DE19648583C1

DE19648583C1 - Wirkdruckgeber eines Durchflußmessers

Info

Publication number: DE19648583C1
Application number: DE1996148583
Authority: DE
Original assignee: TAVIRA HOLDINGS Ltd
Current assignee: TAVIRA HOLDINGS Ltd
Priority date: 1996-11-23
Filing date: 1996-11-23
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2016-11-24
Also published as: RU2157970C2; AU5500998A; WO1998023930A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Durch flußmessung von Fluiden in geschlossenen Leitungen und insbesondere auf den Wirkdruckgeber eines Durchflußmes sers.

Übliche Wirkdruckgeber dieser Art sind Meßblenden, Meß düsen und Venturirohre. Die letzteren bestehen aus einem Rohrkörper, dessen Strömungsquerschnitt sich in Strö mungsrichtung vom vollen Rohrquerschnitt allmählich auf etwa die Hälfte dieser Querschnittsfläche verengt und dann wieder auf den normalen Querschnitt erweitert. Ge messen wird die Differenz der Drücke zwischen der strom auf liegenden Stelle vollen Querschnitts und der Stelle des minimalen Querschnitts, wobei die Drücke abgenommen werden von mehreren Druckabnahmeöffnungen, die auf dem Umfang der jeweiligen Querschnittsebene der Druckabnah mestelle verteilt sind und die von einem Ausgleichsman tel umgeben sind, der eine vergleichmäßigende Ringkammer bildet.

Wirkdruckgeber dieser Art sind nicht in jeder Hinsicht befriedigend, unter anderem bezüglich der bei ihrer Durchströmung auftretenden Verluste, des Durchsatzver mögens und des Auftretens von Vibrationen und Lärm.

In US-PS 2 573 430 ist ein Durchflußmesser beschrieben, der zur Verringerung der Durchströmungsverluste ohne Querschnittsveränderungen ausgebildet ist, wobei strom aufwärts gelegene Druckabnahmeöffnungen schräg in die Rohrwand entgegen der Strömungsrichtung und stromabwärts gelegene Druckabnahmeöffnungen schräg in die Rohrwand mit der Strömungsrichtung münden. Die zwischen diesen entstehende Druckdifferenz ist in erster Linie reibungs bedingt und enthält noch eine Staudruckkomponente. In einer besonderen Ausbildung dieses Durchflußmessers ist zwar eine venturirohrähnliche Verengung des Strömungs querschnitts verwirklicht, jedoch liegen die Druckabnah meöffnungen vor und hinter der engsten Stelle in glei chen Abständen an Stellen gleichen Querschnitts.

Aus DE-PS 4 54 409 ist eine zu einem Venturirohr umrüst bare Meßdüse bekannt, die nur durch Einspannung zwischen zwei Rohrflanschen gehalten ist.

Ein aus DE-PS 3 05 339 bekanntes Venturirohr zur Messung der Geschwindigkeit einer freien Gasströmung hat einen auf die engste Stelle folgenden Erweiterungsabschnitt mit sich stufenweise vergrößernden Querschnittsflächen, wodurch eine Unempfindlichkeit gegenüber Schräganströ mungen erzielt werden soll.

Zur Verringerung der Geräuschentwicklung einer Drossel blende wird in EP 0 493 350 A1 vorgeschlagen, diese als Scheibe mit einer Vielzahl von Öffnungen auszubilden, deren Eintrittsränder abgerundet sind und die stromab wärts kurze Flanschabschnitte bilden. Hier geht es nicht um Messungen, sondern nur um die Verteilung von Luftmen gen in verzweigten Lüftungsanlagen.

Eine Vorrichtung zur Messung zweier Druckdifferenzen über zwei aufeinanderfolgende Strömungsabschnitte eines Strömungskanals ist aus DE-PS 10 22 021 bekannt, wobei es um Feststoffe transportierende Gase geht und auf der ersten Meßstrecke konstanten Querschnitts eine Druckdif ferenz gemessen wird, die eine Funktion der mitgeführten Feststoffmenge ist, und auf der zweiten, sich diffusor artig erweiternden Meßstrecke eine Druckdifferenz gemes sen wird, aus der sich der Durchsatz des Fördergases ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesser ten Wirkdruckgebers für Durchflußmessungen. Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigegebenen Zeich nungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Wirkdruckgebers mit drei Druckabnahmestellen und drei Nutenstufen auf dem Diffusorabschnitt;

Fig. 2 den Querschnitt 1-1 aus Fig. 1;

Fig. 3 die Einzelheiten der Ausbildung einer Diffu sornut;

Fig. 4 die Seitenansicht des Wirkdruckgebers;

Fig. 5 den Querschnitt 1-1 bei einer Ausbildung des Diffusors mit aufeinanderfolgend versetzten Nuten der drei Nutenstufen;

Fig. 6 die Geschwindigkeitsverteilung in der wandna hen Strömung am Anfang eines Diffusorab schnitts ohne Nuten;

Fig. 7 die Geschwindigkeitsverteilung in der wandna hen Strömung am Anfang des Diffusorabschnitts mit Nuten.

