《建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-19節(jié)流式流量計和轉(zhuǎn)子流量計

節(jié)流式流量計和轉(zhuǎn)子流量計節(jié)流式流量計節(jié)流式流量計通常由將節(jié)流裝置、壓力信號傳輸管道和用來測量差壓的差壓計（如壓力變送器）組成。常見的節(jié)流式流量計有孔板流量計、噴嘴流量計、文丘里管流量計等，可測量氣體、蒸汽、液體等流體的流量，廣泛應用于石油、化工、治金、電力、供熱、供水等領域的過程控制和測量。節(jié)流裝置是節(jié)流式流量計的核心部件，用于將被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號，一般由節(jié)流元件、差壓取出裝置和節(jié)流元件上、下游直管段的組合體。常用的標準化節(jié)流裝置有：標準孔板、標準噴嘴、標準文丘利噴嘴和文丘利管（REF_Ref12342\h圖1）。采用設計標準節(jié)流裝置時，都有統(tǒng)一標準的規(guī)定和要求，以及計算所需的通用化的實驗數(shù)據(jù)資料。標準節(jié)流裝置可以根據(jù)計算結(jié)果直接制造和使用，不必用試驗方法進行檢定?？装澹╞）噴嘴（c）文丘利管圖SEQ圖\*ARABIC\s31常用的節(jié)流元件形式1）節(jié)流式流量計測試原理連續(xù)流動的流體流經(jīng)節(jié)流裝置時其現(xiàn)象如REF_Ref19333\h圖2所示，流體在節(jié)流元件處形成局部收縮。由于流體流動有慣性，流束收縮到最小截面的位置不在節(jié)流元件處，而在節(jié)流元件后的B截面處（此位置還隨流量大小而變），此處的流速uB最大，壓力pB最低。B截面后，流束逐漸擴大。在C截面處，流束充滿管道，流體速度恢復到節(jié)流前的速度（uC=uA）。由于流體流經(jīng)節(jié)流元件時會產(chǎn)生旋渦及沿程的摩擦阻力等造成能量損失，因此壓力pC不能恢復到原來的數(shù)值pA、pA與pC的差值ΔP稱為流體流經(jīng)節(jié)流元件的壓力損失。圖SEQ圖\*ARABIC\s32節(jié)流元件前后壓力及流速變化根據(jù)伯努利方程，假設管道中流過的流體為不可壓縮流體，并忽略壓力損失，則對截面A和B可得下列方程 pAρ+uA式中pA，pB——分別為A、B截面處流束中心靜壓力uA，uB——分別為A、B截面處流體的平均流速，D，d'——分別為A、B截面處流束直徑，m；ρ——流體密度，對于不可壓縮流體，其值可視為常數(shù)，kg/m3。在推導上述公式時，壓力pA、pB是管道中心處靜壓力，不易測得，且B截面的位置是變化的；流束最小截面d'難以確定；沒有考慮壓力損失。而在實際測量中，用節(jié)流元件前、后的管壁壓力p1、p2分別代替pA、pB；用節(jié)流元件開孔直徑d代替d'，并考慮壓力損失?？梢缘玫搅黧w體積流量方程式REF_Ref9124\h式（4）和質(zhì)量流量方程式REF_Ref22070\h式（5）。體積流量方程式為 qv=αεπd質(zhì)量流量方程式為 qm=αεπd式中qv——流經(jīng)節(jié)流裝置的體積流量，m3qm——流經(jīng)節(jié)流裝置的質(zhì)量流量，kg/sα——流量系數(shù)，α=β——節(jié)流孔與管道的內(nèi)直徑比，β=C——流出系數(shù)，C=實際流量/理論流量，通過實驗確定；ε——流體的可膨脹系數(shù)，由β、p2p1及被測介質(zhì)的等熵指數(shù)k決定，不可壓縮流體ε=1，可壓縮流體d——節(jié)流裝置開孔直徑，m；ρ1——節(jié)流元件上游側(cè)流體密度，不可壓縮流體ρ1=ρ，視為常值p1，p2在工程中為了簡化計算，給出實用流量方程。如孔板為 qv=0.04αεd2式中qv——流經(jīng)節(jié)流裝置的體積流量，m3/qm——流經(jīng)節(jié)流裝置的質(zhì)量流量，kg/hε——流體膨脹校正系數(shù)，對于不可壓縮流體ε=1，對于可壓縮流體ε<1；α——流量系數(shù)；?p——孔板前后的靜壓差，Pa；m——孔板開孔面積與管道內(nèi)截面積之比；F——管道內(nèi)截面積，mm2；F0——孔板開孔面積，mm2D——管道內(nèi)徑，mm。流量方程中流量系數(shù)的確定是個十分重要的問題。當采用標準節(jié)流裝置和取壓方式（角接取壓）后，流量系數(shù)取決于雷諾數(shù)Re和截面比m，這些可從有關設計、使用手冊中查出。