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Jul 21, 2023

Entmystifizierung von Flüssigkeitsturbulenzen, Geschwindigkeits- und Strömungsmessungen

Eine der seit langem drängenden philosophischen Fragen des Lebens ist, ob in einem Kühlschrank das Licht ausgeht, wenn die Tür geschlossen wird. Für Verfahrenstechniker stellt sich eine noch tiefergehende Frage: „Wissen, was“.

Eine der seit langem drängenden philosophischen Fragen des Lebens ist, ob in einem Kühlschrank das Licht ausgeht, wenn die Tür geschlossen wird. Für Verfahrenstechniker besteht eine noch tiefergehende Frage darin, zu wissen, was in Rohren passiert. Wie beim Kühlschrank ist es schwierig, ins Innere zu sehen und die Antwort herauszufinden. Das Verhalten von Flüssigkeiten, wenn sie von Ort zu Ort fließen, hat für große Bestürzung gesorgt und ist für viele immer noch ein Rätsel.

Man kann sich eine Flüssigkeit, die durch ein Rohr fließt, leicht als gleichmäßige Säule vorstellen, aber wir wissen, dass das alles andere als eine Säule ist. Rohrleitungseigenschaften oder -merkmale verursachen eine Reihe von Geschwindigkeiten im Rohr. Die Hauptquelle ist Reibung. Auch wenn es nicht so aussieht, als gäbe es einen großen Strömungswiderstand, ist dies ein wichtiger Gesichtspunkt. Selbst in geraden Rohren mit glatter Innenseite bewegt sich die Flüssigkeit, die sich am nächsten zur Wand befindet, am langsamsten, da sie an der Rohrwand reibt. Die nächste Schicht wird durch die äußerste verlangsamt und so weiter. Dadurch bewegt sich die Flüssigkeit in der Rohrmitte am schnellsten (Abbildung 1). Dies ist eine Beschreibung der laminaren Strömung, bei der unterschiedliche Schichten erhalten bleiben. Bei turbulenten Strömungsbedingungen, die bei höheren Geschwindigkeiten auftreten, führen Wirbel und Wirbel zu einer Durchmischung dieser Schichten, während sich die Flüssigkeit im Rohr nach unten bewegt. Wenn wir über die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in einem Rohr sprechen, beschreiben wir einen Durchschnitt so, als würde er sich als vollkommen gleichmäßige Säule bewegen, aber das ist nicht der Fall.

Unter dem Gesichtspunkt des reinen Energieverlusts ist die laminare Strömung am effizientesten; Dies ist jedoch kein Durchflussregime, das in Prozessrohrleitungen realistisch aufrechterhalten werden kann, da die Leitungsgrößen im Vergleich zum Durchfluss sehr groß sein müssten. Turbulente Strömungen treten bei allen Flüssigkeitsströmen mit Ausnahme der viskosesten auf. Turbulente Strömungen, die aus höheren Strömungsgeschwindigkeiten resultieren, sollten nicht mit Strömungsstörungen verwechselt werden, die der Strömung einen Geschwindigkeitsgradienten hinzufügen. Diese können durch Rohrkonfigurationen wie Bögen und Ventile verursacht werden.

Abbildung 1: Laminare Strömung ist eigentlich eine Geschwindigkeitsverteilung, wobei sich die sich am schnellsten bewegende Flüssigkeit im Zentrum befindet.

Strömungsstörungen sind in Rohrleitungssystemen inhärent, da unter anderem die Richtung geändert (Bögen), der Durchfluss kontrolliert (Ventile) und Messungen durchgeführt werden müssen (Schutzrohre). Die ordnungsgemäße Gestaltung und Erkennung dieser Störungen ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Gesamtprozess den Erwartungen entspricht. Störungen können in Rohrleitungen viele Ursachen haben:

Es gibt viele Gleichungen zur Berechnung aller möglichen Werte im Zusammenhang mit Durchfluss und Rohrleitungen, die heutzutage hauptsächlich zur Folter von Ingenieurstudenten verwendet werden, da Instrumentierungs- und Modellierungssoftwaretools mittlerweile die meisten dieser Aufgaben übernehmen. In der realen Welt besteht das Ziel im Allgemeinen darin, Strömungsstörungen zu minimieren, was bedeutet, dass die Entstehung von Strömungsstörungen nach Möglichkeit vermieden wird. Einige Geräte reagieren besonders empfindlich auf Turbulenzen, beispielsweise der Einlass einer Kreiselpumpe, viele Arten von Sprühdüsen und die meisten Arten von Durchflussmessern. Die Lösung für all diese Probleme besteht darin, dass vor und manchmal auch nach dem Gerät ein gerades Rohr (oft in Verbindung mit einem Strömungsgleichrichter) verlegt werden muss. Lassen Sie uns darüber nachdenken, wie das funktioniert.

