DE2212746C3

DE2212746C3 - Strömungsrichter

Info

Publication number: DE2212746C3
Application number: DE19722212746
Authority: DE
Inventors: Koichiro Akashi; Kenichi Koga; Hisao Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1971-03-11
Filing date: 1972-03-13
Publication date: 1978-03-02
Also published as: FR2128861A1; DE2212746A1; JPS5137022B1; SU482053A3; DE2212746B2; FR2128861B1; CH544230A; GB1375908A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsrichter mit einer eine Vielzahl runder Löcher gleichen Durchmessers aufweisenden Lochplatte, die in ein zylindrisches Rohr senkrecht zur Strömungsrichtung eingepaßt ist, wobei das Verhältnis der Dicke der gelochten Platte zum Durchmesser der Löcher in der Platte mindestens gleich Eins ist.

Derartige Strömungsrichter finden z. B. Verwendung bei der Messung der Durchflußmenge einphasiger Gase oder Flüssigkeiten, die durch ein zylindrisches Rohr strömen.

Konventionelle Strömungsrichter für diesen Zweck sind in einer Typenverschiedenheit, wie sie in den F i g. 1 bis 5 gezeigt ist, erhältlich. Die Vorrichtung gemäß dieser Figuren bestehen aus einer gelochten Platte 02, einem Gitter 03, einem Drahtnetz 04, einer gelochten Platte 05 plus einem stromabwärts angeordneten Gitter 06 oder einem Drahtnetz 07 plus einem stromabwärts angeordneten Gitter 08, angeordnet in einem Rohr 01. Sie richten entweder eine stromaufwärts kanalartig oder verwirbelt ausgebildete Strömung oder beide Strömungsarten, um für eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung zu sorgen. Sie sind jedoch nicht in der Lage, eine volltumulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zustande zu bringen, die für die Messung mit einem Drosseldurchflußmesser erforderlich ist. Wenn eine echte vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung mit solchen Strömungsrichtern erreicht werden soll, so gibt es keine andere Möglichkeit, als eine verlängerte Richtlänge anzuwenden und Nutzen aus der zusätzlichen Reibung der Flüssigkeit an der Innenwand des Rohres zu ziehen.

In dem Bemühen, die erwähnten Nachteile auszuschalten, hat man vorgeschlagen, eine Anordnung 09, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist, zu installieren, die aus einem Gitter 010 und einer gelochten Platte 011 in einem zylindrischen Rohr besteht, wobei die Platte 011 an der stromaufwärts gerichteten Stirnseite des Gitters anliegt und ihre Löcher in Richtung auf das Zentrum größer und am Umfang kleiner sind. Im Vergleich mit den Strömungsrichtern der F i g. 1 bis 5 gestaltet die Konstruktion nach Fig.6die Verwendung eines relativ kurzen geraden Rohrabschnitts, um die erforderliche vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zu erreichen. Jedoch hat diese Vorrichtung Nachteile, daß unterhalb des Strömungsrichters ein gerades Rohrstück vorgesehen werden muß, das eine Länge vom lOfachen Rohrdurchmesser hat, daß der Druckverlust groß ist und die Herstellungskosten hoch sind.

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so Aus diesem Grunde hat sich keiner der bekannten Strömungsrichter als zufriedenstellendes Mittel zur Erzeugung einer vollturbulenten Strömungsgeschwindigkeitsverteilung erwiesen. Im Hinblick darauf und auf die nachstehenden zusätzlichen Gründe wurde der Ruf nach der Einführung eines Strömungsrichters laut, der mit einer kurzen geraden Rohrlänge eine volltuibulente Strömungsgeschwindigkeitsvtrteilung erbringt.

a) Die neue Industrie tendiert zur Erreichtung von Betriebsanlagen größerer Kapazität. Dies macht es nicht länger möglich, große Länge- zu-Durchmesser-Verhältnisse für die geraden Rohrlängen oberhalb von Drosseldurchflußmessern in Rohrleitungen beizubehalten. Andererseits verlangt die Industrie mehr und mehr gesteigerte Meßgenauigkeit und fordert drängend nach Strömungsrichtern, die diese Meßgenauigkeit erfüllen können und dabei mit der kürzest möglichen geraden Rohrlänge auskommen.

