Problemy pomiaru ciśnienia i temperatury gazu w warunkach dużych prędkości. Juliusz Makowski Common S.A.

Transkrypt

1 Problemy pomiaru ciśnienia i temperatury gazu w warunkach dużych prędkości Juliusz Makowski Common S.A.

2 Plan prezentacji Wstęp Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Erozja Wiry Karmana za tuleją termometryczną Moc akustyczna wydzielana na tulei termometrycznej Wzrost poziomy hałasu generowanego przez zawory Wzrost straty ciśnienia na tulei termometrycznej Pomiar ciśnienia statycznego (otwory, przewody impulsowe) Podsumowanie

3 Wstęp Obserwuje się tendencję do podnoszenia prędkości gazu w rurociągach oraz w punktach pomiaru przepływu, z 16 do 33 [m/s], a nawet więcej. Przy obecnej technice pomiarowej, wspomniane zwiększenie prędkości gazu może spowodować problem z pomiarem ilości przepływającego gazu, wynikający ze zwiększonego błędu pomiaru temperatury oraz problemów i błędów przy pomiarze ciśnienia. Należy również pamiętać o przyspieszonej erozji, wzroście poziomu szumów/hałasu, itd..

4 Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Tuleja termometryczna Do pomiaru temperatury gazu używa się czujników temperatury zamontowanych w tulejach termometrycznych. Ten sposób jest wskazany przez normy, ponadto zapewnia szczelność, oraz daje możliwość wymiany czujnika temperatury.

5 Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Ma liczba Macha v prędkość gazu w rurociągu a lokalna prędkość dźwięku Do liczby Macha Ma<0,05, co dla gazu w rurociągu odpowiada prędkości mniejszej od około 16 [m/s], realizowany w ten sposób pomiar temperatury jest poprawny. W związku z przewidywanym wzrostem prędkości przepływu gazu do 33 [m/s], co odpowiada liczbie Macha 0,1, pojawi się problem rozbieżności pomiędzy temperaturą statyczną, całkowitą i mierzoną. Pominięcie tych rozbieżności doprowadzi do zwiększenia niepewności pomiaru temperatury statycznej. W efekcie znacząco zwiększy się niepewność całego pomiaru.

6 Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Ts temperatura statyczna Tc temperatura całkowita Tm temperatura mierzona Cp ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, dla gazu około 2000 [J/kg*K] - współczynnik wyznaczany empirycznie W technice znane są inne metody pomiaru temperatury, na przykład za pomocą termopary z osłonką (wartość współczynnika do 0,6), ale w praktyce gazowniczej byłoby to kłopotliwe i wymagało umocowania prawnego.) Dla Ma>0,05 należy rozważyć alternatywne sposoby pomiaru temperatury.

7 Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Błąd względny różnicy temperatur Tc - Ts W wyniku wzrostu prędkości przepływu gazu następuje wzrost błędu pomiaru temperatury za pomocą tulei termometrycznej. Do określenia błędu względnego różnicy temperatur Tc-Ts wykorzystam równanie Bernouliego dla gazów: T 2 =Tc v 2 =0 T 1 =T S

8 Po przekształceniach: Wpływ wzrostu prędkości na pomiar temperatury Błąd względny różnicy temperatur Tc - Ts - błąd względny różnicy temperatur całkowitej i statycznej odniesionej do temperatury statycznej, wyrażony w procentach. V [m/s] T [K] 0,06 0,27 0,02 0,09 Zakładając dla gazu: Ts=293, = 308,15 [K] Cp = 2000 J/kgK Ponad czterokrotnie większy Tuleja termometryczna wymagałaby wzorcowania w celu określenia właściwej temperatury mierzonej Tm: Ts<Tm<Tc

9 Erozja V [m/s] e 1 [1] 1 8,8 Zanieczyszczenia w gazie płynące przez kolanko Wzrost jednostkowej pracy tarcia wyniesie 8,8 razy. O tyle wzrośnie erozja kolanek.

10 Erozja Otwór impulsowy pomiaru ciśnienia: ostrokrawędziowy po lewej, oraz z zaokrąglonymi krawędziami po prawej. Erozja otworków zwiększa błąd pomiaru ciśnienia statycznego. Na przyspieszoną erozję są szczególnie podatne otworki o ostrych krawędziach. Należałoby zastosować otwory zaokrąglone. Zaokrąglenie to zwiększy odporność na erozję, ale wpłynie na pomiar ciśnienia statycznego, przez co konieczne będzie zawarcie w przeliczniku algorytmu liczącego rzeczywiste ciśnienie statyczne. Wymaga to z kolei zmian w istniejących normach.

