Основные типы сужающих устройств

К основным типам сужающих устройств относятся диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. В настоящее время практически на всех пунктах учета газа в качестве сужающих устройств используются диафрагмы, устанавливаемые между фланцами трубопровода или в специальных камерах. Широкое применение их объясняется тем, что изготовление и монтаж диафрагм значительно проще, чем других типов сужающих устройств.

В России нормализованы два основных способа отбора перепада давлений на диафрагмах: угловой и фланцевый. На остальных типах сужающих устройств применяется только угловой способ отбора. Перепад давления при этом способе отбора, являющемся наиболее распространенным, следует измерять через отдельные цилиндрические отверстия либо через две кольцевые камеры, каждая из которых соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. При измерении через отдельные отверстия наилучшие результаты обеспечивает установка устройства в обойму. Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в теле сужающего устройства, либо в каждом фланце (между которыми оно зажимается), либо в специальной промежуточной детали – корпусе, в этом случае диафрагма называется камерной. При малых давлениях кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в виде кольца или прямоугольника.

Перепад давления при фланцевом способе отбора следует измерять через отдельные цилиндрические отверстия одного диаметра, оси которых находятся на равных расстояниях 25,4 мм от плоскостей поверхности диафрагмы.

Обойма, камера и отверстия для измерения перепада давления должны удовлетворять следующим требованиям. Внутренняя кромка отверстия (во фланце, в трубопроводе, обойме или камере) не должна иметь заусенцев; рекомендуется закруглять ее по радиусу, не превышающему 0,1 диаметра отверстия. Ось отверстия должна образовывать с осью сужающего устройства угол 90° для камерных диафрагм. При применения камер, число отверстий которых, соединяющих камеру с полостью трубопровода, должно быть не менее четырех. Площадь каждого щелевого отверстия – не менее 12 мм2.

Соосность установки диафрагмы, острота входной кромки (формирующей определенный характер течения измеряемой среды через отверстие диафрагмы), ее прямоугольность и технологический допуск на входной диаметр диафрагмы определяют возможность и точность косвенной (расчетной) градуировки расходомеров переменного перепада с нормальными диафрагмами. Поэтому к названным параметрам диафрагмы предъявляют весьма высокие требования. Так, смещение оси отверстия сужающего устройства •относительно оси трубопроводах не должно превышать 0005D/(0,l+2,3m2).

Действительный диаметр цилиндрической части отверстия сужающего устройства определяют как среднее арифметическое измерений не менее чем в четырех равноотстоящих друг от друга диаметральных направлениях. Результаты отдельных измерений не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,05%. •На кромках отверстия диафрагмы не должно быть зазубрин и заусенцев. Входная кромка отверстия диафрагмы должна быть острой. Она считается острой, если радиус ее закругления не превышает 0,0004.

Площадь диаметрального (продольного) сечения камеры, определенная по одну сторону от оси трубопровода, должна быть не менее 1/2 площади кольцевой щели или группы отверстий, соединяющих камеру с внутренней полостью трубопровода.

Внутренний диаметр корпуса кольцевой камеры или обоймы должен быть равен (с допустимым отклонением +1%) диаметру трубопровода. Толщина стенки корпуса камеры или длина цилиндрической части отдельного отверстия, отсчитанная от внутренней поверхности трубопровода (фланца, обоймы), должна быть не менее 2с. Толщина диска диафрагмы Е не должна превышать 0,05D. Разность значений, измеряемых в любых точках диска диафрагмы, не должна превышать допустимых норм. Длина цилиндрической части отверстия диафрагмы должна находиться в пределах 0,005. У диафрагмы толщиной более 0,02) цилиндрическое отверстие должно переходить в коническое. Угол скоса конической части отверстия диафрагмы должен быть не менее 30, но не более 45°.

Как правило, камерные диафрагмы устанавливают на трубопроводах диаметром менее 500 мм. При больших диаметрах, когда установка внутренних кольцевых камер затруднена, наиболее целесообразно отбор давлений производить с помощью наружной трубчатой обвязки, соединенной с пространством до и после диафрагмы несколькими равномерно расположенными радиальными трубками.

