化工原理第一章(流速和流量的测量)2008

2020/2/27第六节流量的测量一、测速管二、孔板流量计三、文丘里流量计四、转子流量计五、涡轮流量计第一章流体流动2020/2/27流量计的两种类型1、变压头流量计【特点】将流体的动压头的变化以静压头的变化的形式表示出来。读数指示由压强差换算而来。【例如】测速管、孔板流量计和文丘里流量计。【说明】除测速管测定管截面上的点速度外，其余均测得平均速度。第六节流量的测量2020/2/272、变截面流量计【特点】流体通过流量计时的压力降是固定的，流体流量变化时流道的截面积发生变化，以保持不同流速下通过流量计的压强降相同。【例如】转子流量计。【说明】变截面流量计可直接测得流体的体积流量。2020/2/27一、测速管1、测速管的结构①测速管又称皮托（Pitot）管，是由两根弯成直角的同心套管组成；②内管管口敞开；③外管的管口封闭；④外管前端壁面四周开有若干测压小孔。2020/2/27为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。测速管的内管与外管分别与U形压差计（由于压差较小，常用微差压差计）相连。2020/2/27毕托管实物图2020/2/27毕托管实物图2020/2/272测速管工作原理毕托管测压原理.swf对于某水平管路，测速管的内管处测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，外管测压孔测得为静压头。2020/2/273、测速管的计算公式内管处测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头（能）。gpguh22内管22uPghP＝＝内管内管外管测压孔测得为静压头：gph外管PghP＝＝外管外管2020/2/27内外管之压强差为：22uPPP＝－外管内管测速管管口处的点速度为：pu2——测速管测定管内流体的点速度的基本公式【结论】可通过测量内、外管的压力差计算管内流体的点速度。2020/2/27若使用U形管压差计，所测流体的密度为ρ，U型管压差计内充有密度为ρ0的指示液，读数为R。gRuPPP)(202＝－外管内管)(20gRu实际使用时)(20gRcuc=0.98~1.00（校正系数）2020/2/274、平均流速与流量的确定（1）测速管实际测得的是流体在管截面某处的点速度，因此利用测速管可以测得流体在管内的速度分布。若要获得流量，可对速度分布曲线进行积分。（2）利用皮托管测量管中心的最大流速，利用关系曲线（图1－38）查取最大速度与平均速度的关系，求出截面的平均速度，进而计算出流量，此法较常用。2020/2/27u/umax～Remax(Re)关系图2020/2/275、使用皮托管的注意事项（1）测速管所测的速度是管路内某一点的线速度，它可以用于测定流道截面的速度分布。（2）一般使用测速管测定管中心的速度，然后可根据截面上速度分布规律换算平均速度。（3）测速管应放置于流体均匀流段，且其管口截面严格垂直于流动方向，一般测量点的上，下游最好均有50倍直径长的直管距离，至少应有8~12倍直径长的直管段。2020/2/27（4）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的1/50。（5）测速管对流体的阻力较小，适用于测量大直径管道中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜采用。（6）测速管的压差读数教小，常常需要放大或配微压计。2020/2/27二、孔板流量计1、孔板流量计的结构（1）节流元件为孔板——中央开有圆孔的金属板。垂直安装在管道中；（2）孔板前后两端引出两个测压口，分别与压差计相连。金属孔板压差计2020/2/27孔板流量计实物图2020/2/27孔板流量计实物图2020/2/272020/2/27流束扩大缩脉流束收缩当流体以一定流量流经小孔时，在孔板前后就产生一定的压力差ΔP＝P1－P2。流量愈大，ΔP也就愈大，所以利用测量压差的方法就可以测量流量。qV＝f(Δp)2孔板流量计的工作原理2020/2/27其中2100)(1AACCpCu200——流量系数或孔流系数——孔板流量计基本方程式3、孔板流量计的流量方程孔板流量计的流量与压差的关系，可由连续性方程和柏努利方程推导。结果如下：【说明】u0为流体经过孔板的流速。2020/2/27将U形压差计公式代入式中，得：)(2000RgCu根据u0即可计算流体的体积流量：)(200000RgACAuqV质量流量：)(2000RgACqqVm4、流量的计算2020/2/275、孔流系数的确定通过实验发现，C0的影响因素有：（1）管道流动的雷诺数Re；（2）孔面积与管道面积比A0/A1；（3）孔板的取压方式；（4）孔板的加工精度；（5）管壁粗糙度等。2020/2/27对于按标准规格及精度制作的孔板，用角接取压法安装在光滑管路中的标准孔板流量计，实验测得的C0与Re、A0/A1的关系曲线如图1－40所示。对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板，流量系数C0可以表示为：)(Re,100AAfC式中Re是以管道的内径d1计算的雷诺数，即：11Reud2020/2/27从图中可以看出，对于A0/A1相同的标准孔板，C0只是Re的函数，并随Re的增大而减小。当增大到一定界限值之后，C0不再随Re变化，成为一个仅取决于A0/A1的常数。选用或设计孔板流量计时，应尽量使常用流量在此范围内。常用的C0值为0.6～0.7。2020/2/27【孔板流量计的两种接法】（1）角接法：其取压口在孔板前后两片法兰上；（2）径接法：其上游取压口在距离孔板1倍管径处，下游取压口在距离孔板0.5倍管径处。2020/2/276、流量的确定——试差法（1）先假设Re超过Re界限值ReC，由A0/A1从图1-40中查得C0；（2）根据公式计算流量qV，再计算管道中的流速u及相应的Re；（3）若所得的Re值大于界限值ReC,则表明原来的假设正确，计算结果有效；（4）否则需重新假设C0，重复上述计算，直至计算值与假设值相符为止。