b) Wenn ein geeichter Drosseldurchflußmesser zu praktischen Messungen benutzt wird, so gibt es Fehlermöglichkeiten wegen mangelnder hydrodynamischer Ähnlichkeit, wenn die Meßbedingungen von den Eichbedingungen infolge irgendwelcher Hindernisse abweichen, die in der Rohrleitung vorhanden sein können, wie z. B. ein Bogen vor dem Durchflußmesser. Es hat sich bestätigt, daß, speziell wenn die Reynoldszahl hoch ist, ein Drosseldurchflußmesser einen ungewöhnlichen Strömungskoeffizientenwert und dem Einfluß einer ungleichmäßigen Strömung hat. Aus diesem Grunde ist es von großer Bedeutung, daß ein Strömungsrichter eingebaut wird, der in der Lage ist, mit hohem Wirkungsgrad der Wirkung von stromaufwärts befindlichen Hindernissen, sei es eine Abzweigung, ein Bogen oder ein Ventil, entgegenzuwirken.

c) Aus einer Reihe von Versuchen und auch aus der einschlägigen Literatur geht hervor, daß die Stromungsgeschwindigkeitsverteilung oberhalb eines Drosseldurchflußmessers die Genauigkeit der Messung wesentlich beeinflussen kann. Das bedeutet, daß ein Strömungsrichter, der in der Lage ist, eine vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung wirklich zu erzielen, absolut erforderlich ist.

d) Die üblichen Strömungsrichter können die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung vergleichmäßigen, aber sind nicht in der Lage eine vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zu bewirken. Wo letztere erreicht werden soll, muß eine lange gerade Rohrlänge verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsrichter zu schaffen, mit dem sich die oben angegebenen Probleme bewältigen lassen, d. h. mit dem eine vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung bei kurzer Baulänge mit hohem Wirkungsgrad erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen benachbarten Löchern im Zentrum der Platte bzw. des Rohres gering und zur Rohrwandung hin stufenweise größer ist.

In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes liegt das Verhältnis der Dicke der gelochten Platte zum Durchmesser der Löcher in der Platte zwischen 1 und 3.

Alisführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden im Zusammenhang mit bekannten Strömungsrichtern nä-

her beschrieben.

Es zeigen

F i g. 1 bis 6 konventionelle Strömungsrichter, die in einem zylindriscnen Rohr 01 angeordnet .;ind; F i g. 1 eine Draufsicht auf eine gelochte Platte 02; F i g. 2 eine Draufsicht eines Gitters 03; F i g. 3 eine Draufsicht eines Drahtnetzes 04;

F i g. 4 einen Längsschnitt eines zylindrischen Rohres 01, in dem eine gelochte Platte 05 und ein Gitter 03, das sich stromabwärts zur Platte befindet, angeordnet sind:

F i g. 5 einen Längsschnitt eines zylindrischen Rohres 01, in dem ein Drahtnetz 07 angeordnet ist und stromabwärts dazu ein Gitter 08;

Fi g. 6 eine perspektivische Ansicht eines Strömungsrichters 09, der aus einem Gitter 010 und einer gelochten Platte 011 besteht, die an der stromaufwärts gelegenen Stirnseite des Gitters angeordnet ist;

Fig. 7 eine Stirnansicht auf einen Strömungsrichter gemäß der Erfindung, der in einem zylindrischen RoIrangeordnet ist;

Fig.8 einen Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig.7;

Fig. 9 die Änderungen der Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr 01, das mit einem bekannten Strömungsrichter 012 mit gelochter Platte gemäß Fig. 1 ausgerüs· ' ist (Rohrdurchmesser 205mm, Plattendicke 14 mm, Lochdurchmesser 7 mm Flächenverhältnis 0,5);

Fig. 10 die Änderungen der Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr 1, das mit einem Strömungsrichter 2 gemäß der Erfindung ausgerüstet ist;

Fig. 11 einen Vergleich der Ergebnisse von Versuchen mit einem konventionellen Strömungsrichter gemäß Fig. 6 und einem erfindungsgemäßen Strömungsrichter nach den F i g. 7 und 8;

