Вплив зміни в’язкості на динамічні характеристики ламінарних дроселей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Вплив зміни в'язкості на динамічні характеристики ламінарних дроселей

Древецький В.В., к.т.н.

Розглянуто вплив зміни динамічної в'язкості рідин і газів на характер перехідних процесів в ламінарних дроселях. Показано можливість визначення динамічної в'язкості по часу перехідного процесу в ламінарному дроселі.

Liquids and gases dynamic viscosity change influence on character of transitional processes in laminar throttles is considered. The opportunity of dynamic viscosity definition according to the time of the transitional process in laminar throttle is shown.

Аерогідродинамічні дросельні вимірювальні перетворювачі застосовуються для визначення фізико-механічних параметрів рідин і газів [1,2]. Вони характеризуються високою надійністю, простотою констуктивної реалізації, низькими затратами на виготовлення і експлуатацію, широким діапазоном застосування. Одним з основних складових елементів таких перетворювачів є ламінарний дросель, в якому зберігається ламінарний режим течії рідини чи газу. При їх проектуванні, необхідно аналізувати ступінь впливу негативних факторів, з метою їх усунення, або часткової компенсації, зокрема відповідним підбором конструктивних параметрів дроселів.

Найбільш повно вивчено статичні характеристики ламінарних дроселей [3,4], пакетів з ламінарних дроселей [5], а також перехідні процеси в них, які викликані збуреннями по витраті і тиску середовища на вході в дросель [6,7].

При проектуванні аерогідродинамічних перетворювачів складу і якості рідин і газів, необхідно враховувати динамічні властивості дросельних елементів. Особливо це важливо при контролі технологічних процесів, в яких можливі стрибкоподібні збурення по в'язкості технічних рідин і газових сумішей. Неврахування особливостей перехідних процесів в дроселях може суттєво знизити достовірність і точність вимірювальної інформації, отриманої за допомогою аерогідродинамічних перетворювачів.

Задачею даного дослідження є аналіз перехідних процесів в ламінарних дроселях, які викликані стрибкоподібною зміною динамічної в'язкості досліджуваного середовища.

Розглянемо ламінарний дросель у вигляді довгого капіляра (рис.1) з довжиною внутрішнього каналу l і діаметром січення каналу d.

Рис.1. Схема ламінарного дроселя

Вважаємо, що тиск до дроселя дорівнює Р₁, а після дроселя - Р₂. Через дросель з об'ємною витратою Q протікає газова суміш A з коефіцієнтом динамічної в'язкості µ₁. Нехай в момент часу t=0 склад газової суміші на вході дроселя стрибкоподібно змінився, тобто газова суміш А миттєво замінилась газовою сумішшю В з коефіцієнтом динамічної в'язкості µ_2. Границя розділу між двома газовими сумішами А і В буде рухатись вздовж по каналу дроселя. При цьому проходячи вздовж дроселя границя розділу буде розмиватись за рахунок дифузії суміші А в суміш В, і навпаки.

Враховуючи велику швидкість проходження перехідних процесів, а також те, що розмивання границі розділу двох газових сумішей спотворює форму кривої перехідного процесу тільки в початковій і кінцевій фазі, то цим явищем нехтуємо.

При ламінарному режимі протікання газу в дроселі Q<Q_max, де Q_max - максимальна об'ємна витрата, при якій в дроселі зберігається ламінарний рух. В певний момент часу t границя розділу буде знаходитись на віддалі х від входу в дросель і в ній буде певний тиск Р_х. Границя розділу поділяє дросель на два відрізка. Виходячи з відомої формули Пуазейля, запишемо рівняння витрати для обох відрізків дроселя:

; (1)

. (2)

Віддаль х визначається з рівняння:

в'язкість динамічний ламінарний дросель

. (3)

де V - швидкість проходження газової суміші через дросель, яка дорівнює V=Q/S, де - площа поперечного січення каналу дроселя.

Отримаєм:

. (4)

Нехай різниця тисків ДР=Р₁-Р₂ на дроселі підтримується заданою. Виходячи з рівнянь (1), (2) і (4) можна записати:

. (5)

Проінтегрувавши вираз (5), отримаєм:

. (6)

Виходячи з початкових умов, визначимо постійну інтегрування С. При t=0, Q=Q₁, де - об'ємна витрата газу через дросель до перехідного процесу, отже:

. (7)

Підставивши значення С в вираз (6), після перетворень отримаєм:

. (8)

Час проходження перехідного процесу ф визначимо з граничних умов Q=Q₂ при t= ф, де - об'ємна витрата газу через дросель після закінчення перехідного процесу:

,

звідки випливає, що:

. (9)

З рівняння (9) отримуємо формулу, яка дозволяє розрахувати час перехідного процесу в ламінарному дроселі при стрибкоподібній зміні динамічної в'язкості середовища, яке протікає через дросель:

. (10)

Достовірність теоретичних виводів провірена на експериментальній установці (рис.2).

Рис.2. Схема експериментальної установки

1,2 - регулятори низького тиску; 3 - вентиль-перемикач; 4 - ламінарний дросель; 5 - термоанемометр; 6 - вторинний прилад; 7 - цифровий секундомір; 8,9 - контрольні манометри; 10 - кнопка.