Der von links nach rechts durchströmte Wirkdruckgeber stellt einen Rohrkörper aus einem an die Zuströmrohrlei tung angeschlossenen Eintrittsstutzen 1, einem anschlie ßenden Diffusorabschnitt 4, einem Abschnitt 5 maximalen Querschnitts, einem Konfusor 8 und einem Austrittsstut zen 9 dar. Eine erste Druckabnahmestelle 2 ist im Ein trittsstutzen 1 von in dessen Querschnittsebene auf dem Umfang verteilten Druckabnahmeöffnungen 3 gebildet, wel che an der Außenfläche 12 in einen den Außenumfang umge benden und die abgenommenen Drücke vergleichmäßigenden Ausgleichsmantel 13 münden, an den ein Druckabnahmestut zen 16 angeschlossen ist, in dem der in der Druckabnah me-Querschnittsebene 2 herrschende Druck P₁ ansteht.

Ebenso ist im Abschnitt 5 maximalen Querschnitts und der Länge l₁ (Fig. 4) eine Druckabnahmestelle 6 mit Druckab nahmeöffnungen 7 gebildet, die außen von einem Aus gleichsmantel 14 umgeben sind und die den hier herr schenden maximalen Druck P₂ im Druckabnahmestutzen 17 anstehen lassen. Im Austrittsstutzen 9 ist eine dritte Druckabnahmestelle 10 für den hier herrschenden Druck P₃ gebildet von Druckabnahmeöffnungen 11, die außen vom Ausgleichsmantel 15 mit dem Druckabnahmestutzen 18 umge ben sind. An den Austrittsstutzen 9 ist die weiterfüh rende Rohrleitung angeschlossen, in die der Wirkdruckge ber eingeschaltet ist.

In die Innenfläche 19 des Diffusorabschnitts 4 sind Nu ten 20 eingearbeitet, und zwar im Ausführungsbeispiel drei hintereinanderliegende Stufen von auf dem Umfang verteilten Nuten, deren Boden 21 zur Neigung der Innen fläche 19 einen Winkel α₁ einnimmt. Die Neigung der In nenfläche α₂ ist gleich der Hälfte des Diffusorkegel-Öff nungswinkels α₀, der 10° bis 90° betragen kann, und der Bodenneigungswinkel α₁ ist größer oder gleich dem Innen flächenneigungswinkel α₂, das heißt der Boden der Nuten ist parallel zur Rohrkörperachse oder in Strömungsrich tung divergent orientiert. Der Übergang von der Innen fläche 19 in den Anfang der Nut 20 ist gebildet durch eine Nutenstirnfläche 23, die normal zur Rohrkörperachse orientiert ist.

Im Ausführungsbeispiel folgen drei Nutenstufen abstands los aufeinander; möglich ist auch eine Ausbildungsva riante mit nur einer Stufe von auf den Umfang verteilten Nuten oder eine Variante mit mehreren Nutenstufen, wobei zwischen benachbarten Nutenstufen ein Abstand eingehal ten ist, also eine nutenfreie Kegelstumpffläche gebildet ist.

Bei einer Ausbildung mit mehreren aufeinanderfolgend gestuften Nutenkränzen können die Nuten aufeinanderfol gender Stufen, wie in Fig. 2 gezeigt, hintereinander liegen, oder sie können, wie in Fig. 5 gezeigt, zuein ander versetzt sein, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 die Nuten der ersten und der dritten Stufe je weils auf einer Kegelmantellinie liegen und die Nuten der zweiten Stufe mittig zwischen diesen.

Die Seitenflächen 22 der Nuten sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen parallel zueinander ausgeführt; sie können jedoch auch in Strömungsrichtung divergieren oder konvergieren.

Die Abmessungen der Nuten sind folgende:

h/δ b/h < 3
l₂/l₃ 1,0
l₄/b 2,0
mit
h - maximale Tiefe der Nuten
δ - Wandstärke des Diffusorabschnitts 4
b - Breite der Nut
l₂ - Länge der Nut
l₃ - Länge des Diffusorabschnitts
l₄ - Abstand zwischen benachbarten Nuten einer Stufe in Umfangsrichtung am Außenumfang.

