كيف تختار مقياس تدفق دوار حلزوني بناءً على لزوجة الوسط ومعدل التدفق والضغط؟

عدادات تدفق ذات دوار حلزوني أصبحت أجهزة قياس التدفق الحلزونية ذات الدوار الحلزوني أساسية في قطاعات متنوعة كالبتروكيماويات، ونقل زيوت التشحيم، وقياس الوقود، وتعبئة الراتنجات، وخلط المواد اللاصقة، والأنظمة الهيدروليكية. ويعود ذلك إلى مبدأ قياس الإزاحة الموجبة، ودقة تكرارها العالية، وملاءمتها للسوائل متوسطة إلى عالية اللزوجة. عند اختيار النموذج المناسب، لا يمكن الاعتماد فقط على قطر الأنبوب أو معدل التدفق الأقصى؛ بل من الضروري أيضًا مراعاة لزوجة السائل عند درجة حرارة التشغيل، ونطاق معدل التدفق (من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى)، وضغط تشغيل النظام، وفقدان الضغط المسموح به، بالإضافة إلى وجود الشوائب وظروف درجة الحرارة. تركز هذه المقالة على هذه المعايير التشغيلية الثلاثة الرئيسية لشرح كيفية اختيار أنسب تصميم لجهاز قياس التدفق الحلزوني ذي الدوار الحلزوني. تُستخدم هذه الأجهزة عادةً في تطبيقات قياس الإزاحة الموجبة عالية الدقة التي تشمل السوائل عالية اللزوجة، أو الكاشطة، أو المحملة بالمواد المالئة.

لماذا تعتبر عدادات التدفق ذات الدوار الحلزوني مناسبة للسوائل اللزجة؟

عدادات التدفق ذات الدوار الحلزوني هي نوع من عدادات التدفق ذات الإزاحة الموجبة. تتكون داخليًا من مجموعة واحدة أو أكثر من الدوارات الحلزونية المصنعة بدقة عالية. عند دخول السائل إلى حجرة القياس، يُقسّم باستمرار إلى أحجام منفصلة - تتشكل بين الدوارات والهيكل - ويُنقل إلى المخرج. كل دورة كاملة تُقابل إزاحة ثابتة نسبيًا؛ ويحسب العداد معدلات التدفق اللحظية والتراكمية عن طريق رصد سرعة الدوار أو عدد النبضات.

بالمقارنة مع الأجهزة التي تستنتج معدل التدفق بناءً على السرعة أو فرق الضغط، فإن تصميمات الإزاحة الموجبة تتعامل عمومًا مع سرعات التدفق المنخفضة والسوائل عالية اللزوجة بكفاءة أكبر. يمكن لزيادة معتدلة في اللزوجة أن تقلل التسرب الداخلي عبر الفجوات، وربما تحسن الكفاءة الحجمية؛ ومع ذلك، فإن اللزوجة العالية لا تسمح بالتشغيل غير المحدود. تزيد اللزوجة المتزايدة من مقاومة الدوار وفقدان ضغط العداد؛ لذلك، يجب تعديل الاختيار (خفض القدرة) بناءً على منحنيات "معدل التدفق - اللزوجة - انخفاض الضغط" التي يوفرها المصنّع. على سبيل المثال، يمكن لبعض عدادات التدفق الحلزونية قياس لزوجات تتراوح من 3 إلى 300,000 سنتي بواز تقريبًا، ولكن الحد الأقصى المسموح به لمعدل التدفق ينخفض مع ارتفاع اللزوجة.

كيف تؤثر اللزوجة المتوسطة على اختيار النموذج؟

تُعدّ اللزوجة من أهمّ خصائص الوسط عند اختيار مقياس تدفق حلزوني الدوّار؛ ومع ذلك، من الضروري مراعاة اللزوجة عند درجة حرارة التشغيل الفعلية بدلاً من الاعتماد على قيم البيانات المُستندة إلى درجة الحرارة المحيطة. تتفاوت لزوجة مواد مثل الزيوت والراتنجات والمواد اللاصقة والبوليمرات بشكل كبير مع درجة الحرارة: تنخفض اللزوجة عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما قد تزداد - أو حتى تؤدي إلى التصلب أو التبلور أو إعاقة التدفق بشكل كبير - مع انخفاض درجة الحرارة.

