16 流量测量.docx

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16流量测量

知识点1-6流量测量

【学习指导】

1．学习目的

流体的流量是化工生产和科学实验过程中的重要参数之一。

通过本知识点学习，要学会根据工艺要求和流体性质选用适宜的流量计并进行流量测量。

重点了解流体流动守恒原理在流量测量中的应用。

2．本知识点的重点

根据流体流动时各种机械能互相转换关系而设计的流速计与流量计分为两大类，即

差压（定截面）流量计，包括测速管（毕托管）、孔板流量计、文丘里流量计等，除测速管测定管截面上的点速度外，其余均测得平均速度。

截面（定压差）流量计（即转子流量计），直接测得流体的体积流量。

要求掌握各种流量计的工作原理、选型和流量计算方法，并了解各种流量计的优缺点、适用场合及安装注意事项。

3．本知识点的难点

本知识点无难点，但要注意流量计下游压强不得低于操作温度下的饱和蒸汽压。

4．应完成的习题

1-20．在φ38×2.5mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4mm，管中流动的是20℃的甲苯，采用角接取压法，用U管压差计测量孔板两测的压强差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。

现测得U管压差计的读数为600mm，试计算管中甲苯的流量为若干kg/h？

[答：

5427kg/h]

1-21．用φ57×3.5mm的钢管输送80℃的热水（其饱和蒸汽压为47.37kPa、密度为971kg/m3、粘度为0.3565mPa·s），管路中装一标准孔板流量计，用U形管汞柱压差计测压强差（角接取压法），要求水的流量范围是10~20m3/h，孔板上游压强为101.33kPa（表压）。

试计算：

（1）U形管压差计的最大量程Rmax；

（2）孔径d0；

（3）为克服孔板永久压强降所消耗的功率。

当地大气压强为101.33kPa。

[答：

（1）1.254m；

（2）d0=25.5mm；（3）Ne=616W]

1-22．某转子流量计，出厂时用标准状况下的空气进行标定，其刻度范围10~50m3/h，试计算：

（1）用该流量计测定20℃的CO2流量，其体积流量范围为若干？

（2）用该流量计测定20℃的NH3气流量，其体积流量范围为若干？

（3）现欲将CO2的测量上限保持在50m3/h应对转子作何简单加工？

当地的大气压为101.33kPa。

[答：

（1）8.4~42.0m3/h；

（2）13.5~67.6m3/h；（3）顶端面积削小使AR2=1.19AR1]

一.差压流量计

差压式流量计又称定截面流量计，其特点是节流元件提供流体流动的截面积是恒定的，而其上下游的压强差随着流量（流速）而变化。

利用测量压强差的方法来测定流体的流量（流速）。

（一）测速管（测速管动画）

测速管又称皮托（Pitot）管，这是一种测量点速度的装置。

它由两根弯成直角的同心套管所组成，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔，为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。

