Регулирование расхода газов при постоянном давлении

[Tsiwik]

Уже три человека ЗА.. осталось только добиться расположения @Dometer, чтобы окончательно убедиться в правильности выбранного решения 

[Dometer]

Водород подается в камеру смешивания и там смешивается с перегретым паром. Давление пара - 2,5 МПа.. следовательно, водород туда должен поступить несколько большего давления, чем пар..
Да, давление до дросселя мне неважно, главное, чтобы после него дальше по трубам текло больше 2,5 МПа
Соотношение водорода к пару мне не известно, ровно как и количество самого пара, но цифры, прописанные в ТЗ, а конкретнее 100-500 г/ч, взяты не с потолка, а эмпирически выведены умными дядьками из ВТИ, которые в этом, видимо, что-то волокут.. и утверждают, что на какое-то количество пара, необходимо вот столько водорода..

Странные "дядьки". Может быть их интересует температура подаваемого в смесительную камеру водорода ? А то потом (когда установку уже соберут и покрасят) вдруг вспомнят...

Но главное, что топикстартер маленько запоздало огласил первопричину этих 2,7 MPa. Если-бы давление требовалось для подачи в какое-то сопло, после которорого 0,1 MPa (или побольше, но значительно меньше входного), то регулятор давления имел бы существенный смысл (а вентиль-клапан - никакого смысла - расход задавался-бы соплом,  и его можно регулировать только изменением давления на входе, т.е. "подкрутками" регулятора).
Но оказывается, давление задаётся давлением в [большой (относительно проходного сечения)] смесительной камере. В таком случае регулятор давления как-бы и не очень нужен. "Чуть побольше 25 MPa" возникнет само - в точном соответствии с заданным [дросселем] расходом.
Регулятор давления нужен только для того, чтобы не подкручивать дроссель каждые 5 минут, компенсируя падёж давления в баллоне (особенно когда H2 на исходе).

Таким образом представленная схема работает (ибо главное у ней - кран). Но не мешало-бы предусмотреть возможность двух проблем:
1.

Мониторинг рынка редукторов, как отечественных, так и зарубежных, показывает, что, при таком выходном давлении, расход будет раз эдак 10 выше..

Поскольку редуктор - механическое устройство, то на малых расходах может возникнуть колебательный процесс. Поэтому желательно иметь буферную ёмкость перед дросселем.
[И, рассматривая регуляторы давления, надо не забывать, что не абы какие нужны,  но для водорода].
2.
При дросселировании возможны какие-то температурные явления, связанные с поведением реальных газов. Не пытался заглядывать в справочники (может быть, что водород при упомянутых давлениях не имеет заметных отклонений от идеального газа), но, возможно, что температура выходящего водорода будет зависеть от остаточного давления в баллоне. И, даже если "умным дядькам" пофиг на температуру водорода, подмешиваемого к пару, от неё будет зависеть расход через дроссель. Или просто чего-нибудь замёрзнет, натечёт конденсат, что-то заржавеет, а потом взорвётся... Рекомендую водород после регулятора давления пропустить через змеевик-теплообменник. Либо можно (и с точки зрения эргономики лучше) использовать в качестве теплообменника упомянутую бустерную ёмкость. Надо только предусмотреть, чтобы оная ёмкость не просто тройником к трубе присоединилясь, но засунуть внутрь ёмкости тонкую трубку ближе ко дну (по ней газ подавать, а отдавать через горловину), чтобы газ перемешивался.

Как вариант, можно "сэкономить" на дроссельном кране - земенить его просто жиклёром. А расход регулировать заданием чуть большего или меньшего давления (эксперименты с малыми расходами лучше делать ближе к опустошению баллона).

[Влад и Мир]

Каково давление водорода в баллоне в состоянии поставки?
Не окажется ли целесообразным для опустошения баллона использование схемы "баллон-редуктор-накопитель-компрессор с управляемым приводом-датчик расхода"? Ещё один датчик расхода на подаче пара. И контроллер, связывающий датчики расхода с управляемым приводом компрессора.

[Tsiwik]

Ну баллон стандартный, по ГОСТ 949-73.. ну сколько там.. 15 МПа, или 19,6 МПа.. в зависимости от длины.. не суть, пусть будет большой баллон на 40 литров и с давлением 19,6 МПа..