Диафрагмы, зажимаемые между фланцами, в которых вытачиваются камеры для отбора давлений, применяют в основном при высоком давлении измеряемой среды (более 10 МПа). В этом случае камеры сообщаются с пространствами до и после диска диафрагмы через пазы, отфрезерованные в его утолщенном ободе. При еще более высоком давлении используют линзовые уплотнения или приваривают сужающие устройства. В последнем случае лучше вместо диафрагм применять сопла, так как они более надежны (нет быстро истираемой входной кромки).

Нормальное сопло выполняют в форме насадка, имеющего входную сходящуюся часть, образованную дугами окружностей с хиртоумными радиусами, плавно переходящими одна в другую. Первая дуга по касательной сопрягается с торцевой входной плоскостью сопла, а вторая по касательной переходит в цилиндрическую выходную часть.

Выходная кромка цилиндрической части отверстия должна быть острой, без заусенцев, фаски или закругления. Для ее предохранения от случайного повреждения служит защитный кольцевой выступ.

Сопло устанавливают в трубопроводе по направлению потока. Плавный переход от сужения к цилиндрической форме снижает завихрения потока и уменьшает потери давления. Отбор давлений осуществляют или при помощи камер и кольцевых щелей, или через отдельные отверстия. Способ отбора давлений – только угловой, непосредственно у плоскостей фланца сопла. Потери давления потока в сопле несколько ниже, чем в диафрагме, но выше, чем в трубе Вентури с диффузором. Для установки сопла требуется прямой участок трубопровода меньшей длины, чем при установке диафрагмы. Главное достоинство сопла – лучшее сопротивление истирающему действию потока, в связи с чем оно лучше сохраняет в неизменности коэффициент расхода. Торцевая поверхность сопла должна быть полированной и не иметь видимых неровностей и заусенцев.

Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и выходного конуса. Входная часть сопла до места отбора меньшего давления имеет тот же профиль, что и нормальное сопло. Длина цилиндрической части составляет обычно не много. Угол выходного конуса диффузора должен быть менее 30, но более 5°. Большее давление отбирают с помощью как кольцевой камеры, так и отдельных сверлений; меньшее – с помощью отдельных сверлений.

Цилиндрическое отверстие сопла Вентури выполняется без радиального сопряжения и переходит в конус. Сопла Вентури бывают двух типов: с длинным и коротким диффузорами. У первого типа наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго – меньше этого диаметра.

Труба Вентури, в отличие от сопла Вентури, имеет входное отверстие конической формы. Она состоит из входного конуса, цилиндрической средней части и выходного конуса. Обычно перед входным конусом помещается дополнительный цилиндрический патрубок с внутренним диаметром D. Переход от переднего цилиндра к входному конусу и от входного конуса к среднему цилиндру выполняется плавным, а от среднего цилиндра к выходному конусу – без закругления. Трубы Вентури, так же как и сопла Вентури, могут иметь длинные или короткие диффузоры с такими же (как у сопел Вентури) диаметрами.

Характерной особенностью труб Вентури, отличающей их от остальных сужающих устройств, является постоянство коэффициента истечения в большом диапазоне значений не только числа Рейнольдса, но и относительной площади.

Коэффициент истечения, а следовательно, и коэффициент расхода а зависят от характера обработки входного конуса.

Существенным достоинством труб Вентури помимо малой потери давления является возможность использования прямых участков труб меньшей длины, чем у всех других сужающих устройств.

При измерении расхода газовых потоков наиболее широко применяют нормальные диафрагмы. Наличие стандартных сужающих устройств различных типов объясняется относительными эксплуатационными преимуществами и недостатками каждого из них. Так, диафрагмы технологически просты имеют меньшие предельные числа Рейнольдса, чем другие типы сужающих устройств. Кроме того, коэффициенты расхода диафрагм менее подвержены влиянию искажения профиля скоростей’ и пульсаций потока. В то же время потери давления в соплах и трубах Вентури (особенно в последних) значительно меньше, чем у диафрагм. Точность измерения расхода газов с помощью сопел в области диаметров трубопроводов, меньших 300 мм, выше, чем при использовании диафрагм (в связи с большим постоянством коэффициента сжимаемости е при применении сопел). Надежность сопел и труб Вентури, связанная с изменениями коэффициента расхода а при износе или загрязнении входного профиля сужающего устройства, значительно выше, чем у диафрагм.