بخشی از مقاله
چکیده
در همهی صنایع، آزمایشگاههای مراکز ملی کشور، واحدهای تحقیقاتی دانشگاهها، نیروگاهها و به عبارتی تمامی ارگانهایی که از دبیسنج استفاده مینمایند، استفاده از یک دبیسنج دقیق غیرقابل اجتناب میباشد و مسئله اندازهگیری بحث مهمی تلقی میشود. یکی از مصارف مهم دبیسنجها، مصارف گاز خانگی میباشد که بخش قابلتوجهی از مصرف گاز کشور به آن اختصاص مییابد.
لذا طراحی و ساخت یک دبیسنج با دقت اندازهگیری قابل قبول ضروریست. در میان انواع موجود دبیسنجهای مختلف، دبیسنجهای جرمی حرارتی لوله مویی دارای دقت اندازهگیری بالا در شرایط مختلف عملکردی میباشند. این نوع دبیسنج نسبت به دبیسنجهای دیافراگمی موجود از ساختار سادهتر، اجزای غیرمتحرک، تعمیرات دورهای کمتر و نیزاز دقت بیشتری برخوردار است.
این دبیسنج بر اساس قانون اول ترمودینامیک عمل میکند و از یک المنت حرارتی در وسط و دو حسگر قبل و بعد المنت حرارتی بر روی لوله حسگر و بخش آرام ساز تشکیل شده است که با اعمال شار حرارتی به لوله حسگر و محاسبه میزان اختلاف دما در اثر عبور جریان برای محاسبه دبی سیال استفاده میشود. در این پژوهش یک نمونه از دبیسنج جرمی حرارتی لوله مویی برای استفاده در اندازهگیری میزان مصرف گاز در کاربردهای مسکونی مطابق استانداردهای ملی گاز و با تجهیزات و امکانات موجود در بازار طراحی و ساخته شد. پس از کالیبراسیون دبیسنج ساخته شده، به بحث و بررسی نتایج حاصل و محاسبه عدم قطعیت موجود در اندازهگیری و همچنین محدودهی عملکرد قابل استناد دبیسنج پرداخته شد.
مقدمه
استفاده از گاز طبیعی در مصارف گونگون ازجمله صنعت و همچنین مصارف خانگی به عنوان اصلیترین منابع مصرف گاز طبیعی در جهان مطرح میباشد. هزینه استخراج، شیرین و جداسازیی گاز و همچنین در آلایندگی تولید شده درازای مصرف آن لزوم کنترل مصرف گاز را بیان میکند. از جمله راههای کنترل مصرف، عرضه به نرخ واقعی بوده که لازمهی آن سنجش دقیق میزان مصرف در واحد مصرفکننده است.
روشهای متعددی برای سنجش میزان گاز مصرفی وجود داشته اما با در نظر گرفتن تراکمپذیری گاز، سنجش حجمی آن با توجه به شرایط محیطی محل عرضه و مصرف میتواند با خطا همراه باشد. بنابراین نیاز است که در طول محاسبه حجم جریان گاز، چگالی آن و در واقع میزان جرم مصرف شده گاز محاسبه شود. در سالهای اخیر انواع مختلفی از قبیل دبیسنجهای التراسونیک، دبیسنجهای اوریفیس و توربینی برای مصارف گاز طبیعی استفاده شده است.
- Frøysa & Lunde, 2005 این دبیسنجها در جریان گاز طبیعی میزان حجم عبوری را نشان میدهند. نرخ جریان جرمی گاز طبیعی میتواند بهصورت مستقیم و بدون تأثیر از فشار و دما محاسبه شود، وسایل متنوعی میتوانند به این شکل عمل کنند مثل دبیسنجهای چگالی کوریولیسی، کنترلرهای جریان جرمی، کروموتوگرافهای گاز و دبیسنج دیگری با عنوان دبیسنج جرمی حرارتی - . - P Hiismaeki, 1993 بااینحال هنوز هیچکدام از وسایل نام برده در محاسبه جریان جرمی گاز طبیعی استفاده نشده است.
در مصارف خانگی، که نرخ جریان گاز طبیعی بسیار کم است، به طور کلی از دبیسنجهای دیافراگمی استفاده میشود. بازه جریان در مصارف خانگی به طور معمول بین صفر تا 4 متر مکعب بر ساعت میباشد که تا 6 متر مکعب بر ساعت نیز ممکن است بالا رود. دبیسنجهای حجمی دیافراگمی به عنوان دبیسنج جابجایی مثبت یکی از رایجترین وسایل اندازهگیری برای مصارف گاز خانگی میباشد. درواقع یک دبیسنج دیافراگمی نرخ جریان گاز را با محاسبه تعداد دفعاتی که دیافراگم نامی پر و خالی میشود اندازه میگیرد - . - Ficco, 2014 از مزایای این دبیسنجها میتوان به قیمت پایین و طول عمر بالا اشاره نمود.
