מד זרימה וורטקס או מד זרימה טורבינה?

(I) מד זרימת וורטקס: יישום הנדסי של אפקט רחוב וורטקס קרמן

מד זרימת המערבולת פועל בהתבסס על -אפקט רחוב המערבולת הידוע של Karman. כאשר נוזל זורם דרך עצם לא-מתייעל, כלומר מחולל מערבולות, נוצרות לסירוגין שתי שורות של מערבולות ברווחים קבועים משני הצדדים במורד הזרם. מערבולות אלה, הדומות לשורות מסודרות בקפידה, נקראות רחוב מערבולת קרמן. התדירות של יצירת מערבולת אלה קשורה קשר הדוק למהירות הנוזל. על ידי מדידה מדויקת של תדירות המערבולת, ניתן לחשב בצורה חכמה את מהירות הנוזל, וכך ניתן לקבוע את קצב הזרימה.

לדוגמה, דמיינו את עצמכם עומדים ליד נהר ורואים מים זורמים על פני אבנים ויוצרים מאחוריהם מערבולות קטנות ומסתובבות. אם נוכל לספור את המהירויות של מערבולות אלו, נוכל להעריך באופן גס את קצב זרימת המים. מד זרימת המערבולת משתמש בעקרון זה, אך הוא מדויק ומדעי יותר. הוא משתמש בחיישנים כדי לזהות את השינויים הקטנים בלחץ או רעידות הנגרמים כתוצאה מיצירת מערבולת, וממיר אותם לאותות חשמליים. לאחר עיבוד אותות וחישוב, ניתן להציג במדויק את קצב הזרימה של הנוזל.

(II) מד זרימת טורבינה: מדידת מהירות סיבוב אנרגיה קינטית של נוזל

מד הזרימה של הטורבינה מסתמך על כוח הנוזל כדי להניע את סיבוב הטורבינה. כאשר נוזל נכנס למד הזרימה, הוא עובר תחילה דרך שבשבת מובילה, שמתנהגת כמו קצין תנועה, ומארגנת את הנוזל כך שיפגע בטורבינה בקצב וכיוון זרימה יציבים. תחת פגיעת הנוזל, הטורבינה מתחילה להסתובב במהירות, ומהירות הסיבוב שלה עומדת ביחס ישר לקצב הזרימה של הנוזל. הדבר דומה לשימוש במאוורר להפעלת טחנת רוח; ככל שהרוח חזקה יותר, טחנת הרוח מסתובבת מהר יותר.

כדי למדוד במדויק את מהירות הסיבוב של הטורבינה, מד הזרימה של הטורבינה משתמש בחיישן מגנו-אלקטרי. מוליך מגנטי מותקן על החלק המסתובב של הטורבינה. כאשר הטורבינה מסתובבת, המוליך המגנטי מסתובב גם כן, ומשנה מעת לעת את ההתנגדות המגנטית של המעגל המגנטי. על פי עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, שינוי זה בהתנגדות המגנטית משרה אותות פולסים חשמליים מתאימים בסליל. על ידי איסוף, ניתוח ועיבוד התדירות של אותות דופק חשמליים אלה, ניתן לחשב ולהציג את קצב זרימת הנוזל המתאים.

לאחר שהבנו את עקרונות העבודה שלהם, כעת נשווה את מאפייני הביצועים של מדי זרימת מערבולת ומד זרימת טורבינה, אשר יסייעו לנו לבחור יותר מתאים ביישומים מעשיים.

(ט) ביצועי דיוק

במונחים של דיוק, מדי זרימת טורבינות מצטיינים, ומתהדרים בדיוק מדידה גבוה במיוחד עם טווח שגיאה שנשלט בדרך כלל בטווח של ±0.5% - ±1%. זה דומה לשימוש במאזן-בדיוק גבוה עבור שקילה, המספק ערכים מדויקים להפליא. דיוק גבוה זה הופך את מדי זרימת הטורבינה לבחירה המועדפת ביישומים הדורשים דיוק זרימה גבוה במיוחד, כגון יישוב סחר וייצור כימיקלים עדינים. במסחר בנפט, הן הקונים והן המוכרים זקוקים למדידה מדויקת של קצבי זרימת הנפט; הדיוק הגבוה של מדי זרימת טורבינות מבטיח עסקאות הוגנות וחסרות פניות, ומונע מחלוקות כלכליות הנובעות משגיאות מדידה.

