Перевести одиниці тонни (метричні) за годину т
Перевести одиниці: тонна (метрична) за годину [т/год] петаграм за секунду [Пг/с]
Загальні відомості
Кількість рідини або газу, що проходить через певну площу за певну кількість часу, можна вимірювати по-різному, наприклад, визначаючи масу чи об'єм. У статті ми розглянемо обчислення по масі. Масова витрата залежить від швидкості руху середовища, площі поперечного перерізу, через яке проходить речовина, щільності середовища, і загального обсягу речовини, що проходить через цю площу за одиницю часу. Якщо ми знаємо масу і нам відомі або щільність, або обсяг, ми можемо дізнатися іншу величину, оскільки її можна висловити за допомогою маси та відомої нам величини.
Вимір масової витрати
Існує багато способів вимірювання масової витрати і є безліч різних моделей витратомірів, що вимірюють масу. Нижче ми розглянемо деякі з них.
Калориметричні витратоміри
Для вимірювання масової витрати калориметричних витратомірах використовують різницю температур. Є два види таких витратомірів. В обох рідина чи газ охолоджує тепловий елемент, повз який тече, але різниця в тому, що саме кожен витратомір вимірює. У першому типі витратомірів вимірюють кількість енергії, необхідної, щоб підтримувати постійну температуру на тепловому елементі. Чим вища масова витрата, тим більше енергії для цього потрібно. У другому типі вимірюють різницю температур потоку між двома точками: біля теплового елемента та на певній відстані нижче за течією. Чим більша масова витрата, тим вища різниця температур. Калориметричні витратоміри використовують для вимірювання масової витрати в рідинах та газах. Витратоміри, що використовуються у рідинах або газах, які викликаютькорозію роблять з матеріалів, стійких до корозії, наприклад з особливих сплавів. При цьому з такого матеріалу роблять лише частини, які мають прямий контакт із речовиною.
Витратоміри змінного перепаду тиску
У витратомірах змінного перепаду тиску створюється різниця тиску всередині труби, якою тече рідина. Один із найпоширеніших способів — часткове перекриття потоку рідини чи газу. Чим більша виміряна різниця тиску, тим вища масова витрата. Приклад такого витратоміра -витратомір на основі діафрагми. Діафрагма, тобто кільце, встановлене всередині труби перпендикулярно до течії рідини, обмежує перебіг рідини по трубі. В результаті тиск цієї рідини у місці, де знаходиться діафрагма, відрізняється від тиску в інших частинах труби.Витратоміри з пристроями, що звужують, наприклад, з соплами, працюють аналогічно, тільки звуження в соплах відбувається поступово, а повернення в норму по ширині - миттєво, як і у випадку з діафрагмою. Третій тип витратомірів змінного перепаду тиску, званийвитратомір Вентуріна честь Італійського вченого Вентурі, звужується і розширюється поступово. Трубку такої форми часто називають трубкою Вентурі. Можна уявити, як вона виглядає, якщо поставити дві лійки вузькими частинами один до одного. Тиск у звуженій частині трубки нижче, ніж тиск в інших частинах трубки. Слід зазначити, що витратоміри з діафрагмою або пристроєм, що звужує, більш точно працюють при високому натиску, але їх показання стають неточними, якщо напір рідини слабкий. Їхня здатність частково затримувати потік води погіршується при тривалій експлуатації, тому в міру використання їх необхідно регулярно обслуговувати і при необхідності калібрувати. Незважаючи на те, що таківитратоміри легко ушкоджуються в процесі експлуатації, особливо через корозію, вони популярні завдяки їх низькій ціні.
