化工原理第一章16

1、 第六節(jié)第六節(jié) 流速和流量的測(cè)量流速和流量的測(cè)量2022-6-8 1)測(cè)速管（皮托管）測(cè)速管（皮托管）a.兩根互成直角的同心套管，外管前端開(kāi)有若干測(cè)壓小孔.b.U形管測(cè)壓計(jì)1.結(jié)構(gòu):2.要求:流體清潔 測(cè)量時(shí)與管道方向平行A.B相距不太遠(yuǎn)，流體與A.B段測(cè)壓管的摩擦阻力忽略。 測(cè)速管外徑1/50流體輸送管內(nèi)徑 （保障誤差 7）AB3. 測(cè)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(dòng)壓頭在畢托管中由U形計(jì)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(cè)

2、量點(diǎn)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(cè)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(cè)速管。的管道，管中心安裝了測(cè)速管。已知已知U U形管壓差計(jì)讀數(shù)形管壓差計(jì)讀數(shù)R R為為15mmH15mmH2 2O O柱，測(cè)量點(diǎn)壓力為柱，測(cè)量點(diǎn)壓力為400mmH400mmH2 20 0柱柱( (表表壓壓) )。試計(jì)算管路中空氣的質(zhì)量流量。試計(jì)算管路中空氣的質(zhì)量流量。 解：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度為解

3、：標(biāo)準(zhǔn)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(jì)內(nèi)的指示液為水，其密度形管壓差計(jì)內(nèi)的指示液為水，其密度l000kg/ml000kg/m3 3，壓差計(jì)讀數(shù)壓差計(jì)讀數(shù)R=0.015mR=0.015m。因測(cè)速管安裝在管道中心，則可求得最大。因測(cè)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(cè)速管正對(duì)流體流向要使測(cè)速管正對(duì)流體流向l皮托管不宜太粗，以減少對(duì)流動(dòng)的干擾，一般應(yīng)選皮托管不宜太粗，以減少對(duì)流動(dòng)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(cè)速管安裝在速度分布的穩(wěn)定段，測(cè)量點(diǎn)上、下游為了保證測(cè)速管安裝在速度分布

5、的穩(wěn)定段，測(cè)量點(diǎn)上、下游的直管長(zhǎng)度最好大于的直管長(zhǎng)度最好大于50倍的管徑，倍的管徑，測(cè)量點(diǎn)前后測(cè)量點(diǎn)前后l l直直5050d di i；6.6.特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)阻力小，拆裝方便，主要用于大管徑氣優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)阻力小，拆裝方便，主要用于大管徑氣體流速或大氣中風(fēng)速的測(cè)量體流速或大氣中風(fēng)速的測(cè)量缺點(diǎn)：測(cè)壓孔小，易堵塞，因此不宜用于測(cè)量含固缺點(diǎn)：測(cè)壓孔小，易堵塞，因此不宜用于測(cè)量含固體粒子的流體速度。不能直接測(cè)出平均流速，壓差體粒子的流體速度。不能直接測(cè)出平均流速，壓差小，不易讀準(zhǔn)。小，不易讀準(zhǔn)。 2） 孔板式流量計(jì)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(kāi)有銳孔的金屬直并在中央開(kāi)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(cè)壓孔分別板兩側(cè)管壁上有測(cè)壓孔分別與一個(gè)與一個(gè)U型管壓差計(jì)相連，這型管壓差計(jì)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(jì)。計(jì)。1.結(jié)構(gòu)：流體流到孔口時(shí)，流股截面收縮，通過(guò)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(dá)到最小，然后才轉(zhuǎn)而逐漸擴(kuò)大到充滿整個(gè)管截面，流股截面最小處，速度最大，而相應(yīng)的靜壓強(qiáng)最低，稱為縮脈。因此，當(dāng)流體以一定的流量流經(jīng)小孔時(shí)，就產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，流量越大，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差越大。因此，利用測(cè)量壓強(qiáng)差的方法就可測(cè)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(jì)能量損失：截面間列柏努利方程，暫不計(jì)能量損失： 2222112121upup變形得變形得 2121222ppuupuu2212221RA1A0A23.流量測(cè)量方程式的推導(dǎo):（1 1）實(shí)際有能量損失；）實(shí)際有能量損失；（2）縮脈處）縮脈處A2未知。未知。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：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(jì)所測(cè)的流量范圍，最好是落在為定值的區(qū)域里。設(shè)計(jì)合適的孔板流量計(jì)，其值為0.60.7。孔板一定，取壓方式一定，即采用角接取壓法004221mCAqpAp氣體孔板流量計(jì)的流量公式氣體孔板流量計(jì)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(jì)型計(jì)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(jìn)行校核。問(wèn)題：與Re有關(guān)，而u1又為未知，故無(wú)法計(jì)算Re值。a.操作型計(jì)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(jì)算qm，求出u1，并核算Re是否大于Rec，若ReRec，計(jì)算結(jié)果可接受。4.應(yīng)用：計(jì)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，管內(nèi)輸送計(jì)，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(shí)，孔流系數(shù)）流量多少時(shí)，孔流系數(shù) 與流量無(wú)關(guān)；與流量無(wú)關(guān)； （2 2）該流量下孔板壓差計(jì)所檢測(cè)到的壓差。）該流量下孔板壓差計(jì)所檢測(cè)到的壓差。 解：由附錄查得解：由附錄查得2020時(shí)苯：時(shí)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(duì)應(yīng)，數(shù)對(duì)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(dá)即管內(nèi)苯的流量達(dá) 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(duì)應(yīng)的孔板壓差計(jì)所檢測(cè)到的壓差為：與該流量對(duì)應(yīng)的孔板壓差計(jì)所檢測(cè)到的壓差為： /sm1066. 31005. 1879410737. 0053. 014. 344335322ReddudV2孔板流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和安裝