מדי זרימת וורטקס מציעים גם דיוק טוב, בדרך כלל עם טווח שגיאה של ±1% - ±2%. אמנם מעט פחות מדויק ממד זרימת טורבינות, אך רמת דיוק זו מספיקה לרוב היישומים התעשייתיים. בתהליכי ייצור תעשייתיים שבהם דרישות הדיוק אינן מחמירות במיוחד, מדי זרימת מערבולת, עם המאפיינים הטבועים בהם, יכולים גם למלא תפקיד מכריע, לספק נתוני זרימה אמינים לתהליך הייצור.

(II) מדיה ישימה

מדי זרימת וורטקס הם כמו כל-מכשירי סיבוב, מתאימים מאוד לסוגי מדיה שונים. בין אם זה נוזלים, גזים או קיטור, הם יכולים להתמודד איתם בקלות. בייצור כימי, לעתים קרובות יש צורך למדוד את קצב הזרימה של נוזלים בעלי תכונות שונות. מדי זרימת וורטקס יכולים לפעול בצורה יציבה ומדויקת בסביבות מדיה מורכבות כל כך. יתר על כן, הם אינם רגישים מאוד לשינויים בצפיפות הנוזלים ובצמיגות; גם אם המאפיינים הללו של המדיום משתנים במידה מסוימת, מד זרימת המערבולת עדיין יכול לשמור על דיוק מדידה גבוה.

מדי זרימת טורבינות, לעומת זאת, דומים יותר ל"פריקים נקיים". הם מתאימים יותר למדידת נוזלים נקיים ובעלי צמיגות- נמוכה, כגון מים ושמנים קלים. הסיבה לכך היא שבמדדי זרימת טורבינות יש חלקים מסתובבים בפנים. אם הנוזל מכיל חלקיקים מרחפים, קצף או זיהומים אחרים, הוא עלול לגרום בקלות לנזק או חסימה של רוטור הטורבינה, להשפיע קשות על דיוק המדידה ואולי אף לגרום לתקלה במד הזרימה. בתעשיית המזון והמשקאות, שם יש צורך למדוד את קצב הזרימה של חומרי גלם נוזליים טהורים, מדי זרימת טורבינות יכולים לבצע ביצועים מצוינים בשל הדיוק הגבוה ויכולת הסתגלותם הטובה לנוזלים נקיים. עם זאת, אם יש צורך למדוד את קצב הזרימה של שפכים המכילים זיהומים, מדי זרימת טורבינות אינם מתאימים; במקרה זה, מד זרימת מערבולת עשוי להיות בחירה טובה יותר.

(III) עלות ותחזוקה

מבחינת עלות, למדי זרימת מערבולת יש השקעה ראשונית נמוכה יחסית, מה שאטרקטיבי לחברות בעלות תקציב מוגבל. יתרה מכך, גם עלויות התחזוקה שלהם נמוכות, כאשר הוצאות התחזוקה השנתיות עומדות על כ-1% מערך הציוד המקורי. הדבר נובע בעיקר מהיעדר חלקים מכניים נעים, מבנה פשוט וחזק, ורגישות נמוכה לתקלות במהלך הפעולה, וכתוצאה מכך עומס עבודה ותדירות תחזוקה מופחתת. בפרויקטים תעשייתיים-ארוכי טווח, עלות התחזוקה הנמוכה של מדי זרימת מערבולת יכולה לחסוך לחברות כספים ניכרים.

