Регулирование расхода газов при постоянном давлении

[Tsiwik]

Граждане многоуважаемые, не смейтесь сильно, я просто совсем далек от пневматических систем, а на работе зачем-то дали мне следующее поручение:
Не буду перегружать вас лишней информацией, сразу к сути.
Есть обычный баллон с водородом, на 40 литров. Из него нужно гнать водород с давлением немногим больше чем 27 бар.
Давление это должно быть постоянным, вплоть до выхода всего водорода из баллона. НО! При этом необходимо регулировать расход этого самого водорода в пределах 100-500 г/ч.
Городить можно все что угодно, но хотелось бы обойтись покупными вещами.
Я вот вижу это так.. После баллона ставится редуктор, который бы понижал давление до необходимого и поддерживал его постоянным. Потом ставится вентиль, потом расходомер.
Так вот внимание вопрос. (мне сейчас очень стыдно) Ведь, крутя вентиль после редуктора, давление же будет изменяться тоже, вместе с расходом? Или будет просто меняться скорость движения газа, соответственно и расход, а давление останется постоянным?
Я столько всякой ерунды начитался уже, что в голове полнейшая каша..

[Falcon555]

По моему надо делать так: ставь вентиль, а после него редуктор. так сделано в газовых баллонах для сварки. И скорее всего редуктор может работать в каком-то определенном диапазоне расхода газа.

[Николай]

Давление, поддерживаемое редуктором не зависит от расхода. От расхода зависит давление, получаемое после дросселя.

[Resfeder]

Falcon555! Вы не учитываете кран (вентиль) на горелке! Именно он регулирует расход! А вообще, пример правильный! Заданное давление поддерживает редуктор. У него имеется мембрана, пружина и клапан. При понижении выходного давления ниже заданного мембрана прогибается, клапан открывается (увеличивается проходное сечение) и давление увеличивается. При превышении давления - обратный процесс. Т.е. крутя вентиль после редуктора, давление на выходе должно оставаться постоянным (+-).

[Falcon555]

Falcon555! Вы не учитываете кран (вентиль) на горелке! Именно он регулирует расход!

Я имел в виду не газовую сварку, а сварку полуавтоматом , но с подачей азота...

[Tsiwik]

То есть, я все верно предположил? И такая вот схема обеспечит заданные параметры?

[Tsiwik]

Стало быть, из баллона выходит ~19,6 МПа, входной манометр редуктора показывает Р1=19,6 МПа, потом это давление редуцируется до заданного мной, скажем Р2=2,7 МПа, следом я начинаю выкручивать вентиль, наблюдая за показаниями расходомера, поймав нужное значение - PROFIT!
И на выходе, после расходомера, у меня будет все тоже Р2=2,7 МПа?

[Resfeder]

Да.

Редукторы служат для понижения давления газа, отбираемого из баллона или сети, а также для поддержания рабочего давления постоянным в процессе работы.

[Николай]

Таки да! Потому что редуктор работает так как указал Ресфедер. И добавить нечего...

[feniks]

Таки да! Потому что редуктор работает так как указал Ресфедер. И добавить нечего...

То есть Вы хотите сказать, что вентиль не имеет гидравлического сопротивления? и в нем не будет происходить потерь давления ?

[Dometer]

Стало быть, из баллона выходит ~19,6 МПа, входной манометр редуктора показывает Р1=19,6 МПа, потом это давление редуцируется до заданного мной, скажем Р2=2,7 МПа, следом я начинаю выкручивать вентиль, наблюдая за показаниями расходомера, поймав нужное значение - PROFIT!
И на выходе, после расходомера, у меня будет все тоже Р2=2,7 МПа?