2）標準節(jié)流裝置的取壓方式每個標準節(jié)流裝置至少應有一個上游取壓口和一個下游取壓口。標準孔板可采用角接取壓、法蘭取壓及D—D/2取壓（REF_Ref28728\h圖3）；標準噴嘴采用角接取壓；經(jīng)典文丘利管的上游取壓口位于距收縮段與入口圓筒相交平面的0.5D處，下游取壓口位于圓筒形喉部起始端的0.5d（d為喉部直徑）處。（a）角接取壓（b）法蘭取壓（c）D—D/2取壓圖3標準孔板的取壓方式3）標準節(jié)流裝置的安裝要求由于標準節(jié)流裝置的流出系數(shù)C都是在節(jié)流元件上游側(cè)已成典型紊流流速分布條件下取得的，在實際使用時對管道條件及其安裝均有一定要求：（1）標準節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體的流量，流體應充滿管道并作連續(xù)、穩(wěn)定流動，流速應小于音速。流體在流過節(jié)流元件前應是充分發(fā)展紊流。（2）節(jié)流元件上、下游第一阻力件與節(jié)流元件之間的直管段L1、L2長度，按表1選取。上游第一阻力件與第二阻力件之間的直管段L0長度按上游第二阻力件形式和β=0.7（不論所用的節(jié)流元件實際的β值為多少）由REF_Ref424\h表2查得的L1值折半（REF_Ref392\h圖4）。節(jié)流裝置安裝時必須保證它的開孔與管道軸線同軸，并使其端面與管道軸線垂直。表SEQ表\*ARABIC\s32節(jié)流元件上下游最小管段長度直徑比β≤節(jié)流件上游側(cè)的局部阻力件形式和最小直管段長度L節(jié)流件下游最短直管段長度L?(本表所列各阻力件)單個90°彎頭或三通同一平面上的兩個或多個90°彎頭不同平面上的兩個或多個90°彎頭漸縮管(在5D~3D的長度內(nèi)由2D變?yōu)镈)漸擴管(在1D～2D的長度內(nèi)由0.5D變?yōu)镈)球形閥全開全孔球閥或閘閥全開0.210(6)14(7)34(17)516(8)18(9)12(6)4(2)0.2510(6)14(7)34(17)516(8)18(9)12(6)4(2)0.3010(6)16(8)36(17)516(8)18(9)12(6)5(2.5)0.3512(6)16(8)36(18)516(8)18(9)12(6)5(2.5)0.4014(7)18(9)36(18)516(8)20(10)12(6)6(3)0.4514(7)18(9)36(19)517(9)20(10)12(6)6(3)0.5014(7)20(10)40(20)6(5)18(9)22(11)12(6)6(3)0.5516(8)22(11)44(22)8(5)20(10)24(12)14(7)6(3)0.6018(9)26(13)48(24)9(5)22(11)26(13)14(7)7(3.5)0.6522(11)32(16)54(27)11(6)25(13)28(14)16(8)7(3.5)0.7028(14)36(18)62(31)14(7)30(15)32(16)20(10)7(3.5)0.7536(18)42(21)70(35)22(11)38(19)36(18)24(12)8(4)0.8046(23)50(25)80(40)30(15)54(27)44(22)30(15)8(4)注：1.表中所列數(shù)值為管道直徑D的倍數(shù)，應從節(jié)流件上游端面量起；2.不帶括號的數(shù)值為“零附加不確定度”的值；3.帶括號的數(shù)值為“0.5%附加不確定度“的值；4.標準節(jié)流裝置的差壓信號管的安裝。圖SEQ圖\*ARABIC\s34節(jié)流裝置示意圖1—上游側(cè)第二個局部阻力件；2—上游側(cè)第一個局部阻力件；3—節(jié)流元件；4—下游側(cè)第一個局部阻力件由標準節(jié)流裝置取壓口取出的差壓信號，要通過信號管連接到差壓儀表（差壓變送器）。當被測液體為清潔液體時，信號管路的安裝方式如REF_Ref392\h圖5所示。當被測液體為清潔干氣體時，信號管路的安裝方式如REF_Ref1623\h圖6所示。當被測液體為水蒸氣時，主要是保持兩根引壓管內(nèi)的冷凝液柱高度相等，并防止高溫蒸汽與差壓變送器直接接觸，為此在靠近節(jié)流裝置處的差壓連接管上，應裝設兩個位于同一水平面的平衡冷卻器，平衡冷卻器和節(jié)流裝置之間的管道應保溫，且不許裝設切斷閥（REF_Ref1626\h圖7）。