Ротаметри, абовитратоміри зі змінним перетином- це витратоміри, які вимірюють масову витрату за різницею тиску, тобто це витратоміри диференціального тиску. Їх конструкція - це зазвичай вертикальна трубка, яка з'єднує горизонтальні вхідну та вихідну труби. При цьому вхідна труба знаходиться нижче за вихідний. У нижній частині вертикальна трубка звужується тому такі витратоміри і називаються витратомірами зі змінним перетином. Завдяки різниці в діаметрі перерізу виникає різниця тиску – як і в інших витратомірах диференціального тиску. У вертикальну трубку поміщають поплавець. З одного боку поплавець прагне вгору, так як на нього діє підйомна сила, а також рідина, що рухається вгору по трубі. З іншого боку, сила тяжіння тягне його вниз. У вузькій частині труби загальна сума сил, що діють на поплавець, штовхає його вгору. З висотою сума цих сил поступово зменшується, поки на певній висоті не дорівнюватиме нулю. Це і є висота, на якій поплавець перестане рухатися нагору і зупиниться. Ця висота залежить від постійних величин, таких як вага поплавця, конусність трубки, а також в'язкість та щільність рідини. Висота також залежить від змінної величини масової витрати. Так як нам відомі всі постійні, або ми можемо легко їх знайти, то, знаючи їх, ми можемо легко обчислити масову витрату, якщо визначимо, на якій висоті поплавок зупинився. Витратоміри, які використовують цей механізм, дуже точні, з помилкою до 1%.
Коріолісові витратоміри
Робота коріолісових витратомірів заснована на вимірі коріолісових сил, що виникають у трубках, що коливаються, через які течесередовище, витрата якого вимірюється. Найбільш популярна конструкція складається із двох вигнутих трубок. Іноді ці трубки прямі. Вони вагаються з певною амплітудою, і коли по них не тече рідина, ці коливання синхронізовані по фазі, як на малюнках 1 та 2 на ілюстрації. Якщо за цими трубками пустити рідину, то амплітуда і фаза коливань змінюється, і коливання труб стають асинхронними. Зміна фази коливань залежить від масової витрати, тому ми можемо його обчислити, якщо ми маємо інформацію про те, як змінилися коливання, коли по трубах пустили рідину.
Щоб краще зрозуміти, що відбувається з трубами в коріолісовому витратомірі, представимо аналогічну ситуацію зі шлангом. Візьмемо шланг, приєднаний до крана так, щоб він був вигнутий, і почнемо качати його з боку на бік. Коливання будуть рівномірними, поки не тече вода. Як тільки ми включимо воду, коливання зміняться, і рух стане змієподібним. Цей рух викликаний ефектом Коріоліса - тим самим, що діє на труби в коріолісовому витратомірі.
Ультразвукові витратоміри
Ультразвукові або акустичні витратоміри передають рідини ультразвукові сигнали. Є два основні види ультразвукових витратомірів: доплерівські та час-імпульсні витратоміри. Удоплерівських витратомірахультразвуковий сигнал, надісланий датчиком через рідину, відображається і приймається передавачем. Різниця в частоті надісланого та отриманого сигналів визначає масову витрату. Чим вища ця різниця, тим вища масова витрата.
Час-імпульсні витратомірипорівнюють час, необхідний звукової хвилі, щоб досягти приймача за течією, з часом проти течії. Різниця цих двох величин визначається масовою витратою - чим вона більша, тим вище масовийвитрати.
Для таких витратомірів не обов'язково, щоб пристрої, які випромінюють ультразвукову хвилю, відбивачі (якщо використовуються) і датчики, що приймають, знаходилися в контакті з рідиною, тому такі витратоміри зручно використовувати з рідинами, що викликають корозію. З іншого боку рідина повинна пропускати ультразвукові хвилі, інакше ультразвуковий витратомір не працюватиме в ній.
Ультразвукові витратоміри широко застосовуються для вимірювання масової витрати відкритого потоку, наприклад, у річках і каналах. Такими витратомірами можна вимірювати масовий потік в каналізаційних стоках і трубах. Інформацію, отриману при вимірах, використовують, щоб визначити екологічний стан водного потоку, у сільському господарстві та рибництві, при обробці рідких відходів та у багатьох інших галузях.
Переведення масової витрати в об'ємну витрату
Якщо щільність рідини відома, можна легко перевести масовий витрата в об'ємний, і навпаки. Масу знаходять, помножуючи густину на об'єм, а масову витрату можна знайти, помноживши об'ємну витрату на густину. При цьому варто пам'ятати, що об'єм та об'ємна витрата змінюються зі зміною температури та тиску.
Застосування
Масову витрату використовують у багатьох галузях та у побуті. Одне із застосувань – для вимірювання витрати води у приватних будинках. Як ми обговорювали раніше, масову витрату також використовують для вимірювання відритих потоків у річках та каналах. Коріолісові витратоміри та витратоміри зі змінним перерізом нерідко використовують при переробці відходів, у розробці корисних копалин, у виробництві паперу та паперової маси, при виробництві електроенергії та при видобуванні нафтохімічної сировини. Деякі види витратомірів, наприклад витратоміри з перехідним перерізом, використовують у складнихсистемах оцінки різних профілів Крім цього, інформацію про масову витрату використовують в аеродинаміці.
