化工原理第一章16

1、 第六節(jié)第六節(jié) 流速和流量的測量流速和流量的測量2022-6-8 1)測速管（皮托管）測速管（皮托管）a.兩根互成直角的同心套管，外管前端開有若干測壓小孔.b.U形管測壓計1.結(jié)構(gòu):2.要求:流體清潔 測量時與管道方向平行A.B相距不太遠，流體與A.B段測壓管的摩擦阻力忽略。 測速管外徑1/50流體輸送管內(nèi)徑 （保障誤差 7）AB3. 測量原理：A處流體總能量22AAAuphggB處BBphg因A、B很近，hfA-B0,且pA pB于是：hguhhABA22流流示RghguA22動壓頭在畢托管中由U形計的靜壓能形式體現(xiàn)其大小為：Rphg示流流流 u A R B沖壓頭4. 注意：Pitot管是測

2、量點速（線速度） 0.9 0.8uumax 0.7 0.6 0.5 102 103 104 105 106 107 Remax= umaxd/ Re=ud/測umax平均速度流量Remax=umaxd/ maxuu例例 5050的空氣流經(jīng)內(nèi)徑為的空氣流經(jīng)內(nèi)徑為300mm300mm的管道，管中心安裝了測速管。的管道，管中心安裝了測速管。已知已知U U形管壓差計讀數(shù)形管壓差計讀數(shù)R R為為15mmH15mmH2 2O O柱，測量點壓力為柱，測量點壓力為400mmH400mmH2 20 0柱柱( (表表壓壓) )。試計算管路中空氣的質(zhì)量流量。試計算管路中空氣的質(zhì)量流量。 解：標準狀態(tài)下空氣的密度為解

3、：標準狀態(tài)下空氣的密度為1.293kg/m1.293kg/m3 3，則操作條件下空氣，則操作條件下空氣的密度為的密度為3/135. 110330400103305015.27315.273293. 1mkg 已知已知u u形管壓差計內(nèi)的指示液為水，其密度形管壓差計內(nèi)的指示液為水，其密度l000kg/ml000kg/m3 3，壓差計讀數(shù)壓差計讀數(shù)R=0.015mR=0.015m。因測速管安裝在管道中心，則可求得最大。因測速管安裝在管道中心，則可求得最大流速流速 smgRu/1 .16135. 1015. 081. 91000220max 由附錄查得由附錄查得5050空氣的粘度空氣的粘度SPa51

4、096. 155max108 . 21096. 1135. 11 .163 . 0Redu查圖，得查圖，得則則 84. 0maxuusmuu/5 .131 .1684. 084. 0max則管路中空氣的質(zhì)量流量為則管路中空氣的質(zhì)量流量為skgudW/08. 1135. 15 .133 . 044225.5.安裝安裝l要使測速管正對流體流向要使測速管正對流體流向l皮托管不宜太粗，以減少對流動的干擾，一般應(yīng)選皮托管不宜太粗，以減少對流動的干擾，一般應(yīng)選取皮托管的直徑小于管徑的取皮托管的直徑小于管徑的1/501/50。l為了保證測速管安裝在速度分布的穩(wěn)定段，測量點上、下游為了保證測速管安裝在速度分布

5、的穩(wěn)定段，測量點上、下游的直管長度最好大于的直管長度最好大于50倍的管徑，倍的管徑，測量點前后測量點前后l l直直5050d di i；6.6.特點特點優(yōu)點：流動阻力小，拆裝方便，主要用于大管徑氣優(yōu)點：流動阻力小，拆裝方便，主要用于大管徑氣體流速或大氣中風速的測量體流速或大氣中風速的測量缺點：測壓孔小，易堵塞，因此不宜用于測量含固缺點：測壓孔小，易堵塞，因此不宜用于測量含固體粒子的流體速度。不能直接測出平均流速，壓差體粒子的流體速度。不能直接測出平均流速，壓差小，不易讀準。小，不易讀準。 2） 孔板式流量計在管道內(nèi)插一片與管軸相垂在管道內(nèi)插一片與管軸相垂直并在中央開有銳孔的金屬直并在中央開有銳

