Supplier of control and measuring instruments in Latvia, Estonia and Lithuania. Worldwide delivery
Supplier of control and measuring instruments in Latvia, Estonia and Lithuania. Worldwide delivery
В задачах по управлению расходом газа входное и выходное давления являются критически важными факторами при настройке регулятора расхода для обеспечения поддержания требуемых значений расхода. Если увеличить давление на выходе после отверстия, величина расхода обычно уменьшается. Метод подбора массового расходомера позволяет «игнорировать» изменения давления на выходе и обеспечивать стабильное управление массовым расходом в широком диапазоне давлений. Повторяющиеся повышения и понижения давления на выходе расходомера встречаются во множестве процессов. Ниже приведены несколько примеров:
Биотехнология: массовый расходомер регулирует подачу газа в биореактор для обеспечения нужной биохимической реакции. В биореакторах может происходить широкий спектр процессов: стимулирование роста тканей, помощь организмам в производстве нужных химических веществ или лекарств, разработка ферментов для разложения опасных соединений и многое другое. Для поддержания жизнедеятельности организмов, потребляющих кислород, требуется точное регулирование подачи кислорода. Многие процессы создают другие газы (например, превращение кислорода в углекислый газ), а различные объёмы партий и рецептуры требуют разного расхода газа. Эти факторы изменяют давление в реакторе, но при этом необходимость в точном регулировании расхода газа остаётся.
Аэрация в пищевой промышленности: массовый расходомер впрыскивает газ в пищевой продукт (обычно используется азот). При обработке таких продуктов, как масло, хлебное тесто, шоколадные батончики, мороженое и даже начинка для печенья Oreo, довольно часто газ впрыскивается в пищу для поддержания заданной консистенции или текстуры. Разные продукты и размеры партий изменяют давление, необходимое для впрыска газа в продукт. Неточный расход газа увеличивает количество бракованной продукции из-за плохого качества.
Нумерованный список
Селективное каталитическое восстановление: массовый расходомер подаёт газ в поток выхлопных газов для разложения целевых вредных газов или соединений с целью улучшения качества воздуха. Например, пары аммиака часто используются для разложения оксидов азота. Давление в выхлопном канале изменяется в зависимости от нагрузки оборудования, и массовый расходомер должен обеспечивать точное управление расходом для эффективного разложения соединений. Неточный контроль впрыскиваемого газа снижает качество воздуха.
Исследования топливных реакторов: массовый расходомер управляет подачей газа для заполнения сосуда и инициирования реакции. В исследованиях топлива часто используется водород. Катализатор помещают или постепенно подают в реакционный сосуд вместе с газом(ами). Массовый расходомер должен поддерживать точный массовый расход в сосуд, чтобы сохранять требуемую скорость реакции, даже при повышении давления на выходе по мере роста давления в сосуде. Неправильное регулирование подачи газа мешает достижению нужных реакций.
Существуют и другие области применения расходомеров, где встречается переменное противодавление, однако они не приведены здесь для краткости. Во многих процессах, требующих стабильной работы при изменениях давления на выходе, используется эффект, известный как заглушенный (дросселированный) расход, позволяющий расходомеру игнорировать колебания противодавления.
Эффект заглушенного (критического) расхода используется для поддержания стабильного газового потока при колебаниях противодавления. Ниже приводится описание поведения газа при прохождении через отверстие, которое помогает понять условия возникновения этого режима.
На схеме ниже показано прохождение газа через типичное отверстие.
Зелёные зоны обозначают области с высоким давлением и низкой скоростью потока, синяя зона — область с низким давлением и высокой скоростью потока. Скорость газа на входе увеличивается по мере его сжатия при прохождении через отверстие, затем после выхода он снова расширяется и замедляется. Расход газа через отверстие в основном определяется входным и выходным давлением, а также диаметром отверстия. Температура газа также влияет на процесс.