Der Abschnitt 5 maximalen Querschnitts kann sich be schränken auf die Querschnittsebene mit den Druckabnah meöffnungen 7, also praktisch eine Länge von Null haben, so daß der Diffusorabschnitt unmittelbar in den Konfusor abschnitt übergeht. In Fig. 4 ist seine Länge l₁. Die maximale Länge von l₁ entspricht dem maximalen Durchmes ser d_max des Abschnitts maximalen Querschnitts:
l₁/d_max 1,0.

Der Konfusor 8 ist ausgebildet als kegelige oder konoi dale Düse.

Der beschriebene Wirkdruckgeber hat die folgende Wir kung:
Das durchströmende Fluid tritt aus der Zuströmrohrlei tung durch den Eintrittsstutzen 1 gleichen Durchmessers in den Diffusorabschnitt 4 ein. In den Nuten 20 treten längsgerichtete Wirbelströmungen mit Unterdruck im Inne ren auf, während im übrigen im Diffusor ein positiver Druckgradient herrscht. Die Wirkung ist eine Beschleuni gung der grenzschichtnahen Strömung im Querschnitt 2 und eine Verringerung des Strömungswiderstands längs der Innenfläche 19.

Fig. 6 zeigt eine Geschwindigkeitsverteilung in der wandnahen Strömung am Anfang eines Diffusorabschnitts (entsprechend der Querschnittsebene 2) mit dem Neigungs winkel α₂ der Innenfläche 19 bei einer Ausbildung ohne Nuten, wobei v₁ die mittlere Geschwindigkeit außerhalb der Grenzschicht ist. Fig. 7 zeigt die Strömungsverhält nisse mit Nuten 20, die unter Ausbildung von Stirnflä chen 23 und Böden 21 einen Winkeleinsprung darstellen, und zwar hier mit α₁ = α₂, das heißt der Boden 21 jeder Nut ist parallel zur Achse orientiert. Der Innenflächen neigungswinkel α₂ ist kleiner als der Ablösewinkel α_sep (α_sep < α₂); jedoch tritt an der Kante der Stirnfläche 23 eine lokale Ablösung und Ausbildung von Längswirbeln zwischen den Seitenflächen 22 der Nuten auf, die eine Druckabsenkung im Inneren und eine Verringerung des Strömungswiderstandes längs der Diffusorinnenfläche 19 zur Folge haben. Es entsteht ein Geschwindigkeitsprofil, bei dem im grenzschichtnahen Bereich eine Geschwindig keitserhöhung um Δv auf v₂ stattfindet. Bei mehreren in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Nutenstufen wie derholen sich diese Vorgänge.

Im Ergebnis haben die Nuten die Wirkung, daß schon im Querschnitt 2 die Fluidgeschwindigkeit größer und der Druck niedriger ist als in der Zuströmrohrleitung und ein minimaler Druck P₁ über die Druckabnahmeöffnungen 3 im Stutzen 16 ansteht.

In der Ebene 6 maximalen Querschnitts erreicht das Fluid seine niedrigste Geschwindigkeit und folglich steht hier über die Druckabnahmeöffnungen 7 der maximale Druck P₂ im Stutzen 17 an.

Im Konfusor 8 wird die Strömung wieder beschleunigt und tritt in den Austrittsquerschnitt 10 mit größerer Ge schwindigkeit und geringerem Druck ein als in der Rohr leitung, so daß im Ergebnis an den Druckabnahmeöffnungen 11 bzw. dem Stutzen 18 ein minimaler Druck P₃ ansteht.

An die Druckabnahmestutzen 16, 17, 18 sind nun die Meß geräte zur Messung der Druckabfälle angeschlossen, bei spielsweise Differentialmanometer, so daß über deren An zeigen der Durchfluß (Volumen/Zeit) in den Querschnitts ebenen 2 und 10 nach den folgenden Formeln bestimmt wer den kann:

mit
D - Durchmesser der Rohrleitung, in der der Durch fluß Q zu messen ist;
P₁, P₂, P₃ - Drücke an den Druckabnahmestellen 2 bzw. 6 bzw. 10
β - konstanter Faktor:

α₃, α₄ - Korrekturkoeffizienten, und zwar

mit
kc₁, kc₂, kc₃ - Korrekturglieder zur Berücksichti gung der Ungleichmäßigkeit der Ge schwindigkeitsverteilung in den ent sprechenden Querschnitten 2, 6 und 10;
ε_D - Koeffizient der Strömungsverbreiterung im Dif fusor zwischen den Querschnittsebenen 2 und 6:
ε_D = W₂/W₆ mit W₂ und W₆ - Querschnittsflächen in den Ebenen 2 bzw. 6;
ε_C - Koeffizient der Strömungseinschnürung in der Querschnittsebene 10: ε_C = W_C/W₁₀ mit W_C und W₁₀ - Fläche der eingeschnürten Strömung im Querschnitt 10 und die Querschnittsfläche 10 des Austrittsstutzens selbst;
m - W₁₀/W₆;
ζ_1-2 - Koeffizient für die Reibungsverluste zwi schen den Querschnittsebenen 2 und 6;
ζ_2-3 - Koeffizient für die Reibungsverluste zwi schen den Querschnittsebenen 6 und 10.

