Reynolds schaling - Euroloop Gas Calibration

KROHNE Academy 2015
NMi EuroLoop
2015-11-26
Procesverbetering door kennisoptimalisatie
Reynolds schaling voor het
kalibreren van debietmeters voor
o.a. stoom en industriële gassen
Roy van Hartingsveldt
NMi EuroLoop
2
Agenda
• Introductie
• Reynolds getal
• Reynolds schaling
• Reynolds kalibratie EuroLoop
3
3
Agenda
• Introductie
• Reynolds getal
• Reynolds schaling
• Reynolds kalibratie EuroLoop
4
4
De grootste testsite ter wereld voor massa- en
volumemetingen van aardgas en vloeibare
koolwaterstoffen
Location: Botlek, Rotterdam
5
5
Gas faciliteit
6
6
Vloeistof faciliteit
7
7
NMi EuroLoop
Gas
Liquid
Flow
20 – 30.000 m³/h
10 – 5.000 m³/h
Diameter
6” – 36”
(150 - 900 mm)
4” – 30”
(100 - 750 mm)
Test lines
10” / 16” / 24”
10” / 24”
Calibration
pressure
9 – 61 bar
8 bar
Temperature
stability
< 0,05 ºC
<0,1 ºC
Kinematic viscosity n.a.
Reynolds range
5 · 104 – 4 · 107
1 · 103 – 4 · 106
Lowest uncertainty
0,16%
0,06% / 0,02% (1)
(1)
8
1, 10, 100 cSt
Uncertainty liquid facility by master meter / piston prover
8
Agenda
• Introductie
• Reynolds getal
• Reynolds schaling
• Reynolds kalibratie EuroLoop
9
9
Reynolds getal
Osbourne Reynolds
• Britse Natuurkundige
(1842 – 1912)
• Definitie Reynolds getal
(1883)
• Karakteriseren van laminaire
en turbulente stroming
• Gelijkvormigheid van
verschillende stromingen
10
10
Reynolds getal
Definitie
Traagheid (inertie)
VD
Re 

ρ
V
L,D
µ
QV
Qm
11
Viscositeit
dichtheid
snelheid (magnitude)
karakteristieke lengte
dynamische viscositeit
volume debiet
massa debiet
11
Reynolds getal
Definitie
• Het Reynolds getal geeft informatie over hoe een
vloeistof zich zal ‘gedragen’
• Laag Reynolds getal: Laminaire stroming
• Hoog Reynolds getal: Turbulente stroming
• Alle stromingen zijn turbulent
12
12
Reynolds getal
Bron: Anderson, JD
Fundamentals of Aerodynamics
Visualisatie
Traagheid
(inertie)
Viscositeit
13
13
Reynolds getal
Visualisatie
14
14
Agenda
• Introductie
• Reynolds getal
• Reynolds schaling
• Reynolds kalibratie EuroLoop
15
15
Reynolds schaling
Introductie
• Geen testfaciliteiten voor stoom en
industriële gassen
• Kalibratieresultaten zijn afhankelijk van het
gebruikte medium, druk en temperatuur
• Veldcondities kunnen worden omgerekend
naar kalibratiecondities (Reynolds)
• Kalibratieresultaten kunnen worden
omgerekend naar veldcondities (Reynolds)
16
16
Reynolds schaling
Plotten van een kalibratie curve
• Opties:
• Afwijking als functie van debiet of Reynolds
• Impuls factor K als functie van debiet of Reynolds
• Study1 of error curves of turbine meters on Reynolds
dependecy:
• A well constructed flow meter has an error curve that
is within 0.2% at different operating conditions (P, T)
• Possibility to predict the error at process conditions
different from calibration conditions (avoid using
‘boundaries’)
1) Grinten, JGM The Reynolds interpolation method for calibrations of turbine gas meters up to 150
bar
17
17
Reynolds schaling
K-factor als functie van debiet
Geen duidelijke relatie tussen verschillende condities?
18
18
Reynolds schaling
K-factor als functie van Reynolds getal
Duidelijke relatie tussen verschillende condities!
19
19
Reynolds schaling
Afwijking als functie van debiet
20
20
Reynolds schaling
Afwijking als functie van Reynolds getal
21
21
Reynolds schaling
Samenvattend
• Verschillende operationele condities kunnen worden
vergeleken door middel van Reynolds schaling
• Additionele onzekerheden binnen 0.20%
• Interpolatie binnen het gekalibreerde bereik is mogelijk
• Extrapolatie leidt tot exponentiële stijging van de
onzekerheden
22
22
Agenda
• Introductie
• Reynolds getal
• Reynolds schaling
• Reynolds kalibratie EuroLoop
23
23
Reynolds kalibratie EuroLoop
Principe
Medium / Gas compositie
P, T, Q, Massa / Volume
Reynolds bereik
P, T, µ, Qmin – Qmax, Max
∆P, Pvapour, Thermal
conductivity, etc.
