СТАБИЛИЗАТОР ПОТОКА
FLOW STABILIZER

Изобретение относится к стабилизатору потока для стабилизации потока текучей среды, который содержит трубу, имеющую ось трубы, по которой может проходить текучая среда в направлении оси трубы.
Во многих областях техники измерения должны выполняться при прохождении текучих сред, т.е. газов или жидкостей. Например, скорость потока проходящих текучих сред в трубопроводах или каналах может быть определена с помощью способа ультразвуковых измерений в соответствии со способом разностей по времени прохождения. Соответствующее устройство для ультразвукового измерения и соответствующий способ, например, описаны в DE 10 2016 112 295 A1. Объемный расход текучей среды, проходящей по трубопроводу, может быть определен на основании скорости потока и поверхности поперечного сечения трубопровода или канала. Такие устройства для измерения объемного расхода часто используются в виде счетчиков для определения количеств подаваемых и/или количеств потребления газов или жидкостей.
При таких измерениях, как правило, требуется как можно более однородный профиль потока для обеспечения высокой точности измерений. Однако, на практике часто встречаются неоднородные или нарушенные профили потока. Тем не менее, для обеспечения требуемой точности профиль потока может быть выбран с помощью множества путей измерения, что, однако, связано с большим усилием. Другая возможность повышения точности измерений включает в себя размещение стабилизатора потока выше по потоку от точки измерения.
Стабилизаторы потока, такие как, например, раскрытые в EP 2 607 718 A1, служат для стабилизации профилей нарушенного потока перед точкой измерения в направлении невозмущенных потоков. Известные стабилизаторы потока могут иметь пластины, металлические листы и внутренние трубы, которые ориентированы в направлении невозмущенного потока. Такие элементы, в частности, могут успешно противодействовать завихрению потока. Однако, возможно существующая асимметрия потока, как правило, не может быть исправлена упомянутыми элементами. Кроме того, на практике трудно одновременно достичь высокого эффекта стабилизации и небольшой потери давления, а также небольшого размера конструкции.
Следовательно, предпринимаются усилия для обеспечения дальнейшего улучшения стабилизации потока и, в частности, для уменьшения потерь давления и размеров конструкции стабилизаторов потока, используемых для этой цели, без нежелательных разделений или турбулентностей.
Этой цели удовлетворяет стабилизатор потока для стабилизации потока текучей среды, имеющий признаки по п.1.
Кондиционер потока в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, один корпус втулку, который является вращательно-симметричным относительно оси симметрии, и который закреплен в трубе таким образом, что ось симметрии совпадает с осью трубы, причем корпус втулки, закрепленный в трубе, имеет область притока, которая выгнута наружу против направления притока.
Следовательно, корпус втулки имеет форму и расположен подобно втулке ротора, однако, в отличие от такой втулки, корпус втулки не поддерживается с возможностью вращения, а закреплен на трубе.
Обнаружено, что даже при сравнительно небольшой осевой длине такой корпус втулки способен создавать, по меньшей мере, в значительной степени однородный профиль потока и устранять возмущения независимо от характеристик притока. В отличие от пластины, имеющей нормаль к поверхности, ориентированную перпендикулярно к направлению потока, корпус втулки стабилизатора потока в соответствии с изобретением обеспечивает радиальный обмен импульсами и, таким образом, может также противодействовать возможной асимметрии потока. Поскольку область притока выгнута наружу (т.е., является выпуклой) от направления притока, стабилизатор потока в соответствии с изобретением имеет небольшую потерю давления, даже когда область притока является относительно большой. Вследствие более короткой минимальной длины стабилизатор потока в соответствии с изобретением требует лишь небольшого пространства для конструкции. Кроме того, потребность в энергии соответствующего насоса, который влияет на поток, может быть небольшой из-за небольшой потери давления. Соосная ориентация вращательно-симметричного корпуса втулки в трубе предотвращает создание возмущений самим корпусом втулки.
Конкретным преимуществом изобретения является то, что характеристическая кривая стабилизатора потока в соответствии с изобретением, которая представляет собой типичную большую погрешность в зависимости от объемного расхода, является сравнительно плоской вследствие корпуса втулки и, в частности, не поднимается круто при низких значениях объемного расхода, как в обычных системах. Это обеспечивает особенно надежное измерение и, прежде всего, выгодно для выполнения калибровок, поскольку не требуется управление сложной функцией коррекции. Вместо этого, в простейшем случае, калибровка может быть выполнена путем добавления значения смещения.
