры скоростей по всему сечению текучей среды. 7 ил.

Устройство подготовки потока текучей среды для расходомера, содержащее полый цилиндрический корпус и направляющие элементы, выполненные в виде пластин, жестко соединенных основанием с корпусом на расстоянии друг от друга по окружности цилиндра корпуса, отличающееся тем, что пластины направляющих элементов закреплены по окружностям внутренней поверхности цилиндра корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, перпендикулярно к его внутренней поверхности, в два и более параллельных ряда, с количеством пластин в ряду не менее трех, при этом форма и профиль обтекания пластин в ряду одинаковы, а ряды расположены друг за другом по потоку и отстоят друг от друга с образованием переходной зоны между рядами, пластины в ряду закреплены под равными углами к направлению движения потока, обеспечивающими закрутку текучей среды в противоположном направлении по отношению к соседнему ряду, при этом в ряду пластины соответственно закреплены под углом, не превышающим по абсолютному значению 60° к направлению движения потока соответственно, кроме того, каждый ряд сдвинут по отношению к предыдущему ряду по внутренней окружности цилиндра корпуса на угол, обеспечивающий противоположное направление закрутки потока текучей среды по отношению к соседнему ряду, но менее 120°, кроме того, пластины в ряду имеют одинаковый максимальный вертикальный размер, при котором площадь сечения активной зоны внутри цилиндрического корпуса составляет 0,1-0,9 от общей площади сечения проточной части устройства, кроме того, в ряду пластины имеют идентичный профиль обтекания с увеличивающимся до максимального вертикальным размером, а пластины последнего по потоку ряда выполнены с профилем, у которого по потоку вертикальный размер убывает, а форма и геометрические размеры профиля всех пластин обеспечивают кинетические и динамические параметры потока текучей среды в динамическом диапазоне измерения расхода с заданной погрешностью.