Ohne zu tief in die Mathematik einzusteigen: Zwei Hauptvariablen, die das Strömungsregime beeinflussen, sind der Rohrdurchmesser und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Der Aspekt des Rohrdurchmessers ist nicht schwer zu konzeptualisieren. Mit zunehmendem Durchmesser der Flüssigkeitssäule nimmt auch die Komplexität des Geschwindigkeitsprofils zu, weshalb die Anforderungen an gerade Rohre in Rohrdurchmessern ausgedrückt werden.

Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist ebenfalls ein Faktor, wird jedoch normalerweise in großem Umfang angenommen. Je langsamer sich die Flüssigkeit durch ein Rohr bewegt, desto drastischer ist das Strömungsprofil. Auch dies ist nicht schwer vorstellbar: Eine sich langsam bewegende Flüssigkeit erzeugt weniger Turbulenzen, was zu einem größeren Unterschied zwischen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit neben der Rohrwand und der in der Mitte des Rohrs führt. Die Geschwindigkeit wird in diesen Diskussionen häufig außer Acht gelassen, da sie normalerweise innerhalb der Richtlinien für Rohrdurchmesser liegt, die zur Bewältigung von Durchflussmengen basierend auf der Geschwindigkeit erforderlich sind. Eine Faustregel für Flüssigkeiten sieht eine Geschwindigkeit von weniger als 7 Fuß pro Sekunde (fps) für mittelgroße Rohre vor. Kleinere Durchmesser, beispielsweise weniger als 1 Zoll Durchmesser, erfordern eine niedrigere Geschwindigkeit.

Daher gehen viele Empfehlungen zur Länge gerader Rohre von einer Strömungsgeschwindigkeit aus, die innerhalb dieser Richtlinien liegt. In den letzten Jahren haben Anlagenentwickler diese Grenzen jedoch erweitert, um die Kosten zu senken. Wenn das Rohr beispielsweise für einen Durchfluss von 200 Gallonen pro Minute (gpm) dimensioniert wird, würde ein 4-Zoll-Rohr eine Geschwindigkeit von etwa 5,0 fps und einen Druckabfall von knapp 1 Pfund pro Quadratzoll (psi) über eine Entfernung von 100 m liefern 100 Fuß. Der Konstrukteur könnte versuchen, etwas Kosten zu sparen, indem er das Rohr auf 3 Zoll reduziert, aber die Geschwindigkeit steigt deutlich auf etwa 8,7 fps und der Druck sinkt über 100 Fuß um fast 4 psi.

Die Frage, ob dieser Ansatz verfolgt werden soll oder nicht, hängt von den zu erwartenden höheren Pumpkosten und einem möglicherweise erhöhten Rohrverschleiß aufgrund der höheren Geschwindigkeit ab.

Für die Zwecke dieser Diskussion beschränken wir die Analyse auf Differenzdruck-Durchflussmesser (DP), obwohl dies keine große Einschränkung darstellt, da DP nach wie vor die am weitesten verbreitete Technologie ist. Es gibt zahlreiche Variationen des Konzepts, aber in seiner grundlegendsten Umsetzung wird eine Öffnung mit einem Bohrungsdurchmesser, der kleiner als der Rohrdurchmesser ist, in ein Rohr zwischen Flanschen eingesetzt. Wenn die Flüssigkeit durch die Verengung fließt, verursacht sie einen Druckabfall, der mit einem Differenzdrucktransmitter gemessen werden kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein einfacher DP-Durchflussmesser kann Druckmessungen an verschiedenen Orten durchführen.

Die Platzierung der Hähne im Verhältnis zur Vena Contracta bestimmt die genaue Berechnung. Die Druckabgriffe können sich in unterschiedlichen Abständen von der Messblende (oder einem anderen Primärelement) befinden, was sich auf den vom DP-Transmitter erfassten Differenzdruck auswirkt. In jedem Fall ist die Durchflussrate proportional zur Quadratwurzel des Differenzdrucks.

Einer der Gründe, warum DP für die Durchflussmessung so beliebt ist, ist seine Einfachheit. Unzählige Installationen wurden von Benutzern mit allen erdenklichen Konfigurationen erstellt, da sie alle funktionieren und auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten werden können. Die Genauigkeit und Präzision einer DIY-Installation liegt im Auge des Bauherrn, aber solange die Benutzer die Besonderheiten einer bestimmten Installation verstehen, ist dies ein guter Ansatz.

Dies ist bei einem kommerziell hergestellten DP-Durchflussmesser nicht der Fall. Ein Benutzer, der einen Durchflussmesser möchte, kauft ihn in der Erwartung, dass er die im Katalog beschriebene Leistung erbringen kann. Wenn die Spezifikationen eine Genauigkeit von ±1 Prozent bei einem Turn-Down-Verhältnis von 10 zu 1 versprechen, muss es in der Lage sein, diese Leistung zu liefern, vorausgesetzt, der Benutzer erfüllt angemessene Installationsanforderungen.

