Объемный и массовый расход газа

Расход газа – это количество газа, прошедшего через поперечное сечение трубопровода за единицу времени. Вопрос в том, что принять за меру количества газа. В этом качестве традиционно выступает объем газа, а получаемый расход называют объемным. Не случайно чаще всего расход газа выражают в объемных единицах (см3/мин, л/мин, м3/ч и т.д.). Другой мерой количества газа является его масса, а соответствующий расход называется массовым. Он измеряется в массовых единицах (например, г/с или кг/ч), которые на практике встречаются значительно реже.

Как объем связан с массой, так и объемный расход связан с массовым через плотность вещества:
, где  – массовый расход,  – объемный расход,  – плотность газа в условиях измерения (рабочие условия). Пользуясь этим соотношением, для массового расхода переходят к использованию объемных единиц (см3/мин, л/мин, м3/ч и т.д.), но с указанием условий (температуру и давление газа), определяющих плотность газа. В России применяют «стандартные условия» (ст. ): давление 101,325 кПа (абс) и температура 20°С. Помимо «стандартных», в Европе используют «нормальные условия» (н.): давление 101,325 кПа (абс) и температура 0°С. В результате, получаются единицы массового расхода н.л/мин, ст.м3/ч и т.д.

Итак, расход газа бывает объемным и массовым. Какой из них следует измерять в конкретном применении? Как наглядно увидеть разницу между ними? Давайте рассмотрим простой эксперимент, где три расходомера последовательно установлены в магистраль. Весь газ, поступающий на вход схемы, проходит через каждый из трех приборов и выбрасывается в атмосферу. Утечек или накопления газа в промежуточных точках системы не происходит.

Источником сжатого воздуха является компрессора, от которого под давлением 0,5…0,7 бар (изб) газ подаётся на вход поплавкового ротаметра. Выход ротаметра подключен ко входу теплового регулятора расхода газа серии EL-FLOW, производства компании Bronkhorst. В нашей схеме именно он регулирует количество газа, проходящее через систему. Далее газ подаётся на вход второго поплавкового ротаметра, абсолютно идентичного первому. При задании расхода 2 н.л/мин с помощью расходомера EL-FLOW первый поплавковый ротаметр дает показания 1,65 л/мин, а второй – 2,1 л/мин. Все три расходомера дают различные показания, причем разница достигает 30%. Хотя через каждый прибор проходит одно и то же количество газа.

Попробуем разобраться. Какая мера количества газа в данной ситуации остается постоянной: объем или масса? Ответ: масса. Все молекулы газа, попавшие на вход в систему, проходят через нее и выбрасываются в атмосферу после прохождения второго поплавкового ротаметра. Молекулы как раз и являются носителями массы газа. При этом удельный объем (расстояние между молекулами газа) в разных частях системы изменяется вместе с давлением.

Здесь следует вспомнить, что газы сжимаемы, чем выше давление, тем меньше объем занимает газ (закон Бойля-Мариотта). Характерный пример: цилиндр емкостью 1 литр, герметично закрытый подвижным поршнем малого веса. Внутри него содержится 1 литр воздуха при давлении порядка 1 бар (абс). Масса такого объема воздуха при температуре равной 20°С составляет 1,205 г. Если переместить поршень на половину расстояния до дна, то объем воздуха в цилиндре сократится наполовину и составит 0,5 литра, а давление повысится до 2 бар (абс), но масса газа не изменится и по-прежнему составит 1,205 г. Ведь общее количество молекул воздуха в цилиндре не изменилось.

Возвратимся к нашей системе. Массовый расход (количество молекул газа, проходящих через любое поперечное сечение в единицу времени) в системе постоянен. При этом давление в разных частях системы отличается. На входе в систему, внутри первого поплавкового ротаметра и в измерительной части расходомера EL-FLOW давление составляет порядка 0,6 бар (изб). В то время, как на выходе EL-FLOW и внутри второго поплавкового ротаметра давление практически атмосферное. Удельный объем газа на входе ниже, чем на выходе. Получается, что и объемный расход газа на входе ниже, чем на выходе.

Эти рассуждения подтверждаются и показаниями расходомеров. Расходомер EL-FLOW измеряет и поддерживает массовый расход воздуха на уровне 2 н.л/мин. Поплавковые ротаметры измеряют объемный расход при рабочих условиях. Для ротаметра на входе это: давление 0,6 бар (изб) и температура 21°С; для ротаметра на выходе: 0 бар (изб), 21°С. Также понадобится атмосферное давление: 97,97 кПа (абс). Для корректного сравнения показаний объемного расхода, все показания должны быть приведены к одним и тем же условиям. Возьмем в качестве таковых «нормальные условия» расходомера EL-FLOW: 101,325 кПа (абс) и температура 0°С.

