автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка нового метода учета расхода воды в системах водоснабжения



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗОТКИН Сергей Петрова

РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА УЧЕТА РАСХОДА ВОДЫ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ (С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ)

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные

системы охраны водных ресурсов Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

кандидат технических наук В. А. Орлов

Научный консультант -кандидат физико-математических наук

ВА Баландин

Москва -1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

В В Е Д Е Н И Е...................................................................................5

1. КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА ТИПА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА В СИСТЕМЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Обзор существующих методов и устройств для измерения расхода жидкостных сред...................................................9

1.2. Характер потребления воды в городе и возможности применения для учета и контроля расходомеров различных конструкций...................................................................................33

1.3. Обоснование необходимости создания новой конструкции расходомера на жидких кристаллах в качестве рабочих тел.............................................................................................40

1.4. Краткие выводы ..................................................................41

2. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

И СУЩНОСТЬ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ РАСХОДОМЕРА

2.1. Физические свойства нематических жидких кристаллов ....................................................................................................43

2.2. Экспериментальные исследования по восприятию жидким кристаллом перепада давлений и математическая интерпретация поведения жидкого кристалла при его течении под воздействием разности давлений......................................52

2.3. Общий подход к разработке модели жидкокристаллического расходомера................................................................59

2.4. Краткие выводы........................... ........................................61

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА

3.1. Описание конструкции опытного образца жидкокристаллического расходомера и экспериментального гидрав-

лического стенда...................................................................................63

3.2. Результаты экспериментов в напорных системах и

их интерпретация..................................................................................69

3.3. Исследование эффективности работы жидкокристаллического расходомера в системе оборотного водоснабжения мокрых пылеуловителей.........................................................84 •

3.4. Метрологические характеристики, принцип тарировки и поверки расходомеров.........................................................88

3.5. Краткие выводы..................................................................95

4. РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РАСХОДОМЕРОВ

4.1. Методика расчета жидкокристаллических расходомеров для напорных систем и условия их монтажа....................96

4.2. Разработка алгоритма и программы для ПЭВМ по выбору типа сужающего устройства в требуемом диапазоне измеряемых расходов..........................................................................99

4.2.1 Алгоритм для вставки с диафрамой.........................99

4.2.2 Алгоритм для потерь напора по длине....................104

4.2.3 Алгоритм для расчета различных типов местных

сопротивлений...............................................................................107

4.3. Примеры использования программы для ПЭВМ для проектирования жидкокристаллического расходомера . 110

4.4. Элементы для изготовления, эскизная и проектная документация для отдельных узлов жидкокристаллических

расходомеров........................................................................................114

4.5. Краткие выводы.................................................................121

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

РАСХОДОМЕРОВ.......................................................................................122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с истощением запасов природных вод особенно остро встает проблема рационального использования водных ресурсов, жесткого контроля за водопотреблением и сокращением потерь воды. Для решения проблемы необходим целый комплекс организационных и технических мероприятий по ликвидации утечек воды при помощи приборов-расходомеров (водомеров, счетчиков воды).

Счетчики воды применялись в коммунальном хозяйстве городов еще в прошлом веке. С течением времени их роль и значение постоянно росли. Помимо промышленности, коммунального и сельского хозяйства, расходомеры широко используются при проведении научных исследований, для управления самыми различными технологическими процессами, для обеспечения автоматизации производства и так далее.

Несмотря на большое разнообразие способов и устройств измерения расхода жидкости и газа в промышленности и коммунальном хозяйстве, проблему определения этой физической величины нельзя считать решенной. Те методы, которые дают полное удовлетворение в одних условиях, оказываются совершенно непригодными для других. Поэтому применяется каждая модель в своем весьма ограниченном пространстве, а проектировщикам представляется возможность предлагать свои варианты усовершенствования существующих конструкций или даже создавать принципиально новые модели.

Одной из проблем, существующих сегодня в области измерения расходов в системах водоснабжения, является унификация средств измерений. Так, на малых диаметрах труб (до 300 мм) на

сегодняшний день наиболее распространены скоростные счетчики воды, а на больших (свыше 300 мм)- расходомеры переменного перепада давлений, ультразвуковые и электромагнитные.

Другая проблема водоснабжения - непроизводительные расходы воды или утечки, которые практически не фиксируются вышеупомянутыми приборами в силу своей незначительности, но, приводят к значительным потерям воды, проявляясь в течение длительного периода времени.

Решению обозначенных проблем может способствовать применение принципиально новой модели жидкокристаллического расходомера, разработанного автором и творческим коллективом сотрудников ряда научно - исследовательских и учебных институтов (МГСУ, Московская государственная академия приборостроения и информатики), благодаря применению в качестве рабочего тела сверхчувствительного нематического жидкого кристалла (НЖК), реагирующего на перепады давлений менее 1 Па (0,1 мм.вод.ст.).

