Как найти тонны в час

Нашли ошибку? Хотите предложить дополнительные величины? Свяжитесь с нами в Facebook.

Подробнее о массовом расходе

Общие сведения

Количество жидкости или газа, которое проходит через определенную площадь за определенное количество времени, можно измерять по-разному, например, определяя массу или объем. В этой статье мы рассмотрим вычисление по массе. Массовый расход зависит от скорости движения среды, площади поперечного сечения, через которое проходит вещество, плотности среды, и общего объем вещества, проходящего через эту площадь за единицу времени. Если мы знаем массу и нам известны либо плотность, либо объем, мы можем узнать другую величину, так как ее можно выразить с помощью массы и известной нам величины.

Измерение массового расхода

Существует много способов измерения массового расхода и есть множество разных моделей расходомеров, измеряющих массу. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.

Калориметрические расходомеры

Для измерения массового расхода в калориметрических расходомерах используют разницу температур. Есть два вида таких расходомеров. В обоих жидкость или газ охлаждает тепловой элемент, мимо которого течет, но разница в том, что именно каждый расходомер измеряет. В первом типе расходомеров измеряют количество энергии, необходимой, чтобы поддерживать на тепловом элементе постоянную температуру. Чем выше массовый расход, тем больше энергии для этого требуется. Во втором типе измеряют разницу температур потока между двумя точками: возле теплового элемента и на определенном расстоянии ниже по течению. Чем больше массовый расход, тем выше разница температур. Калориметрические расходомеры используют для измерения массового расхода в жидкостях и газах. Расходомеры, используемые в жидкостях или газах, которые вызывают коррозию, делают из материалов, устойчивых к коррозии, например из особых сплавов. При этом из такого материала делают только части, которые имеют прямой контакт с веществом.

Расходомеры переменного перепада давления

В расходомерах переменного перепада давления создается разность давления внутри трубы, по которой течет жидкость. Один из самых распространенных способов — частичное перекрытие потока жидкости или газа. Чем больше измеренная разница давления, тем выше массовый расход. Пример такого расходомера — расходомер на основе диафрагмы. Диафрагма, то есть кольцо, установленное внутри трубы перпендикулярно течению жидкости, ограничивает течение жидкости по трубе. В результате давление этой жидкости в месте, где находится диафрагма, отличается от давления в других частях трубы. Расходомеры с сужающими устройствами, например, с соплами, работают аналогично, только сужение в соплах происходит постепенно, а возврат в норму по ширине — мгновенно, как и в случае с диафрагмой. Третий тип расходомеров переменного перепада давления, называемый расходомером Вентури в честь Итальянского ученого Вентури, сужается и расширяется постепенно. Трубку такой формы часто называют трубкой Вентури. Можно представить, как она выглядит, если поставить две воронки узкими частями друг к другу. Давление в суженной части трубки ниже, чем давление в остальных частях трубки. Следует заметить, что расходомеры с диафрагмой или сужающим устройством более точно работают при высоком напоре, но их показания становятся неточными, если напор жидкости слаб. Их способность частично задерживать поток воды ухудшается при длительной эксплуатации, поэтому по мере использования их необходимо регулярно обслуживать и при необходимости — калибровать. Несмотря на то, что такие расходомеры легко повреждаются в процессе эксплуатации, особенно из-за коррозии, они популярны благодаря их низкой цене.

Ротаметр

Ротаметры, или расходомеры с переменным сечением — это расходомеры, которые измеряют массовый расход по разнице давления, то есть это расходомеры дифференциального давления. Их конструкция — это обычно вертикальная трубка, которая соединяет горизонтальные входную и выходную трубы. При этом входная труба находится ниже выходной. В нижней части вертикальная трубка сужается — поэтому такие расходомеры и называются расходомерами с переменным сечением. Благодаря разнице в диаметре сечения возникает разница давления — как и в других расходомерах дифференциального давления. В вертикальную трубку помещают поплавок. С одной стороны поплавок стремится вверх, так как на него действует подъемная сила, а также движущаяся вверх по трубе жидкость. С другой стороны, сила тяжести тянет его вниз. В узкой части трубы общая сумма сил, действующих на поплавок, толкает его вверх. С высотой сумма этих сил постепенно уменьшается, пока на определенной высоте не становится равна нулю. Это и есть высота, на которой поплавок перестанет двигаться вверх и остановится. Эта высота зависит от постоянных величин, таких как вес поплавка, конусность трубки, а также вязкость и плотность жидкости. Высота также зависит от переменной величины массового расхода. Так как нам известны все постоянные, или мы можем легко их найти, то, зная их, мы можем легко вычислить массовый расход, если определим, на какой высоте остановился поплавок. Расходомеры, которые используют этот механизм — очень точные, с ошибкой до 1%.