למדי זרימת טורבינות יש השקעה ראשונית גבוהה יותר יחסית בשל תהליכי הייצור הגבוהים יותר ודרישות הדיוק שלהם. עם זאת, אין לזלזל בעלויות התחזוקה שלהם. בגלל החלקים המסתובבים בפנים, יש צורך בכיול וסיכה קבועים כדי להבטיח דיוק מדידה ופעולה רגילה. עלות התחזוקה השנתית של מד זרימת טורבינה יכולה להגיע ל-3%-5% מערך הציוד המקורי. במהלך השימוש, יש לבדוק את סיבוב הטורבינה באופן קבוע כדי למנוע חסימת טורבינה הנגרמת על ידי זיהומים נוזליים או קורוזיה. אם נמצא בלאי בטורבינה, יש להחליף חלקים מיידית. משימות תחזוקה אלו דורשות השקעה מסוימת של כוח אדם ומשאבים.

ביישומים מעשיים, התקנה ושימוש נכונים הם חיוניים לביצועים של מדי זרימה. להלן מספר שיקולים להתקנה ושימוש במדדי זרימת מערבולת ובמדדי זרימת טורבינות.

(ט) נקודות התקנה

למדי זרימת וורטקס יש דרישות רגועות יחסית לתנאי ההתקנה, וזו אחת הסיבות לפופולריות שלהם בתחומי התעשייה. בדרך כלל, יש להם דרישות נמוכות יותר עבור קטעי צינור ישרים במעלה הזרם ומורד הזרם; אורך קטע הצינור הישר במעלה הזרם צריך להיות רק פי 10 מקוטר הצינור (10D), ואורך קטע הצינור הישר במורד הזרם צריך להיות רק פי 5 מקוטר הצינור (5D). זה מאפשר התקנה קלה גם במצבים עם שטח מוגבל ופריסות צינור מורכבות. יתר על כן, מדי זרימת מערבולת גמישים בכיוון ההתקנה שלהם, וניתן להתקין אותם אופקית או אנכית. בעת התקנה אופקית, שימו לב למיקום החיישן, ונסו להימנע מהתקנתו בנקודה הנמוכה ביותר של הצינור כדי למנוע בועות אוויר או זיהומים להשפיע על המדידה; בעת התקנה אנכית, הנוזל צריך לזרום מלמטה למעלה כדי למנוע הצטברות גז בתוך החיישן ולהבטיח דיוק המדידה.

לעומת זאת, למדדי זרימת טורבינות יש דרישות מחמירות יותר לתנאי ההתקנה. זה דורש אחריות קפדנית של קטע צינור ישר פי 20 מקוטר הצינור (20D) במעלה הזרם וקטע צינור ישר פי 5 מקוטר הצינור (5D) במורד הזרם. הסיבה לכך היא שדיוק המדידה של מד זרימת טורבינה תלוי מאוד ביציבות משטר זרימת הנוזל. רק קטע צינור ישר ארוך מספיק יכול להבטיח שהנוזל שומר על מהירות וכיוון זרימה יציבים עם הכניסה למד הזרימה, תוך הימנעות מכוחות לא אחידים הנוצרים על ידי משטרי זרימה לא יציבים כגון מערבולות ומערבולת על להבי הטורבינה, ובכך להבטיח את הדיוק של תוצאות המדידה. אם קטע הצינור הישר במעלה הזרם אינו מספיק באורך, הנוזל עלול לזרום בצורה לא סדירה עם כניסתו למד הזרימה, מה שיוביל לשגיאות מדידה מוגברות. בעת התקנת מד זרימת טורבינה, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לכיוון הנוזל; יש לוודא שכיוון זרימת הנוזל תואם לכיוון המצוין על ידי החץ על בית החיישן. אם כיוון ההתקנה שגוי, הטורבינה לא תסתובב כראוי, מה שהופך מדידת זרימה מדויקת לבלתי אפשרית, ואף עלולה לפגוע במד הזרימה.