6、孔的金屬板，圓孔與管子同心，在該板，圓孔與管子同心，在該板兩側(cè)管壁上有測壓孔分別板兩側(cè)管壁上有測壓孔分別與一個與一個U型管壓差計相連，這型管壓差計相連，這樣構(gòu)成的裝置稱為孔板流量樣構(gòu)成的裝置稱為孔板流量計。計。1.結(jié)構(gòu)：流體流到孔口時，流股截面收縮，通過孔口后，流股還繼續(xù)收縮，到一定距離（約等于管徑的1/3至2/3倍）達到最小，然后才轉(zhuǎn)而逐漸擴大到充滿整個管截面，流股截面最小處，速度最大，而相應(yīng)的靜壓強最低，稱為縮脈。因此，當流體以一定的流量流經(jīng)小孔時，就產(chǎn)生一定的壓強差，流量越大，所產(chǎn)生的壓強差越大。因此，利用測量壓強差的方法就可測量流體流量。 2.原理：0在在1-1截面和截面和2-2截面間

7、列柏努利方程，暫不計能量損失：截面間列柏努利方程，暫不計能量損失： 2222112121upup變形得變形得 2121222ppuupuu2212221RA1A0A23.流量測量方程式的推導(dǎo):（1 1）實際有能量損失；）實際有能量損失；（2）縮脈處）縮脈處A2未知。未知。問題：問題：解決方法：用孔口速度解決方法：用孔口速度u0替代縮脈處速度替代縮脈處速度u2，引入校正系數(shù)，引入校正系數(shù) CpCuu221201001AAuu 由連續(xù)性方程得：由連續(xù)性方程得：pAACu2)(12100帶入得帶入得：22010AAdD令41C流量系數(shù)004221mCAqpAp 0.84 0.82 0.80 0.7

8、0.78 0.76 0.74 0.6 A0 0.72 A1 0.70 0.5 0.68 0.66 0.4 0.64 0.3 0.62 0.2 0.60 0.1 0.05 3 104 105 106 Re 孔流系數(shù)與Re及A0/A1的關(guān)系 注意：流量計所測的流量范圍，最好是落在為定值的區(qū)域里。設(shè)計合適的孔板流量計，其值為0.60.7?？装逡欢ǎ悍绞揭欢?，即采用角接取壓法004221mCAqpAp氣體孔板流量計的流量公式氣體孔板流量計的流量公式mmmgRACgRACV00000002)(2氣體的絕熱指數(shù)氣體的絕熱指數(shù)壓差比值（壓差比值（P P1 1-P-P2 2）/P/P1 1截面積比值截面積

9、比值A(chǔ) A0 0/A/A1 1有關(guān)有關(guān)影響體積膨脹系數(shù)影響體積膨脹系數(shù)的因素的因素b.設(shè)計型計算：先在 =0.60.7的范圍內(nèi)取值，并且根據(jù)ReRec及 直接讀出A0/A1，求得d0，再進行校核。問題：與Re有關(guān)，而u1又為未知，故無法計算Re值。a.操作型計算：先假設(shè)Re大于Rec（Rec為極限允許值或限度值）由A0/A1從關(guān)系圖中查得 （常數(shù)區(qū)），用式1-75計算qm，求出u1，并核算Re是否大于Rec，若ReRec，計算結(jié)果可接受。4.應(yīng)用：計算流量解決方法：可采用試差法。004221mCAqpAp例例 在在 60603.5mm3.5mm的管路中安裝有一孔徑為的管路中安裝有一孔徑為30m

10、m30mm的標準孔板流量的標準孔板流量計，管內(nèi)輸送計，管內(nèi)輸送2020的液態(tài)苯。的液態(tài)苯。試確定：（試確定：（1 1）流量多少時，孔流系數(shù)）流量多少時，孔流系數(shù) 與流量無關(guān)；與流量無關(guān)； （2 2）該流量下孔板壓差計所檢測到的壓差。）該流量下孔板壓差計所檢測到的壓差。 解：由附錄查得解：由附錄查得2020時苯：時苯： = 879 kg/m= 879 kg/m3 3， = 0.737= 0.7371010-3 -3 PasPas。 22000.030.320.053dAAd由圖查得，該孔板的孔流系由圖查得，該孔板的孔流系數(shù)數(shù) 為定值的最小為定值的最小Re Re 為為1.051.0510105 5

