СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной технике и, в частности, касается раздела гидравлики «Расчет простых трубопроводов». Заявленные способ и устройство позволяют повысить точность и достоверность определения расчетной расходной характеристики проектируемого (реального) гидравлического тракта, состоящего из ряда местных сопротивлений и участков трубопроводов с концевой раздачей через запорное устройство со сливным наконечником. Изобретение позволяет вести достаточно точный и достоверный для практики расчет расходных характеристик реального тракта при транспортировании по нему жидких продуктов различной вязкости, а также прогнозировать расходные характеристики тракта при варьировании заданного диапазона изменения расхода и длины отдельных участков трубопроводов. Предлагаемое изобретение может быть использовано для расчета пропускной способности проектируемых гидравлических трактов транспортных и дозирующих систем в химической, нефтехимической, авиационной, текстильной, лакокрасочной и других отраслях промышленности, в частности узлов транспортирования клеевых составов в сборочных производствах с клеевыми соединениями.

Основной задачей, которую приходится решать при проектировании тракта транспортирования жидких продуктов, является определение его пропускной способности (объемного расхода) Q при различных значениях действующего напора Н, т.е. его расходной характеристики - функции Q=F(H). Предлагаемый способ определения расходной характеристики основан на анализе уравнения Бернулли для установившегося течения несжимаемой жидкости. Это уравнение для гидравлического тракта, состоящего из нескольких местных сопротивлений, соединенных участками трубопроводов длиной L_i с внутренним диаметром d_тj, с концевой раздачей через сливной наконечник с внутренним диаметром d_н, имеет вид:

где f_н=[π(d_н)²/4] - площадь проходного сечения наконечника, g - ускорение силы тяжести, λ_i - коэффициент сопротивления трения на i-м участке трубопровода, ξ - суммарный коэффициент потерь напора на местных сопротивлениях в тракте, который определяется конструктивными параметрами местных сопротивлений и не зависит от вязкости жидкости. С учетом равенства Q=v_нf_н, где v_н - скорость истечения жидкости из сливного наконечника, уравнение (1) принимает вид:

При заданных значениях параметров v_н, L_i, d_н и d_тi и известной кинематической вязкости жидкости v по общепринятым в гидравлике соотношениям легко рассчитывается коэффициент трения λ_i. Так, например, для турбулентного режима течения , где число Рейнольдса Re_i=v_тid_тi/v, v_тi=v_н(d_н/d_тi)² - скорость течения на i-м участке трубопровода. Таким образом, для определения интересующей нас функции Q=F(H) необходимо определить заранее неизвестный параметр ξ.

Известен способ определения расчетной расходной характеристики гидравлического тракта в виде последовательно соединенных через местные сопротивления участков трубопроводов, заключающийся в использовании уравнения Бернулли для установившегося турбулентного движения жидкости с предварительным определением суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях в тракте (ξ) с помощью справочной литературы [1. И.И. Куклевский и Л.Г. Подвидза. Сборник задач по машиностроительной гидравлике. - М.: Машиностроение, 1972, с. 226-233; 2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.].

Недостатками известного способа является его высокая трудоемкость и низкая точность из-за большого разброса справочных значений коэффициентов потерь напора на отдельных местных сопротивлениях, а также из-за их отсутствия для ряда современных конструкций гидрозапорной и регулирующей арматуры на линии транспортирования жидкости. Кроме того, значение параметра ξ в уравнениях (1) и (2) зависит не только от конструктивных параметров местных сопротивлений, но и, в некоторой степени, - от числа Рейнольдса потока даже в области турбулентной автомодельности течения по числу Re.

Известен также способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления (RU №2240525 C1, 20.11.2004), принятый за прототип.

Известный способ реализуется путем проливки натурного тракта на переходном режиме натурной жидкостью под давлением сжатого газа, измерения давления на выходе тракта и измерения давления газа в замкнутой камере с фиксированным объемом и определения площади поперечного сечения перед входом в тракт. При этом перед началом испытания тракта до заполнения камеры газом в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ - жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт и определяют коэффициент гидравлического сопротивления расчетным путем.

