Расход газа — объем и масса

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 представляет собой количество газа, которое проходит через поперечное сечение трубопровода за определенное время. Существует вопрос о выборе единицы измерения количества газа. В этой роли традиционно выступает объем газа, и такой расход называется объемным.

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

где

QM – 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.

Сравнение показаний расходомера EL-FLOW и поплавковых ротаметров в одной магистрали

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.

Иллюстрация закона Бойля-Мариотта для воздуха

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;

– 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:

Регистрация FOTN

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»:

Регистрация FOTN – 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.

Сколько тратит газа газовый котел?


Расход газа газового котла зависит от нескольких факторов, таких как его мощность, режим работы, температура в помещении и т.д. Также стоит учитывать, что разные модели газовых котлов имеют разный КПД (коэффициент полезного действия) и, соответственно, потребляют разное количество газа.

Общепринятой мерой расхода газа является кубометр газа в час (м3/час). Обычно производители указывают расход газа для каждой модели котла в технических характеристиках. Например, расход газа для котла мощностью 24 кВт может составлять около 2 м3/час при максимальной нагрузке и около 0,5 м3/час при минимальной.

Для более точного определения расхода газа газового котла необходимо учитывать его режим работы и условия эксплуатации. Например, если температура в помещении ниже заданной, то котел будет работать в режиме нагрева, что может увеличить расход газа.

Также стоит учитывать, что расход газа может быть снижен за счет правильной настройки котла и его регулярного технического обслуживания. Это может включать в себя проверку и очистку горелки, настройку давления газа, замену фильтров и т.д.

В целом, можно сказать, что расход газа газового котла обычно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кубометров в месяц, в зависимости от его характеристик и режима работы.

Написано