《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-19节流式流量计和转子流量计

节流式流量计和转子流量计节流式流量计节流式流量计通常由将节流装置、压力信号传输管道和用来测量差压的差压计（如压力变送器）组成。常见的节流式流量计有孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里管流量计等，可测量气体、蒸汽、液体等流体的流量，广泛应用于石油、化工、治金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。节流装置是节流式流量计的核心部件，用于将被测流体的流量转换成压差信号，一般由节流元件、差压取出装置和节流元件上、下游直管段的组合体。常用的标准化节流装置有：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘利喷嘴和文丘利管（REF_Ref12342\h图1）。采用设计标准节流装置时，都有统一标准的规定和要求，以及计算所需的通用化的实验数据资料。标准节流装置可以根据计算结果直接制造和使用，不必用试验方法进行检定。孔板（b）喷嘴（c）文丘利管图SEQ图\*ARABIC\s31常用的节流元件形式1）节流式流量计测试原理连续流动的流体流经节流装置时其现象如REF_Ref19333\h图2所示，流体在节流元件处形成局部收缩。由于流体流动有惯性，流束收缩到最小截面的位置不在节流元件处，而在节流元件后的B截面处（此位置还随流量大小而变），此处的流速uB最大，压力pB最低。B截面后，流束逐渐扩大。在C截面处，流束充满管道，流体速度恢复到节流前的速度（uC=uA）。由于流体流经节流元件时会产生旋涡及沿程的摩擦阻力等造成能量损失，因此压力pC不能恢复到原来的数值pA、pA与pC的差值ΔP称为流体流经节流元件的压力损失。图SEQ图\*ARABIC\s32节流元件前后压力及流速变化根据伯努利方程，假设管道中流过的流体为不可压缩流体，并忽略压力损失，则对截面A和B可得下列方程 pAρ+uA式中pA，pB——分别为A、B截面处流束中心静压力uA，uB——分别为A、B截面处流体的平均流速，D，d'——分别为A、B截面处流束直径，m；ρ——流体密度，对于不可压缩流体，其值可视为常数，kg/m³。在推导上述公式时，压力pA、pB是管道中心处静压力，不易测得，且B截面的位置是变化的；流束最小截面d'难以确定；没有考虑压力损失。而在实际测量中，用节流元件前、后的管壁压力p1、p2分别代替pA、pB；用节流元件开孔直径d代替d'，并考虑压力损失。可以得到流体体积流量方程式REF_Ref9124\h式（4）和质量流量方程式REF_Ref22070\h式（5）。体积流量方程式为 qv=αεπd质量流量方程式为 qm=αεπd式中qv——流经节流装置的体积流量，m3qm——流经节流装置的质量流量，kg/sα——流量系数，α=β——节流孔与管道的内直径比，β=C——流出系数，C=实际流量/理论流量，通过实验确定；ε——流体的可膨胀系数，由β、p2p1及被测介质的等熵指数k决定，不可压缩流体ε=1，可压缩流体d——节流装置开孔直径，m；ρ1——节流元件上游侧流体密度，不可压缩流体ρ1=ρ，视为常值p1，p2在工程中为了简化计算，给出实用流量方程。如孔板为 qv=0.04αεd2式中qv——流经节流装置的体积流量，m3/qm——流经节流装置的质量流量，kg/hε——流体膨胀校正系数，对于不可压缩流体ε=1，对于可压缩流体ε<1；α——流量系数；∆p——孔板前后的静压差，Pa；m——孔板开孔面积与管道内截面积之比；F——管道内截面积，mm2；F0——孔板开孔面积，mm2D——管道内径，mm。流量方程中流量系数的确定是个十分重要的问题。当采用标准节流装置和取压方式（角接取压）后，流量系数取决于雷诺数Re和截面比m，这些可从有关设计、使用手册中查出。2）标准节流装置的取压方式每个标准节流装置至少应有一个上游取压口和一个下游取压口。标准孔板可采用角接取压、法兰取压及D—D/2取压（REF_Ref28728\h图3）；标准喷嘴采用角接取压；经典文丘利管的上游取压口位于距收缩段与入口圆筒相交平面的0.5D处，下游取压口位于圆筒形喉部起始端的0.5d（d为喉部直径）处。（a）角接取压（b）法兰取压（c）D—D/2取压图3标准孔板的取压方式3）标准节流装置的安装要求由于标准节流装置的流出系数C都是在节流元件上游侧已成典型紊流流速分布条件下取得的，在实际使用时对管道条件及其安装均有一定要求：（1）标准节流装置只适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体的流量，流体应充满管道并作连续、稳定流动，流速应小于音速。流体在流过节流元件前应是充分发展紊流。（2）节流元件上、下游第一阻力件与节流元件之间的直管段L1、L2长度，按表1选取。上游第一阻力件与第二阻力件之间的直管段L0长度按上游第二阻力件形式和β=0.7（不论所用的节流元件实际的β值为多少）由REF_Ref424\h表2查得的L1值折半（REF_Ref392\h图4）。节流装置安装时必须保证它的开孔与管道轴线同轴，并使其端面与管道轴线垂直。