Der vorgeschlagene Wirkdruckgeber eines Durchflußmessers verringert die Verluste der Durchströmung und erhöht den Durchsatzkoeffizienten sowie die auftretenden Druckdif ferenzen, insbesondere in ausgedehnten oder verzweigten Flüssigkeits- oder Gas-Rohrleitungssystemen aus Rohren großen Durchmessers. Wesentlich verbessert sind die vi broakustischen Eigenschaften der Systeme, und zwar wer den Lärm und Vibrationen erheblich verringert. Abrasiver Verschleiß der Meßstrecke durch in der Strömung mitge führte abrasive Beimengungen ist vollständig vermieden. Ein zuverlässiger Betrieb des Systems ist auch gewähr leistet, wenn das Fluid Teilchen in der Größenordnung des Rohrkalibers mitführt. Schließlich gibt es auch kei ne Begrenzungen bezüglich einer maximalen Geschwindig keit des Fluids, da auf der Meßstrecke keinerlei Gefahr des Auftretens von Kavitation besteht.

Claims

1. Wirkdruckgeber eines Durchflußmessers aus einem Rohr körper mit allmählichen Veränderungen des Strömungsquer schnitts und Druckabnahmeöffnungen an aufeinanderfolgen den Stellen, die auf dem Umfang der jeweiligen Quer schnittsebene verteilt sind und an der Außenfläche des Rohrkörpers von einem druckvergleichmäßigenden Aus gleichsmantel (13, 14, 15) umgeben sind,
dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung aufein anderfolgend ein Diffusorabschnitt (4), ein Abschnitt maximalen Querschnitts (5) mit Öffnungen (7) zur Abnahme des maximalen Drucks (P₂) und ein Konfusorabschnitt (8) vorgesehen sind
und daß im Bereich des Diffusorabschnitts in der Innen wand des Rohrkörpers auf dem Umfang verteilt Nuten (20) ausgespart sind, die auf eine maximale Tiefe (h) ein springen und deren Boden (21) in Strömungsrichtung in die Innenfläche (19) übergeht,
wobei der Boden (21) einen Winkel (α₁) mit der Innenflä che (19) bildet, der größer oder gleich dem halben Ke gelöffnungswinkel (α₂ = 1/2 α₀) dieser Innenfläche (19) des Diffusorabschnitts (4) ist.

2. Wirkdruckgeber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Diffusoröffnungswinkel (α₀) von 10 bis 90°.

3. Wirkdruckgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß in Längsrichtung mehrere Nutenab schnitte (l₂) stufenartig aufeinanderfolgend angeordnet sind.

4. Wirkdruckgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß zwischen aufeinanderfolgenden Nutenstufen ein eine nutenfreie Kegelstumpffläche bildender Abstand be lassen ist.

5. Wirkdruckgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Nutenstufen abstandslos aufeinanderfolgen.

6. Wirkdruckgeber nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Nuten (20) aller Nutenstu fen auf jeweils einer Mantellinie hintereinander liegen (Fig. 2).

7. Wirkdruckgeber nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Nuten aufeinanderfolgender Nutenstufen in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind (Fig. 5).

8. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sei tenwände (22) der Nuten (20) parallel zueinander verlau fen.

9. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (22) der Nuten (20) in Strömungsrichtung auseinanderge hen.

10. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (22) der Nuten (20) in Strömungsrichtung zusammenlaufen.

11. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein spring-Stirnflächen (23) der Nuten (20) eben und recht winklig zur Rohrkörperachse orientiert sind.

12. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Abmes sungen der Nuten: mit
h - maximale Tiefe der Nuten;
δ - Wandstärke des Diffusorabschnitts des Rohrkör pers;
b - Breite der Nuten;
l₂ - Länge der Nuten einer Nutenstufe;
l₃ - Länge des Diffusorabschnitts;
l₄ - Abstand benachbarter Nuten in Umfangsrichtung am Außenumfang.

13. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Län ge (l₁) des Abschnitts maximalen Querschnitts (5) zwi schen Null und einem Wert gleich dem Durchmesser (d_max) des Abschnitts maximalen Querschnitts liegt.

14. Wirkdruckgeber nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kon fusorabschnitt (8) als kegelige oder konoidale Düse aus gebildet ist.