Вона складається з двох регуляторів низького тиску 1,2 типу РГ-2, вентиля-перемикача з електромагнітним керуванням 3, досліджуваного ламінарного дроселя 4, термоанемометра 5 з вторинним приладом 6, цифрового секундоміра 7, двох контрольних манометрів 8 і 9 і кнопки 10. В якості ламінарного дроселя використовувався скляний капіляр Клинського термометрового заводу із внутрішнім діаметром d=6·10^-2мм, довжиною l=0,41м. В якості еталонного газу використовувалось стиснене повітря з динамічною в'язкістю µ_о=1,8·10^-5Па·с, а в якості дослідних газів використовувався вуглекислий газ з динамічною в'язкістю µ₁=1,47·10^-5 Па·с і кисень з µ₂=2,02·10^-5Па·с. Експериментальні дослідження проводились при температурі 20⁰С і при стабілізації перепаду тиску на дроселі ДР рівному 500Па. Точність стабілізації тиску контролювалась відповідно манометром 8 і 9. Досліджувані і еталонний гази скидались в атмосферу. Підготовка до вимірювання здійснювались слідуючим чином. Вмиканням кнопки 10, за допомогою електроуправляємого вентиля-перемикача 3, на вхід ламінарного дроселя 4 спочатку подавався еталонний газ - повітря і при заданому перепаду тиску ДР=500Па калібрувався вихідний сигнал термоанемометра, при досягненні якого в подальшому перехідний процес вважався закінченим. Для вибраних параметрів термоанемометра і схеми його живлення, цей сигнал складав 68 мА (рис.3).

Рис.3. Зміна вихідного сигналу термоанемометра в час, при проходженні через дросель:

1 - повітря; 2 - вуглекислого газу; 3 - кисню; 4 - заміщення вуглекислого газу-повітрям; 5 - заміщення кисню - повітрям.

Процес вимірювання здійснювався слідуючим чином. При вимкненій кнопці 10, через вентиль 3, на вхід ламінарного дроселя подається вуглекислий газ. На протязі 5-6 хвилин перехідні процеси в дроселі повністю закінчуються і встановлюються нові покази термоанемометра, які дорівнювали 89 мА. В час t=0 вмиканням кнопки 10 вентиль 3 перемикався в протилежне положення і в ламінарному дроселі вуглекислий газ почав заміщуватись повітрям, тобто відбулась стрибкоподібна зміна динамічної в'язкості газової суміші. Одночасно вмикався секундомір 7. Перехідний процес вважався закінченим при досягненні показів термоанемометра каліброваного значення 68 мА, після чого кнопка 10 вимикалась і секундомір 7 зупинявся. Досліди повторювались багатократно. Аналогічно проводились дослідження перехідного процесу в ламінарному дроселі, в якому кисень стрибкоподібно заміщувався повітрям. При цьому покази термоанемометра змінювались відповідно від 47 мА до 68 мА.

Час перехідного процесу при стрибкоподібній заміні вуглекислого газу повітрям склав ф₁₌51,0 с, а при заміні кисню повітрям ф₂₌59,5с. Розраховані по рівнянню (10) значення часу перехідного процесу складають відповідно 48,9с. і 57,1с. Похибки вимірювання в основному обумовлені паразитною ємністю вентиля-перемикача і неточністю стабілізації перепаду тиску на ламінарному дроселі.

Проведені дослідження можуть бути основою для розробки аерогідродинамічного віскозиметра для газів і рідин. Вираз (10) можна представити у виді:

, (11)

де к=d²ДP/16l² - конструктивний коефіцієнт; µ_х - динамічна в'язкість досліджуваного середовища; µ_е - динамічна в'язкість еталонного середовища.

З рівняння (11) витікає, що по часу перехідного процесу ф в ламінарному дроселі можна визначити динамічну в'язкість газових сумішей і рідин.

Крім того, результати теоретичних і експериментальних досліджень показують, що час перехідних процесів, які викликані збуренням по в'язкості в ламінарних дроселях, може складати до десятків секунд. Це необхідно враховувати при проектуванні аерогідродинамічних вимірювальних перетворювачів з заданими динамічними характеристиками.

Література

1. Пістун Є.П., Теплюх З.М., Друль Я.Г., Ділай І.В. Лінійні подільники тиску та їх використання в контрольно-вимірювальній техніці // Контрольно-вимірювальна техніка. - №50, 1993, с.45-48.

2. Древецький В.В. Інформаційно-вимірювальна система кінематичної в'язкості нафтопродуктів // Методи та прилади контролю якості. - №15, 2005, с.116-119.

3. Теплюх З.М., Друль Я.Г., Ділай І.В. Застосування формули Пуазейля для розрахунку капілярних елементів // Вимірювальна техніка та метрологія. - №51, 1995, с.53-55.

4. Теплюх З.М. Дослідження можливостей ламінарних подільників тиску для газового аналізу. // Теплоенергетичні системи та пристрої. Вісник ДУ „ЛП”. - №282, 1994, с.69-73.

5. Древецкий В.В., Теплюх З.Н. Особенности дроссельных пакетов, как линейных элементов аэрогидравлических измерительных устройств // Контрольно-измерительная техника. - №21, 1977, с.117-121.

6. Теплюх З.М., Леськів Г.Ф. Математичний опис газодинамічних дросельних змішувачів // Методи та прилади контролю якості. - №6, 2000, с.96-99.

7. Головин В.В. Аналоговые пневматические устройства. - М: Машиностроение. - 1980. -160с.

Размещено на Allbest.ru