Недостатками известного способа является необходимость испытаний тракта на натурной жидкости, что требует дополнительного контроля изменений ее вязкости в процессе измерений, а также ограниченность его применения на трактах большой протяженности, что требует обеспечения возможности его размещения на участке испытаний. Недостатком способа-прототипа является также невозможность прогнозирования расчетной расходной характеристики тракта с варьируемой длиной отдельных участков образующих тракт трубопроводов из-за невозможности выделения из результатов измерений составляющих потерь напора, а именно: скоростного напора жидкости на выходе тракта, потерь напора в тракте на трение и на местные сопротивления. Кроме того, недостатком данного способа является его высокая трудоемкость.

Известное устройство-прототип (RU №2240525 C1, 20.11.2004) для реализации данного способа определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта содержит замкнутую камеру фиксированного объема с источником давления газа, держатель тракта, измеритель давления газа в камере и установленный на выходе испытуемого тракта запорный элемент, соединенный гибкой связью с держателем тракта, а также источник жидкости, измеритель уровня жидкости в камере, предохранительный клапан, сливную емкость, систему перекачки жидкости из сливной емкости в камеру при повторном использовании жидкости, при этом запорный элемент снабжен пробкой для удаления газовых включений из внутренних полостей тракта при заполнении камеры жидкостью перед проливкой тракта.

Недостатком устройства-прототипа является его низкая точность и достоверность определения расчетной расходной характеристики гидравлического тракта из-за сложности самой методики измерений, предполагающей снятие динамических характеристик течения натурной жидкости. Кроме того, известное устройство характеризуется необходимостью использования большого объема сложной контрольно-измерительной аппаратуры (датчиков и исполнительных механизмов, измерительных преобразователей, вычислителей, работающих в режиме реального времени), снижающей точность измерений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности определения расходной характеристики проектируемого тракта при работе на жидкостях различной вязкости и возможность ее прогнозирования при варьировании заданного диапазона изменения расхода и длины образующих тракт участков трубопроводов.

Техническим результатом способа является повышение точности и достоверности определения расчетной расходной характеристики гидравлического тракта при транспортировании по нему жидких продуктов различной вязкости и возможность ее прогнозирования при варьировании заданного диапазона изменения расхода и длины образующих тракт участков трубопроводов.

Техническим результатом устройства является возможность оперативного определения среднего (для заданного диапазона изменения расхода) значения суммарного коэффициента потерь действующего в тракте напора на местных сопротивлениях.

Суть заявляемого способа заключается в экспериментальном определении входящего в уравнения (1) и (2) параметра ξ посредством многократной проливки тракта водопроводной водой (с известной кинематической вязкостью v_в) при различных заданных и поддерживаемых на постоянном уровне в процессе каждой проливки значениях действующего напора H=H_j, с дальнейшим определением расчетным путем и прогнозированием семейства расходных характеристик тракта с заданными варьируемыми значениями вязкости жидкости, диапазона изменения расхода и длины образующих тракт участков трубопроводов.

Технический результат предлагаемого способа определения расходной характеристики гидравлического тракта, состоящего из местных сопротивлений и участков трубопроводов с концевой раздачей через запорное устройство со сливным наконечником, путем проливки тракта жидкостью и математической обработки полученных экспериментальных данных, достигается тем, что проливка производится водопроводной водой при комнатной температуре на модели тракта с проектными конструктивами местных сопротивлений и типоразмерами внутренних диаметров трубопроводов, посредством многократного порционного дозирования воды в мерную тару с постоянным объемным расходом Q_j при различных, ступенчато изменяемых от максимального до минимального значений и поддерживаемых во время каждой операции дозирования на постоянном уровне величинах действующего напора H_j, с последующим вычислением среднего значения (ξ_ср) суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях и перерасчетом расходных характеристик тракта на параметры натурной жидкости, заданный диапазон изменения расхода и реальные длины трубопроводов.