Вариант осуществления изобретения предусматривает то, что корпус втулки имеет наружный диаметр, подлежащий радиальному измерению относительно оси трубы, который составляет, по меньшей мере, 40%, предпочтительно, по меньшей мере, 50%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 60%, и особенно предпочтительно, по меньшей мере, 70% от внутреннего диаметра трубы, и/или что поверхность поперечного сечения области притока составляет, по меньшей мере, 20%, предпочтительно, по меньшей мере, 30%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 50%, и особенно предпочтительно, по меньшей мере, 60% от поверхности поперечного сечения трубы. В этом отношении, если внешний диаметр корпуса втулки и/или внутренний диаметр трубы изменяется/изменяются по оси трубы, наружный диаметр корпуса втулки и внутренний диаметр трубы должны определяться в одном и том же осевом положении, например, в том положении, в котором наружный диаметр корпуса втулки является максимальным. Под термином «поверхность поперечного сечения» следует понимать как эффективную для потока поверхность поперечного сечения или как максимальную поверхность поперечного сечения по оси трубы. Объемистый корпус втулки способен, так сказать, разрушать профиль существующего нарушенного потока, чтобы, таким образом, обеспечить создание однородного профиля потока в последующей секции трубы.
Корпус втулки может иметь диффузорную часть, в которой поверхность поперечного сечения корпуса втулки уменьшается по оси трубы в направлении, обращенном вниз по потоку. Диффузорная часть обеспечивает замедление текучей среды, проходящей за корпус втулки. Диффузорная часть предпочтительно проходит до заднего по ходу конца корпуса втулки. Стабилизированное поле течения может быть образовано ниже по потоку от корпуса втулки.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения корпус втулки закреплен в трубе с помощью, по меньшей мере, одной пространственной перемычки, например, пластинчатой перемычки. В этом отношении корпус втулки может быть выполнен как одно целое с перемычкой и/или с трубой. Нормаль к поверхности пространственной перемычки предпочтительно ориентирована перпендикулярно к оси трубы. Пространственной перемычка не только удерживает корпус втулки в нужном положении, но и противодействует завихрению, т.е., выполняет двойную функцию. Осевая длина стабилизатора потока может быть небольшой, несмотря на дополнительный элемент, уменьшающий завихрение.
Может быть обеспечено то, что, по меньшей мере, одна пространственная перемычка соединяет внутреннюю стенку трубы с радиально обращенной наружу поверхностью корпуса втулки.
Конкретный вариант осуществления обеспечивает то, что корпус втулки закреплен в трубе с помощью звездообразного расположения пространственных перемычек. Упомянутое расположение обеспечивает надежное удержание и, кроме того, влияние потока, равномерно распределенного по периферии корпуса втулки.
Область притока может иметь куполообразный изгиб. Это обеспечивает низкое сопротивление потоку корпуса втулки и предотвращает завихрение. Изгиб может, например, иметь сферическую форму. Радиус кривизны в этом отношении может быть выполнен в зависимости от конкретного применения. В зависимости от применения область притока может быть полусферической или слегка уплощенной, например.
Другой вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что корпус втулки является кольцевым в поперечном сечении и имеет центральный проходной канал. Таким образом, создается основной поток, который способствует созданию равномерного потока вслед за корпусом втулки. Корпус втулки предпочтительно имеет круглое поперечное сечение. Область притока кольцевого корпуса втулки может иметь тороподобный изгиб, по меньшей мере, к стороне притока. Продольное сечение через изгиб одной из радиальных половин кольцевого корпуса втулки может быть, например, полукруглым. Однако, возможны также другие формы.
Центральный проходной канал может иметь диаметр, который увеличивается по оси трубы в направлении, обращенном вниз по потоку. Такой проходной канал образует диффузор, который вызывает замедление текучей среды, проходящей по каналу. Если, как описано выше, диффузорная часть образована подобным образом на радиальной наружной стороне корпуса втулки, центральный проходной канал может быть выполнен таким образом, чтобы уровни скоростей центрального компонента потока и радиально наружного компонента потока за корпусом втулки были приблизительно равны.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения вращательно-симметричный дополнительный элемент расположен соосно кольцевому корпусу втулки в центральном проходном канале. Обнаружено, что такой дополнительный элемент дополнительно улучшает стабилизацию потока. Подобно корпусу втулки, дополнительный элемент может иметь область притока, которая выгнута наружу против направления притока для поддержания низкого сопротивления потоку. Это означает то, что дополнительный элемент может образовывать дополнительный внутренний корпус втулки.
