Способ определения вязкости жидких сред в трубопроводах

 

Использование: для определения вязкости в трубопроводах технологических линий. Сущность изобретения: способ включает прокачивание жидкости насосом регулируемой производительности через термостатированное сужающее устройство, расположенное в трубопроводе, измерение расхода жидкости, ее температуры, температуры теплоносителя в теплообменнике и перепада давления в сужающем устройстве и расчет вязкости. В расчетную формулу вводят коэффициенты, учитывающие реальную геометрическую форму сужающего устройства, проскальзывание среды у стенок сужающего устройства, отвод тепла с потоком анализируемой среды и отвод тепла в теплообменник, которые определяют при ступенчатом изменении производительности насоса и/или температуры среды при известной вязкости. 1 ил.

Изобретение относится к средствам измерения вязкости жидких сред в трубопроводах технологических линий, преимущественно линий производства и переработки полимеров.

Известен способ определения текущих значений вязкости жидкости сред в трубопроводах технологических линий непрерывного синтеза полимеров [1] В этом способе анализируемую жидкость прокачивают шестеренчатым насосом регулируемой производительности через термостатированное сужающее устройство трубопровода. Сужающее устройство помещают в теплообменник и с помощью регулятора производительности насоса и системы подготовки и подачи теплоносителя в теплообменник устанавливают номинальный режим работы технологической линии. В этом стационарном режиме измеряют перепад давления в сужающем устройстве, частоту вращения ротора насоса, температуру жидкости и давления за насосом. Динамическую вязкость при рабочей температуре и расход жидкости определяют расчетным путем с помощью микропроцессорного вычислительного устройства (программируемого контроллера) по формулам: (1) (2) и приводят вязкость к заданной температуре по формуле; μ_N=M_ср·f(T_N, T_ср), (3) (3) где μ_ср динамическая вязкость жидкости при температуре Т_ср; k коэффициент, величину которого определяют путем индивидуальной тарировки вискозиметра; R_c радиус проходного сечения сужающего устройства в узкой его части; ΔP перепад давления в сужающем устройстве; l длина сужающего устройства (расстояние между местами установки датчиков перепада давления;
Q объемный расход жидкости через сужающее устройство;
ω угловая скорость вращения ротора насоса;
a, b известные для каждого насоса параметры;
Р давление за насосом;
m_N динамическая вязкость жидкости, приведенная к температуре Т_N;
T_N заданная температура, к которой приводят вязкость;
Т_cр. средняя температура жидкости в сужающем устройстве (рабочая температура);
f(T_N, Т_ср.) известная функциональная зависимость вязкости от температур Т_N и Т_ср. Сужающее устройство размещают внутри трубопровода для увеличения перепада давления ΔP до величины, необходимой для измерения ΔP с требуемой точностью.

Недостатком этого способа является низкая точность определения вязкости. Это связано с тем, что уравнение (1) описывает изотермическое течение вязкой жидкости в бесконечно длинной трубе постоянного диаметра. Расчетная формула (1) не учитывает пристеночное проскальзывание жидкости, характерное для течения расплавов некоторых полимеров, и изменение кинетической энергии потока, вызванное перестройкой профиля скоростей в его поперечных сечениях вдоль продольной оси сужающего устройства. Кроме того, сужающее устройство имеет сложную геометрическую форму и трудно в практических задачах обеспечить изотермический режим течения жидкости, вязкость которой существенно зависит от температуры, из-за разогрева жидкости, вызванного диссипацией энергии при вязкостном трении молекул жидкости. Так, например, в технологических линиях производства полимеров Могилевского ПО "Химволокно" разность между температурами стенок сужающего устройства вискозиметра [1] и средней температурой расплава полимера, вязкость которого определяют, достигает более 10^oС. В то же время известно [2, c. 12-51] что указанные факторы существенно влияют на показания вискозиметров, в которых реализован способ [1]
В [2, c. 21-22] описан способ, учитывающий изменение кинетической энергии потока жидкости, вызванное перестройкой профиля скоростей в его поперечных сечениях вдоль продольной оси трубопровода. Анализируемую жидкость прокачивают через трубку с постоянным диаметром поперечного сечения (капилляр). В стационарном режиме течения измеряют перепад давления в капилляре ΔP и расход жидкости Q. Вязкость жидкости при рабочей температуре определяют расчетным путем по формуле:
(4)
где R внутренний радиус поперечного сечения трубки;
ρ плотность жидкости;
k коэффициент, величину которого определяют графической интерпретацией уравнения (4). Для этого по экспериментальным данным, которые получают при различных перепадах давления, строят график зависимости переменной

от параметра Z=Q/l. Коэффициент k определяют по углу наклона этой линии к оси Z.

Недостатком этого способа является низкая точность графического метода определения коэффициента k. Кроме того, в нем не учитывают влияние на показания вискозиметра других существенных факторов: неизотермичности течения и пристеночного проскальзывания жидкости. Он не применим к вискозиметрам, содержащим сужающее устройство.