Fig. 12 einen graphischen Vergleich der Ergebnisse von Versuchen zur Feststellung der erforderlichen Richtlängen für verschiedene Strömungsrichter;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Ergebnisse bei der Untersuchung des Richteffektes, die mit verschiedenen Größen des erfindungsgemäßen Strömungsrichters erzielt worden sind;

Fig. 14 eine Draufsicht der gelochten Platte des Strömungsrichters 09 gemäß F i g. 6;

Fig. 15 eine Draufsicht auf einen Quadranten der gelochten Platte des erfindungsgemäßen Strömungsrichters und

Fig. 16 eine Querschnittsansicht des Quadranten gemäß Fig. 15.

Die Fig. 7, 8 und 15 zeigen Ausführungsformen der Erfindung. Die Lochdurchmesser c/der in den gelochten Platten 2 ausgebildeten Löcher 3 sind gleich. Die Abstände 1 zwischen benachbarten Löchern 3 sind vom Zentrum des zylindrischen Rohres 1 das zum Umfang hin fortschreitend vergrößert. Mit anderen Worten, die Zahl der Löcher 3 pro Flächeneinheit der Platte wird zum Zentrum des Rohres hin größer und zum Umfang hin geringer. Das stromaufwärts gelegene Ende der Löcher 3 ist konisch. Ferner sind die Löcher so gestaltet, daß das Verhältnis t/d der Plattendicke t zum Lochdurchmesser dim Bereich von 1,0 bis 3,0 liegt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Strömungsrichters wird im folgenden unter Bezugnahme auf die F i g. 9 und 10 und im Vergleich mit der Wirkungsweise konventioneller Vorrichtungen beschrieben. In Fig. 9 sind die Veränderungen der Geschwindigkeitsverteilimg gezeigt, die in einem zylindrischen Rohr 01 von einem konventionellen Strömungsrichter 012 hervorgerufen werden. Eine Flüssigkeit, deren Geschwindigkeitsverteilung A durch ein nicht dargestelltes Hindernis oberhalb des Strömungsrichters 012 ungleichförmig ausgebildet ist, fließt

> durch den Strömungsrichter 012, um eine Geschwindigkeitsverteilung B zu erhalten, die beinahe gleichförmig ist. Bei Fortschreiten der Flüssigkeit durch die gerade Rohrlänge wird eine Geschwindigkeitsverteilung C erreicht, und stromabwärts davon, oder in einem

ro Abstand von etwa 10 D(IO χ Rohrdurchmesser) vom Strömungsrichter wird eine turbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung E erreicht. Das bedeutet, daß ein Meßinstrument, d. h. ein Drosseldurchflußmesser 014 weiter stromabwärts installiert werden muß.

is F i g. 10 zeigt die Veränderung der Geschwindigkeitsverteilung in einem zylindrischen Rohr 1 mit einem Strömungsrichter 2 gemäß der Erfindung. Eine Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeitsverteilung, die durch ein Hindernis stromaufwärts (nicht dargestellt) ungleichförmig ausgebildet ist, erhält durch den Strömungsrichter 2 eine vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, nachdem sie ein kurzes Stück der auf den Strömungsrichter 2 folgenden geraden Strecke passiert hat.

Der erfindungsgemäße Strömungsrichter hat folgende Vorteile:

I) die gerade Rohrlänge vor einem Drosseldurchflußmesser kann extrem gekürzt werden.
II) Wirbel der Flüssigkeit können fast auf den Wert Null reduziert werden.

III) Der Druckverlusi ist unbedeutend.

IV) Da die Durchmesser der Löcher der gelochten Platte alle gleich sind, kann der Strömungsrichter mit niedrigen Kosten produziert werden.

V) Die Fiüssigkeitsströmungsmessung ist mit hoher Genauigkeit durchführbar.

Die Geschwindigkeitsverteilungscharakteristik. die erforderliche Richtlänge und die Verminderung der Wirbelströmung durch den erfindungsgemäßen Strömungsrichter werden im folgenden zusammen mit Versuchsergebnissen, die in den Fig. Il bis 13 dtagrammartig dargestellt sind, behandelt.