(II) אמצעי זהירות לשימוש

בעת שימוש במד זרימת מערבולת, יש לנקוט זהירות מיוחדת כדי למנוע הפרעות חיצוניות. מכיוון שמד זרימת המערבולת מודד זרימה על ידי זיהוי אותות שנוצרו על ידי מערבולות, אותות אלו חלשים יחסית ומושפעים בקלות משדות אלקטרומגנטיים חיצוניים, רעידות וגורמים אחרים. לכן, במהלך ההתקנה, יש להרחיק מדי זרימת מערבולת ממקורות של הפרעות אלקטרומגנטיות חזקות, כגון מנועים גדולים ושנאים. במקביל, ודא שלמד הזרימה יש הארקה נכונה כדי להפחית את ההשפעה של הפרעות אלקטרומגנטיות על האות. אם מד זרימת המערבולת מותקן בסביבה עם רטט חזק, יש צורך באמצעי שיכוך רעידות יעילים, כגון שימוש ברפידות שיכוך רעידות ומפרקים גמישים, כדי למנוע העברת רטט למד הזרימה ולהשפיע על דיוק המדידה.

עבור מדי זרימה של טורבינות, חיוני להימנע מרטט ופגיעות חמורות במהלך השימוש. מכיוון שהטורבינה בתוך מד הזרימה היא רכיב מסתובב מדויק, רעידות או פגיעות חמורות עלולות לגרום לעיוות או נזק לרוטור הטורבינה, או להאיץ את שחיקת המיסבים, ובכך להשפיע על דיוק המדידה ועל חיי השירות של מד הזרימה. בפעולה יומיומית, הימנע מהתנעה או עצירה של ציוד גדול ליד מד הזרימה, שכן הדבר עלול לגרום לרטט בצנרת. כמו כן, בעת תחזוקה או תיקון של מערכת הצנרת, דאגו להגן על מד הזרימה של הטורבינה מפני פגיעות מקריות. יתרה מזאת, מאחר שדיוק המדידה של מדי זרימת טורבינות מושפע משינויים בטמפרטורת הנוזל ובלחץ, עקוב מקרוב אחר טמפרטורת הנוזל והלחץ במהלך השימוש כדי להבטיח שהם נשארים בטווח הפעולה של מד הזרימה. אם שינויים בטמפרטורה ובלחץ משמעותיים, ייתכן שיהיה צורך בפיצוי ותיקון של תוצאות המדידה כדי להבטיח דיוק.

בתעשייה הפטרוכימית, מדי זרימת מערבולת נמצאים בשימוש נרחב למדידת קיטור ולמדידה של מדיה קורוזיבית. מדי זרימת טורבינות נמצאים בשימוש נפוץ יותר ביישומי מסחר והעברת נפט מזוקק בשל הדיוק הגבוה שלהם.

במערכות חימום עירוניות, מדי זרימת מערבולת הם הבחירה המועדפת למדידת מים חמים, מכיוון שההתנגדות-לטמפרטורה הגבוהה ואובדן הלחץ הנמוך שלהם תואמים באופן מושלם את דרישות המערכת.

בתעשיות המזון והתרופות, שבהן דרישות ההיגיינה גבוהות ביותר, כל-מדדי הזרימה של טורבינות הנירוסטה מתאימים יותר, מכיוון שהקירות הפנימיים החלקים שלהם פחות מועדים לצמיחת חיידקים.

מדי זרימת וורטקס נבחרים לעתים קרובות לניטור צינורות למרחקים- מכיוון שהם כמעט ואינם מגבירים את אובדן הלחץ במערכת, דבר חיוני להפחתת צריכת האנרגיה בשאיבה.

עיקרון עדיפות מדיה:

מדי זרימת וורטקס מועדפים עבור תרחישים הכוללים זיהומים, מדיה קורוזיבית או זרימה רב-פאזית; מדי זרימת טורבינה נבחרים עבור נוזלים נקיים,-בצמיגות נמוכה הדורשים מדידה-בדיוק גבוה.

עקרון התאמת דיוק:

עבור תרחישים כמו יישוב סחר ובקרת דיוק, מדי זרימת טורבינות דורשים דיוק של ±0.5%; ניתן להשתמש במדדי זרימת מערבולת לבקרת תהליכים תעשייתיים שגרתיים.

עקרון הסתגלות לתחזוקה:

מדי זרימת וורטקס נבחרים עבור אזורים מרוחקים ללא תנאי תחזוקה או פרויקטים ארוכי טווח של תפעול-; מדי זרימת טורבינות נבחרים עבור תרחישים עם יכולות תחזוקה שוטפות ודרישות דיוק מחמירות.