表SEQ表\*ARABIC\s32节流元件上下游最小管段长度直径比β≤节流件上游侧的局部阻力件形式和最小直管段长度L节流件下游最短直管段长度L₂(本表所列各阻力件)单个90°弯头或三通同一平面上的两个或多个90°弯头不同平面上的两个或多个90°弯头渐缩管(在5D~3D的长度内由2D变为D)渐扩管(在1D～2D的长度内由0.5D变为D)球形阀全开全孔球阀或闸阀全开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.表中所列数值为管道直径D的倍数，应从节流件上游端面量起；2.不带括号的数值为“零附加不确定度”的值；3.带括号的数值为“0.5%附加不确定度“的值；4.标准节流装置的差压信号管的安装。图SEQ图\*ARABIC\s34节流装置示意图1—上游侧第二个局部阻力件；2—上游侧第一个局部阻力件；3—节流元件；4—下游侧第一个局部阻力件由标准节流装置取压口取出的差压信号，要通过信号管连接到差压仪表（差压变送器）。当被测液体为清洁液体时，信号管路的安装方式如REF_Ref392\h图5所示。当被测液体为清洁干气体时，信号管路的安装方式如REF_Ref1623\h图6所示。当被测液体为水蒸气时，主要是保持两根引压管内的冷凝液柱高度相等，并防止高温蒸汽与差压变送器直接接触，为此在靠近节流装置处的差压连接管上，应装设两个位于同一水平面的平衡冷却器，平衡冷却器和节流装置之间的管道应保温，且不许装设切断阀（REF_Ref1626\h图7）。（a）仪表在管道下方（b）仪表在管道上方（c）垂直管道，被测液体为高温液体图SEQ图\*ARABIC\s35信号管路安装示意（被测液体为清洁液体时）1—三阀组的正压阀；2—三阀组的负压阀；3—三阀组的旁通阀（a）仪表在管道下方（b）仪表在管道上方(c)垂直管道，仪表在取压口上方（d）垂直管道，仪表在取压口下方图SEQ图\*ARABIC\s36信号管路安装示意（被测液体为清洁干气体时）仪表在管道下方（b）仪表在管道上方（c）垂直管道，仪表在取压口上方（d）仪表在管道下方，同（a）图，仅冷凝器安装方式不同，可任意选用图SEQ图\*ARABIC\s37信号管路安装示意（被测液体为水蒸气时）上述安装图中均设有2阀组，以避免差压变送器损坏。最初设置为2阀组阀均关闭。在差压变送器启动时，应先打开2阀组的平衡阀3，然后打开正腔阀1，接着关闭阀3，最后打开阀2。差压变送器停运时，操作步骤相反。转子流量计转子流量计是根据节流原理测量流体流量的，但它是改变流体的流通面积来保持转子上下的差压恒定，故又称为变流通面积恒差压流量计，也称为浮子流量计。转子流量计如REF_Ref17937\h图8所示。它由一个向上渐扩的圆锥管和在管内随流量大小而上下浮动的转子（也称浮子）组成。当流体流经转子与圆锥管之间的环形缝隙时，因节流产生的压力差p1-p2的作用使转子上浮。当作用于转子的向上力与转子在流体中的重力相平衡时，转子就稳定在管中某一位置。此时若加大流量，压差就会增加，转子随之上升，因转子与圆锥管间的流通面积的增大，从而又使压差减小恢复到原来的数值，这时转子却已平衡于一个新的位置。若流量减小，上述各项变化亦相反。总之，在测量过程中因转子位置的变化而使环形流通面积发生了变化因转子的重量是不变的，无论其处于任何位置，其两端的压差均是不变的。转子流量计就是利用转子平衡时位置的高低求得流量值的。图8转子流量计1—锥形管；2—转子经分析，转子流量计的流量方程为 L=hεαπR+ ∆p=Vfρ式中L——被测流体的流量；h——转子平衡位置的高度；ε——流体膨胀修正系数；α——流量系数；R，r——圆锥管h处截面半径和转子最大处的截面半径；φ——圆锥管的夹角；ρ，ρ1——∆p——转子前后的压差；V——转子的体积；f——转子最大截面积。转子流量计中转子的材料依被测流体的化学性质而定，有铜、铝、铅、不锈钢、塑料、硬橡胶、玻璃等。圆锥管的材料依流量计类型而异，对直读式多用玻璃管（又称为玻璃转子流量计），对远传式多用不锈钢的。转子流量计是非标准化仪表，通常经实测来标记刻度值，标尺标以流量单位，如m3/h等。转子流量计结构简单、直观，压损小且恒定，适宜测量各种气体、液体和蒸汽等的流量，其测量范围，对液体可从每小时十几升到几百立方米，对气体可达几千立方米，基本测量误差约为刻度最大值的±2%。适用于小口径（D<150mm）、低流速的流体流量测量。转子流量计应垂直安装，流量计中心线与铅垂线间夹角一般不应超过5°，高精度（1.5级以上）流量计夹角不应超过2°，如果夹角等于12°，则会产生1%的误差。被测介质的流向应由下向上，不能反向安装。转子流量计上下游直管段一般为（2～5）D（管道公称直径）。必须注意转子直径最大处是读数处。使用时应缓慢旋开控制阀门，以免突然开启转子急剧上升而损坏玻璃管。转子流量计出厂时已经标定。标定时水的参数为T0=273℃＋20℃，pi=101325Pa，ρ=998kg/m3，μ=1.0×10-3Pa·s。空气的参数为T0=273℃+20℃φ=80%，pi=101325Pa，ρ=1.2kg/m3，μ=1.73×10-6Pa·s。转子流量计的校验，通常是使标准状态下的水（或空气）流过流量计，测出水（或空气）注满容器所需的时间，按下面两式求出实际流量值，即 L1=60Vτ L2=3.6Vτ式中L