Пересчет показаний поплавковых ротаметров в соответствии с методикой поверки ротаметров ГОСТ 8.122-99 осуществляется по формуле:

 , где Q – расход при рабочих условиях; Р и Т – рабочие давление и температура газа; Q_С – расход при условиях приведения; Рс и Тс – давление и температура газа, соответствующие условиям приведения.

Пересчет показаний ротаметра на входе к нормальным условиям по этой формуле даёт значение расхода 1,985 л/мин, а ротаметра на выходе – 1,990 л/мин. Теперь разброс показаний расходомеров не превышает 0,75%, что при точности ротаметров 3% ВПИ является отличным результатом.

Из приведенного примера видно, что объемный расход сильно зависит от рабочих условий. Мы показали зависимость от давления, но в той же мере объемный расход зависит и от температуры (закон Гей-Люссака). Даже в технологической схеме, имеющей один вход и один выход, где отсутствуют утечки и накопление газа, показания объемного расходомера будут сильно зависеть от конкретного места установки. Хотя массовый расход будет одним и тем же в любой точке такой схемы.

Хорошо понимать физику процесса. Но, все же, какой расходомер выбрать: объемного расхода или массового? Ответ зависит от конкретной задачи. Каковы требования технологического процесса, с каким газом необходимо работать, величина измеряемого расхода, точность измерений, рабочие температура и давление, особые правила и нормы, действующие в Вашей сфере деятельности, и, наконец, отведенный бюджет. Также следует учитывать, что многие расходомеры, измеряющие объемный расход, могут комплектоваться датчиками температуры и давления. Они поставляются вместе с корректором, который фиксирует показания расходомера и датчиков, а затем приводит показания расходомера к стандартным условиям.

Но, тем не менее, можно дать общие рекомендации. Массовый расход важен тогда, когда в центре внимания находится сам газ, и необходимо контролировать количество молекул, не обращая внимания на рабочие условия (температура, давление). Здесь можно отметить динамическое смешение газов, реакторные системы, в том числе каталитические, системы коммерческого учета газов.

Измерение объемного расхода необходимо в случаях, когда основное внимание уделяется тому, что находится в объеме газа. Типичные примеры – промышленная гигиена и мониторинг атмосферного воздуха, где необходимо проводить количественную оценку загрязнений в объеме воздуха в реальных условиях.

Как правильно рассчитать расход газа (азота, кислорода, воздуха) на производстве и что такое нормальные метры кубические? – Статьи компании «АГС»

Расход газа необходимо приводить к нормальным метрам кубическим.

Пример:

В опросном листе Клиент в поле «расход газа» указал 130 м³/ч, а в поле «давление газа» — 8 бар.

Для инженера, который будет заниматься подбором, к примеру, адсорбционной азотной станции, встанет вопрос: расход 130 метров кубических при нормальных условиях или при давлении 8 бар?

В первом случае инженер будет подбирать адсорбционную азотную станцию с производительностью 130 нм³/ч и рабочим давлением 8 бар, а во втором случае – будет производить перерасчет в нормальные метры кубические,

[Расход при нормальных условиях] = [Расход реальный] 130 м³/ч * [избыточное давление] 8 бар = 1040 нм³/ч

а потом производить подбор азотной станции с производительностью 1040 нм³/ч и рабочим давлением 8 бар.

Как Вы уже поняли, следствием такой ошибки может стать неправильно подобранная или, что хуже – приобретённая адсорбционная, мембранная или компрессорная станция. Поэтому очень важно помнить о различиях между расходом газа при нормальных условия и расходом газа при давлении.

Нормальный метр кубический (нм³) – это метр кубический (м³) газа при нормальных условиях. Под нормальными условиями принимают давление, равное 101 325 Паскаль (или 760 мм. рт. ст.) и температуру 0℃.

Как рассчитать реальный расход газа на Вашем производстве и не допустить ошибок в подборе оборудования?

Расскажу на примере реальной истории (Клиент поставил задачу просчитать азотную станцию для отказа от использования баллонов на производстве).

Диалог с Клиентом:

…

Какой расход азота у Вас на производстве? – 2 ресивера в сутки;

Какой объем каждого ресивера? – по 10 кубов;

А давление в ресиверах? – по-разному, от 100 до 200 бар;

А есть более точная информация? – Давайте позже, нам работать надо.