Целью диссертационной работы является разработка нового эффективного метода и конструкции устройства для учета расхода воды на основе использования в качестве рабочих тел жидких кристаллов, а также оценка возможности применения принципиально новой модели жидкокристаллического расходомера на различных участках системы городского водоснабжения, а также промводоснабжения, и разработка программного обеспечения для IBM совместимых персональных ЭВМ для расчета тарировочных характеристик и настроек прибора на различные диапазоны измеряемых расходов и диаметров труб.

Научная новизна работы заключается в следующем: • исследованы свойства нематических жидких кристаллов и установлены закономерности по восприятию ими перепадов дав-

лений в напорных трубопроводах при течении жидкости и газа; на базе полученных данных разработан новый метод учета расхода жидкостных и газовых сред;

• разработаны принципы конструирования и расчета новой унифицированной конструкции расходомера на жидких кристаллах для измерения количества протекающей жидкости в широком диапазоне расходов на напорных трубопроводах различных диаметров и рассчитаны типы оптимальных местных сопротивлений на участках водопроводной сети, обеспечивающие требуемый диапазон восприятия перепадов давлений для стандартных жидкокристаллических ячеек.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Закономерности восприятия нематическими жидкими кристаллами перепадов давлений в напорных трубопроводах при течении жидкости и газа;

• Принципиально новый тип устройства для измерения расхода (Патент СССР № 1719944. Авторы: Зоткин С.П. и др. Опубликовано 15.03.92. Открытия. Изобретения. Бюл. № 10).

• Тарировочные характеристики жидкокристаллического расходомера.

• Методика и алгоритмы расчета жидкокристаллического расходомера.

Практическая значимость работы состоит в разработке и проектировании (с помощью ПЭВМ) новой унифицированной и экономичной конструкции жидкокристаллического расходомера для ключевых узлов системы городского водоснабжения (регулирующий узел, ЦТП, стояк, отдельная квартира), а также систем промводоснабжения.

Испытания нового прибора проводились в лабораториях МГСУ, МГАПИ (Московской государственной академии приборо-

строения и информатики), НИИ "Промзданий", а изготовление пробной партии приборов осуществлялось в МГАПИ. Испытания показали, что благодаря своей высокой чувствительности жидкокристаллический расходомер может успешно конкурировать с широко распространенными в системах водоснабжения скоростными счетчиками воды и расходомерами переменного перепада давления и одновременно найти применение в самых разных отраслях науки и техники (в медицине для измерения расхода крови, в строительстве - для фиксации горизонтального положения водопроводных коммуникаций, которое определяется по нулевому расходу, и проч.).

Внедрение жидкокристаллического расходомера в систему городского водоснабжения может стать важным шагом на пути создания автоматизированной системы наблюдений за расходованием воды в населенном пункте на всех участках от регулирующего узла до отдельной квартиры при помощи унифицированных приборов с обработкой результатов единым вычислительным

(о

в простейшем случае одним персональным компьютером).

ГЛАВА 1

КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА ТИПА РАСХОДОМЕРА

1.1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТНЫХ СРЕД

В практике водоснабжения, водоотведения и смежных с ними отраслях техники используется ряд приборов для определения расходов жидкостей. Ниже предлагается развернутая классификация расходомеров [40].

Группа А. Приборы, основанные на гидравлических методах.

1. Переменного перепада давления.

2. Переменного уровня.

3. Обтекания.

4. Вихревые.

5. Парциальные.

Группа Б. Приборы с непрерывно движущимся телом.

6. Тахометрические.

7. Силовые (и в т.ч. вибрационные).

8. С автоколеблющимся телом.

Группа В. Приборы, основанные на различных физических явлениях.

9. Тепловые. Ю.Электромагнитные. 11 .Акустические. 12.0птические.

13.Ядерно-магнитные.

14.Ионизационные.

Группа Г. Приборы, основанные на особых методах.

15.Меточные.

16.Корреляционные.

^.Концентрационные.

Из приборов группы А широко распространены расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами, в группу Б входят многочисленные турбинные и шариковые счетчики количества. Приборы силовые и с автоколеблющимся телом пока еще имеют ограниченное применение.

Из приборов группы В наибольшее распространение получили электромагнитные.

Расходомеры оптические, ядерно-магнитные и ионизационные применяются сравнительно редко.

Меточные и концентрационные расходомеры применяются для проверки промышленных на месте их установки.

Разновидности расходомеров приведены в ГОСТ 15528-86. Несмотря на большое разнообразие типов и конструкций расходомеров, в области коммунального и промышленного водоснабжения на протяжении длительного времени в основном применялись и применяются расходомеры переменного перепада давления, объемные и скоростные водомеры (счетчики воды), принцип работы которых состоит в воздействии потока на чувствительный элемент приборов. В последнее время наметилась тенденция использования других типов расходомеров, в частности: ультразвуковых, электромагнитных, тепловых и прочих.