Технический результат предлагаемого устройства для определения среднего значения суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях, содержащего расходную емкость как источник жидкости для проливки тракта, расходный резервуар с уровнемерной трубкой в качестве измерителя уровня, оборудованный запорными вентилями для подачи сжатого воздуха и пополнения жидкостью с подключенным к его нижней части испытуемым трактом с запорным устройством на его выходе, мерную тару как сливную емкость, систему перекачки жидкости из расходной емкости в расходный резервуар при повторном использовании жидкости, достигается тем, что система пополнения расходного резервуара жидкостью - водопроводной водой - содержит струйный эжектор с запорными вентилями на линии пневмопитания и линии вакуума, запорное устройство выполнено в виде шарового крана с двухсторонним пневмоприводом с отрицательным - «закрыть» и положительным - «открыть» входами и со сливным наконечником, а расходный резервуар дополнительно оборудован барботажной трубкой с линией питания через постоянный дроссель, выход которой подключен к входу введенного в устройство пневмоэлектронного блока управления, состоящего из пневматического регулятора давления и электропневматического временного устройства, содержащего электронный таймер с цифровым индикатором и кнопками настройки времени и запуска операции дозирования, электропневмо-преобразователь с нормально открытым и нормально замкнутым пневмоконтактами, управляющий вход которого подключен к выходу таймера, и логический пневмоэлемент НЕ, выход которого подключен к положительному входу пневмопривода шарового крана, а вход - к отрицательному входу пневмопривода и к выходу электропневмопреобразователя, нормально открытый пнемоконтакт которого подключен к источнику пневмопитания, а нормально закрытый пневмоконтакт сообщается с атмосферой; пневматический регулятор давления содержит пятимембранный элемент сравнения с двумя положительными и двумя отрицательными входами, первое и второе нормально открытые пневмореле-коммутаторы, блок усилителей мощности, выходы которых через сборный коллектор подключены к запорному вентилю подачи сжатого воздуха в расходный резервуар и функционально образующие пульт управления регулятора давления пневмотумблер контроля заданной или фактической величины полного давления в расходном резервуаре, выход которого подсоединен к управляющему входу первого пневмореле-коммутатора, задатчик полного давления и пневмотумблер подачи давления в расходный резервуар, выход которого подключен к управляющему входу второго пневмореле-коммутатора, выход которого подключен к входам усилителей мощности, нормально открытый пневмоконтакт второго пневмореле-коммутатора сообщается с атмосферой, а его нормально замкнутый пневмоконтакт подключен к выходу пятимембранного элемента сравнения, положительные входы которого подключены к выходу задатчика давления и к нормально открытому пневмоконтакту первого пневмореле-коммутатора, выход которого подключен к образцовому манометру, а нормально замкнутый пневмоконтакт - к выходу барботажной трубки и к отрицательным входам пятимембранного элемента сравнения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства, реализующего способ определения расходной характеристики тракта путем предварительного экспериментального определения суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях в тракте (ξ) с дальнейшим определением расчетным путем и построением семейства его расходных характеристик для жидкостей различной вязкости и прогнозированием расходных характеристик с заданными варьируемыми значениями диапазона изменения расхода и длины образующих тракт участков трубопроводов.

Устройство представляет собой систему автоматизированного порционного дозирования водопроводной воды с контролем отмеривания дозы по времени и содержит объект управления 1 и пневмоэлектронный блок управления 2.

Объект управления 1 содержит следующее технологическое оборудование:

- расходную емкость (РЕ) 3 с водопроводной водой;

- расходный резервуар (РР) 4 с герметичной крышкой для работы под давлением, оборудованный барботажной трубкой (БТ) 5 и уровнемерной трубкой (УТ) 6;

- подключенный непосредственно к РР 4 испытуемый тракт 7 с концевой раздачей через автоматическое запорное устройство 8 - шаровой кран с двухсторонним пневмоприводом, снабженный сливным наконечником 9; тракт 7 состоит из участков трубопроводов 10 длиной l_j и местных сопротивлений 11; слив отмеренной дозы производится в мерную тару 12;

- струйный эжектор 13 с запорными вентилями 14 на линии пневмопитания эжектора и 15 - на линии вакуума, служащие для реализации операции вакуумной (под действием разрежения) перекачки воды из РЕ 3 в РР 4 при открытом положении запорного вентиля 16.

БТ 5 выполняет функцию датчика полного давления П=p+γ_вH₁, где П - выходной сигнал БТ, p - избыточное давление в РР, γ_в=1 г/см³ - удельный вес воды, H₁ - глубина погружения БТ под уровень воды в PP.

В состав блока управления 2 входят пневматический пропорциональный регулятор давления П (РД) 17 и пневмоэлектронное временное устройство (ВУ) 18.

РД 17 содержит следующие функциональные пневмоэлементы: тумблер 19 «Контроль П_з/Контроль П» и реле 20 для контроля по манометру 21 заданного (П_з) (при выключенном положении тумблера 19) или фактического (П) (при включенном положении тумблера 19) значений полного давления в РР, тумблер 22 «Давление в РР» для включения подачи сжатого воздуха в РР, реле 23, блок усилителей мощности 24, задатчик 25 давления П_з и постоянный дроссель 26 в цепи питания БТ. Пневмотумблеры 19, 22 и задатчик 25 функционально образуют пульт управления РД. Функции собственно регулятора давления выполняет пятимембранный элемент сравнения 27.

