化工原理 第一章 流速和流量的測量

1、2024/4/1,第六節(jié) 流量的測量一、測速管二、孔板流量計三、文丘里流量計四、轉子流量計五、渦輪流量計,,,,第一章流體流動,2024/4/1,流量計的兩種類型,1、變壓頭流量計,【特點】將流體的動壓頭的變化以靜壓頭的變化的形式表示出來。讀數(shù)指示由壓強差換算而來?！纠纭繙y速管、孔板流量計和文丘里流量計?！菊f明】除測速管測定管截面上的點速度外，其余均測得平均速度。,第六節(jié) 流量的測量,2024/4/1,2、變截面流

2、量計,【特點】流體通過流量計時的壓力降是固定的，流體流量變化時流道的截面積發(fā)生變化，以保持不同流速下通過流量計的壓強降相同。（恒壓差、變截面）【例如】轉子流量計?！菊f明】變截面流量計可直接測得流體的體積流量。,2024/4/1,1、測速管的結構,①兩根彎成直角的同心套管；②內管管口敞開；③外管的管口封閉；④外管前端壁面四周開有若干測壓小孔。,一、測速管（Pitot tube 皮托管）,2024/4/1,畢托管實物圖,【說明】

3、為了減小誤差，測速管的前端經常做成半球形以減少渦流。,外管測壓小孔在3～8D處,2024/4/1,畢托管實物圖,【說明】1732年由法國工程師H.皮托首創(chuàng)，至今仍是用來測量時均點流速的常用儀器。,2024/4/1,空速管,2024/4/1,2 測速管工作原理,【說明】對于某水平管路，測速管的內管處測得的是管口所在位置的局部流體動壓頭與靜壓頭之和，外管測壓孔測得為靜壓頭。,測速管的內管與外管分別與U形壓差計相連。,2024/4/1,3、

4、測速管的計算公式,內管處測得的是管口所在位置的局部流體動壓頭與靜壓頭之和，稱為沖壓頭（能）。,外管測壓孔測得為靜壓頭：,2024/4/1,內外管之壓強差為：,測速管管口處的點速度為：,——測速管測定管內流體的點速度的基 本公式,【結論】可通過測量內、外管的壓力差計算管內流體的點速度。,2024/4/1,若使用U形管壓差計，所測流體的密度為ρ，U型管壓差計內充有密度為ρ0 的指示液，讀數(shù)為R。,實際使用時,c =0.98~1.00（校正

5、系數(shù)）,2024/4/1,4、平均流速與流量的確定,（1）根據(jù)測速管測得的管截面各處的點速度，建立流體在管內的速度分布方程，然后對速度分布方程進行積分，獲得體積流量及流速。其具體步驟為：①獲得流體在管內的速度分布方程式： ur＝f(r)②對速度分布方程式進行積分以得到流量及平均流速：,2024/4/1,（2）根據(jù)管內的最大流速與平均流速之間的關系，測出管內的最大流速，然后確定平均流速及流量。該法要使用試差法，其具體步驟為：①假設流

6、型（層流或湍流）；②由最大流速計算平均流速（如u＝0.5umax）；③校核流型（與假設流型是否相符）。,（3）根據(jù)皮托管測量管中心的最大流速，利用關系曲線（圖1－38）查取最大速度與平均速度的關系，求出截面的平均速度，進而計算出流量。,2024/4/1,u/umax～Remax(Re)關系圖,,,【說明】u/umax的關系較為復雜，與Re有關。因此，Re不同時，速度分布式亦不同。,2024/4/1,5、使用皮托管的注意事項,（1）測

7、速管應放置于流體均勻流段；（2）內管管口截面嚴格垂直于流動方向；（3）測量點的上，下游應有50倍直徑長的直管距離，至少應有8~12倍直徑長的直管段。（4）如果測速管的壓差讀數(shù)太小，可配微壓計。,2024/4/1,（5）測速管安裝于管路中，裝置頭部和垂直引出部分都將對管道內流體的流動產生影響，從而造成測量誤差。因此，除選好測點位置，盡量減少對流動的干擾外，一般應選取皮托管的直徑小于管徑的1/50。,（6）測速管對流體的阻力較小，適用

8、于測量大直徑管道中清潔氣體的流速，若流體中含有固體雜質時，易將測壓孔堵塞，故不宜采用。,2024/4/1,二、孔板流量計,1、孔板流量計的結構,（1）節(jié)流元件為孔板——中央開有圓孔的金屬板（銳孔）；（2）垂直安裝在管道中；（3）孔板前后分別引出兩個測壓口，分別與壓差計相連。,金屬孔板,壓差計,法蘭,2024/4/1,孔板流量計實物圖,2024/4/1,一體化的孔板流量計,數(shù)字壓差計,孔板流量計,2024/4/1,安裝在管路上的孔板流

