Chương 1: Giới thiệu 2 Chương 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN 2. Kỹ thuật đo lưu lượng bằng nguyên lý độ chênh áp Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng và khí là nguyên tắc đo lưu lượng dựa trên sự thay đổi áp suất: khi lưu chất chuyển động qua vị trí có tiết diện hẹp sẽ làm cho vận tốc tăng lên và đồng thời làm cho áp suất tĩnh giảm xuống. Lưu lượng chất lỏng/khí đi qua ống tỉ lệ với độ chênh lệch áp suất này. Các phương án đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc chênh áp như : ống venturi, lỗ orifice, ống nozzle và ống pitot.
thể hiện nguyên lý đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp. D 1 D 2 D 1 D 2 Doøng chaûy Doøng chaûy h h Hình 2. Phương pháp đo bằng ống nozzle Hình 2. Phương pháp đo bằng ống venturi Doøng chaûy Ñieåm döøng Ps AÙp suaát tónh Pt AÙp suaát tuyeät ñoái h Hình 2.
Phương pháp đo bằng lỗ orifice Hình 2. Phương pháp đo bằng ống pitot 2. Kỹ thuật đo lưu lượng bằng nguyên lý dây nhiệt Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc dòng môi chất làm mát (giảm nhiệt độ) của vật thể, và mức độ là mát tỉ lệ với tốc độ dòng lưu chất. Một cảm biến nhiệt kiểu điện trở được sử dụng để đo nhiệt độ của dòng môi chất (nhiệt độ tham chiếu).
Một cảm biến nhiệt kiểu điện trở khác sẽ được nung nóng bởi dòng điện cố định đóng vai trò là đầu đo nhiệt chủ động (Active RTD). Do Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 3 đầu đo nhiệt chủ động bị làm mát bởi dòng lưu chất, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa 02 đầu đo sẽ giảm. Tốc độ của dòng môi chất sẽ tỉ lệ với mức độ thay đổi của ∆T. Phương pháp đo kiểu dây nhiệt và kiểu Karman 2.
Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc khác 2. Kiểu Karman Dòng lưu chất chuyển động va chạm vào vật cản sẽ tạo thành các xoáy lốc, tốc độ của dòng lưu chất tỉ lệ với số lượng xoáy lốc tạo thành. Kiểu dao động - ống Coriolis Dòng lưu chất chuyển động vào trong ống Coriolis sẽ tạo thành các dao động và làm xoắn ống Coriolis. Mức động dao động và độ xoắn của ống Coriolis tỉ lệ với tốc độ dòng lưu chất.
Doøng ra Doøng vaøo Truïc dao ñoäng d r dm V l Truïc xoaén Hình 2. Phương pháp đo kiểu ống Coriolis và kiểu điện từ 2. Kiểu điện từ Theo định luật Faraday, khi một dây dẫn có chiều dài l di chuyển vuông góc với từ trường B với vận tốc v, giữa 02 đầu dây dẫn sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 4 Khi áp dụng định luật Faraday vào thiết bị đo lưu lượng, lưu chất chuyển động qua ống lúc này đóng vai trò của dây dẫn chuyển động qua từ trường và chiều dài của dây dẫn đưa và tính toán lúc này chính bằng khoảng cách giữa 2 cảm biến đặt trên thiết bị đo.
So sánh các phương pháp đo Phương án Ưu điểm Nhược điểm 9 Dùng cho cả lưu chất sạch và 9 Cần có 1 đoạn ống để ổn có chứa tạp chất định dòng vào 9 Tổn thất áp suất thấp 9 Lưu lượng đo min bị giới 1 Ống Venturi hạn 9 Kết cấu đơn giản và giá thành thấp. 9 Kỹ thuật đơn giản, dễ chế tạo 9 Kết cấu đơn giản 9 Ống orifice dễ bị ăn mòn hơn so với ống Venturi nếu 9 Giá thành thấp dùng cho lưu chất có chứa 9 Kỹ thuật đơn giản, dễ chế tạo chất bẩn 2 Ống Orifice 9 Tổn thất áp suất cao hơn so với ống venturi 9 Lưu lượng đo min bị giới hạn 9 Có thể sử dụng cho lưu chất có 9 Giá thành cao hơn so với chứa chất bẩn, vận tốc và nhiệt ống orifice nhưng thấp hơn độ cao. ống venturi 3 Ống Nozzle 9 Tổn thất áp suất thuộc loại 9 Khó khăn trong việc lắp rắp trung bình và chế tạo so với ống venturi và ống orifice 9 Kỹ thuật đơn giản, dễ chế tạo 9 Lưu lượng đo min bị giới hạn 9 Hệ số cản thấp 9 Dễ bị bụi bẩn bám nếu lưu 4 Ống Pitot chất sử dụng có chứa chất 9 Kết cấu đơn giản và giá thành bẩn rẻ 9 Độ chính xác cao 9 Kỹ thuật phức tạp Thiết bị kiểu dây 9 Tổn thất áp thấp 9 Giá thành cao 5 nhiệt 9 Tầm hoạt động rộng 9 Lưu lượng đo min bị giới hạn Thiết bị kiểu 9 Kết cấu đơn giản và không cần 9 Kỹ thuật phức tạp 6 Karman bảo dưỡng thường xuyên 9 Giá thành cao Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 5 9 Lưu lượng đo min bị giới hạn 9 Độ chính xác rất cao 9 Kỹ thuật phức tạp 9 Tầm hoạt động rộng 9 Giá thành cao 7 Ống Coriolis 9 Tổn thất áp thấp 9 Thường dùng cho chất lỏng 9 Lưu lượng đo min bị giới hạn 9 Tầm hoạt động rộng 9 Kỹ thuật phức tạp Thiết bị kiểu 9 Có thể dùng cho lưu chất có 9 Giá thành cao 8 chứa chất bẩn điện từ 9 Lưu lượng đo min bị giới 9 Không cần thường xuyên bảo hạn dưỡng Kết luận: Dựa vào yêu cầu của đề tài và bảng so sánh ưu – nhược điểm của các phương pháp đo. Phương pháp đo lưu lượng kiểu chênh áp được chọn vì giá thành thấp, dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện công nghệ ở Việt Nam hiện nay.
Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 6 Chương 3: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CHÊNH ÁP Trong chương này, đặc tính làm việc của các phương án đo dựa trên độ chênh áp như: ống venturi, orifice, nozzle, phân kỳ - hội tụ sẽ được khảo sát bằng phương pháp mô phỏng với phần mềm Ansys CFD/Fluent để xác định các đặc tuyến chuyển đổi, độ nhạy và hệ số cản tương ứng. Đây là cơ sở để chọn phương án thiết kế phù hợp với yêu cầu đề tài. Các điều kiện mô phỏng 3. Điều kiện về kích thước Các phương án được mô phỏng phải đồng dạng về kích thước.
Đường kính tại vị trí co hẹp bằng 0.75 đường kính vào của ống. Trong đó, đường kính vào Φ55 được chọn theo kích thước của động cơ xe Lanos như đã trình bày trong yêu cầu của đề tài. Ống nozzle Hình 3. Ống phân kỳ - hội tụ Chương 3: So sánh các phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên lý chênh áp 7 3.
Điều kiện về lưu chất mô phỏng Trong điều kiện mô phỏng, lưu chất được sử dụng là không khí ở 25oC có tính chất như bảng sau: Bảng 3-1. Bảng thông số của không khí ở 250C Khối lượng phân tử [kg/kmol] 28.96 Khối lượng riêng [kg/m3] 1.185 Hệ số giãn nở do nhiệt [1/K] 0.003356 Hệ số nhớt động học [kg/m.831e-05 Do lưu lượng lớn nhất qua bộ đo là Qmax = 120 lít/s nên trong quá trình mô phỏng để đảm bảo được lưu lượng đó thì điều kiện về áp suất giữa đầu vào và đầu ra chênh lệch 2000 Pa. Điều kiện về lưới của mô hình Hình 3. Mô hình chia lưới ống venturi Hình 3.
Mô hình chia lưới ống orifice Hình 3. Mô hình chia lưới ống nozzle Hình 3. Mô hình chia lưới ống phân kỳ-hội tụ 3. Kết quả mô phỏng 3.
Ống venturi Hình 3. Kết quả mô phỏng ống ventui Nhận xét: Kết quả cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 5500 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống venturi Qmax = 123 (lít/s) và hệ số cản Cmax = 2500. Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 550 Pa ÷ 5550 Pa thì lưu lượng Q tăng Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 8 từ 40 lít/s ÷ 123 lít/s (tăng 3 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3. Nếu độ chênh áp giữa đầu vào và chỗ co hẹp ngày càng tăng thì lưu lượng qua ống tăng theo nhưng đồng thời làm cho hệ số cản của ống venturi cũng tăng theo, nguyên nhân là do khi tăng độ chênh áp sẽ làm cho các lốc xoáy xuất hiện ngày càng nhiều và làm tăng hệ số cản.
Ống orifice Orifice. Kết quả mô phỏng ống orifice Nhận xét: Theo đồ thị trên ta thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 2500 kPa thì lưu lượng lớn nhất qua ống orifice Qmax ≈ 68 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 17000. Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 250 Pa ÷ 2500 Pa thì lưu lượng Q tăng từ 21 lít/s ÷ 68 lít/s (tăng khoảng 3.2 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3. Hệ số cản của ống orifice tăng cao là do xoáy lốc được tạo ra khi dòng đi qua vị trí co hẹp, chính các lốc xoáy này làm cho dòng lưu chất bị mất năng lượng dẫn đến lưu lượng bị giảm mạnh.
Ống nozzle Hình 3. Kết quả mô phổng ống nozzle Nhận xét: Đồ thị trên cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 2500 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống nozzle Qmax ≈ 79 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 12200. Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 260 Pa ÷ 2440 Pa thì lưu lượng Q tăng từ 26 lít/s ÷ 79 lít/s (tăng khoảng 3.03 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3. Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 9 3.
Ống phân kỳ - hội tụ Hình 3. Kết quả mô phỏng ống phân kỳ - hội tụ Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 1000 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống phân kỳ - hội tụ Qmax ≈ 130 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 1200. Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 100 Pa ÷ 1050 Pa thì lưu lượng Q tăng từ 41 lít/s ÷ 130 lít/s (tăng khoảng 3.18 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 2. Chính vì khả năng cản dòng thấp cho nên độ chênh áp giữa đầu vào và chỗ co hẹp dẫn đến độ nhạy của ống phân kỳ - hội tụ thấp hơn nhiều so với các phương án khác.
So sánh các phương án Hình 3. So sánh kết quả mô phỏng của các phương án Nhận xét: Dựa vào kết quả mô phỏng trên hình 3.13, khi lưu lượng vào khoảng 60 (lít/s) thì ống orifice có độ chênh áp cao nhất (khoảng 2085 Pa) đồng thời trở lực trên đường ống cũng cao nhất (khoảng 15000). Đối với ống phân kỳ - hội tụ với cùng một lưu lượng như ống orifice thì độ chênh áp và tổn thất thấp nhất trong các phương án nêu trên.