РД 17 обеспечивает автоматическое поддержание заданной постоянной величины давления П_j=p+γ_вH₁=П_зj=const в каждом j-м цикле проливки (дозирования) путем подкачки сжатого воздуха в РР от усилителей 24 через сборный коллектор 28 и запорный вентиль 29, обеспечивая постоянство величины действующего напора H_j=П_зj/γ_в+H₂, а следовательно, и расхода O_j при открытом положении запорного устройства 8 и создавая тем самым возможность отмеривания доз по времени.

ВУ 18 содержит электронный таймер 30 с цифровой индикацией времени дозирования, устанавливаемого посредством набора кнопками «SET» и «RST», электропневмо-преобразователь 31 и логический элемент «НЕ» 32.

ВУ по команде оператора от сенсорной кнопки «СТАРТ» вырабатывает управляющий сигнал (24 v постоянного тока) на переключение запорного устройства 9 в открытое положение на время дозирования воды в тару. Время дозирования задается в пределах 0-99,99 с с разрешающей способностью 0,01 с.

РД 17, электропневмопреобразователь 31 и логический элемент «НЕ» 32 реализованы на элементной базе Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) [Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации ГСП. Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. Каталог, Том 5, выпуск 1. 1975. 44 с.].

Питание пневмоэементов устройства производится от пневмосети через понижающий стабилизатор, настраиваемый на выходное давление, равное 0,14 МПа. (Стабилизатор на чертеже не показан). Электропитание таймера производится от электросети переменного тока напряжением 220 v.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом испытаний тракта необходимо подать пнемо- и электропитание на блок управления 2 (при наличии пневмопитания запорное устройство 8 находится в исходном закрытом положении), наполнить РР 4 водой до верхнего уровня, контролируемого визуально по УТ 6, и произвести предварительную проливку тракта для вытеснения из него пузырьков воздуха.

Наполнение РР 4 производится под действием разрежения, создаваемого в РР струйным эжектором 13 при открытом положении вентилей 14, 15 и 16 и закрытом положении вентиля 29. По окончании операции наполнения РР следует закрыть вентили 14 и 16, а после выравнивания давления в РР до атмосферного и вентиль 15.

Предварительная проливка тракта производится под действием гидростатического напора столба воды в РР при закрытых положениях вентилей 14 и 16 и открытых положениях вентиля 29 и запорного устройства 8. Для реализации операции проливки следует установить тару 12 на позицию налива, пользуясь кнопками «SET» и «RST», установить время предварительной проливки на цифровом табло таймера и запустить операцию проливки кнопкой «СТАРТ». Время предварительной проливки подбирается экспериментальным путем и должно быть достаточным для полного удаления пузырей воздуха из тракта. Надлежащее качество проливки устанавливается визуальным путем по сплошности струи воды на выходе сливного наконечника. По окончании предварительной проливки необходимо закрыть вентиль 15.

Рабочий цикл испытаний тракта, целью которых является определение среднего значения суммарного коэффициента потерь напора на его местных сопротивлениях, заключается в его многократных последовательных проливках с различными постоянными значениями (начиная с максимального) действующего напора H_j=П_з,j/γ_в+H₂=const. Давления П_з,j настраиваются задатчиком 25 и контролируются по манометру 21. Для реализации операций проливки (дозирования) следует установить мерную тару 12 на позицию налива, задатчик 25 настроить по манометру 21 на очередное давление задания дозы - П_з,j и включить тумблер 22 для подачи давления в РР 4. Набор давления в РР контролируется по манометру 21 при включенном положении тумблера 19. При достижении равенства П_j=П_з,j устройство готово к реализации операции дозирования. Перед началом цикла операций дозирования следует установить тару на электронные весы (весы на чертеже не показаны) и обнулить их показания. Далее на цифровом табло таймера 30 следует установить время дозирования, соответствующее емкости тары, установленному значению давления П_з,j и верхнему пределу измерения веса на электронных весах (это время подбирается экспериментальным путем так, чтобы избежать перелива тары). Операция дозирования реализуется посредством касания сенсорной кнопки «СТАРТ» на таймере. Отмеренная доза вручную переливается из мерной тары 12 в РЕ 3.

Описанный цикл операций дозирования может повторяться после пополнения РР 4 с помощью эжектора 13.