…

Следует понимать, что по таким исходным данным невозможно правильно рассчитать производительность азотной станции. Более того, недобросовестные продавцы и вовсе могут этим пользоваться и навязывать неподходящее по производительности оборудование! Таких случаев не мало и о них мы обязательно будем рассказывать в следующих статьях.

Основные вопросы, которые остались без ответа, звучат так:

• Какое точное давление азота в ресиверах? (необходимо для расчета производительности в рабочую смену/сутки)
• Какое количество смен/часов в Вашем рабочем дне? (необходимо для просчета возможности использования азотной станции в нерабочее время).

Стоит добавить, что ключевым моментом для перехода производства Клиента с использования баллонов и накопительных ресиверов на адсорбционную азотную станцию стало:

• Закупка большого количества баллонов (более 100 шт. в сутки), затрата времени на манипуляции с подключением и отключением баллонов от системы подачи азота, раздутый штат грузчиков;
• Постоянные проверки и дорогое техническое обслуживание поднадзорных высокобарных ресиверов, объемом 10 м³.

Получив ответы на все необходимые вопросы, мы выяснили, что на производстве расходуется 2 ресивера азота в сутки, объемом 10 м³ каждый, с давлением газа 150 бар. В сутках 2 рабочих смены по 8 часов, то есть 16 рабочих часов в день.

Благодаря полученной информации мы можем рассчитать реальный расход азота на производстве Клиента:

Расчет:

2 ресивера х 10 м³ = 20 м³ х 150 бар = 3000 м³ / 16 часов = 187,5 нм³/ч.

Проанализировав эти данные, мы разработали техническое решение, позволяющее избавиться от необходимости закупки огромного количества дорогостоящего азота в баллонах, а также от использования поднадзорных ресиверов.

Нами была установлена адсорбционная азотная станция АВС-200А, производительностью 200 нм³/ч азота, с запасом на длину трубопроводов от азотной станции до точки потребления, исключающая просадки давления на магистрали. В составе станции были установлены воздушные и азотные ресиверы, не требующие регистрации в Ростехнадзоре (объем ресивера не более 0,9 м³, рабочее давление не более 10 бар).

Работа азотной станции полностью автоматизирована и не требует круглосуточного мониторинга оператором. После наполнения азотных ресиверов до максимального давления 8 бар азотная станция АВС-200А переходит в режим ожидания. В тот момент, когда давление в ресивере азота опускается ниже 7 бар, станция автоматически выходит на рабочий режим и работает до тех пор, пока максимальное давление не будет достигнуто (уровень минимального и максимального давления для включения азотной станции настраивается на панели оператора).

Это были основные вопросы и ошибки, которые возникают при определении расхода газа (азота, кислорода или воздуха) на производстве, а также одно из технических решений, позволяющее модернизировать производство и существенно сэкономить Клиенту в долгосрочной перспективе.

О том, как правильно рассчитать расход в случае, если потребление газа плавает в течение всего дня (пиковые нагрузки и спады) и о том, какие варианты компенсаций плавающего расхода существуют – мы расскажем в следующих статьях.

Понимание основных принципов расчета расхода

Март 2008 г.

Размер клапана часто описывается номинальным размером торцевых соединений, но более важной мерой является расход, который может обеспечить клапан.

Джон Бакстер и Ульрих Кох
Компания Swagelok

Краткое содержание статьи

И определить расход через клапан может быть просто. Используя принципы расчета расхода, некоторые основные формулы и влияние удельного веса и температуры, можно достаточно точно оценить расход, чтобы легко и без сложных вычислений выбрать размер клапана

Принципы расчета расхода
Принципы расчета расхода иллюстрируются расходомером с обычной диафрагмой (см. рис. 1). Нам нужно знать только размер и форму отверстия, диаметр трубы и плотность жидкости. Имея эту информацию, мы можем рассчитать расход для любого значения перепада давления на отверстии (разница между входным и выходным давлениями).

Для клапана нам также необходимо знать падение давления и плотность жидкости. Но помимо размеров диаметра трубы и размера отверстия нам необходимо знать все размеры проходного сечения клапана и все изменения размера и направления потока через клапан.

Однако вместо сложных расчетов мы используем коэффициент расхода клапана, который объединяет эффекты всех ограничений потока в клапане в одно число (см. рис. 2).