11 Wzrost częstotliwości generowanych dźwięków (wiry Karmana) za tuleją termometryczną. v [m/s] f [Hz]

12 Wzrost częstotliwości generowanych dźwięków (wiry Karmana) za pochwą termometryczną. v [m/s] f [Hz] Częstotliwość generowanych dźwięków za tuleją termometryczną (wiry Karmana) Przewiduję, że zbyt intensywne drgania tulei termometrycznej mogą powodować podgrzanie oleju wypełniającego tuleję termometryczną (dyssypacja energii), a przez to zwiększenie temperatury mierzonej przez czujnik temperatury.

13 Moc akustyczna wydzielana na tulei termometrycznej v [m/s] n e [1] 1 8,8 Moc akustyczna wydzielana na tulei termometrycznej, przy zwiększeniu prędkości przepływu gazu z 16 m/s do 33 m/s wzrośnie ponad ośmiokrotnie. Wzrost mocy akustycznej wydzielanej na tulei termometrycznej może utrudniać pomiar przepływu gazu niektórym rodzajom urządzeń pomiarowych. Na wzrost mocy akustycznej są odporne gazomierze turbinowe i rotorowe.

14 Wzrost poziomu hałasu (szumu) generowanego przez zawory regulacyjne Zawory regulacyjne mogą być znacznym generatorem szumów. Zakładam, że hałas (szum) generowany przez zawory regulacyjne jest tym większy im większa jest moc tracona na zaworze. W = Q p gdzie: W moc tracona na zaworze Q przepływ przez zawór p spadek ciśnienia na zaworze Poziom hałasu wzrasta wraz ze wzrostem przepływu przez zawór, oraz wraz ze wzrostem spadku ciśnienia na zaworze. Na wzrost poziomu szumu odporne są gazomierze turbinowe i rotorowe.

15 Wzrost straty ciśnienia na tulei termometrycznej v [m/s] ,25 Strata ciśnienia na tulei termometrycznej, przy zwiększeniu prędkości przepływu gazu z 16 m/s na 33 m/s, wzrośnie 4,2 razy.

16 Błąd pomiaru ciśnienia p [Pa] Pomiar ciśnienia statycznego Błąd pomiaru ciśnienia dla różnych prędkości powietrza Prędkość u = 16 m/s u = 32 m/s U=32m/s, d H Szacowany błąd pomiaru ciśnienia (według obliczeń dla współczynnika tarcia dla rur wg Hermann a Schlichting a) przy zwiększeniu prędkości przepływu powietrza z 16 do 32 [m/s] jest kilkakrotnie większy Gęstość powietrza [kg/m 3 ]

17 Błąd pomiaru ciśnienia statycznego Pomiar ciśnienia statycznego Nierównomierności na krawędzi otworka impulsowego (wg Shaw a) Dla ds= 4 [mm] i E= 0,15 [mm] błąd w pomiarze ciśnienia wyniesie 17 [Pa] Nierówności na krawędzi otworka imp.

18 Pomiar ciśnienia statycznego Nierównomierności na krawędzi otworka impulsowego Nieostra (w wyniku erozji) lub zanieczyszczona krawędź otworu impulsowego silnie wpływa na błąd pomiaru ciśnienia. Należy zadbać o odpowiednią krawędź otworka impulsowego, oraz jej zabezpieczenie w czasie szczególnie w warunkach przyspieszonej erozji wynikającej ze zwiększenia prędkości przepływu gazu.

19 Pomiar ciśnienia statycznego Pomiar ciśnienia statycznego w samolocie Airbus A 380

20 Pomiar ciśnienia statycznego Przewody impulsowe Przewody impulsowe służą do podłączenia sygnału ciśnienia z rurociągu lub z gazomierza do czujnika ciśnienia. W przewodach impulsowych mogą występować niekorzystne zjawiska w postaci fal stojących oraz drgań, które wpływają na zwiększenie błędu pomiaru ciśnienia. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu gazu w rurociągu, te zjawiska mogą się nasilać.

21 Podsumowanie Stosowane obecnie prędkości przepływu gazu w rurociągach (v 16 [m/s], czyli Ma 0,05) zapewniają dobrą zgodność pomiaru. Wzrost prędkości gazu w rurociągach musi nastąpić z uwagi na koszty instalacji. Ta prezentacja nie ma na celu zablokowania wzrostu prędkości przepływu gazu rurociągach (kiedyś samoloty nie przekraczały bariery dźwięku). Proponuję uwzględnić zamieszczone uwagi, postarać się znaleźć rozwiązania problemów i nie godzić się na nieokreślony wzrost niepewności pomiaru przy największych przepływach.

22 Bardzo dziękuję za uwagę. Juliusz Makowski Common S.A.