НЕТ

Ваши первоначальные рассуждения вполне разумны. Вентиль - сопротивление =  источник перепада давления. Т.е. pressure governor (regulator) блюдёт давление [только] после себя.
"Полная каша" скорее всего проистекает из Т.З. Вопрос: зачем на расходной стороне нужно давление 2.7 MPa ? Или (всё-таки) подразумевается максимальное давление. Надо понимать, что даже если бы существовал некий хитрый расход-давления-задатчик, который бы обеспечивал на выходе и расход (выставлялся бы крантиком на оном девайсе), и постоянное давление (выставлялось бы подстроечным винтиком), то по физ-логике это невозможно.
Допустим, что всё выставлено и работает. Но вдруг со стороны потребителя происходит падёж давления. Но "супердевайс" не сможет поддержать давление, не увеличив расход.
Возможно, что в Т.З. подразумевается - наоборот - поддержка выходного давления за счёт вариации расхода в пределах 100..500 г/ч. Т.е. расход регулируется девайсом, а оператору остаётся смотреть. Тогда остаётся выяснить желательные действия в случае выхода расхода за пределы диапазона (отсекать, выключать и загорать лампочку "отказ" ?).

[feniks]

Стало быть, из баллона выходит ~19,6 МПа, входной манометр редуктора показывает Р1=19,6 МПа, потом это давление редуцируется до заданного мной, скажем Р2=2,7 МПа, следом я начинаю выкручивать вентиль, наблюдая за показаниями расходомера, поймав нужное значение - PROFIT!
И на выходе, после расходомера, у меня будет все тоже Р2=2,7 МПа?

В Вашем случае максимальный расход в принципе будет лимитирован сопротивлением трубопровода после редукционного клапана, в случае если расход окажется больше потребного, Вам нужно будет прикрыть клапан, а следственно увеличить его сопротивлении (т.е. возрастут потери давления) и на выходе Вы получите давление= давление после редукционного клапана-потери давления в трубопроводе-потери давления в вентиле.

[Resfeder]

Да, потери давления будут, и не только от вентиля V2, расходомера, но и от самого трубопровода. Тем не менее речь идёт совершенно о другом: будет ли меняться давление на выходе при изменении расхода при наличии редуктора? Конечно, стрелка манометра М2 не будет стоять на месте при изменении расхода! Но при стабилизации расхода, т.е. при прекращении вращения вентиля V2 давление должно стабилизироваться.

[feniks]

Вопрос к ТС какой график cоответствует тому, что Вы хотите получить?

[Kirilius83]

Все же, для чего водород используется, что там важно - давление, расход, или скорость потока газа?

Конкретно в полуавтомате, насколько я понимаю, нужна именно скорость потока.
Вообще давление возникает только если в трубопроводе есть подпор - в полуавтомате его считай нет, не выходе просто открытое отверстие (сопло большого размера), и как такогого давления в шланге уже нет! Манометр в редукторе - показывает давление в редунторе, после редуктора его может уже и не быть совсем - просто газ освобождает и с большой скоростью устремляется наружу. Для полуавтомата именно это и надо - на выходе нужен поток углекислоты что бы вытеснить кислород вокруг дуги, причем сила этого потока должна быть такой что бы ветром не сдувало струю и при этом струей не сдувало расплавленный металл. Вот скорость этого потока дросселем и регулируется.
В газовой сварке - впринципе то же самое, толькоразве что там сопло меньшего размера, меньше диаметра канало после винтиля - и в каналах небольшой подпор есть, а значит и давление. Но факел-то после сопла, в атмосфере - а там давление впринципе уже не может быть, опять же только скорость потока газа....

[Tsiwik]

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.. ну пускай 2,7 МПа.
НО! при всем этом, расход водорода нужно варьировать, соответственно, в пределах 100-500 г/ч, и смотреть, подбирать, сравнивать..
установка для паро-химической очистки, экспериментальная..
Соответственно, расход водорода должен изменяться при постоянном давлении.. не страшно, если давление будет больше, чем 2,5 МПа.. больше не меньше.. главное эти самые граммы в час..
Мониторинг рынка редукторов, как отечественных, так и зарубежных, показывает, что, при таком выходном давлении, расход будет раз эдак 10 выше..
Соответственно, встает вопрос, мб такое не осуществимо?, тем более моим маленьким мозгом)

[Tsiwik]

Вопрос к ТС какой график cоответствует тому, что Вы хотите получить?

