- Áp suất cần có ựể duy trì dòng chảy ổn ựịnh theo chiều ngang:
3.2.4. Phương pháp ựo lưu lượng bằng nghẽn tiêu chuẩn (hay nguyên lý thay ựổi ựộ giảm áp suất)
thay ựổi ựộ giảm áp suất)
a. Nguyên lý ựo
Lý thuyết cơ bản: Một trong những nguyên tắc phổ biến ựể ựo lưu lượng chất lỏng, khắ và hơi là nguyên tắc thay ựổi giảm áp suất qua ống thu hẹp. Ta có thể thấy trong hình vẽ dưới ựây, nếu một thiết bị chảy qua sẽ có sự chênh áp suất trước và sau lỗ thu hẹp. độ chênh áp suất này phụ thuộc vào lưu lượng chảy qua ống. Nguyên lý ựơn giản này ựược ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp ựể ựo lưu lượng dựa trên các thiết bị như tấm nghẽn (blende) hay các loại ống phun venturi. để ựược dùng như một số thiết bị ựo lưu lượng, ta cần tắnh toán lưu lượng dựa trên ựộ chênh áp suất. điều này ựược thực hiện bằng cách quan tâm ựến năng lượng của lưu chất. Năng lượng của một ựơn vị khối lượng của lưu chất gồm 3 thành phần:
- động năng do chuyển ựộng, ựược tắnh bởi v2/2 với v là vận tốc.
- Thế năng gh với g là gia tốc trọng trường, h là chiều cao theo một số mốc ựo. - Năng lượng áp suất của lưu chất, tương tự như thế năng là ựược tắnh bằng
P/ρ với P là áp suất và ρ là tỷ trọng ở nhiệt ựộ và áp suất của lưu chất.
Năng lượng của một ựơn vị khối lượng lưu chất tại bất kỳ thời ựiểm nào cũng bằng tổng của các thành phần sau: v21 2 + gh1 + P1 ρ1 = v22 2 + gh2 + P2 ρ2 (3-17)
đây là phương trình cơ bản của lưu lượng kế chênh áp.
Hình 3-12. Lưu lượng kế chênh áp do Q1=Q2, vận tốc dòng chảy phải tăng tại A2 và gây ra sự chênh áp giữa P1 và P2.
b. Dòng chảy rối và hệ số Reynolds
Nếu phương trình (3-17) ựược dùng như phương trình cơ bản ựể ựo lưu lượng bằng phương pháp ựo chênh áp, ta có thể thấy ựược rằng vận tốc của lưu chất tại bất kỳ thời ựiểm nào qua ựường ống là như nhau. Tuy nhiên, với những dòng chảy nhỏ, ựiều này có thể không chắnh xác do hiệu ứng ma sát của thành ống dẫn ựến mô tả về vận tốc dòng chảy như hình vẽ dưới và ựược gọi là dòng chảy thành lớp. Nếu vận tốc dòng chảy tăng lên, sẽ xuất hiện sự hỗn loạn và ở mức ựộ ựủ lớn, vận tốc trở nên bằng nhau tại mọi thời ựiểm trên ựường ống. Nhìn chung, các lưu lượng kế ựo chênh áp thường chỉ ựược sử dụng với dòng chảy rối.
Với một lưu chất cho trước, trạng thái của dòng chảy ựược chỉ thị bởi hệ số Reynolds - Re và ựược cho bởi:
Re = vDρ
η (3-18)
Trong ựó: v: là vận tốc lưu chất; D: ựường kắnh ống
ρ : là tỉ trọng của lưu chất; η: ựộ nhớt của lưu chất
độ nhớt ựộng học η/ρ thường ựược sử dụng nhiều hơn là các giá trị riêng lẻ η và ρ. Hệ số Reynolds là hệ số tỉ lệ do ựó không có thứ nguyên. Giá trị của hệ số Re
càng lớn thì mức ựộ hỗn loạn của dòng chảy càng cao. Nhìn chung, nếu Re<2000, dòng chảy là dòng chảy thành lớp. Nếu Re > 105, dòng chảy là hoàn toàn rối.
