矩形大管道的风量测量

时间:2017-11-16 13:25:00 来源:本网 添加人:admin

  决矩形大管道风量测量的几种方法,比较了各自优缺点,推荐了应用场合。文中重点介绍了机翼流量计。

  大型管道中的流量测量近年来已普遍引起人们的重视,并认真地着手解决。不少企业为节省场地,便于安装,在管道中流体压力不大的情况下,常采用矩形管道贴壁安装,如火电厂进风管道、大型通风系统,采用边长达2~3m的矩形管道已屡见不鲜。这种管道中的流量测量有一些特殊问题,不能照搬圆管中的测量方法和仪表,而中又少有介绍。前二年,笔者为解决某工程的这个问题,进行了探索,设计、制造了二台机翼流量计,并一次调试、投运成功。

  1流体在矩形管道中的流动特点早在1926年,Nikuradse就对流体在矩形管道中的流动进行了测试,其等速线如所示。它显示出不同于圆管中的同心圆等速线,并且发现有二次流。

  二次流从本质上来看,是在紊流条件下,在管道横截面上,有垂直于轴向的法向流动,它与轴向流动叠加后形成二次流,也可称为涡流。由于层流不存在法向流动,所以在层流条件下不可能发生二次流。

  (成都科学技术服务中心,成都(Sioooo)后,1964年,Brundrett及Baines又对矩形光滑管及粗糙管中的流动进行了测试。他们认为矩形管道中的二次流是由横截面上的雷诺力所引起的,而起主要作用的是法向应力强度,这是一种非等熵流动,紊流运动是形成二次流的基础。1973年Landei和Ying采用分析方法描述了这种复杂的流动。他们论证了二次流有使壁面应力均匀化的趋势,并指出二次流将改变摩擦因子的大小,其幅度约为±10%.长期以来,人们对这种流动的研究着重在对阻力的影响,很少涉及流量的测量,近年来才有所考虑,有关论述参见。

  也曾有人企图只测矩形管道轴向的压力梯度dp/d,来解决流量测量问题,其公式为1/2高度;为流体动力粘性系数;dPl/ck为无量纲轴向压力梯度。

  这种方法至今还未听说应用到实际工程中,问题在于这个计算公式是否确切地描述了实际的流动情况,是否可准确确定边界条件。这些还有待于实践证明。

  2常用方法下面介绍测量矩形大管道流量的三种常用方法,虽各有所长,但均不尽人意。

  2.1速度面积法这是一种经典的测量方法,早已有国际标准可以遵循(IS03966,IS07194)。这种方法的优点是不受管道大小的限制,而且也还准确、可靠;不足之处是确定一个流量值要测20多点的流速,测量十分繁琐,因此几乎不太可能应用于工业现场上,但却可做为一种最基本、最实际的校验方法。

  此处要说明的是,在国际标准中,这种方法推荐的流速计是NPL型皮托管,它虽准确但对流向比较敏感,当流向偏离轴向超过10时,就将引起1%以上的误差。在圆管中应用多属位流不成问题,但用于矩形管道则应另当别论。因在矩形管道中不可避免地会存在二次流,流向偏离超过±10则司空见惯,仍用NPL型皮托管,难保必要的准确度。为此,笔者推荐一种带导流进口的特殊皮托管,它在流向偏离轴线±40.以内时,仍可保持1%的准确度。

  2.2插入法2.2.1点速法点速法是通过测量管道中某一点的流速来推算流量的方法。这种方法简单易行,但准确度很低,在工业现场多用于监测,很少用于计量。

  原则上,采用这种方法一般流速计均可测流量。

  目前所用的有插入式涡轮流量计、插人式涡街流量计、皮托一文丘利管等等。笔者在此特别推荐皮托一文丘利管,它结构简单,工作可靠,可输出比皮托管大几倍的差压信号,且耐高温及可工作在较前二者更为恶劣的现场,在火电厂及冶金、钢铁行业曾风行一时。要注意的是,其速度-差压特性重复性差,每支均需在风洞中校验后才好使用。

  2.2.2线速法线速法是指一次测量沿一直线上多点流速的综合值来确定流量,较点速法准确,且安装条件也优于点速法,国内外常采用均速管。它的结构简单,工作可靠,便于安装,较适用于矩形管道各种情况的风量测量,其安装位置如所示。

  均速管在矩形管道中使用时,其流量计算公式与圆管类似,不同之处是在计算横截面积及便于选用流量系数K时引用了当量直径与矩形横截面宽6与高/1的关系为这样处理仅为权宜之计,特别是当矩形截面的宽6与高h相差较大时,会有较大的误差。

  2.3弯管流计(见这种方法已应用了几十年,是一种较成熟的测量方法,只是输出差压太小,测量精度也不高。在采用矩形管道时,由于工艺布局的需要,可常见有矩形弯头,如果因势利导加以利用,倒也是一种可考虑的方法。

  否则,在直管道中刻意加入一个90弯管流量计则就大可不必了。

  3机翼流量计3.1原理测量矩形管道中的流量,早期曾采用过矩形文丘利管。为防止气流在扩张段分离,增大压损,后扩张角一般不得超过1p~12,因此文丘利管很长,给安装与运输带来不便。如果在矩形通道中安装一至数个机翼(见),则既可能将每个分离角控制在10~12°,又缩短了整个长度,使结构紧凑,便于安装、运输。