11、，與此，與此Re Re 數(shù)對應(yīng)，數(shù)對應(yīng)，本題條件下苯的流量為：本題條件下苯的流量為： 2232003.66 1087928.8kPa20.64 0.785 0.032VPC A即管內(nèi)苯的流量達即管內(nèi)苯的流量達 3.663.661010-3 -3 m m3 3/s /s 后，孔流系數(shù)后，孔流系數(shù) 為為一定值，由圖查得一定值，由圖查得 = 0.64= 0.64。與該流量對應(yīng)的孔板壓差計所檢測到的壓差為：與該流量對應(yīng)的孔板壓差計所檢測到的壓差為： /sm1066. 31005. 1879410737. 0053. 014. 344335322ReddudV2孔板流量計優(yōu)點：優(yōu)點：構(gòu)造簡單，制造和安裝

12、都很方便構(gòu)造簡單，制造和安裝都很方便缺點：缺點：機械能損失（稱之為機械能損失（稱之為永久損失永久損失）大，）大， 當當d0/d1=0.2時，永久損失約為測得時，永久損失約為測得 壓差的壓差的90%， 常用的常用的d0/d1=0.5情形下，永久損失情形下，永久損失 也有也有75%。u安裝時應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，安裝時應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，上上游長度至少應(yīng)為游長度至少應(yīng)為10d1，下游為，下游為5d1 使用時的注意事項使用時的注意事項： p2 2(縮脈縮脈) 2 p0 0 0 1 1 p1 R 19/1115.優(yōu)缺點1)制造安裝方便，當流量有較大變化時，調(diào)換孔板

13、亦很方便 2)能量損失（稱之為（稱之為永久損失永久損失）較大，并隨A0/A1的減小而加大。當當d d0 0/d/d1 1=0.2=0.2時，永久損失約為測得壓差的時，永久損失約為測得壓差的90%90%，常用的，常用的d d0 0/d/d1 1=0.5=0.5情形下，永久損失也有情形下，永久損失也有75%75%。 3)不適于污濁流體，孔口邊緣容易腐蝕和磨損，應(yīng)定期進行校正 4)安裝需要一段內(nèi)徑不變的直管段作穩(wěn)定段，通常要求上游直管長度50d，下游直管長度 10d。 000002gRACAuVs3文丘里（文丘里（Venturi）流量計）流量計收縮段錐角通常取收縮段錐角通常取15 25 ，擴大段錐角

14、要取得小些，一般為擴大段錐角要取得小些，一般為5 7 優(yōu)點：優(yōu)點：其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送（其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送（ C0 中的中的D可可 取為取為0.980.99）。）。缺點：缺點：u 加工比孔板復(fù)雜，因而造價高加工比孔板復(fù)雜，因而造價高u安裝時需占去一定管長位置。安裝時需占去一定管長位置。 R21/111圖1-31 文丘里流量計 為減少流體節(jié)流造成的能量損失，可用一段漸縮漸擴的短管代替孔板，這就構(gòu)成了文丘里（venturi flowmeter）流量計。 當流體在漸縮漸擴段內(nèi)流動時，流速變化平緩，渦流較少，于喉頸處（即最小流通截面處）流體的動能達最高。此后，

15、在漸擴的過程中，流體的速度又平緩降低，相應(yīng)的流體壓力逐漸恢復(fù)。如此過程避免了渦流的形成，從而大大降低了能量的損失。 三. 文丘里流量計收縮段錐角通常取收縮段錐角通常取15 25 ，擴大段錐角要取得小些，一般為擴大段錐角要取得小些，一般為5 7 優(yōu)點：優(yōu)點：其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送（其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送（ C C0 0 中的中的D D取為取為0.980.980.990.99）。）。缺點：缺點：u 加工比孔板復(fù)雜，因而造價高加工比孔板復(fù)雜，因而造價高u安裝時需占去一定管長位置。安裝時需占去一定管長位置。 )(200V RgACqVCV流量系數(shù)（流量系數(shù)（0.98