Дополнительный корпус также может быть кольцевым, предпочтительно круглым, в поперечном сечении. Таким образом, дополнительный внутренний проходной канал образован так, что входящий поток в целом разделяется на большее количество потоков.
В кольцевом дополнительном корпусе может быть образован внутренний проходной канал, диаметр которого увеличивается по оси трубы в направлении, обращенном вниз по потоку. Таким образом, образован дополнительный диффузорный элемент, который стабилизирует основной поток.
Корпус втулки и дополнительный корпус могут вместе иметь поверхность поперечного сечения, которая может омываться, и которая составляет, по меньшей мере, 30%, предпочтительно, по меньшей мере 40%, и особенно предпочтительно, по меньшей мере 50% от поверхности поперечного сечения трубы. Таким образом, поступающий нарушенный поток разрушается особенно эффективно.
Множество соответственно выполненных дополнительных элементов, расположенных соосно друг другу, как правило, также могут быть расположены друг в друге.
Предпочтительно, чтобы труба имела внутренний диаметр, по меньшей мере, 10 мм и, по большей мере, 500 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 20 мм и, по большей мере, 200 мм. При таких размерах труб преимущества стабилизатора потока в соответствии с изобретением особенно ярко выражены. Однако, стабилизатор потока в соответствии с изобретением, как правило, изменяется в сравнительно широком диапазоне размеров простым способом.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения стабилизатор потока имеет устройство для пропускания потока, которое расположено ниже по потоку от корпуса втулки (то есть, на его заднем по ходу конце или за ним в направлении потока) и которое содержит, по меньшей мере, перфорированную пластину, сотовый корпус, пучок труб и/или сопло. Нарушение баланса импульсов всех составляющих скорости в общем поперечном сечении трубы может быть достигнуто с помощью перфорированной пластины. Несимметричный профиль осевой скорости становится более однородным благодаря этому разрушению. Перфорированная пластина предпочтительно имеет квадратную перфорацию. Сотовый корпус, который может содержать каналы, которые разделены тонкими стенками и которые, например, имеют шестиугольное поперечное сечение, имеют экранирующий эффект и, таким образом, успокаивает поток. Сужение, образованное соплом, может иметь изогнутое продолжение или секционно-линейное продолжение в продольном сечении. Корпус втулки и устройство для пропускания потока могут образовывать узел стабилизации.
Предпочтительный вариант осуществления обеспечивает то, что устройство для пропускания потока содержит перфорированную пластину и сотовый корпус, который расположен ниже по потоку от нее. Было установлено, что с помощью сочетания корпуса втулки, перфорированной пластины, расположенной ниже по потоку от него, и сотового корпуса, расположенного ниже по потоку от перфорированной пластины, можно стабилизировать поток виртуально полностью свободный от разделений и, таким образом, ограничить осевую длину стабилизатора потока до приемлемого значения.
Стабилизатор потока может иметь осевую длину, которая составляет, по большей мере, в два раза больше и предпочтительно, по большей мере, в 1½ раза больше внутреннего диаметра трубы, и/или которая имеет коэффициент потери давления, который составляет, по большей мере, 8 и предпочтительно, по большей мере, 5,5. Благодаря варианту осуществления в соответствии с изобретением можно создать стабилизаторы потока, которые являются особенно компактными и/или которые вызывают особенно небольшие потери давления. Благодаря изобретению может быть даже возможно сохранить осевую длину стабилизатора потока меньшей внутреннего диаметра трубы и, тем не менее, обеспечить приемлемую стабилизацию потока. Длина впускного отверстия, то есть, осевая протяженность зоны рециркуляции, имеющейся между последним элементом стабилизатора потока и точкой измерения, также может быть сохранена небольшой благодаря варианту осуществления в соответствии с изобретением.