Производители клапанов определяют коэффициент расхода клапана путем испытания клапана водой при нескольких скоростях потока с использованием стандартного метода испытаний2, разработанного Американским обществом приборостроения для регулирующих клапанов и в настоящее время широко используемого для всех клапанов.

Испытания потока проводятся в прямой системе трубопроводов того же размера, что и клапан, поэтому влияние фитингов и изменений размера трубопровода не учитывается (см. рис. 3).

Расход жидкости
Поскольку жидкости являются несжимаемыми жидкостями, их расход зависит только от разницы между входным и выходным давлениями (Δp, перепад давления). Расход одинаков, независимо от того, низкое или высокое давление в системе, при условии, что разница между давлением на входе и выходе одинакова. Уравнение 1 показывает взаимосвязь.
Графики расхода воды показывают расход воды в зависимости от перепада давления для диапазона значений Cv.

Расход газа
Расчеты расхода газа несколько сложнее, поскольку газы представляют собой сжимаемые жидкости, плотность которых изменяется в зависимости от давления. Кроме того, необходимо учитывать два условия: поток с низким перепадом давления и поток с высоким перепадом давления.
Уравнение 2 применяется, когда выходное давление потока с низким перепадом давления (p2) превышает половину давления на входе (p1):

Графики расхода воздуха с низким перепадом давления показывают расход воздуха с низким перепадом давления для клапана с Cv 1,0 , заданный как функция давления на входе (p1) для диапазона значений перепада давления (Δp). 9« звуковой барьер».

Уравнение 3 для расхода с высоким перепадом давления проще, поскольку оно зависит только от входного давления и температуры, коэффициента расхода клапана и удельного веса газа:

Графики расхода воздуха с высоким перепадом давления показывают расход воздуха с высоким перепадом давления как функцию давления на входе для диапазона коэффициентов расхода.

Влияние удельного веса
Уравнения потока включают переменные удельный вес жидкости (Gf) и удельный вес газа (Gg), которые представляют собой плотность жидкости по сравнению с плотностью воды (для жидкостей) или воздуха (для газов).

Однако в графиках не учитывается удельный вес, поэтому необходимо применять поправочный коэффициент, который включает квадратный корень из G. Извлечение квадратного корня снижает эффект и приближает значение к значению для воды или воздуха, 1.0.

Например, удельный вес серной кислоты на 80 % выше, чем у воды, но при этом скорость потока изменяется всего на 34 %. Удельный вес эфира на 26 % ниже, чем у воды, однако он изменяет поток только на 14 %.

Аналогично влияет удельный вес на газы. Например, удельный вес водорода на 93 % ниже, чем у воздуха, но он меняет поток всего на 74 %. Углекислый газ имеет удельный вес на 53% выше, чем у воздуха, но изменяет поток только на 24%. Только газы с очень низким или очень высоким удельным весом изменяют расход более чем на 10% по сравнению с воздухом.

На рис. 5 показано, как влияние удельного веса на расход газа уменьшается с помощью квадратного корня.

Влияние температуры
Температурой обычно пренебрегают при расчетах расхода жидкости, потому что ее влияние слишком мало. Температура оказывает большее влияние на расчет расхода газа, потому что объем газа расширяется при более высокой температуре и сжимается при более низкой температуре. Но, как и в случае с удельным весом, температура влияет на поток только с коэффициентом квадратного корня. Для систем, работающих в диапазоне температур от -40°F (-40°C) до +212°F (+100°C), поправочный коэффициент составляет всего от +12 до -11%. На рис. 6 показано влияние температуры на объемный расход в широком диапазоне температур. Диапазон плюс-минус 10 % охватывает обычные рабочие температуры наиболее распространенных применений. На рис. 4 показано, как взятие квадратного корня из удельного веса уменьшает значение расхода жидкости. Только если удельный вес жидкости очень низкий или очень высокий, скорость потока изменится более чем на 10 % по сравнению с водой.

СКАЧАТЬ СТАТЬЮ ПОЛНОСТЬЮ

Понимание разницы между расходом, скоростью и давлением — статьи

21.02.2019

Определение расхода, скорости и давления

Одна проблема, которая, по-видимому, вызывает всеобщую путаницу при проектировании системы на основе воздуходувки, заключается в понимании различий между расходом, скоростью и давлением, а также в знании того, когда важен каждый показатель. В этой статье эта тема исследуется с акцентом на то, как они соотносятся друг с другом в приложениях с промышленными воздуходувками.

