Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

Г л а в а 3

ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измере­ нии зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измере­ ния расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Существует много разновидностей тепловых расходомеров, различающихся способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональ­ ной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Ос­ новной способ нагрева — электрический омический. Индуктив­ ный нагрев почти не применяется на практике. Кроме того, в не­ которых случаях находит применение нагрев с помощью элект­ ромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расхо­ домеры подразделяются на калориметрические, термоконвектив­ ные и термоанемометрические. При электрическом омическом на­ греве у калориметрических расходомеров нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных — снаружи трубы. Но в литера­ туре нередко называют калориметрическими также и некоторые расходомеры с наружным нагревом.

У калориметрических и термоконвективных расходомеров из­ меряется разность температур АТ газа или жидкости (при посто­ янной мощности W нагрева) или же мощность W (при АТ = const). У термоанемометров измеряется сопротивление R нагреваемого тела (при постоянной силе тока 0 или же сила тока i (при R = = const).

Раньше всех появились термоанемометрические приборы для измерения местных скоростей потоков, потом калориметричес­ кие расходомеры с внутренним нагревом, но они не получили заметного применения. Позднее стали разрабатываться термокон­ вективные расходомеры. Благодаря наружному расположению нагревателя они находят все более широкое применение в про­ мышленности. Термоконвективные расходомеры разделяются на квазикалориметрические и теплового пограничного слоя. В пер­ вых измеряется разность температур потока, или же мощность нагрева, во вторых — разность температур пограничного слоя или же соответствующая мощность нагрева. Они применяются для измерения расхода главным образом в трубах небольшого диаметра от 0,5-2,0 до 100 мм. Для измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности термоконвективных расходомеров: парциальные с нагревателем на обводной трубе; с тепловым зондом; с наружным нагревом ограниченного участка трубы.

65

Калориметрические и термоконвективные расходомеры изме­ ряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Другое достоинство термоконвективных расходомеров — отсутствие кон­ такта с измеряемым веществом. Недостаток тех и других — боль­ шая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. В отличие от остальных тепловых расходомеров термоанемометры весьма малоинерционны, но они служат преимущественно для измере­ ния местных скоростей, хотя и имеются конструкции термоанемометрических расходомеров. Приведенная погрешность термоконвек­ тивных расходомеров обычно лежит в пределах ± (1,5 + 3) % . У ка­ лориметрических расходомеров она меньше и равна ± (0,3 1) %.

Значительно реже применяются тепловые расходомеры с на­ гревом электромагнитным полем или жидкостным теплоносите­ лем. Достоинство первых — сравнительно малая инерционность. Электромагнитное поле создается у них с помощью излучателей энергии высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрас­ ного диапазона. Они предназначены в основном для электроли­ тов и диэлектриков, а также селективно-серых агрессивных жид­ костей. Расходомеры с жидкостным теплоносителем нашли при­ менение в промышленности при измерении расхода пульп, их иногда применяют и при измерении расхода газожидкостных по­ токов.

Температурный предел применения термоконвективных рас­ ходомеров обычно не превосходит 150-200 °С и в редких случаях достигает 250 °С. При нагреве электромагнитным полем или жид­ костным теплоносителем этот предел повышается до 450 °С.

Особая разновидность тепловых — меточные расходомеры, в которых измеряется время перемещения тепловой метки на оп­ ределенном участке пути (см. гл. 8).

3.2. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Калориметрические расходомеры основаны на зависимости от мощности нагрева среднемассовой разности температур пото­ ка. Калориметрический расходомер состоит из нагревателя 3 (рис. 33, а), расположенного внутри трубопровода, и двух термо­ преобразователей 1 и 2 для измерения температур до Т1 и после Т2 нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях (^ = /2) от нагревателя. Распределение тем­ ператур по обе стороны от источника нагрева будет зависеть от расхода вещества. При отсутствии расхода QM= 0 температурное поле симметрично, как это видно из кривой I на рис. 33, б. При появлении расхода эта симметрия нарушаетсяПри малых ско­ ростях потока Т1 падает вследствие притока холодного вещества сильнее, чем температура Т2, которая при малых скоростях мо-

66

AT = T2 - T t

Рис. 33. Калориметрический расходомер: а — принципиальная схема; б — распре­ деление температур; в — зависимость ДТ от расхода QMпри W ~ const

жет даже возрастать (кривая II). В результате вначале с ростом расхода растет разность температур ДТ = Т2 - Тг (рис. 33, в). Но при достаточном увеличении расхода QMтемпература станет постоянной, равной температуре притекающего вещества, в то время как Т2 будет падать (кривая III). При этом разность темпе­ ратур ДТ будет уменьшаться с увеличением расхода QM, как вид­ но из рис. 33, в. Рост ДТ при малых значениях QMпочти пропор­ ционален расходу. Затем этот рост замедляется и после достиже­ ния максимума кривой начинается падение ДТ по гиперболичес­ кому закону. На рис. 34 приведены полученные экспериментально при измерении очень малых расходов воды кривые зависимос­ ти ДТ от расхода QM[46]. С увеличением мощности нагрева W максимум кривых возрастает. Кроме того, расположение термо­ преобразователей также влияет на градуировочные кривые. Про­ порциональность между ДТ и QMнаблюдалась лишь до скорости 0,2 м /с. При измерении расхода воздуха линейная лт мкВ зависимость сохранялась до скорости 0,5 м/с. Но малые скорости встреча­ ются преимущественно в трубах малого диамет-

Рис. 34. Разность температур ДТ (в мкВ ТЭДС) в зависимости от расхода воды (расход 10 мл/ч со­ ответствует скорости 0,346 мм/с), силы тока в нагревателе и мест расположения термопреобразова­

телей:

----- — для ближней термобатареи;

------ — для дальней термобатареи

67

же завихритель, расположенный до нагревателя, позволит уст­ ранить его теплообмен с термопреобразователем, служащим для из­ мерения Т у Применение завихрителей сопряжено с увеличением потери давления, но в случае применения калориметрического рас­ ходомера в качестве образцового прибора это не имеет значения.