По окончании операций проливки тракта следует выключить тумблер 22 и открыть вентиль 15 для стравливания воздуха из РР 4 через проточную камеру эжектора 13; после полного стравливания воздуха следует нажать на кнопку «СТАРТ» на таймере для опорожнения тракта, а после удаления воды из тракта - выключить электропитание таймера и отключить пневмопитание блока управления.

В результате реализации описанного цикла операций проливки, в соответствии с уравнением (1) для каждого значения действующего напора H_j с помощью электронных таблиц программы Microsoft Exel последовательно рассчитываются следующие параметры:

- объемный расход - Q_j[см³/c]=V_j/t_j, соответствующий напору H_j, где V_j [см³] - регистрируемый с помощью взвешивания на электронных весах объем дозы, t_j [с] - время дозирования, j=1, 2…n, n≈20 - число проливок в данном цикле испытаний;

- скорость истечения воды из сливного наконечника - v_нj[см/c]=Q_j/f_н;

- скорости течения воды на отдельных (i-x) участках трубопроводов - v_тi,j[см/c]=v_нj(d_н/d_тi)²;

- числа Рейнольдса для течения воды на отдельных участках трубопроводов - Re_i,j=v_тi,jd_тi/v_в=100v_тi,jd_тi(v_в=10^-2 см²/с);

- коэффициенты трения на отдельных участках трубопроводов - ;

- потери напора на выходе сливного наконенчника - ;

- потери напора на трение на отдельных участках трубопроводов - h_тi,j[см]=λ_i,j(l_i/d_тi)(d_н/d_тi)⁴;

- суммарные потери напора на трение в тракте -

- суммарные потери напора на местных сопротивлениях в тракте - h_мj[см]=H_j-h_нj-h_тj;

- суммарный коэффициент потерь напора на местных сопротивлениях - ;

- среднее значение суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях - .

Далее, пользуясь рассчитанным по вышеописанной методике средним значением суммарного коэффициента потерь напора на местных сопротивлениях (ξ_cp) и проектными значениями внутреннего диаметра d_н сливного наконечника и длин L_i участков трубопроводов, определяют расчетные значения (H_p,k) действующего напора для заданных проектных значений (Q_з,k) требуемого диапазона изменения расхода и вязкости v натурной жидкости.

Эти вычисления проводят так же, как и ранее, с помощью электронных таблиц программы Microsoft Exel. Для этого задают ряд значений расхода Q_з,k (k=1, 2…m) от минимального - Q_з,1=Q_з,min до максимального - Q_з,m=Q_з,max из требуемого по проекту диапазона его изменения и последовательно вычисляют входящие в уравнение (1) параметры:

- скорости истечения жидкости из сливного наконечника -

- потери напора на выходе сливного наконечника - ;

- скорости течения на отдельных (i-x) участках трубопроводов - v_тi,k[см/с]=v_н,k(d_н/d_тi)²;

- числа Рейнольдса на отдельных участках трубопроводов - Re_i,k=v_тi,kd_тi/v;

- коэффициенты трения на отдельных участках трубопроводов -;

- потери напора на трение на отдельных участках трубопроводов - h_тi,_k[см]=λ_i,k(L_i/d_тi)(d_н/d_тi)⁴;

- суммарные потери напора на трение в тракте - ;

- суммарные потери напора на местных сопротивлениях в тракте - h_м,k[см]=ξ_срh_н,k;

- расчетные значения действующего напора - H_р,k[см]=h_н,k+h_т,k+h_м,k.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют в лабораторных условиях оперативно и с высокой степенью достоверности получать точки Q_з,k расходных характеристик Q_з,k=F(H_р,k) проектируемого тракта для жидкостей различной вязкости в варьируемых диапазонах изменения расхода, а также с варьируемой длиной образующих тракт участков трубопроводов.

Кроме того, пользуясь электронными таблицами программы Microsoft Exel и дополнительно доступной в сети «Интрнет» программой Advanced Grapher, полученные в результате вычислений по описанной выше методике точечные расходные характеристики тракта (при достаточном числе точек) могут быть аппроксимированы путем автоматического регрессионного анализа и представлены графически согласно уравнению (1) в виде функций Q=F(H). Это позволяет прогнозировать семейства расходных характеристик тракта с варьируемыми физическими параметрами натурной жидкости (удельным весом γ и кинематической вязкостью v) и варьируемой длиной образующих тракт участков трубопроводов.