Газ расширяется в пространстве, когда его молекулы сталкиваются со стенками трубопровода, другими молекулами газа и т. д. Каждый газ расширяется со своей скоростью, а повышение давления происходит при увеличении количества молекул в одном и том же объёме. Применяя это к схеме течения через отверстие, можно сказать, что расширение газа приводит к тому, что молекулы, расширяющиеся в зелёной зоне на выходе, сталкиваются с «быстрыми» молекулами в синей зоне и отклоняют их. Если давление в зелёной зоне выхода повышается, это означает, что в том же объёме находятся большее количество молекул. Больше молекул в зеленой выходной области означает, что больше молекул отклоняют «быстрые» молекулы в синей области. Это снижает скорость потока в синей области, что, в свою очередь, уменьшает расход, проходящий через отверстие при более высоком противодавлении.
Если давление падает в зеленой выходной области, это означает, что в этом пространстве присутствует меньше молекул, что приводит к меньшему количеству отклонений «быстрых» синих молекул. Это вызывает более высокую скорость в синей области и, следовательно, более высокий расход при падении противодавления.
Заглушенный расход возникает, когда скорость потока в синей зоне достигает скорости звука. При этой скорости молекулы в синей зоне фактически движутся быстрее, чем молекулы в зелёной зоне успевают расширяться. Поэтому столкновения между молекулами на границе синей и зелёной зон больше не снижают скорость потока в синей зоне. При фиксированном входном давлении выходное давление может изменяться в широком диапазоне без изменения массового расхода — пока сохраняются условия, необходимые для заглушенного расхода.
Для поддержания заглушенного расхода важно учитывать эффект, называемый критическим потоком, который возникает, когда скорость газа через дросселирующее отверстие достигает скорости звука. Газ при этом движется быстрее, чем успевает расширяться на выходной стороне. Достичь такой скорости потока можно, отрегулировав соотношение давлений на входе и выходе. Минимальное соотношение этих давлений, приводящее к критическому потоку, рассчитывается по показателю адиабаты газа. Для многих распространённых газов это соотношение составляет от 1,8 до 2,2, что позволяет при управлении потоком в условиях изменяющегося давления игнорировать колебания противодавления, если входное давление как минимум в 2,2 раза превышает максимальное давление на выходе. Расчёт всегда выполняется по абсолютным давлениям.
Таким образом, если необходимо поддерживать заданный массовый расход при изменении давления на выходе от 25 до 75 PSIA, поток останется стабильным, если давление на входе в отверстие установлено на уровне 165 PSIA или выше.
Теперь, когда заглушенный расход может использоваться для поддержания массового расхода при изменении противодавления, возникает вопрос: что делать, если требуется увеличить расход?
1. Повысить входное давление.
Большее входное давление увеличивает плотность газа, что приводит к увеличению массового расхода через отверстие. Это можно реализовать установкой регулятора до отверстия или применением регулятора давления, если требуется автоматизация или повышенная точность. Однако для многих пользователей этот подход нежелателен по трём причинам:
2. Увеличить размер отверстия.
Именно таким путём идут пользователи массовых расходомеров. Управляющий клапан массового расходомера имеет множество промежуточных положений между полностью открытым и полностью закрытым состоянием. Положение клапана регулируется для достижения требуемого расхода, что по сути изменяет эффективный размер отверстия в клапане. Этот подход предпочтителен для большинства пользователей, поскольку требуется установка только одного прибора, регулирование осуществляется автоматически и имеется функция оперативной обратной связи по значению расхода, подаваемого в процесс.
Но что делать, если максимальное давление на выходе превышает 75 psia? Клиенты, работающие при более высоких давлениях, успешно используют массовый расходомер серии SLA, являющийся лидером рынка. SLA может работать при давлениях до 4500 PSIG. Он также подходит для эксплуатации в помещениях, на открытом воздухе и во взрывоопасных зонах, а также поддерживает множество вариантов электрической коммуникации для решения широкого спектра задач по управлению расходом.