Изобретение также относится к системе измерения расхода для измерения расхода текучей среды через трубу, причем упомянутая система измерения расхода содержит измерительное устройство, предпочтительно ультразвуковое измерительное устройство, для выполнения измерения текучей среды, в частности ее скорости потока, и стабилизатор потока, расположенный выше по потоку от измерительного устройства. В соответствии с изобретением стабилизатор потока в этом отношении выполнен так, как описано выше.
Стабилизация потока, достигаемая с помощью стабилизатора потока в соответствии с изобретением, уменьшает возмущения вследствие нерегулярного потока, вследствие завихрения, вследствие нерегулярного распределения составляющих осевой скорости или вследствие неблагоприятных эффектов акустического сигнала вследствие турбулентности, так что определение разности по времени прохождения ультразвукового измерения возможно очень точным способом для определения скорости текучей среды.
Другие усовершенствования изобретения также можно видеть из зависимых пунктов формулы изобретения, из описания и из прилагаемых чертежей.
Изобретение будет описано ниже в качестве примера со ссылкой на чертежи.
Фиг. 1 - перспективный вид стабилизатора потока в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, показанного под углом от передней стороны;
фиг. 2 - вид в продольном разрезе стабилизатора потока в соответствии с фиг. 1; и
фиг. 3 - вид в продольном разрезе стабилизатора потока в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
Стабилизатор 11 потока, показанный на фиг. 1 и 2 содержит трубу 13, которая имеет, по меньшей мере, по существу, прямолинейное направление и которая соответственно образует ось 15 трубы (фиг. 2). Труба 13 вставляется, например, в качестве промежуточного элемента в проточный канал, не показанный, так что через нее может проходить текучая среда, предпочтительно газ, в направлении оси 15 трубы.
В трубе 13 расположен кольцевой корпус 17 втулки, который является вращательно-симметричным относительно оси 19 симметрии и имеет дугообразную область 23 притока. Корпус 17 втулки расположен таким образом, что ось 19 симметрии совпадает с осью 15 трубы.
Вращательно-симметричный дополнительный корпус 27 расположен в центральном сквозном канале 25, образованном кольцевым корпусом 17 втулки. Он также является кольцевым и, как показано, расположен соосно с кольцевым корпусом 17 втулки. Благодаря кольцевой форме внутренний проходной канал 29 образован дополнительным корпусом 27.
Корпус 17 втулки и дополнительный корпус 27 закреплены в трубе 13 посредством звездообразного расположения пространственных перемычек 30. Пространственные перемычки 30 ориентированы таким образом, что нормали к их поверхностям обращены поперечно к оси 15 трубы. Труба 13, перемычки 30, корпус 17 втулки и дополнительный корпус 27 предпочтительно выполнены из пластмассы. Они могут быть образованы с помощью одного элемента, полученного литьем под давлением.
Труба 13 имеет впускную сторону 31 и выпускную сторону 32. При работе стабилизатора 11 потока корпус 17 втулки и дополнительный корпус 27 обтекаются с впускной стороны 31 в направлении 33 притока. Как, в частности, видно на фиг. 2, область 23 притока корпуса 17 втулки, обращенная к впускной стороне 31, выгнута наружу против направления 33 притока. Область 37 притока дополнительного корпуса 27, обращенная к впускной стороне 31, также выгнута наружу против направления 33 притока. В результате получается обтекаемая форма корпуса 17 втулки и дополнительного корпуса 27.
Диффузорная часть 39 примыкает к области 23 притока корпуса 17 втулки в направлении, обращенном вниз по потоку, в котором поверхность поперечной диффузорной части 39 корпуса 17 втулки непрерывно уменьшается по оси 15 трубы, если смотреть в направлении 33 притока. В показанном варианте осуществления ступень 43 образована на конце 41 корпуса 17 втулки, расположенном ниже по потоку и дополнительно создает эффект задней кромки, то есть, заданное нарушение потока, которое, например, в случае очень неблагоприятного притока, может вызывать минимальное разделение, которое затем является вращательно-симметричным. Таким образом, осевое разделение, которое является слишком длинным, также может быть дополнительно уменьшено в случае очень неблагоприятного притока, и общий профиль потока может быть дополнительно улучшен.