Solche Anforderungen erfordern wahrscheinlich eine Mindestlänge eines geraden, glatten Rohrs vor und nach dem Primärelement. Die tatsächliche Länge variiert von Design zu Design. Die Upstream-Anforderungen können bis auf Null reichen, betragen jedoch oft 20 Durchmesser und sogar mehr. Die stromabwärtige Rohrlänge beträgt normalerweise ein Drittel bis die Hälfte der stromaufwärtigen Länge.

Ein gestörtes Strömungsprofil stellt ein Problem für die tatsächliche DP-Messung dar. Die Zapfstellen werden an kritischen Stellen angebracht, an denen die Strömung bekannte Eigenschaften aufweist. Es mag turbulent sein, aber es ist vorhersehbar turbulent. Wenn der Durchfluss Eigenschaften aufweist, mit denen die Konstrukteure des Durchflussmessers nicht gerechnet haben, wie z. B. die Platzierung eines Kugelventils nur wenige Rohrdurchmesser vom Primärelement entfernt, kann das DP-Signal stark unregelmäßig sein oder das Durchflussprofil so stark verändern, dass sich der Messwert weit über den Normalwert hinaus verschiebt Toleranz.

Der Geschwindigkeitsbereich ist im Messbereich des Durchflussmessers enthalten. Beispielsweise wird ein Durchflussmesser, der für ein 2-Zoll-Rohr ausgelegt ist, wahrscheinlich nicht über 100 gpm hinausragen und angesichts der Geschwindigkeiten, die erforderlich sind, um so viel Flüssigkeit durch ein 2-Zoll-Rohr zu bewegen, möglicherweise sogar noch niedriger ausfallen. Im anderen Extremfall ist auch ein Mindestdurchfluss erforderlich, um einen ausreichend hohen Druckabfall am Primärelement zu erzeugen, um ein nutzbares DP-Signal zu erzeugen.

Manchmal kann es ein Problem sein, den für eine gerade Rohrlänge erforderlichen Platz zu finden. Der integrierte Durchflussmesser Rosemount™ 3051SFP von Emerson (Abbildung 3) verwendet beispielsweise ein herkömmliches Primärelement mit einer einzigen Blende und ist als komplette Baugruppe aufgebaut. Die für ein 1-Zoll-Rohr ausgelegte Einheit umfasst gerade Rohre in beide Richtungen mit einer Gesamtlänge von fast 30 Zoll, sodass das erforderliche gerade Rohr in die Konstruktion integriert ist. Aber was ist, wenn der Durchflussmesser an einem Ort installiert werden muss, an dem so viele gerade Rohre einfach nicht praktikabel sind, beispielsweise in einer Skid-Einheit, wo der Platz knapp ist?

Abbildung 3: Einige Durchflussmesser, wie zum Beispiel ein Rosemount 3051SFP, sind konstruktionsbedingt mit geraden Rohrabschnitten ausgestattet.

Der Installateur könnte versucht sein, das Rohr abzusägen und zu sehen, was passiert. Der wahrscheinliche Effekt lässt sich nur schwer genau vorhersagen, wird aber wahrscheinlich einen gewissen Präzisionsverlust mit sich bringen, der je nach Anwendung tolerierbar sein kann.

Eine bessere Lösung besteht darin, die Beschaffenheit des Primärelements zu ändern, um die Auswirkungen einer Strömungsstörung zu minimieren. Das Ersetzen einer großen Blendenbohrung durch vier kleinere (Abbildung 4), sogenannte Konditionierblenden, kann den gleichen Druckabfall verursachen und die gleiche Messgenauigkeit liefern, ohne dass jedoch die gleiche gerade Rohrlänge erforderlich ist. Dies geht natürlich auf Kosten des freien Durchgangs, was die Verstopfungsgefahr leicht erhöht, bietet aber zumindest einen weiteren Mechanismus zur Lösung eines schwierigen Anwendungsproblems.

Abbildung 4: Durch die Verwendung einer Konditionierungsdüse kann der Bedarf an geraden Rohrlängen reduziert werden.

Die Fähigkeit, spezifische Anwendungsherausforderungen zu lösen, hängt davon ab, über die richtigen Tools zu verfügen, die bei Bedarf Kompromisse eingehen können. Ein genauer und effektiver Durchflussmesser erfordert ein präzisionsgefertigtes Primärelement in Kombination mit einem präzisen und stabilen DP-Transmitter und leistungsstarker Elektronik. Diese kritische Paarung ist das Herzstück der Messung und der Ausgangspunkt für Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Über den Autor

Dan Cychosz ist globaler Produktmanager für DP-Durchfluss bei Emerson Automation Solutions in Boulder, CO, verantwortlich für Rosemount DP-Durchflussmesser. Er hat einen BS in Chemieingenieurwesen von der Iowa State University. Bevor er zu Emerson kam, war er in der chemischen Industrie als technischer Vertriebsmitarbeiter tätig.

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