12、都很方便構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和安裝都很方便缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：機(jī)械能損失（稱之為機(jī)械能損失（稱之為永久損失永久損失）大，）大， 當(dāng)當(dāng)d0/d1=0.2時(shí)，永久損失約為測(cè)得時(shí)，永久損失約為測(cè)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(shí)應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，安裝時(shí)應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，上上游長(zhǎng)度至少應(yīng)為游長(zhǎng)度至少應(yīng)為10d1，下游為，下游為5d1 使用時(shí)的注意事項(xiàng)使用時(shí)的注意事項(xiàng)： p2 2(縮脈縮脈) 2 p0 0 0 1 1 p1 R 19/1115.優(yōu)缺點(diǎn)1)制造安裝方便，當(dāng)流量有較大變化時(shí)，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(dāng)當(dāng)d d0 0/d/d1 1=0.2=0.2時(shí)，永久損失約為測(cè)得壓差的時(shí)，永久損失約為測(cè)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(jìn)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(zhǎng)度50d，下游直管長(zhǎng)度 10d。 000002gRACAuVs3文丘里（文丘里（Venturi）流量計(jì)）流量計(jì)收縮段錐角通常取收縮段錐角通常取15 25 ，擴(kuò)大段錐角

14、要取得小些，一般為擴(kuò)大段錐角要取得小些，一般為5 7 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：缺點(diǎn)：u 加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高u安裝時(shí)需占去一定管長(zhǎng)位置。安裝時(shí)需占去一定管長(zhǎng)位置。 R21/111圖1-31 文丘里流量計(jì) 為減少流體節(jié)流造成的能量損失，可用一段漸縮漸擴(kuò)的短管代替孔板，這就構(gòu)成了文丘里（venturi flowmeter）流量計(jì)。 當(dāng)流體在漸縮漸擴(kuò)段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，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(dòng)能達(dá)最高。此后，

15、在漸擴(kuò)的過(guò)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(guò)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(jì)收縮段錐角通常取收縮段錐角通常取15 25 ，擴(kuò)大段錐角要取得小些，一般為擴(kuò)大段錐角要取得小些，一般為5 7 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：缺點(diǎn)：u 加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高加工比孔板復(fù)雜，因而造價(jià)高u安裝時(shí)需占去一定管長(zhǎng)位置。安裝時(shí)需占去一定管長(zhǎng)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(jì) u A R R總結(jié)：總結(jié)：變壓頭流量計(jì)的特點(diǎn)是變壓頭流量計(jì)的特點(diǎn)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(jì)-轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(jì)是變截面定壓差流量計(jì)。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(dāng)壓力差與轉(zhuǎn)子的凈重力相等時(shí)，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(cè)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(duì)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(cè)液體的密度。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡時(shí)：0u11000u1up0轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量原理：測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)子作受力分

18、析：對(duì)轉(zhuǎn)子作受力分析： gVAuufff 2120229/111轉(zhuǎn)子流量計(jì) 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(shí)際轉(zhuǎn)子不是圓柱狀、流體非理考慮到實(shí)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(jì) 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(duì)照：孔板流量計(jì)對(duì)照：孔板流量計(jì)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(dòng)阻力即與轉(zhuǎn)子形狀、流動(dòng)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(shí)，應(yīng)讀轉(zhuǎn)子的哪個(gè)位置呢？轉(zhuǎn)子的形狀有不同，在讀數(shù)時(shí)，應(yīng)讀轉(zhuǎn)子的哪個(gè)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(jì)刻度的校正原因：2.用水和空氣分別作為標(biāo)定流量計(jì)刻度的介質(zhì)。1.轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度與被測(cè)流體的密度和轉(zhuǎn)子材質(zhì)有關(guān)。故：當(dāng)應(yīng)用于測(cè)量其它流體時(shí)，需要對(duì)原有的刻度加以校正。假定：出廠標(biāo)定時(shí)所用液體與實(shí)際工作時(shí)的液體的流量系數(shù)CR相等，并忽略粘度變化的影響：對(duì)于理想氣體測(cè)量：氣f則122()2()ffVRRRRfgVppqC AC AAffVV VV d. 注意事項(xiàng)：垂直安裝：安裝使用過(guò)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(kāi)啟時(shí)緩慢，防止碰撞損壞錐管。 e.e.特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 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(cè)量精度高測(cè)量精度高 能適用于腐蝕性流體的流量測(cè)量能適用于腐蝕性流體的流量測(cè)量缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 玻璃管不