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流量测量装置在气体绝热管路的流量计算理论

时间:2018/05/08来源:未知

摘    要:

为对一种含内套管的弯管流量测量装置的特性进行研究,采用数值建模的计算方式,对内套管在不同安装位置下的流动状态进行数值分析,结果表明流道发生一定变化未对流量系数可靠性产生影响;运用涡轮流量计标定试验对其流动阻力与流量系数进行研究,得出了不同流量下的流量系数,并由此得出该弯管的流量系数经验公式。结论表明该特殊弯管流量测量装置性能稳定,流量系数误差小,可以满足多数工业现场流量测量要求。

 

 

0 引言

目前使用的弯管流量计的基本结构形式是90°弯管结构,按照截面形式的不同可以分为圆形截面和方形截面两个类型。圆形截面的弯管流量计是应用较为广泛的一种弯管流量计,它在许多工业领域都得到了应用目前应用***为广泛的是在热电和供热行业,主要用于测量热水流量和蒸汽流量。方形截面的弯管流量计主要应用在低压力的空气测量中,但对于这种流量计见诸报道的研究成果较少,应用的也较少[1]。本文的弯管流量测量装置与一般的弯管流量计相比,其内部含有偏心的套管,流通面积为非标准的圆环形,在相同的流量下流速较无内套管的标准弯头有所增大。由于流速与压差成正比,故能有效避免一般弯管流量测量装置测量压差偏小导致的测量误差偏大的问题,可用于结构复杂且流通面积是环形的流量测量场合。

1 弯管流量计测量原理

当流体沿着弯管的弧形通道流动时,流体因受到角速度的作用而产生离心力,使得管壁内外两侧形成压力差。弯管流量计就是利用该内、外侧的压力差进行流量测量。根据流体力学中伯努力方程的原理,其压差值大小与流经工艺管道内流体流量平方成正比,这就是标准弯管流量计的测量原理。

1. 1 弯管流量计结构

弯管流量计基本结构如图1 所示。标准弯管流量计一般由一个90°弯管、内外侧取压口与和差压变送器组成。根据上述弯管流量计的测量原理,取压口的位置通常放置在弯头平面的圆弧上,一般成22. 5°或45°夹角[2-3],高压取压口在弯管的外侧,低压取压口在弯管的内侧,高、低取压口的中心与轴线重合。

图1 弯管流量计基本结构

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1. 2 弯管流量计计算公式

流体因受到角速度的作用而产生离心力,使得管壁内外两侧形成压力差即 Δp = p1- p2。按照强制螺旋理论[4],流体流经90°弯管的体积流量和压差的关系式为:

计算公式

式中: C为实验修正系数; α 为流量系数; A为弯管的流通截面积;计算公式 为弯径比; ρ 为流体密度; ΔP为内外侧压力差。

式( 1) 中流量系数 α 是一个多变量参数,对于稳定流动,在几何相似和流动相似的情况下为定值。

2 含内套管的弯管流量测量装置

2. 1 测量装置结构

该含内套管的弯管流量测量装置可以作为设备本身的一部分,用于结构复杂且流通面积是环形的流量测量环境里。该弯管流量测量装置中含有内套管,此内套管呈偏心布置,内套管用固定块固定于直角弯管的内部,而普通的弯管流量计内部是一个空管,无任何附加阻力件,其结构截面图如图2 所示。流体从外管与内套管的之间的环形通道流过,因其流通面积为环形,弯径比无法按照标准弯头进行计算,故而将式( 1) 中除计算公式 与A外的部分看作综合流量系数。

图2含内套管弯管流量测量装置截面图

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流经弯管的流体由进口侧的等速流状态逐渐变成由弯头内侧向外侧梯度递增的流动状态,靠近弯管外侧的流体被减速,而靠近弯管内侧的流体被加速[5]。在弯管中点45°截面处,该速度分布形式达到极限状态,即内侧流速达到***大值,外侧流速达到***小值,此时内、外侧压差值亦为***大值,取压管的位置如图3 所示。

图3 流量测量内部结构图

图3 流量测量内部结构图   下载原图

 