Кориолисовы расходомеры

Работа кориолисовых расходомеров основана на измерении кориолисовых сил, возникающих в колеблющихся трубках, через которые течет среда, расход которой измеряется. Наиболее популярная конструкция состоит из двух изогнутых трубок. Иногда эти трубки — прямые. Они колеблются с определенной амплитудой, и когда по ним не течет жидкость, эти колебания синхронизированы по фазе, как на рисунках 1 и 2 на иллюстрации. Если по этим трубкам пустить жидкость, то амплитуда и фаза колебаний изменяется, и колебания труб становятся асинхронными. Изменение фазы колебаний зависит от массового расхода, поэтому мы можем его вычислить, если у нас есть информация о том, как изменились колебания, когда по трубам пустили жидкость.

Чтобы лучше понять, что происходит с трубами в кориолисовом расходомере, представим аналогичную ситуацию со шлангом. Возьмем шланг, присоединенный к крану так, чтобы он был изогнут, и начнем качать его из стороны в сторону. Колебания будут равномерными, пока по нему не течет вода. Как только мы включим воду, колебания изменятся, и движение станет змеевидным. Это движение вызвано эффектом Кориолиса — тем же самым, что действует на трубы в кориолисовом расходомере.

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые или акустические расходомеры передают по жидкости ультразвуковые сигналы. Есть два основных вида ультразвуковых расходомеров: доплеровские и время-импульсные расходомеры. В доплеровских расходомерах ультразвуковой сигнал, посланный датчиком через жидкость, отражается и принимается передатчиком. Разница в частоте посланного и полученного сигналов определяет массовый расход. Чем выше эта разница, тем выше массовый расход.

Время-импульсные расходомеры сравнивают время, необходимое звуковой волне, чтобы достичь приемника по течению, со временем против течения. Разница этих двух величин определяется массовым расходом — чем она больше, тем выше массовый расход.

Для таких расходомеров не обязательно, чтобы устройства, которые испускают ультразвуковую волну, отражатели (если используются) и принимающие датчики находились в контакте с жидкостью, поэтому такие расходомеры удобно использовать с жидкостями, вызывающими коррозию. С другой стороны жидкость должна пропускать ультразвуковые волны, иначе ультразвуковой расходомер не будет в ней работать.

Ультразвуковые расходомеры широко применяются для измерения массового расхода открытого потока, например в реках и каналах. Такими расходомерами также можно измерять массовый поток в канализационных стоках и трубах. Информацию, полученную при измерениях, используют, чтобы определить экологическое состояние водного потока, в сельском хозяйстве и рыбоводстве, при обработке жидких отходов, и во многих других отраслях.

Перевод массового расхода в объёмный расход

Если плотность жидкости известна, то можно легко перевести массовый расход в объемный, и наоборот. Массу находят, умножая плотность на объем, а массовый расход можно найти, умножив объемный расход на плотность. При этом стоит помнить, что объем и объемный расход изменяются с изменением температуры и давления.

Применение

Массовый расход используют во многих отраслях и в быту. Одно из применений — для измерения расхода воды в частных домах. Как мы обсуждали ранее, массовый расход также используют для измерения отрытых потоков в реках и каналах. Кориолисовы расходомеры и расходомеры с переменным сечением нередко используют при переработке отходов, в разработке полезных ископаемых, в производстве бумаги и бумажной массы, при производстве электроэнергии и при добыче нефтехимического сырья. Некоторые виды расходомеров, например расходомеры с переходным сечением, используют в сложных системах оценки различных профилей. Кроме этого, информацию о массовом расходе используют в аэродинамике.