测量时，测速管可以放在管截面的任一位置上，并使其管口正对着管道中流体的流动方向，外管与内管的末端分别与液柱压差计的两臂相连接。

当流体流近测速管前端时，流体的动能全部转化为驻点静压能，故测速管内管测得的为管口位置的冲压能（动能与静压能之和），即

测速管外管前端壁面四周的测压孔口测得的是该位置上的静压能，即

如果U形管压差计的读数为R，指示液与工作流体的密度分别为ρA与ρ。

则R与测量点处的冲压能之差

相对应，于是可推得

（1-61）

式中 

C――流量系数，其值为1.98~1.00，常可取作“1”。

若将测速管口放在管中心线上，测得umax，由Remax可借助图1-18确定管内的平均流速u。

应用注意事项：

测量时管口正对流向；测速管外径不大于管内径的1/50；测量点应在进口段以后的平稳地段。

测速的优点是流动阻力小，可测速度分布，适宜大管道中气速测量。

其缺点是不能测平均速度，需配微压差计，工作流体应不含固粒。

（二）孔板流量计（孔板流量计动画）

孔板流量计是一种应用很广泛的节流式流量计。

在管道里插入一片与管轴垂直并带有通常为圆孔的金属板，孔的中心位于管道中心线上，如图1-50所示。

这样构成的装置，称为孔板流量计。

孔板称为节流无件。

当流体流过小孔以后，由于惯性作用，流动截面并不立即扩大到与管截面相等，而是继续收缩一定距离后才逐渐扩大到整个管截面。

流动截面最小处（如图中截面2-2’）称为缩脉。

流体在缩脉处的流速最高，即动能最大，而相应的静压强就最低。

因此，当流体以一定的流量流经小孔时，就产生一定的压强差，流量愈大，所产生的压强差也就愈大。

所以根据测量压强差的大小来度量流体流量。

假设管内流动的为不可压缩流体。

由于缩脉位置及截面积难以确定（随流量而变），故在上游未收缩处的1-1’截面与孔板处下游截面0-0’间列柏动利方程式（暂略去能量损失），得：

对于水平管，Z1=Z0，简化上式并整理后得

（1-62）

流体流经孔板的能量损失不能忽略，故式1-62应引进一校正系数C1，用来校正因忽略能量损失所引起的误差，即

（1-62a）

工程上采用角接取压法（如图所示）测取孔板前后的压强差（pa-pb）代替（p1-p0），再引进一校正系数C2，用来校正测压孔的位置，则

（1-62b）

由连续方程式:

由静力学方程式:

则得

（1-63）

式1-63就是用孔板前后压强的变化来计算孔板小孔流速u0的公式。

若以体积或质量流量表达，则为

（1-64）

（1-65）

各式中的C0为流量系数或孔流系数，无因次。

由以上各式的推导过程中可以看出：

（1）C0与C1有关，故C0与流体流经孔板的能量损失有关，即与Re准数有关。

（2）不同的取压法得出不同的C2，所以C0与取压法有关。

（3）C0与面积比A0/A1有关。

C0与这些变量间的关系由实验测定。

用角接取压法安装的孔板流量计，其C0与Re、A0/A1的关系如图1-51所示。

图中的Re准数为

，其中d1与u1是管道内径和流体在管道内的平均流速。

流量计所测的流量范围，最好是落在C0为定值的区域里。

设计合适的孔析流量计，其C0值为0.6~0.7。

用式1-64与1-65计算流体的流量时，必须先确定流量系数C0的数值，但是C0与Re有关，而管道中的流体流速u1又为未知，故无法计算Re值。

在这种情况，可采用试差法。

对于操作型计算，试差过程是：

先假设Re大于Rec（Rec为极限允许值或限度值），由A0/A从图1-51中查得C0（常数区），用式1-63计算u0，求出u，并核算Re是否大于Rec，若Re≥Rec，计算结果可接受。

对于设计型计算，先在C0=0.6~0.7的范围内取值，并且根据Re≥Rec及C0直接读出A0/A1，求得d0。

再进行校核。

安装孔板流量计时，通常要求上游直管长度50d，下游直管长度10d。

孔板流量计是一种容易制造的简单装置。

当流量有较大变化时，为了调整测量条件，调换孔板亦很方便。

它的主要缺点是流体经过孔板后能量损失较大，并随A0/A1的减小而加大。

而且孔口边缘容易腐蚀和磨损，所以流量计应定期进行校正。

孔板流量计的能量损失（或称永久损失）可按下式估算：

（1-66）

（三）文丘里（Venturi）流量计

为了减少流体流经节流元件时的能量损失，可以用一段渐缩、渐扩管代替孔板，这样构成的流量计称为文丘里流量计或文氏流量计。

文丘里流量计上游的测压口（截面a处）距离管径开始收缩处的距离至少应为二分之一管径，下游测压口设在最小流通截面o处（称为文氏喉）。

由于有渐缩段和渐扩段，流体在其内的流速改变平缓，涡流较少，所以能量损失就比孔板大大减少。

文丘里流量计的流量计算式与孔板流量计相类似，即

（1-67）

式中

Cv——流量系数，无因次，其值可由实验测定或从仪表手册中查得，一般取0.98~1.00；

pa-po——截面a与截面o间的压强差，单位为Pa，其值大小由压差计读数R来确定；

Ao——喉管的截面积，m2;

ρ——被测流体的密度，kg/m3。

文丘里流量计能量损失小，为其优点，但各部分尺寸要求严格，需要精细加工，所以造价也就比较高。

二.截面流量计—转子流量计（转子流量计动画）

转子流量计的构造是在一根截面积自下而上逐渐扩大的垂直锥形玻璃管1内，装有一个能够旋转自如的由金属或其它材质制成的转子2（或称浮子）。

被测流体从玻璃管底部进入，从顶部流出。

当流体自下而上流过垂直的锥形管时，转子受到两个力的作用：

一是垂直向上的推动力，它等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；另一是垂直向下的净重力，它等于转子所受的重力减去流体对转子的浮力。