عند اختيار جهاز قياس اللزوجة، يجب تزويد المورد ببيانات اللزوجة عند درجات حرارة التشغيل الدنيا والطبيعية والقصوى؛ وتشمل الوحدات الشائعة ملي باسكال.ثانية (mPa·s) أو سنتي بواز (cP) أو سنتي ستوك (cSt). بالنسبة للسوائل ذات الكثافة القريبة من 1 غ/سم³، فإن 1 ملي باسكال.ثانية (mPa·s) تساوي تقريبًا 1 سنتي بواز (cP)؛ ومع ذلك، فإن اللزوجة الحركية (cSt) واللزوجة الديناميكية (cP) ليستا متكافئتين تمامًا، لأن علاقتهما تعتمد على الكثافة. لذلك، إذا كانت بيانات العملية تحدد سنتي ستوك (cSt)، فيجب أيضًا توفير كثافة الوسط أو وزنه النوعي.

في حالة اللزوجة المنخفضة، قد يزداد الانزلاق الداخلي (التسريب) بين الدوّار وحجرة القياس، لا سيما تحت ضغط تفاضلي مرتفع أو بعد تآكل الجهاز، مما قد يؤثر على دقة القياس. في تطبيقات اللزوجة المنخفضة، من الضروري التحقق من الحد الأدنى للزوجة، والحد الأدنى لمعدل التدفق القابل للقياس، ومنحنى الدقة الفعلي للمقياس. أما في تطبيقات اللزوجة العالية، فينبغي التركيز على انخفاض الضغط، وقدرة بدء التشغيل، وضغط التفريغ المتبقي، وإجراءات العزل الحراري. تشير الأبحاث إلى أن التسريب في عدادات التدفق ذات الدوّار الحلزوني يزداد مع الضغط التفاضلي وينخفض مع زيادة لزوجة السائل؛ لذا، يجب تقييم اللزوجة والضغط التفاضلي معًا.

كيف ينبغي مطابقة نطاق التدفق مع حجم العداد؟

عند اختيار مقياس التدفق، حدد أولاً معدلات التدفق الدنيا والطبيعية والقصوى للعملية، بالإضافة إلى ما إذا كان التدفق مستمرًا وثابتًا، أو متقطعًا، أو نابضًا. ولا يكفي الاعتماد فقط على معيار "عدم تجاوز التدفق الأقصى لنطاق المقياس"؛ إذ إن التشغيل لفترات طويلة بالقرب من الحد الأدنى أو الأقصى للنطاق قد يؤثر سلبًا على استقرار المقياس وعمره الافتراضي.

يُوصى بأن يقع معدل التدفق التشغيلي الطبيعي ضمن منتصف نطاق التشغيل الموصى به للعداد، بدلاً من التشغيل المستمر بالقرب من الحد الأعلى. بالنسبة للأنظمة التي تتضمن دورات تشغيل وإيقاف المضخة، أو تنظيم محرك التردد المتغير (VFD)، أو التعبئة الدفعية، يجب أيضًا مراعاة معدلات التدفق القصوى اللحظية في الحسابات. إذا تجاوز الحد الأقصى لمعدل التدفق الحد الأعلى المُصنّف للعداد، فقد تصبح سرعات الدوار مفرطة، مما يزيد من أحمال المحامل ويسرع التآكل؛ وعلى العكس من ذلك، إذا انخفض الحد الأدنى لمعدل التدفق عن حد القياس المستقر للعداد، فقد يصبح خرج النبض غير مستقر، وقد تتدهور قابلية التكرار. من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي ببساطة مطابقة حجم عداد التدفق ميكانيكيًا مع قطر خط الأنابيب. بالنسبة للسوائل عالية اللزوجة، قد يؤدي حجم العداد الأكبر إلى تقليل سرعة التدفق وفقدان الضغط، ولكنه قد يتسبب أيضًا في وقوع معدلات التدفق المنخفضة الفعلية في نطاق قياس غير مناسب؛ وعلى العكس من ذلك، في حين أن الحجم الأصغر يحسن الدقة عند معدلات التدفق المنخفضة، إلا أنه يزيد بشكل كبير من انخفاض الضغط. لذلك، فإن النهج الصحيح هو تحديد الحجم بناءً على نطاق التدفق ومنحنى انخفاض الضغط المقابل للزوجة الفعلية، بدلاً من اختيار النموذج بناءً على قطر الأنبوب الحالي فقط.