24
24
Reynolds kalibratie EuroLoop
Stoom meter
water
Nat. Gas
water
Nat. Gas
310
36,3
10
9
373
40,2
10
9
98,651
14,83
0,0204
2,04E-05
1,37E-06
7,05
0,0108
1,08E-05
1,53E-06
218,142
14,42
0,0232
2,32E-05
1,61E-06
7,05
0,0108
1,08E-05
1,53E-06
579,5
561,3
30,8
406,8
478,7
598,9
30,8
406,8
1,29
18,02
1,30
18,04
1,29
18,02
1,30
18,04
461,52
461,00
461,52
461,00
Flow meter
Min. velocity vmin [m/s]
Max. velocity vmax [m/s]
Inner inlet diameter d [mm]
Bore diameter [mm] | β
20 inch
0,2
1,1
508
199,87
0,2
1,2
508
0,393
20 inch
5,7
19,7
508
138,36
5,4
18,7
508
0,272
RE scaling
Red min
Red max
5,81E+04 5,81E+04 1,80E+06 1,80E+06
4,06E+05 4,06E+05 6,21E+06 6,21E+06
Operating conditions
Operating temperature t [°C]
Operating pressure p [bar]
Back pressure pb[bar]
Vapour pressure pv [bar]
Density  [kg/m3]
Viscosity h [cP]
Viscosity h [Pa s]
Kinematic viscosity n [m/s2]
Thermal Conductivity [mW/m/K]
Speed of sound c [m/s]
Isentropic expansion coefficient k []
Molar mass M [kg/kmol]
Specific gas constant Ra [J kg-1 K1]
Mass flow rate Q [ton/h]
Mass flow rate Q [ton/h]
1,7
11,9
0,9
6,3
Volume flow rate Q [m3/h]
Volume flow rate Q [m3/h]
115
802
128 4.161,43 3.957,96
894 14.356,95 13.654,96
Dp [mbar]
25
20
2000
60,000
207,000
27,899
96,252
12
1180
25
Reynolds kalibratie EuroLoop
Voorbeeld: Coriolis meter
Vloeistof kalibraties van Coriolis meters
Bekend om afhankelijkheid van viscositeit
26
26
Reynolds kalibratie EuroLoop
Coriolis meter
1.0
1.0
0.5
0.5
0.0
0.0
-0.5
(1.161 ± 0.002) mm²/s
-1.0
(11.13 ± 0.37) mm²/s
(91.6 ± 4.5) mm²/s
-1.5
200
400
600
Mass flow rate [kg/h]
800
-0.5
(1.161 ± 0.002) mm²/s
-1.0
(11.13 ± 0.37) mm²/s
(91.6 ± 4.5) mm²/s
-1.5
-2.0
0
Deviation [%]
Deviation [%]
• Coriolis meter gekalibreerd tegen de piston
prover
1 000
-2.0
1 000
10 000
100 000
1 000 000
Reynolds number [-]
• Grote afwijking bij lage Reynolds getallen
• Naast elkaar liggende lijnen in Reynolds domein
27
27
10 000 000
Reynolds kalibratie EuroLoop
Coriolis meter
0.15
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
Deviation [%]
Devaition [%]
• Andere meter met viscositeitcorrectie
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
100 mm²/s, 29 Apr 2015
-0.25
100 mm²/s, 24 Apr 2015
0
1000
2000
Mass flow rate [kg/h]
0
-0.05
-0.1
-0.15
100 mm²/s, 29 Apr 2015
-0.2
3000
-0.25
1E+3
100 mm²/s, 24 Apr 2015
1E+4
1E+5
Reynolds number [-]
• Relatie viscositeit en Reynolds:
Verbetering nauwkeurigheid met een factor 6!
28
28
Conclusie
• Kalibratie uitvoeren bij zelfde of vergelijkbare
condities als veldcondities
• Vergelijk operationele condities met behulp van het
Reynolds getal
• Additionele onzekerheden
• Interpolatie binnen het gekalibreerde
Reynoldsdomein
• Extrapolatie geeft exponentiele stijging aan
onzekerheden
29
29
Thank you for your attention!