9、量計,2024/4/1,2 孔板流量計的工作原理,流束收縮,縮脈,流束擴大,【說明】（1）當流體以一定流量流經孔板時，在孔板前后產生一定的壓力差 ΔP＝P1－P2；（2）流量愈大，ΔP也就愈大，即：,2024/4/1,【孔板流量計的兩種取壓方法】,（1）角接法（角接取壓） 其取壓口在孔板前后兩片法蘭上，盡量靠近孔板。（2）徑接法（縮脈取壓） 其上游取壓口在距離孔板1倍管徑處，下游取壓口在距離孔板0.5倍管徑處，盡量接近縮脈。,

10、2024/4/1,其中,——流量系數(shù)或孔流系數(shù),——孔板流量計基本方程式,3、孔板流量計的流量方程,孔板流量計的流量與壓差的關系，可由連續(xù)性方程和柏努利方程推導。結果如下：,【說明】u0為流體經過孔板的流速。,2024/4/1,將U形壓差計公式代入式中，得孔板處的流速：,【體積流量的計算】,4、流量的計算,【質量流量的計算】,2024/4/1,5、孔流系數(shù)的確定,通過實驗發(fā)現(xiàn)，C0的影響因素有：（1）管道流動的雷諾數(shù)Re；（2）孔面

11、積與管道面積比A0/A1；（3）孔板的取壓方式；（4）孔板的加工精度；（5）管壁粗糙度等?！菊f明】由于影響因素眾多，目前還無法從理論上計算C0 ，只能依靠實驗數(shù)據(jù)所獲得的實驗曲線，根據(jù)操作條件查找。,2024/4/1,【實驗曲線】對于按標準規(guī)格及精度制作的孔板，用角接取壓法安裝的標準孔板流量計，實驗測得的C0與Re、A0/A1的關系曲線如圖1－40所示。,【處理方法】對于取壓方式、結構尺寸、加工狀況均已規(guī)定的標準孔板，流量系數(shù)C

12、0可以表示為：,式中Re是以管道的u1、d1計算的雷諾數(shù)，即：,2024/4/1,【說明】（1）對于A0/A1相同的標準孔板，C0只是Re的函數(shù)，并隨Re的增大而減?。唬?）當Re增大到一定界限值之后，C0不再隨Re 變化，成為一個僅取決于A0/A1的常數(shù)；（3）選用或設計孔板流量計時，應盡量使常用流量在此范圍內。常用的C0值為0.6～0.7。,,,2024/4/1,6、流量的確定——試差法,（1）先假設Re超過Re界限值ReC，

13、由A0/A1從圖1-40中查得C0；（2）根據(jù)公式計算流量qV，再計算管道中的流速u及相應的Re；（3）若所得的Re值大于界限值ReC, 則表明原來的假設正確，計算結果有效；（4）否則需重新假設C0，重復上述計算，直至計算值與假設值相符為止。,2024/4/1,【優(yōu)點】構造簡單，安裝方便 ?！救秉c】流體通過孔板流量計的阻力損失很大。主要是由于流體流經孔板時，截面的突然縮小與擴大形成大量渦流所致。雖然流體經管口后某一位置流速已恢復

14、與孔板前相同，但靜壓力卻不能恢復，產生了永久壓力降。,7、孔板流量計的優(yōu)缺點,2024/4/1,孔板,縮脈,旋渦,流體流經孔板的狀況,,,2024/4/1,7、孔板流量計的安裝,（1）水平安裝在管路上；,（2）孔板流量計安裝時，上、下游需要有一段內徑不變的直管作為穩(wěn)定段，上游長度至少為管徑的10倍，下游長度為管徑的5倍。,2024/4/1,【例】 20℃苯在φ133×4mm的鋼管中流過，為測量苯的流量，在管道中安裝一孔徑為7

15、5mm的標準孔板流量計。當孔板前后U形壓差計的讀數(shù)R為80mmHg時，試求管中苯的流量（m3/h）。,2024/4/1,【解】查得20℃苯的物性：,面積比：,由公式可求得苯的體積流量：,設Re＞ReC，由圖1-40查得：,2024/4/1,校核Re： 管內的平均流速為：,管道的Re：,故假設正確，以上計算有效。苯在管路中的流量為：,qV＝48.96 m3/h,2024/4/1,三、文丘里（Venturi）流量計,1、文氏流量計的結構及

16、特點,【結構】用一段漸縮、漸擴管代替孔板，所構成的流量計稱為文丘里流量計或文氏流量計?！咎攸c】當流體經過文丘里管時，由于均勻收縮和逐漸擴大，流速變化平緩，渦流較少，故能量損失比孔板大大減少。,2024/4/1,文氏流量計的結構示意圖,漸縮管,漸擴管,喉管,測壓口,測壓口,2024/4/1,文氏流量計實物圖,2024/4/1,【說明】文丘里流量計的測量原理與孔板流量計相同，也屬于差壓式流量計。 根據(jù)所連接的U型管壓差計確定R，然

