Staudrucksonden mit strömungsoptimiertem Sondenprofil

Moderne Differenzdruck-Durchflussmessung

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Die Staudrucksonde deltaflow wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen entwickelt. Das besondere Augenmerk lag dabei auf der Konzeption eines optimalen Sondenprofils. Ziel waren kleine Druckverluste, hohe Prozesstauglichkeit, bestmögliche Genauigkeit und fertigungsoptimierte Gestalt.

Staudrucksonden sind Differenzdruckelemente, die ähnlich dem Prandtl’schen Staurohr abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Dichte einen Differenzdruck erzeugen. Im Gegensatz zur punktuellen Geschwindigkeitsmessung mit dem Prandtl-Rohr, weisen Staudrucksonden (engl. integrating pitot tube) mehrere Differenzdruckabgriffe auf, die zu einer Mittelung des Strömungsprofils führen. Durch die Mittelung können auch asymmetrische Strömungsprofile gut erfasst werden, weswegen der Einsatz von Staudrucksonden bereits nach kurzen Einlaufstrecken möglich ist (Abb. 1).

Strömungsoptimiert
Das Profil der detaflow-Staudrucksonden von Systec Controls wurde mit Hilfe der CFD-Technik (computer aided fluid dynamics) optimiert. Das in Abbildung 2 gezeigte spiegelsymmetrische Sondenprofil hat eine weiche Anströmung, Beschleunigungskehren und definierte Abrisskanten. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Mediumsgeschwindigkeit an der Ablösekante ca. 2,5 mal höher ist, als die mittlere Geschwindigkeit in der Rohrleitung. Hierdurch wird zweierlei erreicht: Zum einen wird der entstehende Wirkdruck erhöht. Dies verringert die Unsicherheiten bei den angeschlossenen Differenzdruckmessumformern bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Zum anderen wird sichergestellt, dass die Strömungsablösung definiert an den äußeren Kanten stattfindet. Kalibrierversuche am LSTM Erlangen sowie im Gaslabor der PTB Braunschweig zeigen, dass sich mit diesem Profil Genauigkeiten von deutlich besser 0,5% vom Messwert erreichen lassen.
Abbildung 3 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung um das CFD-optimierte deltaflow-Sondenprofil. Zu erkennen sind der Staupunkt auf der angeströmten Sondenseite, die hohen Strömungsgeschwindigkeiten an den seitlichen Abrisskanten und der stabile Ablösebereich auf der strömungsabgewandten Seite. Durch den definierten Ablösebereich wird auf der strömungsabgewandten Seite ein Vakuum erzeugt. Der Differenzdruck ist dadurch ca. 2,5 mal so hoch wie beim Prandtl-Rohr. Versuche haben gezeigt, dass die Ausprägung des Ablösebereiches bereits ab Re=8000 konstant bleibt, was die hohe Linearität dieses Profils erklärt.
Um hohe Genauigkeiten von Staudrucksonden auch in der Serienproduktion aufrecht zu erhalten, ist eine toleranzarme Profilfertigung notwendig. Besonders die Breite des Profils und die damit einhergehende Einschnürung der Rohrleitung am Messpunkt sind für die Genauigkeit entscheidend. Das fertigungsoptimierte Profil in Abbildung 2 besteht aus drei präzisionsgewalzten Profilstücken, die verzugsfrei in den Beschleunigungskehren verschmolzen werden. Die Besonderheit besteht darin, dass die Breite der Sonde durch die Stege des Mittelstückes bestimmt wird und nicht nachgearbeitet werden muss. Ergebnis des optimierten Fertigungsverfahrens ist, dass die Maßtoleranz der Sondenbreite ±25 µm nicht überschreitet. Bei einem Rohrdurchmesser von 100 mm entspricht dies einer Auslegungsunsicherheit von ±0,13% v. M., bei 200 mm von lediglich 0,03% v. M., bezogen auf den Durchfluss.
Geringer Druckverlust,großer Messbereich
Verglichen mit den klassischen DPM (Differenzdruck-Durchflussmesser) wie Blende, Düse oder Venturi besitzen Staudrucksonden einen wesentlich geringeren Druckverlust. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo der Mediumsdruck energetisch genutzt wird. Beim Einsatz im Hochdruck-Dampfbereich können beachtliche Energiekosten gespart werden, wenn Blenden oder Düsen ersetzt werden und eine Abwärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung) nicht gegeben ist. Gleiches gilt beim Einsatz in Druckluftnetzen.