Массовый расход в аэродинамике

Рассматривая полет с точки зрения массового расхода, можно считать воздух жидкостью, так как его действие на самолет или другое транспортное средство подобно жидкости. Конечно, на самом деле не воздух течет мимо самолета, а наоборот, самолет движется вперед благодаря силе, созданной его двигателями. Но если мы примем самолет за точку отсчета, то получится, что именно воздух движется мимо самолета. В этом случае можно рассматривать массовый расход как одну из величин, которая влияет на полет, то есть на движение самолета относительно Земли.

Массовый расход воздуха влияет на движение самолета в нескольких случаях, и ниже мы рассмотрим два из них: в первом это общий поток воздуха мимо самолета, который помогает самолету оставаться в воздухе, а во втором — поток воздуха через турбины, который помогает самолету двигаться вперед. Вначале рассмотрим первый случай.

Рассмотрим какие силы влияют на самолет во время полета. Объяснить действие некоторых из них непросто в рамках нашей статьи, поэтому мы поговорим о них в целом, используя упрощенную модель, не объясняя мелкие подробности. Сила, которая толкает самолет вверх и обозначена B на иллюстрации — подъемная сила.

Сила, которая из-за силы тяжести нашей планеты тянет самолет к Земле — его вес, обозначенный на рисунке буквой C. Чтобы самолет оставался в воздухе, подъемная сила должна преодолеть вес самолета. Лобовое сопротивление — третья сила, которая действует на самолет в направлении, противоположном движению. То есть, лобовое сопротивление противодействует движению вперед. Эту силу можно сравнить с силой трения, которая замедляет движение тела по твердой поверхности. Лобовое сопротивление обозначено на нашей иллюстрации буквой D. Четвертая сила, которая действует на самолет — это тяга. Она возникает по мере работы двигателей, и толкает самолет вперед, то есть она направлена противоположно лобовому сопротивлению. На иллюстрации она обозначена буквой A.

Массовый расход воздуха, который движется по отношению к самолету, влияет на все эти силы, кроме веса. Если мы попробуем вывести формулу вычисления массового расхода, используя силу, то заметим, что если все остальные переменные постоянны — то сила прямо пропорциональна квадрату скорости. Это значит, что если увеличить скорость вдвое, то сила увеличится вчетверо, а если увеличить скорость в три раза, то сила, соответственно, увеличится в девять раз, и так далее. Эту зависимость широко используют в аэродинамике, так как эти знания позволяют нам увеличить или уменьшить скорость, изменяя силу, и наоборот. Например, чтобы увеличить подъемную силу мы можем увеличить скорость. Также можно увеличить скорость воздуха, который прогоняется через двигатели, чтобы увеличить тягу. Вместо скорости можно изменить массовый расход.

Не стоит забывать, что на подъемную силу влияют не только скорость и массовый расход, но и другие переменные. Например, уменьшение плотности воздуха уменьшает подъемную силу. Чем выше поднимается самолет, тем ниже плотность воздуха, поэтому для того, чтобы использовать топливо наиболее экономично, маршрут рассчитывают так, чтобы высота на превышала норму, то есть чтобы плотность воздуха была оптимальной для движения.

Теперь рассмотрим пример, когда массовый поток используется турбинами, через которые проходит воздух, создающий тягу. Чтобы самолет преодолел лобовое сопротивление и вес и смог не только оставаться в воздухе на нужной высоте, но и двигаться вперед с определенной скоростью, тяга должна быть достаточно высока. Двигатели самолета создают тягу, пропуская через турбины большой поток воздуха, и выталкивая его с большой силой, но на маленькое расстояние. Воздух движется от самолета в направлении, противоположном его движению, и самолет, согласно третьему закону Ньютона, движется в направлении, противоположном движению воздуха. Увеличив массовый расход, мы увеличиваем тягу.

Чтобы увеличить тягу, вместо увеличения массового расхода можно также увеличить скорость, с которой воздух выходит из турбин. В самолетах при этом затрачивается больше топлива, чем при увеличении массового расхода, поэтому этот способ не используют.

Литература

Скачать калькулятор

Рейтинг: 1 (Голосов 2)

×

×

Для установки калькулятора на iPhone – просто добавьте страницу
«На главный экран»

Для установки калькулятора на Android – просто добавьте страницу
«На главный экран»

Сообщить об ошибке

Смотрите также