c. đo theo chênh lệch áp suất
Xuất phát từ phương trình bảo toàn lưu lượng trong ống chảy nối tiếp ta có:
Q1 = Q2 (3-19)
Ta có thể thay vào phương trình trên biểu thức tắnh Q = V.S nên ta có phương trình mới như sau:
V1.S1 = V2.S2 (3-20)
Bây giờ, ựể ựơn giản cho các biểu thức tắnh toán ta có thể ựặt như sau:
m = S2
S1 (3-21)
Khi kết hợp hai biểu thức trên, ta có thể viết như sau:
⇒ m = V1
V2
(3-22)
Ta tiếp tục ựặt một hệ số ựặc trưng mới theo biểu thức dưới ựây α = 1
1-m2 (3-23)
Theo phương trình thủy ựộng lực học Becnuli và áp dụng cho ống nằm ngang (không thay ựổi về thế trọng trường do cùng một ựộ cao), ta có phương trình cân bằng sau:
p1 + ρV12
2 = p2 + ρV22
2 (3-24)
Trong ựó:
p1, p2 tương ứng là áp suất vào và ra thiết bị ựo của dòng chất lỏng V1,V2 tương ứng là vận tốc vào và ra thiết bị ựo của dòng chất lỏng ρ là mật ựộ dòng chất lỏng
α, m là các hệ số
Khai triển sau khi chuyển vế, ta có phương trình sau: ⇒∆p = p1 - p2 = ρ 2 . (V2 2 - V12) = ρ 2 .V2 2 1- V1 V2 2 = ρ 2 .V2 2 [1-m2] (3-25)
Ta có thể lập biểu thức tắnh V2 như sau: ⇒ V22 = 1 1-m2 . 2 ρ . ∆p (3-26) ⇒ V2 = α . 2 ρ . ∆p (3-27) Khi ấy lưu lượng tại các tiết diện khác nhau trong ống có thể tắnh như sau:
⇒ Q = Q1 = Q2 = V2 . S2 = α . k . ∆p (3-28) Trong ựó hệ số k ựược tắnh như sau:
k = 2
ρ . S2 (3-29)
Theo phương pháp này, ta có thể phân ra một số thiết bị ựo kiểu này như sau: - Ống Blender (tấm nghẽn tiêu chuẩn)
- Ống phun - Ống Venturi
Các ống này không chỉ khác nhau về cấu tạo mà còn khác hẳn nhau về ựặc tắnh kỹ thuật ựặc biệt là về sai số của phép ựo. Trong các loại ống trên chỉ có ống Venturi là ống cho sai số phép ựo ắt nhất vì: Ống có cấu tạo như một cái quặng ở ựầu ra, vì vậy nó có dòng xoáy (dòng cuộn) là ắt nhất vì thế gây sụt áp giữa hai ựầu trước và sau thiết bị ựo là ắt nhất, do vậy kết quả ựo là chắnh xác nhất.
Sau ựây sẽ là biểu ựồ phân bố áp suất dọc theo chiều dài của ống và ựộ sụt áp suất trên thiết bị ựo (PỖ = P1 Ờ P1Ỗ)
Về mặt lý thuyết với thiết bị ựo lý tưởng thì ta sẽ không có sự sụt áp, tuy vậy trong thực tế gặp phải một số vấn ựề sai số trong phương pháp này là PỖ ≠ 0.
Lưu ý: Nếu chênh áp ựược tắnh bằng chiều cao h thì: ∆P ~ h
Q = k h (3-30)
Sai số này còn thay ựổi theo m (hệ số tỉ lệ tiết diện ống), khi ấy ta cũng thấy ống Venturi cũng ắt phụ thuộc vào hệ số này nhất vì vậy việc bù sai lệch là khả quan nhất. Cụ thể sự phụ thuộc của chất lượng từng loại ống vào m và ựặc tắnh của nó ựược trình bày như hình dưới ựây:
Nếu ta tăng m thì sẽ giảm sai lệch thì ựộ nhậy phép ựo sẽ giảm, ựiều này rất dễ hiểu vì khi ta cho m tăng thì hệ số α sẽ tăng, ựây chắnh la vấn ựề ta cần cân ựối một cách hợp lý.
d. Kỹ thuật ựo ựộ chênh áp
Việc chuyển ựổi tắn hiệu chênh áp thành tắn hiệu ựiện ựòi hỏi phải có một bộ biến ựổi áp suất vi sai (∆P). Bộ biến ựổi ∆P ựược kết nối qua một khối ống phân phối như
Hình 3-13. Biểu ựồ phân bố áp suất dọc ống khi lắp vào ống lưu lượng kế
Hình 3-14. đồ thị ựánh giá ựộ tụt áp suất theo m của các loại ống khác nhau
hình vẽ. Khối này cho phép bộ biến ựổi ựược cách ly ựể tháo lắp hay bảo dưỡng thông qua các van B và C. Van A là van cân bằng ựược sử dụng trong quá trình ựiều chỉnh ựiểm không khi van B và van C ựóng còn van A mở. Trong quá trình vận hành bình thường, van A luôn ựóng. Khi vận hành các van này, phải ựảm bảo rằng áp suất không thể ựi qua ựược trong toàn bộ ựường ống có thể dẫn ựến hư hỏng màng của bộ biến ựổi. Luôn phải ựảm bảo thứ tự: van A mở, van B, C ựóng hay mở van B, C, ựóng van A.
Việc lắp ựặt ựường ống dẫn áp suất cũng phải thận trọng ựể tránh các vấn ựề xảy ra do sự ngưng tụ của các chất lỏng (ựối với không khắ) và các túi khắ (ựối với ựo chất lỏng). Lý tưởng nhất là một hệ thống ựo lưu lượng khắ nên ựặt bộ biến ựổi ∆P ở trên tấm nghẽn với ựường ống thẳng lấy áp suất ựi xuống dưới. Tương tự như vậy, với hệ thống ựo lưu lượng chất lỏng, bộ chuyển ựổi ∆P nên ựặt dưới tấm nghẽn với ựường ống thẳng lấy tắn hiệu áp suất ựi lên.
Nếu như vì ựiều kiện vị trắ mặt bằng không cho phép thực hiện ựược cách lắp ựặt như trên ta phải bố trắ ựường ống với các vòi thoát (ống dẫn khắ hay ống thoát chất lỏng).
Hình 3-15. Bố trắ các van
Như vậy, với các phương pháp ựo lưu lượng trên ta chọn phương pháp ựo ựộ chênh áp vì ựộ chênh áp suất này phụ thuộc vào lưu lượng chảy qua ống. Nguyên lý của nó ựơn giản và ựược ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp ựể ựo lưu lượng.