Общей отличительной особенностью работы перечисленных типов приборов является непосредственное воздействие их на поток жидкостной среды.

При выборе конструкции расходомеров первостепенное значение приобретают их экономическая оценка, а также условия эксплуатации[42]. Как известно, эксплуатация средств измерений (СИ) связана с необходимостью их периодической подконтрольной поверки и составляет для различных типов приборов от 0,5 до 3-х лет [19], а затраты на ее проведение колеблются в пределах 10 -20 % стоимости СИ [54]. С учетом затрат на профилактический ремонт и обслуживание (в период расчетного срока службы) суммарные расходы потребителей, устанавливающих СИ на своих объектах, становятся сопоставимыми со стоимостью новых СИ, а в ряде случаев и значительно ее превосходят. В работе [42] предложена универсальная методика расчета экономической эффективности различных СИ. Выводы авторов можно свести к следующим рекомендациям. Для сложных дорогостоящих электронных приборов, используемых для настройки, наладки и обслуживания, выгоднее применять стратегию с периодической поверкой СИ. Эксплуатируемые с такой же интенсивностью недорогие СИ выгоднее не подвергать периодической поверке.

Для СИ однотипных или аналогичных по схемно-конструктивному исполнению и характеру эксплуатации стратегия без периодической поверки становится предпочтительнее по мере уменьшения стоимости этих СИ, а также снижения требований к уровню их метрологической надежности и увеличения интенсивности использования.

Ниже приводятся данные по основным типам, применяемых в отечественной и зарубежной практике расходомеров, а также по разработкам перспективных конструктивных и технологических решений, совершенствованию методик подбора и расчета устройств для измерения расходов воды.

Объемные счетчики. Данный тип счетчиков применяется в основном за рубежом и отличается большим разноообразием конструктивного исполнения. Положенный в основу работы счетчиков метод состоит в определении количества проходящей под давлением воды путем наполнения или опорожнения ей емкостей соответствующего объема. Емкости включают одно или несколько отделений, по мере заполнения которых можно судить о величинах расхода протекающей воды. Объемные счетчики отличаются большой точностью, особенно при пропуске малых количеств воды, и находят применение в различных технологических процессах, связанных с подачей воды, где требуется измерять малые расходы при больших давлениях. Типичными представителями объемных счетчиков являются выпускаемые французской фирмой "Schlumberger Industries" счетчики ID-4 и VOLTMAG [50].

Скоростные расходомеры и счетчики воды. Скоростные (крыльчатые и турбинные) счетчики получили весьма широкое распространение для учета количества воды, расходуемой отдельными относительно небольшими потребителями. Крыльчатые счетчики применяют главным образом в жилых зданиях, небольших цехах, на некоторых агрегатах промпредприятий. Турбинные используют для учета количества воды, потребляемой в отдельных зданиях (на нужды холодного и горячего водоснабжения), на предприятиях и других объектах со значительными расходами воды, подаваемой водоводами от небольших водопроводных насосных станций. Потребность счетчиков разных диаметров условного прохода (калибров) неодинакова и зависит от конкретного предназначения устройств. Так, например, по данным АКХ им. К.Д.Памфилова потребность счетчиков - расходомеров для горячей воды средних диаметров (65 - 150 мм) составляет 25 - 30 % от всей потребности приборов по учету расхода воды и теплоты в

коммунальном хозяйстве. Основную потребность составляют счетчики диаметром условного прохода 200 мм и выше. По данным зарубежных исследователей установка коллективных и индивидуальных скоростных водосчетчиков, например в жилых зданиях позволяет экономить от 30 до 50 % потребляемой воды.

Принцип действия скоростных расходомеров - счетчиков основан на измерении числа оборотов крыльчатки или турбины,

о и тл

приводимых в движение струей, протекающей через счетчик. В России и за рубежом разрабатывается и используется большое число разнообразных конструкций скоростных счетчиков, которые при различных комбинациях позволяют перекрывать практически любые диапазоны измерения величин расходов.

Отечественной промышленностью выпускаются скоростные водосчетчики для небольших расходов типа УВК (ГОСТ 6019-83) калибром 20,25,32,40 мм и для больших расходов воды типа ВТ и ВТГ (ГОСТ 14167-83) [38]. Характеристики счетчиков приведены в таблице 1. Скоростные счетчики типа ВСКМ и СТВ предназначаются для установки в центральных тепловых пунктах (ЦТП) для измерения расходов воды, качество которой удовлетворяет требованиям ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" при рабочем давлении до 1 МПа и температуре от 2 до 40° С. Оба типа водосчетчиков аттестованы по высшей категории качества. Вероятность безотказной работы новых модификаций составляет 0,97, срок службы - 8 лет, а гарантийное заводское о