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梯形楔流量计结构的优化分析
更新时间:2010-11-29   点击次数:3370次

  一、引言

      目前,应用zui广泛的一类流量计是以节流装置和差压计组成的差压式流量计。文[1]讨论了一种新型差压式流量计,研制了一种流量范围宽,线性度好,压力损力小,度高,可适宜于脏污介质的差压式流量计。本文主要分析此新型流量计的结构参数及其优化。

      二、流量计的性能实验分析

       1.基本原理

      差压式流量计是根据安装在管道中的节流装置所产生的差压来测量流量的仪表。它在流体通过节流件时发生节流产生差压,差压流量计通过测量差压从而达到测量流量的目的。实验证明,差压Δp与流量Q之间存在着一定的函数关系。

      本实验流量计的节流装置示意图如图1所示,在直径为D的圆管内安装一个底角分别为以α、β,上底宽为B,高为H的梯形楔,为减小流动分离涡以及在使用中磨损造成的新误差,在顶角处修圆角。在节流部件上游D/2处和梯形楔顶部开有两个取压口分别为1和2。

 

      假设流体是不可压流体,且流动是一维定常流动,由伯努利方程和连续性方程,可以推导出流体的体积流量Q为

                 (1)

      其中α为流量系数,通常其值是由实验确定的,它与节流件的结构、直径比、取压方式、雷诺数及壁面相对粗糙度等有关;A0为2点所在断面面积,m2;Δp为断面1、2之间的压差,Pa;ρ为流体的密度,kg/m3

       2.结构参数设计

      节流式流量计的流量测量度,主要取决于节流装置的设计、制造和安装等。本实验对梯形楔的结构进行讨论以得到优化尺寸和改善流量计性能指标。现选用管道直径D为32mm、α=40°、β=25°,首先讨论梯形楔H/D=0.5时,不同底宽的影响,实验分三种底宽即B=0;B=D/4;B=D/2的情况进行实验分析。采用不同的底宽B,讨论对流量计测量精度的影响。另一方面,为适应不同流量范围获得足够大的压差信号,采用不同的高径比H/D,本实验对H/D=0.4;H/D=0.5;H/D=0.6等尺寸进行实验分析。

       3.实验结果

      本实验是由高位水箱、水泵、多管差压计、节流件、截止阀、调节阀、称量标准装置等组成。调节阀用来调节流量,四个点压差信息利用多管差压计读取。在图1中,1、2点的压差为节流件信号差压用来测量流量。在距节流件上流法兰1D的上流及距节流件下流法兰6D的下流处设取压孔3、4点,其压差用来测量节流件的水头损失。利用称量法(秒表、天平)来作为流量标准装置。

      设1、2点的差压水头高度值Δh1-2,现以差压水头高度值的平方根为横坐标,流量为纵坐标,不同底宽B的实验结果分别见图2(H/D=0.5、B=0)、图3(H/D=0.5、B=D/4)、图4(H/D=0.5、B=D/2)。

 

      由图2、3、4可见,底宽越大,流量与压差的线性关系越好,B=D/2时。这说明在迎流底面头部,由流道的改变形成分离涡区,若底宽小,因流量改变对测压点有一定影响,底宽越长,则测压点流动越稳定。当然,底宽的长度将影响节流件的尺寸,从实验结果看B=D/2时*。

      为适应不同量程的流量范围,可采用安装不同高度的梯形楔,以获得足够的压差信号,这也是工程上人们常运用的方法。本实验在底宽B=D/2的条件下,分别讨论了H/D=0.4;H/D=0.5;H/D= 0.6三种情况。实验结果参见图4、图5、图6,这三种情况都反映了很好的线性关系。

      流体流过节流件时,由于梯形楔前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦,使得流体总机械能的一部分不可逆的变成了热能。为了测量梯形楔的水头损失,我们在距节流件上流法兰1D的上流及距节流件下流法兰6D的下流处设取压孔,设其压力分别为h3和h4。测量装有节流件的压力差Δh″=h3-h4,然后取下节流件,接上同直径同材料的短管,用同样方法测量差压Δh′,这样节流件的水头损失可用Δh″-Δh′给出[2]。根据局部水头损失方程写出节流件局部水头损失

                         (2)

      本实验分别测量了底宽B=D/2,高径比H/D=0.4;H/D=0.5;H/D=0.6等三种结构的节流件的水头损失,现以节流件局部阻力因数为纵坐标,雷诺数Re为横坐标,实验结果见图7。

      由图7可知,当B=D/2时,节流件的水头损失随H/D的增大而增大。这主要是由于当H/D增大时,在靠近节流件时,由于流件的黏性和局部阻碍等影响造成的涡流越大,故而由于涡流的形成造成的损失也越大。水头损失越大,可使我们获得较大的差压信号;水头损失越小,可以节约仪表运行所需的能耗,这样,在测量的流体流量较大时,可使H/D值较小,同样在测量的流体流量较小时,可使H/D值较大。另一方面,由图可见,在这三种情况下,节流件的局部阻力系数都表现为在较小的雷诺数下,就很快趋于一个常数,这表明节流件具有很好的线性特征且量程范围大。

      本实验针对B=D/2,H/D=0.5这种结构进行误差分析,这种结构的相对误差zui大值不超过2%。

      三、结论

      从以上分析可知,这种梯形楔流量计具有以下特点:

      (1)适当的上底宽是个重要的参数,实验表明B=D/2是*的结构,这时性能zui稳定。
      (2)节流件部分为流线型结构,部分边壁与管壁平直,这种结构有利于脏污介质的测量。
      (3)流量计量程比大,线形关系好,精度高,其相对误差在很宽的流量范围内都能保持在2%以内。
      (4)水头损失小,运行能耗低。梯形楔流量计的不可恢复压损仅占信号压差的6%~20%,而zui常用的孔板流量计的不可恢复压损占信号压差的40%~80%[3]。因此,从长远来看,梯形楔流量计的节能效果十分显著。
      (5)结构、安装简单,维修方便,成本低廉。

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