Сначала давайте определим каждый термин:

• Поток    – это показатель производительности воздуха в единицах объема в единицу времени. Распространенными единицами измерения являются литры в минуту, кубические футы в минуту (CFM) и т. д.
• Скорость   показывает, насколько быстро воздух движется на расстоянии в единицу времени. Распространенными единицами измерения являются футы в секунду, метры в секунду и т. д.
• ​ Давление   – мера силы, приложенной к площади. Обычными единицами измерения давления являются фунты на квадратный дюйм (PSI), паскали (ньютоны на квадратный метр) и т. д. Существуют также некоторые традиционные единицы измерения, такие как дюймы водяного столба или дюймы ртутного столба, которые определяются как давление, оказываемое столбом воды (или ртути) высотой 1 дюйм.

Как связаны расход, скорость и давление?

Связь между расходом, скоростью и давлением можно объяснить с помощью принципа Бернулли. Уравнение Бернулли математически утверждает, что если жидкость течет по трубе, а диаметр трубы уменьшается, то скорость жидкости увеличивается, давление уменьшается, а массовый расход (и, следовательно, объемный расход) остается постоянным до тех пор, пока плотность воздуха равна постоянный. Этот принцип справедлив для газов до тех пор, пока газ движется намного ниже скорости звука и не изменяется по температуре (поскольку это привело бы к увеличению объема).
​
Уравнение Бернулли выводится из закона сохранения энергии в том смысле, что если кинетическая энергия жидкости увеличивается из-за увеличения скорости, соответствующая энергия, связанная с давлением (энергия на единицу объема), должна уменьшаться.

A На основе воздуходувки Пояснение

Во-первых, в качестве основы важно понимать, что при проектировании системы на основе воздуходувки используются два разных измерения давления: локальное давление и кумулятивное давление. Местное давление — это давление в определенной точке системы, а кумулятивное давление (иногда называемое противодавлением) — это общее давление, оказываемое на нагнетатель всей системой. Длина используемой трубки или трубы, любые изгибы, сопла или встроенные нагреватели, прикрепленные к выходному отверстию воздуходувки, будут вносить вклад в величину совокупного давления, которое воздуходувка должна преодолеть, чтобы выпустить объем воздуха в единицу времени.
​
Совокупное давление обычно является значением, на которое ссылаются поставщики воздуходувок, поскольку величина совокупного давления влияет на объемный расход воздуходувки. По мере увеличения кумулятивного давления объемный расход воздуходувки уменьшается в соответствии с принципом Бернулли. В крайнем случае, если выпускное отверстие воздуходувки полностью заблокировано (чрезвычайно высокое кумулятивное давление), воздушный поток отсутствует. Если воздуходувка выбрасывает воздух непосредственно в атмосферу (нулевое кумулятивное давление), она сможет обеспечить максимальный номинальный расход воздуха. Производитель воздуходувки может предоставить кривую воздуходувки, которая описывает взаимосвязь между давлением и расходом для конкретной модели, чтобы помочь в проектировании системы и спецификации оборудования.

Рекомендуемое чтение:

• Понимание воздуходувок как части системы
• Как интерпретировать кривую воздуходувки/вентилятора

Определение важной переменной

Понимание взаимозависимой природы давления, расхода и скорости важно при проектировании системы с использованием промышленного воздуходувки; но более важным является понимание того, когда каждая переменная является критическим проектным параметром.

Скорость

​Скорость имеет решающее значение, когда в приложении используется сила удара воздуха для выполнения работы. Хорошим примером является система продувки водой с использованием воздушных ножей. В продувочной системе требуется, чтобы воздух вступал в физический контакт с поверхностной водой с достаточной силой, чтобы выбить воду. Сила исходит от воздуха, сталкивающегося с большой скоростью. Скорость увеличивается за счет нагнетания объема воздуха через суженное выпускное отверстие. Воздушные ножи сконструированы таким образом, что воздух выходит из длинного тонкого зазора, создавая слой высокоскоростного воздуха. Хотя воздух движется очень быстро, это не обязательно большой объемный расход; Это распространенное заблуждение.

Поток имеет решающее значение, когда воздух должен заполнить пространство. Например: подача горячего воздуха в печь/печь, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, тепловые туннели и формы для предварительного нагрева. Во всех этих случаях вам необходимо обеспечить заданный объемный расход, который непрерывно заполняет и пополняет прикладное пространство.

Давление

Если ожидается, что приложение будет иметь высокое противодавление, воздуходувка должна быть рассчитана на работу при этом давлении. Это определит тип вентилятора, который вы должны использовать в своем приложении.