با در نظر گرفتن محدودیتهایی مانند وجود اجزای متحرک، نیاز به تعمیرات دورهای، عدم دقت کافی در دبیهای بسیار پایین و نیز خطای سنجش ناشی از محاسبه حجم مصرفی، نیاز به سنجش جرمی گاز در این کاربرد حس میشود - Chapman & . - Etheridge, 1994; Vasconcelos et al., 2013 میزان گاز گمشده در شبکه گاز طبیعی ایران برای مثال حدود 10 میلیارد متر مکعب در سال 2013 میباشد - حدود 5 درصد کل گاز طبیعی مصرفی خانگی کشور - . - /http://www.iraniangas.ir - از سوی دیگر کوبوکا و همکاران سال 2014 نشان دادند اغلب از دبیسنج حرارتی برای اندازهگیری گاز استفاده میشود که انتقال حرارت در آن تابعی از خواص حرارتی است که میتواند با تغییر فشار و دمای سیال تغییر نماید بنابراین سیال گازی موردنظر باید در زمان کار دارای خواص حرارتی ثابت باشد.
در ضمن به خاطر مشکل جذب حرارت در مایعات این دبیسنجهامعمولاً برای گازها استفاده میشوند - . - Cubukcu et al., 2014 در این میان میتوان به دو روش حرارت از دست رفته را محاسبه نمود . روش اول اختلاف دمای ثابت نام دارد که در این روش نرخ جریان جرمی تابعی از منبع تغذیه الکتریکی موردنیاز برای ثابت نگه داشتن اختلاف دماست - . - Viswanath et al., 1976 روش دوم نیز جریان ثابت نام دارد که اساس محاسبه جریان در این روش جریان ثابت الکتریکی است و نرخ جریان تابعی از اختلاف دمای بین دو حسگر است - . - Cappa et al., 1996
دبیسنج جرمی حرارتی در دو گروه غوطهور و لوله مویی تقسیمبندی میشوند که در نوع غوطهور از المنت حرارتی استوانهای مغروق در سیال و در نوع لوله مویی از المنت گرم کننده لوله مویی برای گرمایش سیال کاری استفاده میشود . - ASME, 2010 - نوع غوطهور برای جریانهای با دبی بالا و نوع لوله مویی برای جریانهای دبی پایین استفاده میشوند - . - Olin, 1999 مطالعات بسیار مفیدی در بررسی و تحلیل دبی سنجهای جرمی حرارتی انجام شده اما با توجه به تعداد آنها نیاز به مطالعات گستردهتر محسوس است.
کومیا و همکاران در سال 1988 به حل یکبعدی حالت پایا برای انتقال حرارت در لولهی حسگر این دبیسنج انجام دادند. در این مطالعه از اختلاف دما در راستای شعاعی و هدایت گرمایی محوری چشمپوشی شده است و خواص ترمودینامیکی ثابت فرض شده است - . - Komiya et al., 1988 هینکل و ماریانو در سال 1991 نیز به شبیهسازی دوبعدی انتقال حرارت در لولهی حسگر پرداختند. آنها جریان سیال در لولهی حسگر از نظر حرارتی و هم از نظر هیدرودینامیکیکاملاً توسعهیافته فرض کرده وعدد ناسلت در لولهی حسگر را برابر 4,36 گزارش کردهاند .
- Hinkle & Mariano, 1991 - در سال 2001 کیم و جانگ مطالعاتی در تعامل انتقال حرارت بین لولهی حسگر و سیال در حالت پایا بهطور عددی و آزمایشگاهی انجام دادند - . - Kim & Jang, 2001 سپس در سال 2015 فرزانهگرد و همکاران به تحلیل و شبیهسازی دوبعدی و سهبعدی دبیسنج حرارتی لوله مویی با نرمافزار فلوئنت شدند و نتایج خود را با نتایج آزمایشگاهی کیم و جانگ مقایسه کردند که مطابقت خوبی داشته است . - Farzaneh-Gord et al., 2015 - در کار حاضر به طراحی و ساخت یک دبیسنج جرمی حرارتی لوله مویی در کاربردهای خانگی پرداخته و پس از تشریح مراحل ساخت، به انالیز حساسیت، تعیین دقت و مقایسه نتایج دبیسنج ساخته شده با استاندردهای موجود پرداخته خواهد شد.
تئوری ساخت
تشریح اساس کار دبیسنج جرمیحرارتی لوله مویی شکل - 1 - نمایی شماتیک از دبیسنج حرارتی لوله مویی است. همانطور که مشاهده میکنید جریان اصلی سیال به دو بخش تقسیم میشود، بخش اعظم جریان - 2 - از قسمتی به نام آرامساز عبور کرده و قسمت اندکی از جریان - 1 - از لولهی حسگر عبور میکند. درصورتیکه جریان در دو مسیر آرام باشد نسبت نرخ جریان جرمی در دو مسیر مقدار ثابتی است.