Als Beispiel sei hier der mechanische Leistungsverlust einer Frischdampfblende dem einer Staudrucksonde entgegengestellt:
Das entspricht bei 8000 Betriebsstunden einer Ersparnis von 411,56 MWh oder von 20578 Dollar/a bei einem Preis von 5 Cent/kWh. Bei den klassischen DPM werden Messbereiche zwischen 1:3 und maximal 1:7 realisiert. Bei größeren Messbereichen kommt es durch die Änderung der Durchflusszahl K und der Expansionszahl e zu Zusatzunsicherheiten. Die Durchflusszahl K bleibt bei der deltaflow ab Re=8000 konstant, e bleibt wegen der geringen bleibenden Druckverluste sehr nahe bei 1. Mit der deltaflow können deshalb größere Messbereiche realisiert werden. Dies ist beispielsweise für die Messung von Druckluft oder Heizdampf sehr wichtig, da hier große dynamische Bereiche gemessen werden. So werden Dampfmengenmessungen mit einem Messbereich von >1:30 realisiert. Bei so großen Messbereichen muss neben der Staudrucksonde auch auf die Qualität der dp-Messumformer geachtet werden. Es empfiehlt sich dabei, mehrere dp-Messumformer mit gestaffelten Messbereichen einzusetzen. Mit einer geeigneten Auswertung können dann gute Genauigkeiten im gesamten Messbereich sichergestellt werden.
GeringereVerschmutzungsneigung
Ein häufiges Einsatzgebiet für Staudrucksonden sind alle Gasströme in thermischen Verfahren wie Verbrennungsluft (Abb. 4), Rauchgas, Koksgas oder die austretenden Gase an den Drehrohrofen von Zementwerken. Gemeinsam ist diesen Applikationen die hohe Staubbelastung und die Kondensatneigung des Mediums. Es hat sich gezeigt, dass Staudrucksonden bis zu einem Wert von bis zu 80 bis 100 mg/m³ langzeitstabil in verschmutzten Gasen arbeiten. Bei größerem Staubanfall sind automatische Rückspüleinrichtungen notwendig.
Um sicherzustellen, dass Staudrucksonden Kondensat unempfindlich sind, ist eine kapillarfreie Konstruktion notwendig. Bei der Abgasmengenmessung betragen die gemessenen Differenzdrücke nur wenige mbar. Ist ein ungehindertes Abfließen des Kondensates nicht sichergestellt, führt die Wassersäule zu großen Messfehlern. Ist eine kapillarfreie Konstruktion und die Materialbeständigkeit gegeben, sind Staudrucksonden problemlos in kondensierenden Medien einsetzbar. Die deltaflow wurde vom TÜV Bayern/Sachsen gem. der 13. und 17. BImSchV für feuchte, kondensierende und verschmutzte Rauch- und Abgase getestet und empfohlen.
Niedrige Projektierungs-und Installationskosten
Die Anschaffungskosten von Staudrucksonden betragen bei großen Durchmessern nur einen Bruchteil derer klassischer DPMs. Aber auch bei kleinen Durchmessern sind Staudrucksonden ein preiswertes Produkt.
Ein weiterer Vorteil ist die einfache Auslegung. Zur Berechnung stehen kostenlose, selbsterklärende Auslegungsprogramme zur Verfügung, die alle interessierenden Daten errechnen. Dies sind neben dem Differenzdruck auch der bleibende Druckverlust, Mediumseigenschaften, Strömungsgeschwindigkeiten, die Reynoldszahl usw.
Auch der Installationsaufwand ist sehr gering. Staudrucksonden werden in die existierende Rohrleitung über einen Einschweißstutzen eingebaut. Bei großen Durchmessern bzw. hohen Mediumsgeschwindigkeiten wird zusätzlich ein Gegenlager benötigt. Ein komplettes Trennen der Rohrleitung wie bei klassischen DPMs ist unnötig. Selbst bei großen Rohrdurchmessern kann deshalb ein Monteur eine Staudrucksonde allein einbauen, es müssen nur wenige cm Schweißnaht gelegt werden.
In vielen Staudrucksonden können heute die Druck- und Temperaturmessung integriert werden (Abb. 5). Auch das spart Einbaukosten. Zusammen mit direkt auf der Staudrucksonde montierten Messumformern, die neben dem Differenzdruck gleichzeitig Druck- und Temperatursignale erfassen können, kann eine äußerst kompakte und preiswerte Massenmessung realisiert werden.
E cav 218
TECHNISCHE DATEN: Staudrucksonde deltaflow
• Medien: Gas, Dampf, Flüssigkeiten
• Durchmesser: 15 bis 15 000 mm
• Prozesstemperatur: -250 bis 1240 °C
• Prozessdruck: 0 bis 640 bar
• Genauigkeit: 0,5% v. M. ab Re = 8000
• Partikelanfall: 100 mg/m³ unproblematisch, darüber mit Rückspüleinrichtung
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