Объемный и массовый расход газа

Содержание статьи:

1. Связь между объемным и массовым расходом газа
2. Разница между объемным и массовым расходом на практике
3. Чем объяснить такую разницу?
4. Сервис пересчета расхода газа FLUIDAT® on the Net
5. Какой расход измерять: объемный или массовый

 

Связь между объемным и массовым расходом газа

Расход газа – это количество газа, прошедшего через поперечное сечение трубопровода за единицу времени. Вопрос в том, что принять за меру количества газа. В этом качестве традиционно выступает объем газа, а получаемый расход называют объемным. Не случайно чаще всего расход газа выражают в объемных единицах (см3/мин, л/мин, м3/ч и т.д.). Другой мерой количества газа является его масса, а соответствующий расход называется массовым. Он измеряется в массовых единицах (например, г/с или кг/ч), которые на практике встречаются значительно реже.

Как объем связан с массой, так и объемный расход связан с массовым через плотность вещества:    

где

Q_M – массовый расход,

Q – объемный расход,

ρ – плотность газа в условиях измерения (рабочие условия).

Пользуясь этим соотношением, для массового расхода переходят к использованию объемных единиц (см3/мин, л/мин, м3/ч и т.д.), но с указанием условий (температуру и давление газа), определяющих плотность газа. В России применяют «стандартные условия» (ст.): давление 101,325 кПа (абс) и температура 20°С. Помимо «стандартных», в Европе используют «нормальные условия» (н.): давление 101,325 кПа (абс) и температура 0°С. В результате, получаются единицы массового расхода н.л/мин, ст.м3/ч и т.д.

Разница между объемным и массовым расходом на практике

Итак, расход газа бывает объемным и массовым. Какой из них следует измерять в конкретном применении? Как наглядно увидеть разницу между ними? Давайте рассмотрим простой эксперимент, где три расходомера последовательно установлены в магистраль. Весь газ, поступающий на вход схемы, проходит через каждый из трех приборов и выбрасывается в атмосферу. Утечек или накопления газа в промежуточных точках системы не происходит.

Источником сжатого воздуха является компрессор, от которого под давлением 0,5…0,7 бар (изб) газ подаётся на вход поплавкового ротаметра. Выход ротаметра подключен ко входу теплового регулятора расхода серии EL-FLOW производства компании Bronkhorst. В нашей схеме именно он регулирует количество газа, проходящее через систему. Далее газ подаётся на вход второго поплавкового ротаметра, абсолютно идентичного первому. При задании расхода 2 н.л/мин с помощью расходомера EL-FLOW первый поплавковый ротаметр дает показания 1,65 л/мин, а второй – 2,1 л/мин. Все три расходомера дают различные показания, причем разница достигает 30%. Хотя через каждый прибор проходит одно и то же количество газа.

Принцип действия теплового массового расходомера >>>

Тепловые массовые расходомеры EL-FLOW >>> 

Чем объяснить такую разницу?

Попробуем разобраться. Какая мера количества газа в данной ситуации остается постоянной: объем или масса? Правильный ответ: масса.

Все молекулы газа, попавшие на вход в систему, проходят через нее и выбрасываются в атмосферу после прохождения второго поплавкового ротаметра. Молекулы как раз и являются носителями массы газа. При этом удельный объем (расстояние между молекулами газа) в разных частях системы изменяется вместе с давлением.

Здесь следует вспомнить, что газы сжимаемы, чем выше давление, тем меньше объем занимает газ (закон Бойля-Мариотта). Характерный пример: цилиндр емкостью 1 литр, герметично закрытый подвижным поршнем малого веса. Внутри него содержится 1 литр воздуха при давлении порядка 1 бар (абс). Масса такого объема воздуха при температуре равной 20°С составляет 1,205 г. Если переместить поршень на половину расстояния до дна, то объем воздуха в цилиндре сократится наполовину и составит 0,5 литра, а давление повысится до 2 бар (абс), но масса газа не изменится и по-прежнему составит 1,205 г. Ведь общее количество молекул воздуха в цилиндре не изменилось.

Возвратимся к нашей системе. Массовый расход (количество молекул газа, проходящих через любое поперечное сечение в единицу времени) в системе постоянен. При этом давление в разных частях системы отличается. На входе в систему, внутри первого поплавкового ротаметра и в измерительной части расходомера EL-FLOW давление составляет порядка 0,6 бар (изб). В то время, как на выходе EL-FLOW и внутри второго поплавкового ротаметра давление практически атмосферное. Удельный объем газа на входе ниже, чем на выходе. Получается, что и объемный расход газа на входе ниже, чем на выходе.

Эти рассуждения подтверждаются и показаниями расходомеров. Расходомер EL-FLOW измеряет и поддерживает массовый расход воздуха на уровне 2 н.л/мин. Поплавковые ротаметры измеряют объемный расход при рабочих условиях. Для ротаметра на входе это: давление 0,6 бар (изб) и температура 21°С; для ротаметра на выходе: 0 бар (изб), 21°С. Также понадобится атмосферное давление: 97,97 кПа (абс). Для корректного сравнения показаний объемного расхода, все показания должны быть приведены к одним и тем же условиям. Возьмем в качестве таковых «нормальные условия» расходомера EL-FLOW: 101,325 кПа (абс) и температура 0°С.

Пересчет показаний поплавковых ротаметров в соответствии с методикой поверки ротаметров ГОСТ 8.122-99 осуществляется по формуле:

где

Q – расход при рабочих условиях;

Р и Т – рабочие давление и температура газа;

Q_С – расход при условиях приведения;

Рс и Тс – давление и температура газа, соответствующие условиям приведения.