2. 2 流道变化对流量系数的影响分析

该弯管测量装置***大区别在于安装有内套管,由于安装过程中不可避免会产生误差。该误差会使流道发生变化进而影响流体经过取压点的流动状态。该流动状态与流量系数的计算有关,为对该情况下流量系数的可靠性进行分析,采用CFD[6]数值建模的计算方式,选取一定的压力与温度,通过改变模型入口的流量,对内管安装的0 位与前后移动 ± 5 mm时开展数值计算。得到不同流道下、不同流动状态时该弯管流量测量装置的压差,计算结果如上图4 所示。

计算结果表明: 内套管在安装0 位、正偏差5 mm、负偏差- 5 mm 3个位置处对应的流量- 压差曲线基本一致。因此,可认为在该安装误差范围内,内套管的位置对弯管内外侧压差测量影响很小,该弯管流量测量装置设计及测压孔选取合理,即便流道发生一定的变化也并未对该流量测量装置的流量系数的可靠性产生影响。

图4 内套管不同安装位置时压差计算结果

图4 内套管不同安装位置时压差计算结果   下载原图

 

3 试验结果及分析

为对该含内套管流量测量装置的特性进行研究,建造了相应的回路,利用涡轮流量计对其进行实际的标定试验,并对试验结果进行了分析。

3. 1 试验装置与方法

该试验回路系统主要由离心泵、调节阀、涡轮流量计、直管段、含内套管的弯管流量装置组成,回路流程图如图5 所示。由离心泵提供压头维持回路流动,调节阀调节流体流量,涡轮流量计测量流过该弯管的流量。

图5 标定试验流程图

图5 标定试验流程图   下载原图

 

涡轮流量计测量精度0. 5% ,压差变送器测量精度0. 1% ,温度变送器0. 1% 。所有测量参数1 s采集1 次,每个试验工况点采集60 s,并对上、下2 个行程分别进行试验。

3. 2 试验结果及分析

对该弯管流量装置进行不同流量下的进行标定,得到了相对应的压差数值。将除计算公式 与过流面积外的部分整体看作综合流量系数 α综合,如式( 2) 所示。运用三维建模AppUG对过流面积与湿周进行求解,并据此计算出a综合数值的大小,试验结果见表1 所示。

计算公式

表1 不同流量下的综合流量系数    下载原表

表1 不同流量下的综合流量系数

根据表1 中数据与标定试验中各仪表的精度,采用按级使用的测量仪器仪表***大允许误差导致的不确定度分布状态为矩形均匀分布的形式,按合成标准不确定度评该弯管流量测量装置的流量系数精度为1. 5 级。

按照弯管流量计的理论,不同的弯管流量计结构对应不同的流量系数,在结构尺寸确定的条件下,它仅仅是雷诺数Re的函数[1]。根据不同流量下的各种试验参数计算出对应的Re,得出了该特殊结构下弯管流量测量装置的Re - α综合图,具体结果见图6 所示。

图6 综合流量系数与雷诺数关系图

图6 综合流量系数与雷诺数关系图   下载原图

 

可以看出,该综合流量系数 α综合是雷诺数Re的对数函数,并得出该综合流量系数经验公式,如公式( 3) 所示。

计算公式

据上述可知: 该流量测量装置能够满足绝大多数工业现场介质流量测量的要求,该综合流量系数经验公式可靠准确,能用于类似场合流量系数的计算,且装置对微量磨损不敏感,可以长期保持高精度的状态,使用寿命长。

4 结论

本文对含有内套管的弯管流量测量装置进行了研究,该装置内部含有偏心的套管,流通面积为环形。将取压口设置在与端面成45°夹角的圆弧上,经数值计算,在一定范围内安装误差造成的流动状态变化,对该弯管内外侧压差测量影响很小,可不予考虑。利用涡轮流量计对上、下2 个行程的不同流量进行标定并得出了综合流量系数公式。结果表明: 在试验范围内的不同流量下,压差测量稳定并且重复性好,与流量对应关系呈正比; 综合流量系数经验公式可靠准确,不仅证明该含内套管的弯管装置使用的有效性,而且可以推广至类似装置综合流量系数的计算。该弯管流量测量装置可用量程范围宽( 200 ~1 800 m3/ h) ,流量系数精度为1. 5 级,能满足多数工业现场对流量测量的要求。


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