Если прибор предназначен для измерения больших расходов, то разность температур ДТ при Qmax ограничивают 1-3° во избе­ жание большого расхода мощности W. Так, для расхода воз­ духа QM= 1000 кг/ч при ДГ = 2 °С и ср = 1,01 •103 Дж (кг - К) мощность W уже равна 560 Вт. Так как теплоемкость у жидко­ стей много больше, чем у газов, то калориметрические расходо­ меры находят применение лишь для измерения очень малых рас­ ходов жидкостей, и прибор работает на начальной восходящей ветви кривой. Основное назначение этих приборов — измерение расхода газа.

Первая разработка подобного прибора была выполнена Тома­ сом. Для равномерности нагрева потока нагреватель состоял из двух проволочных конусов, сложенных основаниями. Для изме­ рения Tj и Т2 были применены терморезисторы в виде круглых сит, перекрывающих внутреннее сечение трубопровода. Прибор работал по схеме ДТ = const. С помощью регулируемого сопротив­ ления, изменявшего силу тока в нагревателе, электрический мост, в плечи которого включены оба терморезистора, автоматически уравновешивался при заданной разности ДТ. В другом приборе, предназначенном для измерения расхода воздуха в трубе диамет­ ром 300 мм, нагреватель был изготовлен из нихромовой проволо­ ки d = 4 мм и длиной 25 м, свитой в спираль. Мощность нагрева 10 кВт. Разность температур ДТ = 3 °С при Qmax = 6500 м3/ч. Терморезисторы пересекали сечение трубопровода в виде зигзаго­ образной медной проволоки.

Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом не получили распространения в промышленности из-за малой на­ дежности работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобразователей, располагаемых внутри трубопровода. Они более пригодны для различных исследовательских и эксперимен­ тальных работ. Кроме того, целесообразно применять их в каче­ стве образцовых приборов для поверки и градуировки других расходомеров. При этом особенно ценным является то, что они измеряют массовый расход, а сами могут быть проградуированы путем измерения мощности W и разности температур ДТ. Оцени­ вая погрешность измерения W значениями ±(0,1-5-0,15)%, а из­ мерения ДТ — значениями ±(0,1 •* 0,2) % , можно в случае попра­ вочного коэффициента k = 1 обеспечить измерение расхода с от­ носительной приведенной погрешностью ±(0,3 -г- 0,5) % . При не­ обходимости потери тепла в окружающую среду можно оценить с помощью тепломера, измеряющего тепловой поток через стенку.

69

3.3. ТЕРМОКОНВЕКТИВНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Общая характеристика. Термоконвективными называются теп­ ловые расходомеры, у которых ни нагреватель, ни термопреобра­ зователь не вводятся внутрь трубопровода, а располагаются сна­ ружи. Это существенно повышает эксплуатационную надежность расходомеров и делает их удобными для применения. Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу осуществляется через стенку трубы за счет конвекции. Имеется несколько раз­ новидностей термоконвективных расходомеров, которые можно объединить в следующие группы:

1) квазикалориметрические расходомеры:

а) с симметричным расположением термопреобразователей; б) с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем; в) с нагревом непосредственно стенки трубы; г) с асимметричным расположением термопреобразователей;

2)расходомеры, измеряющие разность температуры погранич­ ного слоя;

3)расходомеры особых разновидностей для труб большого диа­ метра.

Уприборов 1-й группы градуировочные характеристики, как

иу калориметрических расходомеров (см. рис. 33 и 35), имеют две ветви: восходящую и нисходящую, а у приборов 2-й группы — только одну, так как у них преобразователь начальной темпера­ туры Т изолирован от нагревательного участка трубы. Кроме того, квазикалориметрические расходомеры применяются преимуще­ ственно для труб малого диаметра, начиная от 0,5-1,0 мм и выше.

Чем больше диаметр трубы, тем в меньшей степени прогрева­ ется центральная часть потока, и прибор все в большей мере из­ меряет лишь разность температур пограничного слоя, которая зависит от его коэффициента теплоотдачи, а значит, и от скорос­ ти потока. При малых диаметрах прогревается весь поток и здесь так же, как и в калориметрических расходомерах, измеряется разность температур потока с той и другой стороны нагревателя. Но уравнение (26), в котором поправочный коэффициент k бли­ зок к единице, здесь не применимо, так как значительная часть тепла, выделяемого нагревателем, распространяется вдоль стен­ ки трубы, а не передается потоку.

Основы теории термоконвективных квазикалориметрических расходомеров. При конструировании теплового расходомера с на­ ружным расположением нагревателя важно правильно выбрать длину нагревателя и расположение термопреобразователей отно­ сительно него. Это можно сделать исходя из анализа процесса теплообмена между нагреваемой трубкой и газом или жидкостью, движущимися внутри нее. Примем допущение, что температура нагревателя постоянна по его длине и не зависит от расхода газа [5]. Тогда температурное поле преобразователя при расходе QM> О

иего отсутствии QM= 0 будет иметь вид, показанный на рис. 36.

70