В способе определения вязкости, описанном в [2, c. 29-39] учитывают влияние на показания вискозиметра неизотермичности течения анализируемой жидкости, вязкость которой изменяется в зависимости от температуры Т по экспоненциальному закону
μ=μ_o·exp{-k_m(T-T_o)} (5) (5)
Жидкость прокачивают через трубку с постоянным по длине диаметром поперечного сечения. Длину трубки и режим течения подбирают такими, чтобы на выходе из мерного участка трубки устанавливалась температура жидкости, одинаковая во всех точках поперечного сечения потока и равная температуре стенок трубки. Измеряют температуру стенок трубки, расход жидкости и перепад давления на мерном участке трубки.

Динамическую вязкость определяют по формуле:
(6)
где μ_o динамическая вязкость жидкости при температуре Т_о;
k_m- температурный коэффициент вязкости;
Т текущая температура;
Т_о температура стенок трубки;
λ коэффициент теплопроводности жидкости.

Формула (6) получена приближенным интегрированием дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена потока указанной жидкости в мерном участке трубки.

Недостатками этого способа является то, что с его помощью можно определять вязкость только тех жидкостей, у которых вязкость изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону (5). Он применим к вискозиметрам, не содержащим сужающее устройство, и не учитывает пристеночное проскальзывание жидкости и изменение кинетической энергии ее потока по длине мерного участка трубки. Кроме того, на практике трудно осуществить требуемый режим течения в трубах технологических линий, которые обычно имеют большой диаметр поперечного сечения.

Задачей изобретения является увеличение точности определения вязкости жидкостей в трубопроводах технологических линий.

Поставленная задача достигается тем, что в качестве базового используют способ [1] в котором в расчетной формуле учитывают реальные геометрические размеры сужающего устройства, пристеночное проскальзывание жидкости, изменение кинетической энергии потока жидкости в сужающем устройстве и отвод тепла от жидкости с потоком и в теплообменник.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

В предлагаемом способе, (см. чертеж) как и в способе [1] исследуемую жидкость прокачивают насосом регулируемой производительности 1 через термостатированное сужающее устройство 2 трубопровода 3. Сужающее устройство 2 и трубопровод 3 помещают внутрь теплообменника 4, снабженного системой 5 подготовки и подачи теплоносителя в теплообменник. С помощью регулятора производительности насоса 6 и системы 5 устанавливают номинальный режим течения и измеряют расход и температуру жидкости и перепад давления в сужающем устройстве. Вязкость при рабочей температуре определяют расчетным путем и приводят к заданной температуре с помощью программируемого контроллера 7. Показания датчиков расхода 8, температуры жидкости 9 и перепада давления 10 поступают в контроллер 7, который содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, процессор 12 и блок вывода результатов вычислений (БВ) 13. В отличие от способа [1] измеряют температуру теплоносителя в теплообменнике с помощью датчика температуры 14 и результаты измерений передают в контроллер 7. В расчетную формулу дополнительно вводят коэффициенты, учитывающие реальную геометрическую форму сужающего устройства, проскальзывание среды у стенок сужающего устройства, отвод тепла с потоком анализируемой среды и отвод тепла в теплообменник. Эти коэффициенты определяют расчетным путем (например, методом наименьших квадратов) по результатам измерений выходных сигналов датчиков 8, 9, 10 и 14, которые выполняют при ступенчатом изменении производительности насоса и (или) температуры анализируемой жидкости при известной ее вязкости. Вязкость для этих целей измеряют, например, образцовым вискозиметром. Расчетную формулу получают интегрированием дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена потока анализируемой жидкости в сужающем устройстве с учетом всех указанных факторов. Например, при аппроксимации профиля скоростей потока в поперечном сечении сужающего устройства известной параболической зависимостью

расчетная формула принимает следующий вид:


где V скорость потока в точке поперечного сечения потока с радиальной координатой r;
V_o скорость потока на его осевой линии;
ε относительная скорость пристеночного проскальзывания;
m коэффициент, величина которого определяется числом Рейнольдса потока;
T_m температура теплоносителя в теплообменнике;
k₀, k₁, k₂, k₃ указанные ранее коэффициенты;

Опытный образец устройства, реализующего предлагаемый способ определения вязкости, изготовлен на базе унифицированных технических средств, испытан и эксплуатируется в составе автоматического управления технологической линией производства полиэтилдентерефталата в Могилевском ПО "Химволокно".

Формула изобретения

Способ определения вязкости жидких сред в трубопроводах, включающий прокачивание жидкости насосом регулируемой производительности через термостатированное сужающее устройство, расположенное в трубопроводе, измерение расхода жидкости, ее температуры, температуры теплоносителя в теплообменнике и перепада давления в сужающем устройстве, определение вязкости расчетным путем и приведение значения вязкости к заданной температуре, отличающийся тем, что в расчетную формулу дополнительно вводят коэффициенты, учитывающие реальную геометрическую форму сужающего устройства, проскальзывание среды у стенок сужающего устройства, отвод тепла с потоком анализируемой среды и отвод тепла в теплообменник, которые определяют при ступенчатом изменении производительности насоса и/или температуры среды при известной вязкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1