لماذا يجب التحقق من الضغط وفقدان الضغط في وقت واحد؟

يُعد ضغط تشغيل النظام، وأقصى سعة للضغط، وفقدان الضغط المسموح به، ثلاثة مفاهيم متميزة لا ينبغي الخلط بينها.

يشير ضغط التشغيل إلى الضغط داخل خط الأنابيب أو المعدات أثناء التشغيل العادي؛ ويستخدم للتحقق من تصنيفات الضغط لغلاف مقياس التدفق والشفاه والأختام والوصلات.

يأخذ الضغط الأقصى في الاعتبار ذروة الضغوط التي قد تحدث أثناء أحداث مثل بدء تشغيل المضخة، أو تبديل الصمامات، أو المطرقة المائية، أو الانسدادات؛ يجب أن يتضمن الضغط المقنن لمقياس التدفق هامش أمان كافٍ.

يشير فقدان الضغط المسموح به إلى انخفاض الضغط الناتج أثناء مرور السائل عبر مقياس التدفق. حتى لو كان المقياس يتمتع بمقاومة ضغط كافية، فإن فقدان الضغط المفرط قد يؤدي إلى زيادة حمل المضخة، وعدم كفاية الإمداد في اتجاه التدفق، وانخفاض معدلات التدفق، أو صعوبات في نقل السوائل عالية اللزوجة.

تعتمد عدادات التدفق ذات الدوار الحلزوني على فرق الضغط بين المدخل والمخرج لتحريك الدوار، ولكن ارتفاع فرق الضغط ليس بالضرورة أفضل. إذ يمكن أن يؤدي ارتفاع فرق الضغط إلى زيادة التسريب الداخلي، وأحمال موانع التسرب، والتآكل الميكانيكي؛ علاوة على ذلك، مع ازدياد اللزوجة، يرتفع انخفاض الضغط عند معدل تدفق معين. تشير إرشادات اختيار عدادات التدفق الميكانيكية إلى أنه بالنسبة للوسائط عالية اللزوجة، يجب تخفيض الحد الأقصى لمعدل التدفق بناءً على منحنى انخفاض الضغط للعداد، ويجب الحفاظ على انخفاض الضغط ضمن الحدود المقبولة للنظام.

كيف يتم حساب اللزوجة ومعدل التدفق والضغط معًا؟

يمكن اتباع التسلسل التالي لاختيار السائل المناسب: "السائل أولاً، ثم معدل التدفق، وأخيراً فقدان الضغط": أولاً، تحديد اللزوجة الفعلية بناءً على درجة الحرارة؛ ثانياً، تحديد الحد الأدنى، والمتوسط، والحد الأقصى لمعدلات التدفق؛ وأخيراً، الرجوع إلى منحنى انخفاض الضغط للنموذج المستهدف عند اللزوجة المناسبة. إذا قدم المصنّع صيغة لحساب فقدان الضغط، فيُرجى استخدام الوزن النوعي الفعلي، واللزوجة الحركية، ومعدل التدفق للتحقق من الأرقام، بدلاً من الاعتماد على المعايير المُصنّفة بناءً على الماء أو السوائل منخفضة اللزوجة. الجدول التالي بمثابة قائمة مرجعية أساسية عند تقديم مواصفات الاختيار إلى موردي عدادات التدفق:

