Расход газа – это его количество, прошедшее через сечение трубы за определенный промежуток времени. В качестве меры количества традиционно выступает его объем, а такое расход называют «объемным» (ОР). Расход газа выражают в кубических сантиметрах. Другая мера количества газа – его вес, и такой расход называется «массовым» (МР). Его измеряют в килограммах в час – кг/ч, но по факту такое обозначение встречается редко.
МР и ОР: какая разница
Поскольку расход газа может быть массовым (МР) или объемным (ОР), то следует определиться, какой из них использовать в каждом случае. Понять разницу между МР и ОР поможет следующий эксперимент. В трубопровод последовательно установлены расходомеры. Весь газ, под давлением поступающий непосредственно на вход условной схемы, проходит через эти приборы и выбрасывается в атмосферу. Утечек в промежуточных точках нет.
Источником сжатого воздуха выступает компрессор, который под давлением 0,7 бар (изб) подает газ на вход поплавкового ротаметра. Выход этого ротаметра соединен с входом теплового регулятора расхода. В нашей системе именно этот регулятор контролирует количество газа, проходящего через схему. Затем газ поступает во второй поплавковый ротаметр, который полностью идентичен первому. При заданном тепловым регулятором расходе 2 н.л/мин, показания первого прибора составляют 1,65 л/мин, но второго – 2,1 л/мин. У всех трех расходомеров разные показания, хотя через них проходит одинаковое количество газа. Разница может составлять 30%.
Чем объясняется расхождение показаний
Все молекулы газа, поступающие в систему, проходят сквозь расходомеры с последующим выбросом в атмосферу. Именно количество молекул газа определяет массу газа, подаваемую в схему. А объем, который занимают молекулы, подаваемые в схему, зависит от величины давления. Газы могут сжиматься. При увеличении давления их объем уменьшается, что описывается законом Бойля-Мариотта.
В качестве примера можно представить себе закрытую подвижным герметичным поршнем емкость объемом 1 л. Внутри него находится воздух при давлении 1 бар. Его приблизительный вес при +20°C – 1,205 г. При перемещении поршня к середине бака объем газа уменьшится вдвое и будет равен 0,5 л, однако давление увеличится до 2 бар. Вес газа при этом не изменится и останется на прежнем уровне – 1,205 г. Это объясняется тем, что количество молекул, находящихся в емкости, осталось прежним.
МР газа в системе не изменяется. Несмотря на это, давление в различных отрезках нашей системы разное. При измерении расхода газа в первом поплавковом ротаметре и в измерительной области теплового регулятора расхода давление газа составляет порядка 0,6 бар. Одновременно с этим, на выходе из теплового регулятор расхода и во втором поплавковом ротаметре давление приближено к атмосферному. Объем, занимаемый одним и тем же количеством молекул газа, непосредственно на входе меньше, чем на выходе. Таким образом, ОР газа на входе оказывается ниже, чем на выходе системы.
Эти размышления находят подтверждение в данных, полученных от расходомеров. Тепловой регулятор расхода осуществляет измерение и поддержание МР воздуха на уровне не более 2 н.л/мин. Ротаметры, в свою очередь, фиксируют ОР в условиях эксплуатации. Для ротаметра на входе действуют следующие рабочие условия: давление 0,6 бар (изб) при температуре 21°C. Для ротаметра на выходе рабочие условия другие: давление порядка 0 бар (изб) при той же температуре 21°C. Для достоверного сопоставления данных по ОР газа необходимо унифицировать условия измерений. В качестве эталона примем «нормальные условия» (НУ) теплового регулятора расхода: атмосферное давление 101,325 кПа (абс) и при температуре 0°C. При этом реальное значение атмосферного давления равно 97,97 кПа (абс).
Пересчет показателей входного ротаметра к НУ по формуле из методики поверки поплавковых ротаметров ГОСТ 8.122-99 дает расход – 1,985 л/мин, в то же самое время пересчет показаний ротаметра на выходе дает 1,990 л/мин. Таким образом, разница между показаниями ротаметров не превышает 0,75%, что является достаточно хорошим результатом для этого типа расходомеров.
На основании данного примера можно заключить, что ОР газа значительно варьируется с учетом конкретных условий работы. Мы продемонстрировали зависимость от давления, однако не менее важным фактором является температура (согласно закону Гей-Люссака). В технологической системе с единственным входом и выходом, где нет утечки газа, показания расходомера, измеряющего объемный расход, будут существенно зависеть от того, где установлен прибор. В то же время МР останется неизменным повсеместно.
Для преобразования МР газа в ОР необходимо знать плотность газа при текущих рабочих параметрах. Однако возникает практическая проблема – где получить это значение? Обращение к справочным данным по физико–химическим свойствам газов кажется очевидным решением, но на деле оно малоэффективно. Открытые источники не содержат исчерпывающих сведений о том, как зависит температура газов от их плотности. Для многих газообразных веществ такие данные отсутствуют вовсе.
Сервис пересчета расхода газа
Таким образом, остается только обращаться к полностью открытым источникам. Для того чтобы провести все необходимые расчеты, мы рекомендуем воспользоваться услугами онлайн-сервиса компании Bronkhorst High-Tech. Здесь разрешен доступ к информации по физическим характеристикам разных газов. Тут же вы сможете провести любые теоретические расчеты.