16、0.99） A0喉管處截面積喉管處截面積變壓頭流量計 u A R R總結(jié)：總結(jié)：變壓頭流量計的特點是變壓頭流量計的特點是 2(縮脈縮脈) 2 0 0 1 1 R 恒截面，變壓頭恒截面，變壓頭24/1114) 變截面流量計-轉(zhuǎn)子流量計a. 結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子（金屬或其它材質(zhì)）b.原理： 轉(zhuǎn)子流量計是變截面定壓差流量計。浮子與錐管間環(huán)形截面積隨流量而變。浮子在錐形管中的位置高低即反映流量的大小。 當壓力差與轉(zhuǎn)子的凈重力相等時，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有讀數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的停留位置，即可讀出被測流體的流量。 垂直錐形玻璃錐管轉(zhuǎn)子承受的壓力差 = 轉(zhuǎn)子的重力-流體對轉(zhuǎn)子的浮力gVg

17、VAppffff)01(fffAgVpp/ )()01(設(shè)Vf為轉(zhuǎn)子的體積，Af為轉(zhuǎn)子最大部分截面積，f f為轉(zhuǎn)子的密度，為被測液體的密度。當轉(zhuǎn)子處于平衡時：0u11000u1up0轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計測量原理：測量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffAuuAzzgApp212010012 重重力力升升力力浮浮力力 fpA gVAppfff 01先按理想流體推導(dǎo)。先按理想流體推導(dǎo)。在在1-11-1面、面、 0-00-0面間列伯努利方程：面間列伯努利方程：若將轉(zhuǎn)子視為一圓柱體，有：若將轉(zhuǎn)子視為一圓柱體，有： fffAuugVApp2120012 對轉(zhuǎn)子作受力分

18、析：對轉(zhuǎn)子作受力分析： gVAuufff 2120229/111轉(zhuǎn)子流量計 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 gVAAAufff 21020121100AuAu fffAgVAAu 2112100 fffRAgVCu 20 考慮到實際轉(zhuǎn)子不是圓柱狀、流體非理考慮到實際轉(zhuǎn)子不是圓柱狀、流體非理想，將上式加一校正系數(shù)，得：想，將上式加一校正系數(shù)，得：30/111轉(zhuǎn)子流量計 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffRAgVACAuV 2000常 數(shù)變量流量系數(shù) 000002gRACAuV對照：孔板流量計對照：孔板流量計常數(shù)變量31/111 式中式中CR

19、與那些因素有關(guān)呢？與那些因素有關(guān)呢？ CR與轉(zhuǎn)子形狀、流動阻力即與轉(zhuǎn)子形狀、流動阻力即環(huán)隙雷諾數(shù)環(huán)隙雷諾數(shù)Re0=du0/有關(guān)。有關(guān)。 轉(zhuǎn)子的形狀有不同，在讀數(shù)時，應(yīng)讀轉(zhuǎn)子的哪個位置呢？轉(zhuǎn)子的形狀有不同，在讀數(shù)時，應(yīng)讀轉(zhuǎn)子的哪個位置呢？ 最大截面處最大截面處。流量流量 fff0R00)(2AgVACAuVs c.轉(zhuǎn)子流量計刻度的校正原因：2.用水和空氣分別作為標定流量計刻度的介質(zhì)。1.轉(zhuǎn)子流量計的刻度與被測流體的密度和轉(zhuǎn)子材質(zhì)有關(guān)。故：當應(yīng)用于測量其它流體時，需要對原有的刻度加以校正。假定：出廠標定時所用液體與實際工作時的液體的流量系數(shù)CR相等，并忽略粘度變化的影響：對于理想氣體測量：氣f則122()2()ffVRRRRfgVppqC AC AAffVV VV d. 注意事項：垂直安裝：安裝使用過程中也容易破碎流體靜壓 5 atm：故不能經(jīng)受高溫和高壓為便于檢修，應(yīng)設(shè)旁路，開啟時緩慢，防止碰撞損壞錐管。 e.e.特點特點優(yōu)點：優(yōu)點： 讀取流量直觀方便讀取流量直觀方便 阻力損失小阻力損失小 測量精度高測量精度高 能適用于腐蝕性流體的流量測量能適用于腐蝕性流體的流量測量缺點：缺點： 玻璃管不