А идея с компрессором, или, как его модно называть, газовым бустером, мне пришла тоже сразу.. этот вариант оставлю пока на потом, а сейчас вот что получилось: 

[tramp_m]

Всё конечно красиво...
Но, вы хотите получить подробную консультацию для выполнения конкретного изделия, не раскрывая, ни назначения, ни характеристик...
Думается, если вы опишите полный технологический процесс где применяется данное изделие, то ...
Это будет не кот в мешке...
И можно будет говорить предметно без ущербности (ущемления, унижения собеседника) одной из сторон...

[Tsiwik]

Я конечно понимаю, что все здесь очень матерые специалисты, начитанные, технически грамотные, красивые и умные..
Но вопрос изначально был теоретическим, а не практическим.. То, какую мне конкретную задачу нужно решить - это уже дело второе..
Я люблю этот форум, но, как и на всяком форуме, обсуждения тут заканчиваются примерно одинаково 

ТС: Мне нужно вкрутить лампочку, но она высоко, а я - низкий.. Что делать? Помогите.. боюсь темноты..
юзер1: Логичнее всего было бы встать на что-нить.. имхо
юзер2: Все верно, встань на табурет!
юзер3: Да какой табуер, это уже прошлый век, так давно никто не делает, вставай на стул!
юзер4: тс неполностью описал все сопутствующие условия, как высоко лампочка? какая ему нужна мощность? какого он роста, и ваще.. какого размера комната? скольки этажный дом? географические координаты и высота над уровнем моря?..
юзер5: возьмите и зажгите свечку, это экономически выгоднее, теплее и уютнее
юзер6: а зачем вам ваще вкручивать лампочку?
etc..

да, да, да, мне нечего делать под вечер в пятницу)

[tramp_m]

Прошу прощения, если что не так...

[Dometer]

...
При дросселировании возможны какие-то температурные явления, связанные с поведением реальных газов. Не пытался заглядывать в справочники (может быть, что водород при упомянутых давлениях не имеет заметных отклонений от идеального газа), но, возможно, что температура выходящего водорода будет зависеть от остаточного давления в баллоне.
...

Нашёл время заглянуть в справочники:
"У большинства газов температура инверсии эффекта Джоуля-Томсона заметно выше комнатной. Поэтому обычно наблюдается охлаждение газа. А вот для водорода это 205°К, или - 68°С, и он при нормальных условиях нагревается. Поэтому крайне опасно возникновение трещин в водородных баллонах и проводящих водород трубах. Просачивание газа через трещины или маленькие дырочки - тот же процесс Джоуля-Томсона, и в результате нагрева водород может воспламениться, а то и взорваться."
Надеюсь, что топикстартер воспримет это за теорию, а не как посягательство на практику.

[Kirilius83]

т.е. водород не как обычный газ, водород при расширении в атмосферу нагреватеся, причем значительно? о как 

[oleg_a100]

   Я бы попробовал такую схему.

1.   В начале работы все 3дросселя Д1-3 закрыты.
2.   Регулируем редукторами Р1 и Р2 на, например, 50 бар на выходе. Это лучше делать по отдельным образцовым, манометрам М1 и М2 соответствующих условиям эксплуатации исполнениям. Боюсь, что точности штатных манометров на редукторах не хватит.
3.   Поочередно открываем дроссели Д1 и Д2 на полную. Смотрим, как в ресивере давление становится также 50 бар (показания манометра М3) и думаем, что смесь пара и водорода в нём уже присутствует. Правда, концентраций этих компонентов мы пока не знаем.
4.   Редуктором Р3 выставляем давление на выходе 27 бар (манометр М4).
5.   Немного открываем Д3 и смотрим на показания расходомеров Q1-3, теперь на них должны появиться некие значения более - менее стабильные.
6.   Если показания Q2 уже в нужном диапазоне (100-500 г/ч), а Q3 достаточен (по словам дядек из НИИ), то видимо, уже можно начинать исследования по существу.
7.   Если Q2 не в пределах 100-500 г/ч, а больше, то немного прикрываем Д2 и загоняем показания Q2 в пределы. Значения Q3 при этом, должны несколько упасть. Падение компенсируем дополнительным открытием дросселя Д3.
8.   Если же Q2- меньше необходимого диапазона, то прикрываем Д1, и загоняем показания Q2 в пределы. Значения Q3 при этом, также должны несколько упасть.
... и т.д.