17、后使用公式計算體積流量。,2、文丘里流量計的測量原理,2024/4/1,3、文丘里流量計的流量計算,由于文丘里流量計的測量原理與孔板流量計相同，其流量計算公式也與孔板流量計相似，即：,,,式中 CV——文丘里流量計的流量系數(shù)（約為0.98～0.99）； A0——喉管處截面積，m2。,2024/4/1,2024/4/1,一體化文丘里流量計,2024/4/1,3、文氏流量計的優(yōu)缺點,【優(yōu)點】阻力損失小，大多數(shù)用于低壓

18、氣體輸送中的測量； 【缺點】加工精度要求較高，造價較高，并且在安裝時流量計本身占據(jù)較長的管長位置。,2024/4/1,文丘里除塵器,【說明】洗滌液（水）從喉管加入時，氣液兩相間相對流速很大，液滴在高速氣流下霧化，塵粒被水濕潤。塵粒與液滴或塵粒與塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚。在擴散管中，氣流速度減小，壓力回升，以塵粒為凝結核的凝聚作用加快，凝聚成粒徑較大的塵粒，而易于被捕集。,2024/4/1,文丘里除塵器,2024/4/1,文丘里除塵器

19、,2024/4/1,鍋爐脫硫除塵工藝流程圖,2024/4/1,2024/4/1,1、轉子流量計的結構,（1）金屬外殼；（2）上粗下細的錐形玻璃管（錐角約在4°左右）；（3）固體轉子（或稱浮子）；（4）流體自玻璃管底部流入，經過轉子和管壁之間的環(huán)隙，再從頂部流出。,四、轉子流量計,2024/4/1,轉子流量計實物圖,2024/4/1,轉子流量計實物圖,2024/4/1,2、轉子流量計的工作原理,（1）當被測流體以一定的流量

20、流經轉子與管壁之間的環(huán)隙時，在轉子上、下端面形成一個壓差，將轉子托起，使轉子上浮。當三個力平衡時，轉子的位置不動。（2）當流速增大時，壓差變大，平衡破壞，轉子位置上升；（3）轉子停留的位置可確定流量的大小。,2024/4/1,3、轉子流量計的流量方程,轉子共受到三個力：重力（向下）、壓力（向上）、浮力（向上）。當轉子靜止不動時，三個力平衡，即：,由此可推得轉子流量計的體積流量為：,AR——轉子上端面處環(huán)隙面積CR——轉子流量系

21、數(shù),2024/4/1,4、流量的測定,【原理】由于流量（qv）與環(huán)隙面積（AR）有關，在圓錐形筒與浮子的尺寸固定時，環(huán)隙面積AR決定于浮子在筒內的位置，因此，轉子流量一般都以轉子的停留位置來指示流量?！咀x數(shù)】轉子流量計玻璃管外表面上刻有流量值，根據(jù)轉子平衡時其上端平面（最大截面）所處的位置，即可讀取相應的流量。,2024/4/1,5、轉子流量計的標定與刻度換算,轉子流量計上的刻度，是在出廠前用某種流體進行標定的。 ①液體流量計用

22、20℃的水（密度約為1000kg/m3）標定；②氣體流量計用20℃和101.3kPa下的空氣（密度為1.2kg/m3）標定。,（1）標定,2024/4/1,轉子流量計的標定,孔板流量計,轉子流量計,2024/4/1,當被測流體與標定條件不符時，應進行刻度換算。假定CR相同，在同一刻度下，有：,式中 下標1表示標定流體的參數(shù)； 下標2表示實際被測流體的參數(shù)。,（2）換算,2024/4/1,6、轉子流量計的安裝與特點,（1）

23、轉子流量計必須垂直安裝在管路上；（2）為便于檢修，應設置如圖所示的支路。,（1）轉子流量計的安裝,2024/4/1,【優(yōu)點】轉子流量計讀數(shù)方便，流動阻力很小，測量范圍寬，測量精度較高，對不同的流體適用性廣?！救秉c】玻璃管不能經受高溫和高壓，在安裝使用過程中玻璃容易破碎。,（2）轉子流量計的特點,2024/4/1,五、渦輪流量計,1、渦輪流量計的結構,渦輪流量計由渦輪流量傳感器和顯示儀表組成。,（1）渦輪；（2）導流器； （3）磁

24、電感應轉換器； （4）外殼； （5）前置放大器 。,2024/4/1,渦輪流量傳感器,2024/4/1,管路中的渦輪流量計,2024/4/1,2、渦輪流量計的工作原理,2024/4/1,（1）當流體通過安裝有渦輪的管路時，流體的動能沖擊渦輪發(fā)生旋轉，流體的流速愈高，動能越大，渦輪轉速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉速和流速成正比。（2）當渦輪轉動時，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產生的磁力線，使檢測線圈