Пересчет показаний ротаметра на входе к нормальным условиям по этой формуле даёт значение расхода 1,985 л/мин, а ротаметра на выходе – 1,990 л/мин. Теперь разброс показаний расходомеров не превышает 0,75%, что при точности ротаметров 3% ВПИ является отличным результатом.

Из приведенного примера видно, что объемный расход сильно зависит от рабочих условий. Мы показали зависимость от давления, но в той же мере объемный расход зависит и от температуры (закон Гей-Люссака). Даже в технологической схеме, имеющей один вход и один выход, где отсутствуют утечки и накопление газа, показания объемного расходомера будут сильно зависеть от конкретного места установки. Хотя массовый расход будет одним и тем же в любой точке такой схемы.

Сервис пересчета расхода газа FLUIDAT® on the Net

Как указано в самом начале статьи, пересчет массового расхода газа в объемный или наоборот можно осуществить через плотность газа при рабочих условиях. Возникает закономерный вопрос: откуда взять это значение? Первое, что приходит на ум – из справочных данных по газам. К сожалению, этот путь не очень перспективный. Найти в открытых источниках достаточно полные данные по плотности газов в зависимости от температуры и давления сложно, а для некоторых газов просто невозможно.

Остаются не совсем открытые источники. И тут мы хотим порекомендовать онлайн сервис компании Bronkhorst High-Tech для проведения расчетов свойств различных сред и рабочих параметров продукции при работе с этими средами. Конечные пользователи имеют доступ к данным по физическим свойствам более чем 1800 различных газов и жидкостей, а также могут выполнять для своих приборов разнообразные теоретические расчеты. Сервис называется FLUIDAT® on the Net.

Узнать о функционале сервиса можно в статье «FLUIDAT® on the Net – основы и возможности». В том числе FLUIDAT® позволяет и проводить интересующий нас пересчет. Из особенностей сервиса следует отметить, что он имеет только англоязычную версию, а также то, что он бесплатный, но требует регистрации:

При регистрации необходимо указать ФИО, название компании, страну, номер телефона и адрес электронной почты. Просьба указывать реальные контактные данные, иначе в регистрации может быть отказано (контакты проверяются вручную).

После прохождения процедуры регистрации и авторизации в сервисе следует перейти в раздел «Convert units»:

Последовательность выполнения пересчета на примере объемного расхода 1 л/мин при рабочих условиях 25°С и 5 бар (изб) в массовый расход в н.мл/мин (0°С и 101,325 кПа (абс)):

1. Выбрать рабочий газ (клик на название газа в синей рамке). В открывшемся окне ввести название или химическую формулу газа в поле «Search for» и выбрать в появившемся списке нужную позицию.
2. Указать величину исходного расхода, который требуется пересчитать (поле в голубой рамке). В нашем примере это значение «1».
3. Выбрать единицу измерения исходного расхода, который требуется пересчитать (ниспадающий список в фиолетовой рамке).
   Список содержит большое количество единиц измерения как объемного, так и массового расхода. В случае выбора объемной единицы измерения становится доступным выбор рабочих условий (под полем с величиной расхода, в фиолетовой рамке).
   Для единиц массового расхода в числителе может стоять как единица измерения массы, так и единица измерения объема с символом «n» (нормальные условия, 0°С и 101,325 кПа (абс)) или «s» (стандартные условия, 20°С и 101,325 кПа (абс)) в конце.
   В нашем примере следует выбрать вариант «l/min», а в качестве рабочих условий указать «25,00°С and 5 bar(g)».
4. Выбрать единицу измерения расхода для пересчета (ниспадающий список в оранжевой рамке).
   В нашем примере следует выбрать вариант «mln/min». В качестве рабочих условий автоматически будут указаны «0,00°С and 1013,25 hPa (a)» и они недоступны для редактирования.
5. Нажать на кнопку «Calculate» (доступна, если прокрутить страницу ниже). В поле, окруженном зеленой рамкой, будет выведен результат пересчета. В нашем примере это «5444».

Таким образом, результат пересчета объемного расхода 1 л/мин при рабочих условиях 25°С и 5 бар (изб) в массовый расход: 5444 н.мл/мин.

Какой расход измерять: объемный или массовый

Хорошо понимать физику процесса. Но, все же, какой расходомер выбрать: объемного расхода или массового? Ответ зависит от конкретной задачи. Каковы требования технологического процесса, с каким газом необходимо работать, величина измеряемого расхода, точность измерений, рабочие температура и давление, особые правила и нормы, действующие в Вашей сфере деятельности, и, наконец, отведенный бюджет. Также следует учитывать, что многие расходомеры, измеряющие объемный расход, могут комплектоваться датчиками температуры и давления. Они поставляются вместе с корректором, который фиксирует показания расходомера и датчиков, а затем приводит показания расходомера к стандартным условиям.

Но, тем не менее, можно дать общие рекомендации. Массовый расход важен тогда, когда в центре внимания находится сам газ, и необходимо контролировать количество молекул, не обращая внимания на рабочие условия (температура, давление). Здесь можно отметить динамическое смешение газов, реакторные системы, в том числе каталитические, системы коммерческого учета газов.

Измерение объемного расхода необходимо в случаях, когда основное внимание уделяется тому, что находится в объеме газа. Типичные примеры – промышленная гигиена и мониторинг атмосферного воздуха, где необходимо проводить количественную оценку загрязнений в объеме воздуха в реальных условиях.