2020/2/27【优点】构造简单，安装方便。【缺点】流体通过孔板流量计的阻力损失很大。主要是由于流体流经孔板时，截面的突然缩小与扩大形成大量涡流所致。虽然流体经管口后某一位置流速已恢复与孔板前相同，但静压力却不能恢复，产生了永久压力降。7、孔板流量计的优缺点2020/2/27孔板缩脉旋涡流体流经孔板的状况2020/2/277、孔板流量计的安装（1）水平安装在管路上；（2）孔板流量计安装时，上、下游需要有一段内径不变的直管作为稳定段，上游长度至少为管径的10倍，下游长度为管径的5倍。2020/2/27【例】20℃苯在φ133×4mm的钢管中流过，为测量苯的流量，在管道中安装一孔径为75mm的标准孔板流量计。当孔板前后U形压差计的读数R为80mmHg时，试求管中苯的流量（m3/h）。2020/2/273kg/m880sPa1067.0336.0)12575()(221010ddAA648.00C5105.1Rec/h)48.96(m/s)m(0136.0880)88013600(81.908.02075.0785.0648.0)(2332000RgACqV【解】查得20℃苯的物性：面积比：由公式可求得苯的体积流量：设Re＞ReC，由图1-40查得：2020/2/27校核Re：管内的流速m/s)(1.1125.040136.04221dquV管道的Re：cudRe1081.11067.01.1880125.0Re5311故假设正确，以上计算有效。苯在管路中的流量为：qV＝48.96m3/h2020/2/27三、文丘里（Venturi）流量计1、文氏流量计的结构及特点【结构】用一段渐缩、渐扩管代替孔板，所构成的流量计称为文丘里流量计或文氏流量计。【特点】当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐渐扩大，流速变化平缓，涡流较少，故能量损失比孔板大大减少。2020/2/27文氏流量计的结构示意图2020/2/27文氏流量计实物图2020/2/27文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。根据所连接的U型管压差计确定R，然后使用公式计算体积流量。2、文丘里流量计的测量原理2020/2/273、文丘里流量计的流量计算由于文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，其流量计算公式也与孔板流量计相似，即：002gRACqvV式中CV——文丘里流量计的流量系数（约为0.98～0.99）；A0——喉管处截面积，m2。2020/2/272020/2/27一体化文丘里流量计2020/2/273、文氏流量计的优缺点【优点】阻力损失小，大多数用于低压气体输送中的测量；【缺点】加工精度要求较高，造价较高，并且在安装时流量计本身占据较长的管长位置。2020/2/27文丘里除尘器2020/2/271、转子流量计的结构（1）上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在4°左右）；（2）管内一个密度大于被测流体的固体转子（或称浮子）；（3）流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。四、转子流量计2020/2/272020/2/27大流量转子流量计2020/2/27小流量转子流量计2020/2/272、转子流量计的工作原理（1）当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。当三个力平衡时，转子的位置不动。（2）当流速增大时，压差变大，平衡破坏，转子位置上升；（3）转子停留的位置可确定流量的大小。2020/2/273、转子流量计的流量方程转子流量计流动示意图u00′1′01转子共受到三个力：重力（向下）、压力（向上）、浮力（向上）。当转子静止不动时，三个力平衡，即：gVgVAppffff)(01由此可推得转子流量计的体积流量为：fffRRVAgVACq)(2AR——转子上端面处环隙面积CR——转子流量系数2020/2/274、流量的测定由于流量与环隙面积有关，在圆锥形筒与浮子的尺寸固定时，环隙面积AR决定于浮子在筒内的位置，因此，转子流量一般都以转子的位置来指示流量。转子流量计玻璃管外表面上刻有流量值，根据转子平衡时其上端平面所处的位置，即可读取相应的流量。2020/2/275、转子流量计的标定与刻度换算转子流量计上的刻度，是在出厂前用某种流体进行标定的。一般液体流量计用20℃的水（密度为1000kg/m3）标定，而气体流量计则用20℃和101.3kPa下的空气（密度为1.2kg/m3）标定。（1）标定2020/2/27当被测流体与标定条件不符时，应进行刻度换算。假定CR相同，在同一刻度下，有：)()(122112ffVVqq式中下标1表示标定流体的参数；下标2表示实际被测流体的参数。（2）换算2020/2/276、转子流量计的安装与特点转子流量计安装示意图（1）转子流量计必须垂直安装在管路上；（2）为便于检修，应设置如图所示的支路。（1）转子流量计的安装2020/2/27【优点】转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同的流体适用性广。【缺点】玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。（2）转子流量计的特点2020/2/27五、涡轮流量计1、涡轮流量计的结构涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪表组成。1、涡轮2、导流器3、磁电感应转换器4、外壳5、前置放大器2020/2/27涡轮流量传感器2020/2/27管路中的涡轮流量计2020/2/272、涡轮流量计的工作原理当流体通过安装有涡轮的管路时，流体的动能冲击涡轮发生旋转，流体的流速愈高，动能越大，涡轮转速也就愈高。在一定的流量范围和流体粘度下，涡轮的转速和流速成正比。当涡轮转动时，涡轮叶片切割置于该变送器壳体上的检测线圈所产生的磁力