Определение пропускной способности расходомера при подаче жидкости под собственным весом (самотеком)

Вопрос – «Почему расходомер, не «дает» максимальный расход, указанный в паспорте?». Если подбор расходомера-счетчика, проводился исходя из данных, указанных в характеристиках прибора, при этом не учитывая механику процесса, тогда как говорит известная пословица: «Дьявол скрывается в деталях». Данные указанные в характеристиках расходомеров для максимального мгновенного расхода (скорости потока жидкости) соответствуют расходу жидкости, при максимальном допустимом перепаде давлений между входом и выходом расходомера или максимально допустимой производительности насоса подачи жидкости. Этот максимальный перепад давлений может создаваться как насосом, так и давлением столба жидкости (когда давление на выходе расходомера равно атмосферному). Потери давления в измерительном механизме расходомера возникают при преодолении сопротивления самого расходомера, которое определяется двумя группами факторов – конструкцией самого расходомера и состоянием измеряемой среды. При этом величина потерь не является константой для того или иного расходомера, а зависит от физических характеристик среды – такие факторы, как изменение температуры, давления, состава среды и скорости потока (расхода) в расходомере вызывают изменение величины потери давления.

Задача определения пропускной способности расходомера при подаче жидкости самотеком, как правило, возникает у клиентов, которые хотят использовать учет топлива, подающегося либо в котел, либо в ДГУ, либо в транспортное средство (при заправке) и хочет получить: -недорогие, -надежные, -не требующие организации (нормализации) потока, – не требующие сложного электронного подключения, – достаточно точные приборы. Всем этим требованиям отвечают так называемые камерные (объемные) расходомеры, использующиеся для решения таких задач в 90% случаев. Для таких расходомеров (это расходомеры на вращающемся поршне, на овальных шестернях, на качающемся диске, лопастные, турбинные и поршневые) максимально допустимый перепад давлений, как правило, ограничен значением около 1-2,5 бар (около 1-2,5 атм.). Как упоминалось выше, все расходомеры, а расходомеры с механической измерительной частью, в особенности, создают т.н. местное гидродинамическое сопротивление потоку жидкости. Это сопротивление должно быть преодолено жидкостью для того, чтобы механизм расходомера начал работу (перемещение или вращение – неважно), причем, чем выше скорость потока – тем больше сопротивление измерительного механизма счетчика и больше перепад давлений между его входом и выходом. Верна и обратная зависимость – чем меньше перепад давлений «вход-выход» по отношению к максимальному, тем ниже пропускная способность расходомера (по отношению к приведенным максимальным/минимальным паспортным данным). Не вдаваясь в подробности, для упрощенного расчета и определения ориентировочного расхода, при работе можно использовать эмпирические графики падения давления на расходомере при различных расходах. Их можно использовать и для обратного определения максимального возможного расхода жидкости при данном значении перепада давлений. То есть, для случая самотека – зная высоту столба жидкости, мы всегда можем сказать – каково для расходомера с известным диапазоном расходов максимальное значение расхода, которое мы получим на выходе расходомера. Рассмотрим 3 графика для одинаковой пропускной способности (например, для 50% от максимальной в 10 л./мин.) для различных типов расходомеров и одного типа жидкости (с одинаковой вязкостью).

Рис 1. График падения давления для расходомеров на вращающемся поршне (Ду40мм)

Рис. 2 График падения давления на овальных шестернях  (для различных вязкостей)

Рис 3. График падения давления на турбинном расходомере

Рис.4. График падения давления на качающейся шайбе (поршне)

Безусловно, корректно сравнить потери давления на конструктивно разных расходомерах можно только при одинаковых условиях внутри этих расходомеров (температура, давление, состав и расход), а также при сопоставимых значениях максимального расхода для данного номинала расходомера. Исходя из максимального паспортного расхода мы можем сравнить расходомеры (например для маловязкой жидкости ~ 3сР соответствующее летнему Дт при температуре около 20°С) при расходе 100л/мин: – на вращающемся поршне перепад давления около 140-150 мБар (Ду40), – на овальных шестернях – около 300 мБар (Ду40), – на качающейся шайбе – около 300мБар (Ду40), -на турбине – около 8-10мБар (Ду40)** для турбинного расходомера Ду40 значения максимального расхода значительно выше, чем для всех остальных типов расходомеров, приведенных для сравнения. Мы видим, что расход в 100л/мин мы получим для расходомеров Ду40, начиная с высоты: – 1,8-1,9 м для расходомера на вращающемся поршне; -3,7-3,8 м для расходомера на овальных шестернях, -3,2-3,5 м для расходомера на качающейся шайбе, -0,1-0,15 м для расходомера на турбинном расходомере. Очевидно, что турбинный расходомер позволяет развить максимальную производительность при одинаковой высоте столба жидкости. Такой расходомер используется в недорогих устройствах типа ССD (раздаточный пистолет с встроенным турбинным расходомером для расхода топлива 20-75л/мин) .

Но, как обычно, при всех преимуществах такого способа измерения, ему присущи недостатки:

1. При изменении высоты столба жидкости, вследствие изменения напора, меняется т.н. К-фактор расходомера (объем измеряемый при единичном цикле), т.е. снижается точность измерений. При подаче жидкости (топлива) насосом этот эффект отсутствует, т.к. напор создаваемый насосом постоянен.

2. При нажатии/отпускании на рычаг пистолета, или при его частичном нажатии (неполном открытии клапана) измерение будет проводиться при переходных режимах и расходах меньших паспортных, а соответственно – с меньшей точностью. Пользователь должен определить для себя, что важнее при самотеке – высокая точность измерений или скорость отпуска топлива из емкости и, исходя из приоритетов, выбрать тип расходомера для применения. Возможно, проще поднять емкость на большую высоту или использовать подачу топлива насосом и использовать расходомеры, которые обеспечивают высокую точность измерений и не имеют вышеперечисленных недостатков.