تشير البيانات الخاصة ببعض عدادات التدفق ذات الدوار الحلزوني إلى أن انخفاض الضغط يزداد عادة مع معدل التدفق ويتأثر بالوزن النوعي واللزوجة الحركية؛ لذلك، يجب أن تستند الحسابات إلى الوسط الفعلي ومعدل التدفق، بدلاً من الاعتماد فقط على بيانات التدفق المقدرة من الكتالوج.
ما هي الظروف الأخرى التي يجب مراعاتها في الموقع؟

بالإضافة إلى اللزوجة ومعدل التدفق والضغط، ينبغي تقييم عوامل أخرى مثل تشحيم الوسط، ونظافته، وقابليته للتآكل، ومحتوى فقاعات الغاز، ومساحة التركيب، وظروف الصيانة. تحتوي عدادات التدفق ذات الدوار الحلزوني على مكونات داخلية دقيقة التركيب، وهي الأنسب عمومًا للسوائل النظيفة غير الكاشطة ذات التشحيم الكافي. إذا احتوى الوسط على جزيئات صلبة، أو برادة معدنية، أو بلورات، أو ألياف، أو مواد صلبة غير متجانسة تمامًا، فقد يتسبب ذلك في تعطل الدوار، أو تآكله، أو أخطاء في القياس؛ لذا، ينبغي تركيب مرشح ذي تصنيف ترشيح مناسب عند المدخل، مع مراقبة فرق الضغط والتنظيف الدوري.

بالنسبة للسوائل عالية اللزوجة أو تلك المعرضة للتجمد في درجات الحرارة المنخفضة، ينبغي مراعاة تدابير مثل العزل الحراري، والتدفئة الكهربائية، وتصريف المياه من النقاط المنخفضة لمنع تجمد السائل داخل العداد أثناء فترات التوقف. في الأنظمة ذات النبضات القوية للضخ، يمكن التخفيف من تأثير التقلبات على القراءات من خلال تدابير تثبيت التدفق، أو وضع العداد في الموقع الأمثل، أو تخميد الإشارة. إذا كان السائل مُسببًا للتآكل، فيجب التحقق من توافق مواد الغلاف والدوارات والأختام؛ ولا ينبغي أن تستند القرارات فقط على اللزوجة ومعدل التدفق.

يعتمد اختيار مقياس تدفق ذي دوار حلزوني بشكل أساسي على إيجاد توازن موثوق بين اللزوجة ومعدل التدفق والضغط: ففي التطبيقات منخفضة اللزوجة، ينبغي التركيز على التحقق من التسريب الداخلي ودقة القياس عند التدفقات المنخفضة؛ أما في الوسائط عالية اللزوجة، فيجب الانتباه إلى فقدان الضغط، وضغط المضخة المتبقي، وأداء بدء التشغيل، ومتطلبات التدفئة/العزل؛ وفي المشاريع ذات تقلبات التدفق الكبيرة، من الضروري ضمان أن معدل التدفق الطبيعي يقع ضمن نطاق التشغيل الموصى به، وتجنب تجاوز الحد الأقصى لنطاق المقياس أثناء ذروة التدفق. تُظهر خبرة شركة Hefei Yutuo في مشاريع قياس التدفق الصناعية أن الاختيار الدقيق يجب أن يستند إلى ظروف التشغيل الكاملة، وليس فقط قطر الأنبوب أو معايير الكتالوج. ولضمان اختيار النموذج والمواد والأختام وتكوينات الإشارة الأكثر موثوقية، يُوصى بتقديم تفاصيل حول تركيب السائل، وبيانات درجة الحرارة واللزوجة، ومعدلات التدفق الدنيا/الطبيعية/القصوى، وضغوط التشغيل والذروة، وانخفاض الضغط المسموح به، وخصائص الجسيمات، ومتطلبات الإخراج خلال مرحلة الاستفسار. كما تقدم شركة Hefei Yutuo حلولاً متنوعة لقياس التدفق، مثل: مقياس تدفق ثنائي الدوارويمكننا المساعدة في تقييم أسلوب القياس المناسب بناءً على متطلباتك الخاصة بالدقة والضغط ودرجة الحرارة والاتصال.