I.Geschwindigkeitsverteilungscharakteristik
(Fig. Π)

1) Vorrichtung drei verschiedener Größen £, Fund C, wie in Tabelle 1 gegeben, werden aus gelochten Platten wie in F i g. 6 hergestellt und haben eine Fläche wie in Fi g. 14.

Tabelle 1

Nr.	I	E	/	a
II	0,141'""	0.151^d/"	0,131'""
in	0,139	0,149	0.129
IV	0,110	0,118	0,102
V	0.139	0,149	0,102
Vl	0,136	0,1 46	0,126
VII	0,077	0.083	0,072
VIII	0,110	0.118	0,102
0.077	0.083	0.072

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2) Gelochte Platten, die eine Fläche, wie sie in den Fig. 15und 16dargestellt ist,aufweisen, werden für Vorrichtungen H, I und / verwendet, die die in Tabelle 2 gegebenen Abmessungen haben.

Tabelle 2

Nr.	I	//	V	/	0	= 102	J	I'
	Il	.V	0	.V	29,0	V	12,0
III	0	28,5	0	58,0	0	38,0
IV	0	57,0	0	87,0	12,0	63,0
V	0	85,0	0	14,5	0	90,0
Vl	0	14,5	0	44,5	0	12,0
VI!	25,0	48,0	25,5	78,0	24,0	35,0
VIII	26,5	78,0	26,0	0	35,0	69,5
IX	32,0	0	30,0	29,0	24,0	12,0
X	50,0	28,5	51,0	60,0	48,0	48,0
XI	50,0	59,0	51,0	U	56,0	74,0
XII	59,0	0	55,5	33,0	50,0	16,5
Lochdurchm	81,0	31,0	82,0	28,0	72,0	40,5
Bemerkungen:	79,0	26,5	80,0		79,5	20,0
			Platte: R

Iiinhcilen in mm; gelochte	.55 mm

3) Die konventionelle Vorrichtung fund die Vorrichtung H gemäß der Erfindung, beide mit 200 mm Durchmesser, werden in gerade Rohre 1 mit einem Innendurchmesser von 200 mm eingepaßt. Mit jedem Rohr wird ein Bogen stromaufwärts verbunden und dann werden Geschwindigkeitsverteilungen in den Rohren ermittelt. Die festgestellten Daten sind in F i g. 11 graphisch dargestellt.
An einem Punkt 1D (ein Abstand entsprechend dem Rohrdurchmesser D) oberhalb des Strömungsrichters war die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung ungleichmäßig, wie durch die Kurve A dargestellt.

An einem Punkt 1,5D unterhalb des Strömungsrichters hat sich die Geschwindigkeitsverteilung im Falle eines konventionellen Strömungsrichters gemäß F i g. 6 wie durch die Kurve B wiedergegeben, geändert, oder im Falle der Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungsrichters gemäß der F i g. 15 und 16 wie durch die Kurve C wiedergegeben, geändert. In beiden Fällen war die sich ergebende Kurve im wesentlichen symmetrisch zur Rohrachse. Dennoch ergab der konventionelle Strömungsrichter, wie aus F i g. 11 ersichtlich, eine Geschwindigkeitsverteilung, die wesentlich von der für Drosseldurchflußmesser erforderlichen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung abwich, wogegen der erfindungsgemäße Strömungsrichter eine nahezu vollkommene vollturbulente Strömungsgeschwindigkeitsverstellung erzeugt. Als der Druckverlust ermittelt wurde, zeigte sich, daß der bei dem erfindungsgemäßen Strömungsrichter aufgetretene Verlust einige Zehnprozent geringer war als bei der konventionellen Vorrichtung.

II. Richtlängencharakteristik (F ig. 12)

In Fig. 12, die die Ergebnisse der Untersuchungen der erforderlichen Richtlänge, d.h. der geraden Rohrlänge, wiedergibt, geben die Zahlen an der Abzisse das Durchmesserverhältnis der Drosselöffnung an. Als

Ordinate ist das Verhältnis L/D der geraden Rohrlängi L zum Rohrdurchmesser D aufgetragen, das zui Begrenzung des Fehlers infolge der Verhältnisse oberhalb der Drosselöffnung innerhalb eines Toleranz wertes von 0,5% gemäß der ISO-Empfehlungen R 541 erforderlich ist.