（a）儀表在管道下方（b）儀表在管道上方（c）垂直管道，被測液體為高溫液體圖SEQ圖\*ARABIC\s35信號管路安裝示意（被測液體為清潔液體時）1—三閥組的正壓閥；2—三閥組的負壓閥；3—三閥組的旁通閥（a）儀表在管道下方（b）儀表在管道上方(c)垂直管道，儀表在取壓口上方（d）垂直管道，儀表在取壓口下方圖SEQ圖\*ARABIC\s36信號管路安裝示意（被測液體為清潔干氣體時）儀表在管道下方（b）儀表在管道上方（c）垂直管道，儀表在取壓口上方（d）儀表在管道下方，同（a）圖，僅冷凝器安裝方式不同，可任意選用圖SEQ圖\*ARABIC\s37信號管路安裝示意（被測液體為水蒸氣時）上述安裝圖中均設有2閥組，以避免差壓變送器損壞。最初設置為2閥組閥均關閉。在差壓變送器啟動時，應先打開2閥組的平衡閥3，然后打開正腔閥1，接著關閉閥3，最后打開閥2。差壓變送器停運時，操作步驟相反。轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計是根據(jù)節(jié)流原理測量流體流量的，但它是改變流體的流通面積來保持轉(zhuǎn)子上下的差壓恒定，故又稱為變流通面積恒差壓流量計，也稱為浮子流量計。轉(zhuǎn)子流量計如REF_Ref17937\h圖8所示。它由一個向上漸擴的圓錐管和在管內(nèi)隨流量大小而上下浮動的轉(zhuǎn)子（也稱浮子）組成。當流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子與圓錐管之間的環(huán)形縫隙時，因節(jié)流產(chǎn)生的壓力差p1-p2的作用使轉(zhuǎn)子上浮。當作用于轉(zhuǎn)子的向上力與轉(zhuǎn)子在流體中的重力相平衡時，轉(zhuǎn)子就穩(wěn)定在管中某一位置。此時若加大流量，壓差就會增加，轉(zhuǎn)子隨之上升，因轉(zhuǎn)子與圓錐管間的流通面積的增大，從而又使壓差減小恢復到原來的數(shù)值，這時轉(zhuǎn)子卻已平衡于一個新的位置。若流量減小，上述各項變化亦相反?？傊?，在測量過程中因轉(zhuǎn)子位置的變化而使環(huán)形流通面積發(fā)生了變化因轉(zhuǎn)子的重量是不變的，無論其處于任何位置，其兩端的壓差均是不變的。轉(zhuǎn)子流量計就是利用轉(zhuǎn)子平衡時位置的高低求得流量值的。圖8轉(zhuǎn)子流量計1—錐形管；2—轉(zhuǎn)子經(jīng)分析，轉(zhuǎn)子流量計的流量方程為 L=hεαπR+ ?p=Vfρ式中L——被測流體的流量；h——轉(zhuǎn)子平衡位置的高度；ε——流體膨脹修正系數(shù)；α——流量系數(shù)；R，r——圓錐管h處截面半徑和轉(zhuǎn)子最大處的截面半徑；φ——圓錐管的夾角；ρ，ρ1——?p——轉(zhuǎn)子前后的壓差；V——轉(zhuǎn)子的體積；f——轉(zhuǎn)子最大截面積。轉(zhuǎn)子流量計中轉(zhuǎn)子的材料依被測流體的化學性質(zhì)而定，有銅、鋁、鉛、不銹鋼、塑料、硬橡膠、玻璃等。圓錐管的材料依流量計類型而異，對直讀式多用玻璃管（又稱為玻璃轉(zhuǎn)子流量計），對遠傳式多用不銹鋼的。轉(zhuǎn)子流量計是非標準化儀表，通常經(jīng)實測來標記刻度值，標尺標以流量單位，如m3/h等。轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構簡單、直觀，壓損小且恒定，適宜測量各種氣體、液體和蒸汽等的流量，其測量范圍，對液體可從每小時十幾升到幾百立方米，對氣體可達幾千立方米，基本測量誤差約為刻度最大值的±2%。適用于小口徑（D<150mm）、低流速的流體流量測量。轉(zhuǎn)子流量計應垂直安裝，流量計中心線與鉛垂線間夾角一般不應超過5°，高精度（1.5級以上）流量計夾角不應超過2°，如果夾角等于12°，則會產(chǎn)生1%的誤差。被測介質(zhì)的流向應由下向上，不能反向安裝。轉(zhuǎn)子流量計上下游直管段一般為（2～5）D（管道公稱直徑）。必須注意轉(zhuǎn)子直徑最大處是讀數(shù)處。使用時應緩慢旋開控制閥門，以免突然開啟轉(zhuǎn)子急劇上升而損壞玻璃管。轉(zhuǎn)子流量計出廠時已經(jīng)標定。標定時水的參數(shù)為T0=273℃＋20℃，pi=101325Pa，ρ=998kg/m3，μ=1.0×10-3Pa·s?？諝獾膮?shù)為T0=273℃+20℃φ=80%，pi=101325Pa，ρ=1.2kg/m3，μ=1.73×10-6Pa·s。轉(zhuǎn)子流量計的校驗，通常是使標準狀態(tài)下的水（或空氣）流過流量計，測出水（或空氣）注滿容器所需的時間，按下面兩式求出實際流量值，即 L1=60Vτ L2=3.6Vτ式中L