当流量加大使压力差大于转子的净重力时，转子就上升。

当压力差与转子的净重力相等时，转子处于平衡状态，即停留在一定位置上。

在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量。

转子流量计是变截面定压差流量计。

作用在浮子上下游的压力差为定值，而浮子与锥管间环形截面积随流量而变。

浮子在锥形管中的位置高低即反映流量的大小。

设Vf为转子的体积，Af为转子最大部分的截面积，ρf为转子材质的密度，ρ为被测流体的密度。

若上游环形截面为1-1’，下游环形截面为2-2’，则流体流经环形截面所产生的压强差为（p1-p2）。

当转子在流体中处于平衡状态时，即

转子承爱的压力=转子所受的重力---流体对转子的浮力

于是

所以

（1-68）

从上式可以看出，当用固定的转子流量计测量某流体的流量时，式中的Vf、Af、ρf、ρ均为定值，所以（p1-p2）亦为恒定，与流量无关。

仿照孔板流量计的流量公式可写出转子流量计的流量公式，即

（1-69）

式中

AR——转子与玻璃管的环形截面积，m2；

CR——转子流量计的流量系数、无因次，与Re值及转子形状有关，由实验测定或从有关仪表手册中查得。

当环隙间的Re>104时，CR可取0.98。

由上式可知，对某一转子流量计，如果在所测量的流量范围内，流量系数CR为常数时，则流量只随环形截面积AR而变。

由于玻璃管是上大下小的锥体，所以环形截面积的大小随转子所处的位置而变，因而可用转子所处位置的高低来反映流量的大小。

转子流量计刻度的校正

转子流量计的刻度与被流体的密度有关。

通常流量计在出厂之前，先用水和空气分别作为标定流量计刻度的介质。

当应用于测量其它流体时，需要对原有的刻度加以校正。

假定出厂标定时所用液体与实际工作时的液体的流量系数CR相等，并忽略粘度变化的影响，根据式1-69，在同一刻度下，两种液体的流量关系为

（1-70）

式中下标1表示出厂标定时所用的液体；下标2表示实际工作时的液体。

同理对用于气体的流量计，在同一刻度下，两种气体的流量关系为

因转子材质的密度比任何气体的密度ρg要大得多，故上式可简化为

（1-71）

式中下标g1表示出厂标定时所用的气体；下标g2表示实际工作时的气体。

转子流量计读取流量方便，能量损失很小，测量范围也宽，能用于腐蚀性流体的测量。

但因流量计管壁大多为玻璃制品，故不能经受高温和高压，在安装使用过程中也容易破碎，且要求安装时必须保持垂直。

例题及解题指导

【例1-26】在内径为300mm的管道中，以测速管测量管内空气的流量。

测量点处的温度为20℃,真空度为490Pa，大气压强为98.66×103Pa。

测速管插至管道的中心线处。

测压装置为微差压计，指时液是油和水，其密度分别为835kg/m3和998kg/m3，测得的读数为80mm。

试求空气的质量流量（以每小时计）。

解：

解题思路

Vs=3600uA。

（1）测管中心处的umax（微压差计）

而

所以

umax=14.8m/s

（2）平均流速u

20℃时空气的粘度μ＝1.81×10-5Pa·s，则

查图1-39

u/umax=0.84

u=0.84umax=12.4m/s

（3）空气的质量流量

【例1-27】密度为1600kg/m3，粘度为1.5×10-3Pa·s的溶液流经φ83×3.5mm的钢管。

为了测定流量，于管路中装有标准孔板流量计，以U管水银压差计测量孔板前、后的压强差。

溶液的最大流量为600L/min，并希望在最大流量下压差计的读数不超过600mm，采用角接取压法，试求孔板的孔径。

解：

本例为设计型试差计算题。

基本关系式为式1-67。

设Re>Rec，并初取C0=0.65，则

则

=0.00164m2

于是

m，即45.7mm

核算

由图1-51可知，当A0/A1=0.362时，上述的Re>Rec=1.06×105，即C0确为常数，其值仅由

决定，从图上亦可查得C0=0.65，与假设相符。

因此，孔板的孔径应为45.7mm。

此题亦可根据所设Re>Rec及C0，直接由图1-51查出

值，从而算出A0，校核步骤与上面相同。