график №1 больше похож на правду, однако, если на графике №2 Р1=2,7 МПа, а Р2 - больше, то и так тоже пойдет)

тут как бы вопрос в том, что, при закручивании вентиля, который стоит между редуктором и расходомером, давление будет падать или нет? И что будет с расходом?
По логике вещей, Q=V*S, где V - скорость потока, а S - площадь поперечного сечения.. даже не беря в расчет все сопротивления, возникающие при трении, всякие там завихрения и числа Рейнольдса, получается, что уменьшая дырочку, уменьшаем расход..
Ну и это как бы логично же..
С другой стороны

Р1-Р2=(р*V^2)/2

где Р1 - давление на входе, Р2 - давление на выходе, р - плотность газа, V - скорость, 2 - два =)
соответственно, если мы уменьшаем дырочку, а расход у нас редуктор старается поддерживать постоянным, то из первой формулы вытекает увеличение скорости потока..
Стало быть, возрастает и эта самая делта Р (Р1-Р2), а так как у нас Р1 - давление в баллоне и оно, так и быть вроде не изменяется, (хотя со временем оно в баллоне падает), получаем, формулы второй, уведличение Р2..
Выходит, что с уменьшением расхода - возрастает давление?

занимательная физика, 7 класс. =)

[Kirilius83]

Хм. Вообще я не гидравлик а механик, но рассуждая логически:
По сути тут давление вообще пофиг, лишь бы оно было и было больше 2,5 МПа, будет 20 МПа - годится. Далее ставим дросель, котрый ограничивает расход - при этом перед дросселем будет адвление которое мы выставим, а вот после дросселя - давление среды будет сначало 2,5 МПа, но по мере перетекания туда водорода оно будет расти, скорость роста давления зависит от скорости перетекания, которую регулируем дросселем. Т.е. открыв дроссель чуть-чуть фактически после дросселя давления у нас особо и не будет. Выходит, что какое давление до дросселя  - вообще пофиг.

Теперь с расходом. Соотношение коичества водорода к количеству пара жестко задано или примерно? Насколько точно надо отмерять поступление водорода? Ведь дроселем мы регулируем только поток водорода, и то - примерно, чисто на глазок - больше/меньше. Что бы знать более конкретный цыфры - надо уже считать, какой расход будет при определеном давлении и определенном сецении дроселя. А как мы это сечение узнаем? Либо нужен какой-то оттарированный дроссель, либо ставить жиклер с конкретным диаметром проходного отверстия - как в карбюраторах сделано. В узких пределах подрегулировать расход можно меняя давление, в широких - меняя жиклеры.
Но даже тут количество водорода - величина чисто расчетная. реальное его количество надо замерять отдельно - счетчиком расхода. Это если нужно точно. Ну либо косвенно - по результатам эксперимента, добавлять/убавлять. Причем имейте ввиду - расход зависит от температуры, не сильно - но вам может быть критично.
Ну и для точного соотноения нужно знать не только количество водорода, а и количетсво пара 

[Tsiwik]

Да вот и я механик, и все эти газы, жидкости и прочие выделения для меня темнота с лохматыми краями)
Ну а регулируемый дроссель - это не то же самое, что и вентиль, например, какой-нить игольчатый..
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..
Насколько точно его нужно дозировать, мне пока не известно.. хотя, не спорю, это очень важно..
А узнать расход после дросселя не сложно.. на рынке представлено огромное множество расходомеров, один из которых я и отобразил на своей схеме где-то там выше =)

[Kirilius83]

А, точно! Тогда не парьтесь - так и делайте, редуктор-дроссель-расходомер. Нюансы при испытаниях вылезут, заранее не узнаем)))

Редуктор вроде как давление и поддерживает: если дроссель прикрутить, поток уменьшится, давлени е поппробует возрасти - но у нас же редуктор, он закроется, давление опять уменьшится (газ-то вытекает через дроссель) и потом редуктор опять откроется. Так он и работает - при большем давлении закрывается, при меньшем открывается...