Как показано, диаметр центрального проходного канала 25 непрерывно увеличивается по оси 15 трубы в направлении, обращенном вниз по потоку, то есть в направлении 33 притока, после области 33 притока. Диаметр внутреннего проходного канала 29 также, по меньшей мере, увеличивается в задней части по оси 15 трубы в направлении, обращенном вниз по потоку. Таким образом, в дополнение к диффузорной части 39 корпуса 17 втулки имеются две другие области с эффектом диффузора, то есть, внутренний проходной канал 29 и участок центрального проходного канала 25, расположенный радиально наружу дополнительного корпуса 27.
В показанном примере осуществления корпус 17 втулки и дополнительный корпус 27 вместе имеют поверхность поперечного сечения, которая может омываться, и которая составляет приблизительно 45% от поверхности поперечного сечения трубы 13. Поверхность поперечного сечения, которая может омываться, предпочтительно составляет, по меньшей мере, 30% и, по большей мере, 95% от поверхности поперечного сечения трубы 13.
Стабилизатор 11' потока, показанный на фиг. 3 также имеет трубу 13, содержащую размещенный в ней корпус 17' втулки. Как в ранее описанном варианте осуществления, корпус 17' втулки является кольцевым и имеет центральный проходной канал 25'. Однако, в упомянутом центральном проходном канале 25' не расположен дополнительный корпус. Кроме того, минимальный диаметр 45 центрального проходного канала 25' в данном документе составляет только приблизительно 14% от максимального диаметра 55 корпуса 17' втулки, то есть, центральный проходной канал 25' является сравнительно небольшим.
Кроме того, в стабилизаторе 11' потока расположено устройство 50 для пропускания потока в соответствии с фиг. 3. Оно расположено ниже по потоку от корпуса 17' втулки и содержит перфорированную пластину 57 и сотовый корпус 59, расположенный ниже по потоку от перфорированной пластины 57. Сочетание описанного корпуса 17' втулки, перфорированной пластины 57 и сотового корпуса 59 оказалось особенно эффективным относительно предотвращения разделений.
В принципе, корпус 17 втулки, показанный на фиг. 1 и 2, включая дополнительный корпус 27, также могут быть объединены с перфорированной пластиной 57 и сотовым корпусом 59, как показано на фиг. 3.
В примере осуществления, который не показан, устройство для пропускания потока содержит, по меньшей мере, одну часть сопла ниже по потоку, в которой труба имеет сужение. В примере осуществления, который также не показан, корпус втулки не имеет центрального проходного канала, причем область притока имеет замкнутую куполообразную поверхность.
Описанные стабилизаторы 11, 11' потока используются для стабилизации потоков текучей среды, и каждый из них вставлен в проточный канал, например, в газопровод, для этой цели. Вслед за стабилизатором 11, 11' потока расположено измерительное устройство, такое как ультразвуковое измерительное устройство, с помощью которого поток текучей среды через проточный канал может быть измерен способом, известным, по существу.
Возмущения, присутствующие в потоке, такие как, например, вызванные изгибами или сужениями выше по потоку от стабилизатора 11, 11' потока, эффективно устраняются стабилизатором 11, 11' потока. В этом отношении корпус 17, 17' втулки разрушает возмущенный поток и разделяет его на основной поток и один или два кольцевых потока. При прохождении через корпус 17, 17' втулки части потока замедляются и стабилизируются благодаря диффузорному эффекту. Пространственные перемычки 30 одновременно уменьшают возможно имеющееся завихрение. Вслед за стабилизатором 11, 11' потока происходит смешивание, при котором происходит обмен осевыми и радиальными импульсами, и поток в целом становится более однородным. В этом отношении особое преимущество заключается в том, что приемлемая стабилизация уже возможна с относительно коротким стабилизатором 11, 11' потока в соответствии с изобретением, короткой длиной впуска и при принятии относительно небольшой потери давления.
Список ссылочных позиций
11, 11' - стабилизатор потока
13 - труба
15 - ось трубы
17, 17' - корпус втулки
19 - ось симметрии
23 - область притока
25, 25' - центральный проходной канал
27 - дополнительный корпус
29 - внутренний проходной канал
30 - перемычка
31 - впускная сторона
32 - выпускная сторона
33 - направление потока
37 - область притока дополнительного корпуса
39 - диффузорная часть корпуса втулки
41 - задний по ходу конец
43 - ступень
45 - диаметр центрального проходного канала
50 - устройство для пропускания потока
55 - диаметр корпуса втулки
57 - перфорированная пластина
59 - сотовый корпус