Масова витрата в аеродинаміці
Розглядаючи політ з погляду масового витрати, вважатимуться повітря рідиною, оскільки його на літак чи інший транспортний засіб подібно рідини. Звичайно, насправді не повітря тече повз літак, а навпаки, літак рухається вперед завдяки силі, створеній його двигунами. Але якщо ми приймемо літак за точку відліку, то вийде, що саме повітря рухається повз літак. У цьому випадку можна розглядати масову витрату як одну з величин, що впливає на політ, тобто рух літака щодо Землі.
Масова витрата повітря впливає на рух літака в кількох випадках, і нижче ми розглянемо два з них: у першому це загальний потік повітря повз літак, який допомагає літаку залишатися в повітрі, а в другому - потік повітря через турбіни, який допомагає літаку рухатися вперед. Спочатку розглянемо перший випадок.
Розглянемо, які сили впливають на літак під час польоту. Пояснити дію деяких із них непросто в рамках нашої статті, тому ми поговоримо про них загалом, використовуючи спрощену модель, не пояснюючи дрібних подробиць. Сила, яка штовхає літак вгору і позначена B на ілюстрації -підйомна сила.
Сила, яка через силу тяжіння нашої планети тягне літак до Землі — йоговага, позначений на малюнку літерою C. Щоб літак залишався в повітрі, підйомна сила повинна подолати вагу літака.Лобовий опір- третя сила, яка діє на літак у напрямку, протилежному руху. Тобто лобовий опір протидіє руху вперед. Цю силу можна порівняти із силою тертя, яка уповільнюєрух тіла за твердою поверхнею. Лобовий опір позначено на нашій ілюстрації літерою D. Четверта сила, яка діє на літак, — це тяга. Вона виникає у міру роботи двигунів, і штовхає літак уперед, тобто вона спрямована протилежно до лобового опору. На ілюстрації вона позначена літерою A.
Масова витрата повітря, що рухається по відношенню до літака, впливає на всі ці сили, крім ваги. Якщо спробуємо вивести формулу обчислення масової витрати, використовуючи силу, то зауважимо, що й інші змінні постійні — то сила прямо пропорційна квадрату швидкості. Це означає, що й збільшити швидкість удвічі, то сила збільшиться вчетверо, і якщо збільшити швидкість втричі, то сила, відповідно, збільшиться у дев'ять разів, і таке інше. Цю залежність широко використовують у аеродинаміці, оскільки ці знання дозволяють збільшити чи зменшити швидкість, змінюючи силу, і навпаки. Наприклад, щоб збільшити підйомну силу, ми можемо збільшити швидкість. Також можна збільшити швидкість повітря, яке проганяється через двигуни, щоб збільшити тягу. Замість швидкості можна змінити масову витрату.
Не варто забувати, що на підйомну силу впливають не лише швидкість та масові витрати, а й інші змінні. Наприклад, зменшення густини повітря зменшує підйомну силу. Чим вище піднімається літак, тим нижче щільність повітря, тому для того, щоб використовувати паливо найбільше економічно, маршрут розраховують так, щоб висота не перевищувала норму, тобто щоб щільність повітря була оптимальною для руху.
Тепер розглянемо приклад, коли масовий потік використовується турбінами, якими проходить повітря, що створює тягу. Щоб літак подолав лобовий опір та вагу та зміг не тількизалишатися в повітрі на потрібній висоті, але і рухатися вперед з певною швидкістю, тяга має бути досить високою. Двигуни літака створюють тягу, пропускаючи через турбіни великий потік повітря і виштовхуючи його з великою силою, але на маленьку відстань. Повітря рухається від літака у напрямку, протилежному до його руху, і літак, згідно з третім законом Ньютона, рухається у напрямку, протилежному до руху повітря. Збільшивши масові витрати, ми збільшуємо тягу.
Щоб збільшити тягу, замість збільшення масової витрати можна також збільшити швидкість, з якою повітря виходить із турбін. У літаках при цьому витрачається більше палива, ніж зі збільшенням масової витрати, тому цей спосіб не використовують.