Основные трудности в подборе оборудования. Расходомер Q3 должен измерять двухкомпонентный продукт. С паром будут заморочки у исследователей ( но это придется учитывать при конструировании установки), т.к. его свойства будут значительно меняться при прохождении пути от источника до выхода в смеси с водородом.
Часть массовой доли пара на выходе из стенда не появится, т.к. конденсатом выпадет в измерительном тракте. Для учета этих потерь, видимо, потребуется измерение прироста количества сконденсировавшейся воды во время некоторого периода времени с установившимся процессом (добиться некоей монотонности графика). А в дальнейшем учитывать эту поправку, чтобы приблизиться к абсолютным величинам необходимых концентраций.
Можно почитать такой документ для общего и частного развития. Там есть рекомендации по конструированию измерительного тракта для пара, ссылки на необходимую документацию и много чего ещё, что может пригодиться на будущее. Так как установка является исследовательской, то думаю, что без некоторого погружения в метрологические дебри не обойдется.

ГОСТ 8.563.2-97. ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств.

[Valery-Moscow]

Добрый день,

Ваша задача имеет отношение к течению многофазных сред - что автоматически ИСКЛЮЧАЕТ существование каких-то волшебных формул и методик

метод научного тыка и пр. "инструментарий" совершенно точно Вам не помогут!

Если эта задача имеет финансирование - можно подумать как её решить.

С уважением и надеждой на понимание

[Dometer]

Ваша задача имеет отношение...

А Valery-Moskow, стало быть имеет отношения к решениям задач течения многофазных сред (ну типа электрик конторы, которая имеет суперкомьютер, который порой решает задачи течения многофазных сред).

к течению многофазных сред -

Топик-стартер упомянул перегретый пар,  что не подразумевает конденсации и многофазности

что автоматически ИСКЛЮЧАЕТ существование каких-то волшебных формул и методик
метод научного тыка и пр. "инструментарий" совершенно точно Вам не помогут!

Помница ещё до открытия Америки люди умудрялись плавить чугун, и даже не ведали, что вторгались в задачи многофазных сред, но нагло пользовались волшебными формулами, научным тыком и прочими методиками запрещённого "инструментария".

Если эта задача имеет финансирование - можно подумать как её решить.

Можно подумать, что вы её (и вообще любые практические задачи) решите - без веры в научный тык и без владения пр. "инструментарием".

[Valery-Moscow]

да, мы решаем широкий класс задач в области гидро-газодинамики, на пример вот такие:

•   Теплообменники (газовые, жидкостные, двухфазные): определение
эффективности оребрения и др. форм развитой поверхности теплообмена
(сопряженный теплообмен), тепло-гидродинамический анализ  сложных
пространственных конфигураций теплообменных элементов и оборудования;

•   Запорная и трубопроводная арматура (краны, задвижки, фитинги): определение
гидравлических потерь и нагрузок (в том числе - нестационарных),  нестационарные
тепловые поля, оценка износа стенок и налипания частиц в двухфазных течениях;

•   Реакторы (объемные, каталитические, смесители): моделирование
многокомпонентных гомогенных и гетерогенных химических реакций с учетом
тепловыделения и газо-гидродинамических процессов при наличии дисперсных фаз
в сложных трехмерных конфигурациях и в засыпках;

•   Сепараторы (газо - жидкостные, пылеотделители, жидкость-жидкость):
моделирование переноса дисперсной фазы (в том числе - при сопоставимых
объемных
концентрациях) с учетом сложного характера взаимодействия частиц со стенками
конструкции, определение эффективности процесса и влияющих на нее критических
мест.

•   Насосы и компрессоры (осевые, центробежные, поршневые и др.):
определение коэффициента полезного действия, уровня пульсаций, тепловые
режимы, обнаружение проблемных мест в тракте и межлопаточных каналах;

•   Горелки (газовые, жидкостные, угольные): определение формы факела,
эффективности теплопередачи и концентрации продуктов реакции (включая NOx)
для произвольных геометрических форм, анализ перемешивания, распыления и
испарения топлив, выделения и горения летучих компонентов, гетерогенных реакций
и сгорания кокса с учетом лучистого теплообмена;