Die Kurve, die abwechselnd mit kurzen und langer Strichen in Fig. 12 gezogen ist, gibt in Übereinstim mung mit der ISO-Empfehlung die oberhalb einer Drosselöffnung erforderliche gerade Rohrlänge an, wo kein Strömungsrichter erforderlich ist. Die gestrichelter Kurven stellen die Ergebnisse von den konventioneller Strömungsrichtern dar, die die Ausführung nach der Fig.6 und 14 und die Abmessungen £, Fund G in Tabelle 1 haben. Die durchgezogenen Kurven geben die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Strömungsrichter wieder, die die Ausführung nach Fig. 15 und 16 und die Abmessungen H, I und / gemäß Tabelle 2 haben. Bei jedem Versuch war das Prüfrohr mit zwei 90°-Krümmern in verschiedenen Ebenen stromaufwärts des Durchflußmessers verbunden.

Aus der graphischen Darstellung ist zu erkennen, daß es der erfindungsgemäße Strömungsrichter ermöglicht, mit geringerer gerader Länge oberhalb des Durchflußmessers auszukommen, als sie konventionelle Vorrichtung erfordern.

III. Dämpfungscharakteristik der
voll-turbulenten Strömung (F i g. 13)

Unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Strömungsrichters mit verschiedenen Verhältnissen der Dichte / der gelochten Platte 2 zum Lochdurchmesser c und unter Vorgabe einer turbulenten Strömung mit verschiedenen Turbulenzwinkeln oberhalb jedes Priif-Strömungsrichters wurde der Turbulenzwinkel unterhalb der Vorrichtung ermittelt. Die Ergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. Die Winkel wurden an Stellen Iß oberhalb und 1,5D unterhalb der Prüf-Strömungsrichter ermittelt. Die Kurven H, I und / korrespondieren mit den Spalten HJundJder Tabelle 2.

Wie aus der graphischen Darstellung zu ersehen ist, löscht der erfindungsgemäße Strömungsrichter fast alle Wirbel aus und bewirkt praktisch keine Wirbelbildung, vorausgesetzt, daß das Verhältnis t/d seiner Plattendikke zum Lochdurchmesser 1,0 oder mehr beträgt. Wenn das Verhältnis t/d kleiner als 1,0 ist, wird der Richteffekt beschränkt auf eine geringe Dämpfung der turbulenten Strömung. Bei einem Verhältnis t/d, das 3,0 überschreitet, wird kaum mehr eine Verbesserung erreicht, d. h. Genauigkeit der Strömungsmessung bleibt dann praktisch unverbessert.

Außerdem wäre die dicke gelochte Platte teuer und unvorteilhaft

Der erfindungsgemäße Strömungsrichter hat folgende Vorteile:

A) Hochpräzise Messungen von Flüssigkeitsströmungen mit einem Drosseldurchflußmesser sind möglich.

B) Auf der Basis der Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit an einem Punkt in einer Rohrleitung (d. h. ohne Durchfließen eines Staurohrs) kann die Flüssigkeitsströmung gemessen werden.

C) Die Flüssigkeitsströmung kann mit berührungslos arbeitenden Strömungs- und Durchflußmessern gemessen werden (s. h. mit Ultraschallströmungsmessern und elektromagnetischen Durchflußmessern).

Der erfindungsgemäße Strömungsrichter eignet sich besonders zur Messung von Flüssigkeitsströmungen in solchen Großrohrleitungen von großen Maschinen und Anlagen, die nicht mit entsprechend langen geraden Rohrlängen von der Meßstelle ausgerüstet werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsrichter mit einer eine Vielzahl runder Löcher gleichen Durchmessers aufweisenden Lochplatte, die in ein zylindrisches Rohr senkrecht zur Strömungsrichtung eingepaßt ist, wobei das Verhältnis der Dicke der gelochten Platte zum Durchmesser der Löcher in der Platte mindestens gleich Eins ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Löchern im Zentrum der Platte bzw. des Rohres gering und zur Rohrwandung hin stufenweise größer ist.

2. Strömungsrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke der gelochten Platte zum Durchmesser der Löcher in is der Platte zwischen 1 und 3 liegt.