  从原理上来看,机翼流量计采用的还是节流,使气流加速、降压,通过测差压来确定流量的大小,因此,它仍是一种节流装置。但机翼流量进口部分有导流作用,在气体加速的过程中,可缓解气流的横向流动,减小涡流的尺寸,所以它对进口直管道的长度要求不象机翼流量计原理图一般节流装置那么苛刻,约仅需3倍当量直径的长度,这一点对矩形大管道特别具有实用价值。

  3.2计算公式一般流经机翼流量计的气流速度不会超过30m/s,故可按不可压流处理,流体的密度p可视为常数,公工推导以柏努利方程及连续方程为基础(推导从略),计算公式为输出差压,pa;yv为常数,取决式(2)各参数的单位,此处为5.09x103;K为流量系数,一般在0.95~0.99之间;a为阻塞比,定义为m =42/禹;七为流量计喉部最小通道面积,m2;山为流量计进口截面积,m2.在设计机翼流量计时,往往是已知流量9及进口截面积木,由此来选定差压Ap及阻塞比a二个参数。计算时要先给定其中一个参数来求另一个参数。笔者建议选定阻塞比a时以0.3~0.5之间为宜;a值选得太小,过于闭塞则压力损失太大,影响管道中的正常流动;选得太大,节流效果不明显,输出差压又太小,难以选用差压变送器。差压Ap值建议不要小于400Pa,上限则无限制。

  3.3结构机翼流量计的结构如所示。

  机翼型面型面的曲线由三段组成:前缘为一个曲率半径为25的圆弧(或直接采用一根衫0的圆管);中段曲线为二次方程y2=c(c为常数)所描述;后缘为便于加工采用直线,三段平滑相接,不允许有拐点。

  总、静压孔位置在每个机翼前缘正对流向有一组总压孔,各孔相距0.2~0.3m,将所测得的总压汇集在位于前缘的总压汇管中,再将每个汇管中的总压均值接至位于机翼流量计外壳上的总压集气管,通过仪表阀门,接至差压变送器篼压端。

  在机翼最高点,也就是通道最窄处的机翼表面有一组静压孔(如考虑到流体的运动惯性,对流体而言,最窄通道应处于结构最窄处下游约1公分处)。各静压孔的间距为0.1~02m,将所测得的静压汇集在由截面50mmx60mm的方槽静压汇管中(见)。每个静压汇管采集的静压再接到位于流量计外壳上的静压集气管,通过仪表阀门接到差压变送器低压端。

  总、静压孔径总压孔径为2~3mm;静压孔径为1~2mm.一般来说,静压孔应为机翼板厚的1/2.静压孔不允许有倒角,边缘光滑不得有毛刺、焊渣。而总压孔前缘可允许有90>~120P内倒角,甚至为加强导流作用,安装导流套管。

  人孔为便于检修、校验,在机翼流量计进口前方约1处,应安置一个0.6mx0.6m的人孔。

  这里要说明二个问题。其一是为什么要用方槽静压汇管。原则上讲,只要在机翼中静压排孔安装一个隔板,将总、静压分隔开也是可行的。但这就要求加工机翼时所有焊缝应绝对密封,不得漏气,否则测不到真实的静压。其次由于机翼的后内腔容积很大,而静压孔又仅为1~2mm,要达到稳定的静压值需要较长的时间,流;1计时间常数太大。因此,从改善加工条件,改善测控系统性能出发,采用容积较小,易于加工的静压汇管是必须的。其二是如果机翼流量计处于进风管道进口,在进口处应考虑安装有导流作用的喇叭口,喇叭口呈弧形,角度以45°~60为宜,在这种情况下,由于流量计距进口较近,可忽略压损,大气压力可视为总压,差压变送器高压腔直接与大气相通,省略了总压汇管及集气管,简化了结构。

  排污工业现场中的气体难免会含有一些粉尘,机翼流量计由于测压孔较多,一般不易阻塞。在使用较长时间后,集气管或测压汇管因空腔较小,可能集聚较多的粉尘。如在汇管或集气管的另一端安装一个排污球阀(或堵头)通向大气,定期打开阀门(或堵头),(下转第16)3传感器标定结果传感器在设计安装调试完成之后,在计量部门进行了标定,为了与口径为(425mm的电磁涡轮流量传感器进行比较,本文给出了与之口径一致,轴承和涡轮转子材料相同的光纤速度式涡轮流量传感器的标定结果。标定程序严格按照流量标定规程进行,标定介质为水,共进行了三个来回行程。标定结果见,其中a为办-TV关系曲线,b为办-A:关系曲线。

  由标定结果可知:光纤速度式涡轮流量传感器的可测量范围为0.29-12.60m3/h,量程比为43:1,在标定时,由于标定装置压力不够,流量只能做到12.60m3/h,不可能再上升,否则,流量测量上限还有可能提高。而相同口径的电磁涡轮流量传感器可测量范围为1.19~12.24m3/h,量程比只有10:1,由此可见,光纤速度式流量传感器的测量死区大为减小。

  经对标定结果进行分析计算可知:传感器在全量程范围内的线性误差为0.83%,该数值有些偏大,但其重复性误差仅为0.25%,因此,可以很方便地利用非线性修正的方法来减小线性误差。例如,采用三段线性插值方法,传感器的线性误差就可减到0.30%. 4结论光纤速度式涡轮流量传感器具有测量重复性好,量程比大,抗电磁干扰能力强和安全可靠等独特的优点,尤其是分离式光纤速度式涡轮流量传感器,测试现场不带电,在低粘度燃油及可燃性气体流量测量中是一种安全可靠的流量检测仪器。

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